Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

обосновываемыми ниже на основе анализа огромного фактического материала результатов многолетних исследований, мы полагаем следующие:

1)динамическое равновесие незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах;

2)миграцию воды при промерзании грунтов как результат на­ рушения равновесия фаз;

3)текучесть (релаксацию и ползучесть) мерзлых грунтов при длительном действии нагрузки;

4)нестабильность механических свойств мерзлых грунтов;

5)уплотняемость высокотемпературных мерзлых грунтов под нагрузкой;

6)структурную неустойчивость, сжимаемость и просадочность

льдистых мерзлых грунтов при оттаивании; 7) нелинейность изменений пористости оттаявших слабых гли­

нистых грунтов при уплотнении их под нагрузкой.

Отдельные начала механики мерзлых грунтов рассматриваются не изолированно друг от друга, а взаимно между собой связан­ ными, характеризуя свойства грунтов в различном их состоянии (в процессе замерзания, в мерзлом состоянии и процессе оттаивания).

На основе этих начал строится механика мерзлых грунтов, на базе которой устанавливаются научные методы устойчивого строи­ тельства различного рода сооружений на вечномерзлых грунтах и использования искусственного замораживания грунтов в строитель­ ном и горном деле.

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ

Г Л А В А I

ПРИРОДА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ, ИХ ОСОБЕННОСТИ

ИФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

§1. Мерзлые грунты как многокомпонентные

имногофазные системы взаимно связанных частиц

Мерзлые и вечномерзлые грунты являются весьма сложными природными многофазными образованиями, состоящими из раз­ личных по своим свойствам компонентов, находящихся в разном фазовом состоянии (твердом, идеально пластичном, жидком, газообразном), взаимно между собой связанных, которые могут рассматриваться как однокомпонентные (сплошные) тела лишь при определенных условиях, например, когда в данном объеме мерзлого грунта отсутствует во времени перераспределение отдель­ ных фаз грунта.

Как отмечалось во введении, в мерзлых грунтах, кроме твердых минеральных частиц всегда есть лед как породообразующий мине­

щенных преимущественно свободной несвязанной водой, гидравли­

механикой трехфазной системы, то механику мерзлых грунтов следует считать еще более сложной системой частиц, по крайней мере, четырехфазной системы, содержащей: 1) твердые минераль­

(рис. 13); 4) газообразные компоненты — пары и газы. Все перечис­

ленные составляющие находятся во взаимной связи друг с другом, зависящей как от свойств отдельных фаз, так и от интенсивности внешних воздействий.

Рис. 13. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минераль­ ной частицы с водой:

/ — минеральная частица; 2 — вода связанная; 3 — вода рыхлосвязанная (осмотическая)

§ 2. Основные компоненты мерзлых грунтов

Основными компонентами мерзлых грунтов следует считать:

твердые минеральные частицы, вязко-пластичные включения льда, жидкую (незамерзшую и прочносвязанную) воду и газообразные

включения (пары и газы).

Твердые минеральные частицы мерзлых грунтов оказывают су­ щественное влияние на свойства мерзлых грунтов, которые зависят как от размеров и формы минеральных частиц, так и от физико­ химической природы их поверхности, определяемой, главным обра­ зом, минералогическим составом частиц и составом поглощенных ими катионов.

Мерзлые грунты по гранулометрическому (зерновому) составу классифицируются так же, как и грунты немерзлые (СНиП Н-Б. X_62) *, т. е. мерзлые грунты различают: крупнообломочные, песча­

ные и глинистые (глина, суглинки, супеси).

Однако, кроме размеров минеральных зерен, на свойства мерз­ лых грунтов существенное влияние оказывает и форма твердых минеральных частиц. От формы твердых зерен зависит величина местных усилий, передаваемых на мерзлый грунт от внешней на­ грузки. Например, при плоской форме минеральных частиц, что наблюдается иногда у слюдистых песков**, внешнее давление в точках контакта частиц почти не трансформируется, тогда как при остроугольной форме (горные пески) оно может достигать огром­ ной величины. Так, в примере, приведенном в нашей книге (см. Цытович Н. А. и Сумгин М. И. «Основания механики мерзлых грун­ тов», Изд-во АН СССР, 1937), усилия по контакту круглого квар­ цевого зерна диаметром в 1 мм с плоской прослойкой льда (при значении модуля упругости для кварца 3 - 105 кГ/см2, а подстилаю­

ния двух твердых минеральных зерен того же диаметра (1 мм), как показывает расчет, усилия будут в несколько раз больше. Такие давления могут иметь место лишь в упругой стадии деформаций (например, при кратковременных нагрузках), с течением же вре­ мени, вследствие ползучести соприкасающихся материалов и осо­ бенно прослойков льда, которые «текут» даже при весьма малых давлениях, площадь контактов увеличится, а усилия в них умень­ шатся. Однако возникновение значительных давлений между мине­ ральными частицами и льдом и в точках контакта между минераль­ ными частицами несомненно сказываются на свойствах мерзлых грунтов, в частности, на содержании в них незамерзшей воды (так как лед тает под давлением даже весьма незначительной величи­ ны), на изменении структуры мерзлых грунтов, увеличении трения между частицами, что в свою очередь увеличивает их сопротивле­ ние сдвигу и т. п.

Дисперсность минеральных частиц грунтов также влияет на свойства мерзлых грунтов, главным образом, в направлении про­

• Разница с немерзлымн грунтами заключается лишь в том, что в стучае мерзлых грунтов, содержащих частицы размером от 0,05 до 0,005 мм (пылеватых> более ЗД%, к обычному названию грунта добавляется слово «пылеватый».

Автор наблюдал в шурфах при строительных работах в районе Забай ­ калья (пос. Тарбагатай) сухие пески, состоящие почти исключительно из мелких слюдяных пластинок, обусловивших свойства этих песков (сжимаемость сопро­ тивление сдвигу и др.), близкие к свойствам 'пластичных глин

дисперсного грунта удельная поверхность его частиц может изме­ ряться от нескольких квадратных метров до нескольких сотен и даже тысяч квадратных метров. Одни минералы (например, кварц, полевой шпат и некоторые другие) менее активно взаимодейству­ ют с паровой водой, другие (монтмориллонит, оттапульгит и др.) — значительно сильнее, причем меняется и характер взаимодействия, так как от минералогического состава и неоднородности поверхнос­ ти грунтовых частиц зависит число центров взаимодействия их с окружающей средой.

Роль минеральной части грунтов обусловливается огромной энергией химических связей поверхности минеральных частиц с окружающей их средой, например, с поровой водой и внутрипоровым льдом.

Лед, являясь обязательной компонентой мерзлых грунтов, в противоположность твердым частицам грунтов, представляет

мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобраз­ ными физико-механическими свойствами, резко отличными от дру­ гих горных пород. Мерзлые грунты могут содержать и другие крио- |пдратные минералы (минералы, существующие только при отрицательных температурах), как-то: углекислый натрий ( '.агСОз — с температурой замерзания — 2,1°С), хлористый магний (MgCl2 — с температурой замерзания — 3,9° С) и др.

Льдом называют все твердые модификации воды независимо от их кристаллического или аморфного состояния.

В настоящее время различают одну аморфную модификацию льда (образующуюся при быстром, очень низком — «глубоком» замораживании), три модификации льда (I, II, III), существующие при отрицательных температурах и соответствующих давлениях, и модификации льда (кристаллической воды), образующегося при давлениях в несколько десятков тысяч атмосфер, которые могут существовать не только при отрицательных, но и при положитель­ ных температурах.

По опытам Таммана (излагаем по монографии Б. П. Вайнберга «Лед», Гостехтеориздат, 1940), при понижении температуры льда и повышении давления до 2200 ат обыкновенный кристаллический лед I переходит в лед II (который тяжелее воды), а при давлении в 2236 ат и температуре —34 и —64° С — в лед III, причем переходы эти происходят с резким изменением объема и поглощением гро­ мадных количеств тепла.

При обычных давлениях и не очень низких температурах (по крайней мере, до температуры порядка —100° С) существует наибо­

тело гексагональной системы обладает резко выраженной анизот­ ропией свойств: он имеет максимальную вязко-пластичную дефор­ мацию в направлении, перпендикулярном главной оптической оси,

а в направлении параллельном — проявление реологических свойств во льду настолько малы, что после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. В то же время под нагрузкой лед, даже при весьма малых напряжениях, всегда имеет вязко-пластические де­ формации (деформации течения), при этом вязкость льда, как по­ казывают соответствующие опыты, может меняться в зависимости от направления усилий в 100 раз и более. Упругими свойствами лед обладает лишь при мгновенных нагрузках, причем предел упругос­ ти льда (по Б. П. Вайнбергу) настолько мал, что область чисто упругих его деформаций не имеет практического значения.

Особым свойством строения льда I является подвижность атомов водорода в его кристаллической решетке, которая беспрерывно из­ меняется под влиянием внешних воздействий (изменений отрица­ тельной температуры, давления и пр.). При понижении температу­ ры подвижность атомов водорода уменьшается, и лед принимает более упорядоченную (более плотную и более прочную) структуру, а при температуре —78°С кристаллическая решетка льда принима­ ет стабильное состояние (по Савельеву Б. А.); при температуре ниже —70° С лед из гексагональной сингонии переходит в кубиче­ скую. С повышением температуры возрастает энергия активизации его молекул и ускоренная их перегруппировка с ослаблением меж­ молекулярных связей, что существенно сказывается на снижении прочностных свойств льда.

Из изложенного вытекает, что в природных условиях, где всегда имеют место некоторые изменения термодинамических условий (температуры, давления и пр.), свойства льда (его строение, вяз­ кость и пр.) могут значительно изменяться. Эти изменения обуслов­ ливают нестабильность свойств как льда, так и мерзлых грунтов при всяком изменении природных условий. Отметим также, что поверхностные электромолекулярные связи льда значительно пре­ восходят молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.

Вода в жидкой фазе в мерзлых я вечномерзлых грунтах — незамерзшая вода при обычных отрицательных температурах (по крайней мере до температуры примерно —70° С) всегда содержит­ ся в том или ином количестве, как это было на основании теоре­ тических соображений показано еще в 1939 г. * и в дальнейшем полностью подтверждено результатами непосредственных опытов как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Отметим, что неполное замерзание воды в глине наблюдал в лабораторных опытах Е. Юнг в 1932 г., но этому явлению тогда не было уделено должного внимания.

Незамерзшая вода в мерзлых и вечномерзлых грунтах может быть в двух состояниях:

* Н. А. Цыто вич . Исследование деформаций мерзлых грунтов, т. И док­ торской диссертации, стр. 45 и др. Ленинград, 1940;

Н. А. Цыто вич . Строительство в условиях вечной мерзлоты. Тезисы до­ кладов на Конференции СОПС АН СССР. Изд-по АН СССР, 1941.

1) прочносвязанном поверхностью минеральных частиц (с из­ бытком энергии активизации), когда вследствие огромных электромолекулярных сил поверхности вода не может перейти в гекса­ гональную кристаллическую решетку льда даже при очень низких температурах;

2) рыхлосвязанном — вода переменного фазового состава (по Б. Н. Достовалову и В. А. Кудрявцеву * с недостатком энергии ак­ тивизации), выделяющая тепло кристаллизации при калориметрировании и замерзающая при температурах ниже 0°С, причем, чем тоньше будут слои рыхлосвязанной воды, тем больше воздействие поверхности минеральных частиц грунта она будет испытывать и температура замерзания ее будет более низкая. По Достовалову и Кудрявцеву** более правильной будет формулировка: «связан­ ная вода (рыхлосвязанная переменного фазового состава) замер­ зает при тем более низкой температуре, чем интенсивнее в ней про­ цесс уменьшения связей по сравнению со свободной водой и образо­ вания зон повышенной подвижности, вследствие противоположного действия смежных структур». Понижение температуры замерзания рыхлосвязанной воды происходит вследствие того, что между слоем связанной воды и воды свободной возникает слой менее связанной и более подвижной, как бы более «теплой воды», чем свободная вода, требующий больше энергии и более низкой температуры его кристаллизации.

Количество незамерзшей воды в мерзлых и вечномерзлых грун­ тах уменьшается с понижением отрицательной температуры грунта, причем каждый грунт характеризуется вполне определенной кривой содержания незамерзшей воды.

Определение содержания незамерзшей воды в мерзлых и вечно­ мерзлых грунтах производится по образцам их с помощью чувст­ вительного калориметра, а.результаты калориметрирования обра­

Содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах и ее измене­ ния под влиянием внешних воздействий во многом определяют физико-механические свойства мерзлых и вечномерзлых грунтов и имеют огромное значение в физике и механике мерзлых грунтов.

Газообразными компонентами мерзлых грунтов будут пары воды (при неполном насыщении мерзлого грунта водой и льдом) и газы.

Пары воды в мерзлых грунтах могут играть в отдельных слу­ чаях существенную роль, так как они, как известно, перемещаются от мест с большей упругостью (определяемой, главным образом, температурой) к местам с меньшей упругостью и в водоненасыщен­ ных грунтах могут явиться основной причиной перераспределения

Б. Н. Д о с т о в а л о в, В. А. К у д р я в ц е в . Общее мерзлотоведение. Изд-во МГУ, 1967.

*:!: Т а м ж е.

влажности в процессе изменения их температуры и замерзания

грунтов.

Что касается газов, то их роль в мерзлых грунтах сводится лишь к образованию пористости грунтов и в условиях наличия замкнутых газовых вакуолей — к увеличению упругости.

Все перечисленные в настоящем параграфе отдельные компо­ ненты—твердые минеральные частицы, лед, незамерзшая и прочно­ связанная вода, пары и газы, обладая своими специфическими свой­ ствами, в мерзлых грунтах находятся во взаимодействии друг с другом, обусловленным в первую очередь силовым полем поверх­ ности минеральных частиц и льда с водой различных состояний, интенсивность которых зависит от удельной поверхности и физико­ химической природы твердых компонентов грунтов и состава их обменных катионов, а также от влияния внешних воздействий (температуры, давления и пр.).

§ 3. Особенности замерзания поровой воды в грунтах

Замерзание поровой воды в грунтах имеет свои особенности, обусловленные взаимодействием воды с поверхностью минераль­ ных частиц грунта, а также наличием того или иного количества растворенных в воде солей.

Свободная не связанная вода при нормальном атмосферном давлении, как известно, имеет температуру замерзания 0°С, но поровая вода, находящаяся в силовом поле поверхности минеральных частиц, особенно при тонких слоях воды (пленочная вода), будет иметь более низкую температуру замерзания.

Величина температуры замерзания грунтов (т. е. кристаллиза­ ции в них поровой воды) имеет важное значение для определения глубины промерзания и протаивания грунтов, т. е. установления зоны, в которой в естественных условиях, а также при взаимодей­ ствии с сооружениями, происходит ряд существенных физико-меха­ нических процессов: морозное выветривание с изменением внутрен­ них связей грунтов, трещинообразование, морозное пучение и пр.

ипр. Вследствие последних причин слои ежегодного промерзания

ипротаивания являются ненадежными как основание сооружений,

иглубину промерзания грунтов надлежит рассматривать как один из важнейших параметров, определяющих заложение фундаментов сооружений (вне области вечномерзлых грунтов).

Различные грунты имеют разную температуру замерзания (от 0 до —2,5°С и несколько ниже), под которой понимают устойчи­ вую температуру замерзания поровой воды (после температурного скачка, если имело место переохлаждение воды), что сопровожда­

ется увеличением объема грунта, льдовыделением, смерзаемостыо его части и пр.

Рассмотрим процесс понижения температуры грунта до начала кристаллизации в нем поровой воды, процесс промерзания грунта и дальнейшее усиление промерзания и охлаждения мерзлого грунта.

Следует заметить, что процесс промерзания грунтов зависит также от внешних условий: величины отрицательной температуры, скорости ее понижения и пр. Так, например, автором в опытах с ту­ гопластичными глинами (кинельского яруса) было установлено, что их промерзание и морозное пучение начинается лишь при опре­ деленном начальном градиенте (Д 0«5 град/см), который преодоле­ вает внутреннее сопротивление миграции воды при продвижении ее к фронту промерзания.

Температура замерзания различных грунтов нарушенной струк­ туры в лабораторных условиях подробно исследовалась П. И. Анд­ риановым *, который показал, что при охлаждении образца грунта со всех сторон (грунт замо­ раживался в пробирке, по­ груженной в сосуд Дюара, наполненный замораживаю­ щей смесью) вначале наблю­ дается переохлаждение—0°,

ном скачке, соответствует (по П. И. Андрианову) температуре замерзания грунта.

Для различных по механическому составу грунтов, имеющих примерно одну и ту же влажность (около 20% вёсовых) при охлаж­ дении их от —4,5 до —7,5° С получена температура замерзания от —0,03 (для грунта с гигроскопичностью в 0,21 %) до —1,56° С (при гигроскопичности в 4,62%).

Дальнейшее изучение температуры замерзания грунтов в СССР

было поставлено под руководством автора в Центральной лабора­ тории мерзлотоведения АН СССР А. П. Боженовой **, которая применяла ту же методику исследований, что и П. И. Андрианов, но весь процесс охлаждения и промерзания автоматически записы­ вался на фотобумаге с помощью зеркального гальванометра. При­ ведем некоторые из полученных кривых охлаждения и замерзания для характерных типов грунтов.

и грунтах. Материалы по лаб. исслед. мерзлых грунтов под рук. Н. А. Цытовича, сб. 1. Изд-во АН СССР, 1953.