Зимой грунт на некоторую глубину промерзает, а весной - летом оттаивает. Глубина сезонного промерзания (ГСП) зависит от климата, рельефа, мощности снежного покрова, состава пород и многих других факторов, меняясь в различных областях России от 0,4 до 3 метров. В пределах ГСП происходит перераспределение влаги в грунте и переход воды в лед, что в конечном счете может привести к увеличению объема грунта. Этот процесс называется морозным пучением. Оно имеет большое значение для многих конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий и пр. Интенсивность морозного пучения зависит от ГСП, характера промерзающих пород, их влажности и возможности дополнительного увлажнения при высоком положении уровня подземных вод.
Причин морозного пучения две: увеличение объема при замерзании находящейся в порах грунта воды, поскольку плотность льда меньше, чем у воды. Однако основной причиной является миграция воды к фронту промерзания в двух ее формах: капиллярной и пленочной, или рыхлосвязанной. Движение последней связано с уменьшением толщины водных оболочек частиц грунта при росте на фронте промерзания кристаллов льда. Поэтому у фронта промерзания идет процесс избыточного льдовыделения и соответственно при понижении фронта до ГСП в грунте льда окажется много больше того, что обусловила бы первоначальная влажность грунта. Следствием описанного процесса будет подъем свободной поверхности грунта – как правило, неравномерный с образованием горбов – пучин. Если же возможность поднятия вверх затруднена находящейся здесь конструкцией, на нее будет действовать давление морозного пучения.
По характеру процесса очевидно, что наиболее пучиноопасными будут грунты с большим содержанием пылеватой фракции – супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески. Пучение не происходит в чистых гравелистых, крупных и средней крупности песках, в массивных скальных породах.
На железных дорогах пучение приводит к образованию пучин – местных поднятий верхнего строения пути, искажающих его продольный профиль и ухудшающих условия движения. При оттаивании и переувлажнении верхнего слоя земляного полотна в разжиженный грунт уходит балласт; в основной площадке образуются балластные корыта. При подсыпках балласта повторение процесса приводит к возникновению балластных мешков, карманов, распространяющихся на глубину нескольких метров.
К мероприятиям по борьбе с морозным пучением фундаментов зданий и земляного полотна железных дорог относятся:
- устройство в основании здания или насыпи земляного полотна прерывателей капиллярного подъема воды – слоев из щебня, гравия и гальки;
- устройство подушек из шлака, песчано-гравийных смесей;
- применение термоизоляции;
- устройство гидроизоляции из полимерной пленки;
- обработка зоны миграции влаги постоянным электрическим током с подачей в перфорированный анод раствора хлористого кальция.
Из профилактических мер важное значение имеет очистка балласта и надзор за исправностью водоотводных устройств.
В некоторых районах Севера Европы, Азии, Америки верхние слои ЗК постоянно находятся в мерзлом состоянии, имея температуру ниже нуля. Это области вечной мерзлоты (ВМ); общая площадь ее на земной поверхности 35,07 млн. км2. В летний период небольшой верхний слой грунта (обычно до 2,5 м) оттаивает, т.е. это слой сезонного оттаивания, или деятельный слой. В России ВМ занимает 11,2 млн. км2, что составляет 65,6% ее территории. В зоне ВМ проходит большая часть БАМ, вся Амуро-Якутская магистраль, разрабатываются многие месторождения полезных ископаемых. Поэтому изучение ВМ имеет большое значение.
ВМ очень разнообразна; некоторое представление об этом дают следующие классификации.
А) По распространению в плане – сплошная; с таликами, то есть участками талых пород; островная, когда ВМ встречается в виде островов, окруженных обычными талыми грунтами. На севере Сибири ВМ сплошная с мощностью до 100…500 м; ближе к южной границе ВМ встречается отдельными участками среди талых пород, т.е островная.
Б) По разрезу – непрерывная и слоистая, когда чередуются мерзлые и талые слои.
В) По соотношению с деятельным слоем – сливающаяся и несливающаяся. В последнем случае между промерзающим зимой деятельным слоем и вечной мерзлотой остается слой талого грунта.
Г) По состоянию и степени цементации породы льдом различают ВМ монолитную, сухую и пластичную, а слагающие ее грунты называют соответственно твердомерзлыми, сыпучемерзлыми и пластичномерзлыми. Твердомерзлые – это глинистые породы при низких температурах (-20 и ниже), прочно сцементированные льдом; сыпучемерзлые – несвязные маловлажные грунты. Пластичномерзлые наиболее неблагоприятны в строительстве; это глинистые грунты при отрицательных температурах, близких к нулю. По виду они почти не отличаются от талых грунтов, но при оттаивании переходят в текучепластичное или даже текучее состояние, т.е. становятся заведомо слабыми грунтами.
Подземные воды ВМ подразделяются на три типа: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные – это воды первого водоносного горизонта, приуроченного к породам деятельного слоя. Водоупор для них – ВМ. Могут полностью или частично промерзать; в последнем случае в них может появиться напор, хотя в общем это ненапорные воды, аналогичные грунтовым.
Межмерзлотные воды циркулируют по таликам и трещинам в толще ВМ, часто являются напорными. Подмерзлотные – напорные воды глубоких водоносных горизонтов под толщей ВМ.
Слово «вечная» в названии ВМ не должно мешать представлению о ней как системе динамической, чутко реагирующей на аномальные природные и критические техногенные воздействия. Поэтому ВМ может распространяться (аградация), или оттаивать (деградация).
К наиболее характерным мерзлотным процессам и явлениям относятся наледи, бугры пучения, морозобойные трещины и клинья льда, термокарст, солифлюкция, заболачивание.
Наледи образуются в местах прорыва надмерзлотных вод, когда они оказываются под напором из-за промерзания сверху деятельного слоя. Прорывы происходят в местах ослабления промерзшего слоя, или там, где промерзания не произошло – например, под сооружениями. Они наледью могут быть повреждены или разрушены. Распространены также наледи речные и озерные, иногда они могут захватить и берег. Летом лед тает. Но распространены и многолетние наледи (ключевые), связанные с выходами межмерзлотных вод таликов или даже подмерзлотных в виде источников. Объем таких наледей достигает миллионов кубометров. Например, самая крупная в Якутии Большая Момская наледь занимает площадь 80 км2 с объемом льда 200 млн м3. Форма наледей связана с рельефом: на равнине это покровы, на пологих склонах потоки, на крутых – висячие наледи или ледопады.
Наледи могут повреждать опоры мостов, земляное полотно, забивать водопропускные трубы и тоннели. Борьба с наледями ведется скалыванием и таянием льда, искусственным утеплением русла водотоков в местах размещения искусственных сооружений, устройством мерзлотных поясов и др.
Бугры пучения возникают при поднятии промерзшей толщи деятельного слоя под напором надмерзлотной воды, в особенности связанной с таликами межмерзлотных вод. В этом случае массы льда образуются в толще грунта, поднимая ее в виде бугра пучения. При таянии льда летом бугор оседает, поверхность относительно выравнивается. Но при больших размерах бугра и поступлении напорных вод вытаивания льда может не произойти и рост бугра продолжится. Такие многолетние бугры пучения называются гидролакколитами (булгунняхи). Они могут достигать высоты 20…25м и диаметра 100м. Прорыв напорных вод может проявиться в виде взрыва с разрушением верха бугра, образованием кратера и разбрасыванием глыб породы и льда на значительное расстояние. Располагаются бугры пучения чаще в низинах, поймах рек, у подножья горных склонов.
Морозобойные трещины возникают при промерзании грунта. Распространяясь в глубину и заполняясь водой, снегом и льдом, они образуют ледяные клинья, проникающие иногда на глубину до 2м.
Термокарст – образование различных понижений – отрицательных форм рельефа (воронки, блюдца, котловины провалы) при вытаивании подземного льда и последующем оседании поверхности. Термокарст может быть связан с изменением климатических условий, особенно в южной зоне ВМ, а также в связи с хозяйственной деятельностью человека. Впадины заполняются водой и возникает типичный ландшафт «озерной тундры». При высыхании озер остаются котловины до 2-3 км длиной и 20 – 40 м глубиной – аласы.
Солифлюкция – оплывание, течение оттаявшего верхнего слоя на склоне. В результате на поверхности последнего появляются оплывины, террасовидные уступы.
Заболачивание развивается при избыточном увлажнении вследствие оттаивания верхнего слоя; водоупором является ВМ. При отсутствии стока в теплый период быстро развивается влаголюбивая растительность. Возникающие так болота называются мари.
Успешное строительство на ВМ возможно лишь при всестороннем учете ее особенностей. Это важно при выборе местоположения и принципа строительства – с сохранением мерзлого состояния грунта или его оттаиванием, что далее определяет технологию строительства и применяемые конструктивные решения сооружений, а также железных и автомобильных дорог. Заметим, что в дорожном строительстве практически всегда ориентируются на сохранение ВМ. Отсюда следуют такие конструктивные и технологические особенности, как преимущественное применение земляного полотна в виде насыпей, включение в них различных элементов регулирования вводно-теплового режима, производство работ в зимнее время, необходимость минимальных нарушений растительно-мохового слоя на территории и др.
ИГИз проводятся специализированными изыскательскими и проектно-изыскательскими организациями и организуются обычно в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный. Задачей подготовительного этапа является сбор материалов о природных и инженерно-геологических условиях района. Используются имеющиеся литературные, фондовые, архивные данные, результаты аэро- и космосъемки и др.; при необходимости собранные данные дополняются рекогносцировкой района. Материалы этого этапа используются для предпроектных стадий, а также для планирования работ полевого этапа.
Объем изысканий на этом главном полевом этапе изысканий зависит от стадии проектирования и вида строительства, от сложности инженерно-геологических условий района и степени их изученности. В общем могут выполняться следующие работы и исследования:
инженерно-геологическая съемка;
разведочные работы (бурение, шурфование, геофизические исследования, аэрофото- и космосъемка и др.);
гидрогеологические опытные исследования;
поиск и разведка месторождений местных строительных материалов;
полевые исследования свойств горных пород ( испытания штампом, различные виды зондирования, прессиометрия и др.)
лабораторные работы с определением показателей физико-механических свойств горных пород.
В более простых или хорошо изученных геологических условиях те или иные из перечисленных работ могут отсутствовать.
Окончательная обработка полевых материалов, результатов лабораторных работ и других исследований выполняется в камеральный период, завершающийся составлением инженерно-геологического отчета или заключения с рекомендациями для проектирования и строительства.
ИГР позволяет изучить горные породы в естественном залегании.
Горно-проходческие работы
Бурение скважин
Геофизические методы
Зондирование
Изучение ИГУ осуществляют «полевыми методами», на месте залегания горных пород. Эти методы позволяют изучать породы в естественных залеганиях, что повышает точность определения необходимых данных:
- состояние горных пород и их массивов;
- фильтрационные свойства и водопроницаемость горных пород;
- деформационные и прочностные свойства горных пород.
Шурф – вертикальная горная выработка прямоугольного или круглого (дудка) сечения, проходимая с поверхности до глубины 5,0 м.
Нормами рекомендуется ступенчатая форма шурфа. Шурф позволяет отбирать монолиты с высокой степенью сохранения их естественной структуры.
Шахты – вертикальные глубокие.
Штольни – горизонтальные.
Основным полевым методом является бурение скважин, позволяющее определить напластования горных пород на достаточной глубине, отбирать образцы горных пород с разных глубин для лабораторных исследований; определить глубину залегания подземных вод и т.д.
Диаметр разведочного бурения составляет 103-168 мм.
Бурение скважин ведется различными способами:
- ударно-канатным
- ударно-вращательным
- колонковым
- вибрационным
- шнековым
- роторным
Ударно-канатное бурение ведется за счет сбрасывания на забой утяжеленного бурового снаряда – желонка /в несвязных грунтах/, бурового стакана /в связных грунтах/, долото /в скальных и полускальных грунтах/ подвешенного на канате и последующего его поднятия на поверхность вместе с грунтом. Этот способ применяется, когда нет необходимости в изучении структуры и механических свойств грунтов.
Ударно-вращательное бурение, здесь грунт разрушается в процессе ударов бурового снаряда и его вращении, в качестве бурового снаряда здесь применяют также желонки, буровые стаканы и долото.
Колонковое бурение осуществляется с помощью колонковой трубы, состоящей из двух труб: внешней, вращающейся при бурении и навинченной на нее буровой коронки. При вращении бурового снаряда коронка разрушает породу по кольцу, оставляя в центре столбик породы – керн. При бурении по мере врезания снаряда в грунт во внутреннюю трубу поступает керн. При полном или частичном заполнении колонковой трубы керном ее извлекают из скважины, коронку отвинчивают, вынимают керн и проводят его геологическое описание. В зависимости от прочности горных пород используют разные буровые коронки: алмазные (МГП), победительные (ОГП).
Колонковое бурение было предложено швейцарцем Ж. Лешо в 1862. Применяется в породах любой твёрдости при бурении на нефть и газ, поисках и разведке месторождений твёрдых полезных ископаемых, геолого-съёмочных и картировочных работах, гидрогеологических, инженерно-геологических и геохимических исследованиях.
Диаметры применяемых коронок для геологоразведочного бурения 36-151 мм. Максимальная глубина колонкового бурения достигнута при бурении кольской сверхглубокой скважины (свыше 12 км).
Шнековое бурение — вращательное бурение, при котором разрушенная порода доставляется из скважины на поверхность шнеком (бурильной трубой с навитой на ней стальной лентой). Для шнекового бурения применяют буровые установки с подвижным вращателем с повышенным крутящим моментом, имеющие ход подачи в основном 1,8-3,0, иногда до 15 м.
Роторное бурение — разновидность вращательного бурения, когда породоразрушающий инструмент (долото), которым осуществляется углубление забоя в скважине цилиндрической формы, получает вращение через колонну бурильных труб от ротора буровой установки.
В слабых грунтах, где возможно оплывание стенок скважин, бурение ведут под защитой обсадной трубы (диаметр: 219, 168, 146, 127, 114) или под защитой глинистого раствора (бентонит. раствора). Прочные породы проходят без обсадки, слабые под защитой обсадной трубы диаметром меньше диаметра скважины. Каждая обсадная труда защемляется на своем уровне, после бурения обсадные трубы выдергиваются, начиная с меньшего диаметра.
Иногда возникает необходимость менять диаметр трубы, т.к. с глубиной увеличивается трение обсадной трубы о грунт и буровая установка не может преодолеть силы трения по боковой поверхности.
При ИГИ необходимо правильно подобрать буровую установку, диаметр и количество обсадных труб.
Вертикальная нагрузка (вес машины и вес обсадной трубы) должна быть достаточной, чтобы преодолеть трение по боковой поверхности обсадной трубы.
Для определения физико-механических характеристик в лаборатории необходимы монолиты грунтов с ненарушенной структурной. В лаборатории испытывают образец грунта на сжатие, сдвиг для определения механических характеристик.
В некоторых грунтах при бурении скважин невозможно отобрать образцы с ненарушенной структурой. Это такие грунты, как пески, пластичные глинистые грунты с IL > 0,75, торфы, илы, сапропель. Для таких грунтов только в шурфах возможен отбор образцов ненарушенной структурой.
В связи с этим используются полевые испытания грунтов (испытания грунтов в массиве).
Способы:
Штамповые испытания (плита квадратного или круглого сечения)
Прессиометр
Вращательный срез
Зондирование
Геофизические методы (неразрушающие)