Гречищев С.Е. , доктор геол.-мин. наук, проф., 

Шешин Ю.Б., канд. геол.-мин. наук, ст.н.сотр.

ДорНИИ

РАЗВИТИЕ НЕКОТОРЫХ КРИОГЕННЫХ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В ОСНОВАНИЯХ СЕВЕРНЫХ АЭРОДРОМОВ

При проектировании, строительстве и эксплуатации аэродромов в криолитозоне или в районах с глубоким сезонным промерзанием основными вопросами обычно считаются изменение теплового состояния грунтов оснований и предотвращение таких криогенных физико-геологических процессов, как просадки, вследствие оттаивания многолетнемерзлых грунтов и морозное пучение грунтов вследствие миграции влаги к фронту промерзания. Однако наряду с этими процессами при обследовании некоторых действующих аэродромов было установлено проявление также других, менее очевидных, криогенных процессов, которым обычно придают малое значение, но которые в ряде случаев могут вызвать недопустимые деформации сооружений либо иные нега­тивные последствия. К таким процессам авторы относят следующие: криогенное растрескивание с ростом повторно-жильных льдов в грун­тах оснований, сезонное морозное пучение грунтов вследствие неоднородности промерзания и образование сезонных наледей или подтоплений отапливаемых зданий в период промерзания сезонноталого слоя (СТС). Эти и подобные им процессы вызваны действием самих сооружений и поэтому могут быть также названы инженерно-геокриологическими или криогеотехническими. Исследование этих процессов приобретает особое значение в связи с тенденцией строительства на севере земляных сооружений из местных материалов.

Криогенное растрескивание и рост повторно-жильных льдов в грунтах основании происходят под взлетно-посадочными полосами (ВПП) и рулежными дорожками (РД) в связи с расчисткой снега и как след­ствие этого дополнительным охлаждением грунтов оснований. Эти процессы развиваются сравнительно медленно и часто незаметно. Ося­заемые негативные последствия начинаются через несколько лет после начала их развития.

Детальное изучение криогенного растрескивания и роста техногенных повторно-жильных льдов проводилось в течение 1986—1989 гг. Объектом исследования являлся аэродром пос. Амдерма, расположенный на берегу Карского моря.

Годовое количество осадков в этом районе составляет 120–150 мм. Основная их часть выпадает в виде снега. Среднегодовая температура воздуха составляет –6,6°С. По данным метеостанции Амдермы за 52-летний цикл наблюдений установлено, что наиболее холодным месяцем является февраль (20 раз), далее январь (17 раз), март (11 раз), апрель (4 раза), декабрь (2 раза). Средняя месячная февральская температура воздуха за данный цикл наблюдений составила –19,5°С. В отдельные годы температура воздуха была достаточно низкой - до – 40°С. Низкие температуры воздуха и незначительный снежный покров способствуют развитию криогенного растрескивания грунтов.

Аэродром расположен на песчаной косе, вытянутой в широтном направлении. Нарастание косы происходило с запада на восток. Ожидается рост косы в связи с общим поднятием берега Карского моря в районе пос. Амдерма. Коса молодая, образовалась на многолетнемерзлых коренных породах силурийского возраста. Центральная и северная часть косы сложена до глубины 0,5¸3 м мелкими песками и легкими супесями. В южной части косы отложения перекрыты плохо разложившимся торфом с прослоями песка (мощность слоя 0,5–1,4 м). Ниже по разрезу залегают темно-серые мелкозернистые илистые пески с прослоями ила. Мощность прослоев ила от 0,2 до 5 м и увеличивается с севера на юг. Верхняя пачка песков и легких супесей обобщена в одну толщу мелко­зернистых песков влажностью 12–25 %, плотность грунтов до глубины 0,5 м - 1,6 г/см³, ниже 0,5 м - 1,7-1,8 г/см³. Пески не засолены. Содержание органики в сезонноталом слое незначительно. Илы отнесены по своим водно-физическим свойствам в основном к средним суглинкам. Мощность илов колеблется в широком диапазоне - от 30 до 70 %, плотность 1,7-1,85 г/см³. Пористость мерзлых илов достигает 50% и выше. Содержание органических остатков значительное. Потери при прокаливании — до 300 мг на 100 г грунта. Засоленность достигает 2 % и более.

В пределах территории исследуемого объекта выделено два водоносных горизонта: первый — верховодка - приурочен к слою сезонного оттаивания; второй — межмерзлотные криопэги.

Первый водоносный горизонт появляется только в период оттаивания и существует до момента смыкания сезонноталого слоя (СТС) с многолетнемерзлыми породами. Питание водоносного горизонта проис­ходит за счет атмосферных осадков. По химическому составу воды СТС относятся к пресным. Водоупором первого водоносного горизонта является толща многолетнемерзлых грунтов. Граница подошвы СТС в пределах объекта в основном повторяет профиль рельефа местности, т. е. имеет уклон в сторону моря и лагуны, в связи с чем дренирование вод СТС происходит в сторону как моря, так и лагуны.

За 30-летний срок эксплуатации аэродрома на его территории сформировался специфический температурный режим грунтов. Решающую роль в его формировании оказывает снежный покров. На южной стороне косы, где в основном расположены различные постройки и образуют­ся мощные снежные заносы (толщиной до 3 м и более), среднегодовая температура грунта составляет –1; –2°С. На северной стороне косы, где снег сдувается и его толщина не превышает 20—30 см, среднегодовая температура грунта достигает –5°С и ниже.

По условиям эксплуатации аэродрома взлетно-посадочная полоса в зимнее время регулярно очищается от снега. За период эксплуатации полосы под ней сформировался более суровый температурный режим, чем в окружающей ее среде, что способствует созданию благоприятных условий для образования и развития криогенных трещин на ВПП. Обследование показало, что вся поверхность асфальтобетонного покрытия ВПП разбита сетью трещин трех типов.

Образование первого типа трещин связано с технологией укладки асфальтобетона при строительстве: температурное растрескивание покрытия происходит по рабочим швам; трещины вытянуты вдоль взлетно-посадочной полосы и параллельны между собой. Второй тип трещин связан с развитием температурных напряжений и образованием трещин в зимний период в асфальтобетонном покрытии: расстояние между трещинами от 2 до 5 м; зимой трещины раскрываются на 0,5—1,5 м, летом полностью смыкаются. Оба типа трещин нарушают сплошность только асфальтобетонного покрытия и в грунт не проникают.

Третий тип трещин связан с растрескиванием подстилающих грунтов. Эти трещины наиболее крупные и интенсивно разрушают покрытие взлетно-посадочной полосы (ВПП). Трещины третьего типа образуют ортогональную систему: одна группа трещин (как правило, единичных) ориентирована параллельно оси ВПП, другие — по нормали к ней (рис. 1). Большинство трещин, которые ориентированы поперек ВПП, прослеживаются далее в грунте. На западном участке ВПП расстояния между трещинами довольно выдер­жанные и составляют 12—15 м. Раскрытие трещин в зимнее время не превышает 2—2,5 см, в летний период трещины практически смыкаются. Образование на этом участке повторно-жильных льдов в криогенных трещинах не зафиксировано. Иной характер криогенных трещин в восточной части ВПП. Расстояние между трещинами увеличивается от 35 до 90 м. Раскрытие их в зимнее время превышает 3—5 см. Возможные причины образования более мощных криогенных трещин на этом участке заключается в том, что в восточной части подстилающие грунты более влажные, нежели в западной. Это связано с тем, что во время промерзания воды СТС отжимаются под ВПП, в результате чего песчаные грунты увлажняются до состояния полного водонасыщения. На условия образования и параметры трещин влияет и конфигурация растрескивающегося массива. Западная часть ВПП уложена на четко выраженную в рельефе песчаную насыпь, восточная же часть — на естественную поверхность косы. Высота отсыпки на этом участке не превышает 40—50 см. Торфяной слой, вскрытый под ВПП в ее восточной части, также влияет на развитие процесса криогенного растрескивания.

Рис. 1. Техногенное полигональное растрескивание покрытия ВПП и грунтового основания

Специфические инженерно-геокриологические, гидрогеологические, термические и другие особенности восточного участка ВПП создали благоприятные условия для формирования и роста в трещинах повторно-жильных льдов. Одной из скважин, пробуренной в трещине на ВПП, на глубине 2,7 м вскрыта ледяная жила, зафиксированная до глубины 3,5 м. Лед жилы мутный, грязный, прослеживаются элементарные жил­ки. Встречены тонкие вертикальные прослойки битума — следы заливки трещин в покрытии ВПП. Видны вертикальные пузырьки воздуха. Контакт льда и вмещающих песчаных пород сильно ожелезнен. Все перечисленные признаки свидетельствуют о том, что это повторно-жильный лед.

Формирование повторно-жильных льдов началось с момента ввода объекта в эксплуатацию, т. е. более 30 лет назад. К настоящему времени толщина их в поперечнике по данным бурения достигла 4—6 см. Рост повторно-жильных льдов — процесс достаточно медленный. В началь­ный период формирования повторно-жильный лед существенного вли­яния на устойчивость покрытия ВПП не оказывал. С течением времени по мере роста ледяных клиньев это влияние становилось все более значительным. Стенки трещин в асфальтобетонном покрытии в летний период уже не смыкались. Краевые участки бортов трещин испытывали вертикальные деформации. Все эти процессы привели к разрушению асфальтобетонного покрытия, что в конечном счете вызывало опасность его эксплуатации.

Представляют интерес некоторые оценки вероятности растрескивания грунтовых оснований и скорости роста ледяных клиньев в грунтах. Расчеты, выполненные согласно разработанной авторами методике [I], показывают, что для возникновения первоначальных трещин в песча­ном основании при условии полной расчистки его от снега необходимо понижение температуры воздуха до —35; —40°С. Как уже отмечалось, такая температура бывает в Амдерме редко, примерно один раз в 10— 15 лет. Таким образом, возможность образования трещин в ненарушен­ном массиве, судя по данным метеостанции, за историю аэродрома могла возникнуть лишь один-два раза и едва ли бы это повлияло на его эксплуатацию.

В то же время криогенные трещины, однажды возникнув (как бы редко это ни было), за счет температурных деформаций грунтов могут раскрываться практически ежегодно. Если при этом грунты СТС обводнены, то происходит рост ледяных жил. Согласно работе [1] раскрытие трещин весной поверху составляет

S » 2,5 × 10² a ½t½ ,

где s - ширина раскрытия трещин, см; a- температурный коэффициент расширения грунта, °С^–1; t — средняя температура поверхности грунта в самый холодный месяц, °С.

Для   песков a» (20-30)10^–6   °С^–1 , a для района Амдсрмы ½t½»20¸25°С, что дает s »2¸3 мм.

Следовательно, за 20 лет толщина ледяных жил непосредственно под ВПП может составить около 4—6 см, что совпадает с натурными наблюдениями. Наряду с этим в естественных условиях, т.е. при нормальном снежном покрове, криогенное растрескивание и рост ледяных жил при современных климатических условиях в районе пос. Амдерма невозможны.

Сезонное морозное пучение грунтов вследствие неоднородности промерзания сезонномерзлого слоя — процесс, связанный с образованием при промерзании СТС гидравлически замкнутых объемов водонасыщенного грунта. Неоднородность промерзания может быть вызвана пространственной изменчивостью литологического состава грунтов, различием в обводненности и в положении уровня грунтовых вод, различием в мощности сезонноталого слоя.

На практике наблюдались два случая, когда возникло значительное морозное пучение песчаных подсыпок под ВПП вследствие указанных причин. В первом случае на территории одного из аэродромов в песчаном основании отметка уровня грунтовых вод на расстоянии в нес­колько сот метров изменялась от 0,3 до 0,8 .м при глубине СТС от 0,9 до 1,2 м. В процессе промерзания создавалась ситуация, когда на относительно сухих участках происходило смыкание промерзшего слоя с подстилающими многолетнемерзлыми породами, а на обводненной части промерзание запаздывало и образовался гидравлически замкнутый объем водонасыщенного грунта мощностью 0,3—0,5 м, который в дальнейшем полностью промерзал.

На территории другого аэродрома, расположенного в зоне глубокого сезонного промерзания (т. е. без многолетнемерзлых пород), песчаная подсыпка под ВПП мощностью 0,5—1,2 м была уложена на плотные глины. Подсыпка полностью обводнена из-за неисправностей дренажной системы. Нормативная глубина промерзания 1,2 м. Поверхность глин под песчаной подсыпкой неровная, и на расстоянии 300 м мощность подсыпки плавно меняется от 1 до 0,4 м. При ее промерзании до глубины 0,4—0,5 м в песке создается гидравлически замкнутый объем, ограниченный водонепроницаемыми стенками: сверху промерзшим слоем песка, с боков и снизу глиной. Мощность этого замкнутого объема около 0,4—0,5 м. В дальнейшем он промерзает, так как целиком находится в пределах сезонномерзлого слоя.

В обоих описанных случаях, поскольку песок подсыпки водонасыщенный, при промерзании образовавшихся замкнутых объемов возникало поровое давление, приводившее к изгибу промерзшего слоя песка как плиты, имеющей ширину, равную ширине ВПП, и длину 200-300 м, равную длине наблюдавшихся неоднородностей.

Представляют интерес некоторые несложные подсчеты значений максимального пучения и давлений, возникающих в таких замкнутых объемах. Расчеты произведем исходя из предположений об упругой работе материала плиты (мерзлого песка). Отметим, что прогиб плиты из реального материала будет больше за счет пластических свойств, не учитываемых при расчете на упругость.

Согласно известным формулам [2] прогиб w прямоугольной в плане и защемленной по контуру тонкой плиты под действием равномерно распределенной нагрузки q и максимальное растягивающее напряжение s могут быть выражены следующими приближенными формулами:

 w » w₀ (1– x² / a²)² (1 –  y² / b²)² ; s » 2q (a / h)² ,

где   w₀ » 0,45qa⁴ / (Eh³); x, у — плановые координаты с началом в центре плиты;

a, b - полуширина и полудлина плиты (b>a); h — толщина плиты (глубина промерзания) ; Е — модуль упругости мерзлого песка.

Для определения либоw₀, либо q дополнительным уравнением является равенство объема, образовавшегося за счет прогибов плиты, избыточному объему, возникающему за счет замерзания поровой воды, находящейся в промерзающем замкнутом объеме грунта, т. е.

  w (x, у) dx dy = 0,09nH × 4ab ,

где 0,09 — коэффициент объемного расширения при замерзании воды; n — пористость грунта; Н — начальная мощность замкнутого объема грунта.

Из перечисленных выражений получаются следующие искомые зависимости:

w₀ »   0,36 nН ;

q  » 0,8 En (h/a)⁴ (H/h);

s » l,6En(h/a)² (H/h) .

Рис. 2. Восточный участок ВПП аэродрома пос. Амдерма

1 — песок; 2 - переслаивание торфа и песка; 3 — переслаивание темноцветных супесей, суглинков, песка (илы); 4 — подсыпка из щебня; 5 — асфальтобетонное покрытие ВПП; 6 - граница СТС; 7 — направление движения вод СТС в процессе промерзания; 8 - наледные бугры; I-V - номера скважин

Максимальное пучение в центре плитыw₀ , как следует из полученной формулы, зависит от начальной мощности замкнутого объема грунта и не зависит от размеров плиты в плане. В частности, при обычных значениях n= 0,4, Н = 0,3¸0,5 м получим w₀ » 4—7 см, что уже значительно больше нормативно допускаемого вертикального перемещения плит покрытия ВПП, равного 3 см.

Оценим также порядок максимальных значений порового давления q и максимального растягивающего напряжения s при следующих обычных значениях: n=0,4; h » 1 м; Н = 0,5 м; а » 100 м; Е » 10³ МПа. Находим: q » 1,6×10^–6 МПа; s » 0,03 МПа. Полученные значения q и s незначительны и не могут послужить причиной каких-либо дополнительных процессов. Однако при характерном размере неоднородности в плане, в 10 раз меньшем, т. е. при а