§ 1. Физические свойства мерзлых грунтов

Как уже отмечалось, физические свойства вечномерзлых грунтов в значительной степени зависят от величины отрицательной температуры последних. Характер изменения температуры вечномерзлых грунтов представлен на рис. III-1.

Рис. III-1. Схема изменения температуры по глубине вечно-мерзлой толщи. 1 - верхняя граница вечномерзлых грунтов; 2 - верхняя граница зоны нулевых годовых амплитуд; 3 - нижняя граница вечномерзлых грунтов

Эпюра среднемесячных температур грунта, как это видно из рис. III-2, имеет вид пучка кривых, сходящихся книзу, с характерным запаздыванием экстремальных температур с глубиной.

Рис. III-2. Кривые среднемесячных температур грунтов в пос. Чукурдах (1953 г.)

При проектировании сооружений устойчивость вечномерзлых грунтов принято характеризовать величиной их температуры у верхней границы зоны нулевых годовых амплитуд (t₀); величина ее ориентировочно может определяться по карте (рис. III-3).

Рис. III-3. Карта Крайнего Севера с изолиниями температуры грунтов у границы зоны нулевых годовых амплитуд. 1 - южная граница области распространения вечномерзлых грунтов; 2 - изотерма на глубине 10 м; 3 - отдельные пункты обнаруженных вечномерзлых грунтов; 4 - зона отдельных островов толщи вечномерзлых грунтов мощностью до 15 м; 5 - зона островного распространения вечномерзлых грунтов мощностью от 15 до 60 м

Физические свойства, характеризующие мерзлый грунт как систему частиц, определяются четырьмя группами характеристик, отражающими:

1. наличие в грунте воды в жидкой фазе и суммарно в жидкой и твердой фазе (весовая и общая влажность, показатели консистенции, количество незамерзшей воды);
2. наличие в грунте воды в твердой фазе (льдистость, льдонасыщенность, относительная льдистость);
3. вес и объем пор грунта (объемный вес, объемный вес скелета, удельный вес, пористость, коэффициент пористости);
4. состав твердой фазы (гранулометрический и минералогический).

Суммарная весовая влажность мерзлого грунта - отношение веса содержащейся в нем воды (жидкой и твердой фазы) к весу сухого грунта, выраженное в процентах или долях единицы.

В расчетах иногда удобно выражать содержание влаги в мерзлом грунте в виде отношения, веса воды к весу образца в его естественном влажном состоянии, обозначаемое W_об и называемое общей влажностью; очевидно, при этом W_об≤100%.

Мерзлый грунт при отрицательной температуре и давлении содержит определенное количество незамерзшей воды (W_н), которое принято выражать в долях единицы или в процентах от веса сухого грунта.

Содержание незамерзшей воды определяется, главным образом, температурой грунта и давлением на него и находится в динамическом равновесии с ними. Количество ее очень сильно меняется в глинах на интервале температур от 0 до -10°, в суглинках от 0 до -5°, в супесях от 0 до -3° и в песках от 0 до -0,5°. Зависимость W_н от температуры в различных грунтах по данным Нерсесовой 3. А., Конновой О. С, Бакулина Ф. Г. и др. [11] приведена на рис. III-4.

Рис. III-4. Количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах в зависимости от величины их отрицательной температуры. 1 - глина пылеватая; 2 - суглинки тяжелые пылеватые, средние пылеватые, легкие пылеватые; 3 - супесь тяжелая пылеватая; 4 - песок пылеватый, мелкозернистый кварцевый

Содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах обусловливает их несущую способность, упругость, вязкость и пластичность.

Высокое содержание незамерзшей воды обусловливает особое состояние мерзлых грунтов при температуре, близкой к 0°. Глинистые трунты в этом состоянии именуют пластичной или вялой мерзлотой в отличие от твердомерзлых грунтов с низкой температурой.

Несущая способность мерзлых грунтов в состоянии пластичной мерзлоты значительно понижена по сравнению с грунтами твердомерзлыми.

Грунты, содержащие видимые глазом включения льда, именуют льдистыми. Общее содержание льда в грунте - льдистость мерзлого грунта - определяется как разность между общим содержанием воды в грунте и количеством незамерзшей воды. Льдистость W_л выражается в долях от веса (мерзлого грунта ,или его объема и соответственно называется весовой или объемной.

Для удобства расчетов введено понятие относительной льдистости грунта

где G_B - вес воды в мерзлом грунте в твердой и жидкой фазах;

G_Л - вес льда в мерзлом грунте;

Величина относительной льдистости зависит от температуры и общего содержания - воды в грунте. Количественные данные для супесей и суглинков приведены на рис. III-5.

Рис. II1-5. Относительная льдистость грунта для супесей и суглинков

Наличие и расположение льда в мерзлом грунте определяют его текстуру. Различают три вида текстуры:

1. массивная (или слитная), при которой видимые ледяные включения в грунте отсутствуют;
2. слоистая, при которой ледяные включения располагаются в виде линзочек и (прослоек, ориентированных в одном направлении;
3. сетчатая (или ячеистая), при которой ледяные включения различной ориентации образуют сеть или решетку.

Текстура мерзлого "грунта в значительной степени влияет на его физико-механические свойства.

Весьма "незначительное (количество ледяных включений наблюдается в глинистых грунтах, влажность которых после оттаивания не превышает предела раскатывания, и в плотных песчаных или травийно-галечниковых грунтах, замерзающих без подтока грунтовых вод.

В скальных породах лед заполняет только трещины и количество его зависит от степени трещиноватости вмещающих пород.

Очень большое количество льда содержится в торфяных грунтах, где иногда вес его во много раз превосходит вес органической и минеральной частей грунта.

Объемный вес мерзлого грунта γ^м_об определяется как частное от деления веса мерзлого образца на его объем ненарушенного сложения; ориентировочно при заданной температуре

(III-1)

где γ_y - удельный вес скелета грунта в ^т/_м³ или в ^г/_см³;

n₀ - воздушная пористость, представляющая разность между полной влагоемкостью и суммарной влажностью мерзлого грунта, выраженная в долях единицы;

W_c - суммарная влажность в долях единицы.

Объемный вес скелета мерзлого грунта γ_м характеризует содержание твердых частиц и определяется по формуле:

(III-2)

где W_н - влажность, соответствующая незамерзшей воде в грунте в долях единицы;

W_Л - льдистость в грунте в долях единицы, причем

Грунт, минеральные частицы или агрегаты (которого практически ощутимо раздвинуты льдом, вследствие чего объемный вес его уменьшен относительно талого грунта, называется распученным.

Глинистые вечномерзлые грунты, распространенные в Арктике и на Крайнем Севере, характеризуются (Преимущественно высокой льдистостью и распученным состоянием.

Степень рыхлости мерзлых песчаных и гравелисто-песчаных грунтов

(III-3)

где γ_{т. п} - объемный вес скелета песчаного грунта в талом состоянии при максимальной плотности;

γт. р - тоже, при минимальной плотности.

Грунты считаются плотными при 0≤R≤0,33, средней плотности - при 0,33≤R≤0,67, рыхлыми - при 0,67≤R≤0,1, очень рыхлыми - при R>1,0.

У распученных грунтов степень рыхлости больше 1.

В практике проектирования показатели физических свойств мерзлых грунтов можно определить расчетным путем, располагая четырьмя характеристиками:

1. общей влажностью W_об (или суммарной влажностью W_с);
2. относительной льдистостью i₀ (или количеством незамерзшей воды W_н);
3. объемным весом мерзлого грунта γ^м_об;
4. удельным весом грунта γ_y.

При этом используются следующие взаимозависимости:

общая влажность

(III-4)

относительная льдистость

(III-5)

льдонасыщенность (весовая льдистость)

(III-6)

объемная льдистость

(III-7)

где γ_л - удельный вес льда;

объемный вес скелета грунта

(III-8)

коэффициент пористости грунта

(III-9)

объем газов в единице объема грунта

(III-10)

вес льда в единице объема грунта

(III-11)

вес незамерзшей воды в единице объема грунта

(III-12)

вес твердых частиц в единице объема грунта

(III-13)