Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

1) степенью изученности в геологическом и в геокриологичес­ ком отношениях района строительства;

2)сложностью геологического строения намеченной площадки для строительства;

3)геокриологическими особенностями района строительства;

4)стадией проектирования.

Прежде чем приступить к составлению программы инженерно­ геокриологических изысканий, должны быть изучены литературные и ведомственные материалы по геологическому строению и гео­ криологическим условиям района изысканий.

Необходимо иметь в виду, что геокриологические условия стро­ ительной площадки зависят от того, в какой геокриологической зо­ не она расположена: северной, центральной или южной районах распространения вечномерзлых грунтов.

За северную геокриологическую зону можно принимать район, расположенный по карте распространения вечномерзлых грунтов в

СССР (см. рис. 11) севернее геоизотермы —5° на глубине 10 м от •поверхности; за южную зону — область вечномерзлых грунтов, рас­ положенную по карте южнее геоизотермы —1° на глубине io м от поверхности, т. е. районы с температурой толщи вечномерзлых грунтов от 0 до —1° С; центральная же зона вечномерзлых грунтов

(более 300 м, а иногда порядка 500—1000 м) с низкими темпера­ турами иа глубине нулевых годовых амплитуд (ниже —5° С) и

устойчивым температурным режимом грунтовой толщи, в большин­ стве случаев с отсутствием грунтовых вод (за исключением морских побережий с засоленными грунтовыми водами); южная геокриоло­ гическая зона имеет, как правило, неустойчивый температурный режим вечномерзлых грунтов с температурой их выше границы значительных (интенсивных) фазовых переходов льда в воду, на­

Для северной зоны характерно твердомерзлое состояние вечно­ мерзлых грунтов и наличие мощных ледяных включений; для юж­ ной зоны — пластичномерзлое состояние и преимущественно слои­ сто-сетчатая текстура грунтов также с наличием в отдельных рай­ онах ископаемых жильных льдов.

Все изложенное необходимо учитывать при составлении про­

граммы инженерно-геокриологических исследований заданного рай­ она строительства.

Наконец, на программе инженерно-геокриологических изыска­ ний и исследований существенно сказывается стадия проектирова­ ния данного сооружения: будет ли это «технико-экономический до­ клад (ТЭД)», или «проектное задание», или — стадия составления рабочих чертежей.

Для ' первой с т а д и и в ряде случаев можно ограничиться минимальными полевыми исследованиями грунтов при полном уче­ те литературных и ведомственных материалов для рассматривае­ мого района. Здесь, как будет пояснено дальше, в ряде случаев будет достаточным использовать данные определений только клас­ сификационных показателей грунтов и из них, как минимум: сум­ марной влажности И7С, температуры грунтов на глубине 10 м, т. е.

— 0о (которую иногда можно взять и по карте рис. 11) и величины коэффициента оттаивания А, определяемого простейшим полевым испытанием.

Во в т о р о й с т а д и и (проектном обосновании, или «проект­ ном задании») должно быть полностью освещено геологическое строение и геокриологические особенности места строительства с обязательным послойным определением тепловых и физико-механи­ ческих (главным образом, деформативно-прочностных) свойств грунтов для всей активной зоны сжатия, которая принимается рав­ ной удвоенной мощности эквивалентного слоя грунта для фунда­ ментов с наибольшей площадью подошвы, но не менее, чем ширина здания.

Геологическое строение места постройки уточняется с помощью буровых и шурфовых работ, й также путем применения геофизичес­ ких методов разведки, при этом определяется мощность вечномерз­ лой толщи или, по крайней мере, ее сплошное залегание на глубину не менее 20 м от поверхности и глубина сезонного протаивания грунтов (с помощью шурфовых работ в начале осеннего замерза­ ния верхних слоев грунта) для места постройки.

Во второй стадии изысканий должны быть с исчерпывающей полнотой определены показатели физических и физико-механичес­ ких свойств грунтов в мерзлом и оттаивающем состояниях, а иногда (при применении метода предпостроечного оттаивания) и в талом состоянии— после оттаивания вечномерзлых грунтов.

В эти исследования для всех характерных слоев грунта актив­ ной зоны сжатия грунтов под фундаментами сооружения включа­ ется определение характеристик, знание которых совершенно не­ обходимо для грамотного (с учетом современных достижений нау­ ки) составления технического проекта (проектного задания) сооружений, возводимых в условиях вечномерзлых грунтов, с про­ гнозами общей и локальной температурной устойчивости толщи вечномерзлых грунтов в месте застройки, расчетами оснований и фундаментов по предельным состояниям и обоснованием методов производства земляных и фундаментных работ.

Эти изыскания и исследования включают следующие опреде­ ления:

1) классификационных показателей мерзлых грунтов (объем­ ного веса, влажности, удельного веса и количества незамерзшей воды), а также механического состава грунтов и консистенции гли­ нистых;

2) тепловых свойств вечномерзлых грунтов ниже глубины за­ ложения фундаментов (как минимум, температуры грунтов до глубины 10 м, коэффициентов теплопроводности и объемной теп­ лоемкости грунтов);

3) показателей механических свойств грунтов в мерзлом (пре­ дела длительной прочности при сжатии, параметров длительного сопротивления сдвигу и устойчивых сил смерзания, коэффициента суммарной относительной сжимаемости и параметров ползучести) и в оттаивающем (коэффициентов оттаивания и уплотнения при от­ таивании, параметров сопротивления сдвигу в оттаявшем состоя­ нии) состояниях.

На т р е т ь е й с т а д и и — составления рабочих чертежей про­ екта, производится только контрольное бурение и контрольные ис­ пытания вечномерзлых грунтов в шурфах (определение показате­ лей сжимаемости в мерзлом и оттаивающем состояниях методом пробных нагрузок, определение прочностных характеристик и пр.).

§ 2. О комплексной инженерно-геокриологической съемке осваиваемых территорий

Комплексная характеристика геокриологических условий осва­ иваемых строительством территорий в области распространения вечномерзлых грунтов может быть получена только в результате квалифицированного проведения геокриологической («мерзлот­ ной») съемки местности, подлежащей освоению.

Детальное описание методики общих инженерно-геокриологи­ ческих («мерзлотных») исследований выходит за рамки настоящей работы. Поэтому мы остановимся здесь только на основных поло­ жениях геокриологической съемки, отсылая читателей для подроб­ ного изучения этого вопроса к соответствующей специальной ли­ тературе *.

По В. А. Кудрявцеву и Б. Н. Достовалову, геокриологическая («мерзлотная») съемка объединяет в себе комплекс литературно­ ведомственных, полевых и лабораторных, а также камеральных работ, имеющих целью охарактеризовать геокриологические усло­ вия рассматриваемого района области распространения вечномерз­

мерзлых горных пород. Доклады на Международной конференции по мерзлото­ ведению, под ред. Н. А. Цытовича. Изд-во АН СССР, 1963.

лых пород, вскрыть частные и общие закономерности их формиро­ вания и развития в зависимости от природных геолого-географи­ ческих условий и дать прогноз возможных изменений геокриологических условий в рассматриваемом районе при развер­ тывании строительства и рекомендаций по направленному на них воздействию.

Следует указать, что результаты геокриологической съемки бу­ дут совершенно необходимы как основные исходные материалы при проектировании объектов крупного промышленного и жилищного строительства, капитальных гидротехнических и дорожных соору­ жений.

Составление всех инженерно-геокриологических карт должно строиться, в первую очередь, на геологической и геоморфологичес­ кой основе с использованием карт четвертичных грунтовых отложе­ ний и карт почвенных.

На геокриологических картах должно быть показано:

1) распространение вечномерзлых пород, их мощность, условия залегания и прерывистость по вертикали;

2) температура горных пород (как минимум у подошвы слоя ее годовых колебаний, примерно на глубине 10 м от дневной по­ верхности) ;

3)состав, свойства и генезис вечномерзлых и талых пород;

4), криогенное строение и льдистость вечномерзлых грунтов, включая расположение и мощность ископаемых прослойков льда;

5)проявления криогенных процессов (бугры пучения, наледи, термокарст, солифлюкция и пр.);

6)данные о сезонном промерзании и протаивании грунтов пло­ щадки (желательно при естественном покрове и оголенных);

7) наличие и условия залегания грунтовых вод. Геокриологическая съемка включает три этапа: 1) микрорай­

онирование; 2) полевые исследования; 3) камеральную обработку

материалов съемки с установлением основных геокриологических закономерностей и прогнозом поведения вечномерзлых пород при строительном освоении территории.

1- й этап (микрорайонирование) вначале базируется, главным образом, на литературно-ведомственных материалах, а затем уточ­ няется при полевых геокриологических исследованиях и составле­ нии инженерно-геокриологических карт, при этом выделяются рай­ оны, характеризующиеся выдержанностью и однородностью комп­ лекса природных условий и отличающиеся от соседних районов по геологическому строению, геоморфологическим и гидрологическим условиям и составу четвертичных отложений, а также характером растительного и почвенного покровов.

2- й этап (полевые инженерно-геокриологические исследования) должен дать материалы для составления комплексной инженерно­ геокриологической карты с установлением средних расчетных вели­ чин показателей, отмеченных ранее физико-механических свойств грунтов в мерзлом и оттаивающем состояниях и оценкой проявле-

Рис. 123. Геокриологическая карта одного из районов распростра­ нения вечномерзлых пород (по К. А. Кондратьевой):

ний криогенных процессов, имеющих место на исследуемой терри­ тории (бугров пучения, наледей, термокарста, оползней и пр.). Здесь, наряду с бурением для установления мощности отдельных напластований грунтов и замеров их температуры и шурфования с полевыми испытаниями грунтов, существенное значение приобре­ тают и геофизические методы разведки мощности вечномерзлых грунтов и ледяных включений, их условий залегания и характерных особенностей состава мерзлых пород. Такими методами, широко применяемыми при геокриологической съемке, являются:

1)метод электроразведки с помощью постоянного тока (верти­ кальное электрозондирование, электропрофилирование, электро­ метрическое обнаружение и оконтуривание подземных льдов и та­ ликов и пр.);

2)ультразвуковой и сейсмический методы (для установления условий залегания массивнокристаллических пород и их трещино­ ватости, определения деформативных свойств и пр.).;

3)метод аэрофотосъемки, используемый для предварительного микрорайонирования исследуемой территории, а также для выделе­ ния границ геоморфологических элементов рельефа, площадей раз­ вития криогенных процессов и участков с различными по составу грунтовыми отложениями.

3-й этап (камеральная обработка) — анализ полученных экспе­ риментальных данных с установлением общих и частных законо­ мерностей распространения и развития вечномерзлых толщ и фор­ мирования температурного режима в зависимости от местных фи­ зико-геологических условий: климатических, геоморфологических,

гидрологических и т. п., при этом на проявления криогенных про­ цессов в грунтах обращается особое внимание.

В обобщении материалов инженерно-геокриологической съем­ ки, особенно среднемасштабной (от 1:500 000 до 1:200 000) и крупномасштабной (от 1:10000 до 1:50000), а также детальной, дается общий прогноз изменений геокриологических условий и об­ щей направленности криогенного процесса (его усилении или де­ градации) при хозяйственном освоении застраиваемой территории, весьма важный для целей практики, и частные прогнозы интенсив­ ности проявлений термокарста, наледей, морозного пучения и пр.

Результаты инженерно-геокриологических исследований офор­ мляются в виде геокриологической (мерзлотной) карты (пример ко­ торой приведен на рис. 123) и пояснительной записке к ней, в ко­ торой приводятся необходимые данные для выбора принципа стро­ ительства сооружений, возводимых в рассматриваемых условиях области вечномерзлых грунтов (температура мерзлой толщи, льдистость, литологический состав и пр.), и количественные пока­ затели физико-механических свойств мерзлых грунтов, необходи­ мые для проектирования и расчета оснований, фундаментов и надфундаментных строений, возводимых в рассматриваемых условиях сооружений.

Остановим теперь наше внимание на полевых и лабораторных исследованиях мерзлых грунтов, проводимых при инженерно-гео­

Если гОб^0,5 — вечномерзлый грунт будет принадлежать к ка­ тегории сильнольдистых в большинстве случаев просадочных при оттаивании грунтов; если же tO6^0,25, то вечномерзлые грунты бу­ дут слабольдистыми.

В зависимости от максимальной температуры мерзлых грунтов 0 ° т а х ®а уровне подошвы фундаментов (определяемой в зависимо­ сти от —0О), состава вечномерзлых грунтов (пески, суглинки, глины и т. п.) и величины объемной льдистости t06 'по табл. 6 СНиП П-Б.6—66 определяются нормативные сопротивления мерз­ лых грунтов нормальному давлению в основаниях сооружений RH, кГ/см2.

Коэффициент оттаивания А для грунтов, залегающих ниже по­ дошвы фундаментов, позволяет оценить величину возможной их тепловой осадки (в большинстве случаев составляющей большую часть всей осадки) и величину просадки вечномерзлых грунтов при оттаивании.

Можно рекомендовать величину коэффициента оттаивания опре­ делять простейшим полевым опытом на осадку в шурфе оттаива­ ющего грунта под действием только его собственного веса. Если оттаивающий слой мерзлого грунта будет незначительной толщины (глубина оттаивания грунта в полевом опыте определяется метал­ лическим щупом, а осадка замеряется с помощью линейки с мил­ лиметровой шкалой), например менее 0,50 м, то максимальное дав­ ление от собственного веса грунта будет малым (обычно менее 0,1 кГ/см2) и тогда вторым членом в формуле (VI.2) при площади оттаивания не менее 1—2 м2 можно пренебречь; при этом коэффи­ циент оттаивания будет равен отношению тепловой осадки s0TT мерзлого грунта к глубине оттаивания ht:

A x - Z s s - . (VII.4)

При величине коэффициента оттаивания Л>0,02 вечномерзлые грунты считаются просадочными.

Отметим, что величину коэффициента уплотнения оттаивающих грунтов (а см2/кГ) для ориентировочных расчетов без большой погрешности можно принимать равной

а ^ ~ Г ~ > (VII.5)

где р — коэффициент бокового давления грунта, равный 0,8 — для песков; 0,7 — для супесей; 0,5 — для суглинков и 0,4 — для глин; ^min — минимальное значение модуля общей деформации оттаива­

вечномерзлых грунтах, является определение в естественных поле­ вых условиях на строительной площадке для несущей толщи веч­ номерзлых грунтов величин —0о, Wc и А, а по ним и ориентировоч­ ных значений других расчетных характеристик вечномерзлых грунтов.

Основные полевые и лабораторные испытания и исследования вечномерзлых грунтов необходимы для выбора принципа строи­ тельства и составления основной документации (обоснования, так называемого проектного задания) по проектированию и расчету оснований и фундаментов, возводимых на вечномерзлых грунтах. Они включают в себя определение следующих необходимых харак­ теристик вечномерзлых грунтов:

1)классификационных показателей вечномерзлых грунтов;

2)тепловых свойств грунтов в мерзлом и талом состояниях;

3)механических свойств грунтов в мерзлом, оттаивающем и оттаявшем состояниях.

грунтов; б) зерновой состав песчаных грунтов и консистенция гли­ нистых грунтов; в) льдистость грунтов.

Ниже мы остановим наше внимание лишь на перечне необходи­ мых для проектирования показателей физико-механических свойств вечномерзлых грунтов и их значений; по методике же определений сделаем только необходимые замечания, так как в настоящее

время уже опубликовано значительное число пособий по этому вопросу *.*

Для того чтобы 'классифицировать вечномерзлые грунты по

температурному состоянию, по льдистости и по природной уплот­ ненности, необходимо, как отмечалось ранее, кроме температуры и гранулометрического состава грунтов, знать показатели их ос­ новных физических свойств: ууд; у; Wc; №н, из которых объемный вес у и суммарная влажность Wc определяются в полевых условиях (для естественных образцов грунтов), остальные — в лаборатории (для образцов нарушенной структуры) точно так же, как и ха­ рактеристики физического состояния оттаявших грунтов (плот­ ность и консистенция).

Вечномерзлые грунты по температурному состоянию разделя­ ются на твердомерзлые (при температуре их ниже границы интен­ сивных фазовых переходов воды в лед) и пластичномерзлые (при температуре выше указанной границы фазовых переходов); по льдистости (величине объемной льдистости 10б) — на сильнольдис­ тые (при ;об>0,50) и слабольдистые (/Об<0,25), и по природной уплотненности в оттаявшем состоянии — по коэффициенту порис­ тости е для песчаных грунтов и консистенции В для глинистых.