Инженерно-геологические процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов
Около 40% территории нашей страны расположено в зоне сезонного промерзания грунтов, где среднегодовая температура грунтов является положительной, а еще около 60% - в зоне многолетней (вечной) мерзлоты, где среднегодовая температура отрицательная. Областью островной мерзлоты называют полосу по южной границе зоны вечной мерзлоты, в которой одновременно присутствуют и многолетнемерзлые и не мерзлые участки. Температура грунтов испытывает суточные и сезонные колебания, которые быстро затухают с глубиной.
Принято считать, что начиная с глубин в 2…3 метра, колебания температур незначительны, и располагающуюся ниже область геологической среды называют зоной постоянных температур. Температура грунтов всецело зависит от современного климата и в зоне постоянных температур равна среднегодовой температуре воздуха для данной точки. Деятельным слоем называют участки промерзания и оттаивания грунтов. Например, для Московского региона глубина сезонного промерзания принимается равной 1,2 метра.
При строительстве в большинстве случаев желательным является сохранение грунтов в том состоянии, в котором они изначально находятся – в многолетнемерзлом или в обычном состоянии при положительной температуре.
Изменение свойств грунтов деятельного слоя. В результате процесса промерзания и оттаивания, происходящего в течение многих лет, грунты деятельного слоя отличаются от нижележащих грунтов большей влажностью, сжимаемостью и меньшими прочностными характеристиками. Кроме того, они непосредственно участвуют в процессе почвообразования и благодаря этому являются важным компонентом окружающей среды. В случае капитального строительства грунты деятельного слоя удаляются, и основание сооружения закладывается на грунты, располагающиеся ниже.
Пучение происходит при промерзании за счет увеличения в объеме воды, имеющейся в составе грунта. Наиболее сильно пучение проявляется в насыщенных водой пылеватых грунтах – тонких песках и супесях, реже в пылеватых суглинках и глинах. На поверхности земли пучение проявляется в виде образования небольших бугров и выпучиваний высотой обычно в несколько сантиметров, изредка до нескольких десятков сантиметров и протяженностью до нескольких метров. Такие бугры легко ломают неправильно уложенное бетонное или асфальтовое покрытие (рис. 2.34).
Рис. 2.34. Подъем поверхности грунта при промерзании, подъем и разрыв фундамента при этом
Пучение способно приподнимать («выдергивать») столбчатые и разрывать ленточные фундаменты, построенные с нарушением технологии. Происходит это следующим образом. В начале зимы грунт смерзается с верхней частью фундамента, далее за счет пучения поверхность грунта приподнимается и с огромной силой тянет фундамент вверх, приподнимая его (рис. 2.35).
Рис. 2.35. Схема образования пучения в мерзлых грунтах
Более прочные столбы при этом как бы выдергиваются, а у ленточных - может произойти отрыв верхней части или произойти разрыв вертикальной трещиной. Весной фундамент оседает обратно, но на свое место возвращается лишь частично, так как происходит защемление частиц грунта.
Результаты процесса пучения можно многократно наблюдать в небольших населенных пунктах Подмосковья и дачных поселках на сооружениях, построенных без должных изысканий и проектирования руками жильцов – не следует только путать их с результатами низкокачественного строительства.
В большинстве случаев на практике развитие процесса пучения удается успешно предотвратить за счет соблюдения ряда несложных мер. Основные из них следующие – упорядочение поверхностного стока, закладка фундамента на глубину ниже уровня сезонного промерзания и отсыпка песчаного или щебнистого материала в пазухи при установке фундамента.
Наледи – процесс образования крупных масс поверхностного льда в местах выхода на поверхность подземных вод (рис. 2.36).
Рис. 2.36. Схема образования наледей в мерзлых грунтах
В отдельных случаях создаются условия, при которых подземные воды способны быстро замерзать вблизи места разгрузки. Новые порции воды при этом поступают на поверхность льда и тоже быстро замерзают – так происходит рост наледи.
Наледи довольно редкое явление в Средней полосе России и более частое – в зоне вечной мерзлоты, где встречаются даже неуспевающие растаять за лето наледи. Размеры наледей – от первых метров до многих десятков метров. Растущие наледи способны перекрывать канавы и дорожное полотно и оказывать боковое толкающее воздействие на сооружения.
Известны случаи, когда причиной возникновения и роста наледей становились строительные работы, нарушившие природные гидрогеологические условия. Для противодействия росту наледей обычно проводится отвод поверхностного и подземного стока, а в случае необходимости выполняется скол льда.