10.2 Физические свойства мерзлых грунтов.
1. Отношение веса льда к весу всей воды называется относительной льдистостью(или просто льдистостью)
i = 
i – льдистость; вес льда в одном грамме грунта;
g –общий (суммарный) вес воды (твёрдой , жидкой) в 1г грунта, численно равный влажности (Wабс).
Для определения основных физических свойств мёрзлых грунтов, как 4-х фазной системы, принято определять:
1 Удельный вес твёрдых частиц (γs);
2 Объёмный вес мёрзлого грунта естественной, ненарушенной
структуры (γ)
3 Общую влажность грунта по отношению к весу грунта(W)
4 Относительную льдистость ( i )
γs и γ - определяются опытным путём
Wобщ – определяется опытным путём или вычислением
Wобщ=W/(W+1) W=Wобщ/(1-Wобщ)
i= 1-Wнз/W
где Wнз – количество незамёрзшей воды ( в долях от веса сухого грунта)
вес твёрдых частиц в грунте g c = γ (1-Wобщ)
вес льда g л = γWобщ*i
вес воды в жирной среде g в = γWобщ(1 - i)
плотность скелета γd = γ(1-Wобщ)
коэффициент пористости мёрзлого грунта е =(γ- γd)/ γd
объём газов в единице объёма грунта Vг =((е/ γ-W/γw)/ γd
При оттаивании мёрзлых грунтов даже без нагрузки возникают значительные осадки и просадки. Они оцениваются коэффициентом оттаивания Ао
Ао ≈ Sо/h,
где Sо- осадка слоев грунта, оттаявшего без нагрузки; h-глубина оттаявшего слоя, когда нагрузку от собственного веса можно не учитывать (h < 0,5 м).
Если Ао ≥ 0,02 то такие мёрзлые грунты при оттаивании характеризуются как просадочные.(стр96)10.3
10.3 Прочность торфа и торфяной залежи при промерзании
Существенное увеличение прочности мерзлого торфа обусловлено наличием большого количества свободной влаги. Определенную роль так же играет плотность твердой фазы, степень разложения и зольность.
Чем ниже температура, тем выше прочность торфа. Так как в торфе остается меньше связанной не замерзшей влаги.
Малоразложившийся волокнистый торф имеет большую прочность, т.к. сказывается влияние прочных волокон растений торфообразователей, армирующих замерзающую структуру торфа….
Высокоразложившийся, более минерализованный торф также имеет большую прочность. В этом случае высокая плотность и минеральные составляющие компенсируют отсутствие армирующего каркаса из растений торфообразователей.
Итак: Главным фактором упрочнения торфа при промерзании является температура, далее: наличие свободной воды; плотность твердой фазы и самого торфа; присутствие минеральных компонентов; наличие прочных неразложившихся волокон растений торфообразователей.
рис 10.2 Зависимость прочности мёрзлого торфа при одноосном сжатии в зависимости от температуры. 1 – торф осоково – пушицевый, R = 30%, W = 486%; 2 – магелляникум - торф, R = 15%, W = 1320%.
Проверка содержания незамёрзшей воды в торфе показала, что интенсивное уменьшение количества незамёрзшей воды начинается сразу после начала кристаллизации и потом постепенно уменьшается, начиная примерно с 270 К.
При изменении степени минерализации с 6 до 51,5% количество незамёрзшей воды при температуре 253 К снижается в 3…4 раза.
Прочность торфа изменяется во времени и за 40 суток уменьшается в 3…4 раза (испытания магелланикум торфа на разрыв)
Рис 10.3 Кривые длительной прочности мёрзлого торфа. 1- при влагосодержании 1320%; при влагосодержании 1150%.
Промерзание T/3 происходит на глубину примерно 40…70 см и зависит главным образом от суммы среднесуточных температур и высоты снежного покрова. Толщина 40-70 см хорошо совпадает с толщиной верхнего деятельного слоя залежи. Это подчёркивает его важность. Снежный покров является теплоизолирующим компонентом.
Глубина промерзания
H = а
+ b
где ∑( - t) -сумма отрицательных среднесуточных температур ; a и b постоянные коэффициенты.
Глубина промерзания возрастает с увеличением плотности торфяной залежи
Интенсивность нарастания мерзлого слоя в бесснежный период 0,5-1,2 см/сут. на возвышенных и 0,35-0,9 см/сут. На пониженных формах рельефа.
Торфяные волокна, армирующие торфяной лёд, делают его в 2…3 раза прочнее по сравнению с чистым льдом.
Несущая способность верхнего слоя замороженной торфяной залежи по С.А. Чечкину:
P=
,
кН
Таблица 10.1 Прочность талых и замороженных монолитов из верхнего слоя верховой комплексной торфяной залежи
Вид торфа |
R,% |
γ s, г/см3 |
Талые |
Замороженные |
|||||
γ, г/см3 |
W,% |
σр, кг/см2 |
γ |
W, % |
σр, кг/см2 |
Σсж Кг/см2 |
|||
Моховая дернина |
0 |
1,43 |
- |
- |
0,014 |
0,86 |
98 |
7,1 |
14,2 |
Комплексный верховой |
5…10 |
1,44 |
0,35 |
1350 |
0,05 |
0,88 |
96 |
13,1 |
26 |
Комплексный верховой- |
10…15 |
1,37 |
0,94 |
1290 |
0,07 |
0,91 |
93,7 |
24 |
39,7 |
Сфагновая мочажина |
10 |
1,39 |
0,95 |
1900 |
0,11 |
0,92 |
95 |
24,6 |
41,9 |
Где H-толщина мёрзлого слоя,см; d - коэффициент (для полностью насыщенного водой замёрзшего очёсного слоя d =4,6)
Прочность мёрзлого торфа на изгиб
σизг = 10,5+8,7*(qсух/qобщ)*100
где (qсух/qобщ) – относительное содержание сухого вещества в торфе , уравнение справедливо при температуре 0 градусов до глубины 40 см.
Искусственное увеличение глубины промерзания торфяной залежи путём расчистки снежного покрова не приводит к обязательному повышению прочности , но увеличивает глубину промерзания. Прочность на изгиб увеличивается только в верхнем слое залежи 0-20 см , иногда до 40 см. В нижележащих слоях повышается содержание незамёрзшей воды и, как правило, более высокая степень разложения торфа (уменьшается содержание армирующих волокон).
Таблица 10.2 Прочность на изгиб промороженного торфа
Глубина Промерзания, см |
средняя прочность на изгиб, кг/см 2 |
|
без снятия снеж. покрова |
со снятием снежного покрова |
|
0-20 |
19,8 |
26,2 |
20-40 |
30,3 |
29,2 |
40-60 |
34,9 |
31,5 |
60-80 |
30,1 |
18,2 |
80-100 |
25 |
15,2 |
100-120 |
- |
23,1 |
120-140 |
- |
19,1 |