Мёрзлые грунты
Мёрзлые грунты́, класс грунтов с криогенным типом структурных связей, выделяемый в общей классификации грунтов в царстве природных и в царстве искусственных (техногенных) грунтов. Отличительными признаками мёрзлых грунтов являются: наличие льда в виде видимых включений и/или льда-цемента и отрицательная или нулевая температура. Мёрзлые грунты также могут быть представлены толщами мономинерального состава – льдом. Грунты с отрицательной температурой, не содержащие льда, называются морозными (сухие разности) или отрицательнотемпературными немёрзлыми (засолённые влажные) и к классу мёрзлых грунтов не относятся.
Грунты, находящиеся в мёрзлом состоянии в течение одного холодного сезона, называются сезонномёрзлыми, более 1–2 лет – многолетнемёрзлыми. Среднегодовые температуры последних на территории России изменяются от 0 до –15...–18 °С, их мощность – от нескольких метров до 1500 м и более; мощность толщ сезонномёрзлых грунтов от нескольких десятков сантиметров до 3–5 м (редко более).
Многолетнемёрзлые природные грунты формируются различными способами. При одновременном протекании криолитогенеза и осадконакопления (синкриолитогенезе) промерзание осадков (снизу вверх) происходит почти одновременно, что приводит к образованию очень льдистых грунтов; в их разрезе могут присутствовать крупные залежи повторно-жильных, пластовых, сегрегационных и погребённых льдов, содержание которых достигает 20–50 % и более, а мощность – 40–50 м. При эпикриолитогенезе промерзание ранее накопившихся толщ происходит сверху вниз; их льдистость в однородных по составу глинистых массивах уменьшается вниз по разрезу; в эпикриогенных толщах встречаются крупные залежи подземных льдов внутригрунтовой природы – инъекционные и инъекционно-сегрегационные, мощностью от первых метров до нескольких десятков метров. При диакриолитогенезе промерзают сверху вниз молодые неуплотнённые влажные озёрные, морские, лагунные и другие бассейновые отложения; в результате формируются сильнольдистые грунты. Эпикриогенные многолетнемёрзлые образования наиболее распространены по сравнению с синкриогенными и диакриогенными.
Класс мёрзлых грунтов включает в качестве групп скальные промёрзшие грунты, дисперсные промёрзшие грунты и ледяные грунты (как природные, так и антропогенные). Мёрзлые скальные лёдоминеральные грунты формируются при эпигенетическом промерзании скальных и полускальных грунтов любого генезиса. Они содержат в составе лёд, который находится в трещинах и полостях. Объёмное количество льда изменяется от 1–2 % в невыветрелых слаботрещиноватых гранитах и базальтах до 10–15 % в песчаниках, аргиллитах, известняках (до 30 %) и выветрелых базальтах и андезитах.
Дисперсные промёрзшие грунты подразделяются на лёдоминеральные, минерально-ледяные, органоминерально-ледяные и минеральнооргано-ледяные. К первым относятся малольдистые и льдистые песчаные, глинистые и крупнообломочные грунты, в которых суммарное содержание льда менее 40 %. Три последующие подгруппы мёрзлых грунтов – сильнольдистые и очень сильнольдистые грунты, в которых содержание льда более 40 %.
Ледяные грунты представлены льдом разного генезиса: ледниковым, наледным, жильным, пещерным, инъекционным, речным, морским и др.
Физико-механические свойства мёрзлых грунтов в значительной степени зависят от их состава (включая льдистость и засолённость), пористости и температуры. Модуль упругости изменяется в диапазоне 300–3000 МПа, коэффициент Пуассона мёрзлых песчано-глинистых грунтов изменяется от 0,13 до 0,45. При понижении температуры его величина понижается, а при повышении, наоборот, увеличивается и стремится к максимальному значению.
Сжимаемость лёдоминеральных и минерально-ледяных грунтов возрастает в ряду пески → супеси → суглинки → глины, что объясняется увеличением количества незамёрзшей воды в грунтах с более высокой дисперсностью. Наличие ледяных прослоек в мёрзлых грунтах существенно влияет на величину осадок и их развитие во времени.
Прочность лёдоминеральных и минерально-ледяных грунтов чрезвычайно сильно зависит от их температуры и в большинстве случаев возрастает с её понижением. Это обусловлено уменьшением количества незамёрзшей воды и одновременным увеличением массы приконтактного льда, усилением льдоцементационного сцепления и упрочнения самого льда. В ряду глина → песок прочность мёрзлых пород, как правило, увеличивается. Прочность мёрзлых грунтов в большой степени зависит от времени воздействия на них нагрузки, снижаясь по мере его увеличения. Засоление мёрзлых грунтов существенно снижает их прочность, поскольку увеличение концентрации растворённых солей вызывает (при постоянной температуре) соответствующее увеличение незамёрзшей воды и уменьшение содержания льда в мёрзлом грунте.
Массивы лёдоминеральных и минерально-ледяных многолетнемёрзлых грунтов являются достаточно прочными и устойчивыми вследствие наличия в них льдоцементных связей в области низких среднегодовых температур. Однако при повышении температуры происходят существенные изменения свойств мёрзлых грунтов, а при их оттаивании возникают значительные деформации. Относительная осадка мёрзлого грунта при переходе его в оттаявшее состояние может превышать 20 %.