Оттаивание грунта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Оттаивание грунта

Содержание

1. Оттаивание грунта

2. Предварительное оттаивание грунта

3. Процесс весеннего оттаивания грунта

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

Список литературы

1. Оттаивание грунта

Оттаивание грунта (породы) (а. ground thawing; н. Воdenabtauen, Воdenauftauen; ф. degelement du sol; и. deshielo de suelo, desсоngelado de suelos, deshielo de terrenos, desсоngelado de terrenos) -- процесс перехода грунта из мёрзлого состояния в талое в связи с фазовым переходом лёд--вода при нагревании до температуры оттаивания (около 0°С). При фазовом переходе подземного льда в воду поглощается тепло и существенно изменяются механические, физико-химические, теплофизические, электрические свойства водной компоненты и самого грунта. Вследствие этих изменений происходят перестройка структуры грунта и резкое снижение прочностных и деформационных характеристик, что диктует необходимость изучения оттаивания как в естественных, так и техногенных условиях.

В естественных условиях оттаивание происходит вследствие воздействия природных источников тепла (солнечной радиации, воздушных масс и атмосферных процессов, поверхностных, грунтовых и термальных вод). В этих условиях различают сезонное и многолетнее оттаивание.

Оттаивание сезонномёрзлого слоя вне области распространения многолетнемёрзлых пород и в таликах происходит сверху под действием тепла, поступающего через дневную поверхность грунта, и снизу под действием тепла нижележащих талых пород; образование сезонно-талого слоя над многолетнемёрзлыми породами происходит под действием только поверхностных источников тепла. Многолетнее оттаивание захватывает толщу многолетнемёрзлых пород. Оно происходит сверху под действием поверхностных источников тепла и снизу под действием глубинных источников тепла и подземных вод, что приводит к уменьшению мощности мёрзлых толщ или к их полному исчезновению. Известны случаи сезонных колебаний положения подошвы многолетнемёрзлых пород (их оттаивание -- промерзание) в связи с колебаниями температуры грунтовых вод. Продолжительность многолетнего оттаивания может составлять от нескольких лет до сотен тысяч лет, в зависимости от мощности толщи мёрзлых пород, их льдистости и интенсивности потоков тепла.

При техногенных воздействиях (см. также Водно-тепловая мелиорация) различают оттаивание: под влиянием естественных источников тепла в техногенно-изменённых условиях теплообмена на поверхности грунтов (например, при удалении растительности, торфяного слоя, затоплении площадки) и под воздействием техногенных (искусственных) источников тепла (тепловыделяющих сооружений, сброса промстоков и др.). В этих случаях оттаивание может проявляться как побочный (неблагоприятный) процесс или как регулируемый, входящий в технологическую схему (искусственное оттаивание). Неблагоприятные последствия оттаивания в техногенных условиях связаны со снижением прочности и просадкой оттаивающего грунта, а также осадкой его под сжимающей нагрузкой, что определяет сложные условия работы грунтов в основаниях сооружений, насыпях, откосах при оттаивании. Для предупреждения неблагоприятных последствий оттаивания в практике строительства и эксплуатации сооружений применяются: метод сохранения мёрзлого состояния грунтов -- изоляция источников тепла или поверхности грунта, устройство охлаждающих грунт конструкций; метод предпостроечного оттаивания и уплотнения оснований; конструктивный метод учёта предельных деформаций оттаивающих оснований при расчёте сооружений.

В практике горного дела оттаивание учитывается при расчёте бортов карьеров и выемок, откосов насыпей, отвалов, дамб. Для борьбы с негативными последствиями оттаивания на искусственных склонах иногда используются изолирующие покрытия (пенопластовые, дощатые щиты и т.п.), препятствующие прогреву и оттаивание теплом естественных источников. Чаще применяется "конструктивный" метод борьбы путём учёта негативных последствий оттаивание откосов при организации и планировании технологии горных работ.

Искусственное оттаивание широко используется в практике строительства и добычи полезных ископаемых в криолитозоне. Существует несколько способов такого оттаивания, различающихся в зависимости от источников тепла и способов теплопередачи. Радиационный способ -- оттаивание теплом естественных источников при сохранении естественных механизмов теплопередачи в грунтах и направленном изменении условий на их поверхности для увеличения поступления летнего тепла в грунт путем удаления растительного и торфяного покровов; то же с зачернением поверхности с целью уменьшения альбедо, применения плёночных покрытий и др. Наиболее эффективен и широко используется при горном производстве метод послойного удаления оттаивающего грунта, позволяющий за один летний сезон разработать толщу многолетнемёрзлых пород мощностью до 10-15 м. Эффективность гидрооттайки повышается с увеличением температуры воды, поэтому применяется её предварительный прогрев (искусственный или в прудах-отстойниках). Наиболее технологичен и широко распространён в практике подготовки россыпей к разработке гидроигловой способ (на оттаивание используется до 85% тепла подогретой воды), а для предпостроечного оттаивания при строительстве применяются оттаивание паром (паровыми иглами), электропрогрев и оттаивание переменным током, пропущенным между погружёнными в мёрзлый грунт электродами, пламенные и беспламенные источники высокой температуры, погружаемые в грунт по мере его оттаивания или устанавливаемые в скважины.

Эффективность использования способов искусственного оттаивания определяется свойствами грунтов: для хорошо водопроницаемых после оттаивания применяется гидро- и парооттайка, для глинистых и торфяных пород предпочтительно оттаивание теплом искусственных источников, а для пластов, подлежащих разработке, -- послойное оттаивание.

Особый случай искусственного оттаивания -- термодинамическая очистка рабочих поверхностей оборудования высокоскоростной газовой струёй от примёрзшей горной массы.

2. Предварительное оттаивание грунта

Предварительное оттаивание мерзлых грунтов основания может осуществляться двумя способами: с помощью использования естественного солнечного тепла и путем применения искусственных методов. Первый способ применим при неглубоком оттаивании грунтов (5--6 м). Второй способ -- гидравлическое оттаивание и оттаивание с помощью паровых игл (горячим паром) -- на глубину 7--10 м с последующим искусственным закреплением грунтов.

В настоящее время В.П. Горбуновым и Л.И. Куренковым (НИИОСП) разработан способ предпостроечного оттаивания и уплотнения вечномерзлых грунтов основания с помощью электрического тока и электроосмоса. Оттаивание основания из вечномерзлых грунтов производят также с помощью электропрогрева их переменным током. Электрический ток передается на глубину сжимаемой толщи через заглубленные в грунт трубчатые электроды, которые располагаются рядами

3. Процесс весеннего оттаивания грунта

Поэтому в результате развития вертикальных сил пучения, превышающих вес столба и силы бокового трения, грунт увлекает за собой столб вверх и вырывает его из нижележащих слоев грунта. При этом под столбом образуется полость, которая заполняется водой или разжиженным грунтом. При полном промерзании сезонноталого слоя в полости замерзает лед (или ледогрунт) (III). В процессе весеннего оттаивания грунта, пока оно не дойдет до подошвы столба, последний сохраняет наиболее высокое положение, достигнутое при выпучивании (IV). После оттаивания льда в полости происходит частичная осадка столба. Однако в. годовом цикле столб оказывается выпученным на какую-то высоту Ah. При ежегодном повторении такого процесса столб настолько выпучивается вверх, что теряет устойчивость и падает. При заглублении столба в мерзлую толщу ниже сезониоталого слоя его выпучиванию дополнительно противодействуют силы смерзания с многолетнемерзлой породой. Если эти силы и вес столба больше, сил пучения, то столб не выпучивается; если меньше -- он "выдергивается" из мерзлой толщи.

4. 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 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. 1. 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. 2. 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. 2). 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 отдельныхместах.

Как уже было сказано, в верхней части промерзшего слоя температура грунта сильно понижается (см. рис. 2). 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. Схема перемещения частицы грунта, находящейся на поверхности откоса

грунт оттаивание лёд весенний

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 развитии пучения (например, из точки А в точку В -- рис. 3) 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.

Список литературы

1. Горная Энциклопедия

2. Б.И. Долматов. Механика грунтов

Размещено на Allbest.ru