Изменения состояния лесных грунтов в переходные периоды: промерзание и оттаивание

В последние десятилетия лесозаготовки на Северо-Западе России характеризовались длительными неустойчивыми периодами межсезонья. Затяжная осень с последующей малоснежной зимой и достаточно затяжная весна поставили острую проблему исследования воздействия лесозаготовительной техники на лесные почво-грунты в данные переходные периоды.

Согласно исследованиям [1, 2], на территории Северо-Запада России нашли распространение все три известные технологии лесозаготовок (целыми деревьями, хлыстовая и сортиментная) и соответствующая техника.

В работе [3, 5] отмечено, что эксплуатация любой лесозаготовительной техники вызывает изменения свойств почво-грунтов на путях ее перемещения. При этом в большинстве случаев исследователями рассматриваются грунты различной влажности при положительной температуре [4, 6, 7].

В то же время очевидно, что в переходные периоды, особенно при начальном осеннем промерзании, почвогрунты под воздействием техники будут вести себя по- иному. Для изучения этого процесса (взаимодействия машин с переходным состоянием почво-грунта) необходимо знать явления, происходящие в почво-грунте в процессе естественного промерзания и оттаивания.

Если при положительной температуре грунт представляет собой обычно трехфазную систему, состоящую из минеральных частиц, воды и воздуха, то при отрицательной температуре грунт переходит в более сложную, четырехфазную систему, состоящую из минеральных частиц, воды, воздуха и льда, который иногда занимает до 50 % объема грунта.

Лед в мерзлом грунте служит «цементом» между отдельными минеральными частицами. Кроме того, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании.

С понижением температуры каждый из элементарных слоев грунта находится последовательно в одной из следующих стадий.

Первая стадия – охлаждение грунта до температуры, при которой лед в нем еще не образуется. В таком случае развиваются следующие процессы:

• а)    испарение влаги с поверхности грунта и связанный с ним процесс усадки грунтового скелета;

• б)    объемное сжатие элементов грунтового скелета за счет дегидратации и агрегирования минеральных частиц и их коагуляция;

• в)    объемное увеличение воды при охлаждении ее от +4 °С до температуры начала замерзания свободной воды;

• г)    объемное изменение порового воздуха.

Процессы, перечисленные в пунктах а, б, г, происходят также во второй и третьей стадиях охлаждения.

Вторая стадия – охлаждение грунта в пределах интенсивных фазовых переходов, когда происходит объемное увеличение воды при переходе ее в лед и перераспределение влажности (миграция воды).

Третья стадия – уменьшение грунта в объеме при дальнейшем понижении температуры за счет:

• 1)    замерзания некоторого количества воды и соответственно увеличения ее объема при переходе в лед;

• 2)    объемного сжатия образовавшегося льда.

Вода в грунтах находится в двух состояниях: в свободном и связанном. Эти виды воды и их количество существенно влияют на физико-механические свойства и, в частности, на температуру начала замерзания грунта, которая может отличаться от нуля градусов.

Соотношение между свободной и связанной водой в грунтах различно и определяется степенью дисперсности твердой фазы, ее гидрофильностью. В глинистых грунтах связанной воды будет гораздо больше по сравнению с грунтами, сложенными преимущественно частицами грубодисперсной фракции. В песчаных и крупнообломочных грунтах этой воды немного, и она не имеет практического значения.

При температуре начала замерзания вода в грунтах не вся сразу превращается в лед. Вначале замерзает свободная вода, содержащаяся в крупных порах и капиллярах, затем, при более низких температурах, замерзает рыхлосвязанная вода. Прочносвязанная вода всегда остается в незамерзшем состоянии. Количество незамерзшей при данной температуре воды не остается постоянным, а все время изменяется в зависимости от колебаний отрицательной температуры, величины внешнего давления, влажности, концентрации и химического состава грунтового раствора. Кроме того, при одной и той же температуре количество незамерзшей воды зависит от гранулометрического состава и свойств твердых частиц грунта.

Во время промерзания грунтов наблюдается миграция воды.

Передвижение влаги происходит за счет следующих физических сил:

• а)    сил кристаллизации воды, которые вырывают молекулы воды из пленок и заставляют их перейти в кристалл льда;

• б)    сил адсорбции и капиллярности, стремящихся восстановить равновесие в пленках, нарушенное силой кристаллизации.

Вследствие непрерывности водных пленок и капилляров нарушенное на границе промерзания равновесие вызывает подток воды снизу, где отсутствует сила кристаллизации и где силы адсорбции уравновешены. Зона подсасывания влаги распространяется вниз. Когда внизу на небольшой глубине имеется грунтовая вода, то увеличение влажности в промерзающем грунте происходит не только за счет запаса влаги в нижележащем талом слое, но и за счет дополнительного притока с поверхности грунтовых вод.

На процесс миграции оказывают влияние многие факторы:

• а)    гранулометрический и химико-минералогический состав грунтов;

• б)    гидрофильность грунта;

• в)    начальная влажность и наличие подтока воды извне к промерзающему грунту;

• г)    плотность грунта;

• д)    скорость и время промерзания;

• е)    температура среды, при которой замерзает вода в грунте;

• ж)    величина приложенной нагрузки;

• з)    повторность циклов замерзания и оттаивания и пр.

Наиболее интенсивная миграция к фронту промерзания наблюдается в грунтах с высоким содержанием пылеватых фракций. В крупноскелетных промерзающих грунтах миграция практически отсутствует. При промерзании таких грунтов происходит отжатие («поршневой эффект») воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и незамерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания.

Повторность циклов замораживание – оттаивание обычно ведет к увеличению интенсивности миграции влаги. Это объясняется тем, что при повторном замораживании происходит разрыхление грунта, облегчается подток капиллярной влаги к промерзающему слою. Промерзающая система переходит из замкнутой в открытую с обеспеченным подтоком воды извне.

В Карелии в осенний и зимний периоды похолодания часто сменяются потеплениями, и температура грунта может повышаться до температуры интенсивных фазовых переходов; в этих условиях миграция влаги может наблюдаться в течение всего зимнего периода.

При промерзании грунта происходит увеличение его объема – неравномерное морозное пучение и последующая, как правило, неравномерная осадка при оттаивании.

Морозное пучение грунта – это результат объемного расширения (примерно на 9 %) воды, находящейся в нем до промерзания и дополнительно мигрирующей к границе промерзания в процессе перехода воды из жидкого состояния в твердое. Этот процесс сопровождается образованием ледяных прослоек и линз.

Морозное пучение грунтов происходит при следующих условиях:

• а)    содержании в грунте соответствующего количества пылеватых и глинистых частиц;

• б)    увлажнении грунта свыше нижнего предела пластичности перед замерзанием и возможности подсоса влаги из нижних слоев;

• в)    отрицательной температуре наружного воздуха и температурных градиентах при отрицательных температурах грунта.

Основным источником увлажнения грунтов в природных условиях являются атмосферные осадки в виде дождей и подземные воды, залегающие близко к поверхности грунта. На увлажнение грунтов в осенний период большое влияние оказывает распределение осадков в течение года.

Для Карелии характерно залегание грунтовых вод на сравнительно небольшой глубине, выпадение большого количества осадков в осенний период, частое потепление в зимнее время и высокая влажность воздуха. Все это способствует дополнительному увлажнению грунта перед промерзанием.

Все глинистые грунты обладают свойством морозного пучения. Песчаные и крупноскелетные грунты в условиях свободного оттока воды при промерзании относятся к непучинистым. Если крупноскелетные грунты содержат в виде заполнителя пылевато-глинистые фракции в количестве более 30 % по весу и при промерзании находятся в водонасыщенном состоянии, то они проявляют пучинистые свойства. Наиболее пучи-нистые грунты содержат пылеватых частиц от 30 до 80 %.

На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения. Если грунты очень плотные, то три их промерзании наблюдается незначительное пучение, поскольку такие грунты имеют мало воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании. В очень рыхлых грунтах много пор и пустот, которые обычно свободны от воды; за счет этих пустот гасятся деформации пучения. Грунты средней плотности с полным заполнением всех пор водой при промерзании сильно деформируются от морозного пучения.

Признаками проявления пучения обычно являются:

• –    сосредоточенные бугры на уплотненных местах;

• –    резкое увеличение влажности верхних слоев грунта;

• –    накопление ледяных прослоек в промерзающем слое; – взаимно пересекающиеся мелкие трещины на буграх;

• –    зыбь при проезде транспорта весной;

• –    выходы напорных вод на поверхность в период весеннего подъема температуры через трещины.

В слое грунта, переходящем из пластичномерзлого в твердомерзлое состояние, возникают силы морозного пучения. Мощность этой зоны зависит от начальной влажности, скорости промерзания, пористости, количества воды, которое может поступать в процессе миграции.

Таким образом, при исследовании воздействия лесозаготовительной техники на почво-грунты необходимо рассматривать их состояние в межсезонный период.