Мерзлые грунты

Мерзлыми называются грунты, в порах которых хотя бы часть воды превратилась в лед.

Значение изучения свойств мерзлых грунтов определяется не только тем обстоятельством, что более 50% территории России занимает вечная мерзлота, но и особенностями сезонного промерзания грунтов почти по всей территории. К вечномерзлым фунтам относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет и даже столетий.

Физико-механические свойства фунтов при замерзании и оттаивании подвергаются существенным изменениям.

Вода, превращаясь в лед, цементирует частицы фунта, придавая ему структурную связанность, повышенные механические свойства, водонепроницаемость. При замерзании фунтов, особенно зернистых, пылеватых, водо-насыщенных, происходит увеличение объема фунта. Перемещение влаги вверх из нижних слоев, образование линз из льда приводит к пучению грунта.

Мерзлые и вечномерзлые грунты могут иметь слитную, слоистую и ячеистую (сетчатую) морозную текстуру (рис.2.32).

Слитная текстура характерна для крупнообломочных, гравелистых фунтов и всех песков, кроме пылеватых.

Слоистая морозная текстура характерна для пылеватых глинистых фунтов и пылеватых песков. Эта текстура образуется при промерзании сильно увлажненных фунтов и при миграции воды из нижних водоносных горизонтов.

Ячеистая (сетчатая) морозная текстура образуется при промерзании пылевато-глинистых фунтов, находящихся в сильно увлажненном состоянии, и при свободном подтоке воды.

При оттаивании мерзлый фунт, как правило, оказывается перенасыщенным водой, лишенным природных связей между отдельными частицами, при таянии обращается в жидкую грязь, лишенную первоначальных механи­ческих свойств, и дает под нагрузкой просадку (рис.2.33).

Для пояснения вышеуказанного явления миграции следует рассмотреть особенности свойств воды в мерзлых грунтах. Как показали исследования коллектива ученых под руководством члена-корреспондента АН СССР Н.А.Цытовича, вода в мерзлых грунтах может содержаться в трёх состояниях (фазах) - твердом, жидком и парообразном.

Лед в виде твердого вещества заполняет поры, и, кроме того, образует в ослабленных участках грунта льдистые включения - кристаллы, линзы, прослойки.

Пар заполняет поры и трещины грунта, свободные от воды.

Жидкая вода сохраняется в грунте в связи с пониженной температурой замерзания гидратных оболочек. Содержащаяся в тонкозернистых фунтах вода замерзает постепенно: сначала свободная, затем, по мере понижения температуры, рыхлосвязанная, и, наконец, при значительном понижении температуры, прочносвязанная. Свободная вода в грунте замерзает при температуре ниже нуля, иногда при -1°...-1,5°С. Это объясняется значительной минерализацией или понижением температуры замерзания воды в капиллярах. Связная вода может замерзать при весьма низких температурах и, как показали исследования Н.А.Цытовича, в глинистых грунтах всегда содержится некоторое количество прочносвязанной воды, не замерзающей ни при каких практически доступных отрицательных температурах.

Согласно теории равновесного состояния Н.А.Цытовича, количество, состав и свойства воды, содержащейся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними. При понижении температуры увеличивается количество замерзшей воды, повышается прочность грунта и увеличивается содержание включений льда. Количество незамерзшей воды при одинаковых температурах всегда значительно больше в глинах, чем в песках; этим, наряду с жесткостью скелета, может быть объяснена повышенная прочность мерзлых песков против мерзлых глин. Чем выше дисперсность грунтов, чем она плотнее, тем длительнее протекает процесс замерзания воды.

Миграция влаги происходит за счет следующих особенностей развития процесса замерзания. Во-первых, в связи с уменьшением объема твердого вещества минеральных частиц при понижении температуры образуются новые трещины и капиллярные ходы и увеличивается капиллярный подсос влаги. Во-вторых, при образовании в порах фунта кристаллов льда происходит подсос влаги к растущим кристаллам, подобно подсосу растворенных солей при росте кристаллов в пересыщенных растворах. В-третьих, происходит движение водяных паров от мест с большим давлением к местам с меньшим давлением, т.е. по направлению к области промерзания.

Основную роль в миграции воды в тонкодисперсных водонасыщенных фунтах играет движение пленочной воды, движущейся под влиянием молекулярных сил в сторону промерзания грунта для пополнения толщины частично замерзших гидратных оболочек (рис.2.34).

Максимальная всасывающая способность характерна для глин, а максимальное накопление влаги - для промерзших пылеватых супесей и суглинков, которые, кроме того, обладают еще и сравнительно высокой всасывающей способностью. В крупнозернистых грунтах вместо подсоса происходит отжатие влаги растущими кристаллами льда при весьма незначительной величине всасывания. Это явление носит название "поршневого эффекта". На практике это свойство крупнозернистых грунтов используют при устройстве так называемых противопучинистых прослоек, преграждающих путь движущейся влаге.

Льдовыделение - образование прослоек, линз и кристаллов льда - происходит в грунтах, обладающих свойством максимального накопления влаги, при возможности высокого их водонасыщения.

В вечномерзлых грунтах эти льдистые включения достигают больших размеров. В сезонно-промерзающих грунтах толщина включений достигает иногда нескольких сантиметров.

При быстром промерзании грунта влага не успевает накапливаться в зоне промерзания и явления пучения и льдовыделения ослабевают. Соответственно вышеизложенному по степени пучинистости различают следующие виды грунтов:

1. непучинистые - скальные, крупнообломочные, песчаные крупнозернистые;

2. слабопучинистые - песчаные среднезернистые, глинистые, пылеватые и мелкозернистые песчаные при малой водонасыщенности и отсутствии возможности подсоса влаги;

3. пучинистые - глинистые, пылеватые, мелкозернистые при высоком водонасыщении или наличии условий для миграции влаги к области промерзания.

При нарушении природной структуры грунта от промерзания и значительного переувлажнения при оттаивании (местное - при таянии льдистых включений) необходимо предотвращать промерзание пучинистых фунтов оснований как в период строительства, так и в период эксплуатации сооружений. При влажности грунта, не превосходящей максимальной гигроскопической, и отдаленности источника питания зоны промерзания водой пучинистые деформации грунта ничтожны.

В благоприятствующих их развитию условиях пучинистые деформации (тонкозернистые фунты, длительный процесс промерзания, близкое расположение фунтовых вод от зоны промерзания) могут достигать больших величин и вызывать подъем на десятки сантиметров поверхности фунта и расположенных на грунте легких сооружений. Это необходимо учитывать при выборе глубины заложения фундаментов и решении конструкций подземных частей сооружений.

К пучинистым фунтам относятся грунты, у которых относительная деформация морозного пучения. Этот показатель определяется по формуле

где - высота образца мерзлого грунта, см; - начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.

Мерзлый грунт является четырехкомпонентной системой и для оценки его физического состояния экспериментальным путем определяют четыре основные характеристики:

- плотность мерзлого грунта ненарушенной структуры, равную отношению массы образце находящегося в мерзлом состоянии, к его объему

• плотность твердых частиц грунта p_s, определяемую с помощью пикнометра как для талых фунтов;

• суммарную весовую влажность мерзлого грунта w,_ol, зависящую от содержания в грунте воды и льда. Она равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105°С, к массе твердых частиц;

• количество (весовое содержание) незамерзшей воды w_w при температуре природного залегания грунта, определяемое по формуле

где ky, - коэффициент, зависящийот числа пластичности и температуры грунта, w_p - влажность грунта на границе раскатывания.

Зная четыре основные характеристики фунта pf, p_s, w,, и w_w, можно вычислить такие необходимые при расчетах характеристики, как суммарная льдистость и льдистость мерзлого фунта за счет ледяных включений.

а

льдистость фунта за счет видимых ледяных включений г, - по формуле

Суммарная льдистость мерзлого фунта определяется по формуле

где w_(o( - суммарная влажность мерзлого фунта; р, - плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³; р/ - плотность мерзлого фунта, г/см³; vv_w - влажность мерзлого фунта, расположенного между ледяными включениями. Зная р/и w,_o, находим плотность скелета фунта

и удельный вес мерзлого фунта

где q - ускорение свободного падения.

По данным компрессионных испытаний мерзлых грунтов с оттаиванием находим коэффициент просадочности образца грунта, содержащего включения льда,

где hj и hj\, - высота образца в мерзлом и талом состоянии при неизменном давлении.

Найдя несколько значений е,/, при разных внешних давлениях, строят фафик (рис.2.35). Зависимость этого фафика описывается выражением

где А,/, - коэффициент оттаивания грунта, б - коэффициент относительной сжимаемости при оттаивании. Зная эти коэффициенты, определяют осадку фундамента в процессе оттаивания фунта.

Рыхлые пески при динамическом воздействии дают резкие по величине просадки (рис.2.36).