Лекция № 7

Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Проектирование фундаментов в условиях вечномерзлых и мерзлых грунтов. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Основные принципы проектирования фундаментов на вечномерзлых грунтах.

Вечномерзлые грунты распространены на Севере Европейской части, вдоль Западной и Восточной границ и на Дальнем Востоке в Хабаровске, вдоль транссибирской магистрали и занимают 49,8% 50%.

Рисунок 7.1. Карта распространения вечномерзлых пород и грунтов на территории России

Грунты, которые в условиях природного залегания, находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение нескольких лет (обычно столетий и даже сотни тысяч лет), называются вечномерзлыми грунтами.

Грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми грунтами.

У мерзлых грунтов часть поровой воды находится в замерзшем состоянии в виде кристаллов льда (вместо воды – лед).

Рисунок 7.2. Прослои льда в грунте

Вечномерзлые грунты могут располагаться слоями от нескольких метров до 400м.

Рисунок 7.3. Мощность «вечной мерзлоты»:

а - Чита, б - Воркута: в - Верхоянск; г - Якутск; д - Вилюй

Характер вечномерзлых грунтов:

• по глубине – может быть сплошное залегание, островное;

• по температурному режиму:

- деградирующий (температура повышается столетиями → 0⁰ С);

• прогрессирующий (температура снижается веками).

Рисунок 7.4. Кривые содержания незамерзшей воды W_нз в мерзлых грунтах в зависимости от величины их отрицательной температуры (-Ө): 1 – глина; 2 – суглинок; 3 – супесь; 4 - песок

Рисунок 7.5. Графики процесса замерзания грунта (а) и содержания незамерзшей воды при различных отрицательных температурах (б) для образцов

Вечномерзлые и мерзлые грунты обладают криогенной (морозной) текстурой.

Текстура – сложение, т.е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунта и их агрегатов.

Структура – обусловливается структурными связями между минеральными частицами и их агрегатами, а также силами молекулярного воздействия между поровой водой и твердыми частицами.

По содержанию льда различают три вида криогенной текстуры:

• монолитная текстура;

• слоистая текстура;

• сетчатая текстура.

Монолитная текстура: лед в порах придает высокую структурную прочность. Это так называемый лед – цемент. Лед на глаз не видно, на свету он проявляется.

Механические свойства практически соответствуют свойствам скального грунта. Такой грунт обладает хрупким изломом. Монолитная текстура характерна для крупнообломочных, гравелистых и всех песков, кроме пылеватых.

Слоистая текстура: имеет отдельные включения, отдельные слои.

1 – ледяные включения в виде сплошных слоев и линз;

2 – элементы монолитной текстуры.

Рисунок 7.6. Слоистая текстура

Свойства : общее содержание льда значительно больше, чем при монолитной текстуре, деформация при оттаивании значительно выше, строительные качества обычно низкие. Монолитная текстура предпочтительнее.

Сетчатая текстура: большое присутствие льда - включения. Прочность при сетчатой текстуре ниже, чем при слоистой и тем более, чем при монолитной.

Рисунок 7.7. Сетчатая структура

Свойства:

1. прочность самая низкая;

2. содержание льда самое высокое;

3. значительные деформации при оттаивании;

В любом инженерно-геологическом разрезе в реальных условиях обычно наблюдается сочетание всех трех видов текстур с преобладанием одного из видов.

Рисунок 7.8. Морозные текстуры грунта

По характеру, вечномерзлые грунты могут находиться в твердомерзлом, пластично-мерзлом или сыпучемерзлом состояниях.

Твердомерзлые грунты – имеют низкую температуру и практически несжимаемы (Е > 100 МПа). К ним относятся песчаные и супесчаные грунты.

Пластично-мерзлые - имеют температуру, близкую

к 0⁰ С, сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Содержат в большом количестве незамерзшую воду (связанную, пленочную), (Е < 100 МПа). К ним относят в основном глинистые грунты и тяжелые суглинки.

Сыпучемерзлые – к ним относятся грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом, рыхлые и сыпучие маловлажные грунты в талом состоянии. Такими грунтами являются пески, гравелистые и крупнообломочные грунты.

Наихудшими свойствами обладают пластично-мерзлые грунты т.к. они переходят в талое состояние и, в связи с этим, недостаточно прочные.

Твердомерзлые – прочные и мало-сжимаемые.

Сыпучемерзлые – в твердом состоянии имеют такие же свойства, как и в талом.

Деятельный слой - это поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом. Он может быть сливающимся, когда грунт промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта и не сливающимся, когда грунт зимой не промерзает до границы вечномерзлого грунта.

Перелёток - слой мерзлого грунта небольшой толщины, не оттаивающий в течение 1-2 лет. Перелёток образуются при наступлении периодов с температурой ниже среднегодовой или вследствие временного изменения местных условий (холодное лето).

Рисунок 7.9. Схемы расположения слоев грунта: 1 – деятельный слой (слой сезонного промерзания и оттаивания); 2 – перелеток; 3 – талый грунт; 4 – вечномерзлый грунт; 5 – слой талого грунта, не промерзающего зимой

При наличии подземных вод всех видов создаются условия для образования грунтовых наледей.

Рисунок 7.10. Схема образования грунтовой наледи на склоне местности: 1 – промерзший слой грунта; 2 – водоносный непромерзший слой; 3 –перемещающиеся по склону грунтовые воды; 4 – слой вечномерзлого грунта; 5 – грунтовая наледь

Рисунок 7.11.

Физико-механические свойства.

Обязательной составной частью мерзлых грунтов является лед. Мерзлые грунты – это четырехкомпонентная (четырехфазная) система; в которую входят твердые частицы, незамерзшая вода, воздух или иной газ и лед (пластичное тело). Свойства мерзлых грунтов зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и свойств льда.

Вечномерзлые грунты обладают всеми 15 характеристиками как и у мерзлых грунтов, но есть и специфические:

1. Суммарная влажность:

W_tot = W_ic+ W_i + W_w , (7.1)

где W_ic – влажность мёрзлого грунта за счет наличия порового льда (льда – цемента). W_ic - отношение веса (массы) льда – цемента к весу (массе) твердых частиц,

W_i – влажность мерзлого грунта за счет наличия ледяных включений,

W_w – влажность мерзлого грунта за счет содержания незамерзшей воды.

W_w = k_w+ W_р , (7.2)

где k_w – табличный коэффициент, зависящей от числа пластичности и температуры грунта,

W_р – влажность грунта на границе раскатывания.

2. Льдистость мерзлого грунта

i_i = = (7.3)

Если i_i = 0,5 – в общем объеме лед составляет половину.

3. Суммарная льдистость

i_tot = i_ic+ i_i , (7.4)

где i_ic - льдистость за счет льда – цемента,

i_i - льдистость за счет включений льда,

i_ic - определяется специальными методами с помощью калориметров,

i_i - определяется обычными замерами в шурфе.

Рисунок 7.12.

i_i = (7.5)

4. Sr - степень заполнения пор грунта льдом и незамерзшей водой.

(По аналогии – степень заполнения пор водой у обычных грунтов).

5. Группа теплофизических характеристик:

• Теплопроводность мерзлого λ_f и талого λ_th грунтов;

• Теплоемкость мерзлого С_f и талого С_th грунтов;

• Теплота таяния (замерзания) грунта z_V.

λ_f , λ_th , С_f, С_th , z_V – определяют в лабораторных условиях при проведении точных опытов, а чаще всего принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности сухого грунта (мерзлого и талого) и суммарной влажности.

Прочностные характеристики

Для воздушно-сухих песков  и с ничем не отличаются от обычных грунтов (песок одинаков , что в Сочи, что в Магадане).

Для мерзло-сыпучих (например, сухие пески) φ и с – те же прочностные характеристики.

Глинистые грунты

Рисунок 7.13.

ВГВМ - верхняя граница вечной мерзлоты,

h_А - активный слой (деятельный слой, слой сезонного оттаивания) грунта

промерзающий зимой и оттаивающий летом.

R_Sh – расчетное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу по грунту или

грунтовому раствору.

Не имеет ничего общего с

R = (7.6)

R_af – расчетное сопротивление ВМ грунта сдвигу на поверхности смерзания

с фундаментной конструкцией.