К помещениям примыкающим к наружным фундаментам, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии – помещения и первого этажа.
При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент mt принимается с округлением до ближайшего меньшего значения, указанных в таблице 7.5.
4. Для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений mt=1,1,кроме районов с отрицательной средней температурой.
7.1.3. Расчет морозоустойчивости дорожного полотна.
Морозные пучинистые процессы постоянно угрожают устойчивости земляного полотна автодорог, вызывают их деформации.
Проверка дорожных конструкций на морозоустойчивость производится с применением специальных мероприятий рассмотренных в ОДН - 218.046 - 01[13].
Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие
пуч ≤ 
доп, (7.6)
где пуч - расчетное пучение грунта земляного полотна;
доп - допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл.4.3)
Расчет на морозоустойчивость выполняется по формуле:
пуч = пуч ср Кугв Кпл Кгр Кнел Квл, (7.7)
где пуч – величина морозного пучения при осредненных условиях, определяется в зависимости от толщины дорожной одежды, группы грунта по степени пучинистости и глубины промерзания (Zпр); Кугв – коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания уровня грунтовых вод или длительно стоящих поверхностных вод (Ну); Кпл - коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя; Кгр - коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки; Кнагр - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания; Квл - коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта.
Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле:
Zпр = Zпр (ср) х 1,38, (7.8)
где Zпр (ср) - средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. 7.3).
Рис. 7.3 Схематическая карта нормативных глубин сезонного промерзания суглинистых пород
1-государственная граница СССР, 2-изолинии нормативных глубин суглинистых пород, 3-изолинии нормативных глубин для малоисследованных районов, 4-южная граница морозных пучин на дорогах
На рис.7.3 показано распределение сезонного промерзания суглинистых горных пород на территории России. Как видно из рисунка, мощность сезонной мерзлоты закономерно возрастает в северном и северо–восточном направлении – до границ распространения многолетней мерзлоты. В областях распространения многолетней мерзлоты сезонная мерзлота переходит в так называемый активный (иначе, «деятельный») слой. Почва и горные породы в пределах деятельного слоя находятся в талом состоянии только в очень короткое теплое время года, а в остальные сезоны активный слой находится в мерзлом состоянии и обычно сливается с многолетней мерзлотой. Мощность деятельного слоя в отличие от мощности сезонной мерзлоты не возрастает, а уменьшается в северном и северо-восточном направлениях.
Недоучет пучения хотя и не вызывает, как правило, катастрофических разрушений, однако приводит к широкому развитию многочисленных мерзлотных деформаций, таких как выпучивание неглубоко погруженных фундаментов зданий и сооружений, небольшие поднятия поверхности земли (0,2-0,5м) на железных и автомобильных дорогах, выпучивание и наклоны столбов и опор линий электропередачи и связи, разрывы кабелей, изгибы трубопрововодов и т.д. Затраты на борьбу с этими деформациями зачастую составляют весьма значительную сумму.
В практике инженерных расчетов и оценок территории обычно требуется определить следующие параметры, характеризующие процесс криогенного пучения в грунтах:
7.2 Мерзлотная просадка
Мерзлотной просадкой называется осадка при протаивании мерзлого грунта за счет сжатия и уплотнения собственным его весом и нагрузкой от сооружения, здания на основании вследствие падения прочности и несущей способности основания, но при отсутствии выдавливания в стороны из–под фундамента, подошвы насыпи и т.п. В основании земляного полотна образуется чаша протаивания (см. рис. 7.4), а вдоль подошвы насыпи – нередко также пазуха опускания (терокарстовая западина). Если западина заполняется водой, растепляющей мерзные грунты основания, процесс осадки интенсифицируется и может протекать длительно. Для его прекращения необходимо заполнить западину глинистым грунтом и перекрыть дерном с мхом и травой.
Рис. 7.4 Деформации основания замляного полотна
1-оседание уплотняющихся грунтов под насыпью; 2-выпирание слабых грунтов из-под подошвы насыпи; 3-чаша протаивания мерзлых грунтов в основании насыпи; 4-мерзлое ядро в теле насыпи и сплыв откоса по нему; 5-чаша протаивания в основании и откосах выемки
В зоне устойчивой низкой температурной и мощной вечной мерзлоты в насыпях нередко образуются постоянно существующие ядра промороженного грунта (см. рис. 7.4), а по ним происходят сплывы откосов насыпи. Вырубка и выжигание леса, подрезка склонов водоотводами и горизонтов грунтовых и напорных подземных вод выемками приводит к развитию солифлюкции и наледных процессов.
Если сохранить мерзлое состояние грунтов основания нельзя, например в южной части вечномерзлой зоны с температурой грунта выше –1,5 оС, ожидаемую тепловую деформацию определяют расчетом и предусматривают запас на осадку насыпи в ее конструкции (уширение верха, уположение откосов, устройство берм и т.п.), а для зданий и сооружений проектируют свайные основания.
7.3 Выпучивание твердых тел в рыхлых отложениях зависит от их состава, сложения и влажности.
Рыхлые влажные отложения при промерзании осенью и зимой увеличиваются в объеме т.е. пучатся. Весной, при оттаивании объем их уменьшается. В этом случае сезонные процессы пучения и осадки сопровождаются выпучиванием крупных тел (столбы, валуны, глыбы) Годовой цикл выпучивания например столба (рис. 7.5) выглядит следующим образом: В зимний период происходит смерзание пород со столбом (I,II).
Рис. 7.5 Схема выпучивания (вымораживания) столба из сезонноталого слоя, сложенного влажными дисперсными отложениями
1-промерзшая часть СТС; 2-талая часть СТС; 3-ММП; 4-вода или разжиженный грунт в полосни; 5-лед или сильнольдистый грунт в полости; 6-талый грунт, заполняющий полость; 7-граница ММП; 8-граница промезших пород СТС. I – VI – стадии выпучивания столба в годовом цикле (пояснения в тексте)
При этом силы смерзания тем значительнее, чем ниже температура. Развитие вертикальных сил пучения, превышающих вес столба и силы бокового трения, приводят к приподниманию столба из непромерзшей части слоя. Образованная под ним полость, заполняется водой. При полном промерзании слоя в полости образуется лед. В процессе сезонного оттаивания пород до того момента, пока фронт не подойдет к подошве столба последний сохраняет наиболее высокое положение, достигнутое при его выпучивании зимой (ІII,ІV). После вытаивания льда в полости под столбом происходит частичная осадка столба. В годовом цикле столб оказывается выпученным на некоторую высоту, которая при ежегодном повторении такого процесса существенно увеличивается. В результате столб может потерять устойчивость и наклониться или упасть.
Сходным образом происходит выпучивание камней. Связано это с тем, что за счет большей теплопроводности камней и малых потерь тепла на фазовые превращения воды нулевые температуры под камнями формируются быстрее, чем в окружающих грунтах, и под ними создаются участки с интенсивным сегрегационным льдовыделением. Многолетний процесс выпучивания каменного материала приводит к концентрации их на поверхности.
7.4. Бугры пучения.
Многолетнее промерзание дисперсных отложений, неравномерно развивающееся по площади, может приводить к образованию многолетних бугров пучения (рис.7.6).
Рис. 7.6 Схема образования многолетнего миграционного бугра пучения под торфяником, начальная (I) и зрелая (II) стадии:
1-торф; 2-пылеватый суглинок; 3-шлиры сегрегационного льда и граница ММП; 4-направление миграционной влаги
Их формирование сопровождается льдообразованием в локальных участках не глубоко от поверхности. Интенсивное льдонакопление происходит за счет образования сегрегационного льда вследствие миграции влаги под влиянием градиентов температуры и влажности. В подстилающих отложениях к нижней части образовавшейся мерзлой толщи мигрирует влага и вблизи нее начинает интенсивное сегрегационное льдовыделение и сопровождающееся ростом миграционного бугра пучения. С приподнятой поверхности бугра зимой сдувает снег, вследствии чего температура понижается, а мощность линзы увеличивается.
Мнолетние миграционные бугры пучения имеют высоту до 2–3м. и размеры в основании от 3–5м. до нескольких десятков и даже сотен метров, их высота достигает 4–8м. Такие бугры носят название «булгунняхи» (рис. 7.7).
Рис. 7.7 Схема образования булгунняхов:
I-несквозной талик под озером; II-промерзание несквозного талика при уменьшении размеров озера; III-образование замкнутого промерзающего внутримерзлотного талика и начальный этап роста булгунняха; IV-зрелая стадия роста булгунняха: 1-ММП; 2-талая водонасыщенная порода; 3-СТС; 4-уровень воды в озере; 5-инъекционный лед; 6-граница ММП; 7-направление движения вод под действием гидростатического криогенного давления
Многолетние бугры пучения, образуются в условиях закрытой системы, связаны с промерзанием подозерных таликов (несквозных).
Причиной промерзания является обмеление или осушение озер. При промерзании несквозного талика с грунтовыми водами создается замкнутая система, в которой воды приобретают криогенный напор. В наиболее слабом месте кровля выгибается (рис. 7.7,ІІІ.) образуя многолетний бугор пучения с ядром инъекционного льда (рис. 7.7,ІV.). Размеры булгунняхов могут достигать в высоту 8–12м, реже до 30–40м и по основанию 100–200м.
К числу инъекционных бугров пучения относят гидролакколиты – бугры, образующиеся в местах разгрузки различного типа напорных подземных вод (рис.7.8).
Рис. 7.8 Гидролакколит
1-грунтовый поток; 2-ледяной бугор; 3-выход надмерзлотных вод на поверхность с образованием наледи
7.5. Меры борьбы с пучением оснований различных сооружений и их комплексов.
Для борьбы с пучинами стремятся предотвратить поступление влаги к фронту охлаждения или уменьшить глубину промерзания: поднимают бровку земляного полотна выше комы капиллярного поднятия, в теле или основании полотна закладывают прослои из водопроницаемого, хорошо фильтрующего и теплоизолирующего материала, устраивают дренажи под кюветами и канавами. В таблице 7.6 указаны меры борьбы с пучением оснований различных сооружений и их комплексов. На пучинистых грунтах при замкнутой системе пучения иногда достаточно проектировать здания и сооружения с конструкциями, не чувствительными к неравномерным деформациям основания, а также предусмотреть полное или частичное погашение сил пучения весом самого сооружения, здания.
В районах сливающейся вечной мерзлоты от пучения страдают здания, промышленные и гражданские сооружения, фундаменты которых закладывают в деятельном слое. Для предотвращения выпучивания основания при промерзании увеличивают нагрузки на фундамент, уменьшая число опор и повышая этажность зданий, заанкеривают фундаменты в вечномерзлую толщу; применяют противопучинные обратные засыпки из гальки, отделяемые досками от глинистого грунта стенок котлована; вводят в грунт хлористый кальций, осушают территорию, прокладывают вокруг фундамента теплопроводы. Приспосабливают конструкцию здания или сооружения к деформациям основания, усиливая ее жесткость путем упрочнения угловых связей, устройства железобетонных поясов и др. В этом случае необходимо заранее знать величину пучения основания при промерзании.
При проектировании насыпей целесообразно выдерживать принцип сохранения мерзлотных условий, аэродромов – в основном принцип деградации мерзлоты, в остальных случаях – то и другое.
Меры борьбы с пучением оснований различных сооружений и их комплексов Таблица 7.6
| Условия строительства | Сооружения и их комплексы | Основные мероприятия и устройства |
| Подземные льды, пластично- и твердомерзлые и пучащие грунты (верховое пучение) | Аэродромы | Вырезка льдов,льдистых, пластично- и твердомерзлых и пучащих грунтов до удвоенной глубины оттаивания и замена дренирующим грунтом |
| Выемки | То же в основании выемки. Обсыпка откосов выемки дренирующими грунтами, устройство теплоизолирующих покрытий на откосах выемки по расчету | |
| Насыпи | Сохранение мохово-растительного покрова в основании насыпи и в прилегающей к ней полосе. Возведение насыпи зимой | |
| Мосты | Фундирование опор, погружение свай ниже подошвы слоя с подземным льдом, льдистыми и пластично-мерзлыми грунтами, но не менее чем на глубину не менее 15м | |
| Пучение грунтов в связи с наличием грунтовых вод (кренные пучины) | Аэродромы | Понижение уровня грунтовых вод дренажами. Местные вырезки пучащих грунтов с заменой дренирующими грунтами |
| Выемки | Тоже | |
| Здания | Тоже. Погружение свай в грунты основания до плотных не пучащих грунтов или на глубину не менее 15м | |
| Солифлюкция | Насыпи | Насаждение леса. Устройство теплоизолирующих покрытий. Осушение участка |
| Термоэрозия и термоабразия | Земляное полотно | Отжатиие русел и урезов воды от берега. Укреплениеподошвы берега и бечевника (пляжа) волноотбойными сооружениями |
| Искуственные сооружения | Устройство на береговом склоне, откосе теплоизолирующих покрытий по расчету | |
| Мари, термокарст | Насыпи | Сохранение мохово-растительного покрова в основании насыпи и в прилегающейк ней полосе,заполнение термокарстовых западин и озер глинистым грунтом с покрытием почвенным слоем. Возведение насыпи зимой |
| Аэродромы | Осушение площадки водоотводами. Срезка мохово-растительного покрова, планирование территории с подсыпками дренирующего грунта. В случае необходимости устройство дренажей | |
| Здания | Погружение свай до плотных грунтов или на глубину не менее 15м |
7.6 Наледи.
Называются плоско-выпуклые ледяные тела, формирующиеся в результате многократных излияний подземных, речных или озерных вод на поверхности земли, льда и их послойного замерзания. Причиной излияния вод на поверхность служит повышение гидродинамического напора в результате промерзания водоносных пород и возрастание гидростатического давления воды при промерзании озер и подозерных таликов. Воды приобретают криогенный напор, прорывают кровлю из мерзлого грунта или льда, растекаются по поверхности и замерзают, образуя слой наледного льда. Прорыв вод на поверхность уменьшает давление в водно-грунтовой системе в результате чего излияние воды прекращается до тех пор, пока вновь не возникнут необходимые для этого условия. В результате из наледного льда образуется наледный бугор.
Наледи могут образовываться также из межмерзлотных и подмерзлотных вод, выходящих на поверхность в виде источников. В отличие от первых они называются постоянными наледями. Наконец, известны наледи, возникающие при промерзании рек, когда на отдельных участках их течения остаются лишь очень узкие проходы, не способные пропускать весь подледный расход реки. Вода на этих участках прорывается через ледяной покров, изливается по поверхности льда и замерзает. Такого рода прорывы речной воды повторяются за зиму несколько раз, в результате чего образуются крупные ледяные бугры. Сила, с которой прорывается вода на этих буграх, бывает настолько велика, что при этом выбрасываются огромные глыбы льда. Вырвавшиеся потоки воды вызывают катастрофические «разливы» рек при сорокаградусных морозах. Потоки воды сносят мостовые переходы и другие сооружения, попадающиеся на их пути.
Для развития наледей благоприятен резко континентальный климат и малоснежная зима.
В таблице 7.7 указаны мероприятия и устройства по борьбе с наледями различного происхождения, отрицательно воздействующими на земляное полотно и искусственные сооружения дорог. В природе нередко встречаются наледи со смешанным питанием поверхностными и грунтовыми либо поверхностными подземными (меж – и подмерзлотными) водами и водами, изливающимися из тектонических разломов. В зависимости от сочетания источников питания, режима и размеров наледей комбинируют и комплексы противоналедных мероприятий и устройств.
Мероприятия и устройства по борьбе с наледями разного происхождения
Таблица 7.7
| Источник питания наледи | Особенности режима процесса. Форма и размер наледи | Рекомендуемые протовоналедные мероприятия и устройства |
| Поверхностные воды | Наледи образуются при стеснении и перемерзании водотокас наступлением сильных морозов и действуют на постоянных водотоках до конца зимы, распространяютсяв пределах русла и поймы. Очаги возникновения наледей – перекаты, полыньи,участки перетекания потока по мелким руслам, водопропускные трубы и мосты. Поверхность льда ровная или вогнутаяс перепадами и буграми | На переходах с большеми природными наледями – увеличивают отверстия водопропускных сооружений и повышают проектную отметку бровки насыпи для возможности свободного пропуска наледи. На водотоках с положительным тепловым балансом обеспечивают безналедный пропуск воды путем создания оптимального теплового режима водотока регуляцией русла и устройством специальных, при необходимости утепленных, лотков. При малом расходе водотока и неблагоприятном его ледотермическом режиме задерживают наледь в удалении от пути |
| Грунтовые воды | Наледи появляются при намерзании излившихся на поверхность земли грунтовых вод у мостов, труб дорог и троп, в выемках и канавах с наступлением первых морозов и действуют только в первой половине зимы, Наледи небольшие, плоские, вытянутые поперек потока грунтовых вод по простиранию склона | Понижают уровень грунтовых вод и кровлю толщи вечномерзлых грунтов. Задерживают наледь в удаленииот дороги мерзлотными поясами и другими сооружениями.Увеличивают высоту насыпи и отсыпают еедренирующим грунтом. При небольших наледях – входноеотверстие водопропускных труб осенью закрывают щитами, а веснойвыкладывают лед и убирают щиты. |
| Подземные воды | Наледи возникают от стеснения и перемерзания подземных водотоков в местах выходов родников, у мостов и труб и при вскрытии подземных вод выемками и канавами действуют в большинстве случаев всю зиму, Наледи вытянуты по уклону местности и течению потока. Их поверхность бугристая. Мощность и размеры наледи зависят от расхода точечных и линейных выходов подземных вод и могут быть значительными | При вскрытии подземных вод выемками дренируют или каптируют источники с отводом воды в низовую сторону от пути. На пересечениях водотоков с положительным тепловым балансомобеспечивают безналедный пропуск с созданиемоптимального теплового режима водотока. При отрицательном тепловом балансе и малом расходе водотокаудерживают наледь активными противоледниковыми валами, наледными поясами, заборами. При низких насыпях предпочтительнее устройство мостов, а не труб |
7.7 Термокарст, термоабразия и термоэрозия.
Термокарстом называется – процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающихся просадкой земли, появлением отрицательных форм рельефа и накоплением термокарстовых отложений (рис.7.9). Для развития термокарста необходимы условия: 1. наличие подземных льдов; 2. глубина сезонного оттаивания должна превышать глубину залегания залежи подземного льда; 3. талая вода должна отфильтровываться, а кровля над залежью проседать, образуя понижение.
Рис. 7.9 Термокарстовое озеро
Термокарстовые просадки развиваются даже при казалось бы незначительном изменении на поверхности земли условий для проникания тепла в грунт (уничтожение растительного и мохового покрова и др.). Увеличение количества тепла, проникающего в грунт, приводит к интенсивному таянию вечномерзлого грунта вместе с имеющимися в нем включениями льда. Это вызывает опускание дневной поверхности часто на несколько метров. При отсутствии стока воды на этом месте образуется термокарстовое озеро, способствующее еще более глубокому протаиванию слоя вечномерзлого грунта.
Опыт строительства показывает, что застройка территории зачастую приводит к увеличению глубины оттаивания грунтов и, таким образом, к просадке поверхности грунта. Еще больше оттаивание происходит под отапливаемыми зданиями, выделяющими тепло, в т.ч. и в грунт. В результате возникает значительная просадка фундаментов, которая иногда сопровождается полным разрушением зданий.
Таким образом, строить на сильнольдистых грунтах без принятия мер по сохранению их вечномерзлого состояния недопустимо.
7.8 Криогенные склоновые процессы.
При оттаивании мерзлых пород происходит резкое изменение строения и физического состояния пород. В этих слоях благодаря близкому залеганию криогенного водоупора и таянию подземного льда создается возможность переувлажнения пород и увеличения их подвижности за счет вязкопластического течения и скольжения по льдистому субстрату. Криогенные сползание тем сильнее, чем больше угол наклона склона.
Солифлюкция, как и термокарст, относится к посткриогенным процессам и представляют собой стекание со склонов рыхлых водонасыщенных отложений, оттаявших в весенне-летний период грунтов деятельного слоя. Солифлюкция возникает в результате перехода песчано-глинистых грунтов после оттаивания из твердой в текучепластичную или текучую консистенцию. На крутых склонах при этом появляются сплывы, потоки, языки, шлейфы сплывшего грунта, террасовидные уступы грунтов, нередко сильно перемешанных и переувлажненных (рис.7.10).
Рис. 7.10 Течение грунтов по промороженному склону (солифлюкция)
1-покровный слой; 2-сплыв; 3-солифлюкционные натеки(языки, террасы); 4-погребенные дерн и почвенные горизонты; 5- подстилающий слой; 6-граница сезонного оттаивания грунтов на момент солифлюкционного сползания
Надмерзлотные воды и связанные с ними процессы солифлюкции сильно зетрудняют и осложняют условия строительства поверностных сооружений. Борьба с солифлюкционными процессами связана с воднотепловой мелиорацией мерзлых пород, под которой понимают совокупность мероприятий по управлению тепловым режимом и влажностью вмещающих пород. Она основана на максимальном использовании для обогрева и оттаивания пород лучистой солнечной энергии, и осуществляется путем изменения теплофизических свойств поверхностного слоя, а также с помощью различного рода теплоизоляционных покрытий этого слоя, дренажа и т.д. Эти мероприятия, входящие в комплекс подготовительных работ, заключается в освобождении подготовительной территории строительства от верхнего почвенного и переувлажненного подпочвенного слоя глинистых пород; устройство постоянно действующих дренажных сооружений – основного коллектора, напорной канавы с выводами и ливнеспусками, а также дренажных траншей, отепленных зумпфов и водоотводов для перехвата и отвода надмерзлотных и межмерзлотных вод и интенсификации в теплый период года процесса оттаивания мерзлых пород различными методами и, в частности, путем изменения структуры и радиационных свойств.
Указанного рода мероприятия позволяют предотвратить массовое солифлюкционное оползание бортов карьера, наледные и другие мерзлотно – динамические образования и тем самым значительно улучшить условия строительства и эксплуатации различных сооружений.
7.9 Морозобойное трещинообразование в горных породах.
После замерзания дисперсной породы и ее пучения вследствие расширения воды при переходе ее в лед, при дальнейшем понижении температуры лед сокращается в объеме. До наступления разрыва в массиве возникают напряжения, которые разбивают массив морозобойными трещинами на блоки.
Условиями морозобойного растрескивания пород являются: 1. Монолитность горных пород в мерзлом состоянии; 2. Определенные температурные градиенты достаточные для трещинообразования; 3. Определенные свойства горных пород (сопротивление на разрыв, модуль упругости и т.д.).
Рис. 7.11 Схема образования трещин в мерзлых породах (по Б.Н.Достопалову)
-расчетная схема, б-принятое в расчете изменение температуры мерзлого слоя с глубиной
Одни морозобойные трещины развиваются по мере роста бугров пучения, другие лишь под влиянием неравномерного охлаждения пород, обладающих различными теплофизическими свойствами. Возникающие при этом напряжения часто оказываются более значительными, чем предел прочности уже смерзшейся породы. По исследованиям Б. Н. Достопалова[11], величину возникающего сдвигающего напряжения у поверхности мерзлого массива (рис.7.11) можно получить из следующего выражения:
τх = 
nαGx 
, (7.9)
где = 
– градиенты температуры охлаждения массива мерзлых пород;
G = 
– модуль упругости при сдвиге (Е – модуль нормальной упругости,
μ– коэффициент бокового расширения мерзлой породы);
α– коэффициент линейного (температурного) сжатия мерзлой породы;
n– коэффициент пропорциональности, близкий к единице;
x –расстояние между морозобойными трещинами.
Рисунок 7.11
Решая (7.9) относительно x и полагая n=1 и величину сдвигающего напряжения τx, равной временному сопротивлению мерзлой породы сдвигу τвр, получим выражение.
х = 
, (7.10)
Если после появления первых трещин происходит дальнейшее понижение температуры мерзлого массива пород, в ней возникают поперечные трещины. В результате весь промерзающий массив оказывается разбитым на отдельные полигоны. Трещины возникают также внутри мерзлого массива главным образом в горизонтальном направлении вследствие значительных напряжений при изгибе верхних слоев массива.
Попадающая в вертикальные трещины во время зимних оттепелей и весной вода замерзает с наступлением холодов. Таким образом возникают вторичные структуры в виде ледяных клиньев. Последние в условиях многолетней мерзлоты являются многолетними образованиями и расширяются («растут») из года в год.
Морозобойные трещины, возникшие в деятельном слое, проникают и в слой вечномерзлого грунта, однако здесь ширина их раскрытия незначительна. Тем не менее они играют большую роль в образовании и росте клиньев льда. С наступлением весны талые воды стекают по морозобойным трещинам в слой вечномерзлого грунта, где и замерзают. Наблюдения показывают, что морозобойные трещины образуются из года в год на одном и том же месте. В связи с этим в вечномерзлый грунт ежегодно проникает некоторое количество воды, превращающейся в лед. Накопление ого приводит к росту клиньев льда.
Криогенные процессы, явления и образования весьма осложняют строительство и эксплуатацию сооружений в области вечной мерзлоты и в районах с суровым климатом. Их выявляют еще при изысканиях и стремятся при выборе варианта трассы, мостового перехода, тоннельного пересечения, расположения аэродрома, площадки станции, но это далеко не всегда возможно по условиям трассирования и размещения сооружений и их комплексов.
Инженерно-геологическая оценка перечисленных мерзлотных процессов сводится к определению площади, охваченной данным процессом, и его интенсивности (число и частота пучин, толщина и быстрота нарастания наледи, число термокарстовых провалов на 1км2 площади, мощность сползающего слоя и скорость его движения).
Для борьбы с этими процессами применяют отдельные мероприятия или их комплекс. Борьба с морозным пучением ведется путем осушения водонасыщенных грунтов в период их размерзания или путем уменьшения глубины промерзания, для чего пучинистые грунты полотна дороги покрывают теплоизоляционным слоем или заменяют песком, гравием и шлаком, в которых пучение не возникает.
Для борьбы с наледями применяют земляные валы вдоль водотоков и мерзлотные пояса вокруг строительной площадки.
Борьба с солифлюкцией осуществляется с помощью планировки и уменьшения уклонов местности, посадки деревьев и кустарников для закрепления поверхностного слоя грунта и устройства специальных перегораживающих сооружений на пути движения потоков–сплывов.
8.Форморование и развитие многолетнемерзлых горных пород в зависимости от радиационно–теплового баланса на поверхности.
Основным показателем теплообмена поверхности Земли является радиационно–тепловой баланс.
Каждое из составляющих баланса оказывает свое влияние на формирование многолетнемерзлых толщ. Считается, что, чем больше количество годовой суммарной поглощенной радиации (Qп), тем выше средняя годовая температура верхних горизонтов горных пород, а чем меньше Qп, тем средняя температура ниже.
8.1. Изменение структуры радиационно-теплового баланса.
Рассмотрим схему изменения структуры радиационно–теплового баланса и величины баланса при уменьшении затрат тепла на испарение и конденсацию, а также изменение температуры многолетнемерзлой толщи (рис. 8.1).
Рис. 8.1 Составляющее радиацинно–теплового баланса (I) и их изменение при уменьшении затрат тепла на испарение (II), приводящее к уменьшению радиационного баланса (RII) и к повышению температуры поверхности (схема)
На схеме показано 2 случая (1 и ІІ). Qп – поглощенная радиация в том и другом случае одинаковая. За счет исключения испарения во втором случае должны повышаться температура и увеличиваться как эффективное излучение (J), так и турбулентный теплообмен (Р). Эффективное излучение (J) увеличивается пропорционально температуре излучения (tи), а турбулентный теплообмен (Р) – температуре в первой степени. Поэтому доля первого значительно больше доли второго. Сумма превышения этих двух величин при неизменной Qп равна величине сокращения радиационного баланса. В данном случае to почвы и многолетнемерзлых толщ повышается при уменьшении радиационного баланса. Другими словами, при увеличении затрат на испарение при постоянном Qп понижается to и увеличивается радиационный баланс.
Решающим фактором в определении характера изменения температуры пород, величины и знака изменения радиационного баланса являются затраты тепла на испарение.
Таким образом: 1. С уменьшением Qп с юга на север отмечается усиление суровости мерзлотного режима. Это является проявлением географической широтной зональности. 2. Увеличения континентальности климата от морских побережий в глубь континентов приводит также к увеличению суровости мерзлотных условий в том же направлении. Это является проявлением континентальной зональности. 3. В реальной обстановке происходит наложение этих двух зональностей. 4. Аналогичные наложения высотной и климатической поясности отмечается и в горных странах, где суровость мерзлотных условий увеличивается с повышением абсолютных отметок местности. 5. Радиационный баланс с температурным режимом почвы находится в сложной зависимости и поэтому более суровые мерзлотные условия могут наблюдаться как при более низких, так и более высоких значениях радиационного баланса.
8.2 Закономерность формирования многолетнемерзлых толщ в зависимости от ритмичности колебания теплообмена на поверхности
Схема изменения положения верхней и нижней границ многолетнемерзлой толщи при периодических колебаниях температуры при разных значениях на поверхности (рис. 8.2).
Рис. 8.2 Схема изменения положения верхней и нижней границ многолетнемерзлой толщи при периодических колебаниях температуры (при различных значениях tср, tmax и tmin на поверхности)
В первом случае образуются многомерзлотные толщи существующие в течении всего периода колебаний с изменяющейся за этот период глубиной их нижней поверхности в пределах в1 – в2. Этот тип распространен в северных зонах, где отмечаются мощные толщи мерзлых пород.
Во втором случае образуются и развиваются многолетнемерзлые толщи (ММТ) с эпизодически возникающим в течении части периода Т слоем многолетнего протаивания в пределах а1 – а2 и с периодически меняющейся глубиной нижней границы в пределах в1 – в2.Этот тип приурочен к трем нижним зонам распространения ММТ с температурами до –2о.
В третьем случае развиваются периодически возникающие многолетнемерзлые толщи в пределах а – в. Этот тип характерен для самой южной зоны их распространения с температурами, близкими к 0о.
Таким образом, тепловые колебания распространяясь в верхних слоях литосферы, при переходе температуры на поверхности через 0 оС в область отрицательных значений приводит к образованию многолетнемерзлых толщ. В период похолодания климата идет нарастание их мощности, а в период потепления – сокращение или полное оттаивание пород.
8.3 Значение литологического состава пород для мощности многолетнемерзлых толщ ( ξмн)
В скальных породах мощность ММТ будут в 1,3 – 1,5 раза больше, чем в рыхлых. Если учесть фазовые переходы при промерзании и оттаивании пород, то разница до 2 раз и более.
Таким образом, зависимость мощности ММТ отличаются как от тепломассообмена на поверхности земли (tср, А), так и от состава самих пород (λ, С, Qф), где λ– коэффициент теплопроводности, С – объемная теплоемкость, Qф - теплота фазового перехода.
Значение подземных вод для ξмн. Пресные водоемы являются резко отепляющим фактором. При их глубине, превышающей глубину промерзания водоемов данные отложения находятся в талом состоянии и образуют либо сквозной либо н