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.