Особенности строения и механики мерзлых грунтов.

Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются

морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»). Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами. Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере

грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает. При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств льда.

Характер изменения механических свойств грунтов различного состава зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.

Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей: твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда (лёд-цемент и лёд прослойков); воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.

Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.

Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.

Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме - может достигать огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2/г.

Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2Co3, хлористый магний MgCl2. Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния.

Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе (лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.

28 Сезонная мерзлота- промерзание почвогрунтов за холодный сезон года, в том числе с образованием ледяных включений, которые оттаивают за лето. В России находятся все зоны распространения многолетнемерзлых грунтов. Длительность и мощность Сезонной мерзлоты постепенно уменьшаются в южном из-за нарастания солнечной радиации и западном направлениях благодаря адвекции теплых и влажных атлантических воздушных масс.

Примерно 47% территории России имеют вечномерзлые грунты, поэтому строительство сооружений в подобных условиях является актуальной проблемой.

Термин вечная мерзлота следует представлять во временном периоде порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии со временем существования мерзлоты, следует рассматривать следующие структуры:

1. Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет.
2. Многолетнемёрзлые (м.м.), существование годы , десятки лет.
3. Сезонная мерзлота, существование часы, сутки.

Существует несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной геологии известны следующие виды: сплошная мерзлота, слоистая мерзлота, островная мерзлота и линзовая мерзлота.

Сплошная мерзлота. Данный вид мерзлоты встречается на крайнем севере России. Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями, представлена ниже.

Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты). Данный вид мерзлоты встречается в отдельных местах и не имеет чёткой теории происхождения. Одной из теорий предполагается, что этот вид мерзлоты (см. схему) произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

Островная мерзлота. Такой вид мерзлоты с размерами в плане от десятков до нескольких сотен метров и глубиной до 10 и более метров, встречается в районе Сибири (северная часть Красноярского края, Иркутской, Читинской областей) (см. схему).

Линзовая мерзлота. Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме. Размеры такой мерзлоты в плане могут составлять десятки метров, а мощность не превышать нескольких метров. Такие линзы на фоне талого грунта опасны тем, что их очень сложно определить. Если при постройке здания линза не была определена, и здание хотя бы частично будет накрывать линзу, то в процессе эксплуатации тепловые потоки от здания вызовут деградацию (оттаивание) линзы, что спровоцирует непрогнозируемые неравномерные осадки.

Промерзание деятельного слоя в зимний период может происходить не на всю глубину, в этом случае говорят о несливающейся мерзлоте, так как между деятельным слоем и многолетней мерзлотой будет находиться прослоек талого грунта В процессе промерзания и оттаивания могут происходить деформации грунта, которые достигают 20…30% и более. От чего это происходит? Из курса физики известно, что вода при замерзании увеличивается всего на ≈ 9%, однако в природных условиях данное явление объясняется миграцией влаги (перемещение грунтовой воды из нижележащих талых слоёв к фронту промерзания), которая в большой степени проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к морозному пучению грунтов

Пучение грунтов при промерзании очень важная проблема, с разрешением которой строители очень часто встречаются не только в районах многолетнемёрзлого грунта, но и в районах глубокого сезонного промерзания. Просадка при оттаивании слоя вечномёрзлого грунта -это явление у строителей является своего рода бичом. При оттаивании многолетнемерзлого грунта прочностные характеристики грунта резко падают, это явление необходимо учитывать при строительстве зданий в подобных местах.

29. Существуют два принципа проектирования сооружений на вечномёрзлых грунтах. Первый принцип заключается в сохранении вечномёрзлого состояния грунтов.

Данный принцип или метод целесообразно применять в тех районах, где:

· Многолетнемёрзлый грунт имеет значительную мощность;

· сооружения выделяют значительные количества тепла и не занимают больших площадей в плане.

Расчётно-теоретическое и конструктивное обоснование этого принципа было произведено в конце 20-х годов прошлого века. Однако по такому методу строили здания ещё раньше (Чита, Иркутск, Хабаровск). В настоящее же время этот метод является общепризнанным и универсальным, поскольку позволяет наилучшим образом использовать высокие строительные качества любых мёрзлых грунтов. По этому методу построено много промышленных сооружений и целые города (Норильск).

Сущность данного принципа заключается в том, что фундаменты здания прорезают деятельный слой и не менее метра заглубляются в слой многолетнемёрзлого грунта. С боковой поверхности (обратная засыпка) фундаменты засыпаются непучинистым грунтом, а между приподнятым над поверхностью грунта полом первого этажа (примерно на 1 м) и грунтом, в конструкции фундамента, устраиваются продухи

Стремясь как можно больше снизить влияния теплового выделения здания на мёрзлые грунты, прибегают к проектированию зданий на столбчатых и свайных фундаментах.

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах заключается в допущении протаивания грунта под зданиям. Данный принцип осуществляется двумя методами: конструктивным и методом предпостроечного оттаивания. Рассмотрим эти методы подробнее.

Конструктивный метод заключается в приспособлении конструкций фундаментов и самих строений к неравномерной осадке оттаивающих грунтовых оснований.

Данный метод применяется в следующих случаях:

• температура вечномерзлой толщи грунтов близка к «0°C»;
• мёрзлый грунт при оттаивании становится относительно малопросадочным основанием S ≤ Su (гравелистые, щебёночные или песчаные грунты).

Следует подчеркнуть, что в этом случае под зданием с течением времени эксплуатации в результате действия тепловых потоков здания, образуется чаша оттаивания в многолетней мерзлоте (см. схему). Формирование чаши оттаивания может продолжаться десятки лет, что подтверждается теплотехническими расчётами.

В результате построенное здание будет находиться в условиях неравномерной осадки, возникает высокая вероятность развитие деформаций с образованием трещин в надземных конструкциях.

Для того чтобы здание могло удовлетворительно эксплуатироваться в подобных условиях должны быть выполнены условия по приспособлению его к неравномерным деформациям (повышение жёсткости здания). В данном случае уменьшение осадки оттаявших грунтов осуществляется путём предварительного уплотнения под действием собственного веса (см. метод электроосмоса в механике грунтов). Метод предпостроечного оттаивания применяется в следующих случаях:

· осн-ние сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом состоянии грунты;

· проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла (неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства зависит:

· от особенностей возводимых сооружений;

· геокриологических условий места постройки.

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

Нельзя сочетать эти принципы, как для соседних зданий и сооружений, так и для сооружений, расположенных в одном и том же районе. И особенно это относится для отдельного сооружения. Не учет наличия вечномерзлых грунтов, часто приводит к возникновению и развитию значительных (недопустимых) осадок сооружений и появлению трещин в надземных конструкциях. Воспринять неравномерные осадки оттаивающих оснований можно повышенной жесткостью надземных конструкций. В этом случае, по периметру здания в уровне перекрытий устраивают металлические пояса жесткости, воспринимающие неравномерные деформации конструкций стен.

30, 31. В инженерной геодинамике изучаются все современные геологиче­ские процессы, имеющие значение при оценке отдельных регионов в целях их народнохозяйственного освоения при строительстве инже­нерных сооружений (гидротехнических и мелиоративных, дорог и тру­бопроводов, промышленных объектов и населенных пунктов, шахт и глубоких карьеров, подземных нефте-, газо- и водохранилищ и др.), а также древние геологические процессы, оказавшие определенное влияние на геологическое строение территории. Сведения о геологических про­цессах необходимы для того, чтобы заранее предвидеть возможность их появления в результате изменений, происходящих в природе под влиянием естественных причин и многообразной деятельности челове­ка, а также для того, чтобы оценить возможное их воздействие па ок­ружающую среду.

При оценке какого-либо региона в связи с его народнохозяйствен­ным освоением геолог, работающий (в области инженерной геологии, должен заранее с какими геологическими процессами столкнутся на его территории строители и другие специалисты и какие изменения в характере геологических процессов будут происходить при освоении данного региона в намеченном направлении. При разработке проектов отдельных, как правило, крупных инже­нерных сооружении возникают более конкретные задачи, которые па своей сложности не уступают первой: надо дать прогноз неблагоприят­ного воздействия на проектируемый объект геологических процессов, развитых в районе. При этом прогноз должен даваться во времени и в пространстве и предусматривать возможную интенсивность сущест­вующих и вновь возникших геологических процессов. Лишь при наличии такого прогноза и уче­та инженерно-геологических особенностей грунтов возможны правиль­ное рациональное проектирование сооружений, их сохранность и нор­мальная эксплуатация, безопасность людей. Далеко не всегда при решении вопроса о возможности строитель­ства или освоения месторождения полезных ископаемых руководству­ются инженерно-геологической обстановкой. Часто превалируют эко­номические и другие соображения, и в этих случаях приходится особен­но тщательно приспосабливать сооружение к природным условиям и заранее разрабатывать мероприятия, ограждающие его от вредного воздействия геологических процессов. При этом особого внимания за­служивают геологические процессы катастрофического характера, воз­никающие неожиданно, быстро развивающиеся и вызывающие значи­тельные разрушения. В качестве примера таких геологических процес­сов можно назвать землетрясения, оползни и обвалы, сели и др. Однако было бы ошибкой считать, что геологические процессы мед­ленно развивающиеся во времени, не имеют практического значения что ими можно пренебречь. Например, современные тектонические дви­жения земной коры при разной их интенсивности по поперечному про­филю долины реки могут явиться труднопреодолимым препятствием при строительстве арочных плотин. Идеальным является случай, когда возводимое инженерное сооружение так вписывается в природную обстановку, что не нарушает сложившееся в ней равновесие. Такие случаи бывают сравнительно редко. Чаще строительство здания, канала, карьера, тоннеля и других сооружений или хозяйственное освоение территории (вырубка лесов, распахивание целинных земель, орошение в аридных областях и т.п.) порождает возникновение геологических процессов, которые раньше отсутствовали на данном участке.

Процессы, возникшие в результате деятельности человека, получили название инженерно-геологических (антропогенных) процессов- процессы и явления понимаются процессы и явления, возникшие в результате взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой.Совокупность геологических и инженерно-геологических процессов и порождаемых ими явлений характеризует геодинамическую обстановку. Этот термин может быть применен в любой территории независимо от се размеров: к целому региону, имеющему народнохозяйственное значение, к району строительства крупного сооружения или непосредственно к самой строительной площадке. Инженерно-геологические процессы, так же как и геологические процессы, могут стать опасными и угрожать сохранности сооружений, если они не были своевременно учтены или если их прогноз выл дан неправильно.

32. Известно, что все геологические процессы изучаются одним из разделов геологической науки — динамической геологией. Геологической процессов изучаются инженерной геологией, точнее, одним из ее разделов – инженерной геодинамикой. Это ни в какой мере не противопоставляет инженерную геодинамику динамической геологии. Каждая из этих дисциплин изучает геологические процессы в своем аспекте. Динамическая геология изучает геологические процессы, протекающие в природе независи­мо от человека, и делает это для решения главным образом проблем общегеологического характера. Инженерная геология изучает геологические процессы в связи с деятельностью человека, в связи с изменением природных условий под влиянием этой деятельности с тем, чтобы не допустить возникновение нежелательных для человека геологических процессов, изменить ход существующих геологических процессов в необходимом направлении, получить дан­ные, нужные для проектирования различных инженерных мероприя­тий. Так как изучение геологических процессов проводится в инженер­ной геологии в связи с деятельностью человека, то само понятие «геодинамическая обстановка» в инженерной геологии приобретает несколь­ко иной смысл, чем в динамической геологии. Аспекты изучения геологических процессов в динами­ческой геологии и в инженерной геодинамике различны, но их объеди­няет общий объект изучения — геологические процессы. Поэтому меж­ду этими двумя разделами геологической науки нет и не должно быть противоречий. Динамическая геология обогащает своими исследовани­ями инженерную геодинамику и, наоборот, заимствует от нее новые ин­тересные для себя данные и установленные инженерной геодинамикой закономерности. Инженерной геологией изучаются как эндогенные, так и экзо­генные процессы. На начальном этапе развития инженерной геология больше внимания уделялось экзогенным процессам и значительно меньше — эндогенным. Эндогенные процессы привлекают к се­бе все большее внимание, так как стали ясны три обстоятельства. Во-первых, эндогенные процессы в значительной степени могут обусловливать инженерно-геологические условия. О масштабах и интенсивно­сти, например, современных эпейрогенических движений можно судить по многим районам мира. В стадии опускания находятся территория Голландии; на протяжении нескольких веков борется голландский на­род с наступающим морем. Опускание суши в районе Севастополя привело к затоплению древнегреческого города Херсонеса и к образо­ванию Севастопольской бухты. Наоборот, подъем суши в районе Баку составил за последние столетия 16 м. В сейсмически активных областях оценка сейсмичности территории является важнейшей задачей при определении их инженерно-геологических условий. То же можно сказать и в отношении вулканической деятельности применимо к районам действующих вулканов. Во-вторых, эндогенные процессы могут способствовать развитию экзогенных процессов. Например, землетрясения в горных областях часто вызывают обвалы, а эпейрогенические движения, приводящие к поднятию отдельных областей платформ, способствует интенсивному развитию процессов эрозии, образованию оползней, переуглублению речных долин. Именно этим можно объяснить развитие оползней в до­лине Волги от Ульяновска до Волгограда. Указанная территория испы­тывала преимущественное поднятие на протяжении всего четвертично­го периода. Это обстоятельство усугублялось еще там, что правый бе­рег Волги, сложенный мощными толщами глин со слабоводоносными горизонтами, постоянно испытывал боковую эрозию, что привело к развитию здесь крупных оползней. В-третьих, эндогенные процессы могут быть вызваны деятельностью человека, т. е. среди инженерно-геологических процессов (могут быть процессы не только экзогенного характера {хотя они и преобладают), но и процессы эндогенные. В качестве примера инженерно-геологиче­ских процессов эндогенного характера можно указать на землетрясения, вызванные созданием искусственных водохранилищ в сейсмоактивных областях, на смещение массивов горных пород при больших взрывах и т.п. При оценке геодинамической обстановки отдельных регионов необ­ходимо учитывать климатические условия, широтную и высотную зональность района, где протекают геологические процессы. Для оценки инженерно-геологических условий большое значение имеет изучение не только современных геологических процессов, но и древних геологических процессов, создававших палеогеодинамическую обстановку, основные черты которой воплощены в гео­логическом строении и рельефе той или иной территории.