Вечномерзлые грунты – Мерзлые грунты

районы распространения, температура, особенности разработки

Из этой статьи вы узнаете об особенностях вечномерзлых грунтов, которые распространены в зонах вечной мерзлоты. В геологии вечная мерзлота — это земля, в том числе, каменная (криотическая) почва, актуальная при температуре замерзания воды 0 °C или ниже в течение двух или более лет. Большая часть вечной мерзлоты расположена в высоких широтах (внутри и вокруг арктических и антарктических регионов), но, например, в Альпах встречается и более высоко.

Грунтовый лед присутствует не всегда, как это может быть в случае непористой коренной породы, но он часто встречается в количествах, превышающих потенциальное гидравлическое насыщение грунтового материала. Вечная мерзлота составляет 0,022% от общего объема воды на Земле и существует в 24% открытых земель Северного полушария. Это также происходит под водой на континентальных шельфах континентов, окружающих Северный Ледовитый океан. По мнению одной группы ученых, глобального повышения температуры на 1,5 °C (2,7 °F) выше нынешних уровней будет достаточно, чтобы начать оттаивание вечной мерзлоты в Сибири.

Изучение

В отличие от относительной нехватки отчетов о мерзлых грунтах в Северной Америке до Второй мировой войны, на русском языке была доступна литература по инженерным аспектам вечной мерзлоты. Начиная с 1942 г., Симон Уильям Мюллер углубился в соответствующую литературу, принадлежавшую Библиотеке Конгресса и Библиотеке Геологической службы США, чтобы предоставить правительству руководство по инженерным работам и технический отчет о вечной мерзлоте к 1943 году.

Определение

Вечномерзлые грунты — это грунты, горные породы или отложения, которые замерзают более двух лет подряд. В областях, не покрытых льдом, они существуют под слоем почвы, камня или осадка, который ежегодно замерзает и оттаивает и называется «активным слоем». На практике это означает, что вечная мерзлота происходит при средней годовой температуре -2 °C (28,4 °F) или ниже. Толщина активного слоя меняется в зависимости от сезона, но составляет от 0,3 до 4 метров (мелкая вдоль арктического побережья; глубоко в южной Сибири и на Цинхай-Тибетском плато).

География

Что можно сказать о распространении вечномерзлых грунтов? Степень вечной мерзлоты варьируется в зависимости от климата: сегодня в Северном полушарии 24% свободной ото льда площади суши — что эквивалентно 19 миллионам квадратных километров — более или менее подвержены влиянию вечной мерзлоты.

В этой области чуть более половины покрыто непрерывной вечной мерзлотой, около 20 процентов — прерывистой вечной мерзлотой и чуть менее 30 процентов — спорадической вечной мерзлотой. Большая часть этой территории находится в Сибири, на севере Канады, на Аляске и в Гренландии. Под активным слоем ежегодные колебания температуры вечной мерзлоты становятся меньше с глубиной. Самая глубокая глубина вечной мерзлоты происходит там, где геотермальное тепло поддерживает температуру больше нуля. Выше этого предела может быть вечная мерзлота, температура которой не меняется ежегодно. Это «изотермическая вечная мерзлота». Районы вечномерзлых грунтов слабо пригодны для активной жизнедеятельности человека.

Климат

Вечная мерзлота обычно образуется в любом климате, где среднегодовая температура воздуха меньше точки замерзания воды. Исключения можно найти в климате влажной зимы, например, в Северной Скандинавии и северо-восточной части России к западу от Урала, где снег выступает в качестве изолирующего покрытия. Ледниковые участки могут быть исключениями. Поскольку все ледники нагреваются у основания геотермальным теплом, умеренные ледники, которые находятся вблизи точки плавления под давлением, могут иметь жидкую воду на границе с землей. Поэтому они свободны от вечной мерзлоты. «Ископаемые» холодные аномалии в геотермальном градиенте в районах, где во время плейстоцена развивалась глубокая вечная мерзлота, сохраняются до нескольких сотен метров. Это видно из измерений температуры в скважинах в Северной Америке и Европе.

Температура под землей

Как правило, температура под землей изменяется от сезона к сезону меньше, чем температура воздуха. При этом среднегодовые температуры имеют тенденцию к увеличению с глубиной в результате геотермального градиента земной коры. Таким образом, если среднегодовая температура воздуха лишь немного ниже 0 °C (32 °F), вечная мерзлота будет формироваться только в местах, которые защищены — обычно с северной стороны — создавая прерывистую вечную мерзлоту. Обычно вечная мерзлота будет оставаться прерывистой в климате, где среднегодовая температура поверхности почвы составляет от –5 до 0 °C (от 23 до 32 °F). На участках с влажной зимой, упомянутых выше, не может быть даже прерывистой вечной мерзлоты до -2 °C (28 °F).

Виды вечной мерзлоты

Вечная мерзлота часто далее делится на обширную прерывистую вечную мерзлоту, где вечная мерзлота охватывает от 50 до 90 процентов ландшафта и обычно встречается в областях со среднегодовой температурой от -2 до -4 °C (28-25 °F), а также спорадическую вечную мерзлоту, где покров вечной мерзлоты составляет менее 50 процентов ландшафта и обычно происходит при среднегодовой температуре от 0 до -2 °C (32 и 28 °F). В почвоведении спорадическая зона вечной мерзлоты — это СЗЗ, а обширная зона прерывистой мерзлоты — ДЗЗ. Исключения случаются в неглазированной Сибири и Аляске, где нынешняя глубина вечной мерзлоты является пережитком климатических условий во время ледникового периода, где зимы были на 11 °C (20 °F) холоднее, чем сегодня.

Температура вечномерзлых грунтов

При среднегодовых температурах поверхности почвы ниже -5 °C (23 °F) влияние аспекта никогда не может быть достаточным для оттаивания вечной мерзлоты и формирования зоны непрерывной вечной мерзлоты (сокращенно — CPZ). Линия сплошной вечной мерзлоты в Северном полушарии представляет собой самую южную границу, где земля покрыта сплошной вечной мерзлотой или ледниковым льдом.

По вполне очевидным причинам проектирование на вечномерзлых грунтах является крайне сложной задачей. Линия сплошной вечной мерзлоты меняется по всему миру на север или юг из-за региональных климатических изменений. В южном полушарии большая часть эквивалентной линии была бы в Южном океане, если бы там была земля. Большая часть антарктического континента перекрыта ледниками, под которыми большая часть местности подвержена таянию в грунте. Обнаженная земля Антарктиды в значительной степени залегает в условиях вечной мерзлоты.

Альпы

Оценки общей площади зоны вечномерзлых грунтов в Альпах сильно варьируются. Бокхайм и Манро объединили три источника и сделали табличные оценки по регионам (в общей сложности 3 560 000 км2).

Альпийской вечной мерзлоты в Андах не было на карте. Протяженность в данном случае смоделирована для оценки количества воды в этих областях. В 2009 году исследователь из Аляски обнаружил вечную мерзлоту на уровне 4700 м (15 400 футов) на самой высокой вершине Африки, горе Килиманджаро, примерно в 3° к северу от экватора. Фундаменты на вечномерзлых грунтах в этих широтах — не редкость.

Замерзшие моря и мерзлое дно

Морская вечная мерзлота встречается под морским дном и существует на континентальных шельфах полярных регионов. Эти области образовались в течение последнего ледникового периода, когда большая часть воды Земли была связана в ледяных щитах на суше и уровень моря был низким. Когда ледяные щиты растаяли и снова стали морской водой, вечная мерзлота превратилась в затопленные полки при относительно теплых и соленых граничных условиях по сравнению с вечной мерзлотой на поверхности. Поэтому подводная вечная мерзлота существует в условиях, которые приводят к ее уменьшению. По словам Остеркампа, подводная вечная мерзлота является фактором «проектирования, строительства и эксплуатации прибрежных объектов, сооружений, основанных на морском дне, искусственных островов, подводных трубопроводов и скважин, пробуренных для разведки и добычи.

Вечная мерзлота простирается до глубины основания, где геотермальное тепло от Земли и среднегодовая температура на поверхности достигают равновесной температуры 0 °C. Глубина основания вечной мерзлоты достигает 1493 метров (4898 футов) в северных бассейнах рек Лена и Яна в Сибири. Геотермальный градиент — это скорость увеличения температуры по отношению к увеличению глубины в недрах Земли. Вдали от границ тектонической плиты она составляет около 25-30 °C/км вблизи поверхности в большинстве стран мира. Он изменяется в зависимости от теплопроводности геологического материала и меньше для вечной мерзлоты в почве, чем в коренной породе.

Лед в почве

Когда содержание льда в вечной мерзлоте превышает 250 процентов (от массы льда до сухой почвы), она классифицируется как массивный лед. Массивные ледяные тела могут варьироваться по составу от ледяной грязи до чистого льда. Массивные ледяные пласты имеют минимальную толщину не менее 2 метров, короткий диаметр — не менее 10 метров. Впервые зарегистрированные в Северной Америке наблюдения были сделаны европейскими учеными на реке Каннинг на Аляске в 1919 году. Русская литература приводит более раннюю дату 1735 и 1739 годов во время Великой Северной экспедиции П. Лассиния и Х. П. Лаптева соответственно. Две категории массивного грунтового льда — это погребенный поверхностный лед и так называемый «внутриседный лед». Создание каких либо оснований на вечномерзлых грунтах требует, чтобы никаких крупных ледников поблизости не было.

Погребенный поверхностный лед может происходить из снега, замерзшего озера или морского льда, aufeis (скрученный речной лед) и, вероятно, наиболее распространенный вариант — погребенный ледниковый лед.

Замерзание подземных вод

Интрадиестимальный лед образуется в результате замерзания подземных вод. Здесь преобладает сегрегационный лед, который возникает в результате кристаллизационной дифференциации, происходящей во время замерзания влажных осадков. Процесс сопровождается миграцией воды на фронт замерзания.

Интрадиестимальный (конституционный) лед широко наблюдался и изучался по всей Канаде, а также включает интрузивный и инъекционный лед. Кроме того, ледяные клинья, отдельный тип грунтового льда, производят узнаваемые узорные полигоны или тундровые полигоны. Ледяные клинья образуются в ранее существовавшем геологическом субстрате. Они были впервые описаны в 1919 году.

Углеродный цикл

Углеродный цикл вечной мерзлоты связан с переносом углерода из почв вечной мерзлоты в наземную растительность и микробы, в атмосферу, обратно в растительность и, наконец, снова в почву вечной мерзлоты путем захоронения и осаждения в результате криогенных процессов. Часть этого углерода переносится в океан и другие части земного шара через глобальный углеродный цикл. Цикл включает обмен углекислого газа и метана между земными компонентами и атмосферой, а также перенос углерода между сушей и водой в виде метана, растворенного органического углерода, растворенного неорганического углерода, частиц неорганического углерода и частиц органического углерода.

История

Вечная мерзлота Арктики уменьшается на протяжении многих веков. Следствием этого является оттаивание почвы, которое может быть слабее, и выброс метана, что способствует увеличению скорости глобального потепления в рамках цикла обратной связи. Районы распространения вечномерзлых грунтов в истории постоянно менялись.

На последнем ледниковом максимуме сплошная вечная мерзлота охватывала гораздо большую территорию, чем сегодня. В Северной Америке к югу от ледяного покрова на широте Нью-Джерси на юге штата Айова и в северной части штата Миссури существовал только очень узкий пояс вечной мерзлоты. Она была обширной в более сухих западных регионах, где она распространялась до южной границы Айдахо и Орегон. В южном полушарии имеются некоторые свидетельства бывшей вечной мерзлоты этого периода в центральном Отаго и в аргентинской Патагонии, но, вероятно, она была прерывистой и связанной с тундрой. Альпийская вечная мерзлота также произошла в Дракенсберге во времена существования ледников выше 3000 метров (9 840 футов). Тем не менее основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах устанавливаются даже там.

Строение грунта

Грунт может состоять из многих материалов субстрата, включая коренные породы, отложения, органические вещества, воду или лед. Замерзшая земля — ​​это то, что ниже точки замерзания воды, независимо от того, присутствует ли вода в субстрате. Молотый лед присутствует не всегда, как это может быть в случае непористой коренной породы, но он часто встречается и может присутствовать в количествах, превышающих потенциальное гидравлическое насыщение оттаявшего субстрата.

Как следствие, количество осадков увеличивается, что, в свою очередь, приводит к ослаблению и возможному обрушению зданий в таких областях, как Норильск на севере России, который лежит в зоне вечной мерзлоты.

Разрушение склонов

За прошедшее столетие было зарегистрировано много случаев разрушения альпийских склонов в горных хребтах по всему миру. Ожидается, что большое количество структурных разрушений связано с таянием вечной мерзлоты, которое, как считается, возникает по причине изменения климата. Считается, что таяние вечной мерзлоты способствовало оползню Валь Пола в 1987 году, в результате которого погибли 22 человека в итальянских Альпах. В горных хребтах большая часть структурной устойчивости может быть связана с ледниками и вечной мерзлотой. По мере того, как климат прогревается, оттаивает вечная мерзлота, что приводит к менее устойчивой структуре гор и, в конечном итоге, к большему количеству разрушений склонов. Повышение температуры позволяет более глубокие глубины активного слоя, что влечет за собой еще большее проникновение воды. Лед в почве тает, вызывая потерю прочности почвы, ускоренное движение и потенциальные потоки мусора. Поэтому строительство на вечномерзлых грунтах крайне нежелательно.

Также известна информация о массивных падениях камней и льда (до 11,8 млн. м³), землетрясениях (до 3,9 млн. миль), наводнениях (до 7,8 млн. м³ воды) и быстром течении скального льда. Это вызвано «неустойчивостью склонов» в условиях вечной мерзлоты в высокогорьях. Нестабильность склонов в вечной мерзлоте при повышенных температурах вблизи точки замерзания в потеплении вечной мерзлоты связана с эффективным напряжением и повышением давления поровой воды в этих почвах.

Разработка вечномерзлых грунтов

Джейсон Киа и его соавторы изобрели новый безфильтровый жесткий пьезометр (FRP) для измерения давления поровой воды в частично мерзлых грунтах, таких как потепление вечной мерзлоты. Они расширили использование концепции эффективного напряжения для частично мерзлых грунтов для использования в анализе устойчивости откосов прогревающихся склонов вечной мерзлоты. Применение концепции эффективного напряжения имеет много преимуществ, например, способность строить основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

Органический материал

В северном циркумполярном регионе вечная мерзлота содержит 1700 миллиардов тонн органического материала, что составляет почти половину всего органического. Этот бассейн создавался на протяжении тысячелетий медленно разрушается в холодных условиях Арктики. Количество углерода, секвестрированного в вечной мерзлоте, в четыре раза превышает количество углерода, выброшенного в атмосферу в результате деятельности человека в современное время.

Последствия

Образование вечной мерзлоты имеет значительные последствия для экологических систем, в первую очередь из-за ограничений, накладываемых на корневые зоны, а также из-за ограничений на геометрию логова и норы для фауны, требующей подземных домов. Вторичные воздействия влияют на виды, зависящие от растений и животных, среда обитания которых ограничена вечной мерзлотой. Одним из наиболее распространенных примеров является преобладание черной ели в обширных районах вечной мерзлоты, так как этот вид может переносить укоренение, ограниченное вблизи поверхности.

Расчеты вечномерзлых грунтов производятся порой и для анализа органического материала. Один грамм почвы из активного слоя может содержать более одного миллиарда клеток бактерий. При размещении вдоль друг друга бактерии из одного килограмма почвы активного слоя образуют цепь длиной 1000 км. Количество бактерий в почве вечной мерзлоты варьируется в широких пределах, обычно от 1 до 1000 миллионов на грамм почвы. Большинство из этих бактерий и грибов в почве вечной мерзлоты не могут быть культивированы в лаборатории, но идентичность микроорганизмов может быть выявлена ​​с помощью методов на основе ДНК.

Арктический регион и глобальное потепление

Арктический регион является одним из природных источников метана парниковых газов. Глобальное потепление ускоряет его выброс. Большое количество метана хранится в Арктике в месторождениях природного газа, вечной мерзлоте и в виде подводных клатратов. Другие источники метана включают подводные талики, речной транспорт, отступление ледяного комплекса, вечную мерзлоту подводных лодок и разлагающиеся газогидратные отложения. Предварительный компьютерный анализ показывает, что вечная мерзлота может производить углерод, равный примерно 15 процентам сегодняшних выбросов от человеческой деятельности. Потепление и оттаивание грунтовых массивов делает строительство на вечномерзлых грунтах еще более опасным мероприятием.

fb.ru

Вечномерзлые грунты | Новости в строительстве

Вечномерзлые грунты имеют широкое распространение и находятся главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Это явление принято считать ( называть) вечной мерзлотой. По предложению П.Ф. Швецова, такие зоны стали называть криолитозонами. Учение о явлениях вечной мерзлоты называется мерзлотоведением( в последнее время -геокриологией). В мерзлотоведении изучаются явления как вечной, так и сезонной мерзлоты, возникающей и исчезающей в зависимости от времени года и климатических условий.

Рисунок-1. Схематическая карта распространения вечномерзлых грунтов в Российской Федерации

Вечная мерзлота имеет широкое распространение. Почти 50% территории СССР и почти 24% суши всего земного шара относятся к криолитозонам. Положение криолитозон в числе прочих причин зависит от астрономического положения земного шара.

 

Рисунок-2. Распространение вечной мерзлоты

1-зона, где вечномерзлые грунты отсутствуют; 2-3 переходная зона; 4-зона вечномерзлых грунтов

Примерные границы зоны вечной мерзлоты на территории СССР видны на карте ( смотри рисунок-1 и рисунок-2). Участки с вечномерзлыми породами встречаются и вне криолитозон, главным образом в глубоких пещерах и в высокогорных областях( Алатау, Памир, Урал, Кавказ).

Рисунок-3. Схемы залегания вечной мерзлоты:

а-сливающаяся мерзлота; б-сливающаяся мерзлота с перелетками ; в-несливающаяся мерзлота.

если рассмотреть разрез толщи земной коры с вечномерзлыми породами, то можно обнаружить два типа залегания пород с устойчивой отрицательной температурой. Верхний слой земли летом оттаивает, а зимой замерзает .Этот слой ( рис-3, слой Д) сезонно-переменных положительных и отрицательных температур называют деятельным слоем.Мощность деятельного слоя зависит от климатических условий, петрографического и минералогического состава пород и характера растительного покрова. По данным И.В. Попова, мощность деячтельного слоя характеризуется величинами, приведенными в таблицу-1.

Таблица-1. Средние значения мощности деятельного слоя на территории Российской Федерации.

Ниже деятельного слоя лежит слой с многолетней отрицательной температурой ( рис-3, слой М).Мощность слоя вечномерзлых пород колеблется в очень больших пределах от 6, 0 до 1000,0 м и более. По данным И.В. Попова, мощность толщи вечномерзлых пород в Северном полушарии составляет, м:

Западный Шпицберген ( в отдельных местах) более 240;
Среднее течение реки Юкон ( Аляска) более 120;
Река Эльдорадо (Юкон) более 61;
Форт Черчил (Гудзонов залив) более 38;
Слияние рек Макензи и Лиард более 11,6;
Порт Нельсон (Гудзонов залив) более 10;
Устье реки Хоис(Гудзонов залив) более 6;

Известна попытка вырыть колодец в городе Якутске. Колодец достиг глубины 116 м, но из мерзлого слоя не вышел.Ниже слоя вечномерзлых пород залегают толщи земной коры с постоянной положительной температурой ( рисунок 3, слой Т).Так как летний и зимний режимы из года в год имеют неодинаковые температуры, то мощность деятельного слоя может измениться ( рис-3, слои Д макс и Д мин).Слой соответствующий разности между Дмакс и Д мин, называют слоем возможных перелеток мерзлоты ( слоя П).

Расположение зон деятельного и мерзлого слоев, показанное на рисунке-3, а, б, называют сливающейся мерзлотой, потому что зимой обе эти зоны сливаются в одну зону отрицательных температур.В отдельных случаях между деятельным слоем вечномерзлых пород может находиться слой Т с постоянно положительной температурой ( рис-3,в). Такой слой называют таликом, а мерзлоту несливающейся. Замечено, что в некоторых зонах встречается чередование талых и мерзлых слоев, такую мерзлоту называют слоистой .

По СНиП II-18-76, поверхностный слой грунта в районах распространения вечномерзлых грунтов, подвергаемый сезонному оттаиванию и промерзанию, называется сезонно промерзающим -оттаивающий летом и промерзающий зимой, но без слияния с толщей вечномерзлого грунта;сезонно-оттаивающим-оттаивающий летом и промерзающий зимой до полного слияния с толщей вечномерзлого грунта. Прилетками называют слои грунтов, замерзшие зимой и не оттаивающие в течение одного-двух лет.В более холодных районах вечномерзлые породы залегают сплошными покровами, распространенными на громадных территориях.

Такое залегание называют сплошной мерзлотой. В более теплых районах в сплошных покровах вечной мерзлоты встречаются участки, не содержащие многолетнемерзлых пород. Такую мерзлоту называют несплошной .В еще более теплых районах участки, содержащие вечномерзлые породы, встречаются только в виде островов среди пространства, не содержащего вечной мерзлоты .В этих случаях мерзлоту называют островной.

Характеризуя мерзлоту той или иной криолитозоны, необходимо указывать залегание вечномерзлых пород в разрезе ( сливающаяся, несливающаяся, слоистая ) и простирание их в плане ( сплошная, несплошная, островная).Установившиеся соотношения между деятельным слоем и слоем вечномерзлых пород не постоянны. В зависимости от климатических условий в каждой криолитозоне может происходить накопление или потеря тепла. В таких случаях говорят о наступлении или отступлении мерзлоты.Кроме тепловых условий атмосферы на режим мерзлоты влияют и другие факторы : наличие снегового или травяного покрова и обнаженность земной поверхности; состав пород деятельного слоя ; присутствие торфяников в верхнем слое.

Все эти обстоятельства влияют на теплопроводность деятельного слоя и следовательно на количество тепла передаваемого мерзлому слою или отнимаемого у него.Абсолютная величина отрицательной температуры вечномерзлых пород невелика и колеблется в пределах от 0 до 8°С.Температура ниже -8°С отмечается крайне редко. В каждом отдельном регионе криолитозоны устанавливается своя средняя температура. Наиболее распространены регионы с отрицательной температурой мерзлоты от -1 до -3° и от -3 до -5°С.

Агрегатное состояние вечномерзлых грунтов

Участки вечной мерзлоты могут быть сложены как скальными, так и нескальными породами.Охлажденные до постоянно отрицательных температур скальные породы мало изменяют при этом свои свойства и характеристики.Только в тех случаях, когда замораживанию подверглись трещиноватые отдельности с трещинами, заполненными водой, замерзающая вода расширяет трещины и увеличивает трещиноватость породы.Это обстоятельство обязательно должно быть выявлено и учтено при инженерно-геологических исследованиях в зонах залегания мерзлых скальных пород.Нескальные породы в зонах вечной мерзлоты представлены всеми видамикрупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов.

Крупнообломочные и песчаные породы, отложенные вне залегания подземных вод, не изменяют своих свойств при замерзании и оттаивании. Такая мерзлота называется сухой.В значительной части участки с вечномерзлыми породами сложены водонасыщенными илами, супесями, суглинками и так далее.Часто встречаются участки, сложенные торфами.При переходе в мерзлое состояние такие породы цементируются льдом и приобретают характер скальных пород.При этом сопротивление сжатию доходит до 1,0 МПа, а скалыванию -до 0,5-1,5 МПа.Наименования скальных вечномерзлых грунтов сохраняются такими же, как и для немерзлых в зависимости от их минералогического состава, генезиса и структуры.

Название вечномерзлых нескальных грунтов принимают в соответствии с характеристиками,которые они приобретают после оттаивания.При этом в отличие от немерлых для мерзлых глинистых грунтов, содержащие частицы от 0,05 до 0,005 мм в количестве более 50 % к обычному наименованию добавляется слово пылеватые.Мерзлые грунты по их состоянию подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. К твердомерзлым относятся грунты, прочно сцементированные льдом и характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузками от зданий и сооружений-с коэффициентом сжимаемости а≤10

-8 Па −¹.

Круапнообломочные, песчаные и глинистые грунты относятся к твердомерзлым, если их температура ниже значения t, характеризующего переход грунта из пластичного в твердомерзлое состояние и равного, °С:
Для крупнообломочных грунтов- 0°С;
Для песков крупных и средней крупности -0,1°С;
Для песков мелких и пылеватых -0,3°С;
Для супесей -0,6°С;
Для суглинков -1°С;
Для глин-1,5°С.

Грунты со степенью заторфованности q ≤ 0,25 относятся к твердомерзлым, если их температура t™ зтф ниже значения (Kq+t™), где К-температурная поправка, соответственно равная : для песчаных грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных -минус 10°С;для глинистых грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных -минус 5°С;Значение степени заторфованности q определяется как отношение массы растительных остатков в грунте, высушенном при t=105°С, к массе минерального скелета.

К пластичномерзлым относятся грунты сцементированные льдом, но обладающие вязкими свойствами и характеризуемые сжимаемостью под нагрузками от здания и сооружения (а>10 ^-8 Па −¹. К пластичномерзлым относятся песчаные и глинистые грунты со степенью заполнения объема пор грунта льдом и незамерзшей водой G ≥ 0,8, если их температура находится в пределах от температуры начала замерзания грунта t н.з до значения t™, а также все грунты со степенью заторфованности q>0,25. Состояние песчаных и глинистых грунтов при G<0,8, а также состояние засоленных грунтов устанавливается на основе результатов опытного определения коэффициента сжимаемости а.

К сыпучемерзлым относятся грунты крупнообломочные и песчаные, не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов составляет Wc ≤ 0,03. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты как правило, не меняют своих механических свойств и не дают дополнительных осадков при смене отрицательных температур положительными.Тре

stroivagon.ru

Вечномерзлый грунт — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Вечномерзлый грунт

Cтраница 1

Вечномерзлые грунты — это грунты, находящиеся в мерзлом состоянии века и тысячелетия; многолетнемерзлые — от нескольких лет до нескольких десятков лет; сезонномерзлые — от 1 до 2 сезонов; кратковременномерзлые — несколько суток.  [1]

Вечномерзлые грунты на месторождении Прадхо-Бей преимущественно гранулярные, за исключением верхней зоны, где отмечены массивные формы льда.  [2]

Вечномерзлые грунты залегают на некоторой глубине от дневной поверхности.  [3]

Вечномерзлые грунты по температурам ниже глубины распространения годовых колебаний температур и по мощности пласта делятся на грунты арктической, субарктической, умеренно холодной и южной зон.  [4]

Вечномерзлые грунты в основании массивных фундаментов опор мостов могут оттаивать вследствие повышенного поступления тепла в грунт через опору и фундамент ( рис. 10.1), так как теплопроводность материала опоры и фундамента значительно превышает теплопроводность грунта. Неравномерное оттаивание является одной из основных причин неравномерных осадок фундаментов.  [5]

Вечномерзлые грунты имеют наиболее высокие значения удельного сопротивления.  [7]

Вечномерзлый грунт считается слива ющимс я, если его верхняя граница соприкасается с деятельным слоем в период наибольшего промерзания последнего.  [8]

Вечномерзлые грунты в основаниях фундаментов мостов и труб используют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации или в оттаявшем и оттаивающем состоянии.  [9]

Вечномерзлые грунты занимают обширные территории Северной Америки, Антарктиды, встречаются они и в Европе. Общая площадь вечномерзлых грунтов составляет более 35 млн. км2 или 23 % земной суши. В СССР вечномерзлые грунты занимают большую часть Сибири и простираются до островов Северного Ледовитого океана.  [10]

Температура вечномерзлых грунтов на уровне нулевых годовых амплитуд повышается с севера до 65 северной широты от — 8 до — 1 С. В южной зоне вечномерзлые грунты находятся в пластично-мерзлом состоянии и имеют температуру около 0 С.  [11]

Температура вечномерзлых грунтов на глубине 9 — 10 м составляет — 6 С.  [12]

Оттаивание вечномерзлых грунтов в основаниях зданий, как показывают новейшие исследования ( Г. В. Порхаева и др., 1970 г.), будут носить несколько разный характер в зависимости от географического района распространения вечномерзлых грунтов ( северного, центрального или южного), размеров площади подошвы здания, теплоизоляции пола и пр.  [14]

Оттаивание вечномерзлых грунтов под сооружениями, как было рассмотрено ранее, всегда вызывает осадки фундаментов сооружений, причем осадки эти будут неравномерными. Поэтому возводить сооружения на сильнольдистых дисперсных грунтах с использованием их в оттаивающем состоянии ( даже с учетом осадок оттаивания) не рекомендуется вследствие неизбежного возникновения значительных осадок и местных просадок грунтовой толщи.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

№ 26 Фундаменты на вечномерзлых основаниях

Лекция 26.

Устройство фундаментов в районах распространения вечномерзлых грунтов

Примерно 47% территории России имеют вечномерзлые грунты. Существует несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной геологии (геокриологии) известны следующие виды:

1.Сплошная мерзлота.

Вечномерзлые грунты существующие века и тыс. лет.

Многолетнемерзлые (м.м) существование годы ÷ 10 лет

Сезонная мерзлота, существование часы÷ сутки

Н.М.- надмерзлотный — деятельный слой сезонного оттаивания — промерзания;

2.Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты).

Образование? Возможно тиксотоническая трещина, по которой прошла вода, и оттаял слой грунта с большей теплопроводностью.

В 1827г. в Якутске русский купец Федор Шергин (служащий Русско-Американской компании) решил прокачать мерзлый грунт для колодца. Затем заключил спор. Откапал примерно 100 м — все был мёрзлый грунт – и он почти разорился. Русская Академия наук заинтересовалась этим и выделила деньги для продолжения работ — этих денег хватило ещё примерно на 15м проходки. Т.о. был откачен колодец H =116.4м — за 16 лет. Этот колодец носит название «Шергинская шахта». В последующем она послужила объектом для научно-исследовательских работ. Теплотехническими расчетами была определена мощность М.М. слоя в данном месте примерно 500м.

3.Островная мерзлота.

Тепло от здания в результате неравномерные осадки

4.Линзовая мерзлота.

Если проследить за изменением многолетней мерзлоты в Сибири с Севера на Юг, то можно последовательно встретить 1, 3 и 4 виды мерзлоты. Однако линзовая мерзлота может образоваться и «искусственно» на застраиваемых территориях, при условии нарушения теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой.

В г. Иркутске ещё в 1925 г. были зарегистрированы случаи образования линз мёрзлого грунта. В 1917г. начало строительства здания и консервация его на 15 лет.

В результате под зданием образовалось линза мёрзлого грунта, которая потом при эксплуатации здания начала таять, что повлекло за собой неравномерные осадки. Подобные явления были обнаружены в гг. Братске и Шелехове.

В Братске был проведён такой эксперимент (Рощин В.В.):

1год протаивание закончилось к концу сентября.

2 год протаивание закончилось к концу ноября.

3 год протаивание не происходило, так как образовалась линза мёрзлого грунта.

Если пробурить скважину в мёрзлом грунте, то мы увидим следующую картину:

При действия отрицательной температуры на грунт, в последнем возможно три стадии:

—

Свойства их различны

замерзание

— мёрзлота

— оттаивание

Мёрзлый грунт — это грунт имеющий отрицательную температуру и содержащий в своём составе лёд.

1. Явления происходящие в деятельном слое грунта.

а) ежегодное оттаивание и промерзание.

Промерзание деятельного слоя может происходить не на всю глубину, в этом случае говорят о не сливающейся мерзлоте.

В процессе промерзания и оттаивания происходит деформация грунта, которая достигает 20-30% и более. От чего это происходит? Ведь вода при замерзании увеличивается всего на  9%. Объясняется миграцией влаги, которая проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к пучению грунтов.

б) Пучение грунтов при промерзании.

Необходимо отметить, что это очень важная проблема с разрешением которой, строители очень часто встречаются не только в районах М.М. грунта, но и в районах глубокого сезонного промерзания. Поэтому об этом нужно говорить отдельно.

Необходимо упомянуть, что впервые с этим вопросом строители встретились при строительстве ж/д на севере России. При сливающемся деятельном слое, пучение глинистых грунтов, вследствие миграции влаги, приводит к обезвоживанию нижележащего слоя: Н_акт  2/3 Н_пр. Это имеет большое значение, поскольку позволяет размещать инженерные сети в обезвоженном – не пучинистом слое, без опасения их деформаций.

в) Осадка при оттаивании.

При промерзании грунт смерзается с поверхностями фундаментов, а затем при пучении деформирует их. Это часто приводит к перемещению фундаментов. Кроме того, при оттаивании грунт теряет свои прочностные свойства, значительно увеличивается сжимаемость (возникают просадки). Возможен также выпор такого грунта из под подошвы фундамента.

г) Образование наледей.

На Севере часто можно было увидеть такую картину:

Под домом глубина промерзания при сливающимся Д.С. значительно меньше (тепловое влияние здания), чем на открытой поверхности. Это приводит к образованию напорных вод (при высоком У.Г.В.), которые могут прорываться и, вытекая через окна и двери, замерзая на поверхности, образовать наледь.

Особенно большой вред наледи приносят дорогам:

При промерзании деятельного слоя, грунт прежде всего промёрзнет под дорогой (влияние кюветов). (Сливающаяся мерзлота). Остальная часть деятельного слоя будет находится в стадии промерзания. В результате – движение напорных вод по склону — возможен прорыв их на поверхность – образование наледи.

Как бороться с этим явлением?

Наиболее эффективно применение противоналедьего пояса, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте. (Расчистка поверхностей от снега, снятие растительного слоя, и так далее).

д) Явления солифлюкции (течение склона)

В результате сезонного изменения температур частица А переместится в точку С, т.е. возможно постепенное сползание склона. То же происходит и на глубине, но в меньшей степени. По данным исследования, скорость медленного сползания в горах Скандинавии в некоторых случаях составляет до 8 см. в год. И даже может достигать 30 см (на склонах с уклоном 10…30°).

Образуются как бы «волны рельефа склона», идущие вверх, в то время как солифлюкационный слой течёт вниз.

2) Явления , происходящие в слое вечномёрзлого грунта.

а) изменение температуры в верхних слоях вечномерзлых грунтов.

t°c – const 15 м.(температура нулевых амплитуд ).

Мёрзлый грунт – твёрдое тело. Прочность мёрзлого грунта =f(t°c). При изменении t°c верхних слоёв изменится и прочность, чем выше t°c – тем меньше прочность.

б) просадка при оттаивании

Это явление у строителей является своего рода бичом. При оттаивании М.М. прочностные характеристики грунта резко падают, это явление необходимо учитывать при строительстве зданий в подобных местах.

В одном из посёлков северной экспедиции было замечено следующее явление. Прокладывали дорогу, но как только вездеход несколько раз проходил по одному и тому же пути на этом месте образовывался овраг!

В чем же дело?

Вездеход при своём движении гусеницами срывал слой мха. Грунт оголялся и начинал оттаивать под действием солнечных лучей. Мох играл роль теплоизоляции, а поскольку в слое мерзлого грунта находился лёд, то при оттаивании это повлекло за собой просадку (образование оврага).

В лаборатории мерзлотоведения Игарской научно – исследовательской станции был поставлен такой своеобразный эксперимент (Далматов Б.Н.):

Помещение лаборатории выполнено непосредственно в мёрзлом грунте. Свет из одной лаборатории проникал через двухметровую толщу в другую лабораторию, создавая при этом некоторую освещенность. Свет проникал по прослойкам льда, отдельные включение которого составляли 20см. толщины. Естественно, что при оттаивании, такой грунт будет обладать просадочными свойствами. При проектировании зданий на подобных грунтах необходимо пользоваться «Указаниями по расчёту осадок оттаивающих и оттаявших грунтов во времени».(1967-1976 г. НИИ оснований и фундаментов)

Более подробно об этом можно почитать: Н.А. Цытович «Механика мёрзлых грунтов» М. 1973г.

3. Образование морозобойных трещин.

(Явления происходящие, в деятельном и вечномёрзлом слое грунта)

При промерзании грунта происходит его объемное уменьшение, сопровождающие часто образование клинообразных щелей. Глубины этих щелей – трещин достигают нескольких м. В трещины проникает вода, которая затем превращается в лёд. Такие морозобойные трещины приводят к изменению глубины промерзания. Могут нанести ущерб дорожному полотну, зданиям, инженерным сетям.

4) Образование «термокарста».

Термокарст образуется в результате оттаивания М.М. и просадки грунта. В большинстве случаев этому способствует местные пожары. Впоследствии такой термокарст часто заполняется водой, образуя «термокарстовые озёра».

Проектирование фундаментов на вечномёрзлых грунтах.

Существуют два принципа проектирования.

1. Сохранение вечномёрзлого состояния грунтов.

Этот метод целесообразно применять в тех районах, где:

— М.М. имеет значительную мощность;

— сооружения выделяют значительные количества тепла и не занимают больших площадей в плане.

Расчётно-теоретическое и конструктивное обоснование этого принципа было произведено в конце 20-х годов. Однако по такому методу строили здания ещё раньше (Чита, Иркутск). В настоящее же время этот метод является общепризнанным и универсальным, т.к. позволяет наилучшим образом использовать высокие строительные качества любых мёрзлых грунтов. По этому методу построено много промышленных сооружений и целые города (Норильск).

Врезультате наблюдений за зданиями, фундаменты которых были возведены по 1 принципу, было установлено, чтограница М.М. под зданиями со временем поднимается (отсутствие растительности, солнечной радиации). Это способствует ещё большей устойчивости зданий. Стремясь как можно больше снизить влияния теплового выделения здания на мёрзлые грунты, прибегают к проектированию зданий на столбчатых и свайных фундаментах.

Устойчивость фундаментов определяется из условия:

где Q– нормативная сила, удерживающая фундамент от выпучивания;

N – нормативная нагрузка от веса сооружения;

τ_см – нормативная величина сил смерзания грунта к боковой поверхности фундамента, кг /см²;

q – нормативная нагрузка от веса сооружения и грунта на его уступах;

_с – коэффициент однородности и условий работы.

₁ – коэффициент перегрузки постоянной нагрузки = 0.9;

₂ – коэффициент перегрузки сил пучения = 1.1;

2. Допущение протаивания грунта под зданием (второй принцип строительства).

Осуществляется двумя методами:

а) метод приспособлений конструкций фундаментов и надфундаментных строений к неравномерной осадке оттаивающих грунтовых оснований (конструктивный метод).

Применяется:

• грунт при оттаивании относительно мало просадочны S ≤ Su (как правило, относится к гравилистым, щебёночным или песчаным грунтам).

Если величина осадок окажется > допускаемых величин, то переходят к:

б) методу предпостроечного оттаивания — уменьшение осадки оттаявших грунтов осуществляется путём предварительного уплотнения под действием собственного веса.

Применяется:

• основание сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом состоянии грунты;

• проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла (неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства зависит:

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

Не в коем случае не смешивать эти принципы, как для соседних зданий и сооружений, так и для сооружений, расположенных в одном и том же районе. И особенно это относится для отдельного сооружения.

studfiles.net

Инженерно — геологическая характеристика мерзлых грунтов.

Мерзлые грунты –имеют криогенные структурные связи , т.е. цементом грунтов является лед. Их часто именуют «крио­генными» (криос —холод, лед). В состав класса входят практически все скальные, полускальные и связные грунты, находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа ледяных грунтов в виде надземных и подземных льдов. Разновидности мерзлых грунтов оцениваются по льдистым (криогенным) структурам, засоленности, температурно-прочностным свойствам и др.

Мерзлые грунты в технической литературе. Мерзлое состояние фунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и постоянным (веч­ным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, фунты у поверхности земли промер­зают. Это так называемая «сезонная» мерзлота. Скальные фунты при этом получают отрицательную температуру, а дисперсные и техноген­ные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных фунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклинивающего действия образующе­гося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвяз­ные фунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную проч­ность, несколько увеличивают объем и становятся водонепроницае­мыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механи­ческой разработке. При небольшой влажности, что может быть в песках, свойства фунтов при переходе от положительной к отрица­тельной температуре практически мало меняются.

В весеннее время года лед в фунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это сказывается на органоминеральных и органических грунтах, кото­рые могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несу­щей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под фундаментов сооружений.

В строительстве сезонное промерзание фунтов всегда учитывается, определяется глубина промерзания d_f, которая зависит от климата и литологических особенностей фунтов. Величина d_f колеблется от нескольких сантиметров до 2—3 м и определяется:

1. по карте СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности по расчетным формулам

2. по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности Искомое значение используют при проектировании зданий и сооружений

Вечная мерзлота в России занимает большие площади на севере Европейской территории, и особенно в Сибири, в многолетнемерзлом состоянии находятся фунты скальные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов относят также чистые льды, входящие в фунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые фунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых фунтов делят на три зоны: сплошную; с таликом; островную Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура фунтов минус 7—12 ° С.

Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зоны представляют собой талые фунты; мощность мерзлых толш 20—60 м при температуре 0,2—2 «С.

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерз­лые фунты встречаются в виде отдельных участков; мощность толщ 10—30 м; температура от 0 до —0,3 «С

Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) дея­тельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой— это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и замерзает зимой, т. е. в опреде­ленной мере это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и диалогического состава грунтов и колеблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге — наибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2—1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, 2—4 м.

Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся и несливающиеся. В первом случае деятельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой на которой лежит. При несливающимся деятельном слое между ними в вечномерзлой толщи остается слой незамерзшего грунта. ( рис )

Для решения инженерных задач важно знать мощность деятель­ного слоя. Эту мощность можно определить: а) при инженерно-геологических изысканиях;

б) по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным районом;

в) расчетным способом, при котором учитывается тепловое влияние будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунтовая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре. Возведение различных сооружений в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя — мощности, физических и физико-меха­нических характеристик грунтов, поведения надмерзлой воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие негативные процессы, приводящие к деформации объектов.

Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух видов: 1) неп­рерывная, т. е. в виде сплошного массива из мерзлого грунта; 2) слоис­тая — в виде чередования мерзлых слоев со слоями (прослоями) талых грунтов или чистого льда. Наличие талых грунтов связано с циркуля­цией межмерзлотных (межпластовых) напорных подземных вод. В долинах рек Лены, Енисея и других мерзлота отсутствует. Это объяс­няется притоком тепла от речных вод. В южной зоне мерзлота посте­пенно оттаивает за счет теплого климата и в настоящее время сохраняется только на отдельных участках («островная» мерзлота). В мерзлых толщах очень часто содержится чистый лед (слои, прослои, линзы). Наибольшие мощности льда (до 20 м) отмечены на севере Сибири. Такой лед называется «погребенным».

В вечной мерзлоте присутствуют все виды грунтов. Грунты скаль­ного класса занимают незначительное место. Основную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:

1. твердомерзлые — сцементированный песок, который ведет себя как скальный грунт;

2. пластичномерзлые — сцементированные льдом глинистые грунты, которые содержат так же жидкую воду и могут сжиматься под нагрузкой

3. сыпучемерзлые — в виде песка, гравия, в которых обломки и частицы не сцементированы льдом и грунты находятся в рыхлом состоянии

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно за­висят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обуславливает три текстуры мерзлых толщ:

1. массивная —лед в грунте распределен равномерно;

2.слоистая—лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев {про­слоев, линз ) 3.сетчатая —слои и прослои льда пересекаются в разных направлениях Грунты с сетчатой текстурой при оттаивании дают наибольшую осадку, чаще всего это водонасыщенные торфяные грунты. Наименьшую дают грунты с массивной текстурой..

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных процессов — морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солифлюкция и наледи.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных поднятий дорожных одежд (на 0,2—0,5) в силу промерзания деятельного слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма.

Бугры пучения образуются в результате подъема промороженного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых напорных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлюкация — оплывание оттаивающих в летнее время грунтов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с укло­ном 7—10). Оплывание происходит по мерзлым грунтам. При этом льдонасыщенные дисперсные грунты утрачивают структурные связи и переходят в вязкопластичное состояние.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва на поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхода речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы и здания разру­шаются.

Возведение и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах прихо­дится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при этом стремятся не делать выемок. Деформация зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечно-мерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечномерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

-без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например, при наличии скального основания

при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации объекта

— с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие грунты, например глинистые или щебеночные

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от гео­логии строительной площадки, состава и состояния мерзлых грунтов, технических возможностей строительной организации Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов оснований, постоянных профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Строительство на вечномерзлых грунтах : а -на скальном основании; б-с сохранением мерзлоты; в- с заменой мерзлого грунта на гравий; 1- деятельный слой 2-вечная мерзлота; 3-гравий 4- здания

studfiles.net

Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Такие грунты распространены на значительных территориях СССР, Канады, Аляски, Антарктиды и занимают около четвертой части всей суши планеты. В СССР они занимают около половины территории страны, преимущественно в северных и северо-восточных ее районах, где залегают сплошным массивом на глубину до 500 м, а местами и более. Южнее этих  районов  мощность толщи  вечномерзлых грунтов уменьшается, в отдельных местах появляются острова талых грунтов (талики). Встречаются мерзлые грунты с талыми прослойками, а также в виде отдельных островков или линз, окруженных талым грунтом.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяют на твердомерзлые, пластично-мерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлыми называют песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом. Такие грунты характеризуются относительно хрупким разрушением и практически несжимаемы под воздействием нагрузок от сооружений. Твердомерзлое состояние наступает при температуре ниже — 0,3 ° С для мелких и пылеватых песков, —0,6° С для супесей, — 1 ° С для суглинков и —1,5 ° С для глин. При более высокой температуре (но ниже 0  °С), когда в порах грунтов сохраняется еще много незамерзшей воды, мерзлые грунты обладают вязкопластичными свойствами и заметно деформируются под воздействием нагрузок от сооружений. Такие грунты называют пластично-мерзлыми. Если грунты с отрицательной температурой из-за малой влажности не сцементированы льдом, как, например, почти сухие пески и крупнообломочные грунты, их называют сыпучемерзлыми.

Обычно в мерзлых глинистых грунтах всегда содержится от 5 до 40% по массе незамерзшей воды — в зависимости от температуры грунта.

В процессе замерзания грунтов их влажность изменяется вследствие подсоса воды замерзающими слоями. Это явление, называемое миграцией влаги, приводит к переувлажнению верхних слоев и, как следствие, к пучению многих грунтов. Последнее объясняется особенностью взаимодействия с мелкими частицами грунта воды, которая при замерзании увеличивается в объеме до 9%.

Пучению подвержены глинистые, мелкие и пылеватые песчаные, а также крупнообломочные грунты, содержащие 10% и более по массе частиц размером менее 0,1 мм или свыше 3% частиц размером менее 0,02 мм. Увеличение объема таких водонасыщенных грунтов при их замерзании может достигать десятков процентов. Вследствие этого происходит выпучивание (поднятие) поверхности грунтов. Если свободному выпучиванию препятствуют фундаменты прорезающие сезоннопромерзающий слой и заделанные в нижележащую толщу грунтов, то на контакте промерзающего слоя с боковой поверхностью фундаментов возникают касательные силы морозного пучения, стремящиеся выдернуть (приподнять) фундаменты. По данным отечественных и зарубежных исследований значения касательных сил морозного пучения в зависимости от свойств грунтов, степени их влажности и глубины промерзания изменяются от 60 до 200 кПа, а в отдельных случаях до 300 кПа. Меньшие значения касательных сил выпучивания соответствуют условиям постройки фундаментов зданий и сооружений на маловлажных грунтах, более высокие — в местах большого увлажнения грунтов.

Основные свойства мерзлых грунтов зависят главным образом от характера ледяных связей между минеральными частицами. Количество и температура замерзшей воды оказывают решающее влияние на прочность, деформируемость, теплоемкость и другие физико-механические характеристики мерзлых грунтов. Например, при повышении температуры от —4 до —0,3 ° С расчетные сопротивления мерзлых грунтов разных видов уменьшаются в 2—5 раз. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты вследствие их малой влажности почти не меняют показателей механических свойств при повышении отрицательной температуры вплоть до перехода к положительной.

Температура вечномерзлых грунтов в основаниях может повышаться вследствие изменения климатических условий, сезонных колебаний температуры воздуха, теплового влияния фундаментов, нарушения природных условий в период производства работ. Повышение температуры вечномерзлых грунтов, связанное с естественными изменениями климата и геологическими процессами, происходит весьма медленно и поэтому при проектировании и строительстве фундаментов не учитывается. Сезонные колебания температуры воздуха оказывают существенное влияние на ежегодные изменения температуры вечномерзлых грунтов примерно до глубины 10 м. На этой глубине и ниже температура мерзлых грунтов почти не изменяется в течение всего года, поэтому ее принимают за среднегодовую и определяют расчетом по данным инженерных изысканий (с учетом теплового влияния фундаментов построенного сооружения на температуру вечномерзлых грунтов). Наиболее значительное повышение температуры вечномерзлых грунтов и связанное с ним увеличение глубины их оттаивания происходит в местах повреждения или полного удаления растительного покрова, особенно в местах, где в естественных условиях мерзлые грунты залегали неглубоко от поверхности, например на маревых участках.

Если в результате значительного повышения температуры происходит увеличение глубины сезонного оттаивания сильнольдистых вечномерзлых грунтов или включений подземного льда по сравнению со средней многолетней, то образуются провальные впадины рельефа различной формы, большей частью заполненные водой, называемые термокарстом.

В районах залегания вечномерзлых грунтов нередко встречаются подземные воды, которые подразделяют на следующие виды: надмерзлотные, находящиеся в толще немерзлого грунта, расположенного над поверхностью вечномерзлых грунтов; межмерзлотные, движущиеся по талым слоям в толще вечномерзлых грунтов; подмерзлотные, находящиеся ниже толщи таких грунтов. В местах уменьшения живого сечения потока надмерзлотных или поверхностных вод при сезонном их промерзании в ряде случаев образуются наледи.

Все перечисленные выше характерные особенности вечномерзлых грунтов требуется учитывать при проектировании и строительстве сооружений разного назначения, включая мосты.

www.stroitelstvo-new.ru

Особенности вечномерзлых грунтов и география их распространения

2 мая 2017 | Категория: Прочее

Вечномерзлые грунты имеют различные мощности по толщине и формам распространения. Глубина слоя мерзлоты достигает в отдельных местах 500 м и более. Мощность слоя вечной мерзлоты подвержена колебаниям, вызываемым изменением режима грунтовых вод или состоянием поверхностного покрова почвы и растительности.

Встречаются следующие возможные случаи залегания вечномерзлых грунтов:

• вечномерзлые грунты сливаются с сезоннопромерзающими;
• между вечномерзлыми и сезоннопромерзающими находятся талые почвы;
• вечномерзлые почвы чередуются с талыми.

Сливающаяся мерзлота имеет преимущественное распространение в азиатской части, второй и третий случаи — в европейской части и в южных районах распространения вечной мерзлоты. Сливающаяся мерзлота в этих районах обычно наблюдается на возвышенных участках рельефа, а несливающаяся мерзлота — на пониженных. Это объясняется условиями охлаждения и нагрева отдельных участков. В зимнее время возвышенные места максимально охлаждаются, тогда как пониженные, в которых скопляется масса снега, отдают незначительное количество тепла и в зимнее время промерзают на небольшую глубину. В летнее время в пониженных местах собирается вода, способствующая быстрому оттаиванию грунтов.

Это необходимо учитывать при организации земляных работ, а также при перемещении машин в тундре. Меняется и температура грунтов. В отдельных районах Крайнего Севера (полуостров Таймыр, Индигирская низменность) она на глубине 12-15 м достигает — 10-15° С, повышаясь в южных районах до температуры, близкой к 0°. Температура вечномерзлых почв также приближается к 0° вблизи непромерзающих водоемов независимо от географического положения.

Эти особенности желательно знать, если вы хотите успешно сдать ОГЭ по географии 2017.

В районах Севера грунты представлены преимущественно пылеватыми суглинками, супесями, которые, как правило, имеют повышенную льдонасыщенность. Реже встречаются крупнообломочные и песчаные почвы. Глины распространены весьма незначительно.

Высокая влагонасыщенность наблюдается в сезоннооттаивающем слое при подстилании его вечномерзлыми грунтами. Накопленная от таяния снегов и за осенний период вода при замерзании превращается в лед, который может быть в грунте в виде прослойков, линз, крупных массивов толщиной в несколько метров.

Высокая степень влагонасыщенности объясняется также низким коэффициентом фильтрации пылеватых грунтов. Коэффициент фильтрации крупноскелетных почв составляет от 3 до 0,1 см/сек, в глинистых и пылеватых он снижается до 10~5- 10~7 см/сек.

Вечномерзлые грунты считаются практически водонепроницаемыми. Вода, попадающая в слой пылевато-илистых грунтов, трудно удаляется. При разработке таких грунтов в летний период требуется организация водоотвода, крепление стенок котлованов и траншей, что затрудняет производство работ.

Превращаясь в плывуны, переувлажненные грунты плохо поддаются разработке бульдозерами и экскаваторами. Гусеничные машины вязнут. Пылеватые почвы легко размываются, что требует крепления откосов канав, соблюдения режимов движения воды.

archeonews.ru