Физические и механические свойства вечномерзлых грунтов

1. ОСНОВНЫЕ  ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ  ГРУНТОВ.

Мерзлый грунт является четырехфазной системой, содержащей минеральные частицы, воздух, воду и лед. Лед цементирует минеральные  частицы и придает грунту новые  физические и механические свойства. Эти свойства в значительной мере зависят от температуры, величина которой  определяет количество незамерзшей  воды в грунте, льдистость, прочность  льдоцементационных связей и закономерности изменения прочности и деформируемости  вечномерзлых грунтов. Изменение температуры  грунта приводит к таким процессам  и явлениям как:

• Миграция влаги. Зависит главным образом от движения воды по пленкам, окружающим твердые частицы, вследствие градиента сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц ниже границы промерзания в пределах зоны всасывания.
• Морозное пучение грунта (характерно для влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков при их промерзании) – увеличение объема промерзающего грунта вследствие объемного расширения (приблизительно на 9 %) при переходе воды в лед, как первоначально находившейся в порах, так и мигрировавшей в зону промерзания из нижерасположенных слоев грунта. Количественно характеризуется:

• Величиной морозного пучения f_t – абсолютное значение поднятия поверхности промерзающего слоя грунта толщиной d_t (абсолютная деформация).
• Коэффициентом морозного пучения ε_t – относительная величина морозного пучения промерзающего слоя грунта (относительная деформация).

 

Интенсивность морозного пучения зависит от многочисленных факторов:

• Состава и состояния грунта;
• Скорости и продолжительности промерзания;
• Величины внешнего давления

и др.

• Наледи. При наличии подземных вод образуются поверхностные (наземные слои льда, образовавшиеся от излияния и замерзания вод на поверхности) и грунтовые наледи (подземные слои льда, образующиеся вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные и многолетние.
• Бугры пучения: сезонные и многолетние.
• Криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов. В процессе промерзания деятельного слоя грунта и после промерзания, вследствие неравномерного уменьшения объема грунта при охлаждении, образуются трещины, которые проникают в слой вечномерзлого грунта, создавая условия для образования трещинных льдов.
• Солифлюкация – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Пример солифлюкации можно посмотреть в приложении рис. 1.1.
• Ледяные клинья в вечномерзлой толще – в результате повторного чередующегося морозобойного растрескивания и цементации трещин льдом.
• Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явлений, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоев, линз и жил), возникновение в толще мерзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрицательных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других понижений.) Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт.

Различные по гранулометрическому, минералогическому  составу, состоянию и засоленности грунты замерзают при различных  температурах (несколько ниже 0˚С), что обусловлено степенью связности поровой воды с минеральным скелетом. При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к уменьшению количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды в грунтах зависит от их гранулометрического и минералогического состава, концентрации и химического состава солей в поровой воде, внешнего давления и других факторов (см. приложения рис. 1.2.). В мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии в зависимости от внешних условий и воздействий. Наличие в мерзлом грунте промерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).

Физические  свойства грунтов.

Основные  характеристики:

• Плотность мерзлого грунта естественной структуры

где масса образца; объем образца;

• Плотность твердых частиц мерзлого грунта , определяется с помощью пикнометра.
• Суммарная влажность мерзлого грунта , равна отношению массы всех видов воды в грунте к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение зависит от места взятия пробы грунта (наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всей высоте слоя грунта из вертикальной бороздки в стене шурфа или в монолите).

Cуммарную влажность можно выразить в виде суммы влажностей: 

• Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей  воды

Дополнительные  характеристики:

• Влажность грунта за счет включений льда . Если экспериментально определены , то определяется расчетом:

 

• Влажность грунта между включениями льда
• Влажность за счет льда-цемента
• Суммарная льдистость мерзлого грунта - это отношение всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта

 
 

• Льдистость  мерзлого грунта за счет включений  льда

 

• Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом  и незамерзшей водой 

 
 
 

• Пористость  n_f это отношение объема пор ко всему объему грунта
• Коэффициент пористости e_f равен отношению объема пор к объему твердых частиц.
• Плотность скелета грунта
• Удельный вес мерзлого грунта, кН/м³, определяется расчетом

Мерзлые грунты можно классифицировать по льдистости и температуре.

1. По льдистости :

• Сильнольдистые
• Среднельдистые
• Cлабольдистые

Ледяные включения, количественно определяемые льдистостью , дают представление о величине осадки грунта после оттаивания под действием собственного веса. Например, если , то это означает, что в слое мерзлого грунта толщиной 100см находятся прослойки льда общей (суммарной) толщиной 20 см. При оттаивании максимально возможная осадка мерзлого грунта под действием собственного веса будет приблизительно равна сумме толщины ледяных включений, т.е. 20 см.

2. В зависимости от температуры:

• Твердомерзлые, характеризующиеся температурой ниже температуры перехода T_sg(зависит от вида грунта и изменяется от -0,1˚С(крупные и средней крупности пески) до -1,5˚С(глины)) или коэффициентом сжимаемости ;
• Пластичные, характеризуются температурой от начала замерзания Т_hf до температуры перехода в твердомерзлое состояние T_sg и достаточно большой сжимаемостью (;
• Сыпучемерзлые – грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью

Механические  свойства грунтов.

Механические  свойства мерзлых грунтов зависят  от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности  действия нагрузки. Наличие в мерзлых  и вечномерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды и льда, у которого давление любой интенсивности вызывает пластическое течение, обуславливает  протекание реологических процессов.

• Прочность мерзлых грунтов. Интенсивное развитие в мерзлых грунтах ползучести приводит к значительному уменьшению их прочности и сопротивляемости любому характеру разрушений (R_t) при длительном действии нагрузок (см. приложения рис. 1.3.). При проектировании зданий и сооружений используются значения предельно-длительной прочности мерзлых грунтов , определяемые экспериментально, которые значительно меньше мгновенной прочности R_r. Характер изменения временной прочности (временного сопротивления) зависит от температуры, состава и состояния грунта. Предельно-длительное сопротивление мерзлых грунтов сжатию в 5-10 раз меньше временного сопротивления, а предельно длительное сопротивление растяжению примерно в 2-6 раз меньше их сопротивления сжатию. Предельное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу может быть описано линейным уравнением м переменными параметрами, зависящими от величины отрицательной температуры Т и времени действия нагрузки t:

 

- соответственно удельное  сцепление и угол  внутреннего трения, определяемые с  учетом температуры  грунта и времени  нагружения.

Н. А. Цытович предложил методику определения эквивалентного сцепления C_eq – комплексной характеристики прочностных свойств мерзлых грунтов, учитывающий совместно силы сцепления и трение. Величина эквивалентного сцепления подсчитывается по результатам испытаний шаровым штампом: 

где N-нагрузка на штамп, кН; D-диаметр штампа, м; s_t-величина осадки штампа в различные промежутки времени.

Величина  длительного эквивалентного сцепления  определяется по результатам испытаний  продолжительностью 8 ч с введением  коэффициента 0,8, т.е. C_{eq t}=0,8C_eq

• Сжимаемость мерзлых грунтов. Зависит от их состава и состояния, температуры, времени действия, величины и характера приложения нагрузки. Основной характеристикой сжимаемости мерзлых грунтов является коэффициент сжимаемости, который может быть определен по данным компрессионных испытаний (в нетеплопроводных одометрах) или рассчитан по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов. Компрессионная зависимость представлена в приложении см. рис. 1.4. Коэффициент сжимаемости пластично-мерзлого грунта определяется для различных интервалов нагрузки с точностью до 0,001:

 

При полевых испытаниях грунтов пробной  нагрузкой с помощью холодных штампов коэффициент сжимаемости  вычисляется по формуле теории линейно-деформируемых  тел ; где -коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта, а -модуль деформации мерзлого грунта.

• Прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при оттаивании. Оттаивание грунтов сопровождается разрушением льдоцементационных связей при переходе льда в воду. При этом резко уменьшается как сцепление c_th грунтов, так и их угол внутреннего трения ϕ_th (по сравнению с этими характеристиками в мерзлом состоянии). Угол внутреннего трения оттаивающего грунта ϕ_th или приближается по величине к углу внутреннего трения для немерзлых грунтов ϕ (при равной влажности – плотности), или становится несколько меньше его. Сцепление с_th будет значительно меньше сцепления тех же грунтов в талом состоянии или близко к нулю. Поэтому характеристики оттаивающего грунта ϕ_th и с_th необходимо в каждом конкретном случае определять экспериментально. Предельное сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов с достаточной для практических целей точностью, можно принимать соответствующим теории прочности Кулона-Мора, т.е. по выражению:

 

Консолидация  грунта в связи с его уплотнением  после оттаивания под действием  собственного веса и восстановление структурных связей приводит к увеличению сопротивления сдвигу. При оттаивании льдистых грунтов даже без приложения внешнего давления возникают быстропротекающие осадки оттаивания – просадки. Внешняя нагрузка вызывает осадки уплотнения при оттаивании, происходящие за счет уменьшения пористости оттаивающего грунта. Компрессионные испытания мерзлого грунта при оттаивании проводят с помощью предложенного Н. А. Цытовичем одометра из нетеплопроводного материала и горячего штампа. По результатам таких испытаний определяется относительная осадка оттаивающего грунта (см. приложения рис. 1.5) по формуле 

где и - высота образца грунта в мерзлом состоянии и после оттаивания при неизменном давлении p до стабилизации деформаций.

При небольших давлениях на оттаивающие  грунты (до 0,3 – 0,5 МПа) зависимость  от р может быть выражена уравнением прямой  

где - коэффициент оттаивания; - коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта, обусловленный уплотнением его давлением р.

Из  выражения (1.14) видно, что осадка мерзлых грунтов при оттаивании состоит из осадки оттаивания (или тепловой осадки) и величины -осадки уплотнения.