Особенности инженерной подготовки территорий с вечномерзлыми грунтами

На Крайнем Севере нашей страны интенсивно осваивают районы с вечномерзлыми грунтами. Инженерная подготовка территорий с такими грунтами очень сложна, поскольку ее проектируют учетом условий, необычных для центральных районов России.

Общие сведения о вечномерзлых грунтах

Вечномерзлые грунты, иногда называемые криолитом, представляют собой взаимосвязанную четырехкомпонентную систему минеральных и газообразных частиц, замерзшей воды и льда, цементирующего минеральные частицы. Эти грунты могут сплошь залегать на всей территории, иметь вкрапления талых пород (таликов) или находиться в вечномерзлом состоянии только в виде отдельных линз (островная мерзлота). В первом случае везномерзлые грунты называют сплошными, в двух других — прерывистыми.

Талики чаще всего расположены у южных границ распространения вечной мерзлоты. Талики находят и под водоемами и в местах выхода на поверхность относительно теплых грунтовых вод. В некоторых случаях их появление является следствием нарушения температурного режима в результате хозяйственной деятельности человека.

Рис. 10.1. Схема строения толщи вечномерзлых грунтов:

I — деятельный слой; 2 — верхняя граница мерзлоты (ВГМ); 3 — вечномерзлый слой; 4 — нижняя граница мерзлоты (НГМ), 5 — подмерзлотный слой Толщу вечномерзлых грунтов по вертикали делят на три зоны, они показаны на рис. 10.1. Деятельным слоем называют первую, верхнюю часть толщи. Она оттаивает летом и замерзает зимой. Ее мощность колеблется от 0,2 до 4 м и зависит от интенсивности и продолжительности прогревания поверхности. На глубину деятельного слоя оказывают влияние экспозиция и крутизна склонов, наличие растительности и ее характер, гранулометрический состав грунтов и степень их влажности.

Криолитозона — это собственно вечномерзлые грунты, мощность которых может достигать многих сотен метров, а локальные изменения зависят от крупных элементов рельефа. Верхняя граница криолитозоны (ВГМ) находится на глубине сезонного оттаивания грунтов, а расположение нижней (НТМ) зависит от широты местности и активности геотермальных процессов в земной коре. По вертикали вечномерзлые грунты могут залегать сплошной толщей. В ней возможно существование подземных льдов, но иногда имеются прослойки талых пород. Последние обычно находят там, где грунтовые воды связаны с поверхностными или температура в 1лубине толщи близка к нулю.

Грунтовые воды в вечномерзлых грунтах имеют три горизонта. Их подразделяют на над-, межи подмерзлотные, расположенные в соответствующих зонах толщи верхнего слоя земной коры.

Надмерзлотные воды размещаются в деятельном слое и питаются преимущественно за счет атмосферных осадков. В некоторых случаях источником надмерзлотных вод являются оттаявший подземный лед или подмерзлотные водоносные пласты. Вода в этих пластах движется в сторону падения кровли водоупора, которым является вечномерзлая зона, и попадает в деятельный слой через талики.

Межмерзлотные грунтовые воды существуют, как правило, благодаря переносу теплоты при движении воды в криолитозону и их связи с нижележащим подмерзлотным водоносом. Подмерзлотные воды циркулируют ниже вечной мерзлоты, имеют относительно постоянный напор и дебит, неизменный химический состав. Их часто используют для водоснабжения.

Грунтовые воды всех трех горизонтов взаимосвязаны, имеют сложный режим и оказывают влияние на устойчивость зданий и сооружений.

Один из решающих факторов, определяющий пригодность мерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов, — это температура вечномерзлых грунтов. В зоне сплошного распространения последних она обычно ниже —5°С, у таликов меньше или равна —1,5°С, а островной мерзлоты близка к 0 °C. От температуры зависит прочность мерзлых пород и способность их восстанавливать исходное состояние после оттаивания в результате строительства. При этом поверхность мерзлого грунта оседает, величина осадки зависит от глубины проникновения положительных температур, влажности грунта и передаваемых на него нагрузок. Предельно допустимую величину деформаций оттаявшего основания нормируют по условиям обеспечения устойчивости сооружений.

При инженерной подготовке используют дорожно-мерзлотную классификацию грунтов, в основу которой положен признак относительного сжатия грунтов под нагрузкой и влажность грунтов. По этим признакам выделяют четыре категории грунтов: непросадочные, малопросадочные, просадочные и сильнопросадочные (табл. 10.1).

Вечномерзлые грунты осваивают для градостроительных нужд с использованием двух основных принципов. Первый — это сохранение их в мерзлом состоянии в процессе строительства и эксплуатации. Второй заключается в оттаивании грунтов на расчетную глубину. Обычно в пределах каждой строительной площадки применяют один из этих принципов, хотя для линейных сооружений возможно их сочетание.

Первый принцип находит применение в тех случаях, когда грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически оправданных затратах. Второй принцип рационален на скальных породах или грунтах, деформация оттаивания которых не превышает предельно допустимых значений. Этот принцип целесообразен и при несплошном распространении вечной мерзлоты и неодинаковой глубине залегания ВГМ.

Особые природные условия районов распространения вечномерзлых грунтов диктуют специальные требования к строительству и эксплуатации сооружений, что и предопределяет особенности проектирования инженерной подготовки территорий, характер мероприятий которой зависит от мерзлотно-геологических условий строительства. Эти условия в районах вечной мерзлоты характеризуются наличием обширных областей с грунтами пониженной несущей способности — с подземными льдами или засоленных, с мерзлотно-геоморфологическими образованиями, а в некоторых случаях и активной сейсмической деятельностью.

К мерзлотно-геоморфологическим образованиям на таких грунтах относят следующие виды деформации поверхности: бугры пучения, наледи, морозобойные трещины, термокарсты, солифлюкцию и оврагообразование.

Бугры пучения — это поднятие почвы под действием потока грунтовых вод, в которых имеются ледяные включения. С изменением теплового режима происходит разрушение бугров и образование впадин.

Грунтовые наледи возникают под напором надмерзлотных вод из-за уменьшения или промерзания живого сечения потока грунтовых вод. Причиной образования наледей могут быть и подземные воды глубинных горизонтов, выходящие по зонам разломов, тектоническим трещинам, контактам пород различного возраста и состава. В результате постепенно изливающаяся вода замерзает, образуя на поверхности наледи. Иногда наледи появляются на участках, где движению потока грунтовых вод препятствует какая-либо преграда, например местное увеличение промерзания с поверхности или прослойки слабофильтрующих грунтов. Часто появлению таких наледей способствует срезка и выемка грунта на склонах в местах разгрузки грунтовых вод или отсыпка в летний период штабелей грунта.

Образование наледей может быть вызвано и особенностями режима водоемов. Тогда такие наледи называют речными или озерными. Они отличаются крупными размерами по сравнению с грунтовыми.

Морозобойные трещины возникают из-за неравномерного охлаждения грунтов в связи с развитием в них растягивающих напряжений, превышающих предел прочности мерзлого грунта на разрыв. Глубина растрескивания ограничивается обычно зоной сжатия грунтов и практически не превышает 10 м.

Термокарстом называют провальные формы рельефа, образованные из-за оттаивания льдистых вечномерзлых грунтов и поверхностного льда вследствие изменения температурного и гидрогеологического режима. Провалы наполняет вода, образуя озера глубиной 1,5…3,0 м. Для термокарста характерно прогрессирующее интенсивное увеличение провалов, сопровождающееся оползанием грунта у берегов.

Солифлюкцией называют медленное вязкое течение переувлажненного и оттаявшего грунта по склону под влиянием силы тяжести. Это явление значительно усиливает действие выпадающих атмосферных осадков. Тогда деятельная зона сплывает интенсивней, а растительный слой смещается по отношению к нему, двигаясь быстрее. В ряде случаев солифлюкационные явления могут переходить в оползневые с катастрофическими последствиями.

Процесс оврагообразования на вечномерзлых грунтах вызывает разрыв проточными водами льдистых грунтов. В таких условиях процесс развивается очень интенсивно, так как лед, цементирующий грунтовые частицы, тает и легко уносится водой.