Инженерное мерзлотоведение

Рассмотрены вопросы, существенно важные 
для обоснования техносферной безопасности и 
защиты окружающей среды при строительстве 
и эксплуатации объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера – гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений.

Г. И. Кузнецов, Н. В. Крук

ИНЖЕНЕРНОЕ 
МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

Учебное пособие

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Оглавление 
 

1 

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
Г. И. Кузнецов, Н. В. Крук 
 
 
 
ИНЖЕНЕРНОЕ  
МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Оглавление 
 

2 

 

УДК 624.139:541.34(07) 
ББК 26.328.7я73 
         К891 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Д. А. Озерский, кандидат технических наук, заместитель директора 
АО «МОНИТЕК»; 
В. Ф. Кошкин, кандидат геолого-минералогических наук, главный 
геолог ОАО «Красноярскгеология» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кузнецов, Г. И. 
К891          Инженерное мерзлотоведение : учеб. пособие / Г. И. Кузнецов, 
Н. В. Крук.  Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019.  140 с. 
ISBN 978-5-7638-4016-2 
 
Рассмотрены вопросы, существенно важные для обоснования техносферной безопасности и защиты окружающей среды при строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера – гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений. 
Предназначено для студентов направления подготовки «Техносферная 
безопасность». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 624.139:551.34(07)  
ББК 26.328.7я73 
 
ISBN 978-5-7638-4016-2                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                    университет, 2019 

Оглавление 
 

3 

 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
 
Г л а в а  1.  ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ  ГРУНТЫ.  ОСНОВНЫЕ  
                      ПОНЯТИЯ  О  КРИОЛИТОЗОНЕ ............................................... 6 
1.1. Распространение вечномерзлых грунтов ............................ 6 
1.2. Температура и мощность массива  
        вечномерзлых грунтов .......................................................... 9 
1.3. Мерзлотно-геологические процессы и явления ............... 10 
 
Г л а в а  2.  СОСТАВ  И  СВОЙСТВА  МЕРЗЛЫХ,  
                      ОТТАИВАЮЩИХ  И  ТАЛЫХ  ГРУНТОВ ............................ 22 
2.1. Состав и классификация грунтов ....................................... 22 
2.2. Физические и теплофизические свойства грунтов ........... 27 
2.2.1. Физические свойства грунта, определяемые  
           опытным путем ........................................................ 28 
2.2.2. Физические свойства грунта, вычисляемые  
           по формулам ............................................................. 28 
2.3. Теплофизические свойства грунта ..................................... 31 
2.4. Механические свойства грунтов ........................................ 33 
 
Г л а в а  3.  СПОСОБЫ  ОБЕСПЕЧЕНИЯ  
УСТОЙЧИВОСТИ  ЗДАНИЙ  
И  СООРУЖЕНИЙ  В  КРИОЛИТОЗОНЕ ............................... 36 
3.1. Охлаждение и предварительное оттаивание  
        вечномерзлых грунтов ........................................................ 36 
3.2. Глубинное охлаждение и замораживание грунтов .......... 46 
3.3. Расчет глубинного охлаждения (замораживания)  
       грунта .................................................................................... 55  
 
Г л а в а  4.  НАРУЖНЫЕ  И  САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ  СЕТИ  
                      И  МАГИСТРАЛЬНЫЕ  ТРУБОПРОВОДЫ ............................ 59 
4.1. Способы прокладки сетей ................................................... 59 
4.2. Способы прокладки магистральных трубопроводов ....... 63 
 

Оглавление 
 

4 

 

Г л а в а  5.  ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ  СООРУЖЕНИЯ  
В  КРИОЛИТОЗОНЕ .................................................................. 73 
5.1. Общие вопросы проектирования ....................................... 73 
5.2. Выбор типа плотины. Компоновка гидроузла .................. 75 
5.3. Плотины мерзлого типа (принцип 1) ................................. 77 
5.4. Талые плотины (принцип 2) ............................................... 82 
5.5. Водосбросные сооружения ................................................. 89 
 
Г л а в а  6.  НАКОПИТЕЛИ  ПРОМЫШЛЕННЫХ  ОТХОДОВ  
В  ЗОНЕ  ВЕЧНОЙ  МЕРЗЛОТЫ ............................................. 91 
6.1. Общие сведения ................................................................... 91 
6.2. Эксплуатация и натурные исследования  
        накопителей ......................................................................... 92 
 
Г л а в а  7.  ПРИРОДООХРАННЫЕ  МЕРОПРИЯТИЯ  
ПРИ  КОМПЛЕКСНЫХ  ТЕХНОГЕННЫХ   
НАРУШЕНИЯХ  ПОВЕРХНОСТИ ........................................ 110 
7.1. Общие сведения ................................................................. 110 
7.2. Меры защиты многолетнемерзлых грунтов  
       от оттаивания ...................................................................... 113 
 
Г л а в а  8.  РАСЧЕТЫ  ТЕМПЕРАТУРНОГО  РЕЖИМА  
ГРУНТОВЫХ  СООРУЖЕНИЙ  И  ОСНОВАНИЯ ............. 118 
8.1. Основные положения и вводные понятия  ...................... 118 
8.2. Прогноз оттаивания вечной мерзлоты  
       водохранилища под дном .................................................. 120 
8.3. Предельное температурное состояние  
       ложа водохранилища (основания промбассейна) .......... 123 
8.4. Динамика оттаивания берегового склона  
       после заполнения водохранилища ................................... 125 
8.5. Теплотехнический расчет мерзлотной завесы  
        в земляной плотине (дамбе промбассейна) .................... 128 
8.6. Расчет глубины сезонного оттаивания  
       и промерзания грунта ........................................................ 133 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 135 
 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 136 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 137 
 

Введение 
 

5 

 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В пособие включены вопросы, существенно важные для обоснования 
техносферной безопасности и защиты окружающей среды при строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера – 
гражданских, промышленных и гидротехнических сооружений. К таким 
объектам, оказывающим наиболее опасное воздействие на вечную мерзлоту, 
вплоть до ее катастрофического разрушения, относятся: 
● плотины, водохранилища и другие искусственные водоемы [4]; 
● нефте- и газопроводы; 
● различные тепловыделяющие здания и сооружения; 
● комплексные воздействия при интенсивном освоении северных 
территорий. 
Вопросы техносферной безопасности накопителей различных отходов рассмотрены в других учебных пособиях, вышедших в свет в СФУ 
(Кузнецов Г. И., Балацкая Н. В., Озерский Д. А. Накопители промышленных отходов: учеб. пособие.  Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008; Кузнецов Г. И., Балацкая Н. В., Гончаров Ю. М. Основы природоохранной гидротехники: учеб. пособие. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011.). 
Вопросы, относящиеся к горнопромышленной сфере, устройству  
дорог, проектированию оснований и фундаментов на Крайнем Севере, требуют отдельного рассмотрения; в дальнейшем предполагается выпуск других учебных пособий, развивающих арктическую и мерзлотную тематику. 
Для самостоятельного изучения рекомендуются также и другие источники (Интернет, научно-техническая периодика, труды конференций, 
описания патентов и т. п.). 

Г л а в а  1.  Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне 
 

6 

 

 
Г л а в а  1 

 
ВЕЧНОМЕРЗЛЫЕ  ГРУНТЫ.  ОСНОВНЫЕ  
ПОНЯТИЯ  О  КРИОЛИТОЗОНЕ 
 
 
1.1. Распространение вечномерзлых грунтов 
 
Вечномерзлыми грунтами (ВМГ) называются горные породы, находящиеся при отрицательной температуре и содержащие в своем составе 
лед. Они занимают порядка 25 % территории всей суши и 65 % в России. 
По характеру распространения этих грунтов по площади можно выделить 
четыре области: 
1) сплошного распространения вечномерзлых грунтов (мерзлые породы занимают более 95 % площади), их температура Т0 ниже – 3 ºС; 
2) преимущественно сплошного распространения (90–95 % площади 
Т0 = – 0,2 … – 2 ºС); 
3) прерывистого распространения (75–90 %, Т0  = – 0,2 … – 2 ºС); 
4) массивно-островного распространения (менее 25 %, Т0 > – 0,5 ºС). 
Карта распространения вечномерзлых пород на территории России 
приведена на рис. 1.1.  Границы между областями в пределах криолитозоны 
весьма условны. В целом распространение мерзлых толщин подчиняется 
широтной и высотной зональности: их количество возрастает, и температура 
понижается с юга на север и снизу вверх.  
При общих закономерностях возможны зональные отличия, обусловленные местными условиями теплообмена в системе литосфера – атмосфера. 
Наибольшим разнообразием характеризуется территория, прилегающая 
к южной границе вечномерзлых грунтов. В криолитозоне мерзлые породы 
могут отсутствовать на участках речных долин, под реками, озерами и водохранилищами, под наиболее прогреваемыми солнцем горными склонами 
и водоразделами, в местах концентрированной разгрузки подземных вод 
или площадках их инфильтрационного питания, под частью современных 
ледников, над геотермическими аномалиями, связанными с вулканическими 
и другими процессами. 
По строению мерзлых толщ по вертикали выделяют три возможных 
типа: 
1) вечномерзлые толщи сливающегося типа (кровля ВМГ совпадает 
с подошвой слоя сезонного оттаивания); 

1.1. Распространение вечномерзлых грунтов 
 

7 

 

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 талой прослойкой). 
 

 
 
Рис. 1.1. Карта распространения вечномерзлых пород на территории России 
 
В мерзлых породах часто бывают включения чистого льда, оттаивание которого приводит к большим осадкам поверхности. Различают следующие формы залегания льда: 
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); 
клиновидная – лед заполняет морозобойные трещины на глубину до 
20 м, а местами и более; 
гнездовидная – лед заполняет отдельные полости в виде небольших 
включений. 
В пределах массива мерзлых грунтов могут находиться талые грунты, 
так называемые талики, которые могут быть сквозными и несквозными. 
Сквозные талики, как правило, образуются под крупными реками, озерами 
и водохранилищами, несквозные – под отрицательными формами рельефа, 

Г л а в а  1.  Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне 
 

8 

 

мелкими водоемами и др. Число таликов с севера на юг возрастает, их 
суммарная площадь увеличивается – и мерзлые грунты исчезают (рис. 1.2). 
 

 
Рис. 1.2. Вертикальное строение мерзлых толщ с юга на север: 1 – южная 
граница реликтовых (1a) и современных (16) вечномерзлых толщ; 2 – слой 
сезонного промерзания (2 а) и протаивания (2 б); 3 – несквозные талики;           
4 – современные несливающиеся вечномерзлые толщи; 5 – сквозные талики; 
6 – современные сливающиеся вечномерзлые толщи; 7 – реликтовые сливающиеся и несливающиеся вечномерзлые толщи 
 
Наличие в толще вечномерзлых грунтов талых зон определяет особенности подземных вод, которые встречаются в талых и сезонноталых 
слоях и подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Они могут сообщаться между собой и водоемами. 
Надмерзлотные воды питаются в основном атмосферными осадками. 
Их зеркало часто повторяет рельеф поверхности; воды двигаются в сторону уклона местности, при этом кровля ВМГ служит для них водоупором. 
Межмерзлотные воды встречаются реже. Они существуют благодаря 
связи с надмерзлотными и подмерзлотными водами и постоянному переносу 
водой тепла в межмерзлотную талую зону. Возможно также наличие межмерзлотных вод в замкнутых таликах, если эти воды засолены и температура их замерзания понижена.  
Подмерзлотные воды распространены повсеместно. К ним относятся 
воды артезианских бассейнов, расположенных непосредственно под мерзлой 
толщей, и воды более глубоких горизонтов. Подмерзлотные воды подпитываются главным образом за счет просачивания надмерзлотных и речных 
вод через сквозные талики и трещиноватые зоны. Подмерзлотные воды 
обычно имеют напор и изливаются на поверхность через естественные выходы. Иногда подмерзлотные воды, поднимаясь с больших глубин, имеют 
высокую температуру, что обеспечивает существование незамерзающих 
источников.

К

лых по
реохла
соленн
вые ра
легающ

Т

но-теп
покров
турны
поверх
года и
ратурн
активн
или от

Р

П

нию и

Кроме та
ород встр
ажденные
ности. Ос
астворы (
щих мерз

1

Температ
плового б
вов (снег

ый режим 
хности, а
и геотерм
ный режи
ном распа
т тепла, пр

Рис. 1.3. Ра

на 
и несл

Поверхно
или проме

алых поро
речаются 
е породы
собенно о
(криопэги
злых грун

1.2. Тем

в

турный ре
баланса п
г, растите

массива 

амплитуды
мического
им грунто
аде, при 
риносимо

а         

аспределени

участках с
ливающего

остный с
ерзанию, 

1

од с поло
талые по
), которы
опасны на
и), которы
нтов. 

мператур

вечноме

ежим гру
оверхнос
ельность) 
грунтов 
ы колеба
 градиент
ов зависит

экзотерм
ого в грун

ие средней
с вечномерз
ося (б) типо

лой грун
называет

.2. Температу

ожительн
ороды с о
ые не заме
аходящие
ые могут 

ра и мощ
ерзлых 

унтов опре

ти с учет
и теплоп
зависит о

аний темп
та (рис. 1
т также о
мических
нт фильтр

й годовой т
злыми грун
ов: 1 – кров

нта, подв
тся деяте

ура и мощнос

ной темпе
отрицател
ерзают бл
еся в грун

мигриров

щность 
грунтов

еделяется
том тепло
потоком и
от средне
пературы 
1.3). В не
от тепла, 
химичес

рующейся

емпературы
нтами слив
вля ВМГ; 2

ергающи
ельным сл

сть массива в

ературой,
льной тем
лагодаря 
нте незаме
вать с от

массива
в

я структу
ового вли
из недр З
ей годово

поверхн

екоторых 
выделяем
ких реак
я водой. 

         б 
ы грунта п
вающегося 
2 – подошва

йся сезон
лоем. Тол

вечномерзлы

, в толще
мпературо
их больш
ерзающие
ттаивание

а

урой ради
ияния наз
Земли. Те
ой темпер
ности в т
случаях 

мого при 
кциях в гр

о вертикал
(а)  
а ВМГ 

нному от
лщина его

ых грунтов 

9 

е мерзой (пешой зае солем при
ационземных 
мпераратуры 
ечение 
темперадиорунтах 

 

ли  

ттаивао опре

Г л а в а  1.  Вечномерзлые грунты. Основные понятия о криолитозоне 
 

10 

 

деляется глубиной зимнего промерзания или летнего оттаивания. Слой 
грунтов, замерзший зимой и не оттаивающий в течение нескольких лет, 
называется перелетком. Мощность деятельного слоя зависит в основном 
от географической широты местности, термического сопротивления покровов (растительного и снежного) и состава грунтов. Она меняется от 
0,2–0,3 м (в высоких широтах) до 3–4 м (на широте 55–60). Величину деятельного слоя можно рассчитать, как и среднюю годовую температуру 
грунта на подошве деятельного слоя. Эти два параметра в основном определяют температуру вечномерзлых грунтов. В формировании температуры 
и мощности ВМГ участвует геотермический градиент, который в пределах 
криолитозоны изменяется от 0,02 до 0,035 °С на 1 м. Следует различать 
однородный по площади и неоднородный температурный режим грунтов. 
Условия теплообмена на дневной поверхности постоянны на площади, 
размеры которой превосходят мощность ВМГ в 5–6 раз.  
 
 
1.3. Мерзлотно-геологические процессы и явления 
 
Мерзлотно-геологические процессы в криолитозоне могут быть подразделены на три группы [2; 5; 7]: 
1) мерзлотные процессы (морозобойное растрескивание, льдообразование, криогенное выветривание, морозное пучение, наледообразование 
и термокарст); 
2) склоновые процессы (солифлюкция и курумообразование);  
3) процессы, обусловленные механическим воздействием на мерзлые 
грунты водоемов и водных потоков (термоэрозия, термообразия). 
Особенности распространения, интенсивности развития и проявления перечисленных процессов в целом определяются ландшафтноклиматическими и мерзлотно-геологическими факторами. 
Опишем мерзлотно-геологические процессы. 
Морозобойное растрескивание происходит в основном по двум 
причинам:  
● вследствие разной (для отдельных слоев мерзлого грунта) величины 
отрицательной температуры, обусловливающей неодинаковое сжатие              
отдельных слоев; 
● в результате образования местных бугров пучения из-за неравномерной миграции влаги. 
В зимнее время при охлаждении грунта с поверхности отдельные 
слои промерзшего грунта будут иметь разную отрицательную температуру, убывающую с глубиной (рис. 1.4). Это вызывает неравномерное сжатие 
грунтов – большее там, где ниже температура. При этом величина макси

мально
ориент

где ΔT
грунта
Gf = 0,
ной у
грунта
эффиц

К

гающе
Рассто

Ш

иногда
сиве м
попере
ется н
полиго
слоев 

ого сдвиг
тировочн

T/h = (Tд.
а на дневн
,5 Ef/(1+µ
пругости
а; af  – коэ
циент про

Ри

а – расч

Когда соп
его напря
ояние меж

Ширина 
а 10 см, г
мерзлого 
ечные тр
а отдельн
она из-за
грунта. 

гающего 
но определ

п – Th)/h 
ной поверх
µf) – моду
, Па; µf 
эффициен
опорциона

ис. 1.4. Схе
четная схем

противлен
яжения τх,
жду трещи

первичны
глубина –
грунта и
ещины, а
ные полиг
а появлен

напряжен
ляется фо

– градие
хности, С
уль упруго

 – коэф
нт линейн
альности,

а               

ема образо
ма; б – прин

мерзлог

ние мерзл
, то произ
инами Х о

Х

ых трещи
– до 6 м. П
и дальней
а постепе
гоны; при
ия значи

1.3

ния τх (на
ормулой 

ент темпе
С; Th – тем
ости при 

ффициент 
ного сжат
, близкий

                  

вания трещ
нятое в рас
го слоя с гл

лого грун
зойдет ра
определяе

вр
2

f
f

Х

а с





ин поверх
После обр
йшего пон
енно весь
и этом тре
тельных 

. Мерзлотно
апряжени

∆, 

ературы, °
мпература
сдвиге, П
бокового

тия мерзл
й к единиц

               б

щин в мерзл
счете измен
лубиной 

нта сдвигу
азрыв гру
ется по ф

р

Т
h

.        

ху чаще в
разования
нижения 
ь промерз
ещины во
напряжен

геологически

я у повер

°С/м; Tд.п
а грунта н
Па; Ef – м
о расшир
лого грун
це.  

лых грунта
нение темп

у τвр буде
нта и поя

формуле 

              

всего сост
я первой т
температ
зающий м
озникают 
ний при 

ие процессы и

рхности г

п – темпе
на глубине
модуль но
рения ме
та, 1/°С; 

 

ах:  
пературы  

ет меньше
явится тре

тавляет 2
трещины
туры возн
массив ра

также и в
изгибе ве

и явления 

11 

грунта) 

(1.1) 

ература 
е h, С; 
рмальерзлого 
n – ко
е сдвиещина. 

   (1.2) 

2–4 см, 
 в масникают 
азбивавнутри 
ерхних