Криогенные процессы пучения

Содержание

1

Введение

Среди криогенных процессов развитых в области распространения многолетнемерзлых пород наиболее разнообразны процессы пучения, к ним относят: криогенную (морозную) пульсацию поверхностных отложений, вымораживание каменного материала, сезонное пучение пород и формирование многолетних бугров пучения. При этом формируются различные криогенные явления.

Действие сил морозного пучения грунтов ежегодно наносит народному хозяйству большой материальный ущерб, заключающийся в снижении сроков службы зданий и сооружений, в ухудшении условий эксплуатации и в больших денежных затратах на ежегодный ремонт поврежденных зданий и сооружений, на исправление деформированных конструкций

1

1. Причины криогенного пучения грунтов

Практически все грунты (кроме скальных) могут подвергаться морозному пучению, но в наибольшей степени этот недостаток присущ глинистым грунтам (суглинки, глины, супеси, мелкие и пылеватые пески), а также пескам, содержащим пылевато-глинистые частицы. Пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых частиц, считаются непучинистыми.

Пучение в дисперсных отложениях происходит за счет сегрегационного льдовыделения при миграции влаги в процессе сезонного промерзания сезонно-талого слоя СТС и сезонно-мерзлого слоя СМС и изменения их температурного режима в промерзающем состоянии. Образование шлиров льда приводит к раздвижению скелета грунта, его разуплотнению и увеличению объема мерзлой породы. Влажность породы, при которой возможно образование минимума сегрегационного льда, называется влажностью порога пучения. Влажность порога пучения зависит от водных свойств грунта и температурных условий его промерзания. Величина пучения пород увеличивается с возрастанием мощности  СТС или СМС. Поэтому наибольшие величины пучения при прочих равных условиях имеют место при среднегодовых температурах грунта (tср) равных 0°С; они уменьшаются с понижением (или повышением) tср пород (Кудрявцев, Гарагуля, Кондратьева и др., 1979). Процесс пучения усиливается при увеличении влажности пучинистых грунтов в результате атмосферных осадков (в частности, обильных осенних дождей), при капиллярном поднятии влаги и повышении уровня грунтовых вод.

И.А. Тютюнов (1963) рассматривает природу криогенного пучения в зависимости от физико-химических свойств отложений. Проведенные им эксперименты показали, что интенсивность пучения зависит от химического состава воды, содержащейся в промерзающем грунте. При насыщении грунта раствором, содержащим многовалентные катионы, отмечается усиление подтока влаги к промерзающему участку, что и вызывает его пучение. Насыщение этих же грунтов водой с одновалентными катионами ослабляет указанные процессы. Подобная зависимость обусловлена энергией, возникающей на поверхности частицы, на которой происходит адсорбирование воды. Большей энергией обладают поверхности, в образование которых принимают участи многовалентные ионы и сравнительно малой – если одновалентные. Кроме того, отмечено, что при замерзании раствора с одновалентными катионами растут крупные кристаллы льда, а при насыщении грунта многовалентными ионами зарождаются многочисленные кристаллики льда игольчатой формы. В последнем случае вновь образовавшиеся поверхности вызывают дополнительные подток влаги в грунт, тем самым, увеличивая его пучение.

2. Формы пучения, их региональная и зональная приуроченность

Среди криогенных процессов наиболее разнообразны процессы пучения, к ним относят: вымораживание каменного материала, сезонное пучение пород, формирование многолетних бугров пучения и др. (Кудрявцев, Гарагуля, Кондратьева и др., 1979; Романовский, 1993).

Криогенная пульсация отложений СТС и СМС — это ежегодно происходящий процесс в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП). Он слагается из пучения отложений в период их промерзания и осадки при их оттаивании. При промерзании СТС пучение отложений происходит без подтока влаги извне, т. е. по варианту «закрытой» системы. Исключение составляют подножия склонов, где может осуществляться неравномерный подток вод СТС. Вследствие этого локально образуются однолетние миграционные и инъекционные бугры пучения. Такое явление приурочено к переходным и полупереходным типам СТС, т. е. тяготеет к южной окраине криолитозоны.

При сезонном промерзании отложений пучение может происходить также с притоком влаги, т. е. по варианту открытой системы. Наибольшее пучение может быть в случае близкого залегания зеркала грунтовых вод в днищах долин рек, на плоских заболоченных междуречьях равнин. Криогенное пучение проявляется главным образом в тонкодисперсных пылеватых отложениях. Для них характерны высокая водоудерживающая способность и сильное сегрегационное льдовыделение при промерзании и последующем охлаждении. Возрастанию криогенного пучения способствуют высокая влажность отложений, большая мощность СТС (СМС) и невысокий темп промерзания, что в большей степени свойственно для морских и умеренно континентальных типов.

Более высокую влажность в одних и тех же районах имеют отложения СТС по сравнению с СМС,  однако криогенное пучение СМС значительнее по сравнению с СТС за счет подтягивания влаги снизу, из талой зоны, особенно при близком залегании уровня грунтовых вод. Поэтому близи южной окраины мерзлой зоны, где при температурах грунта, близких к 0°С, криогенная пульсация отложений СМС достигает наибольших величин, измеряемых первыми сантиметрами. Сильная криогенная пульсация отложений СМС характерна для юга Западной и Восточной Сибири при умеренно континентальных до резко континентальных типов.

Влажность отложений СТС в целом возрастает к северу, а в северной Евразии и с востока на запад, т. е. от районов с континентальным к районам с морским типом климата. В этих же направлениях увеличиваются удельные (на единицу мощности СТС) величины пучения и осадки при оттаивании, но также уменьшаются и глубины СТС пород.

Миграционные многолетние бугры пучения приурочены к аккумулятивным равнинам, межгорным впадинам и долинам крупных рек. Многолетние миграционные бугры и площади пучения образуются в местах распространения с поверхности тонкодисперсных отложений мощностью не менее 3—4 м, подстилаемых водоносными песками. Они возникают на начальных этапах эпикриогенного промерзания талых дисперсных отложений, вследствие осушения термокарстовых озер со сквозными таликами под ними, промерзающими по типу открытой системы. Их образованию способствует накопление на поверхности торфа, заболачивание, приводящее к понижению температуры пород. Толчком к такому процессу часто служат похолодание за счет коротко- и среднепериодных колебаний климата. Под растущими миграционными буграми пучения мощность ММП изменяется от 2 до 40 м, и нижняя граница ММП постоянно испытывает колебания под воздействием изменений климата. Это вызывает периодические изменения высоты (пульсацию) миграционных бугров. Таким образом, возраст растущих миграционных бугров не превышает первых сотен лет. При возрастании мощности ММП (до 100—150 м и более) миграционные бугры переходят в реликтовое состояние. Поэтому в северной части южной и в пределах северной геокриологической зоны преобладают реликтовые формы миграционных бугров и площадей пучения, имеющих разнообразный возраст. Поверхность реликтовых миграционных бугров и площадей пучения осложнена обычно полигональным рельефом.

Многолетние инъекционные бугры пучения (пальса, булгуняхи, пинго) характерны для зоны сплошного распространения мерзлых пород и формируются при промерзании замкнутых несквозных таликов вследствие быстрого осушения (спуска) термокарстовых озер. Размеры и внутренне строение бугров зависят от мощности талика, его водных запасов и характера промерзания. Возникновение крупных бугров пучения с ледяным ядром обусловлено высокой скоростью промерзания обширных водонасыщенных таликов. При медленном промерзании происходит формирование сильнольдистых отложений и относительно равномерное пучение. Районами их распространения являются север Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин, Северо-Сибирская низменность, приморские низменности Северо-Бостока России, Чукотки, севера Аляски и Канады. Возраст большинства булгунняхов позднеплейстоценовый.

Бугры пучения, возникшие в местах разгрузки подземных вод (гидролакколиты) – многолетние или сезонные бугры пучения, образующиеся под воздействием гидродинамического напора при замерзании подземных вод. В основном это инъекционные и инъекционно-сегрегационные бугры с ледяным и ледогрунтовым ядром. Их высота измеряется первыми десятками метров, диаметр основания – от десятков до сотен метров. Возникают в местах разгрузки подземных льдов и в обрамлении наледей, а также при промерзании закрытых систем несквозных таликов под осушенными термокарстовыми озерами

Процессы пучения могут проявляются и в субаквальных условиях.

Сценарий образования крупных сильнольдистых бугров на шельфовом дне в пределах нефтегазовых залежей предложен В.П. Мельниковым, К.М Федоровым и др. (1998). Необходимое условие для начала проявления процесса пучения – возникновение в перекрывающих залежь породах зоны трещиноватости. Трещинообразование может быть вызвано сейсмическими движениями как естественного, так и антропогенного характера. По образовавшимся трещинам газ из пласта под давлением проникнет в верхние придонные слои. Расширение газа вызовет промерзание водонасыщенных осадков, а его последующее накопление под мерзлыми непроницаемыми слоями – выдавливание их на поверхность. Рост бугра прекратится, когда мощность выдавленной породы компенсирует пластовое давление.

Ф.А. Каплянская и В.Д. Тарноградский описывают в отложениях нижнего плейстоцена (1974) пластические дислокации, возникновение которых связывают с промерзанием и пучением осадков мелководья. После образования сегрегационных бугров пучения, дальнейшее осадконакопление в водоеме происходило в основном во впадинах между буграми, куда также оплывал подтаявший грунт. По мере углубления водоема бугры таяли, и выпуклые формы в рельефе дна возникали на месте межбугровых понижений, накопление осадков за счет подводного оползания шло на месте вытаявших бугров.

Криогенное выпучивание каменного материала из дисперсных обложений — процесс, регионально связанный с территориями, где близко к поверхности залегают скальные породы, на которых развит мелкозернистый криогенный элювий и продукты его ближайшего переотложения, а также отложения, содержащие валуны, глыбы и щебень. Поэтому криогенное выпучивание наиболее активно проявляется в горных районах, на плоскогорьях и плато.

Криогенное выпучивание происходит как в СТС, так и в СМС. Однако при сезонном промерзании этот процесс протекает менее активно. В СТС активность процесса уменьшается при малых величинах (мощность 0,4—0,3 м и менее) в устойчивых и арктических типах (tср ниже —8...—10°С).

Проявляясь ежегодно в течение геологически длительного времени, этот процесс приводит к формированию каменных покровов (курумов), «сортированных полигонов» и других явлений, залегающих на слое мелкозема, практически лишенного крупнообломочного материала. Дальнейшее их развитие происходит довольно медленно. Активизация процесса связана с техногенным нарушением природных условий, приводящим к увеличению мощности СТС, изменению влажности СТС или его состава. Например, это часто происходит при вырубке и выгорании лесов или нарушении наземной растительности на каменистых склонах и у их подножий. Активность проявления выпучивание сопровождавшаяся трансформацией образованных форм, менялась при динамике климатических, ландшафтных и геокриологических условий. Потепления и увеличения среднегодовых температур грунта ведут к активизации выпучивания, захвату этим процессом горизонтов большей мощности. Но оттаивание мерзлых толщ и период сезонного оттаивания в сезонное промерзание приводят к ослаблению и затуханию процесса. Вместе с тем похолодания и уменьшение среднегодовых температур грунта также ослабляют проявления выпучивания, особенно в арктических районах.

Значительная часть форм, генетически связанных с выпучиванием камней, имеет полигональный характер. Образование полигональности является следствием длительного многостадийного сложного развития этих образований. Оно включает проявление на этапе их развития в экстремально суровой геокриологической обстановке позднего плейстоцена  процессов криогенного растрескивания и образования полигонально-жильных структур. В голоценовый оптимум в широкой зоне возросли среднегодовые температуры грунта, что привело к оттаиванию жильных льдов и образованию политональной сети понижений на поверхности крупнообломочных покровов. В свою очередь это обусловило активизацию выпучивания камней и их криогенной сортировки, которая приобрела дифференцированный характер. В результате возникли «сортированные полигоны», бугристо-западинный рельеф каменных покровов, полигональные фации курумов  и другие формы.

1

3. Криогенное пучение грунтов и его воздействия на сооружения

Процессы пучения обусловливают объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. При замерзании насыщенная водой масса значительно увеличивается в объеме, начинает давить на находящиеся в грунте конструкции и выталкивать их из земли.

Напряженно-деформированное состояние грунта при морозном пучении обусловливает недопустимые перемещения и серьезные повреждения промышленно-гражданских зданий, гидротехнических, мелиоративных сооружений, разрушение покрытий автомобильных дорог и аэродромов, искривление рельсо-шпальной решетки железнодорожной колеи, смещение опор мостов, линий электропередач, трубопроводов и других инженерных сооружений. Особенно широко деформации сооружений имеют место в районах глубокого сезонного промерзания грунтов, а также на территории с многолетнемерзлыми породами, где в условиях преимущественного распространения сильнопучинистых пылеватых грунтов воздействующие на сооружения силы пучения достигают значительных величин (Рекомендации…, 1986).

В дорожной практике морозное пучение грунтов приводит к образованию так называемых пучин, т.е. локальных взбугриваний земляного полотна, под которыми нередко понимают не только деформации грунтов при зимнем промерзании, но и потерю ими несущей способности весной вследствие осадки и переувлажнения оттаивающего грунта - основания.

Деформации криогенного пучения - результат воздействия на конструкцию так называемых нормальных и касательных сил. Первые возникают под подошвой фундамента в результате замерзания и увеличения объема пучинистого грунта, вторые - из-за вертикального смещения грунта, примерзшего к боковым поверхностям фундамента или к стенам подвала. Кроме того, увеличившийся в объеме замерзший грунт начинает давить перпендикулярно поверхности стен подвалов, вызывая деформацию фундаментов в горизонтальном направлении.

.

1

4. Мероприятия по предупреждению морозного пучения грунтов оснований и выпучивания фундаментов

Противопучинные мероприятия для зданий и сооружений назначаются в том случае, если устойчивость сооружения, рассчитываемая на действие сил пучения, не обеспечивается нагрузкой от сооружения и силами заанкеривания фундамента в талых или мерзлых грунтах, а также в случае необходимости уменьшения деформаций пучения или их полной ликвидации (Рекомендации…, 1986).

Возможны противопучинные мероприятия следующих видов: инженерно-мелиоративные (тепломелиорация и гидромелиорация); строительно-конструктивные; физико-химические (засоление, гидрофобизация грунтов и др.); комбинированные.

Тепломелиорация сводится к созданию в грунте в период промерзания температурного градиента горизонтального направления, что позволяет: уменьшить или устранить промерзание грунта; повысить температуру мерзлого грунта, уменьшая тем самым значения касательных сил пучения; снизить интенсивность пучения грунта вследствие развития миграции влаги в сторону от фундамента.

В качестве мероприятий тепловой мелиорации проводят устройство термолокализаторов - теплоизоляционного слоя, обеспечивающих местное утепление грунта фундамента посредством теплоизоляции.

Гидромелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов, зависят от условий источника увлажнения, рельефа местности и геологических особенностей грунта, характеризуемых их фильтрационной способностью. Эти мероприятия сводятся: к понижению уровня грунтовых вод и осушению грунтов в пределах сезонномерзлого слоя; к предохранению грунтов от насыщения поверхностными (атмосферными и производственными) водами.

Осушение грунтов строительной площадки за счет понижения УПВ осуществляется посредством устройства водосборных канав, лотков, траншей (открытого и закрытого типа), дренажей (мелкого и глубокого заложения), дренажных песчаных прослоек и т.п.

Строительно-конструктивные противопучинные мероприятия предусматривают повышение эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в морозоопасных грунтах. Эти мероприятия предназначаются: для снижения величины усилий, выпучивающих фундаменты; для заанкеривания фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже СТС или СМС; для приспособления фундаментов и надземной части сооружения к неравномерным деформациям пучинистых грунтов.

С целью снижения величины касательных сил пучения рекомендуется: проектировать сооружения на столбчатых и свайных фундаментах; уменьшать количество отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору; уменьшать сечение столбчатых фундаментов и свай в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта; устраивать у железобетонных фундаментов наклонные боковые грани (до 1 - 2°), обеспечивающие в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта увеличение сопротивления фундамента действию касательных сил пучения.

Физико-химические мероприятия стабилизации морозоопасных промерзающих грунтов, применяемые в настоящее время в основном сводятся: к специальной обработке грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким и теряет свои пучинистые свойства; к насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта

Гидрофобизация грунтов, т.е. придание грунту водоотталкивающих свойств, производится посредством обработки его небольшим количеством вяжущего.

В качестве вяжущего могут применяться: жидкие нефтяные битумы, жидкие каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурфурол-анилиновые смолы* и другие материалы.

Засоление грунтов относится к противопучинным мероприятиям кратковременного действия (срок действия 1 - 2 года), если грунты не защищены от воздействия поверхностных и грунтовых вод. Наиболее пригодны для засоления грунты малыми коэффициентами фильтрации. Засоление песчаных и супесчаных грунтов нецелесообразно вследствие быстрого вымывания из них солей. При строительстве по принципу использования грунтов основания в мерзлом состоянии засоление грунтов деятельного слоя не рекомендуется во избежание нарушения температурного режима основания.

Дня засоления грунтов применяют хлористый натрий, кальций и магний. Наиболее эффективными солями считаются хлористый натрий и кальций, понижающие температуру замерзания ниже - 20°С.

Перспективным физическим методом борьбы с морозным пучением грунтов может быть метод стабилизации грунтов посредством введения в них добавок противопучинных компенсирующих веществ (ПКД), обладающих определенными объемно-деформационными свойствами. Применение ПКД способно компенсировать пучение грунта при замерзании и его просадочность при оттаивании.

В качестве ПКД могут быть использованы полимеры следующих групп:

1) жесткие полимеры, имеющие большой коэффициент объемного расширения, изменяющие свой объем в соответствии с изменением температуры окружающего грунта;

2) высокоэластичные полимеры (типа резин), способные обратимо деформироваться при многократно действующем периодическом давлении;

3) полимеры, обладающие одновременно свойствами соединений первой и второй групп.

1

Заключение

Криогенное пучение влияет на литогенез мерзлых отложений, на особенности рельефа и микрорельефа области распространения мерзлых пород , в силу своей динамичности развития существенно воздействуют на инженерные сооружения.

Недоучет морозного пучения грунтов в строительстве, а также несвоевременное назначение противопучинных мероприятий наносят огромный ущерб народному хозяйству: снижают сроки и ухудшают условия эксплуатации сооружений, вызывают непроизводительные затраты труда, строительных материалов и финансовых средств.

Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих грунтов на фундаменты и конструкции зданий и сооружений (что сопряжено с оценкой деформаций и сил морозного пучения) является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов.

1

Список литературы

1.             Каплянская Ф.А., Тарноградский В.Д. Средний и нижний плейстоцен низовий Иртыша. – Л.: Недра, 1974. – 160 с.

2.             Кудрявцев В.А., Гарагуля Л.С., Кондратьева К.А., Романовский Н.Н., Максимова Л.Н., Чижов А.Б. Методика мерзлотной съемки. – М.: Изд-во МГУ, 1979. – 358 с.

3.             Мельников В.П., Федоров К.М, Вольф А.А., Спесивцев В.И. Анализ возможного сценария образования природных ледяных бугров на шельфе Печерского моря // Криосфера Земли. – 1998. –Т. II, № 4. – С. 51–57.

4.             Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. - М. : Стройиздат, 1986. - 72 с.

5.             Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы. – М.: МГУ, 1993. – 335 с.

6.             Тютюнов И.А. Фазовые превращения воды в грунтах, природа ее миграции и пучения // Доклады на межд. конф. по мерзлотоведению. – М.: Изд-во АН СССР, 1963. – С. 71–80.

1