Грунты и мороз
Ужасный холод. Прохожие быстро бегут по улице, чтобы попасть в теплые помещения. Что сейчас происходит на местах? Если они сверху теплые и покрыты снежным «одеялом», то появляется лишь небольшой иней. Однако бывает, что земля не защищена снегом. Снежного покрова еще нет, хотя, возможно, его сдуло ветром или в октябре и ноябре были сильные морозы. В этом случае глубокое промерзание почвы неизбежно в северных районах, где холода могут быть очень сильными.
Во-первых, вода в крупных порах замерзает. Он переходит в твердое кристаллическое состояние и упрочняет частицы почвы. Скалы, насыщенные слабой глиной и песком, превращаются в крепкие, каменистые почвы. Если до морозов их можно легко выкопать лопатой, то после морозов для борьбы с этими камнями придется использовать ломы, кирки, а иногда и взрывчатку.
Весной, при потеплении, замерзшая земля тает, часто превращаясь в слякотные комки. Известно, что при зимнем замерзании объем, занимаемый водой, увеличивается по мере ее превращения в лед. Она составляет приблизительно 9 процентов. Но процесс на этом не заканчивается. Своеобразным явлением, возникающим при длительных заморозках, является постоянное увеличение влажности почвы. Это является результатом притока воды из нижних слоев. Водяной пар перемещается в зоны с более низкими температурами.
В некоторых случаях на замерзшей земле оказывается так много воды, что образуется целый ледяной щит. Этот процесс сопровождается увеличением объема почвы. В результате давление замерзания становится очень высоким (до 200 МПа), что облегчает подъем зданий, вспучивание дорожного асфальта и деформацию взлетно-посадочных полос железных дорог и аэропортов. В середине зимы этот отек может достигать десятков сантиметров.
Этот процесс известен как замораживание. Это создает множество проблем для строителей дорог, рабочих и гидротехников. Волны мороза возникают в начале зимы и затем увеличиваются до весны. В теплую погоду лед начинает таять, и грунт разжижается, образуя вместо «выпуклостей» полости, заполненные жидкой грязью. Асфальт на шоссе изнашивается, а на грунтовых дорогах появляются выбоины и ямы.
Каждый год в США из-за оледенения разрушаются сотни километров автомобильных и железных дорог в Висконсине, Небраске, Айдахо и других штатах.
Подрядчики и специалисты по морозам должны иметь дело с зимними волнами мороза. Существует несколько способов сделать это. Один из них — добавление в почву соли (хлорида кальция). При наличии всего 1-2% почва не замерзнет при 0°C, но замерзнет при минус 10-12°C. Во многих случаях этого достаточно для предотвращения образования карстовых воронок.
Другим методом является дренаж рыхлых почв. Если воду можно отводить, то ледниковое действие либо не происходит, либо значительно слабее.
Следует упомянуть еще один интересный факт. Н.А. Цытович исследовал мерзлый грунт и установил, что он прочен только в том случае, если давление действует непродолжительное время. В этом случае мерзлый грунт может выдержать давление до 150 МПа. Однако все меняется, когда нагрузка прикладывается на более длительный период времени. В этом случае замерзший грунт начинает медленно течь, как очень вязкое жидкое тело.
Чем объясняется это странное на первый взгляд явление? Оказывается, не вся вода замерзает на замерзшей земле. Тонкая пленка связанной воды, окружающая глинистые частицы, превращается в лед при очень низких температурах (от -30 до -50°C). Даже в вечномерзлых породах на севере нашей страны температура обычно держится в пределах от -1 до -15°C. Поэтому, как правило, вода в пленке удерживается на замерзшем грунте в жидком виде. Именно это определяет поведение мерзлого грунта под устойчивым давлением.
Когда почва, насыщенная водой, сначала замерзает, а затем оттаивает, она начинает терять свою первоначальную прочность. Чем чаще повторяются эти циклы, тем больше нарушается его структура. В конечном итоге это приводит к полному разрушению. Конечно, в разных регионах этот процесс протекает по-разному. В лаборатории это замораживание происходит в специальных холодильных установках.
В некоторых случаях для разрушения требуется всего несколько циклов, в то время как в других случаях могут потребоваться десятки или сотни циклов. Глинистые почвы быстрее разрушаются. Поэтому говорят, что они «заморожены». Скалистые почвы могут выдержать сотни циклов. Их разрушение зависит от того, насколько они разрушены, насколько они пористы и какие минералы в них содержатся.
Каковы причины разрушения горных пород в результате попеременного замораживания и оттаивания? Одна из причин уже известна: это расширение воды, содержащейся в порах, в результате ее превращения в лед. Другая причина заключается в различной величине расширения и сжатия различных типов минералов. Пример естественной эрозии редиса и того, как это происходит, показан ниже.
Вышеупомянутый процесс морозной эрозии почв часто можно наблюдать на насыпях, карьерах и откосах земляных дамб. Если не укрепить его в соответствии с требованиями газона или дерна, морозостойкая глинистая почва начнет отслаиваться, и появится сеть трещин. Затем осадки завершают работу. В течение двух-трех месяцев такие склоны теряют свою форму и покрываются глубокими карстовыми воронками.
Почему одни почвы разлагаются быстрее, а другие медленнее? Существует множество причин такой реакции на колебания температуры. Во-первых, она определяется характером отношений между частицами. В плотно связанных почвах подстилающих пород разрушение происходит гораздо медленнее, чем в менее плотно связанных почвах.
Как можно легко догадаться, самым важным фактором является наличие воды. Поэтому морозостойкость оценивается в почвах, насыщенных водой. В сухих почвах, где вода не заполняет поры, разрушение от мороза происходит очень медленно. Структура породы — ее пористость (в основном активная — крупная), размер, расположение частиц и другие характеристики — очень важны в этом процессе. Когда температура быстро повышается и понижается, почва разрушается быстрее.
Еще одним интересным явлением, возникающим при замерзании водонасыщенного грунта, является «вмерзание» в грунт фундаментов, свай и других конструкций. Это явление увеличивает давление, которое могут выдержать сваи. Измерения, проведенные С.С. Вяловым на песчаной влажной почве, показали, что замерзание увеличивает несущую способность на 25-50%.
Замерзшая почва отличается от обычной почвы тем, что она представляет собой четырехкомпонентную систему, а не трехкомпонентную. Помимо твердой, жидкой и газообразной частей, в их структуре участвует лед. Образование последнего происходит при температуре от -0,2 до -1,2°C. Эти условия требуют применения специальных методов исследования, разработанных наукой о «постоянном льде» (одна из дисциплин технической геологии).
