§ 16. Промерзание грунта

По температурному режиму грунтов территорию суши делят на три зоны: 1) с положительной температурой верхних и глубинных слоев; 2) с положительной и отрицательной температурой верхних слоев и с положительной температурой нижних слоев, так назы­ваемых сезоннопромерзающих грунтов; 3) с переменной температу­рой (положительной или отрицательной) верхних слоев, а нижних только с отрицательной — зона вечной мерзлоты.

Территория нашей страны расположена преимущественно во второй и третьей зонах.

Температура верхних слоев грунта зависит главным образом от температуры воздуха и глубины залегания грунта. Однако если амплитуда колебаний температуры воздуха может достигать 60°, то в грунте эти колебания в зависимости от глубины намного меньше. По данным измерений А. В. Голубева, на одной из площадок Москов­ской области наблюдались следующие годовые амплитуды темпера-тур: 18,5; 13,8; 11,5; 9,1; 7,7; 4,2; 3,2° при глубине соответственно 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5 м.

Если бы наблюдения велись еще и на больших глубинах, то можно было бы установить место, в котором годовая амплитуда температур равна нулю. Пояс постоянной температуры для назван­ного выше места располагается на глубине 20 м и равняется +4°. Это необходимо знать при решении некоторых задач, например, при установлении глубины закладки якоря специального репера, который должен находиться в условиях минимального изменения

температур.

Само изменение температуры грунта практически не ведет к его деформации, но влияет на его влажностный режим, что может вы звать заметные деформации, поскольку такие широко распрсстраненные грунты, как глины и суглинки, могут при увеличении влаж- ности набухать, а при высыхании давать усадку, что в конечном счете может привести к деформации верхних слоев грунта на не сколько миллиметров.

Деформации грунта происходят и в связи с колебанием уровня грунтовых вод. Повысившийся уровень грунтовых вод ведет к взвешиванию частичек грунта, а так как они при этом становятся легче, грунт становится менее плотным — разуплотняется. При понижении уровня происходит обратный процесс. По данным М. С. Успенского, в условиях Московской области, в месте, где колебания уровня грунтовых вод достигали 1—2 м, поверхность грунта испытывала колебания на 2—3 мм.

Изменение уровня грунтовых вод может носить сезонный характер или быть единовременным, например при сработке уровня воды в водохранилище или откачках ее из горных выработок или артезианских скважин. Поскольку последние более значительны по величине, то и влияние их на деформацию грунтов более значительное.

Отмеченные процессы могут вызывать смещение грунта и легких сооружений; на устойчивость тяжелых сооружений эти воздействия не распространяются.

Более существенны деформации, связанные с промерзанием грунта. Глубина промерзания грунта зависит от ряда причин, особенно от местоположения участка, состава и состояния грунтов, глубины залегания грунтовых вод, характера зимы и т. д. Величина и характер распределения глубин промерзания грунтов по территории Советского Союза показаны на рис. 17.

Максимальные глубины промерзания грунтов на территории СССР достигают 2,5—3,5 м; последние приурочены главным образом к юго-восточным районам страны.

Итак, промерзание грунта ведет к его деформации. Известно, что при замерзании воды объем образующегося льда на 10% больше объема воды. Поэтому замерзание воды, оказавшейся в трещинах скальных пород, может привести к расширению и разрушению по роды. Мягкие грунты, содержащие воду в порах, не испытывают явного разрушения, но промежутки между частицами грунта увеличиваются, что в свою очередь ведет к общему увеличению объема грунта. Такое увеличение грунта в объеме вследствие замерзания называют пучением. Пучение больше у глинистых пород и меньше у песчаных. Весьма интересно, что в ходе постепенного промерзания грунта от поверхности вглубь в нем накапливается льда больше первоначального количества содержавшейся в грунте воды. Причина этого состоит в том, что к фронту промерзающего грунта из нижних слоев дополнительно поступает (мигрирует) вода. И эта миграция происходит с тем большей интенсивностью, чем ближе рас положен уровень грунтовых вод. Величина пучения зависит не только от состава и состояния (влажности) грунта, но и от положения водоносного горизонта: чем ближе последний расположен к поверхности земли, тем больше пучение.

Пучение прекращается к концу зимы, а по мере наступления теплого периода происходит обратный процесс — оттаивание грунта и возвращение его к первоначальному объему. Таким образом замерзание — оттаивание является процессом обратимым.

Если основание легкого сооружения заложено в промерзающий грунт, то в результате пучения оно будет приподнято и, как правило, на неодинаковую величину. К категории легких специальных сооружений следует отнести и геодезические центры. Для предотвращения смещения их, как известно, закладывают ниже границы максимального промерзания грунта. Тяжелые сооружения обычно не реагируют на морозное пучение в силу своего большого веса и обогрева грунта, на котором они стоят. К промерзанию особенно чувствительны водопровод и канализация, поэтому указанные подземные коммуникации всегда закладывают в незамерзающие грунты.