Использование параметров естественного охлаждения грунтов для стабилизации их в вечномерзлом состоянии

Прочность, устойчивость и нормальная эксплуатация зданий и сооружений определяется не только конструктивными особенностями используемых конструкций и материалов, но и состоянием, свойствами грунтов, на которых они монтируются. Здесь необходимо учитывать воздействие не только внутренних нагрузок (непосредственный вес конструкции), но и внешних (вес, давление и «поведение» грунтового пространства). Если конструктивные сооружения подготавливаются в соответствии с технологией, с заданными свойствами, то грунтовое пространство имеет самостоятельную, трудно объяснимую историю образования.

Таким образом, в рамках проектирования новых конструкций и поддержания старых в работоспособном состоянии необходимо руководствоваться основными свойствами поведения грунтов под нагрузками. Прочность грунта во много раз меньше, а деформируемость, сопровождаемая наличием многих факторов, намного выше. Стоит заметить, что возрастание и несоответствие нагрузок строительных конструкций с плотностью грунта может приводить к недоиспользованию конструктивных особенностей принимаемых материалов, что в свою очередь, приводит к нарушению несущей способности грунтового основания. Таким образом, грунты, залегающие непосредственно вблизи земной поверхности, подвержены климатическим, метеорологическим и другим воздействия, управление которыми невозможно, и, соответственно, они не могут служить надежным основанием, поэтому часть сооружений непосредственно заглубляется ниже поверхности земли. Подземная часть сооружения – фундамент, предназначена прежде всего для распределения нагрузки от строения на основание.

В настоящей работе предлагаем рассматривать грунт как среду, вмещающую в себя инженерные сооружения, и принимать не только воздействие сооружения на грунт, но и грунта на сооружение. Таким образом, грунт будем рассматривать как основание сооружения, включенное в имеющуюся среду с физическими и механическими свойствами. Не стоит забывать, что сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузкой от сооружения во многом определяет прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию возведенных конструкций.

Закономерности состава и строения грунтов тесно связаны с условиями их происхождения. Согласно ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» (от 01.01.2013 г.) грунты классифицируются по основным классам: скальные (грунты с жесткими кристаллическими, цементационными связями); дисперсные (грунты с физико-химическими (водоколлоидными), физическими и механическими структурными связями); мерзлые (грунты с криогенными связями). Стоить отметить, что криогенные связи характеризуются прежде всего кристаллизационными связями, которые возникают во влажных трещиноватых и дисперсных скальных грунтах при наличии отрицательных температур, обеспечивающих сцементирование льдом.

В процессах сцементирования грунтового основания необходимо руководствоваться ведомственными нормами распределения грунтов Российской Федерации на Восточно-Сибирском направлении (рис. 1), которые выделяют три основные подзоны распространения мерзлых грунтов. Подзоны характеризуются наличием техногенного слоя, который как замерзает в холодное время года, так и оттаивает (насыщение подземными водами).

В настоящее время остро возникает вопрос о проявлении физических параметров растепления грунтового основания и появления мест накопления таликовых отложений¹. При этом мы можем говорить, что это наше обычное физическое представление, неменяющееся в конкретном отношении, может быть ошибочным. Когда мы начинаем анализировать принципы появления, либо изменения физического состояния грунтового покрытия, мы берем к рассмотрению только сложившееся миропонимание о времени в аспектах чрезвычайного характера изменения, но здесь необходимо рассматривать приобретаемый во времени аспект явления, которое может легко идти вперед и назад, то есть является процессом обратимым во времени. Для анализа характеристик таких процессов необходимо рассматривать основные составляющие энтропии распределения энергии в структуре грунтового основания и техногенных слоев выравнивания. Таким образом, мы с уверенностью можем говорить, что растепление грунтового основания происходит с учетом временных периодов, руководствуясь принципом Карно: «…в любом природном явлении никогда не будет идти процесс нарастания температурных явлений от низшей температуры к высшей, без затрат посторонней энергии». [4][5]

Многие ученые говорят об асимметричности воздействия на грунтовое основание производственно-хозяйственной деятельности, но мы рассматриваем I подзону распределения мерзлых грунтов, где вектор временного распределения энтропии температурного воздействия идет по прямой, что свидетельствует об обратимости процессов растепления, связанных с воздействием полярных векторов термопереноса энергии. Таким образом, в общем результате восстановления основания и ликвидации (осушения) участков образования таликовых включений необходимо прежде всего руководствоваться основными параметрами происходящих физико-химических процессов, опираясь на морфологию грунтового состава, ориентируясь на вектральный состав термопереноса.

Для определения основных направлений термопереноса в грунтовых водах исследователи руководствовались представлениями реального распределения, методология была разработана Мельхиором Паладьи (М. Palagyi) в 1910 г. Он описал необходимость использования 4-й координаты пространства, в которой развертываются явления прямо воздействующие на состояние проникновения насыпного грунта в вечномерзлый состав основания с образованием замершей корки. С этой точки зрения, прочность и надежность грунтового основания рассматривается как абсолютное, с непостоянным включением веществ, способных оттаивать в весенние сезоны и обеспечивающих движение грунтовых вод. Схематически методологию распределения несущей способности «верховодки» (направления движения потоков талой воды) мерзлых грунтов в период оттаивания описывают в трехмерной системе координат (рис. 2).

Но при введении в рассмотрение четвертой точки пространства, определения четырехмерного пространства, мы с уверенностью можем утверждать, что в данном распределении и непостоянстве направлений вектральных распределений основного потока грунтовых вод необходимо вводить экспоненту значений определения направлений движения вод, не успевающих замерзнуть в грунтах, характеризуемых наличием минимума цементирующих свойств, рассредоточенных по основанию (t > 0). [7]

Введение новой геометрии рассмотрения участков прогнозируемого накопления таликовых отложений предусматривает наличие основных факторов идентификации рассматриваемых объектов исследования, расположенных на выбранных участках. Следует отметить, что основными факторами идентификации являются, прежде всего, опасные природные процессы и явления техногенного воздействия на территорию. Основные преобладающие волнообразные явления в рассматриваемых участках характеризуются понятиями мощности основания с учетом влияния техногенной насыпи. Введение основных параметров идентификации с параметрами мощности отмечается выявлением особого строения грунтового покрытия, определяющего его неоднородность с параметрами анизотропности. На границах неоднородной среды в самых разнообразных ее проявлениях появляются различные условия, в основном отвечающими за водонакопление и водопередачу.

Соответственно, если мы отмечаем возможность появления неоднородной среды, то основным источником является вода, образующаяся, в основном, за счет таяния замерзших техногенных оснований. Появление воды, как правило, ведет к сокращению основных параметров мощности слоев грунтового основания.

Таким образом, на участках проводились термометрические замеры, которые выполнялись на основе выделенных трасс и глубин, полностью удовлетворяющих требованиям СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства».

Не стоит забывать, что рассматриваемый нами участок отнесен к I₁ подзоне, в которая отмечается постоянным распределением температуры, можно представить только в виде параболы распределения температур замерзания и оттаивания (рис. 3).

Таким образом, рассматривая грунты, мы можем заявлять, что сам принцип оттаивания присущ только техногенным (насыпным) грунтам, а понятие анизотропности проникает глубже в состояние грунтового пространства. При этом логично утверждать,что полностью выдерживается однородность и мощность пространства с вариантностью рассмотрения. В геометрическом восприятии можно характеризовать параметры выраженной однопородности основания. Опираясь на разработки Уильяма Клиффорда, признавая реальное существование «многомерзлого»² пространства, можно говорить о трехмерном геометрическом пространстве, тождественным со структурой вещества, его заполняющим.

Таким образом, пренебрегая трехмерным геометрическим пространством, мы будем рассматривать четырехмерное пространство, характеризуемое только техногенными (насыпными) грунтами. На рассматриваемом участке техногенный слой представлен, в основном, аллювиально-озерными отложениями. Рассматривать грунтовые отложения как неподвижные статические в равновесии можно только в их устойчивом предельном состоянии, т. е. в зимний период времени (когда температура окружающего воздуха долгое время держится ниже нуля). Таким образом, рассматривая и определяясь с геометрическим пространством рассмотрения грунтового основания, будем руководствоваться основными принципами в динамике образования, определенными Сади Карно (1824 г.), который положил начало анализу процессов термопереноса разукрупненных частиц, предложив рассматривать явление на основе геометрически полярного вектора. С уверенностью можем говорить, что на основе принятия геометрической модели салгебраическим обобщением, в характеристиках грунтов присутствует ярко выраженная неоднородность в равновесиях появления с динамическими направлениями.

На рис. 4 отчетливо представлена геометрическая модель естественного промерзания грунтового основания, на основе направления распределения полярного вектора однозначным с временем энтропии.

При рассмотрении геометрической модели появляется воздействие характера энантиоморфности распределения слоя промерзания и оттаивания, так называемое деление вектральных составляющих на правое и левое. В точках деления определяются более разуплотненные и обводненные грунты (подтверждается данными георадиолокационного зондирования). Соответственно, с уверенностью можем назвать зоны стока и направления движения основных масс грунтовых вод в периоды оттаивания и деградации условий вечной мерзлоты. Но, как показано выше, при построении четырехмерного геометрического пространства можно выделить и рассчитать плотность и емкость образуемых грунтовых вод и направление течения. А с применением алгебраических расчетных методов, выделяются параметры пределов величин (lim), рассчитанных на параметрах экспонентов значений (exp).

При выделении параметров мы определяем максимально возможное проникновение грунтовых вод в существующие направления течения и сбора, при этом параметры сбора образуются только долитами³ снежного покрова, что в основном обусловливается рельефностью местности. Таким образом, с уверенностью можно говорить, что участки сбора возможно ликвидировать естественным способом (организацией доступа холодного воздуха). На основании рис. 4 видно естественное промерзание грунтового покрытия, происходящее на основе появления кристаллических свойств морфологических проявлений в основном составе грунтового основания.

В I₁ подзоне применение различных методов активной термостабилизации грунтового основания крайне нежелательно, так как это приводит к разлому четырехмерного геометрического пространства, пренебрежению пределов образования и самоликвидации долитов техногенного грунта, пучению грунтового основания. На основании геологических изысканий техногенный грунт рассматриваемого участка стабилен, обводнен только в параметрах расчетной экспоненты значений.