Промерзание

ПРОМЕРЗАНИЕ грунтов (а. frost penetration, freezing; н. Durchfrierung; ф. соngelation; и. соngelacion) — переход грунтов в мёрзлое состояние. Промерзание неразрывно связано с движением границы (или зоны) кристаллизации поровой влаги. При промерзании крупнозернистых грунтов поровая влага замерзает при температуре 0°С и образуется граница промерзания, разделяющая мёрзлый и талый слои. При промерзании тонкозернистых грунтов образуется зона промерзания (слой, в котором происходят значительные фазовые превращения незамёрзшей воды), разделяющая полностью промёрзший и талые грунты. Верхняя часть промёрзшего слоя представляет собой твердомёрзлый грунт, в котором замёрзла вся свободная вода и значительная часть рыхлосвязанной; нижняя часть (слой льдовыделения) — пластично-мёрзлый грунт, в котором замёрзла только свободная вода. Нижняя граница зоны промерзания (фронт промерзания) соответствует появлению кристаллов льда и определяется температурой замерзания грунта (около 0°С), верхняя граница — температурой около -1°С для суглинков и -1,5°С для глин.

Промерзание сопровождается рядом физических процессов: изменением теплового состояния, миграцией влаги, образованием ледяных включений и пучением, возникновением напряжений в мёрзлом массиве и его растрескиванием. Промерзание обычно вызвано теплопотерями из грунта в атмосферу в результате установления отрицательных температур воздуха. Снежный покров, характеризующийся плохой теплопроводностью, существенно снижает теплопотери и промерзание.

Различают: кратковременное, сезонное, зимнее и многолетнее промерзание. Кратковременное промерзание определяется суточной ритмикой температуры воздуха (ночью грунт промерзает, днём оттаивает). Оно распространяется в грунт всего на несколько см и характерно лишь для южных районов СССР. Сезонное промерзание определяется сезонной ритмикой температуры воздуха (длится не более года) и охватывает почти повсеместно Европейскую часть СССР (за исключением Севера, южной части Западной Сибири и Казахстана).

Промерзание начинается с переходом температуры воздуха от положительного значения к отрицательному, до установления постоянного снежного покрова, защищающего грунт от охлаждения. В первые 1-2 месяца скорость сезонного промерзания близка к постоянной, затем она резко снижается. К весне глубина промерзания достигает максимума. Оттаивание мёрзлого грунта начинается после схода снега и осуществляется сверху (основная часть) в результате аккумуляции солнечного тепла и снизу — за счёт притока тепла из глубьлежащих слоёв грунта. Глубина, на которую промерзает грунт за весь зимний сезон, называется глубиной сезонного промерзания. Максимально возможные значения глубины сезонного промерзании для территории СССР характеризуются следующими значениями: крупноскелетные грунты — 6 м; песчаные, супесчаные и суглинистые — 4-3 м; торфянистые — 1,5 м. В инженерной практике определяют нормативную глубину промерзания, за которую принимают среднее из многолетних наблюдений значений глубины сезонного промерзания на открытой площадке, лишённой снежного и растительного покрова с глубоким залеганием уровня грунтовых вод. В малоснежные зимы, при спуске водоёмов, сезонное промерзании может быть настолько значительным, что промёрзший слой не успевает за лето полностью оттаять (образуются перелетки). Если потери тепла из грунта в атмосферу за холодный сезон из года в год превышают тепло-аккумуляцию, начинается многолетнее промерзании земной коры и образуется криолитозона.

На территории криолитозоны сезонное промерзание встречается локально (на участках с таликами). Глубины возможного промерзания в таких условиях достигают для крупноскелетных грунтов 10 м, для торфов 3,5 м. Промерзание сезонно-талого слоя (зимнее промерзание) происходит как сверху (в результате теплообмена грунта с холодным воздухом), так и снизу (вследствие теплоотдачи в мёрзлую подстилающую толщу). Продолжительность промерзания сезонно-талого слоя уменьшается к северу. В Якутске вариации продолжительности промерзания составляют 1-4 мес. У южной границы криолитозоны зимнее промерзание повсеместно переходит в сезонное.

Глубину промерзания в природных условиях определяют с помощью непосредственных наблюдений (проходка шурфов, бурение скважин, применение мерзлотомеров) и косвенных методов. Из косвенных методов распространены температурный и криотекстурный. В первом из них о глубине промерзания судят по температуре 0°С. Однако при изотермии эта температура может наблюдаться в значительном интервале глубин, что затрудняет определение границы кристаллизации. При использовании криотекстурного метода границу раздела между мёрзлым и талым грунтом определяют по наличию в мёрзлом грунте включений льда, по степени цементации (прочности) грунта, по изменению его цвета.

Промерзание оказывает всестороннее влияние на хозяйственную деятельность. Изучение его необходимо для рационального ведения земледелия, прокладки трубопроводов, возведения гражданских зданий и промышленных сооружений, разработки месторождений полезных ископаемых.