Основанием зданий и сооружений приято считать массив грунта криолитозоны, залегающий ниже подошвы фундамента и воспринимающий тепловую и механическую нагрузку. Проектируемые основания должны обеспечивать устойчивость зданий и сооружений на весь период их использования. Для решения этой задачи при проектировании оснований необходимы знания особенностей геокриологических и климатических условий территории строительства, состава, строения и свойств массива горных пород на строительной площадке.
Строение и свойства массивов пород криолитозоны в естественных условиях их существования подвержены постоянным изменениям. Определяющее влияние, при прочих равных условиях, на этот процесс оказывают разнопериодные энергоциклы (ЭНЦ) и их распределение в верхней части криолитозоны, природа которых обусловлена астрономическими законами, физическими и геометрическими особенностями Земли. Интенсивность воздействия ЭНЦ на параметры криолитозоны определяются суточными - Тсут, годовыми - Тгод, короткопериодными - Т5-6 лет, Т(10-11)лет, среднепериодными - Т(40-44)лет, Т(90-94)лет, длиннопериодными - Т300лет, Т1800лет и историко-геологическими – Т(9-10)тыс.лет, Т(22-27)тыс.лет, Тnх100 000 колебаниями температур [46, 47].
Отклонения от среднемноголетних значений климатических параметров и влияние технических сооружений на их значения при входе в криолитозону являются источниками ее «возмущения». При изменении климата, они имеют глобальный характер, при инженерном освоении криолитозоны - региональный и местный. В результате изменяются ее состояние и пространственные характеристики массивов криолитозоны (строение по разрезу и мощность).
Состояние массивов криолитозоны на выходе определяется вещественным их составом, строением и физико-механическими свойствами горных пород. Каждый перечисленный фактор зависит от входного сигнала возмущений в
подсистемах (слоях разнопериодных колебаний температур пород), перекрестных связей между ними, прямых и обратных связей входа в систему и выхода из нее (рис. 3. 4).
Рис. 3.4. Общая физико-техническая модель массива горных пород криолитозоны [50]:
t0, A0, tпп, Aпп, 
– среднегодовые температуры и амплитуды температур воздуха соответственно на поверхности пород, подошве слоя сезонного оттаивания и промерзания, подошве годовых колебаний температур;
Qос, Nцзо, Wе 
Z – количество осадков, циклов замерзания и оттаивания, естественная их влажность, мощность слоя сезонного оттаивания и промерзания и мерзлых пород в зоне годовых колебаний температур, глубина залегания годовых колебаний температур;
Zi, BC, C, ФТС – мощность i-го слоя многолетних колебаний температур в массиве пород, вещественный состав, строение и физико-технические свойства пород;
k1, k2, k3 – вход параметров возмущения в систему;
1(
), 2(), 3() - время полного цикла в i-той подсистеме массива пород криолитозоны
Массив криолитозоны, используемый в качестве основания в теоретическом и практическом отношении в каждый фиксированный момент времени можно принимать как материальное тело, которое находится в динамическом равновесии. В этом случае его динамическое равновесие характеризуется функциональной связью основных параметров ее состояния [46]:
(3.1)
где P – давление, V – объем, Tабс – абсолютная температура, Cj – содержание льда, Cw- содержание незамерзшей воды.
Наряду с этим, следует подчеркнуть, что динамическое равновесие в криолитозоне постоянно нарушается, поскольку в ней постоянно трансформируются разнопериодные температурные поля, следовательно, и другие параметры ее состояния.
Распределение температур пород по глубине можно получить экспериментально и теоретически, решив задачу Фурье о кондуктивном переносе тепла при гармоническом изменении температуры на поверхности пород во времени 
, (3.2)
где 
- частота колебаний; а – коэффициент температуропроводности, м2/с; t0 –cредняя температура за период колебаний, °С; z – глубина криолитозоны, м.
Скорость затухания температур по глубине зависит преимущественно от коэффициента температуропроводности
горных пород (параметр внутреннего воздействия среды) и частоты колебаний температур на их поверхности (параметр воздействия внешней среды). В результате образуются зоны с различной интенсивностью преобразований состава, строения и свойств горных пород (табл. 3. 1).
В криолитозоне полного профиля (от кровли до подош-
Таблица 3.1
Зональность криопетрогенеза массивов горных пород [46]
Примечание:(пояснение в тексте)
вы) в зависимости от количества и глубины проникновения температур различных периодов, формируется комплекс процессов, способствующих формированию специфического вещественного состава, строения и свойств горных пород.
Массивы криолитозоны и их грунты (породы) по времени существования классифицировались многими авторами. Не обращая внимания на некоторые различия в используемой терминологии, следует отметить, что эти классификации носят не только теоретический, но и практический характер и нашли отражение в нормативной литературе (табл. 3. 2).
Таблица 3. 2
Классификации мерзлых грунтов по времени существования.
| Наименование | Время существования | Авторы |
| Многолетнее-мерзлые | Годы, сотни и тысячи лет | М.И. Сумгин |
| Сезонномерзлые | Месяцы | |
| Вечномерзлые | Века, тысячелетия | Н.А. Цытович |
| Многолетнее-мерзлые | От нескольких лет до нескольких десятилетий | |
| Сезонномерзлые | От одного до двух сезонов | |
| Кратковременно-мерзлые | От нескольких часов до нескольких суток | |
| Кратковременно-мерзлые | Сутки | Э.Д. Ершов |
| Кратковременно-мерзлые | Не более суток | Д.М. Шестернев [45] |
| Сезонномерзлые | Менее года | |
| Эпизодически мерзлые | От года до трех лет | |
| Многолетнемерзлые | От 3-х до 100 лет | |
| Вечномерзлые | Более 100 лет | |
| Вечномерзлые | Три года и более | СНиП 2.02.04. – 88 [36] |
| Перелетки | От одного года до трех | |
| Сезонномерзлые | 1-й холодный сезон года |
По типу промерзания криолитозона может быть эпикриогенной или синкриогенной. Второй ее тип от первого отличается криогенным строением и льдистостью. Причем, льдистость синкриогенных толщ, превосходит льдистость эпикриогенных, чаще всего на порядок и более.
К синкриогенным массивам криолитозоны относятся практически все геологические массивы, промерзшие после завершения их формирования. Синкриогенные массивы криолитозоны, формируются, как правило, в пределах уже существующей эпикриогенной криолитозоны. Их формирование протекает практически синхронно с формированием нелитифицированных осадков и переходом их в мерзлое сос-
тояние. Таким образом, массивы криолитозоны или отдельные их участки, в зависимости от условий формирования могут быть моно- и биэпикриогенными, моно и биинкриогенными, полиэпи- и полисинкриогенными. При промерзании сквозных и несквозных таликов нелитифицированные осадки и илы могут промерзать сверху, снизу и с боков, в этом случае части массивов криолитозоны относят к диакриогеным (парасинкриогеным толщам) [8, 9].
Согласно [6] мерзлые (криогенные) грунты принадлежат к III и IV классам природных и техногенных грунтов с криогенными структурными связями, которые в инженерной геокриологии могут использоваться как основания, среда и материалы для инженерных сооружений.
Основаниями для промышленных и гражданских сооружений могут быть любые группы скальных, полускальных, связных и ледяных грунтов, внутри которых по генезису выделены подгруппы интрузивных, эффузивных, метаморфических, осадочных, а также техногенных грунтов.
Техногенные грунты представлены природными аналогами выше перечисленных групп, но измененными химико-физическим (тепловым) воздействием в условиях: а) естественного залегания, б) перемещенными при транспортировке техническими средствами и грунтами искусственного (антропогенного) генезиса (табл. 3. 3).
Строительным материалом (в зависимости от типов инженерных сооружений) могут быть любые природные и техногенные грунты (от скальных до ледяных). Выбор конкретного их типа, вида и разновидности, для строительства инженерных сооружений, регламентируется конструктивными особенностями и целевым их использованием, а также строительными свойствами грунтов, в диапазонах значений, обозначенных в соответствующих стандартах.
В строительной практике все грунты, по общему характеру структурных связей подразделены на 4 класса.
Таблица 3. 3
КЛАССЫПРИРОДНЫХ (III) и техногенных (IV) МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ [6]
| Класс | Группа | Подгруппа | Тип | Вид | Разновидности | |||
| III | Скальные | Промерзшие | Интрузивные, эффузивные Метаморфические, осадочные | Ледяные минеральные | Те же, что и для скальных грунтов | Выделяются по: 1) льдистости за счет видимых ледяных включений; 2) температурно-прочностным свойствам; 3) степени засоленности; 4) криогенной текстуре | ||
| Полускальные | Эффузивные, Осадочные | |||||||
| Связные | Осадочные | Ледяные минеральные | Те же, что и для дисперсных грунтов | |||||
| Ледяные органоминеральные | ||||||||
| Ледяные органические | ||||||||
| Ледяные | Конституционные (внутригрунтовые) | Льды | Льды - сегрегационные, инъекционные, ледниковые | |||||
| Погребенные | Льды - наледные, речные, озерные, морские, донные, инфильтрационные (снежные) | |||||||
| Пещерно-жильные | Льды - жильные, повторножильные, пещерные | |||||||
| IV | Скальные Полускальные | Природные образования, измененные в условиях естественного залегания | Измененные воздействием | физическим (тепловым) | Те же, что и для природных мерзлых грунтов | Все виды природных скальных грунтов | Выделяются как соответствующие разновидности классов природных грунтов с учетом специфических особенностей и свойств техногенных грунтов | |
| химико-физическим | ||||||||
| Связные Несвязные Ледяные | Природные образования, измененные в условиях естественного залегания | физическим (тепловым) | Те же, что и для природных мерзлых грунтов | Все виды природных дисперсных грунтов | ||||
| химико-физическим | ||||||||
| Природные перемещенные образования | Насыпные Намывные | Измененные физическим (тепловым) или химико-физическим воздействием | ||||||
| Антропогенные образования | Насыпные Намывные Намороженные | Бытовые, промышленные и строительные отходы, шлаки, шламы, и др. Искусственные льды | ||||||
В пределах этих классов с учетом прочности структурных связей выделены группы, а последние по условиям образования и генезису подразделены на подгруппы. Далее в таксонометрии классификации грунтов выделены типы грунтов – по вещественному составу, виды - в соответствии с дисперсным составом грунтов и показателями свойств и разновидности – по количественным показателям состава, строения и свойств грунтов [6].
Исследование свойств мерзлых грунтов для решения практических задач, связано с определением их принадлежности по количественным показателям к разновидностям грунтов. Это позволяет принимать управленческие решения по размещению инженерных сооружений, выбору принципов их строительства и разработки рекомендаций по эксплуатации с учетом характеристики среды, с которой они взаимодействуют. Решение этих вопросов невозможно без унификации информационных массивов свойств грунтов применительно к конкретным типам инженерных сооружений.
Вопросы для самоконтроля
Дайте характеристику основных принципов построения классификации мерзлых грунтов при разработке ГОСТ 25100-95?
Почему грунты криолитозоны в инженерной геокриологии рассматриваются как среда, основания и материалы для инженерных сооружений?
Для решения каких задач инженерной геокриологии, необходима классификация мерзлых грунтов по времени существования?
Какие массивы криолитозоны называются полигенетическими?
Чем отличаются синкриогенные массивы криолитозоны от эприкриогенных?
Чем отличается криолитозона южного типа от криолитозоны северного типа?
Что принято называть основанием зданий и сооружений?
Чем отличаются основания естественного типа от оснований искусственного типа?
Какие строительные материалы криолитозоны используются для строительства сооружений? Каких сооружений?
Рекомендуемая литература
ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. – М.: Изд-во стандартов, 1995. – 14 с.
Достовалов Б.Н. Общее мерзлотоведение / Б.Н.Достовалов, В.А. Кудрявцев. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1967. – 405 с.
Ершов Э.Д. Общая геокриология / Э.Д. Ершов. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 2002. – 682 с.
Некрасов И.А. Региональное распространение многолет-
немерзлых пород // Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири. – Новосибирск: Наука, 1984. – С. 46-58.
СНиП 2.02.04. – 88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. – 56 с.
СНиП 23-01-99. Строительная климатология. – М.: ГУП ЦПП Госстроя России. – 2000. – 60 с.
Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под. ред. Ю.Я. Вели, В.И. Докучаева, Н.В. Федорова. – Л.: Стройиздат, 1977. – 522 с.
Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне / Л.Н Хрусталев. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 2005. – 542 с.
Шестернев Д.М. Криогипергенез и геотехнические свойства пород криолитозоны / Д.М. Шестернев. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. – 266 с.
Шестернев Д.М.. Статистическая – обработка инженерно-геологической информации: учебное пособие / Д.М. Шестернев. – Чита: Изд-во Чит. гос. ун-т, 2008. – 312 с.