Мерзлі та вічномерзлі грунти

1. Морозне здимання порід

На територіях, де взимку температура повітря нижче нуля, ґрунти промерзають на деяку глибину, а в теплу пору року відтають. Це явище називають сезонним промерзанням. Цей важливий показник враховують при визначенні глибини закладання фундаментів споруд.

На величину сезонного промерзання поверхні землі впливають такі фактори:

1. потужність снігового покриву;
2. рельєф поверхні;
3. геологічна будова;
4. гідрогеологічні умови.

Найбільша глибина промерзання помічена у гравійних та гравійно-галечних ґрунтів, найменша – у глинистих. Головними деформаціями, пов'язаними із сезонним промерзанням і розтаванням ґрунтів, є здимання під час промерзання і осідання під час розтавання.

Здимання ґрунтів – це збільшення в об'ємі під час промерзання у зв'язку з утворенням льоду у верхній частині ґрунтів у вигляді прошарків, лінз та окремих кристалів льоду в результаті міграції води до фронту промерзання.

Інтенсивність здимання визначається вологістю глинистих порід. Деякі спеціалісти вважають, що морозне здимання порід відбувається при вологості, яка дорівнює межі розкочування або її перевищення.

Найбільший ефект морозного здимання спостерігається у грунтів, які містять 50-70% пилуватих частинок. У них підняття земної поверхні при промерзанні досягає найбільшої величини.

Залежно від місцезнаходження шару, який викликає нерівномірне здимання, вири розподіляють таким чином:

1. баластні (поверхневі), які не перевищують 3-5 см у висоту;

2. ґрунтові (корінні), досягають 30 см.

Утворенню ґрунтових вирів запобігають, не допускаючи воду до фронту промерзання, що досягається влаштуванням дренажів під канавами, утворенням прошарків з гравію, гальки, щебеню та інших фільтруючих матеріалів у земляному полотні, щоб припинити капілярне підняття води.

Спливання укосів виникають внаслідок перезволоження порід у процесі промерзання та різкого зменшення їх сил опору зрушенню при таненні. Спливання маси порід відбувається на межі з мерзлим ґрунтом. Особливо це явище поширене у південних районах територій вічної мерзлоти.

2. Вічна мерзлота

Райони півночі Європи, Азії та Північної Америки складаються з порід, у яких міститься лід. Ці породи не підлягають сезонному відтаванню і мають середню температуру мінус 1- мінус 2° С. Це райони вічної мерзлоти.

Вічна мерзлота являє собою товщу гірських порід, у якій протягом невизначено довгого часу підтримується від'ємна температура, що обумовлює присутність у ній льоду, який цементує частинки порід.

Але навіть у районах вічної мерзлоти зустрічаються породи, у яких незалежно від їх температури циркулює вода, а також ґрунти з додатною температурою, їх називають таликовими або таликами. Вони утворюються під ріками, озерами, в місцях інтенсивного виходу підземних вод.

Залежно від розташування таликів відносно мерзлих порід вони бувають наскрізні та замкнені.

Гірські породи, розташовані в областях вічної мерзлоти, які щорічно розтають влітку і замерзають взимку, складають діяльний шар. Його потужність залежно від географічного розташування району та складу порід змінюється від 20-30 см і до 3-4 м. В районах Півночі потужність діяльного шару зменшується. Найбільша потужність характерна для пісків, найменша – для торфу. Наприклад, на південь від 55° північної довготи, потужність діяльного шару досягає: у пісках 3-4 м, у глинистих породах 1,8-2,5 м, у торфі 0,7-1 м, а на узбережжі Льодовитого океану – у пісках 1,2-1,6 м, у глинистих породах 0,7-1 м, у торфі – 0,2-0,4 м.

Багаторічна мерзлота становить значну перепону для пересування підземних вод і тому практично розглядається як водотривкий шар. Але на ряді ділянок підземні води циркулюють у товщі багаторічної мерзлоти, для них шляхами є прошарки та прожилки талих порід серед мерзлої товщі. В зоні багаторічної мерзлоти виділяють надмерзлотні, міжмерзлотні та підмерзлотні води.

Класифікація вічної мерзлоти

1.      У плані:

а) суцільна (поширена на значній території);

б) з таликами (розчленована таликами на території різноманітної площини);

в) острівна (у вигляді островів серед необмежених просторів талих порід).

2.      У вертикальному розрізі:

а) безперервна (на всій глибині у мерзлому стані);

б) шарувата (складається з чергування вічномерзлих і талих порід).

3.      По відношенню до зимового промерзання:

а) зливна (взимку її поверхня щорічно зливається із шаром зимового промерзання) (рис. 6.21);

б) незливна (зливання не буває або буває не кожний рік) (рис. 6.21).

4.      За температурним режимом:

а) діяльний шар;

б) вічномерзла товща (температура коливається від 0 до мінус 8 °С); підмерзлотна товща.

5.      За фізичним станом:

а) монолітна (в рихлих породах частинки зцементовані льодом); суха (уламки порід незцементовані у моноліт внаслідок відсутності вологи);

б) пластична (буває у глинистих породах, які мають температуру від 0,1 до – 0,7°С, але за зовнішнім виглядом не відрізняються від талих).

3. Багаторічна мерзлота

Багаторічна мерзлота. Багаторічна мерзлота в Україні відсутня, проте вона займає величезні площі на півночі Росії, країн Скандинавії, Канади та США. Вивчають її геологічними і геотермічними методами, що дозволяють вирішити дві групи задач:
1) загальні – для будь-яких районів проведення пошуків, незалежно від їх температурного режиму;
2) конкретні – пов’язані безпосередньо з вивченням багаторічної мерзлоти як фізико-геологічного та інженерно-геологічного явища.
У задачах першої групи необхідно виділити визначення товщини і складу четвертинних відкладів, що під час проведення інженерно-геологічних та гідрогеологічних вишукувань в умовах як талих, так і мерзлих порід має вирішальне значення.

Для визначення нижньої і верхньої границь розповсюдження мерзлоти використовують метод електричного зондування. Верхню поверхню мерзлоти фіксують за крутим підйомом кривих зондування, а нижню – простежують за правою круто падаючою гілкою кривої. У свердловинах ці границі визначаються методами електричного та термічного каротажу. У сталих термічних умовах вони відповідають переходу термограм через лінію нуля, змінам їх нахилу, різкому стрибку опорів та аномаліям у природному електричному полі.
У гірських районах інженерно-геологічні дослідження тісно пов’язані з вирішенням питань гляціології. Серед геофізичних методів під час вивчення гірських льодовиків невеликої потужності найчастіше використовують електророзвідку на постійному струмі. Породи, що складають ложе льодовика, відбиваються на кривих електричних зондувань зниженими електричними опорами, незалежно від їх літологічного складу. Досвід канадських геофізиків вказує, що для визначення потужностей льодовиків досить перспективним є застосування частотних електромагнітних зондувань, а також радіохвильових методів. Під час вивчення льодовиків з успіхом застосовується також сейсморозвідка.