Закономерности распространения вечномерзлых грунтов. Типы вечномерзлых грунтов.

В целом распространение мерзлых толщ подчиняется широтной и высотной зональности: их количество возрастает и температура понижается с юга на север и снизу вверх. Начиная с первых появлений мерзлых грунтов, при движении с юга на север или с подъемом в гору области расположены в следующем порядке: островного и редкоостровного распространения - массивно- островного распространения - прерывистого распространения - преимущественно сплошного распространения - сплошного распространения. При этой общей закономерности возможны зональные отличия, обусловленные местными условиями теплообмена в системе литосфера – атмосфера. Наибольшей пестротой характеризуется территория, прилегающая к южной границе многолетнемерзлых грунтов. Первые признаки вечномерзлых грунтов обнаруживаются только в пределах участков верховых болот, сложенных оторфованными суглинками и супесями, а также на торфяных буграх пучения.

Затем они появляются на участках густых темнохвойных лесов, затеняющих почву летом и задерживающих снег на кронах зимой, уменьшая его количество на дневной поверхности. В предгорьях мерзлые грунты впервые обнаруживаются на затененных склонах с чехлом суглинисто-щебенистых образований, затем на крутых затененных склонах, лишенных снега. Далее они встречаются повсеместно, хотя даже в самых суровых климатических условиях многолетнемерзлые грунты могут отсутствовать. Это относится к участкам речных долин, горным склонам наиболее прогреваемым солнцем, местам концентрированной разгрузки подземных вод, под частью современных ледников, над внутриземными аномалиями, связанными с окислительными процессами и др.

По строению мерзлых толщ по вертикали выделяют три возможных типа:

1. вечномерзлые толщи сливающегося типа (кровля вечномерзлых грунтов совпадает с подошвой слоя сезонного оттаивания);

2. вечномерзлые толщи несливающегося типа (кровля вечномерзлых грунтов не совпадает с подошвой слоя сезонного промерзания, между ними находится талый слой);

3. вечномерзлые толщи слоистого типа (два слоя вечномерзлых грунтов находятся друг над другом и разделены талым прослойком, нижний слой является реликтовым, он образовался в результате древнего промерзания грунта, а верхний - современного).

Формы залегания льда

Могут быть разнообразными:

· пластовая – лед залегает слоем сравнительно одинаковой мощности (от нескольких сантиметров до десятков метров);

· линзовидная – лед имеет увеличенную в средней части площадь (до нескольких десятков квадратных метров);

· жильная – лед заполняет трещины скальных и полускальных пород;

· клиновидная – лед заполняет морозобойные трещины на глубину до 20 метров;

· гнездовидная – лед заполняет отдельные полости в виде небольших включений;

· натечная – лед находится в виде отдельных глыб наземного происхождения.

Наличие в составе вечномерзлых грунтов таликов делает многолетнемерзлые грунты проницаемыми для подземных вод.

Талики. Типы таликов.

Талики – талые грунты, находящиеся в пределах массива мерзлых грунтов. Отличают сквозные и несквозные (ложные) талики. Сквозные талики, как правило образуются под крупными реками и озерами. Несквозные талики под отрицательными формами рельефа. Число таликов с севера на юг увеличивается, возрастает их суммарная площадь и многолетнемерзлые грунты исчезают совсем.

Способы оттаивания грунтов.

1 способ – «Сверху вниз»: этот способ — наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем часто применяется на практике.

Горизонтальными ТЭНами: Оттаивание мерзлых грунтов методом радиального и глубинного прогрева ведут с помощью электрических игл различных конструкций и трубчатых электронагревателей (ТЭНов). Иглы изготовляют из стальных труб диаметром 42-60 мм длиной 1,2-1,5 м, а ТЭНы из труб диаметром 12 мм и длиной 1,35 м. Внутри них устанавливаются электроспирали. Иглы и ТЭНы забивают в грунт и по ним пропускают электрический ток.

Химический способ:Сущность его заключается в том, что сначала на поверхности оттаиваемого грунта нарезаются неглубокие борозды во взаимно перпендикулярных направлениях. В местах пересечения борозд в грунт погружают стальные электроды, а сами борозды заполняют раствором соли. В результате таких мероприятий происходит разогрев грунта двумя встречными потоками: снизу вверх за счет разогрева талого грунта и сверху вниз за счет выделении тепла при прохождении электрическим током слоя раствора соли. Основной недостаток разогрева мерзлого грунта вертикальными электродами – трудоемкость операции по бурению скважин.

Способ электроразогреваоснован на оттаивании грунта электродами и нагревателями.При применении электродов электрический ток пропускают через разогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонтальные или вертикальные электроды.

2 способ – Радиальный: Тепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт.

Трубчатые электронагреватели представляют собой стальные бесшовные трубы диаметром 13-25 мм, внутри которых на изоляторах помещают нихромовые спирали. Пространство между стенками трубки и спиралью заполняют прессованным порошком плавленой окиси магния. Последний хорошо проводит тепло, обладает жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением.

Коаксиальные нагреватели: представляющие собой две трубы разного диаметра. Пространство между трубами заполняют кварцевым песком (Si0₂). С одного конца трубы заварены, а с другого имеют контактные пластины, необходимые для подачи напряжения. Коаксильная конструкция нагревателей обеспечивает безопасность эксплуатации и позволяет устанавливать их в контакте с грунтом любой влажности. В качестве источников питания используют силовые трансформаторы или передвижные электростанции.

Паропрогрев:Паровые иглы, представляют собой металлические трубы длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм (рис. 6), на нижнюю часть которых насажены конусные перфорированные наконечники с нижним отверстием для выхода пара. Иглы устанавливают в пробуренные скважины на площади будущего котлована, в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 1-1,5 м на глубину равную 0,8 глубины промерзания. Скважины закрывают защитными теплоизолирующими колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы.

Водяными циркуляционными иглами: Водяные иглы размещают по площади будущего котлована аналогично паровым на расстоянии друг от друга 0,75-1,5 м, что зависит от вида грунта и требуемой скорости его оттаивания. Водяная циркуляционная игла состоит из двух труб: наружной с заостренным наконечником и внутренней. По наружной трубе подается вода с температурой 70 °С а по внутренней отводится охлажденная вода к передвижной котельной установке. Горячая вода, циркулируя между стенками наружной и внутренней трубы, отдает теплоту промерзшему грунту. Для уменьшения тепловых потерь в атмосферу поверхность оттаиваемого грунта покрывают слоем опилок. Достоинства способа: грунт не увлажняется как при оттаивании с помощью паровых игл; КПД несколько выше по сравнению с предыдущим способом, поскольку вода, пройдя циркуляционные иглы, возвращается в котел с положительной температурой. Недостатки те же, что и при использовании паровых игл.

3 способ – «Снизу вверх»: Требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа в необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.

Вертикальные глубинные электроды: При глубинном оттаивании мерзлого грунта используются глубинные электроды, которые готовят из стальной арматуры диаметром 19-20 мм или труб диаметром 25-50 мм и длиной 1,3-1,8 м. С помощью электроотбойных молотков или отбойных пневматических молотков или просто кувалдой электроды в шахматном порядке забивают на 5-10 см ниже границы мерзлых грунтов. Электроды забивают на расстоянии 0,5-0,7 м друг от друга. Сеть электродов подключают к трансформатору через распределительный щит.

Электропрогрев: электрический подогрев, осуществляют электрическими иглами различных конструкций Комплект игл (40 ... 50 шт.) устанавливают на расстоянии 0,5 ... 1,3 м одна от другой. Простота изготовления таких игл делает их удобными для применения. Электрический подогрев грунта можно осуществлять металлическими электродами, расположенными горизонтально в слое опилок, смоченных в электролите (раствором хлористого кальция или хлористого натрия). Применение горизонтальных электродов целесообразно при отогревании промерзшего грунта на глубину 0,4 ... 0,8 м. При прогреве грунта. используют металлические вертикальные электроды.