3.3.5. Процессы, происходящие в деятельном слое (сезонного промерзания и оттаивания)

3.3.5.   Процессы, происходящие в деятельном слое (сезонного промерзания и оттаивания)

К ним относятся: значительные колебания температуры; промерзание и оттаивание грунтов; морозное пучение грунтов; миграция влаги к фронту промерзания; перемещение влаги под действием гидравлического градиента; образование морозобойных трещин; сползание грунта по склонам (солифлюкция); поверхностные оползни.
Колебания температуры по глубине деятельного слоя 1 и слоя вечномерзлого грунта 2 (рис. 3.7) легко зафиксировать, измеряя температуру на разных глубинах в течение года в скважине  результаты измерений приведены на рисунке, римскими цифрами указаны месяцы). Наибольшие колебания температуры испытывает самый верхний слой. С глубиной колебания уменьшаются, и ниже некоторой границы 3 температура практически постоянна. Эту границу называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры.

Рис. 3.7. Распределение температуры в пределах толщины сливающегося деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта (за начало координат принята температура начала замерзания грунта)

График колебаний температуры демонстрирует и ход промерзания и оттаивания грунтов, залегающих выше границы оттаивания 4. Согласно наблюдениям, грунт промерзает преимущественно сверху. Однако при сливающемся деятельном слое имеет место небольшое промерзание грунта и снизу, от верхней границы вечномерзлого грунта. Оттаивание грунта происходит только сверху.
В ходе промерзания влажных пылевато-глинистых грунтов и пылеватых мелких песков, как правило, происходит морозное пучение грунта, которое является следствием увеличения объема воды при переходе ее в лед и миграции влаги из нижних горизонтов к фронту промерзания. Морозное пучение в случае сливающегося деятельного слоя весьма ограничено и чаще всего не превышает 3 % его толщины. Однако, если происходит движение надмерзлотной грунтовой воды или деятельный слой не промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта, то морозное пучение может достигать десятков процентов толщины этого слоя и оказывать значительное влияние на конструкции, расположенные в пределах его интенсивного воздействия. Эти конструкции (при недостаточной их заделке в вечно-мерзлом грунте) в ходе промерзания поднимаются силами пучения вверх, весной же они не могут перемещаться вниз вместе с оседающим грунтом, который оттаивает сверху, так как удерживаются еще не стаявшей частью деятельного слоя, а иногда и слоем вечномерзлого грунта. Следствием этого является выпучивание конструкций, заглубленных в грунт (столбов, фундаментов и др.). Перемещение влаги под действием гидравлического градиента свойственно надмерзлотным, межмерзлотным и подмерзлотным грунтовым водам.
Надмерзлотные грунтовые воды, обычно перемещающиеся только при уклоне местности, приурочены к слоям песка, супеси и других хорошо фильтрующих грунтов При несливающемся деятельном слое они могут находиться в слое талого грунта. Эти воды оказывают существенное влияние на миграцию влаги к фронту промерзания и способствуют морозному пучению грунтов деятельного слоя.
Межмерзлотные подземные воды находятся между двух слоев вечномерзлого грунта. Обычно они служат путями для выхода подмерзлотных вод на поверхность земли или в деятельный слой.
Подмерзлотные подземные воды, расположенные под слоем вечномерзлого грунта, имеют значение при устройстве фундаментов только в случае выхода вод через талики в деятельный слой и питания ими надмерзлотных вод.

Рис. 3.8. Схема образования грунтовой наледи на склоне местности
1—промерзший слой грунта; 2 — водоносный непромерзший слой грунта; 3 — перемещающиеся  по склону  грунтовые воды;  4 — слой вечномерзлого  грунта;  5 —грунтовая наледь

При наличии подземных вод всех видов создаются условия для образования грунтовых наледей. Даже при небольшом уклоне местности надмерзлотные воды 3 перемещаются вниз по склону (рис. 3.8). Если грунт, например под дорогой, промерзнет до верхней границы вечномерзлого грунта раньше, чем на остальной территории, покрытой растительностью и снегом, то между промерзшим слоем 1 и слоем вечномерзлого грунта 4 в непромерзшем слое 2 будут скапливаться грунтовые воды 3 с повышением давления. Под действием этого давления промерзший слой может быть поднят и сломан в слабом месте. После этого вода начнет вытекать через трещину, образуя грунтовую наледь 5. В некоторых случаях разрыва промерзшего слоя не происходит, но он поднимается вверх в виде холма, и под ним образуется линза льда.
Кроме рассмотренной, возможны и другие причины образования грунтовых наледей. Так, наледи могут образовываться в местах выхода на поверхность межмерзлотных и подмерзлотных грунтовых вод, а также вследствие замкнутости объема обводненного грунта, поскольку промерзание воды в песке приводит к ее отжатию от фронта промерзания. Отжатие же, в свою очередь, создает гидростатическое давление, вызывающее поднятие промерзшего слоя в отдельных местах.
Как уже было сказано, в верхней части промерзшего слоя температура грунта сильно понижается (см. рис. 3.7). В таком случае грунт ведет себя как твердое тело, т. е. уменьшается в объеме. Это приводит к небольшому опусканию поверхности грунта по вертикали и к возникновению в нем напряжений растяжения в горизонтальном направлении. Под воздействием этих напряжений в грунте образуются морозобойные трещины. Их образованию способствует изгиб промерзшего слоя, так как в верхней части он сжимается в результате снижения температуры больше, чем у границы промерзания. В то же время изгибу промерзшего слоя препятствует момент, возникающий от действия его веса. В результате указанных причин образующиеся в промерзшем слое трещины сначала имеют небольшую ширину раскрытия, затем по мере понижения температуры они получают развитие. Особенно неблагоприятно воздействие морозобойных трещин на линейные сооружения (трубопроводы, подземные кабели и др.)—оно приводит к их разрушению.

Рис. 3.9. Схема перемещения частицы грунта, находящейся на поверхности откоса

Солифлюкция — медленное сползание грунта по склонам происходит в условиях пучинистых грунтов. Причиной этого процесса является поднятие частиц грунта, расположенных У поверхности земли по нормали к ней при промерзании и раз-Витии пучения (например, из точки А в точку В — рис. 3.9) и опускание их при оттаивании под действием сил гравитации по вертикали вниз (из точки В в точку С). В результате за один год частицы грунта из точки А переместятся в точку С. Аналогичная картина будет наблюдаться в пределах всего склона. Частицы грунта, расположенные на некоторой глубине, будут совершать такое же движение, но с меньшей интенсивностью. Это ведет к затуханию перемещения грунта по склону с глубиной. Явление солифлюкции оказывает отрицательное воздействие на линейные сооружения, прокладываемые на склонах.
На. откосах крутизной 1:1,5 и 1:2, кроме солифлюкции, весной наблюдается образование поверхностных оползней (сползание части слоя сезонного оттаивания). Они вызываются следующими причинами. При промерзании грунта происходит миграция влаги в верхние горизонты деятельного слоя. В результате верхняя его часть переувлажняется. В процессе оттаивания переувлажненные грунты легко сползают по слою еще мерзлого грунта. Этому способствует наличие прослоев и линз льда, совпадающих по направлению с направлением откоса. Исследования, выполненные Н. К. Захаровым в ЛИСИ, показали, что в процессе оттаивания суглинков их сопротивление сдвигу может уменьшаться примерно на 50 %.
Таким образом, в пределах деятельного слоя протекает одновременно много процессов, которые необходимо учитывать при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов.