Сплошная мерзлота

Данный вид мерзлоты встречается на крайнем севере России. Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями, представлена в схеме:

	Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями

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

произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

Схема существования слоистой мерзлоты с основными принятыми обозначениями

Возможно, возникла тектоническая трещина, по которой прошла вода (тепло), и оттаял слой грунта с большей теплопроводностью.

Интересно отметить, что ещё издавна исследователи ставили вопрос о мощности слоя многолетней мерзлоты. Так в 1827 г. в Якутске русский купец Фёдор Шергин (служащий Русско-Американской компании) решил прокапать мёрзлый грунт для колодца и добыть воду. Впоследствии он заключил пари. Разработав примерно 100 м — мёрзлый грунт не был пройден. В результате Фёдор Шергин практически разорился. Русская Академия наук заинтересовалась этим и выделила деньги для продолжения работ — этих денег хватило ещё примерно на 15 м проходки. Таким образом, был откопан колодец глубиной H = 116,4м — за 16 лет. Этот колодец носит название «Шергинская шахта» и до сих пор находится почти в центре г. Якутска. В последующем данная шахта послужила объектом для научно-исследовательских работ. Теплотехническими расчётами была определена мощность многолетнемёрзлого слоя в данном месте, которая составила примерно 500 м.

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).

	Схема существования островной мерзлоты на фоне талого грунта

Часто бывает затруднительно геологическими изысканиями точно определить расположение такой мерзлоты. Не учёт (не определённое положение) данной мерзлоты может вызвать значительные трудности при возведении сооружений в этих районах. Необходимо проводить более точную (подробную) геологическую разведку.

Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме 4. 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.

Схема существования линзовой мерзлоты на фоне талого грунта

Если проследить за изменением многолетней мерзлоты в Сибири с Севера на Юг, то можно последовательно встретить все перечисленные виды мерзлоты. Однако линзовая мерзлота может образоваться и «искусственно» на застраиваемых территориях при условии нарушения теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой.

Так, к примеру, ещё в г. Иркутске в 1925 г. были зарегистрированы случаи образования линз мёрзлого грунта. Строительство здания здесь было начато в 1917 г. и затем законсервировано на 8 лет. В результате под зданием образовалось линза мёрзлого грунта, которая после начала эксплуатации здания начала таять, что повлекло за собой неравномерные осадки и аварийную ситуацию в здании. Подобные явления были обнаружены в г. Братске и г. Шелехове (Иркутская область).

Следует привести результаты эксперимента, который был поставлен в г. Братске (Рощин В.В.) (см. схему 5). Над поверхностью грунта был построен навес размером 11 м на 24 м (такая конструкция из-за невозможности попадания солнечных лучей на грунт, нарушала естественный теплообмен в основании).

Схема исследовательской площадке по изучению условий искусственного образования линзы мёрзлого грунта

Поперёк навеса с севера на юг были пробурены исследовательские скважины, позволяющие определять глубину промерзания (оттаивания) грунта. Наблюдения показали развитие следующего процесса:

· Через 1 год существования навеса протаивание грунта закончилось к концу сентября.

· Через 2 года существования навеса протаивание грунта закончилось к концу ноября.

· Через 3 года существования навеса протаивание грунта не происходило, так как под навесом образовалась линза мёрзлого грунта.

Таким образом, данные исследования наглядно показали, насколько чувствительна природная среда к внешним воздействиям.

Если пробурить скважину в мёрзлом грунте, то мы увидим следующую картину (см. схемау 6) изменения температуры грунта по глубине (z)

Схема сезонных изменений температуры деятельного и вечномёрзлого грунтов по глубине основания в различные периоды времени

В летний период надмерзлотный слой грунта (деятельный слой) будет иметь положительную температуру, т.е. будет находиться в талом состоянии. С началом зимнего периода, при понижении температуры воздуха и поверхности грунта до отрицательного значения, надмерзлотный слой грунта начнёт промерзать.

Годовые изменения амплитуды температуры данного слоя по глубине основания достигнут величины Н₀, ниже которой грунт будет находиться практически при постоянной отрицательной температуре ≈-4°C (многолетняя мерзлота).

При циклическом действии отрицательной и положительной температуры на грунт, в последнем возможно три стадии:

1. Замерзание.

2. Мёрзлое состояние.

3. Оттаивание.

Образование наледей

На Севере часто можно было увидеть такую картину, когда наледи внезапно возникали под эксплуатируемыми домами.

Схема наиболее вероятного образования наледи при сливающемся деятельном слое и высоком уровне грунтовых вод

Объясняется это тем, что под домом глубина промерзания при сливающимся деятельном слое (Д.С.) значительно меньше (тепловое влияние здания), чем на открытой поверхности. Это приводит к образованию напорных вод (при высоком У.Г.В. и сливающимся деятельном слое), которые могут прорываться, и, вытекая через окна и двери, замерзая на поверхности, образовать наледь.

Особенно большой вред наледи, образующиеся в период промерзания деятельного слоя, приносят дорогам.

Схема образования наледи на дорогах	Схема специальных мероприятий по предохранению автомобильных дорог от образования наледей

При промерзании деятельного слоя (сливающаяся мерзлота), грунт, прежде всего, промёрзнет под дорогой (влияние кюветов). Остальная часть деятельного слоя будет находиться в стадии промерзания. В результате возникает движение напорных вод по склону и возможен прорыв их на поверхность с образованием наледи.

Наиболее эффективно применение специальных мероприятий, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте. Используется расчистка поверхностей от снега, снятие растительного слоя, и т.д. В результате под очищенным местом происходит быстрое промерзание и слияние деятельного слоя с многолетней мерзлотой. Данное мероприятие останавливает движение напорных вод в сторону дороги и если происходит образование наледи, то в данном месте она не оказывает негативное воздействие на эксплуатируемую дорогу.

Образование морозобойных трещин в деятельном и вечномёрзлом слоях грунта

При промерзании оголённых от снега поверхностей грунта (резкое понижение температуры) происходит его объемное уменьшение, сопровождающие часто образование клинообразных щелей (трещин). Глубины этих щелей – трещин достигают нескольких метров, а ширина раскрытия – 10…15 см. Морозобойные трещины пересекают не только деятельный слой, но проникают и в многолетнюю мерзлоту. В трещины с течением времени проникает вода, которая затем превращается в лёд, а это способствует дальнейшему росту образовавшейся морозобойной трещины.

Схема развития явлений образования морозобойных трещин в деятельном слое грунта

Такие морозобойные трещины приводят к изменению глубины промерзания. Могут нанести ущерб дорожному полотну, зданиям, инженерным сетям.

Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. Часть IV

Геотехнический мониторинг (далее мониторинг) на многолетнемерзлых грунтах – комплекс работ, основанный на натурных наблюдениях за состоянием грунтов основания (температурный режим), гидрогеологическим режимом, перемещением конструкций фундаментов вновь возводимого, реконструируемого и эксплуатируемого сооружения.

В районах распространения многолетнемерзлых грунтов мониторинг необходимо проводить для всех видов зданий и сооружений, в том числе подземных инженерных коммуникаций.

Мониторинг осуществляется в соответствии с проектом, который разрабатывается в процессе проектирования и является разделом утверждаемой части проектной документации.

При разработке проекта мониторинга определяются состав, объемы, периодичность, сроки и методы работ, схемы установки наблюдательных скважин, геодезических марок и реперов, датчиков и приборов, которые назначаются применительно к рассматриваемому объекту строительства (реконструкции) с учетом его специфики, включающей: результаты инженерных изысканий на площадке строительства, принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов, особенностей проектируемого или реконструируемого сооружения и сооружений окружающей застройки и т.п.

В проекте мониторинга следует учитывать факторы, оказывающие влияние на вновь возводимое (реконструируемое) сооружение, его основание, окружающий грунтовый массив и окружающую застройку в процессе строительства и эксплуатации, в т.ч. возможность проявления опасных геокриологических процессов (криогенное пучение, термокарст, оползневые процессы, оседание поверхности при оттаивании и др.), а также тепловые воздействия от строительных работ.

Для осуществления мониторинга в период строительства сооружений оборудуются контрольные термометрические и гидрогеологические скважины, на фундаментах сооружений устанавливаются постоянные геодезические марки, по которым выполняются измерения температуры грунта, уровень подземных вод, их состав и температура, нивелирование фундаментов, в том числе погруженных свай, измеряются отметки подкрановых путей мостовых кранов, водоотводных лотков в технических этажах и подпольях зданий, а также тротуаров у сооружений.

Места установки термометрических и гидрогеологических скважин, геодезических марок, периодичность проведения замеров установливаются по приложениям СНиП 2.02.04-88 (актуализированная редакция). Кроме того, контролируется плотность грунтов, уложенных в насыпях, при замене грунтов в выемках и при намыве территории. Термометрические скважины оборудуются в соответствии с ГОСТ 25358-82, гидрогеологические – СП 11-105-97 (Части I, IV), устройство нивелирных марок и геодезические измерения проводятся в соответствии с ГОСТ 24846-81.

В период эксплуатации сооружения мониторинг осуществляется в целях обеспечения проектного режима грунтов основания и состояние фундаментов сооружения. В состав мониторинга входят следующие виды работ:

— текущий и контрольный осмотр состояния технических этажей, подполий зданий и расположенных в них коммуникаций и других устройств;

— наблюдения за состоянием бетона фундаментов;

— наблюдения за температурой грунта в основании сооружений;

— наблюдения за температурой воздуха в подполье;

— наблюдения за осадками фундаментов;

— наблюдения за гидрогеологическим режимом основания.

Продолжительность мониторинга зависит от принципа строительства и составляет для сооружений, построенных по:

— I принципу – в течение всего периода эксплуатации сооружения;

— II принципу:

а) с использованием предварительного оттаивания грунтов – в течение 5 лет;

б) с допущением оттаивания в период эксплуатации – в течение 10 лет.

Продолжительность мониторинга может быть сокращена при стабилизации изменений контролируемых параметров, или увеличена при отсутствии стабилизации изменений контролируемых параметров.

В процессе мониторинга необходимо обеспечить своевременность информирования заинтересованных сторон о выявленных отклонениях контролируемых параметров (в т.ч. тенденции их изменений, превышающие ожидаемые) от проектных значений и результатов тепло- и геотехнического прогноза.

Экологические требования при проектировании и устройстве оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах

В проекте оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах должны быть предусмотрены мероприятия, обеспечивающие предотвращение, минимизацию или ликвидацию вредных и нежелательных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий.

Экологические требования, учитываемые при проектировании и строительстве, основываются на результатах инженерно-экологических изысканий, выполняемых в соответствии с СП II-102 и СП II-105, в которых даются оценка состояния окружающей среды и прогноз воздействия на нее объекта строительства.

Прогноз воздействия на природные условия осуществляется на весь период строительства и эксплуатации зданий и сооружений и должен устанавливать:
— возможность изменения теплового режима многолетнемерзлых грунтов района строительства и прилегающих территорий вследствие нарушений условий теплообмена в результате строительства и температурного воздействия в процессе эксплуатации;

— изменения гидрогеологических условий строительной площадки в результате производства земляных работ, включая пути разгрузки поверхностных и надмерзлотных вод по водоотводным каналам;

— степень активизации опасных геокриологических процессов, в том числе: осадки и пучение грунтов, термокарст, солифлюкция, эрозия, размыв грунта и др.;

— возможность возникновения склоновых процессов и заболачивания территории.

С учетом результатов инженерно-геологческих изысканий выбираются проектные решения и разрабатываются мероприятия по рекультивации и восстановлению почвенно-растительного слоя, засыпке выемок, траншей и карьеров, выполаживание и одернование склонов и откосов, а также по предупреждению эрозии, термокарста и процессов размыва грунта.

Основные мероприятия по охране окружающей среды при возведении оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах разрабатываются на стадии технико-экономического обоснования.

Проектная документация на устройство оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах на стадии «П» должна включать отдельный раздел «Охрана окружающей среды».

Приступать к производству работ по устройству оснований и фундаментов допускается только при наличии ПОС и проектов инженерной подготовки и защиты от опасных мерзлотных процессов и подтопления территории, конкретно отражающих все особенности мерзлотно-грунтовых условий площадки строительства. Проект организации строительства должен обязательно предусматривать точные сроки и особенности производства работ, а также меры по восстановлению поврежденных участков поверхности территории строительства.