4.3. Строительные свойства грунтов криолитозоны

Характеристики основных физических свойств грунтов, как правило, определяются экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Другие характеристики свойств, вычисляются с использованием взаимосвязи полученных значений основных физических свойств по формулам (табл. 4.1.)

Мерзлые грунты являются четырехкомпонентной системой, состоящей и взаимодействующих между собой твер-твердых минеральных частиц, пластичных – льда, жидких – незамерзшей воды и газообразных. В связи с этим для вычисления основных физических характеристик однокомпонентных (массивы скальных пород) или квазиоднокомпонен-

тных (сыпучие грунты) грунтов достаточно одной характеристики – плотности частиц грунта , г/cм³ , для двухкомпо-

нентной, двух: и естественной влажности, W_е, д.ед, для трехкомпонентной, трех: - , W_е и плотности грунта естест-

54

Таблица 4.1

Взаимосвязь между показателями характеристик основных физических свойств мерзлых грунтов

Исходные характеристики	Характеристики, вычисляемые по формулам
Плотность мерзлого грунта естественной (ненарушенной) структуры, , г/см2 Плотность частиц грунта, , г/см3 Суммарная влажность грунта (на сухую навеску) Влажность за счет незамерзшей воды Ww в д. ед. от массы сухого грунта	Влажность общая
	Относительная льдистость
	Объемная льдистость
	Плотность сухого грунта
	Коэффициент пористости
	Полная влагоемкость
	Коэффициент водонасыщения
	Объем газов в 1 см3 грунта
	Масса ком-понент грунта, в см3	твердых частиц
		льда
		незамерзшей воды

Примечание: К - относительное содержание частиц грунта и льда в единице объема, _, - плотность льда и плотность воды.

венного сложения - , г/cм³, для четырехкомпонентых, четырех: , , суммарной влажности W_tot и количества незамерзшей воды w_w, д.ед. [32, 42].

Плотность минеральных частиц грунта определяется пикнометрическим методом. При определении плотности частиц засоленного грунта воздушные поры удаляются не

55

кипячением, а вакуумированием. При отсутствии экспериментальных данных в расчетных моделях можно использовать следующие значения плотности минеральных частиц для песков - 2,66, супесей – 2,70, суглинков – 2,72 и для глин – 2,75 г/см³ [28, 32].

Плотность мерзлого грунта ненарушенного сложения является одним из основных характеристик, используемых в расчетных формулах механики и теплофизики мерзлых грунтов. Численное значение плотности мерзлого грунта зависит от плотности льда и минеральных частиц, незамерзшей воды и пористости. В связи с многообразием криогенного строения грунтов, при определении плотности мерзлых грунтов необходимо увеличивать размеры образцов правильной формы на порядок, в сравнении с толщиной шлира льда. В зависимости от типа криогенной текстуры применяются следующие методы: режущих цилиндров, обмера образцов правильной геометрической формы, взвешивания образцов в нейтральной жидкости, лунки, вытеснения нейтральной жидкости(метод Ведерникова), радиоизотопные.

Суммарная влажность мерзлого грунта W_tot выражается в долях единицы и принимается равной отношению всех видов воды и льда, содержащихся в мерз-

лом грунте, к мас­се сухого грунта (а для засоленных грунтов — к массе сухого» грунта и содержащихся в нем солей):

, (4.1)

где — влажность мерзлого грунта за счет ледяных включе­ний, т. е. линз и прослоек льда; - влажность

за счет льда–цемента (порового льда), – влажность за счет содержания незамерзшей воды при данной температуре; - влажность минеральных прослоев грунта меж-

ду шлирами льда принимается равной сумме содержа-

56

щейся в мерзлом грун­те воды за счет льда-цемента и незамерзшей воды . Величину определяют опытным путем [17, 19, 32, 44, ]

Влажность мерзлого грунта за счет неза­мерзшей воды опреде­ляют опытным путем как отношение массы незамерзшей при данной отрицательной температуре воды к массе сухого грунта. Наличие в грунте связано с тем, что мине­ральные частицы, обладая большой поверхностной энергией, взаимодействуют с водой, изменяя ее структуру, состав и свой­ства. Такая адсорбированная на поверхности минеральных ча­стиц вода не замерзает при отрицатель­ной температуре. Поровый лед в мерзлой породе также обла­дает значительной поверхностной энергией и гидрофильностью и становится причиной образования вблизи поверхности тонкого слоя промежуточной фазы влаги. Количество незамерзшей воды зависит от температуры, гранулометрического, химического и минерального состава грунта [8, 12].

С уменьшением размеров частиц и повышением дис­персности содержание незамерзшей воды увеличивается в связи с ростом удельной активной поверхности грунтов. Поэтому при одной и той же температуре у песков значительно меньше, чем у супесей и глин (рис.4.2).

При понижении температуры выделяют интервалы интенсивных, среднеинтенсивных, слабоинтенсивных изменений содержания незамерзшей воды. В первом случае, изменение ве­совой влажности (содержание незамерзшей воды) при измене­нии t на 1°С составляет более 5 %. Величина термоградиентного коэффициента = W_w/ составляет 0,5ºС^-1. В этой области, расположенной вблизи 0°С, вымерзает вся слабосвязанная вода. Границы области соответствуют температуре замерзания рыхлосвязанной воды. Во втором случае термоградиентный коэффициет существен венно колеблется в пределах 0,2 > >0,02ºС^-1.

57

Рис. 4.2. Зависимость изменения содержания незамерзшей воды (Ww) от температуры для различных типов грунтов [32]: 1 – кварцевый песок; 2 – супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – глина, содержащая монтмориллонит

Границы приведенной выше области соответствуют температуре замерзания рыхло- и прочносвязанной воды. В третьем случае фазовые переходы практи­чески полностью отсутствуют, < 0,02ºС^-1, а температура ниже темпера­туры замерзания прочносвязанной воды.

Содержание незамерзшей воды в грунтах определяется калориметрическим, криоскопическим, контакт­ным, гигроскопическим и другими методами [19].

Критические температуры перечисленных выше зон

в ряду супесь, суглинок, глина выглядят следующим образом. Температурная граница, ограничивающая первую зону: соответственно -4,5, -7,5 и -10,0ºС, вторую зону – -7,0, -11,0ºС, для глин она не устанавливается.

При отсутст­вии экспериментальных данных или необходимости получения экспресс информации о количес-

тве незамерзшей воды используются расчетные методы. Один из таких методов предложен в нормативном документе [37]. Рекомендованная в нем расчетная формула имеет следующий вид:

, (4,2)

58

где – коэффициент, принимаемый по таблице 4.2 в зависимости от числа пластичности и температуры грунта . грунта, – влажность грунта на границе раскатывания, д.ед.

Таблица 4.2

Значение коэффициента

Грунты (число пластич-ности )	Коэффициента при температуре грунта ºС
	-0,3	-0,5	-1,0	-2,0	-3,0	-4,0	-6,0	-8,0
Песок ( )	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Супеси ( )	0,60	0,50	0,40	0,35	0,33	0,30	0,28	0,26
Суглинки ( )	0,70	0,65	0,60	0,50	0,48	0,45	0,43	0,41
Суглинки ( )	*	0,75	0,65	0,55	0,53	0,50	0,48	0,46
Глины ( )	*	0,95	0,90	0,65	0,63	0,63	0,58	0,56

*в порах грунта вся вода находится в незамерзшем состоянии

Температура начала замерзания воды в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора , д. ед., оп-

ределяемой по формуле:

(4.3)

где - устанавливается по [6].

Теплофизические свойства грунта. К параметрам, характеризующим теплофизические свойства грунтов относят: соответственно коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта в талом , и

59

и мерзлом _, , стояниях.

Таблица 3.4

Температура начала замерзания грунта t_bf, ºС

Грунты	Температура tbf, ºС , при концентрации порового раствора Сps , дол. ед.
	0,000	0,005	0,010	0,02	0,03	0,04
Пески	-0,0	-0,6	-0,8	-1,6	-2,2	-2,8
Супеси	-0,1	-0,6	-0,9	-1,7	-2,3	-2,9
Суглинки и глины	-0,2	-0,6	-1,1	-1,8	-2,5	-3,2

Теплоемкость грунтов величина аддитивная и может быть получена расчетным путем при знании весового содержаний составляющих компонент грунта и значений их удельных теплоемкостей. Удельная теплоемкость грунта это количество тепла, необходимого для повышения температуры 1 г грунта на 1ºС, объемная – количество тепла для повышения температуры 1 см³ на 1ºС [39]

Объемная теплоемкость грунта является суммой теплоемкостей за счет минерального скелета, льда и незамерзшей

воды:

(4.4)

(4.5)

где , , - соответственно удельная теплоемкость ске-

лета грунта ( глин – 0,71, суглинков - 0, 77, супесей – 0,83, песка – 0, 88), воды – 4,19, льда – 2,09, кДж/(кгºС).

Характеристикой теплопроводности грунтов является коэффициент теплопроводности, характеризующий способ-

ность грунтов проводить тепло. Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, проходящего в 1 с через площадь в 1 см² слоя грунта толщиной в 1 см, при раз

60

ности температуры (градиенте) на поверхностях, равном 1ºС.

Для горных пород коэффициент теплопроводности изменяется: от 1,2 до 17,0 для воды при изменении температуры от 0 до 40 ºС; от 2 до 2,3, для льда при изменении температуры от 0 до -80 ºС; от 8 до 8,5 КДж/(м ч ºС).

Значения коэффициентов теплопроводности грунтов можно вычислить по формулам (табл. 4.5) и определить

по таблице в СНиП 2.02.04.-88[45].

Таблица 4.5.

Формулы для оценки коэффициентов теплопроводности талых и мерзлых грунтов

Тип грунта	Формула
Крупноб- ломочные [46]
Пески [42]	,
Супеси [42]
Суглинки и Глины [42]

Примечание: - плотность талого и мерзлого грунта, кг/м³; w,w_m – влажность талого грунта и мерзлого грунта между ледяными включениями, д. ед.; -льдистость включений, д.ед., V_к – соответственно объем крупнообломочной составляющей в объеме V крунообломочного грунта, k = , - соответственно коэффициент теплопроводности крупнообломочных грунтов – эффективной и составляющих: крупнообломочной - глыб, щебня, дресвы (по значениям коэффициентов теплопроводности для пород их образующих) и мелкодисперсной - песка, супеси, суглинка и глины [37].

Температуропроводность грунтов характеризует

способность изменять температуру в данной точке, под

61

воздействием изменившейся в соседней точке этого же грунта. Коэффициент теплопроводности а, является характеристикой скорости выравнивания температуры в различных точках температурного поля массива грунта. Изменение его значения характеризует скорость нагревания или охлаждения массива грунта. Количественное значение, а можно вычислить по формуле:

, (4.6)

где а, можно получить для мерзлого и для талого грунта, если использовать значения , , C_th и .

В супесчаных и суглинистых крупнообломочных породах темп изменений коэффициентов теплопроводности в исследуемом диапазоне температур от -10 до +4ºС различен и зависит от темпа изменения содержания незамерзшей воды. Наиболее ярко это выражено в интервале от от -4 до 0ºС (рис. 4.3).

Механические (деформационные, и прочностные) свойства мерзлых и оттаивающих грунтов криолитозоны представляют собой способность воспринимать внешние нагрузки и количественно оцениваются показателями (параметрами), величина которых функционально связана между механическим воздействием на грунты и реакцией грунтов на величину этого воздействия. Единицами измерения механических свойств являются кПа и МПа

Показателями группы прочностных механических свойств грунтов являются:

- сопротивление грунта одноосному сжатию ( ) и растяжению ( ), сопротивление грунтов сдвигу ( ), - эквивалентное сцепление мерзлого грунта, кПа; R_af - со противление мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания

62

Рис. 4.3. Зависимость коэффициентов теплопроводности крупно-обломочных пород ( ) от изменений температуры (t) [46]: мелкодисперсная составляющая крупнообломочных пород: а – песок, б – супесь, в – суглинок; содержание щебня в породе: 1 – 75, 2 – 35, 3 – 0, 4 – 55%; изменение содержания незамерзшей воды (Wнз): 5 – в супеси, 6 – в суглинке, 7 – в щебне песчаника.

фундамента, кПа; R - сопротивление мерзлых грунтов и льдов нормальному давлению, кПа; R_sh - сопротивление мер-

злых грунтов и льдов сдвигающим усилиям (сопротивление мерзлого грунта сдвигу по грунту или грунтовому раствору),

кПа; - удельную касательную силу пучения промерзающих грунтов, кПа.

Прочность грунтов – это их способность сопротивляться разрушению и формированию остаточных деформаций, изменяющих форм образца грунта или его массива. В мерзлых грунтах прочность не является постоянной величиной. Ее значения зависят в основном от температуры, льдистости грунтов скорости приложения и продолжительности действия нагрузки. Параметры, характеризующие прочностные свойства грунтов определяются преимущественно в лабораторных условиях. К ним относятся:

предел прочности - напряжение, обуславливающее раз-

63

рушение мерзлого грунта;

условный предел прочности – напряжение, при котором деформация составляет 15% величины деформации начала стадии прогрессирующего течения;

условно-мгновенная прочность – прочность ( ), соответствующая напряжению, вызывающему разрушение образца грунта в течение 10 с после приложения нагрузки (для пластично-мерзлых грунтов рекомендуется принимать равное значению напряжения, при котором в условиях быстрой загрузки деформация образца достигает 20% от начальной его высоты);

длительная прочность – напряжение, вызывающее разрушение образца грунта при заданной нагрузке в заданный промежуток времени;

предел длительной прочности – наибольшее напряжение, при котором не формируется прогрессирующее течение или разрушение при неограниченном времени действия нагрузки.

Величина сопротивления сжатию R_c скального грунта обычно изменяется от 200 до 450 МПа, нескального – от 0,5 до 30 МПа. Сопротивление растяжению грунта R_р незначительно и обычно не превосходит 2-5% от величины сопро-

тивления сжатию R_с. причем для сыпучих грунтов оно равно нулю. Глинистые грунты, а также мерзлые глинистые и пес-

чаные грунты проявляют реологические свойства и их величины R_с зависят от времени приложения нагрузки. Предельная прочность мерзлого грунта на одноосное сжатие обычно на порядок меньше мгновенной прочности. Именно эта прочность имеет главное значение при строительстве зданий и сооружений, поскольку от ее значения зависят размеры фундамента. Для мерзлых грунтов прочность существенно зависит от температуры, льдистости, криогенного строения. При быстром, мгновенном действии нагрузки кратковременное сопротивление сжатию и растяжению мерзлых дисперсных грунтов могут быть соизмеримы с аналогическими характеристиками для скальных грунтов.

64

Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу определяется главным образом температурой грунта, значением внешней нагрузки и временем ее действия. В диапазоне давлений, не превышающих нескольких МПа сопротивление сдвигу может быть выражено линейной зависимостью, установленной К.Кулоном в 1773 г.

(4.7)

Где предельное сопротивление сдвигу - нормальное давление на грунт; - угол внутреннего трения грунта, зависящий от размера и формы частиц грунта, - сцепление грунта, зависящее от прочности молекулярных связей между грунтовыми компонентами

В сыпучих грунтах сцепление намного меньше трения, поэтому вторым членом выражении (4.7) пренебрегают, в мерзлых грунтах (песчаных и глинистых) наоборот, трение значительно меньше сцепления, поэтому в данном случае пренебрегают первым членом выражения (4.7). Пренебрежение трением в мерзлых грунтах оправдано, если величина сцепления определена сферическим штампом. В этом случае косвенно учитывается и угол внутреннего трения [45].

Сопротивление сдвигу талых и мерзлых грунтов, определяется в лабораторных условиях путем постоянного увели-

чения продолжительности действия сдвигающего усилия. В результате мы будем наблюдать снижение значения прочности грунта во времени. В этом случае величина трения становится практически постоянной, а значение сдвига будет определяться в связи с уменьшением сцепления. Это дает возможность оценивать влияние на сопротивление сдвигу грунтов значения мгновенного с_мг и длительное с_вр сцепления грунтов. Величина длительного сцепления для талых глин может составлять 0,3-0,8 величины мгновенного их сцепления и 0,03-0,08 для этих же глин в мерзлом состоянии [45].

Н.А. Цытовичем и С.С. Вяловым предложена методика определения сил сцепления мерзлого грунта по величине

65

осадки, возникающей при вдавливании в грунт сферического штампа. Для реализации этой методики вводится понятия эквивалентного сцепления С_экв.. Это стало необходимым так как, получаемый параметр при реализации предложенной методики комплексный, учитывающий совместно с силами сцепления и силы трения.

Экспериментальные значения С_экв вычисляется по формуле:

(4.8)

где P – нагрузка на штамп, кг; D – диаметр штампа, см; S_t – величина осадки штампа, различная в разные промежутки времени.

Эквивалентное сцепление зависит преимущественно от температуры грунта и времени действия нагрузки. Значение сил сцепления, при мгновенном действии нагрузки, превышает величины, полученные при действии длительной нагрузки, в 4-8 раз [41]

Для эффективной разработки грунтов при вскрышных, проходческих и земляных работах необходимо знать сопро-

тивление этих грунтов разрушению рабочими органами различных механизмов. Для буровых станков за параметр оцен-

ки сопротивления грунтов разрушению, по которому назначается категория грунтов, принимается его сопротивление одноосному сжатию R_с, причем для глин и мерзлых грунтов, обладающих реологическими свойствами, - мгновенная прочность. Для землеройных машин – некоторый условный параметр С предложенный А.Н. Зелениным.

Для разработки мерзлых грунтов получены эмпирические зависимости параметров R_с и С от их состава, влажности и температуры [29]:

пески

(4.9)

66

(4.10)

супеси

(4.11)

(4.12)

суглинки

(4.13)

(4.14)

глины

(4.15)

(4.16)

где T₀ абсолютное значение отрицательной температуры; - суммарная влажность грунта, %.

Прочность смерзания грунтов с материалами фундамента принимается равной сопротивлению грунта сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундаментов. Определяется этот параметр при вдавливании или выдергивании стоек, вмороженных в грунт в полевых и лабораторных условиях. Различают предельно-длительную прочность смерзания, принимаемую в расчетах на выпучивание и временную проч-

ность смерзания, определяемую в результате мгновенного

действия нагрузки. Величина первой в 5-10 раз больше второй.

Значение касательных сил пучения характеризующих смерзание грунта с поверхностью фундамента, различаются по высоте фундамента. Это определяется тем, что по высоте фундамента изменяется температура, суммарная льдистость и др. параметры грунта. В общем смысле они определяются мощность зоны промерзающего грунта. В связи с этим С.С. Вялов и В.О. Орлов предложили в строительной практике оперировать удельным значением сил морозного пучения, вычисляемым по формуле:

, (4.17)

67

Где Т – суммарная сила выпучивания; u – периметр фундамента.

Следует отметить, что на величину смерзания грунта с поверхностью фундамента, при прочих равных условиях, оказывает влияние поверхность самого фундамента. С увеличением его шероховатости, силы смерзания будут увеличиваться. Этот эффект используется при конструировании свай с различной конфигурацией, увеличивающей их периметр не прибегая к увеличению их длины.

В группу показателей характеризующих деформационные свойства грунтов входят:

- модуль упругой (модуль Юнга) - Е_уп и общей - Е_о деформации, кПа;

- коэффициент Пуассона - ;

- коэффициент сжимаемости мерзлого - и оттаивающего - грунта, (кПа^-1);

- коэффициент оттаивания - грунта, д.ед.;

Значения характеристик деформационных свойств мерзлых грунтов зависят от температуры, льдистости, внеш-ней нагрузки, дисперсного их состава.

В мерзлых грунтах упругие деформации формируются

не только при динамических, но и при статических нагрузках. Например, при давлениях до 0,1 МПа, упругие деформации могут составлять 100% от полной деформации (упругой и остаточной), при средних же давлениях (0,4-1,0 МПа) и температуре выше - 0,4 они составляют 10-30% от полной деформации. Упругие деформации описываются законом Гука, предполагающим линейную зависимость между деформацией и нагрузкой:

(4,18)

где - нагрузка, е – относительная деформация, Е – модуль упругости.

Различают деформации продольные е_пр (вдоль направ-

68

ления нагрузки) и поперечные е_п (поперек направлению нагрузки). Эти деформации линейно связаны между собой.

(4,19)

где - коэффициент Пуассона.

Остаточные деформации состоят из деформаций уплотнения, связанных с уменьшением пористости грунта, и деформацией ползучести, обусловленных разрушением молеку-

кулярных связей между минеральными частицами и ползучестью скелета грунта, а в мерзлых грунтах и ползучестью льда. Деформации уплотнения происходят во всех грунтах (кроме скальных), а деформации ползучести только в мерзлых грунтах, а также в талых суглинках и глинах твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции.

Деформации ползучести в зависимости от нагрузки на грунты и времени ее приложения могут находиться в трех стадиях: в стадии затухающей и установившейся ползучести, и в стадии прогрессирующего течения. Первые две стадии остаются за пределами практического использования в про-

гнозах деформации оснований инженерных сооружений. За-

тухающая ползучесть сказывается лишь на протекании деформации во времени, а полная стабилизированная деформация будет подчиняться тем же законам, что и деформация уплотнения. Последняя, аналогично упругой деформации, описывается законом Гука и отличие между ними заключается лишь в том, что после снятия нагрузки упругие деформации исчезают, а деформации ползучести остаются. Все деформации подчиняются одному и тому же закону, поэтому есть смысл рассматривать их совместно. В этом случае модуль упругости Е_уп можно заменить на модуль общей деформации Е_о, а коэффициент Пуассона на коэффициент относительной поперечной деформации .

При компрессионном уплотнении грунта линейную связь между деформацией и нагрузкой выражают через

69

коэффициент сжимаемости а_о, следующим образом:

(4.20)

для мерзлых грунтов величины Е₀ и зависят от температуры. С понижением температуры Е₀ возрастает а убывает. Значение Е₀ твердомерзлых грунтов столь велико, что их можно считать несжимаемыми.

Особо следует остановиться на параметрах деформации крупнообломочных оттаивающих пород (грунтов) КОП (КОГ), значение которых зависит от суммарной влажности и типов криогенных текстур (рис. 4.4а, б, в). ]

Рис. 4.4. Изменение нормативных значений коэффициента оттаивания А_н.0 массивов крупнообломочных песчаных (а), суглинистых (б) и супесчаных (в) пород в зависимости от содержания крупнообломочных частиц К_v:

70

1 – Удоканский хребет, 2 – Витмо-Патомское плоскогорье, 3 – Становый хребет, 4 – Чульманская впадина, 5 – Читино-Ингодинская впадина; е, ds, tg, d, а – соответственно эллювильные, делювиально-солифлюкционные, флювиогляциальные, делювиальные и аллювиальные массивы КОП, W_tot=24 – 10 значение суммарной влажности: первая цифра при К_v =0,05 – 0,15, вторая К_v – 0,85 – 0,90.

Из рисунка следует, что функция, описывающая изменения деформации КОП имеет дробно-линейный вид:

, (4.21)

где a, b – параметры аппроксимации, величина которых оп-

ределяется методами математической статистики [47]

Нормативные документы допускают для предварительных расчетов оснований сооружений вычисление значений деформационных характеристик оттаивающих КОП по их физическим показателям. В результате использования статистических методов было установлено, что наиболее представи-

тельными показателями для прогнозных моделей деформаций КОП являются коэффициент объемного содержания крупнообломочной составляющей пород: , здесь - плотность скелета и минеральной части КОП, ( - вес крупнообломочной составляющей и вес всего объема КОП) и суммарная влажность W_tot. В результате найдены статистические модели для оценки деформаций оттаивающих КОП с песчаной (а_п , А_п), супесчаной (а_сп , А_сп) и суглинистой (а_сг , А_сг) составляющими [47]:

; (4.22)

; (4.23)

71

; (4.24)

; (4.25)

; (4.26)

; (4.27)

Точность использования этих моделей удовлетворитель-

на, если величины независимых параметров в их структуре находятся в пределах, указанных на рис. 4.4а, б, в.

Определение массивов количественных характеристик инженерно-геологических свойств грунтов различного типа в полевых (табл. 4.6) и лабораторных (4.7) условиях регламен-

тировано с учетом стадии проектирования и Принципов проектирования оснований и фундаментов.