Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. В 2 т. Т. 2

Стюарт А. Харрис 
Анатолий Брушков 

Годун Чэн

ГЕОКРИОЛОГИЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ 

И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Том II

Под редакцией А. В. Брушкова

Перевод В. А. Сантаевой и А. В. Брушкова

Москва
Берлин

2020

УДК 551.34
ББК 26.361

Х20

Авторы:

Стюарт А. Харрис

Географический факультет Университета Калгари, Альберта, Канада

Анатолий Брушков

Кафедра геокриологии геологического факультета Московского 
государственного университета им. М. В. Ломоносова, Россия

Годун Чэн 

Научно-исследовательский институт проблем строительства 

и окружающей среды холодных и сухих районов, 

Китайская Академия Наук, Ланьчжоу, Китай

Рецензенты:

Мельников В. П. — академик РАН, профессор, доктор геолого-минералогических наук, 

директор Института Криосферы Земли СО РАН,

Трофимов В. Т. — профессор, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой 

инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Харрис, С. А. 

Х20
Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. В 2 т. 

Т. II / С. А. Харрис, А. В. Брушков, Г. Чэн ; под ред. А. В. Брушкова ; пер. 
В. А. Сантаевой и А. В. Брушкова. — Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 
2020. — 362 с. 

ISBN 978-5-4499-1576-4

Настоящая работа предназначена для того, чтобы быть обзором молодой науки геокрио-

логии, которая представляет собой исследование вечной мерзлоты, её характера, особенно-
стей, процессов и распространения на Земле. Вечная мерзлота — результат особых климати-
ческих и геологических условий, в которых возникают мёрзлые горные породы и подземный 
лёд. Она оказывает огромное влияние на деятельность человека в холодных районах и окру-
жающую среду в Арктике. Здесь встречается уникальная группа ландшафтных явлений и мерз-
лотных процессов, описанных в книге, которых нет в других местах. Человечество извлекает 
все больше ресурсов из этих регионов, и требуется знание геокриологии, чтобы проводить 
здесь инженерные изыскания, проектирование, строительство и успешно реализовать эконо-
мические проекты. Эта книга написана тремя специалистами, представляющими три страны с 
обширными областями вечной мерзлоты. Вместе авторы имеют более 120-летний опыт иссле-
дований и участия в проектах на вечной мерзлоте во всем мире, и в этой работе они попыта-
лись обобщить свои знания. Книга предназначена для студентов геологических, географиче-
ских, 
инженерных 
специальностей, 
ученых 
и 
инженеров, 
работающих 
в 
области 

распространения вечной мерзлоты.

УДК 551.34
ББК 26.361

ISBN 978-5-4499-1576-4
© Харрис С. А., Брушков А. В., Чэн Г., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

Оглавление

ЧАСТЬ III. ОСВОЕНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ...................................................................... 7

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 7

ГЛАВА 12. МЕХАНИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ.............................................................. 10

12.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 10

12.2. НАПРЯЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ 
И ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТАХ, ПРИВОДЯЩИЕ К МОРОЗНОМУ ПУЧЕНИЮ ..... 11

12.3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ................................................................... 19

12.4. ПУЧИНИСТОСТЬ ........................................................................................... 28

ГЛАВА 13. ФУНДАМЕНТЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ: НАДЁЖНОСТЬ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ........................................................................................................ 32

13.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 32

13.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОНСТРУКЦИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ 
МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ...................................................................... 35

13.3. ВЫБОР ПРИНЦИПА СТРОИТЕЛЬСТВА ...................................................... 37

13.4. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................................................................... 38

13.5. ВРЕМЯ СТРОИТЕЛЬСТВА............................................................................ 40

13.6. ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ.................................................................................. 41

13.6.1. Грунтовые насыпи ................................................................................... 41

13.6.2. Плиты ....................................................................................................... 42

13.6.3. Фундамент из балок ................................................................................ 43

13.6.4. Столбчатый фундамент.......................................................................... 43

13.6.5. Сваи.......................................................................................................... 45

13.6.6. Термосифоны .......................................................................................... 51

13.6.7. Искусственное охлаждение .................................................................... 58

13.6.8. Вентиляционные каналы ........................................................................ 58

13.6.9. Угол наклона боковых частей насыпи.................................................... 60

13.6.10. Уборка снега .......................................................................................... 61

13.6.11. Температурная сдвижка........................................................................ 61

13.6.11.1. Затенение........................................................................................ 66

13.6.12. Теплоизоляция ...................................................................................... 68

13.6.13. Использование геотекстиля и водонепроницаемого пластика.......... 69

Оглавление

4

ГЛАВА 14. АВТОМОБИЛЬНЫЕ И ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ, АЭРОДРОМЫ................. 71

14.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 71

14.2. ПРОБЛЕМЫ ДОРОГ....................................................................................... 71

14.3. ТИПЫ ДОРОГ ................................................................................................. 72

14.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАСЫПИ.............................................................. 74

14.5. ЗИМНИЕ ДОРОГИ.......................................................................................... 75

14.6. ВЛИЯНИЕ ЗИМНИХ ДОРОГ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.......................... 77

14.7. ВЫСОТА НАСЫПИ......................................................................................... 78

14.8. ГРУНТОВЫЕ НАСЫПИ ДОРОГ..................................................................... 80

14.9. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ НАСЫПЕЙ............................ 89

14.10. БЕТОННЫЕ И БАЛЛАСТНЫЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПУТИ .................. 96

14.11. ПОКРЫТИЕ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ ....................................................... 98

14.12. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕЛОЙ ОКРАСКИ ..................................................... 101

14.13. МОСТЫ ....................................................................................................... 101

14.14. НАЛЕДИ ...................................................................................................... 105

14.15. ПОДРЕЗАННЫЕ СКЛОНЫ......................................................................... 109

14.16. СТРОИТЕЛЬСТВО АЭРОДРОМОВ .......................................................... 110

ГЛАВА 15. НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ................................................. 114

15.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 114

15.2. РАЗВЕДКА НЕФТИ И ГАЗА ......................................................................... 115

15.3. БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ .............................................................................. 116

15.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СКВАЖИНЫ......................................................... 118

15.5. ПРОБЛЕМА ОТСТОЙНИКОВ ...................................................................... 119

15.6. ТРУБОПРОВОДЫ ........................................................................................ 121

15.6.1. Подземный тип ...................................................................................... 121

15.6.2. Трубопроводы на свайных фундаментах ............................................ 131

15.6.2.1. Особенности конструкции .............................................................. 132

15.6.2.3. Методика строительства................................................................ 135

15.6.2.4. Отказы в подземной части ............................................................. 135

15.7. МОНИТОРИНГ.............................................................................................. 136

15.8. КОМПРЕССОРНЫЕ СТАНЦИИ................................................................... 137

15.9. ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ .......................................................... 139

15.10. ВЛИЯНИЕ АДВЕКТИВНОГО ПЕРЕНОСА ТЕПЛА 
ОТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКВАЖИН............................................................... 141

15.11. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ................................................ 142

ГЛАВА 16. ГОРНОЕ ДЕЛО В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ ............................... 147

16.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 147

Оглавление

5

16.2. РОССЫПНАЯ ДОБЫЧА............................................................................... 147

16.3. ОТКРЫТАЯ ДОБЫЧА................................................................................... 151

16.3.1. Разведочные работы............................................................................. 152

16.3.2. Извлечение руды................................................................................... 153

16.4. ПОДЗЕМНАЯ ДОБЫЧА................................................................................ 158

16.4.1. Транспорт руды в шахте....................................................................... 160

16.4.2. Вспомогательные объекты ................................................................... 161

16.5. ОТХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ХВОСТОХРАНИЛИЩА................................ 162

16.5.1. Токсичные отходы ................................................................................. 165

ГЛАВА 17. КОММУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО.............................................................. 169

17.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 169

17.2. ВОДОСНАБЖЕНИЕ ..................................................................................... 169

17.2.1. Источники воды ..................................................................................... 170

17.2.2. Плотины на вечной мерзлоте............................................................... 173

17.2.3. Хранение воды ...................................................................................... 176

17.2.4. Очистка воды......................................................................................... 177

17.2.5. Потребность в воде............................................................................... 179

17.2.6. Методы транспортировки воды............................................................ 181

17.3. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ............................................................................ 184

17.3.1. Очистка и утилизация сточных вод...................................................... 184

17.3.1.1. Неразбавленные сточные воды .................................................... 184

17.3.1.2. Умеренно разбавленные отходы................................................... 185

17.3.1.3. Сточные воды обычной концентрации.......................................... 185

17.3.1.4. Сильно разбавленные сточные воды............................................ 186

17.3.2. Утилизация твердых отходов ............................................................... 186

17.4. ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ........................................................................ 188

17.4.1. Проблемы фундаментов линий передач в зоне вечной мерзлоты ... 188

17.4.2. Типы фундаментов опор....................................................................... 190

ГЛАВА 18. СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО ..................................................... 194

18.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 194

18.2. ЗОНАЛЬНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СИБИРИ......................................... 198

18.3. ЗОНАЛЬНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СЕВЕРНОЙ АМЕРИКИ ................. 200

18.4. ЮЖНЫЙ И ВОСТОЧНЫЙ КАЗАХСТАН, МОНГОЛИЯ И ПЛАТО 
ЦИНХАЙ-ТИБЕТ.................................................................................................... 202

18.5. ЗОНЫ ЭЙХФЕЛЬДА ..................................................................................... 203

18.5.1. Зона Эйхфельда I.................................................................................. 206

18.5.2. Зона Эйхфельда II................................................................................. 206

Оглавление

18.5.3. Зона Эйхфельда III................................................................................ 206

18.5.3.1. Северная Тайга............................................................................... 206

18.6. АЗИАТСКИЕ ТРАВЯНИСТЫЕ СТЕПИ И ПУСТЫНИ.................................. 209

18.7. РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННОГО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА 
В КРИОЛИТОЗОНЕ............................................................................................... 212

18.8. ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО ................................................................................ 213

18.9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА ................ 214

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................... 217

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ........................................................................................ 360

Часть III

Освоение криолитозоны

ВВЕДЕНИЕ

Очевидно, что использование областей вечной мерзлоты человечеством 

намного сложнее, чем других территорий. Но нам нужны природные ресурсы,
и запасы полезных ископаемых и лесов, расположенные в районах с вечной 
мерзлотой. Соответственно, становится жизненно важным определить лучшие 
методы для развития этих районов и привлечения ресурсов в регионы, где про-
живает большинство людей. Осознание того, что изменения климата постоянно 
происходят в дополнение к кратковременным колебаниям, приводит к дополни-
тельным осложнениям для строительства объектов, которые не рассматрива-
лись в большинстве предыдущих работ в районах вечной мерзлоты (Bobov, 1977; 
Vyalov et al., 1993, 1997; Pavlov, 1994, 1996; Анисимов и Нельсон, 1996; Анисимов
и др., 1997; Балобаев и Павлов, 1998; Трофимов и др., 2000).

Самый длительный опыт освоения холодных областей вечной мерзлоты при-

надлежит россиянам (Harris, 1986; Афанасенко и др., 1989), которые завоевали 
северную часть Сибири в период с 1490 по 1692 год (Цытович, 1966, Fullard & 
Treharne, 1972). Первоначал русские использовали старые пути коренных наро-
дов, но трудности отмечались в ранних военных сообщениях Глебова и Головина 
ещё в 1642. Неудачная попытка Шергина найти воду в колодце в Якутске привела
к исследованиям академика А. Ф. фон Миддендорфа, который первым начал из-
мерения температур горных пород (Миддендорф, 1848; Цытович, 1966). После-
дующие исследования проводились военными, многие
из которых были

из Польши. Самым успешным из них был майор Николай Михайлович Пржеваль-
ский, в честь которого была названа медаль Русского географического общества. 
Первая известная карта сибирской вечной мерзлоты была создана Г. Вильдом
в 1882 году (Никифоров, 1928, Баранов, 1959) с использованием изотермы 2°. 
Это поставило южный рубеж мерзлоты слишком далеко на север в Сибири
и слишком далеко на юг в Европе. В 1895 году И. В. Мушкетов с В. А. Обручевым
и другими написали первую «Инструкцию по исследованию мёрзлых грунтов
в Сибири». Н. С. Богданов и А. Н. Львов рассказали об опыте инженеров, строя-
щих Транссибирскую железную дорогу, и искали подходящие источники воды для 
паровых машин, а М. И. Сумгин (1927) опубликовал первый учебник по «Вечной 
мерзлоте в СССР». Это утвердило геокриологию как самостоятельную отрасль 
науки, а «Инженерное дело в холодных регионах» было признано в качестве спе-
циальности (Washburn, 1979; Johnston, 1981; Yershov, 1990; Smith & Sego, 1994; 
Kamensky, 1998; Senneset, 2000). Андреева и др. (1995) обобщили методику, 

Часть III. Освоение криолитозоны

8

используемую в России для снижения сложности и неопределённости при приня-
тии решений в использовании Арктических ресурсов.

Первоначально поселенцы в Северной Америке также использовали методы 

коренных народов на Крайнем Севере. После разразившейся войны между Япо-
нией
и США североамериканцы быстро собрали доступную информацию

из СССР (Мюллер, 1943, 1946) и начали проводить обширные исследования для 
поддержки строительства Аляскинского шоссе вместе с военными базами на се-
веро-западной Аляске, в Северной и Арктической Канаде. За этим последовало 
развитие систематических исследований для содействия заселению северных 
земель и использованию их ценных минеральных ресурсов. Открытие последних
и, в частности, участков природного газа и нефтяных месторождений, как на бе-
регу, так и на шельфе Северного Ледовитого океана привело к быстрому увели-
чению численности северных территорий и развитию соответствующих ресурсов
во всем регионе. Другие важные дорогостоящие ресурсы включают алмазы
и уран. Они достаточно ценны для того, чтобы их можно экономически целесооб-
разно добывать при условии, что руду можно обработать на месте, но для этого 
требуется электричество. Крупные месторождения медно-цинковых и свинцовых 
руд известны в таких местах, как Фаро, Юкон, но их разработка не является эко-
номически оправданной в данный момент. Однако рудники в Норильске доста-
точно близки к побережью, чтобы быть жизнеспособными и поставлять руду Во-
сточной Европе и России, удовлетворяя значительную часть потребностей
в меди, цинке и свинце.

Относительно новая область иссле-

дований 
связана
с гидратами 
газа. 

Явление гидратообразования создаёт 
проблемы для бурения в холодных реги-
онах, но скопления гидратов содержат 
огромные запасы природного газа в том 
случае, если будет найден экономиче-
ски целесообразный метод, чтобы без-
опасно
их получать
с контролируемой 

скоростью.

В
Китае наличие междугородной 

связи имеет решающее значение для 
его экономического роста наряду с обес-
печением адекватных поставок энергии. 
Соответственно, гидроэнергетика и ли-
нии электропередач очень важны. Воло-
конно-оптические кабели были проло-
жены
на огромных 
расстояниях, 

построены автострады, железные до-
роги
и высокоскоростные железнодо-

рожные линии, а трубопроводы постав-
ляют нефть и газ из Сибири. Все они 
должны пересекать области вечной 
мерзлоты и построены так, чтобы обес-
печивать 
надёжность
и идти
в ногу

с экономическим ростом этой страны.

Рис. 12.1. Деформации и трещины в зда-
нии на вечной мерзлоте в Воркуте, Евро-
пейская часть России

Введение

9

В части 3 этой книги рассматривается, какие инженеры разработали методы, 

позволяющие развиваться в районах вечной мерзлоты. Строительство изменяет 
местные условия, которые необходимо учитывать, если строительство должно 
быть успешным (Afanasenko et al., 1991). В главе 12 обсуждаются механические 
свойства грунтов, которые чувствительны к сезонному нагреванию и оттаиванию
в районах вечной мерзлоты. В ней также обсуждается проблема определения мо-
розостойкости и и морозной пучинистости грунтов. За ней следуют главы, касаю-
щиеся оснований, линейных транспортных систем, проблем, стоящих перед 
нефтегазовой и горнодобывающей промышленностью, электрическими сетями, 
водоснабжением и удалением отходов, а также сельским и лесным хозяйством. 
Все это требует специальных методов. К сожалению, когда использование тер-
ритории прекращается, часто выполняется недостаточная реабилитация и вос-
становление ландшафта до удовлетворительного состояния.

Часть III. Освоение криолитозоны

10

Глава 12. МЕХАНИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

12.1. ВВЕДЕНИЕ

Механическими процессами (mechanical processes) в грунтах являются 

процессы, вызванные внутренними напряжениями различного типа, приводящие
к упругим, вязким или пластическим деформациям (elastic, viscous,
or plastic strains), возникающим с или без разрушения сплошности (Goldshtein, 
1952; Vyalov, 1978). 

Под деформацией понимается изменение формы и (или) объема тела без нару-
шения его сплошности. Деформации бывают обратимыми (исчезающими после 
снятия нагрузки) и необратимыми (остаточными, или пластическими). Обрати-
мыми являются упругие и эластические деформации. Их природа различна. 
Упругие деформации, строго говоря, обусловлены изменением расстояния 
между атомами. Их аналогом для сложных систем являются эластические де-
формации, связанные с изменением конформации макромолекул, или, в слу-
чае грунтов, взаимодействием составляющих грунта. Закон упругости Гука —
это закон прямой пропорциональности между напряжением и деформацией, 
характерный для идеально упругого тела, моделью которого является спираль-
ная пружина. Остаточные деформации в кристаллических телах возникают
в результате скольжения дислокаций за счет последовательного перескока 
атомов со своего места на соседнее. В грунтах остаточные деформации свя-
заны в основном с изменением положения минеральных частиц и льда. В ме-
ханике грунтов под реологическими понимают процессы деформирования ске-
лета грунта, протекающие во времени и связанные в основном с остаточными 
деформациями. Развитие во времени объемных деформаций в немерзлых во-
донасыщенных грунтах в значительной мере определяется процессом отжатия 
или всасывания воды при изменении объема их пор. Развитие таких деформа-
ций грунтов, определяемых только длительностью фильтрации воды, не отно-
сят к категории реологических. К реологическим следует относить только про-
текающие во времени деформации самого скелета.
В глинистых грунтах 

реологические процессы обусловлены вязкими связями между частицами ске-
лета грунта. В мерзлых — течением льда. Под ползучестью понимают дефор-
мируемость грунта во времени при постоянной нагрузке. Пластичность — спо-
собность материала принимать новую форму и размеры под действием 
внешних сил, не разрушаясь, и сохранять ее после снятия нагрузки. Идеальная 
модель ползучести — так называемый ползун, тело, толкаемое внешней силой, 
двигающееся по поверхности, меняющее свое положение и преодолевающее 
силу трения. Вязкость — свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать 
сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Пример —
Ньютоновская жидкость, идеальная модель — поршень с жидкостью. Упру-
гость — свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанав-
ливать первоначальную форму и размеры после ее снятия. Поведение грунтов 
под нагрузкой имеет сложный характер, в общем виде упруго-пластично-вяз-
кий. Релаксацией называют процесс расслабления (уменьшения) напряжений
в грунтах при заданной неизменной деформации за счет ползучести. Длитель-
ная прочность — прочность грунтов при длительном действии на них нагрузки.

Внутренние напряжения в мёрзлых грунтах обусловлены изменением основ-

ных термодинамических параметров. Это внешнее давление (P), температура (t)

Глава 12. Механика мёрзлых грунтов

11

и объём (V). В связи с этим напряжения можно разделить на две группы. Первая 
группа напряжений связана с применением внешнего давления. Механические 
процессы —
сжимающие, 
растягивающие, 
сдвиговые 
деформации 

(compressive, tensile, shear strains), развивающиеся в этом случае, можно рас-
сматривать как баромеханические процессы (baromechanical processes). Вто-
рая группа напряжений создаётся внутри грунтового тела в результате неодно-
родных изменений элементов его объёма (nonuniform changes in the 
elements of its volume) из-за физических и химических процессов, таких как вы-
сушивание, увлажнение, нагрев, охлаждение, фазовые переходы и миграция
с изменениями объёма (Taber, 1930, Федосов, 1935, Edlefsen & Anderson, 1943, 
Yershov, 1986; Henry, 2000). Неоднородные изменения объёмных элементов (V), 
связанных друг с другом, происходят из-за разнородных изменений параметров 
температуры, влажности (W), содержания льда (Wi) (temperature, liquid 
moisture content, ice content), что приводит к температурным деформациям, де-
формациям набухания, пучению и некоторым другим процессам. В этой группе 
можно различать два типа физико-механических процессов. Это объёмно-гра-
диентные напряжения и деформации (volume-gradient stresses and strains)
в мёрзлых грунтах, вызванные изменением их отрицательной температуры, или 
термомеханические процессы (thermo-mechanical processes), и деформа-
ции и напряжения градиента объёма (volume gradient strains and stresses)
в замерзающих и оттаивающих грунтах, вызванных фазовыми переходами, ми-
грацией и процессами формирования текстуры — агрегация, диспергация, ко-
агуляция (aggregation, dispersion, coagulation) частиц грунта.

12.2. НАПРЯЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ

И ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТАХ, ПРИВОДЯЩИЕ К МОРОЗНОМУ ПУЧЕНИЮ

Промерзание водонасыщенных грунтов приводит к увеличению объёма грун-

тов из-за 9 %-ного расширения объёма воды при промерзании (Бесков, 1935, Бо-
женова и Бакулин, 1957), когда влага не может перейти в мёрзлый грунт или мигрировать 
в нижележащие талые грунты. Частицы отдаляются друг от друга, что 
приводит к увеличению общего объёма мёрзлого грунта на несколько процентов 
(обычно не более 3–4 %). Агрегаты и обломки могут быть разделены тонким 
слоем льда, или иногда линзы льда обнаруживаются рассеянными по всему 
мёрзлому грунту. В замкнутых системах (без возможности бокового или вертикального 
расширения грунта) они могут приводить к возникновению выраженных 
напряжений на контактах между частицами грунта из-за давления кристаллизации 
льда, достигающего 2200 кг (при -22 °) во время замерзания, их конгломерации, 
сбору частиц в агрегаты, сжатию, переориентации и пластическому движению (
Федосов, 1935). Напряжения не обнаруживаются в оттаиваемой части 
мелкозернистых грунтов, если миграция влаги отсутствует. Они могут возникать 
только в присутствии повышенных давлений в мёрзлом блоке грунта, или в результате 
обезвоживания и усадки в талом грунте.

Во время промерзания водонасыщенных хорошо проницаемых грунтов, 

например, водонасыщенных песков, гравия избыточная вода перемещается вниз, 
т. е. наблюдается поршневой эффект (piston effect). В нижележащих талых 
грунтах частичный или полный обрыв структурных связей происходит в резуль-
тате генерируемого гидростатического давления. В присутствии водоупорного го-
ризонта формируются напорные надмерзлотные или внутримерзлотные воды. 
Если эти воды вытесняются
на поверхность вдоль трещин или других 

Часть III. Освоение криолитозоны

12

ослабленных зон мёрзлого грунта, они приводят к образованию наледей, инъек-
ционным буграм пучения, пинго и другим явлениям. Они также наблюдаются в се-
зонно-талом (активном) слое, где образуются закрытые объёмы перенасыщен-
ного грунта, которые затем промерзают.

В оттаиваемой зоне криотекстура 

(cryotexture), т. е. форма, размеры и поло-
жение в пространстве ледяных включений, 
зависит от скорости и степени обезвожива-
ния за счёт миграции влаги в промерзаю-
щую зону, что приводит к обезвоживанию
и коагуляции частиц грунта и уменьшению 
объёма грунта в зоне усадки (desiccation 
zone) (рис. 12.2). В этом случае образуются 
более крупные блоки и агрегаты — есте-
ственные грунтовые агрегаты, или 
педы (peds), а частицы собираются более 
тесно, пористость уменьшается
и плот-

ность грунта увеличивается. В результате 
развиваются 
напряжения 
вследствие 

усадки. Зона усадки может быть разделена
на две части. Первая часть (ближе к про-
мерзающей зоне) характеризуется более 
выраженными изменениями в содержании 
влаги. Мощность этой зоны довольно мала 
(первые несколько сантиметров). Вторая 
зона намного шире (несколько десятков 
сантиметров). Она характеризуется мень-
шими градиентами
в содержании влаги. 

Ширина этих зон зависит от скорости про-
мерзания. При уменьшении скорости про-
мерзания вторая (более широкая) зона уве-
личивается,
а первая 
(узкая) 
зона 

уменьшается.

Ясно, что усадка грунта возрастает 

только до определенной плотности, и после 

этого устанавливается равновесие между капиллярными и пленочными силами, 
стремящимися объединить частицы. Влажность грунта, соответствующая этой 
плотности, представляет собой влажность на пределе усадки (Wshr). Обезвожи-
вание грунта продолжается до предела усадки в талой зоне, близкой к фронту 
промерзания. Позже грунт служит транзитной зоной для переноса влаги. Макси-
мальные деформации усадки происходят вблизи фронта промерзания в участках 
наибольшего высыхания талой зоны и промерзающей зоны грунта. Рост ледяного 
слоя обеспечивается мёрзлой зоной, поднимающейся вверх, а также уменьше-
нием усадки преимущественно талой зоны, подвергающейся высыханию. Общая 
деформация усадки в вертикальном направлении на порядок больше, чем в го-
ризонтальном направлении. Это можно объяснить тем, что усадка талой зоны 
грунта в горизонтальном направлении «подавляется» из-за связи между этой зо-
ной и промерзающей зоной. В результате при промерзании насыщенных водой 
мелкозернистых грунтов
с активной миграцией влаги
и накоплением льда 

Рис. 12.2. Схема промерзания тонко-
дисперсного грунта, показывающие 
зону промерзания или «промерза-
ющую кайму» (frozen fringe) и зону 
усадки (desiccation zone): вода 
(water), лёд (ice)

Глава 12. Механика мёрзлых грунтов

13

суженная зона («шея») образуется в её мёрзлой части, которая напоминает вы-
сушенную часть талой зоны и зоны в промерзающем грунте, подвергающихся де-
гидратации при понижении отрицательной температуры. Когда усадочные напря-
жения достигают значений разрушения, образуются трещины.

Промерзание воды в закрытом объёме (например, в некоторых порах) может 

вызвать выраженные напряжения в условиях подавления деформации. Однако 
эти усиливающиеся напряжения возникают при значениях чуть ниже полного по-
давления деформаций. Поскольку природные грунты не могут считаться замкну-
той, слабо деформируемой системой, в большинстве случаев составляющая 
напряжений пучения не преобладает над другими компонентами горизонтальных 
напряжений и деформаций. Этот компонент можно рассматривать как некоторое 
дополнение к напряжениям набухания, развивающимся за счёт расклиниваю-
щего эффекта тонких плёнок мигрирующей воды. Возможно, что в природе дав-
ление кристаллизации (которое превышает прочность грунта), его фактическое 
значение в зависимости от противодействия быстро понижается из-за пластично-
сти, податливости мёрзлых грунтов в зоне промерзания.

При условии равновесия и равенства давления во льду pice и в воде pw

и удельных объёмов льда vice и воды vw в замкнутой системе упрощённое урав-
нение Клапейрона может быть использовано для оценки напряжений в промер-
зающих грунтах (Grechishchev et al., 1980; Black, 1995):

Q

dT

T +(vice-vw)dp=0
(12.1)

где: р — равновесное давление льда и воды, T — температура, Q — теплота фа-
зовых переходов.

Уравнение 
(12.1) 
предсказывает 
понижение 
температуры плавления

на 0,074 °C для повышения давления на 1 МПа одинаково на обеих фазах льда
и жидкой воды. Существует значительное изменение давления при небольшом 
изменении температуры. 

Принимая во внимание тот факт, что ледяные шлиры играют определенную 

роль в определении несущей способности грунта из-за их размеров и положения
в грунте, а между слоями льда и грунта всегда присутствуют незамёрзшие слои 
воды, давление льда и воды и внешнее напряжение σt должны быть, по-види-
мому, равными в равновесных условиях:

pice = pw = σt = p
(12.2)

Поток мигрирующей воды q должен быть пропорционален разности химиче-

ских потенциалов воды и льда (µw и µice) и может быть выражен в упрощённом 
случае pice= pw= p следующим образом (Grechishchev et al., 1980; Deryagin et al., 
1985):

dq=k(-Q

dT

T -(vice-vw)dp)
(12.3)

где: k — коэффициент миграции.

Если происходит свободный отток воды (pw= 0), и процесс достаточно продол-

жителен, мы получаем другую формулу для равновесия (Schofield, 1935), аналогичную (
12.1):

Часть III. Освоение криолитозоны

14

Q

dT

T +vicedpice=0
(12.4)

Согласно (12.4), понижение температуры плавления льда при повышении 

давления, а также возрастание давления при понижении температуры на порядок 
меньше, чем предсказано (12.1), поскольку:

vice-vw

vice

~0.1
(12.5)

В этом случае давление льда изменяется с температурой, а давление жидкой 

воды остаётся равным нулю или постоянным. Распределение давления льда, 
воды и эффективных напряжений не так просто, как представлено в модели Миллера (
Miller, 1972, 1978), ни в сходных моделях из-за поверхностных эффектов 
частиц грунта, сложной геометрии грунтовых пор и различных и изменяющихся 
механических свойств частиц льда и грунта (Drosf-Hausen, 1967; Chistotinov, 1973; 
Grechishchev et al., 1980; Deryagin et al., 1985; Golubev, 1988; Henry, 2000). Разумным 
подходом, на наш взляд, может быть упрощённая физика морозного пучения, 
рассмотренная
в главе 6
(уравнения 6.1, 6.2, 6.3)
и представленная

на рис. 12.3 (Brouchkov, 1998). 

Вместе с деформациями пучения в мёрзлой части грунта возникают напряжения. 
Механические напряжения, образующиеся на поверхности промерзающего 
грунта, а также их влияние на инженерную конструкцию являются результатом 
взаимодействия между незамерзшими и мёрзлыми частями грунта, а также ин-
женерной конструкцией, вместе препятствующих деформациям пучения. Харак-
тер сил, генерируемых в зоне замерзания, очевидно, зависит от величины «по-
давленной (недопущенной)» деформации в простейшем виде в линейной форме 
(обоснование выше) (см. уравнение 6.1). Приведём итоговое выражение 6.2:

1
1
1
1

h
shrink
inadm
admit
shrink
z
mlt
mlt
fr
fr

gr
g
mlt
fr
gr
g
mlt
fr

d
d
d
d
d
d
l
l
l
l
k
k
E
E
k
k
E
E







−
−
−
=
=
+
+
+
+
+
+

(12.6)

Из уравнения (12.6) следует, что измеряемые величины напряжений пучения 

σ возрастают пропорционально потенциальной деформации пучения εh и умень-
шаются с увеличением допущенной деформации εadmit, а также обратно пропор-
циональны общей деформации грунта (знаменатель в уравнении (12.6). Допу-
щенная деформация промерзающей зоны при ограничении деформаций пучения
на поверхности с коэффициентом жёсткости kg при этом будет определяться 
также и усадкой талой зоны (dshrink), механическим сжатием (компрессией) талой
и мерзлой зон (соответственно dσz*lmlt/Еmlt и dσz*lfr/Еfr), имеющих размеры lmlt и lfr
и модули деформации Еmlt и Еfr. Не учитывается реология талого и мёрзлого 
грунта, релаксация напряжений, сложный характер зависимости напряжений
от деформации, значения давления, описываемые уравнением Клапейрона,
и уменьшение пучения как реакция на давление морозного пучения в зоне про-
мерзания. Таким образом, расклинивающий эффект тонкой незамёрзшей пленки 
играет ведущую роль в формировании морозного пучения.