§ 2. Механические свойства мерзлых грунтов

Прочность мерзлых грунтов определяется связями (сцеплением) между агрегатами и отдельными их частицами, при этом основным связующим является лед.

В мерзлых грунтах с течением времени развиваются деформации под воздействием неизменной нагрузки, т. е. явление ползучести, при котором наблюдается нарушение равновесного состояния между пленочной водой и льдом, плавление льда, перемещение образовавшейся влаги из более напряженной зоны в менее напряженную с последующим ее замерзанием и восстановлением равновесного состояния; наблюдается расслабление связей в грунте в случае поддержания длительное время неизменной деформации, т. е. проявление мерзлыми грунтами свойств релаксации. Таким образом, мерзлым грунтам присущи реологические свойства.

Механические свойства мерзлых грунтов, кроме ранее перечисленных факторов, зависят и от длительности действия нагрузки. Различают мгновенную и предельно длительную прочность. Мгновенной прочностью называют сопротивление разрушению при быстром действии нагрузки. Длительное сопротивление мерзлых грунтов внешнему давлению характеризуется пределом длительной прочности, численно равным напряжению, выше которого развиваются незатухающие деформации, приводящие с течением времени к разрушению грунта.

Величина предельно длительной прочности грунта определяется экспериментальным путем; то данным С. С. Вялова, она в 5-15 раз меньше мгновенной и наступает, особенно в связных грунтах, через достаточно длительное время.

Для всех видов мерзлых грунтов известны некоторые общие закономерности изменений показателей прочности:

1. увеличение прочности при понижении температуры, так как при этом увеличивается сцепление, обусловленное цементацией льдом;
2. увеличение прочности при уменьшении степени дисперсности грунтов, связанное с сокращением количества незамерзшей воды;
3. увеличение прочности при возрастании относительной льдистости до полного насыщения пор грунта льдом и уменьшение прочности при дальнейшем увеличении льдистости, связанное с проявлением пластических свойств льда;
4. уменьшение прочности при увеличении длительности приложения нагрузки вследствие проявления пластических свойств льда, предел прочности которого при длительно действующей нагрузке близок к нулю;
5. в грунтах слоистой и сетчатой текстуры увеличение сопротивления быстро действующим нагрузкам и уменьшение сопротивления продолжительным нагрузкам, отмечаемое с ростом числа ледяных включений.

Временное сопротивление сжатию R_c мерзлых грунтов зависит от температуры и влажности; при быстром действии нагрузки эта величина близка к аналогичным показателям скальных пород.

Рис. III-6. Зависимость временного сопротивления сжатию мерзлых грунтов от температуры (а) и влажности (б). 1 - пылеватый песок; 2 - кварцевый песок: 3 - супесь; 4 - глина, суглинок тяжелый; 5 - лед; 6 - песок; 7 - глина

Количественные зависимости изменения R_c от температуры и влажности приводятся на рис. III-6; влияние продолжительности действия нагрузки видно из табл. III-1.

Таблица III-1. Мгновенное и длительное сопротивление сжатию мерзлых грунтов естественного сложения (по С. С. Вялову)

Сопротивление разрыву R_p мерзлых грунтов определяется теми же факторами, что и при сжатии.

При быстром нагружении образцов полностью водонасышенных грунтов и температуре - 5°С, по данным Н. А. Цытовича, сопротивление разрыву равно в среднем: для песков - 44, суглинка - 16 и глины - 10 ^кг/_см²; при длительном действии нагрузки величина Яр уменьшается в 12-15 раз (табл. III-2).

Таблица III-2. Мгновенное и длительное сопротивление разрыву мерзлых грунтов естественного сложения (по С. С. Вялову)

Сопротивление мерзлого грунта сдвигу τ_t зависит от нормального давления, плотности, влажности, текстуры и определяется уравнением

(III-14)

где c_t - сцепление;

р - нормальное давление;

φ_t - угол внутреннего трения.

Однако в отличие от условия Кулона здесь c_t и φ_t, зависят от времени воздействия сдвигающей нагрузки и температуры грунта.

Рис. III-7. Зависимость сопротивления сдвигу мерзлого грунта и льда от температуры (по П. Л. Швейкову, 1936 г.). 1 - лед; 2 - супесь; 3 - глина

Сопротивление сдвигу увеличивается с понижением температуры грунта (рис. III-7) или увеличением нормального явления (рис. III-8).

Рис. III-8. Зависимость сопротивления сдвигу от величины нормального давления (суглинок пылеватый, влажность 31%, температура - 0,3°С). 1 - мгновенное сопротивление; 2 - предельно длительное сопротивление (по С. С. Вялову)

По данным Н. К. Пекарской [11], величина мгновенного сопротивления сдвигу мерзлого суглинка при температуре от - 4 до - 0,5 °С и нормальном давлении 1,5-6,0 ^кг/_см² составила 4,8-11,1 ^кг/_см²; при тех же данных для льда τ_t = 11,0 - 15,0 ^кг/_см².

Предельно длительное сопротивление сдвигу, по С. С. Вялову, в 2,5-6,0 раз меньше мгновенного.

Количественные данные приведены в табл. III-3.

Таблица III-3. Мгновенное и предельно длительное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу

Определение c_t и φ_t можно производить на срезных приборах, а тжже испытанием образцов на трехосное сжатие или кручение.

Н. А. Цытовичем и С. С. Вяловым [6, 15] предложена методика определения сил сцепления мерзлого грунта по величине осадки, возникающей при вдавливании сферического штампа; при этом вводится понятие эквивалентного сцепления с_экв - комплексной характеристики, учитывающей совместно как силы сцепления, так, в известной мере, и трение.

Подсчет эквивалентного сцепления производится по результатам испытаний:

(III-15)

где Р - нагрузка в кг;

D - диаметр штампа сферы в см;

S - глубина вдавливания (осадка) штампа в см.

Эквивалентное сцепление в значительной степени зависит от температуры грунта и времени действия нагрузки. Величины сил сцепления, полученные в результате мгновенного действия нагрузки, превышают величины, полученные от действия длительной нагрузки в 4-8 раз. По предложению С. С. Вялова [6] определяют величину с_дл по результатам испытаний продолжительностью 8 ч с введением коэффициента 0,8:

(III-16)

Данные о величине эквивалентного сцепления мерзлых грунтов различного состава приведены в табл. II1-4 и на рис. III-9.

Рис. III-9. Кривые изменения сил сцепления мерзлых грунтов по времени (по С. С. Вялову). 1 - песок; 2 - глина ленточная; 3 - супесь тяжелая пылеватая; 4 - суглинок тяжелый пылеватый

Сжимаемость мерзлых грунтов различна в зависимости от вида грунта, его температуры, величины и продолжительности действия нагрузок.

Таблица III-4. Мгновенное и предельно длительное сцепление Мерзлых грунтов ненарушенной структуры при различной их температуре (по С. С. Вялову)

Мерзлые грунты с низкой температурой характеризуются незначительной величиной деформации сжатия и относятся к категории мало сжимаемых.

При высокой, близкой к нулю температуре, мерзлые грунты могут даже при малых нагрузках значительно уплотняться, не переходя в талое состояние. Величина сжатия достигает 1,5-4,0 _см/_{пог. м} сжимаемой толщи. Такие грунты относятся к категории сжимаемых и расчет их осадки производится общепринятыми в механике грунтов методами.

Степень сжимаемости толщи характеризуется приведенным коэффициентом сжимаемости а₀ и модулем общей деформации грунта Е₀.

Приведенный коэффициент сжимаемости грунта, отражающий объемное уменьшение образца его при увеличении нагрузки, определяется расчетом по результатам компрессионных испытаний или методом пробных нагрузок. Данные о его величине для некоторых разновидностей грунтов приведены в табл. III-5.

Таблица III-5. Значения приведенного коэффициента сжимаемости мерзлого грунта (по данным Н. А. Цытовича, С. С. Вялова, Г. Н. Максимова и Л. П. Гавелиса)

Общая величина сжатия мерзлых грунтов составляется из остаточных (структурного уплотнения, пластичного течения) и употгих (собственно упругих и адсорбционно-обратимых) деформаций. По данным Н. А. Цытовича упругие деформации могут достигать 60% и больше от величины общей деформации.

При длительном действии нагрузки упругие деформации проявляются, главным образом, у твердомерзлых грунтов с низкой температурой. Грунты с температурой, близкой к 0°С, как правило, упругих свойств не проявляют и накапливают только остаточную деформацию. При быстром действии нагрузки упругие деформации имеют все виды грунтов.

Отношение величины давления к суммарной величине относительной деформации грунта (упругой и остаточной) характеризуется модулем общей деформации, определяемым по данным опытных нагрузок.

Величины модуля общей деформации некоторых разновидностей мерзлых грунтов приведены в табл. III-6.

Таблица III-6. Значения модуля общей деформации грунта Е₀

С увеличением длительности действия нагрузки модуль общей деформации мерзлых грунтов значительно уменьшается.

Модуль упругости мерзлого грунта представляет собой отношение величины напряжения к величине относительной упругой деформации в условиях кратковременного внешнего воздействия и отрицательной температуры.

Таблица III-7. Значение модуля упругости мерзлого грунта

Имеющиеся экспериментальные данные о величине модуля упругости мерзлых грунтов приводятся в табл. III-7.

Рис. III-10. Зависимость модуля упругости мерзлых грунтов от величины отрицательной температуры при давлении 2 ^кг/_см² (по Н. А. Цытовичу). 1 - песок; 2 - супесь пылеватая; 3 - глина

Модуль упругости мерзлого грунта - величина переменная, зависящая от вида грунта, температуры, влажности, а также от внешнего давления на последний (рис. III-10, III-11, III-12).

Рис. III-11. Зависимость E(10^{-3 кг}/_см²) мерзлого суглинка от W и t при р = 1 ^кг/_см² (по А. Е. Дюкову)

В количественном отношении мерзлые грунты характеризуются величиной модуля упругости в пределах 0,5*10⁵-10*10^5т/_м², что существенно отличает их от грунтов талых. В области низких температур возможно такое положение, когда величина модуля упругости мерзлого грунта превысит модуль упругости материала фундамента.

Рис. III-12. Зависимость модуля упругости мерзлой супеси и льда от величины внешнего давления (по Н. А. Цытовичу). 1 - супесь (t = -4°С); 2 - лед (t = -1,5°С)

Коэффициент Пуассона μ мерзлых грунтов представляет собой отношение упругой поперечной деформации к упругой продольной деформации.

Величина μ, по приближенным данным, при температуре грунтов от -0,2 до -1,0 °С колеблется в пределах 0,2-0,5 (табл. III-8).

Таблица III-8. Приближенные значения коэффициента Пуассона мерзлых грунтов при температуре их от -0,2 до -1,0°С

Под прочностью смерзания мерзлых грунтов подразумевается сопротивление выдергиванию стойки, заделанной в мерзлый грунт.

Различают предельно длительную, устойчивую (используемую для расчетов на выпучивание) и временную прочности смерзания R_м^вр, определяемую в результате мгновенного действия нагрузки и используемую для расчетов сооружений при динамических нагрузках.

Прочность смерзания мерзлого грунта с сооружением также зависит от температуры грунта, его влажности, состава и в меньшей степени от материала стенок подземных сооружений; следует иметь в виду, что на величину сил смерзания, определяемых опытным путем, влияет размер заделанного в грунт стержня; с увеличением диаметра последнего силы смерзания уменьшаются.

Зависимость величины R_м от температуры грунтов, как показали работы Б. И. Далматова, близка к линейной.

Устойчивая длительная прочность смерзания

(III-17)

где С и b - параметры прямой зависимости R_M от температуры.

t_гр - температура грунта без учета знака.

Величины С и b для некоторых видов мерзлых грунтов (табл. III-9) установлены Б. И. Далматовым экспериментальным путем [7].

Таблица III-9

Предельно длительные значения прочности смерзания, полученные С. С. Вяловым [6] экспериментальным путем для супесчано-суглинистых грунтов при заглублении свай пропариванием, приводятся в табл. III-10; они же помещены в СН-91-60.

Таблица III-10. Предельно длительная прочность смерзания грунта R_M с деревянными сваями, забитыми в мерзлый грунт, при различной температуре грунта (по С. С. Вялову)

Для песчаных грунтов, а также при забивке свай в пробуренные скважины С. С. Вялов рекомендует увеличивать цифровые данные, приведенные в табл. III-8, в 1,25-1,5 раза.

Для маловлажных грунтов величины R_M незначительны; они повышаются до максимума для грунтов, находящихся в состоянии полного насыщения водой.

Зависимость прочности смерзания от состава грунта может характеризоваться графиком (рис. III-13), на котором представлено изменение величин временной прочности смерзания грунтов с деревом в зависимости от диаметра частиц, преобладающих в составе грунта фракций.

Рис. III-13. Зависимость временной прочности смерзания грунтов с деревом при t = -10 °С от гранулометрического состава (по Н. А. Цытовичу)

Ввиду малого содержания незамерзшей воды наиболее высоким сопротивлением сдвигу при смерзании обладают пылеватые и песчаные грунты и в меньшей степени глины, где содержание незамерзшей воды значительно. Гравийные и галечные грунты, общее количество цементирующего льда в которых понижено, обладают соответственно наименьшей прочностью смерзания.

Величины касательных сил пучения, характеризующих смерзание грунта с поверхностью фундамента, различны по высоте фундамента. В общем случае они зависят от мощности зоны, активной в смысле пучения.

В практических расчетах рекомендуется принимать относительные силы выпучивания

(III-18)

где T - суммарная сила, выпучивающая фундамент;

U - периметр фундамента.

Принятые нормами относительные силы выпучивания приведены в табл. III-11.

Таблица III-11. Значения относительной силы выпучивания для различных условий фундирования

Примечание. Для промежуточных мощностей деятельного слоя силы выпучивания определяются по интерполяции.

На участках с глубоким залеганием вечномерзлых грунтов, как показали опыты А. М. Пчелинцева и других, относительные силы выпучивания могут превышать табличные нормативы в 2-3 раза.

Одним из показателей (Прочности мерзлых грунтов является удельная энергоемкость скола (по А. Н. Зеленину), характеризующая податливость мерзлого грунта окалывающим усилиям (табл. III-12).

Таблица III-12. Удельная энергоемкость скола мерзлых грунтов различного состава (по А. Н. Зеленину)

Удельная энергоемкость скола представляет собой отношение количества работы, затрачиваемой на скалывание, к объему сколотого мерзлого грунта и определяется специальным ударным скалывающим плотномером.

Изменение температуры мерзлого грунта я пределах от -0,3 до -12 °С не оказывает существенного влияния на величину удельной энергоемкости скола.

Показателем сопротивления резанию мерзлых грунтов является величина удельного сопротивления резанию, представляющая собой отношение усилия резания к площади среза. Наиболее высоким сопротивлением резанию из песчаных и глинистых грунтов обладают супеси и суглинки.

Классификация мерзлых грунтов по трудоемкости разрыхления их приводится в табл. III-13.

Таблица III-13. Классификация мерзлых грунтов по трудоемкости их разрыхления отбойными молотками

Мерзлые грунты с небольшим содержанием влаги, поры которых неполностью заполнены льдом, а также грунты, содержащие включения льда в виде линз и прослоек, разрабатываются легче льдонасыщенных грунтов массивной текстуры, лед в которых содержится только в качестве цемента. Скалывание льдистого грунта происходит чаще всего по ледяным прослойкам или по плоскостям соприкосновения; минеральных и ледяных прослоек.

Трудоемкость разработки пластичномерзлых грунтов в среднем повышается на 10% относительно грунтов твердомерзлых.

Влияние температуры на трудоемкость разрыхления твердо-мерзлых грунтов не имеет практического значения.

валенки производители россия