Природные дисперсные грунты

Грунты этого класса имеют самое широкое распространение на поверхности земной коры, именно с ними практически по­стоянно связано строительство самых разнообразных объектов.

202

Дисперсные грунты обладают механическими и водноколло­идными связями. Обломки и частицы дисперсных грунтов нахо­дятся в механическом взаимодействии, например, как в сухом песке, или связаны друг с другом с помощью пленок воды, как в мокром песке или глине. В этот класс входят две группы:

• несвязные грунты (с «механическими связями») — обломоч­ные осадочные породы в виде крупнообломочных образований и песков;

• связные грунты (с водноколлоидными связями) — осадочные породы в виде минеральных (глинистых), органоминеральных и органических образований.

Ниже дается общая характеристика дисперсных грунтов по гранулометрическому и фазовому составу, и далее показываются свойства типов этих грунтов и свойства разновидностей, из кото­рых в качестве примера покажем только засоленные грунты.

Гранулометрический состав определяется специальными мето­дами. Так, крупнообломочные и песчаные грунты анализируются с помощью набора стандартных сит, имеющих различные отвер­стия. После рассева фракции взвешиваются и устанавливается их процентное соотношение. Гранулометрический анализ глинистых грунтов проводят с помощью специальных и достаточно сложных методов. Это позволяет установить литологические типы глини­стых грунтов (супеси, суглинки, глины) и их разновидности, на­пример, суглинки легкие, средние и тяжелые.

Гранулометрический состав широко используется при реше­нии многих вопросов при улучшении свойств грунтов.

Фазовый состав. Дисперсные грунты как мерзлые, так и тех­ногенные состоят из твердой части (обломки горных пород и ча­стицы минералов), газообразной (воздух атмосферы), жидкой (вода) и органической массы. Твердая часть является скелетом грунта. В его порах, т. е. в промежутках между частицами (об­ломками), размещаются воздух, вода и органическое вещество. В органоминеральных грунтах картина иная. В них основной мас­сой является органический материал, который представляет со­бой «скелетную» часть грунта. В этом скелете размещаются вода, отдельные минералы и отчасти воздух.

Грунты имеют различный фазовый состав. Так, сухой песок представляет собой сочетание двух фаз — твердой и газообразной, мокрый песок — три фазы (твердая, воздух, вода), почвы — четы­ре фазы (твердая, воздух, вода, гумус).

Свойства дисперсных грунтов, особенно песчаных и глини­стых, в значительной мере зависят от фазового состава и количе­ственных взаимоотношений фаз. Так, глинистый грунт обычно состоит из трех фаз. В слабовлажной глине вода представлена

малым количеством, а в глине текучего состояния воды очень много и она придает глине другие свойства. Значение фазового состава широко используется при выборе методов улучшения свойств фунтов.

Природные мерзлые грунты

Мерзлые грунты в технической литературе часто именуют «криогенными» (криос, гр. — холод, лед). Для грунтов этого клас­са характерны структуры с криогенными связями, т. е. структуры, скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и по­стоянным (вечным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, грунты у поверхности земли промерзают. Это так называемая «сезонная» мерзлота. Скальные грунты при этом получают отрицательную температуру, а диспер­сные и техногенные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклини­вающего действия образующегося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и не­связные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышен­ную прочность, несколько увеличивают объем и становятся водо­непроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механической разработке. При небольшой влаж­ности, что может быть в песках, свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре практически ма­ло меняются.

В весеннее время года лед в грунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Осо­бенно сильно это сказывается на органоминеральных и органи­ческих грунтах, которые могут переходить в разжиженное состоя­ние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под зданий и фундаментов сооружений.

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учиты­вается, определяется глубина промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов. Величина d_f ко­леблется от нескольких сантиметров до 2—3 м и определяется:

• по карте соответствующего СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности;

• по расчетным формулам;

• по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глуби­ной промерзания в данной местности; искомое значение исполь­зуют при проектировании зданий и сооружений.

Вечная мерзлота. Иногда грунты постоянно (тысячи лет) нахо­дятся в мерзлом состоянии. Их изучает наука «Геокриология». Тер­риторию, которую они занимают, именуют криолитозоной. Проис­хождение вечной мерзлоты связывают с периодом оледенений северного полушария Земли, последнее из них было 10—15 тыс. лет назад.

Вечная мерзлота в России занимает ряд территорий на севере Европейской части России и особенно большие площади в Си­бири, где в многолетнемерзлом состоянии находятся грунты ска­льные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов от­носят также чистые льды, входящие в грунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые грунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых грунтов делят на три зо­ны: сплошную; с таликом; островную (рис. 58).

Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура грунтов минус 7—12 °С.

Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зо­ны представляют собой талые грунты; мощность мерзлых толщ 20—60 м при температуре 0,2—2 °С.

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерзлые грунты встречаются в виде отдельных участков; мощ­ность толщ 10—30 м; температура от 0 до —0,3 °С.

Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) деятельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой — это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и промерзает зимой, т. е. в определенной мере — это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и литологического состава грунтов и ко­леблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге — наибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2—1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, — 2—4 м.

Север

Северный

Рис. 58. Зоны многомерзлых грунтов в Сибири (схема):

I— сплошная; II— с таликами; III — островная

Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся (типичные северным районам); несливающиеся (рис. 59). В первом случае дея­тельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой, на которой лежит. При несливающемся деяте­льном слое между ним и вечномерзлой толщей остается слой неза­мерзшего грунта. Это бывает связано либо с теплой зимой, либо с характером деятельного слоя.

Для решения строительных задач важно знать мощность дея­тельного слоя. Эту мощность можно определить:

• при инженерно-геологических изысканиях;

• по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным рай­оном;

• расчетным способом, при котором учитывается тепловое вли­яние будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунто­вая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре (подзем­ные воды вечной мерзлоты подробно рассматриваются в разделе «Гидрогеология»).

Строительство в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя — мощности, физических и физи­ко-механических характеристик грунтов, поведения надмерзлот- ной воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие не­гативные процессы, приводящие к деформации объектов.

Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух видов: 1) непрерывная, т. е. в виде сплошного массива из мерзлого

г

Рис. 59. Типы деятельных слоев:

а — несливающийся; 6 — сливаю­щийся; С—сезонная мерзлота; Т — талый грунт; М — вечная мерзлота

рунта; 2) слоистая — в виде чередова­ния мерзлых слоев со слоями (просло­ями) талых грунтов или чистого льда. Наличие талых грунтов связано с цир­куляцией межмерзлотных (межпласто- вых) напорных подземных вод. В до­линах рек Лены, Енисея и других мерзлота отсутствует. Это объясняется притоком тепла от речных вод. В юж­ной зоне мерзлота постепенно оттаи­вает за счет теплого климата и в на­стоящее время сохраняется только на отдельных участках («островная» мерз­лота). В мерзлых толщах очень часто содержится чистый лед (слои, про­слои, линзы). Наибольшие мощности льда (до 20 м) отмечены на севере Сибири. Такой лед называется «погре­бенным».

Состоянию вечной мерзлоты подвержены все виды грунтов. Грунты скального класса занимают незначительное место. Основ­ную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. д.).

По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:

• твердомерзлые, например сцементированный («смерзшийся») песок, который ведет себя как скальный грунт;

• пластично-мерзлые, примером могут быть сцементированные льдом глинистые грунты, которые содержат также воду в жидком состоянии; эти грунты могут под нагрузкой сжиматься;

• сыпучемерзлые — в виде песка, гравия и им подобным, в ко­торых обломки и частицы льдом не сцементированы и грунты на­ходятся в рыхлом состоянии.

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обусловливает три текстуры мерзлых толщ:

• массивная —лед в грунте распределен равномерно;

• сложная — лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев (прослоев, линз);

• сетчатая — слои и прослои льда пересекаются в разных на­правлениях.

При оценке свойств большое значение имеет общее количест­во льда в объеме грунта. Для этого введено понятие льдистость. Суммарная льдистость обозначается J_lol.

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных про­цессов — морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солиф- люкция и наледи и др.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных подня­тий дорожных одежд (на 0,2—0,5) в силу промерзания деятельно­го слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма. Морозное пучение, которое оценивается коэффициентом k_h, предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной документации.

Бугры пучения образуются в результате подъема проморожен­ного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых на­порных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлюкция — оплывание оттаивающих в летнее время грун­тов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с уклоном 7—10°). Оплывание происходит по мерзлым грунтам. Солифлюкционные потоки мощностью до 3—5 м способны пере­носить валуны (глыбы) массой до 5 т.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва на поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхо­да речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы, и здания разрушаются. На рис. 60 показана наледь на берегу реки.

Строительство и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах строителям приходится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при строительстве стремятся не делать выемок.

Деформации зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечномерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечно­мерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

• без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например при наличии скального основания;

• при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации объектов;

• с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие грунты, например глинистые грунты на щебеночные.

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от геологии строительной площадки, состава и состояния мерзлых

Рис. 60. Наледь на берегу реки

Рис. 61. Возведение зданий на вечномерзлых грунтах:

а — на скальном основании; б — с сохранением мерзлоты; в — с заменой мерзлого грунта на слой гравия; / — деятельный слой; 2— вечная мерзлота; 3 — гравий; 4 — здания

грунтов, технических возможностей строительной организации (рис. 61).

Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзло­ты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов осно­ваний, постоянных профилактических и ремонтно-восстановите­льных работ.

В условиях развивающегося экологического кризиса серьезной проблемой становится нарастающая тенденция к деградации веч­ной мерзлоты, что влечет за собой деформации сооружений. Проблема является геоэкологической и может быть разрешена ее методами.