I - для сезонно промерзающего слоя (несливающаяся мерзлота) в периоды:
а - максимального промерзания; б - промежуточный; в - максимального оттаивания;
II - для сезонно оттаивающего слоя (сливающаяся мерзлота) в те же периоды.
1 - поверхность вечномерзлых грунтов;
2 - граница оттаивания;
3 - граница промерзания;
мерзлый
грунт;
талый
грунт
Многолетняя мерзлота – толщина грунтов с постоянной отрицательной температурой имеет мощность от нескольких метров до нескольких сотен метров.
Максимальная мощность зарегистрирована за Полярным кругом в верховьях р.Мархи в Сибири – 1450 м. Под долинами крупных сибирских рек мерзлота может совсем отсутствовать, что связано с выделением ими огромного количества тепла.
Мерзлые грунты по физическому состоянию подразделяют на три вида:
- твердомерзлые – в которых дисперсный грунт прочно сцементирован льдом, характеризуются относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузками от зданий и сооружений.;
пластичномерзлые – грунты, сцементированные льдом, но обладающими вязкими свойствами и характеризуемыми сжимаемостью под нагрузками;
сыпучемерзлые – грунты крупнообломочные и песчаные, не сцементированные льдом вследствие малой их влажности, а потому сохраняющие рыхлость.
При оттаивании многолетнемерзлые грунты резко снижают свою прочность и способны давать значительные тепловые осадки (просадки), нередко достигающие 10-15% от мощности оттаявшей толщи. Подобные значительные осадки неизбежно будут приводить к серьезным деформациям и даже разрушениям различных сооружений, возведенных без учета специфических особенностей многолетнемерзлых грунтов.
Строительство на многолетнемерзлых грунтах регламентируется специальными нормами и правилами. При проектировании различных зданий и сооружений учитывают не только их конструктивные и технологические особенности, но и характер теплового и механического взаимодействия с мерзлой толщей грунтов. Очень важен прогноз возможных изменений мерзлотных условий как в ходе строительства, так и при эксплуатации зданий и сооружений.
В строительстве существует два принципа строительства на вечномерзлых грунтах:
1 – с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии в течение всего строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
2 – с устранением мерзлого состояния в виде:
а) предварительного искусственного оттаивания и уплотнения грунтов основания до начала строительства;
б) с допущением их оттаивания в период эксплуатации зданий и сооружений;
в) замены льдонасыщенных мерзлых грунтов талыми.
Принцип 1 применяют в тех случаях, когда возводятся неотапливаемые помещения или же когда имеется возможность принять эффективные меры по недопущению оттаивания в основании сооружения.
Одним из лучших способов сохранения пород в мерзлом состоянии является устройство столбовых свайных фундаментов и фундаментов-стоек с циркуляцией воздуха под зданиями.
Принцип 2 применяют когда сохранить грунты в мерзлом состоянии невозможно или экономически не целесообразно.
Просадочные грунты
Просадочными называют пылевато-глинистые грунты, которые при замачивании дают значительную просадку. В отличие от обычной осадки, просадка приводит к коренному изменению структуры грунта.
Просадка свойственна, прежде всего, лессовым суглинкам и супесям. Лишь в отдельных случаях она может возникать в пылеватых песках с высокой структурной прочностью, а также в некоторых техногенных грунтах (отходы промышленного производства, насыпные грунты).
Лёссовые грунты (рыхлые, несвязные) имеют широкое распространение в мире особенно в Европе и Азии. Отличительные признаки:
Желто-бурая и палево-желтая окраска;
Высокая пылеватость (содержание фракции менее 0,05 мм более 50%);
Повышенная пористость (40-55%);
Невысокая природная влажность;
Способность держать вертикальный откос (до 10м);
Высокая карбонатность;
Однородная текстура.
Карта развития лёссовых пород на территории СНГ:
1 - лёссы и лёссовые породы большой мощности (более 10 м), проявляющие просадку под собственным весом;
2 - лёссовые породы и лёссы мощные (более 5 м), проявляющие значительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках;
3 - лёссовые породы средней мощности (5 - 10 м), проявляющие незначительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках;
4 - лёссовые породы прерывистого распространения (3 - 5 м), непросадочные;
5 - лёссовые породы прерывистого и островного распространения изменчивой мощности, неоднородные по просадочности;
6 - лёссовидные и покровные глинистые породы островного и прерывистого распространения, маломощные, непросадочные;
7 - мерзлые покровные пылеватые глинистые породы, проявляющие термопросадки в результате оттаивания.
Мощность лессовых толщ достигает в России 80 м, а в мире до 400м (лессовое плато в Центральном Китае).
Просадочность лессовых пород обусловлена особенностями их формирования в условиях сухого климата при малой влажности, в результате чего создаются структурные связи, способствующие возникновению и сохранению в породе «недоуплотненного состояния».
Механизм просадки следующий. Вода, проникая в маловлажную высокопористую пылеватую лессовую породу, разрушает водонеустойчивые структурные связи, при этом происходит ее доуплотнение, пористость уменьшается и приходит в соответствие с напряженным состоянием.
Внешне этот процесс выражается в уменьшении объема лессовых пород и неравномерном оседании поверхности земли. Особенно интенсивно процесс доуплотнения лессовых грунтов происходит при техногенном замачивании и одновременном приложении нагрузки. В этих случаях просадка имеет обычно провальный характер и может достигать несколько десятков сантиметров.
Строительство на лессовых просадочных грунтах, возможно при выполнении одного из следующих мероприятий:
- устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи;
- прорезку просадочной толщи глубокими фундаментами, в том числе свайными и массивами из закрепленного грунта;
- комплекс мероприятий, включающий частичное устранение просадочных свойств грунтов, а также водозащитные и конструктивные мероприятия.
Просадочные свойства грунтов устраняют с помощью уплотнения, закрепления и армирования.
К водозащитным мероприятиям относят планировку строительных площадок для отвода поверхностных вод, предотвращение утечек из водонесущих коммуникаций, устройство отмосток вокруг зданий и т.д. Конструктивные меры должны быть направлены на снижение чувствительности сооружения к возможным просадочным деформациям (устройство железобетонных и армокаменных поясов, применение гибких конструкций, разрезка сооружений на отдельные отсеки).