книги из ГПНТБ / Левкович А.И. Инженерно-геологические изыскания для строительства на вечномерзлых грунтах

А. И. Левкович

Инженерно­ геологические изыскания для строительства на вечномерзлых грунтах

ЛЕНИНГРАД

СТРОЙИЗДАТ. ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ГЛАВА I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНО­ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

§ 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Мерзлые грунты отличаются от талых повышенной проч­ ностью, которая обусловлена цементирующими свойствами на­ ходящегося в них льда. Поэтому наиболее существенным при­ знаком мерзлого состояния грунтов является присутствие льда. Замерзание воды, как известно, начинается при нулевой темпе­ ратуре. Однако это положение справедливо, строго говоря, лишь для дистиллированной воды. Влага, содержащаяся в грун­ тах, часто в той или иной степени минерализована, в связи с чем температура ее замерзания в этих случаях несколько ни­ же 0°С. Кроме того, некоторая часть влаги в грунтах обычно находится в связанном состоянии и температура замерзания та­ кой влаги также ниже 0° С. В связи с указанными обстоятель­ ствами существует понятие температуры замерзания грунта, ко­ торая в зависимости от состава и влажности грунта может быть нулевой или отрицательной. * Поэтому мерзлыми в общем случае принято считать грунты, находящиеся при нулевой или отрицательной температуре и содержащие лед.

В состав мерзлых грунтов входят разновидности льда, отли­ чающиеся друг от друга по своему генезису, а также по влия­ нию на прочностные и деформационные свойства грунтов. Це­ лесообразная генетическая классификация подземных льдов была предложена П. А. Шумским [43]. Он выделил к о н с т и т у ­

цемент образуется при замерзании главным образом связанной влаги в порах грунта между его частицами или агрегатами ча­ стиц и цементирует их. Сегрегационный лед образуется по преи­ муществу в виде разнообразных обособленных ледяных тел (скоплений кристаллов, гнезд, шлиров, прослоек, линз и т. п.)

сегрегационного льда связано в основном с перераспределением влаги в промерзающих грунтах без сколько-нибудь существен­ ного подтока ее извне, чем объясняются в целом небольшие мощность или толщина этих ледяных отдельностей, непревы­ шающие обычно нескольких сантиметров. В направлении, па­ раллельном фронту промерзания, размеры указанных отдельно­ стей могут быть достаточно велики.

При внедрении воды в мерзлые или промерзающие грунты формируются инъекционные льды. В условиях свободного под­ тока влаги к фронту промерзания, например за счет грунтовых вод, инъекционные образования льда могут достигать значи­ тельных размеров.-

К макроформам подземных льдов относятся также пещерно­ жильные и погребенные льды. Образование пещерно-жильных льдов связано с заполнением льдом трещин и других полостей в вечномерзлых грунтах, а погребенных льдов — с перекрытием осадками снежников, наледей и других наземных льдов.

В природе достаточно часто встречаются грунты, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие льда, например

П-Б.6—66 выделяется одна разновидность морозных грунтов — сыпучемерзлые грунты, между частицами которых отсутствуют

льда приобретут специфические прочностные и деформацион­ ные свойства мерзлых грунтов. Аналогичные изменения могут претерпевать грунты осадочного происхождения с малопроч­ ными цементационными связями между частицами, а также грунты разрушенной коры выветривания. В отдельных случаях при увлажнении морозных грунтов и образовании в них льда могут изменяться прочностные и деформационные свойства грунтов, обладающих весьма жесткими связями, т. е. грунтов магматического, метаморфического и отчасти осадочного про­ исхождения. В этих случаях изменения обусловлены в основ­ ном образованием трещин, которые затем заполняются льдом. По этим причинам разделение грунтов на мерзлые и морозные является достаточно условным, и при инженерно-геологических изысканиях участки, занятые морозными грунтами, ввиду воз­ можного неблагоприятного изменения свойств последних при строительстве, следует рассматривать как участки, сложенные мерзлыми грунтами.

В мерзлом состоянии грунты могут находиться от несколь­ ких часов до многих сотен.и тысяч лет. В зависимости от этого выделяются с е з о н н о м е р з л ы е грунты, п е р е л е т к и и в е ч ­ н о м е р з л ы е грунты.

Сезоиномерзлые грунты образуются при зимнем промерза­ нии и полностью оттаивают летом. В некоторых случаях, когда

4

грунтов может совпасть с положением южной геофизической границы лишь в частных случаях. В горных областях фикси­ руется высотная граница распространения вечномерзлых грун­ тов, равнозначная широтной географической границе.

Верхний горизонт вечномерзлой толщи летом оттаивает, а зимой замерзает. В тех случаях, когда оттаявший слой зимой промерзает целиком, его называют слоем сезонного оттаивания. Подошва слоя сезонного оттаивания в этом случае сливается с поверхностью вечномерзлых грунтов' (сливающаяся мералота) .

В случае глубокого залегания вечномерзлой толщи грунт ча­ сто не промерзает до ее поверхности из-за отепляющего воздей­ ствия циркуляции грунтовых вод, для которых вечномерзлые: грунты являются водоупором, или мощного снежного покрова.. Такой промерзающий слой называется слоем сезонного промер­ зания, а мерзлота в данном случае — несливающейся, или раз­ общенной. Между подошвой слоя сезонного промерзания ю кровлей вечномерзлых грунтов в этом случае существует талик.* Возникновение упоминавшихся выше перелетков возможно^ лишь в пределах слоя сезонного промерзания и этого талика.

Вечномерзлые грунты могут иметь мощность от нескольких: до десятков, сотен и тысяч метров. Талики, прерывающие сплошность вечномерзлых грунтов на всю их мощность, свя­ заны в основном с деятельностью подземных вод. Такие талики могут быть также приурочены к зонам тектонических нару­ шений.

Вообще же перерывы по вертикали для мощных толщ вечно­ мерзлых грунтов малохарактерны. Это объясняется тем, что периоды интенсивного промерзания грунтов связаны с глобаль­ нокосмическими причинами и поэтому весьма длительны. До­ статочно длительны также и перерывы между циклами интен­ сивного промерзания. Зато в плане отмечается значительная пестрота в чередовании вечномерзлых и талых грунтов, что связано, как это уже отмечалось, с локальными (в основном) отепляющими воздействиями.

Талики, развитые с поверхности, подразделяются на сквозные и несквозные (или псевдоталики). Сквозные талики прорезают всю толщу вечномерзлых грунтов, в отличие от несквозных. Отепляющее воздействие различных поверхностных водото­ ков и грунтовых вод может быть очень значительным. Движу­ щаяся вода даже при близкой к 0°С собственной температуре интенсивно отепляет мерзлые грунты. Если при этом поток во­ ды имеет постоянный расход, .то образование таликов практи­ чески неизбежно.

* Вообще таликом называют любой участок, слой, линзу и другие формы залегания талых грунтов среди мерзлых.

Сквозные талики образуются в результате длительного воз­ действия больших рек. Псевдоталики развиты под руслами не­

Грунтовые воды, развитые в районах распространения веч­ номерзлых грунтов, в зависимости от их положения в разрезе относительно вечномерзлых грунтов подразделяются на н ад- м е р з л о т мы е, ме ж м е р з л о т н ы е и п о д м е р з л о т н ы е . Надмерзлотные воды циркулируют над кровлей вечномерзлых грунтов. В зависимости от водообильности этого горизонта и условий промерзания грунта надмерзлотные воды могут суще­ ствовать сезонно (сливающаяся мерзлота) или круглый год (несливающаяся мерзлота). Поздней осенью и в первой половине зимы, когда промерзание грунтов происходит особенно интен­ сивно, надмерзлотные воды в зоне промерзания становятся на­ порными вследствие уменьшения объема водоносного слоя (та­ лика). Межмерзлотные воды связаны с таликами, образован­ ными ими в толще вечномерзлых грунтов. Водообильность этих водоносных горизонтов, как правило, невелика. Это связано с тем, что талики, по которым циркулируют межмерзлотные воды, обычно не являются сквозными. Подмерзлотные воды раз-

•виты под подошвой вечномёрзлых грунтов и могут иметь самый разный режим.

_ Важнейшей характеристикой вечномерзлых грунтов яв­ ляется их температурный режим, который удобно определить, используя понятие температурного поля. Под температурным полем некоторого грунтового массива в какой-то момент времени понимается совокупность значений температур во всех точках этого массива в тот же момент времени. Температурное поле на­ зывают иногда распределением температур. Если взять после­ довательную совокупность температурных полей в какой-либо грунтовой области за некоторый промежуток' времени, то она будет характеризовать температурный режим этой области за тот же промежуток времени. Обычно температурный режим грунтов (какого-то массива или области исследований) за год характеризуют совокупностью температурных полей, взятых на конец каждой декады или каждого месяца. Температурный ре­ жим грунтов изменчив, так как изменчивы внешние и внутренние источники энергии, за счет которых он формируется.

Основным источником внешней энергии служит Солнце, ин­ тенсивность лучистой энергии которого в 106—108 раз превышает интенсивность прочих внешних источников. Внутренними источ­ никами энергии являются ядерные реакции, изменение скорости вращения Земли, гравитационные процессы и экзотермические реакции. В совокупности энергия этих источников в 104 раз меньше лучистой энергии Солнца. Энергия внутренних источни­ ков во времени и в региональном плане в целом отличается

7

Стабильностью, и поэтому можно счйтать, что изменения темпе­ ратурного режима грунтов происходят в результате изменений интенсивности солнечной энергии.

Интенсивность лучистой энергии Солнца, поступающей на различные участки земной поверхности, изменяется в результате суточного вращения Земли, ее годового движения по орбите, а также циклических изменений солнечной активности. Кроме того, сами участки в силу разных свойств собственной поверх­ ности воспринимают различные количества этой энергии. Соот­ ветственно различаются суточные колебания температуры грун­ тов, распространяющиеся до глубины в несколько десятков сан­ тиметров, годовые колебания температуры, глубина которых в среднем составляет 10—15 м, п многолетние (вековые) колеба­ ния, которые в зависимости от величины периода и амплитуды могут изменять температуру грунтов до глубины в несколько десятков метров и более.

Наиболее наглядными и наиболее существенными для строи­ тельства являются годовые колебания температуры грунтов, с которыми связано их сезонное промерзание и оттаивание, а также ощутимое изменение температуры вечномерзлых грун­ тов ниже этого уровня.

Глубина, на которой годовые колебания затухают и темпе­ ратура грунтов в течение года не меняется, носит название глу­ бины годовых нулевых амплитуд, а толща грунтов от поверхно­ сти до этой глубины называется слоем годовых колебаний тем­ пературы. Неизменная в течение года температура на подошве Этого слоя — одна из важных характеристик температурного ре­ жима грунтов в естественных условиях.

Л пределах слоя годовых колебаний температуры на каждом уровне существует среднегодовая температура. Она меняет свое значение при движении снизу вверх от температуры на глубине годовых нулевых амплитуд до среднегодовой температуры по­ верхности грунта. Очень часто это изменение невелико, и можно считать, что среднегодовая температура грунта (£с.год) в преде­ лах слоя годовых колебаний температуры постоянна по глубине и численно равна температуре на глубине годовых нулевых ам­ плитуд. Поэтому эту последнюю температуру часто называют также' среднегодовой температурой грунта. В дальнейшем изло­ жении для обозначения описываемого понятия будет употреб­ ляться именно это название.

Среднегодовая температура грунта является показателем его энергетического состояния, что дает возможность использовать эту характеристику температурного режима для типизации ин­ женерно-геологических мерзлотных условий. Она отличается до­ статочным постоянством в пределах однородных литолого-гене- тических комплексов грунтов. Температурный режим грунтов в целом зависит от их состава и свойств и определяется количе­ ством тепла, поступающего в грунты. В свою очередь, теплооб­

8

мен через поверхность зависит от количества приходящей к по­ верхности энергии и определяется условиями теплообмена на ней. В среднегодовой температуре грунта отражается влияние всех этих факторов.

Количество приходящей к поверхности грунта энергии выра­ жается радиационным балансом поверхности Re, а условия теп­ лообмена на ней — ее тепловым балансом Qв. При прочих рав-

•ных условиях именно эти величины определяют температурный режим вечномерзлых грунтов, а следовательно, и их свойства. Приемы тепловой мелиорации мерзлых грунтов, т. е. управление их температурным режимом, основаны-на целенаправленном из­ менении составляющих радиационного и теплового балансов поверхности грунтов. Поэтому краткие сведения о радиационно­ тепловом балансе поверхности являются совершенно необходи­ мыми для понимания процессов, происходящих в мерзлых грун­ тах.

Солнечная энергия поступает к поверхности в виде прямой Q и рассеянной атмосферой q световой коротковолновой радиации. В зависимости от цвета, экспозиции, микрорельефа, шерохова­ тости поверхности грунта и характера растительности часть энергии отражается от этой поверхности и уходит в атмосферу. Отраженная энергия характеризуется альбедо а\ поверхности*.

в атмосферу. В свою очередь, атмосфера излучает тепло на по­ верхность грунта. Разность излучения грунта и противоизлуче­ ния атмосферы положительна и называется эффективным излу­ чением поверхности /. Эффективное излучение обусловлено тем, что температура Земли выше температуры окружающего про­ странства. Таким образом, общее количество лучистой энергии, поступающей на тот или иной участок поверхности грунта,

Это и есть радиационный баланс поверхности. Годовой радиа-. ционный баланс любого участка земной поверхности всегда по­ ложителен. В соответствии со степенью изменчивости характе­ ристик поверхности и широтой местности различные участки грунта имеют различный радиационный баланс.

Но, характеризуя энергию, поступившую на поверхность грунта, радиационный баланс не определяет среднегодовой тем­ пературы грунта и вообще его температурного режима. Посту­ пившая на поверхность грунта энергия расходуется на турбу­ лентный теплообмен с атмосферой Р и испарение (конденсацию) влаги на поверхности LM, характеризуя тепловой баланс этой

* Дльбедо — коэффициент отражения поверхностью солнечных лучей.

V

9