Основы геотехники в криолитозоне

ОСНОВЫ 
ГЕОТЕХНИКИ 
В КРИОЛИТОЗОНЕ

Л.Н. ХРУСТАЛЕВ

Допущено
Учебно-методическим советом по геологии
Учебно-методического объединения
по классическому университетскому образованию
в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению «Геология»
и специальности «Гидрогеология
и инженерная геология»

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНИК

УДК 624.139(075.8)
ББК 38.79я73
 
Х95

Хрусталев Л.Н.
Х95 
 
Основы геотехники в криолитозоне : учебник / Л.Н. Хрусталев. — 
Москва : ИНФРА-М, 2022. — 543 с. — (Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/textbook_5c6142a7282862.58234241. 

ISBN 978-5-16-014896-0 (print)
ISBN 978-5-16-107394-0 (online)
В учебнике рассмотрены способы обеспечения устойчивости инженерных сооружений в криолитозоне, а также методы мелиорации вечномерзлых, талых и оттаянных грунтов и способы подготовки осваиваемой территории под застройку.
Изложены методы прогноза теплового и механического взаимодействия инженерных сооружений с грунтами оснований. Даны научные 
основы выбора оптимальных инженерных решений при освоении криолитозоны на базе оценки надежности геотехнических систем и ее оптимизации по стоимости.
Рассмотрены особенности функционирования сооружений на застроенной территории.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов и преподавателей, а также всех интересующихся данной 
тематикой.

УДК 624.139(075.8)
ББК 38.79я73

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Путь и путевое хозяйство» Московского государственного 
университета путей сообщения (МИИТ);
Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) имени Н.М. Герсеванова

ISBN 978-5-16-014896-0 (print)
ISBN 978-5-16-107394-0 (online)
© Хрусталев Л.Н., 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебнике рассматриваются геотехнические системы, под 
которыми понимаются инженерные сооружения и вмещающая или 
служащая для них основанием геологическая среда, представленная вечномерзлыми или оттаивающими грунтами. Учебник написан на основе читаемых автором на геологическом факультете 
МГУ им. М.В. Ломоносова трех курсов: «Геотехнические системы 
в криолитозоне», «Тепловое и механическое взаимодействие инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами» и «Надежность 
геотехнических систем в криолитозоне».

Широко использованы действующие в России нормативные и 
рекомендательные документы по проектированию и строительству 
сооружений в области распространения вечномерзлых грунтов 
(в криолитозоне), а также опубликованные по данной проблеме 
монографии. 
.

Книга имеет многоцелевое назначение: может быть использована не только для студентов геологических и строительных 
высших учебных заведений, но и в качестве справочника для научных сотрудников, проектировщиков, строителей и изыскателей. Она состоит из 19 глав, объединенных в 5 разделов. Каждая 
глава начинается ключевыми словами, дающими представление о 
ее содержании, и заканчивается контрольными вопросами по основным положениям изложенного материала. Такая структура 
позволяет лучше усваивать материал. Большинство глав имеет параграфы, где излагаются расчетные методы, которые иллюстрируются примерами расчета. Вывод расчетных формул приводится 
только в тех случаях, когда они малоизвестны или получены автором самостоятельно. В остальных случаях даны ссылки на литературу. Поскольку многие расчетные формулы повторяются в разных 
главах, например расчет ореола оттаивания вокруг трубопровода 
(гл. 5) и вокруг горизонтальной горной выработки (гл. 7), то во 
избежание повторений вывод расчетных формул выделен в специальный раздел III, на который даются ссылки при описании 
алгоритма расчета. Это экономит место в книге и делает изложение 
материала более строгим.

В книгу включены два раздела, описывающие результаты позднейших исследований автора в области геотехники на мерзлых 
грунтах, которые ранее в учебной литературе не рассматривались.

3

В разделе IV излагается вероятностно-статистический подход 
к задачам инженерной 1еокриологии, который выводит все инженерные расчеты на качественно новый уровень и позволяет решать 
многие задачи, которые ранее с позиций детерминистического 
подхода не имели решения.

В разделе V описывается поведение сооружений при их тепловом взаимодействии. Суммарное тепловое влияние сооружений 
распространяется на большие глубины и может приводить как к 
деградации, так и к развитию мерзлых толщ, что необходимо 
учитывать при проектировании крупных населенных пунктов и 
промышленных площадок.

Представления автора об особенностях функционирования 
геотехнических систем в криолитозоне сформировались под влиянием идей основоположников инженерной геокриологии Н.А. Цы- 
товича, С.С. Вялова, Г.В. Порхаева. Эти представления были реализованы в многолетних исследованиях автора, а их результаты 
легли в основу данного учебного пособия.

Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам по 
работе в Северном отделении научно-исследовательского института оснований и подземных сооружений и кафедры геокриологии 
геологического факультета МГУ за помощь и поддержку в работе.

4

ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ КАК ОСНОВАНИЯ 
И ВМЕЩАЮЩАЯ СРЕДА ИНЖЕНЕРНЫХ 
СООРУЖЕНИЙ И СПОСОБЫ 
ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

----------------  РАЗДЕЛ I ----------------
Глава 1. 
ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ 
НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

Ключевые слова: вечномерзлый грунт, области распространения 
вечномерзлых грунтов, слитая и неслитая мерзлота, деятельный 
слой, перелеток, подземный лед, формы подземного льда, сквозные и 
несквозные талики, грунтовые воды, виды грунтовых вод, однородный и неоднородный температурный режим, слой годовых колебаний 
температуры, мощность мерзлых толщ, мерзлотно-геологические 
процессы.

1.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Нем померзлыми грунтами называются горные породы, нахо- 
лишисся при отрицательной температуре и содержащие в своем 
tori лис лед. Вечномерзлые грунты широко распространены на 
н'ммом шаре. Они занимают около 25% территории всей суши, а 
и России — 65%. По характеру распространения вечномерзлых 
ipviiroii по площади можно выделить пять областей:

I) 
сплошного распространения вечномерзлых грунтов (ВМГ), 
I которым относятся территории, где мерзлые породы занимают 
(винт 95% территории, температура мерзлых грунтов на этих тер- 
рпшриих ниже -3°С (Т0< -3°С);

.’) преимущественно сплошного распространения (90—95%, 
/„ 
0,5...-3°С);
1) прерывистого распространения (75—90%, Г0 = -0,2...-2°С);
•1) массивно-островного распространения (25—75%, Т0 =

0,2...-2°С);

S) островного и редкоостровного распространения (менее 25%,

/(| • О,УС).

Карта распространения вечномерзлых пород на территории 
Рим им с выделением на ней указанных областей и температур 
мил па рис. 1.1. Границы между областями очень размыты и пе- 
Iн мм одной области в другую происходит на большой площади.

5

И целом распространение мерзлых толщ подчиняется широтной и 
высотной зональности: их количество возрастает и температура понижается с юга на север и снизу вверх. Начиная с первых появлений 
мерзлых грунтов, при движении с юга на север или с подъемом 
и гору области расположены в следующем порядке: островного и 
редкоостровного распространения — массивно-островного распространения — прерывистого распространения — преимущественно 
и тошного распространения — сплошного распространения. При 
пой общей закономерности возможны зональные отличия, обусловленные местными условиями теплообмена в системе литосфера атмосфера. Наибольшей пестротой характеризуется территория, прилегающая к южной границе вечномерзлых грунтов. Сама 
южная граница выражена не четко и ее отображение на карте 
весьма условно. Вначале мерзлые породы обнаруживаются только 
в пределах участков верховых болот, сложенных оторфованными 
суглинками и супесями, а также на торфяных буграх пучения, затем 
они появляются на участках густых темнохвойных лесов, затеняющих почву летом и задерживающих снег на кронах зимой, уменьшая его количество на дневной поверхности. В предгорьях мерзлые 
фунты впервые обнаруживаются на затененных склонах с чехлом 
t углинисто-щебенистых образований, затем — на участках круп- 
поглыбовых курумов и крутых затененных склонах, лишенных 
• нега. Далее они встречаются повсюду, хотя даже в самых суровых климатических условиях ВМГ не распространены повсеместно. 
II криолитозоне (области распространения ВМГ) мерзлые породы

Гиг. 1.1. Карта распространения вечномерзлых пород на территории России 
и республик бывшего СССР.

( Mhi >ральная и субгляциальная области криолитозоны. 1 — редкоостровное распро- 
I фши'иие ВМГ с температурой выше -0,5°С; 2 — островное и массивноостровное 
|м< мространение ВМГ с температурой 0...-0,5°С; 3 — прерывистое распространение ВМГ с температурой 0...-2°С; 4 — преимущественно сплошное распространение ВМГ с температурой -0,5...-3,5°С; 5 — преимущественно сплошное распространение ВМГ с температурой -0,5...-5°С; 6 — сплошное распространение 
ИМI с температурой -2...-5°С; 7 — сплошное распространение ВМГ с температурив 
4,..-9°С; 8 — сплошное распространение ВМГ с температурой -9...-1ГС; 
в 
сплошное распространение ВМГ с температурой -10...-12°С; 10 — сплошное 
inn ii|B>cгранение ВМГ с температурой выше -10°С; 11 — сплошное распространение ВМГ с температурой -1°С...-13°С;
( убчаринная область криолитозоны. 12 — островное и прерывистое распространение ВМГ с криопегами и температурой 0...-2°С; 13 — сплошное распространение 
MMI е криопегами и температурой -0,5...-2°С; 14 — сплошное распространение 
ЦМ1 с криопегами и температурой -1...-3°С.
1)ытщы. 15 — распространения вечномерзлых пород; 16 — геотемпературных суб- 
I ipitMi.iibix (а) и субмаринных (б) зон; 17 — геокриологических зон (по К.А. Кондратьевой). (Рисунок заимствован из Справочника, 1991)

7

могут отсутствовать на участках речных долин, в том числе под 
наиболее прогреваемыми солнцем горными склонами и водоразделами, в местах концентрированной разгрузки подземных вод 
или на площадках их инфильтрационного питания, под частью 
современных ледников, вулканическими жерлами, над внутриземными аномалиями, связанными с окислительными реакциями, 
вулканическими процессами и др.

По строению мерзлых толщ по вертикали выделяют три возможных типа:

1) вечномерзлые толщи сливающегося типа (кровля ВМГ 
совпадает с подошвой слоя сезонного оттаивания);

2) вечномерзлые толщи несливающегося типа (кровля ВМГ 
не совпадает с подошвой слоя сезонного промерзания, между 
ними находится талый слой);

3) вечномерзлые толщи слоистого типа (два слоя ВМГ находятся друг над другом и разделены талым прослойком, нижний 
слой является реликтовым, он образовался в результате древнего 
промерзания грунта, а верхний — современного).

В мерзлых породах часто находятся включения чистого льда, 
которые при оттаивании могут давать очень большие осадки дневной поверхности. Формы залегания льда самые разнообразные:

пластовая — лед залегает слоем сравнительно одинаковой 
мощности (от нескольких сантиметров до десятков метров);

линзовидная — лед имеет увеличенную в средней части площадь до нескольких десятков квадратных метров;

жильная — лед заполняет трещины скальных и полускальных 
пород;

клиновидная — лед заполняет морозобойные трещины на глубину до 20 м;

гнездовидная — лед заполняет отдельные полости в виде небольших включений;

натечная — лед находится в виде отдельных глыб наземного 
происхождения.

В пределах массива мерзлых грунтов могут находится талые 
грунты, так называемые талики, которые могут быть сквозными и 
несквозными. Сквозные талики, как правило, образуются под 
крупными реками и озерами, несквозные — под отрицательными 
формами рельефа. Число таликов с севера на юг возрастает, их 
суммарная площадь увеличивается и мерзлые грунты исчезают. 
Это хорошо иллюстрируется на схеме вертикального строения 
мерзлых толщ (рис. 1.2).

8

Рис. 1.2. Вертикальное строение мерзлых толщ с юга на север:

/ — южная граница реликтовых (1а) и современных (16) вечномерзлых толщ; 
2 — слой сезонного промерзания (2d) и протаивания (2б)\ 3 — несквозные талики; 
2 — современные несливающиеся вечномерзлые толщи; 5 — сквозные талики; 
Л -  современные сливающиеся вечномерзлые толщи; 7 — реликтовые сливающиеся и несливающиеся вечномерзлые толщи

Наличие в составе вечномерзлых грунтов талых делает вечномерзлые грунты проницаемыми для подземных вод. Подземные 
воды в криолитозоне встречаются в талых и сезонноталых слоях 
и подразделяются на над мерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Они могут сообщаться между собой и водоемами.

Надмерзлотные воды питаются в основном за счет атмосферных осадков. Их зеркало в основном повторяет рельеф местности, 
и воды двигаются в сторону уклона местности, при этом кровля 
ИМ Г является для них водоупором.

Межмерзлотные воды встречаются реже. Существование их 
возможно, как правило, благодаря связи с надмерзлотными и 
модмерзлотными водами и постоянному переносу тепла водой в 
межмерзлотную талую зону. Возможно также наличие межмерзлотных вод в замкнутых таликах, если эти воды засолены и температура их замерзания понижена. Межмерзлотные воды имеют 
в основном две формы залегания: пластово-линзовое (в таликах 
аллювиальных отложений речных террас) и жильное (в трещиноватых скальных и полускальных породах или морозобойных трещинах). Подмерзлотные воды распространены повсеместно. К ним 
относятся воды артезианских бассейнов, расположенных непосредственно под мерзлой толщей, и воды более глубоких горизонтов. Подмерзлотные воды питаются главным образом за счет просачивания надмерзлотных и речных вод через сквозные талики и 
трещиноватые зоны. Подмерзлотные воды обычно обладают напором и изливаются на поверхность через естественные выходы. 
Иногда подмерзлотные воды, поднимаясь с больших глубин, 
имеют высокую температуру, что обеспечивает существование не- 
(амерзающих источников в суровом климате.

9

Кроме талых пород с положительной температурой в разрезе 
мерзлых пород встречаются талые породы с отрицательной температурой (переохлажденные породы), которые не замерзают 
благодаря их большой засоленности. Прочность таких пород невысокая и они существенно ухудшают качество оснований. Особенно опасны находящиеся в грунте незамерзающие солевые растворы (криопэги), которые под давлением от сооружения могут 
мигрировать с оттаиванием прилегающих мерзлых грунтов. Криопэги широко распространены на побережье арктических морей.

1.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
И МОЩНОСТИ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Температурный режим грунтов определяется структурой радиационно-теплового баланса поверхности с учетом теплового 
влияния наземных покровов (снег, растительность) и теплопотоком из недр Земли, обусловливающим геотермический градиент. 
Распространение в разрезе температурных волн и наложение их 
на геотермический градиент определяют температурный режим 
массива грунтов. В конечном счете он зависит от средней годовой температуры поверхности грунта, амплитуды колебаний температуры поверхности в течение года и геотермического градиента (рис. 1.3). В некоторых случаях температурный режим грунтов 
зависит также от тепла, выделяемого при радиоактивном распаде 
или экзотермических химических реакциях в грунтах, или от тепла, приносимого в грунт фильтрующей через него водой. Однако 
эти виды теплопереноса имеют ограниченное распространение, 
поэтому в дальнейшем они не рассматриваются.

Рис. 1.3. Распределение средней годовой температуры грунта по вертикали на 
участках с вечномерзлыми грунтами сливающегося (а) и несливающегося (б) типов: 
1 — кровля ВМГ; 2 — подошва ВМГ

10