Ежегодное оттаивание и промерзание деятельного слоя грунта
Промерзание деятельного слоя в зимний период может происходить не на всю глубину, в этом случае говорят о несливающейся мерзлоте, так как между деятельным слоем и многолетней мерзлотой будет находиться прослоек талого грунта (см. схему).
Схема несливающегося деятельного слоя грунта и возможность прокладки инженерных коммуникаций в этих условиях.
Наличие прослоя талого грунта при не сливающемся деятельном слое, важно с точки зрения возможности прокладки в этом слое инженерных коммуникаций. Инженерные сети, проложенные в талом слое грунта, не будут испытывать деформаций, связанных с промерзанием и оттаиванием и потому экономически выгодны.
В процессе промерзания и оттаивания могут происходить деформации грунта, которые достигают 20…30% и более. От чего это происходит? Из курса физики известно, что вода при замерзании увеличивается всего на ≈ 9%, однако в природных условиях данное явление объясняется миграцией влаги (перемещение грунтовой воды из нижележащих талых слоёв к фронту промерзания), которая в большой степени проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к морозному пучению грунтов (см. механику грунтов).
Пучение грунтов при промерзании
Необходимо отметить, что это очень важная проблема, с разрешением которой строители очень часто встречаются не только в районах многолетнемёрзлого грунта, но и в районах глубокого сезонного промерзания. Поэтому об этом нужно говорить отдельно.
Необходимо упомянуть, что впервые с этим вопросом строители встретились при строительстве железных дорог на севере России (Сибири). При сливающемся деятельном слое, пучение глинистых грунтов, вследствие миграции влаги из нижележащих ещё талых слоёв к фронту промерзания, приводит к обезвоживанию нижележащего слоя (см. схему).
Если обозначить:
hпучен. - величину пучения грунта; Нпр. – толщину промерзающего деятельного слоя (Д.С.), то активная зона пучения (Накт) (см. эпюру на схеме) численно составит: Накт≈ 2/3 Нпр.
Это явление имеет большое значение, поскольку позволяет размещать инженерные сети в обезвоженном – не пучинистом слое (нижняя 1/3 Нпр.), без опасения их деформаций.
Схема сливающегося деятельного слоя и развитие в нём явления пучения грунта.
Осадка при оттаивании деятельного слоя грунта
При промерзании грунт смерзается с поверхностями фундаментов, а затем при пучении деформирует их. Это часто приводит к перемещению фундаментов. В последствии, при оттаивании грунт теряет свои прочностные свойства, значительно увеличивается сжимаемость (возникают просадки). Возможен также выпор такого грунта из под подошвы фундамента (потеря устойчивости – не выполнение условий I предельного состояния).
Образование наледей
На Севере часто можно было увидеть такую картину (см. схему), 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 (см. схему).
Схема образования наледи на дорогах.
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.
Как бороться с этим явлением?
Схема специальных мероприятий по предохранению автомобильных дорог от образования наледей.
Наиболее эффективно применение специальных мероприятий, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте (см. схему). 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.