1400
.pdfПрофессор
Н. А. ЦЫТОВИЧ
член-корреспондент АН СССР
заслуженный деятель науки и техники РСФСР
МЕХАНИКА
МЕРЗЛЫХ
ГРУНТОВ
(общая и прикладная)
Допущено Министерством выс шего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для инже нерно-строительных вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА
М о с к в а — 1973
6С1
Ц93 УДК 624.131
Цытович Н. А.
Ц93
Механика мерзлых грунтов. Учебн. пособие. М., «гВысш. школа», 1973.
448 с. с илл.
В книге на основе анализа результатов многолетних глав ным образом отечественных исследований по механике мерзлых грунтов устанавливаются основные закономерности механики мерзлых грунтов как науки и их практические приложения по обоснованию методов устойчивого строительства на вечномерз лых грунтах.
Подробно рассматриваются методы определения парамет ров сформулированных закономерностей механики замерзаю щих, мерзлых и оттаивающих грунтов и использование их при проектировании и расчете оснований, фундаментов и земляных сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах.
Ряд решений механики мерзлых грунтов табулирован, но мографирован и снабжен числовыми примерами.
0326-62 |
6CI |
141-73 |
|
Ц001( 0 1 )-7 3 |
|
Посвящается светлой памяти академика Владимира Афанасьевича Обручева
П Р Е Д И С Л О В И Е
В настоящей книге на базе анализа результатов многолетних исследо ваний физико-механических свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и протекающих в них криогенных процессов устанавливаются за кономерности механики мерзлых грунтов как науки и их основные практи ческие приложения.
За сорок лет, прошедших со времени выхода в свет первой работы по исследованию механических свойств мерзлых грунтов (работа автора в сборнике № 80 КЕПС АН СССР, 1930), и особенно за последние десятиле тия, опубликован ряд солидных монографий и много работ, связанных с отдельными вопросами механики мерзлых грунтов. Так, хорошо известны монографии, внесшие известный вклад в становление и развитие механики мерзлых грунтов как науки: первая книга по механике мерзлых грунтов —
«Основания механики мерзлых грунтов» (Н. А. Цытовича и М. И. Сумгина, Изд-во АН СССР, 1937), «Принципы механики мерзлых грунтов»
(Н. А. Цытовича, Изд-во АН СССР, 1952), удостоенная в 1950 г. Государ ственной премии «За разработку основ механики мерзлых грунтов»; «Осно вы механики промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов» (Н. А. Цы товича и др., т. II, гл. 3 сводного труда «Основы геокриологии», Изд-во АН СССР, 1959); «Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов» (С. С. Вялова, Изд-во АН СССР, 1959), «Исследование деформа ций мерзлых грунтов» (ч. II докторской диссертации Н. А. Цытовича, 1940).
Наконец, следует отметить аналитические исследования по реологии и консолидации мерзлых и оттаивающих грунтов Ю. К. Зарецкого (группа механики мерзлых грунтов НИИоснований), опубликованные в его доктор ской диссертации «Вопросы теории ползучести и консолидации грунтов и их
практические приложения» |
(1971 г.) |
и в отдельных журнальных статьях. |
По теплофизике мерзлых и вечномерзлых грунтов, решения которой со |
||
вершенно необходимы для |
прогноза |
глубин протаивания мерзлых грунтов, |
а по ним и осадок оттаивающих грунтов, весьма важная работа опублико вана Г. В. Порхаевым «Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами» (Изд-во «Наука», 1970).
Кроме того, интересные материалы содержат сборники работ МГУ:
«Мерзлотные исследования» (8 выпусков за 1961—1968 гг.); «Материалы VIII Всесоюзного совещания по геокриологии» (8 выпусков, Якутск, 1966 г.); «Материалы совещания-семинара по строительству на вечномерз лых грунтах» (20 выпусков Красноярского ПромстройНИИпроекта, 1964 г.);
Сборники Института мерзлотоведения Сиб. отд. АН СССР; Труды ВНИИ-1
(Магадан, 1961, 1963 гг.) и много отдельных статей в технических журна лах, составляющих лишь за последнее десятилетие более пяти тысяч печат ных страниц.
Наконец, в 1967 г. был опубликован раздел официальных «Строитель
ных норм и правил» |
(СНиП П-Б.6 — 66, объемом 3,2 печ. л., «Основания и |
||
фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах») |
и к этой же |
||
главе «Пособие по |
проектированию» |
(составленное под |
руководством |
С. С. Вялова и Г. В. Порхаева) объемом |
14,3 печ. л. |
|
|
Конечно, изложить столь обширные научно-технические материалы и охватить достаточно полно круг вопросов, затрагиваемых механикой мерз лых грунтов, при ограниченном объеме книги не представилось возможным. Поэтому естественно, что некоторые вопросы не столь подробно освещены, как этого хотелось бы автору, и не все полезные выводы из них сделаны.
Однако автор считает своевременным проанализировать основные результаты многолетних как отечественных, так и зарубежных исследова ний по механике мерзлых грунтов в свете новейших экспериментальных и теоретических данйых и сделать общие выводы, установив закономерности механики мерзлых грунтов, важные для теории и практики.
Автор формулирует только основные закономерности и зависимости, которые позволяют разобраться в сложнейших вопросах механики мерзлых грунтов и обосновать методы устойчивого строительства сооружений на вечномерзлых грунтах; при этом излагается, главным образом, принципи альная сторона расчетов и уделяется много внимания физической стороне механических процессов, протекающих в промерзающих, мерзлых и оттаи вающих грунтах, и их аналитическому описанию; конструирование фунда ментов и детальная разработка методов производства работ рассматрива ются в курсе «Основания и фундаменты».
Систематическое изложение механики мерзлых грунтов позволит разо браться читателям, научным работникам, инженерам и студентам в огром ной литературе по механике мерзлых грунтов, что так важно для инжене- ров-геологов, ведущих полевые изыскания для строительства в области распространения вечномерзлых грунтов, и особенно для инженеров-строи- телей, использующих данные механики мерзлых грунтов в своей практике.
Знание закономерностей механики мерзлых грунтов необходимо и для оценки физико-геологических явлений и процессов, протекающих в промер зающих, мерзлых и оттаивающих горных породах; рассмотрение этих про цессов не входит в задачи настоящего труда, так как это одна из проблем общей геокриологии (мерзлотоведения), освещаемой в специальных трудах (см. например «гОбщее мерзлотоведение» Б. Н. Достовалова и В. А. Куд рявцева. Изд-во МГУ, 1967 и др.), которые в данной работе лишь учитыва ются, но подробно не излагаются.
Настоящая книга состоит из двух частей: I — общей — эксперименталь но-теоретической, излагающей закономерности механики мерзлых грунтов, используемые как при исследовании геокриологических процессов в масси вах горных пород,, так и при оценке мерзлых пород в качестве оснований и среды для различного рода инженерных сооружений, и II —- прикладной,
посвященной разработке научных основ устойчивого строительства различ ного рода сооружений (гражданских, промышленных, дорожных и гидро технических) на вечномерзлых грунтах.
Работа не претендует на исчерпывающий охват проблем механики мерзлых грунтов, а лишь подытоживает и обобщает результаты экспери ментального и аналитического их исследования за последние примерно со рок лет, что позволяет уже в настоящее время с успехом использовать достигнутые результаты в практике инженерных изысканий и строительства в условиях вечномерзлых грунтов.
Автор
В В Е Д Е Н И Е
Затруднения при возведении сооружений на вечномерзлых грунтах. В обширных районах Севера и Северо-Востока СССР на площади около 11 млн. кв. км и почти на такой же площади в дру гих странах (Северная Канада, Аляска) почво-грунты и вообще горные породы летом оттаивают на небольшую глубину (примерно на 1—3 м), а глубже (до 50—1000 м) находятся постоянно (века ми) в мерзлом состоянии.
В сооружениях, возводимых на вечномерзлых грунтах без при нятия особых, отличных от обычных условий, мер и методов, возни кают совершенно недопустимые деформации, затрудняющие эксплу атацию сооружений и приводящие к их полному разрушению.
Мерзлые и вечномерзлые грунты вследствие наличия в них льдо цементных связей при сохранении отрицательной температуры грун тов являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их темпера туры (даже в области отрицательных значений температур) проис ходят существенные изменения свойств грунтов, что обусловливает
нестабильность свойств мерзлых пород; при оттаивании же порового льда структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации, причем сильнольдистые веч номерзлые грунты при пылеватом и глинистом их составе превра щаются в разжиженные массы.
Для маловлажных (слабольдистых) мерзлых грунтов оттаива ние порового льда, разрушая льдо-цементные связи между частица ми, уменьшает устойчивость структуры, значительно увеличивает сжимаемость и водопроницаемость оттаявших грунтов и во много раз снижает их прочность. При оттаивании же льдистых и силь нольдистых (пересыщенных льдом) грунтов наблюдается лавинное разрушение их структуры, скачкообразное изменение пористости, при этом возникают быстро протекающие местные (в местах отта ивания) просадки, часто сопровождающиеся выдавливанием раз жиженных масс оттаявшего грунта в стороны от нагруженной по верхности (например, из-под фундаментов сооружений).
Просадки являются главнейшей причиной недопустимых дефор маций сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах без при нятия специальных мер против их оттаивания в основаниях соору жений.
Условия возведения сооружений в области распространения веч номерзлых грунтов, особенно на Крайнем Севере, представляются еще более сложными вследствие переувлажненное™, а в мерзлом состоянии .пересыщенности льдом верхних горизонтов почвогрунтов. На рис. 1 показана выемка, отрытая при проведении грунтовой до роги в районе Алдана, характеризующая переувлажненное™ верх
