Оценка пучиноопасности сезонно-промерзающих и сезонно-оттаивающих грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород (На примере Читино-Ингодинской впадины)

Пятая глава.

В пятой главе на основе результатов полевых и лабораторных экспериментальных исследований проанализирована динамика и закономерности пучения и пучиноопасности пород от изменения основных природных факторов в результате потепления климата с учетом конкретных типов грунтов, имеющих широкое распространение в Читино-Ингодинской впадине, выполнено оценка изменения пучиноопасности грунтов и составлены схематические карты изменения пучиноопасности территории в условиях деградации многолетнемерзлых пород на исследуемой территории.

Результаты исследований пучения песчаных крупнообломочных грунтов показали что, с начала промерзания (середина октября) и до конца декабря отмечается монотонно прогрессирующий характер изменения величины пучения (h_р), зависящие (при прочих равных условиях) от содержания крупнодисперсной составляющей. Так при изменении содержания крупообломочных фракций от 10 до 35%, h_р уменьшилось от 1,9 до 1,5 см при глубине слоя сезонного промерзания равном 3,7 м. По завершению промерзания пород в феврале конечные значения пучения были соответственно равны 2,3 и 1,7 см.

В суглинистых и супесчаных грунтах увеличение содержания крупнообломочных фракций от 14,4 до 39,3% не привело к снижению пучения. Напротив, в конце декабря в первом случае h_р было равно 6,3, во втором - 9,2 см при глубине промерзания равной соответственно для супесчаных - 1,78 и для суглинистых грунтов - 1, 54 м.

С декабря по февраль значения пучения для супесчаных грунтов увеличились до 9,4, суглинистых - до 24,2 см, при глубине сезонного промерзания соответственно 2,47 и 1, 96 м.

На завершающей стадии промерзания супесчаных и суглинистых грунтов с февраля по март и начальной стадии их "оттаивания" (повышения температур грунтов в диапазоне их отрицательных значений) отмечалось незначительное увеличение пучения не превышающее 10 - 15%.

Таким образом, в процессе промерзания выделялось для песчаных грунтов два, для супесчаных и суглинистых - три временных участка изменения скорости и величин пучения грунтов. Несомненно, это должно учитываться для оценки изменения пучиноопасности грунтов во времени.

Результаты лабораторных экспериментальных исследований пучения супесчаных и суглинистых грунтов позволили выявить зависимости значений величин относительного их пучения от скорости промерзания при различных градиентах температур и содержания крупнообломочного материала.

Известно, что пучиноопасность глинистых грунтов достигает максимальных значений при градиентах 10 - 30^oС/м и скорости промерзания 3,12 - 2,40 см/сут (Орлов и др., 1977; Деформации..., 1985). В то же время Г.М.Фельдман (1988) показал, что это происходит при V_пр=1,7 - 2,4 см/сут. В нашем случае, максимальное пучение крупнообломочных пород наблюдалось при градиентах температур, изменяющихся от 3,3 до 10^oС/м и при более низких значениях V_пр, чем указано выше. По всей видимости, ответ здесь следует искать в особенностях влияния крупнообломочного материала на распределение миграционного потока влаги и льдовыделения. Изучая криогенное строение образцов крупнообломочных пород, содержащих крупнообломочного материала более 50%, формирующееся при grad_ξt > 10^oС/м, было отмечено, что в мелкоземе преобладало цементное и инъекционное льдовыделение, при содержании крупнообломочного материала менее 50% - сегрегационное льдовыделение. При grad_ξt < 10^oС/м цементное льдовыделение носило явно подчиненный характер, при возросшей роли сегрегационного и инъекционного. По всей видимости, это отразилось и на формировании величин относительного пучения (e_р). В крупнообломочных грунтах с супесчаным заполнителем при изменении содержания крупнообломочного материала от 12 до 74% и grad_ξt=3,3^oС/м, значение относительного пучения уменьшилось на 280%, в суглинистых - на 200%. Эта же закономерность прослеживается и при других градиентах температур промерзания грунтов. В связи с этим, вероятно, можно заключить, что изменение содержания крупнообломочного материала в крупнообломочных грунтах с супесчаным заполнителем на пучиноопасность оказывает большее влияние в сравнении с глинистыми (Рис.4).

Для оценки характеристик пучения и пучиноопасности широкое распространение получили экспериментально-теоретические зависимости (Орлов, 1962; 1985; Чистотинов, Невечеря, 1975; Гречищев и др., 1980). В диссертации была использована математическая модель для оценки пучения крупнообломочных грунтов Д.М. Шестернева (2004), полученная на основе модификации математической модели Э.Д. Ершова, Ю.П. Лебеденко (1985) для оценки пучения тонкодисперсных грунтов (h_p - величина пучения пород, см). Выбор данной модели был обусловлен тем, что результаты расчета величин криогенного пучения для различных грунтов Читино-Ингодинской впадины хорошо коррелировались с данными натурных режимных наблюдений:

где ξ - глубина промерзания пород, см; k_мдс - относительное содержание мелкодисперсной составляющей, д.е.; W^мдс_tot, W^мдс_n - суммарная влажность и количество незамерзшей воды мелкозема, д.е.; k_w - коэффициент диффузии влаги; δ^Ф_i - термоградиентный коэффициент, гр^.см^-3с^-1; grad_Lt - градиент температур в зоне интенсивных фазовых переходов, ^oС/см; V_пр - скорость промерзания грунтов, см^.с^-1.

Наиболее трудноопределяемыми параметрами являются k_w , δ^Ф_i и grad_Lt, для вычисления которых с использованием экспериментальных данных получены следующие зависимости:

здесь эмпирические коэффициенты А и В найдены методом математической статистики для различных типов мелкодисперсного заполнителя в крупнообломочных породах, t_п.сз, ξ - соответственно температура начала фазовых переходов, среднезимнее значение температуры на поверхности грунта (^oС), мощность слоя сезонного промерзания (Табл.5.1).

Относительная погрешность вычисленных значений пучения пород с использованием выбранной математической модели (5.1) в сравнении с экспериментальными данными с вероятностью 0,85 не превышает 15%.

Таблица 5.1. Значения расчетных коэффициентов, используемых в эмпирических зависимостях (5.2; 5.3) для оценки коэффициентов диффузии (kw) и термоградиентных коэффициентов мелкодисперсных составляющих крупнообломочных пород.
Наименование грунтов по ГОСТ 25100-95	kw		δФi
	A	B	A	B
1	2	3	4	5
Супесь	-	-	11,07	5,35
Супесь легкая пылеватая	7,48	2,56	-	-
Супесь тяжелая пылеватая	12,45	8,70	-	-
Суглинок	-	-	7,53	4,58
Суглинок легкий пылеватый	16,90	13,96	-	-
Суглинок средний пылеватый	17,29	13,72	-	-
Суглинок тяжелый пылеватый	23,75	25,18	-	-

Для оценки пучиноопасности грунтов нами были учтены диапазоны изменения значений среднегодовых температур (от -4 до -1^oС) и амплитуд температур воздуха (от 21,5 до 23^oС) начиная с 1890 по 2002 годы, которые предопределяли (при прочих равных условиях) формирование мощности слоя сезонного оттаивания и промерзания пород. В качестве грунтов, прогнозная оценка пучения и пучиноопасности которых нами была выполнена, были выбраны пески, супеси и суглинки с изменением крупнообломочных фракций от 10 до 70%.

Полученные результаты вычислений показали, что песчаные типы грунтов при всех условиях промерзания и свойствах грунтов перед промерзанием относятся к практически непучинистым. Супесчаные грунты при повышении температуры (потеплении климата) и увеличении содержания крупнообломочных фракций до 50% перешли из категории слабопучинистых в чрезмернопучинистые. Для суглинистых грунтов направленность изменений пучения и пучиноопасности практически не отличалась от супесчаных грунтов с соответствующим содержанием крупнообломочных фракций, но по абсолютному значению они были существенно меньше первых. Повидимому это связано с тем, что при прочих равных условиях, влагопроводность супесей значительно больше, чем у суглинков и глин (Орлов, 1962; Ершов и др., 1985). Аналогичная направленность изменений пучиноопасности была установлена и в ходе экспериментальных лабораторных и полевых исследований.

Применение принятой методической схемы оценки пучиноопасности грунтов и знание изменений основных классификационных параметров типов сезонного оттаивания и промерзания пород позволили показать взаимосвязь изменения пучиноопасности грунтов при изменении типов сезонного промерзания и оттаивания пород в условиях их деградации вызванной потеплением климата (рис. 5а,б).

Анализируя картину изменения пучинистости песчаных грунтов, следует отметить, что недостаточно влажные их разновидности даже при изменении типов сезонного оттаивания и промерзания пород при постоянной продолжительности существования и повышения уровня залегания грунтовых вод изменились незначительно, поскольку перемещения влаги к фронту промерзания в песчаных грунтах практически отсутствует. А если и есть, то оно, по-видимому, более чем на порядок меньше в сравнении с глинистыми грунтами. В отношении изменения пучиноопасности супесей и суглинков, супесчаных и суглинистых крупнообломочных грунтов установлена другая картина. Влажность этих грунтов перед промерзанием и в первый (1890 - 1960 гг.) и во второй (1960 - 2002 гг.) периоды изменялась в одном и том же интервале значений от влажных до сильно влажных. Однако при одинаковой степени влажности решающее значение на пучиноопасность имели изменения продолжительности существования и глубины залегания уровня грунтовых и надмерзлотных вод. В период интенсивного потепления климата (с 1960 г. по настоящее время) грунтовые воды характеризуются постоянным существованием в слое сезонного промерзания и оттаивания пород, а глубина их залегания равна или больше глубины слоя сезонного промерзания или оттаивания пород.

Выполненные исследования показали, что практически во всех типах сезонного промерзания и оттаивания грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых грунтов пучиноопасность супесчаных и суглинистых грунтов увеличилась на одну или две категории, а в ряде случаев достигла критического значения.

Полученные результаты являются весьма важными для принятия проектных решений при хозяйственном освоении территории исследования, а также для разработки мероприятий по обеспечению эффективной эксплуатации инженерных сооружений построенных ранее. Результаты данных исследований были использованы при составлении <Оснований и фундаментов на мерзлых грунтах. ТСН 50-305-2004 Читинской области. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2005. - 28 с.>