Процессы, протекающие в мерзлом грунте и механика его работы

PROCESSES THAT OCCUR IN FROZEN SOIL AND THE MECHANICS OF THIS SOIL

Darya Pogozheva

Student of the Engineering Institute of the North Caucasus Federal University, Russia, Stavropol

Аннотация. В статье рассматриваются физико-механические свойства вечномерзлых грунтов, которые влияют на процесс строительства. На территории России распространены вечномерзлые грунты, поэтому необходимо знать, какие мероприятия нужно проводить, чтобы здание было построено верно.

Abstract: the article discusses the physical and mechanical properties of permafrost soils that affect the construction process. Permafrost soils are common on the territory of Russia, so you need to know what activities need to be carried out so that the building is built correctly.

Ключевые слова: вечномерзлый грунт, строительство на вечномерзлый грунтах, основания и фундаменты, замерзание, оттаивание.

Keywords: permafrost, construction on permafrost, foundations, freezing, thawing.

Введение. Верхняя поверхность слоя вечной мерзлоты неправильной формы и положения, она зависит от типа, влажности и уплотнения грунта, теплоизоляции растительного покрова, движение грунтовых вод, воздействие солнца и других факторов. Его положение варьируется от нескольких сантиметров до сотни метров под землей. В целом, она ниже в песчано-гравийных почвах, чем в илистых, глинистых или торфяных почвах. Строительство в арктических и субарктических регионах, а особенно на объектах с вечномерзлым грунтом, сильно отличается от того, которое применяется в умеренных зонах. А учитывая, что большая площадь территории России (около 65%) – это вечномерзлый грунт, то актуальность изучения процесса строительства и особенностей данного вида почвы велико. Процесс сезонного замерзания и оттаивания серьезным образом может повлиять на сооружение (даже в верхних слоях грунта, который не замерзает постоянно). Изучая вопрос проектирования оснований и фундаментов в условиях мерзлых грунтов, стоит отдельно рассмотреть особенности данного грунта и механику его работы. Мерзлый грунт – многофазное образование, которое состоит из твердых минеральных частиц, включений льда, воды в связном и жидком состоянии и газообразных компонентов. Все составляющие взаимно связаны друг с другом, зависят от внешних воздействий и отдельных свойств друг друга.  Рассмотрим подробнее процессы, которые происходят в вечномерзлом грунте.

Температурный режим. Один из основных факторов, который влияет на прочность и устойчивость мерзлых грунтов, заключается в поддержании температурного режима.

Рисунок 1. Температурный режим в почвах с различным типом

Участки, подстилаемые вечной мерзлотой, не подвержены изменениям земной поверхности - отклонения от нормальных сезонных температур почти не заметны. Принцип, по которому тепловой баланс поддерживается, и слой вечной мерзлоты сохраняется, заключается в том, что тепло проходит от теплого тела к холодному, таким образом, выравнивая температуру каждого из них. Однако тепловое воздействие отапливаемого здания разрушают тепловой режим за счет повышения среднегодовой температуры на поверхности земли под зданием или сооружением. Удаление растительного покрова при зачистке, изменение потока грунтовых вод – все это нарушает тепловой режим. При проектировании необходимо установить новое равновесие, но важно помнить, что при корректировках теплового режима возможны такие явления, как обледенение поверхности, морозное вздутие, морозные фурункулы и обрушение. Чтобы избежать таких результатов при строительстве на вечной мерзлоте, необходимо изучить все факторы. Конструкция должна быть спроектирована таким образом, чтобы либо сохранить баланс, либо создать новый.

Грунтовые воды. Грунтовые воды в зависимости от геологических и физико-географических особенностей, климата и сезонных колебаний погоды могут быть: надмерзлотными, межмерзлотными, подмерзлотными.

Так как они могут менять агрегатное состояние, то это важный фактор, который при проектировании оснований и фундаментов нужно учитывать. Грунтовые воды поступают из поверхностных вод, таких как дождь, тающий снег или от восходящего движения подземных источников внутри или под слоем вечной мерзлоты. Грунтовые воды иногда начинают движение под опорой, столбом и фундаментной стеной. Если днища этих опор промерзают, то это может привести к накоплению льда под ними, в сезонную оттепель лед тает. Тепло, переносимое движущимися грунтовыми водами, также может вызвать смещения грунта. Они постепенно изменяют верхнюю поверхность слоя вечной мерзлоты по мере своего движения. Там, где движущиеся грунтовые воды встречаются со стеной фундамента или сваей, расширяющейся в вечной мерзлоте, они могут просачиваться вдоль конструкции, нарушая сцепление и размягчая землю, что может произойти обрушение.

Действие грунта при замерзании и оттаивании. Припухлость или «пучение» вызвана образованием льда в грунте при переходе из талого состояния в мерзлое. При промерзании увеличение объема воды происходит на 9%, тем самым фундамент может подняться на некоторую высоту. А когда происходит попеременное промерзание, затем оттаивание, то через несколько лет фундамент может быть вытеснен из грунта до нескольких десятков сантиметром. Морозное пучение происходит там, где грунтовые воды скапливаются в одном месте, что также может возникнуть в результате замерзания воды, находящейся в состоянии капиллярного насыщения в пределах пустот мелкозернистых почв. В рыхлых илистых почвах наиболее распространено капиллярное действие воды, которое превращается в обширные слои льда.

Оседание и обрушение. Когда почва находится в состоянии высокой капиллярной насыщенности, то замерзая, зерна почвы отделяются силой расширения. Это приводит к тому, что в почве пониженной плотности меняется несущая способность. После оттепели она становится мягкой, слизистой, крайне низкой несущей способности. Что может приводить к обрушению там, где слои или линзы грунтового льда тают, и земля над ними оседает.

Ползучесть. Разрушительное скольжение поверхности почвы очень распространено в районах вечной мерзлоты. Силы кристаллизации льда и ледяные линзы поднимают почвенные материалы в каждый сезон заморозков. Материал оседает во время весенней и летней оттепели, по направлению уклона поверхности. Эти горизонтальные перемещения верхнего слоя наиболее ярко выражены на склонах холмов, обращенных к прямым солнечным лучам, где глубина активных зон наибольшая.

Сморщивание и растрескивание. В почвах с небольшим содержанием влаги происходит сжатие при понижении температуры ниже нуля. Если почва изначально была непроницаемой для движения воды, то в результате растрескивания происходит движение воды. Это вызывает кристаллизацию льда, ледяные линзы, морозные кипения, вздутия и поверхностный лед.