1400

лишь те слои ее, силы взаимодействия которых с поверхностью ми­ неральных частиц при данной отрицательной температуре меньше сил кристаллизации льда.

Если при охлаждении грунта в его порах не образуется лед, то нет оснований такой грунт называть мерзлым. Поэтому мерзлыми грунтами, мерзлыми горными породами и мерзлыми почвами мы будем называть грунты и другие горные породы, почвы и дисперс­ ные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температу­ ру, в которых хотя бы часть воды замерзла, т. е. превратилась в лед, цементируя минеральные частицы. Породы, имеющие отрица­ тельную или нулевую температуру, в порах которых лед не кристал­ лизовался, будем называть охлажденными (или морозными) и пе­ реохлажденными, если в них содержится прочносвязанная или минерализованная вода, не замерзающая при данной отрицатель­ ной температуре. Все остальные горные породы (грунты, почвы ипр.), имеющие положительную температуру, будем называть не­ мерзлыми, а если они ранее находились хотя бы некоторое время в мерзлом состоянии и затем оттаяли — талыми породами.

Таким образом, все грунты («рыхлые горные породы») и другие горные породы (например, трещиновато-скальные) в зависимости от фазового состава их поровой воды будем разделять на три клас­ са: 1) мерзлые породы; 2) охлажденные породы; 3) немерзлые породы.

В дальнейшем, мы все свое внимание уделим исследованию ме­ ханических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов и механичес­ ких процессов, в них протекающих, т. е. изложению проблем меха­ ники мерзлых грунтов.

Будем придерживаться следующего наименования мерзлых грун­ тов (а также — мерзлых трещиноватых скальных пород и почв) в зависимости от времени их существования:

Если время существования мерзлого состояния горных пород (грунтов и пр.) в наименовании не отражено, будем называть их просто мерзлыми (природно-мерзлыми или искусственно заморо­ женными) .

Таким образом, вечномерзлыми грунтами и вообще вечномерз­ лыми горными породами мы, следуя широко укоренившемуся на­ родному представлению о «вечной мерзлоте», будем называть грун­ ты и другие горные породы, весьма длительное время существую­ щие в мерзлом состоянии, т. е. существующие века (столетия).

Многолетнемерзлыми породами мы будем называть породы, су­ ществующие много лет — по крайней мере, возникающие в течение жизни одного поколения людей. Наконец, сезонномерзлыми будем называть грунты, почвы и пр., промерзшие за один сезон (зиму) и сохраняющие мерзлое состояние от 1 до 2 лет. В последнем случае двухсезонные мерзлые грунты и другие горные породы часто назы­ вают перелетками.

Вечномерзлое состояние горных пород (грунтов и пр.) мы рас­ сматриваем как явление геологическое (так, толщи вечномерзлых пород северо-востока Сибири имеют возраст от 10—12 тыс. до 280 тыс. лет), многолетнемерзлое состояние — как явление современное, а сезонномерзлое, как явление регулярное, из года в год повторяю­ щееся, и наконец — кратковременномерзлое состояние, как явление нерегулярного сезонного промерзания, длящегося незначительное время.

При общем описании мерзлых и вечномерзлых грунтов еще раз подчеркнем, что самое существенное значение при оценке их меха­ нических свойств будет иметь сцементированность (спаянность) ми­ неральных частиц льдом, в значительной степени оцениваемая льдистостью мерзлых грунтов и количественным содержанием в мерзлых грунтах незамерзающей при данной отрицательной темпе­ ратуре поровой воды.

При использовании мерзлых и вечномерзлых грунтов в качестве оснований или среды для различного рода сооружений с самого на­ чала важно установить, к какой категории их следует относить по льдистости и физическому состоянию.

Категории мерзлых грунтов

По л ь д и с т о с т и :

сильнольдистые (содержание льда более 50%); слабольдистые (содержание льда менее 25%); льдистые (содержание льда от 25 до 50%).

По ф и з и ч е с к о м у с ос т о я нию:

твердомерзлые (низкотемпературные), прочно спаянные льдом, практически несжимаемые.

Пластичномерзлые (высокотемпературные) с большим содержа­ нием незамерзшей воды, относительно мало сжимаемые в мерзлом состоянии.

Кроме указанных категорий мерзлых грунтов, выделяется (по СНиП Н-Б. 6—66) еще категория сыпучемерзлых грунтов — не сце­ ментированных льдом песчаных и крупнообломочных грунтов, хотя и имеющих отрицательную температуру, но очень мало содержащих в своих порах воды. Эти грунты не обладают специфическими свой­ ствами мерзлых грунтов, так как практически не изменяют своих механических свойств при изменении отрицательной температуры на положительную. Автор считает более правильным относить эги грунты не к категории мерзлых, а к категории охлажденных (мо­ розных) сыпучих грунтов.

Охарактеризуем кратко свойства отдельных категорий грунтов. Сильнольдистые грунты, к которым мы относим мерзлые и веч­ номерзлые грунты с объемной льдистостью (равной отношению объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, ко всему объему грунта), большей 50% при соответствующем гранулометрическом составе (глинистом, суглинистом или мелкопылеватом), приобрета­ ют при оттаивании текучее, текуче-пластичное или пластичное состо­ яние, что часто обусловливает их просадочность. Для этих грунтов характерна весьма малая несущая способность в оттаявшем состоя­ нии и большая сжимаемость (обычно коэффициент относительной

сжимаемости а0^ 0,05 см2/кГ).

Слабольдистые грунты (при величине объемной льдистости ме­ нее 25%) имеют незначительное количество избыточного льда, а при глинистом, суглинистом и пылеватом составах в оттаявшем состоя­ нии приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консис­ тенцию и относительно малую сжимаемость (коэффициент относи­ тельной сжимаемости имеет величину порядка ао^0,01 см2/кГ).

Льдистые грунты (при объемной льдистости от 25 до 50%) име­ ют промежуточные свойства вышеописанных двух категорий грун­ тов.

Твердомерзлые грунты прочно сцементированы (спаяны) поровым льдом, имеют температуру достаточно низкую, при которой большая часть содержащейся в них воды замерзла. Приближенные температурные границы твердомерзлого состояния даны в СНиПе: для пылеватых песков —0,3° С, для супесей —0,6°, для суглинков —1,0° и для глин —1,5° С, а более точные будут установлены в пос­ ледующем изложении. Последняя граница (—1,5° С) справедлива (по нашим данным) лишь для не очень дисперсных .глинистых грун­ тов (преимущественно каолинитового минер алогического состава мелких частиц); для очень же дисперсных глин (особенно монтмориллонитового минералогического состава) приведенную границу следует понизить до —5 и даже до —7° С.

Грунты в твердомерзлом состоянии характеризуются хрупким разрушением и практически несжимаемы при нагрузках, меньших

них воды (часто более половины от всей поровой воды) обладают вязкими свойствами и характеризуются относительно большой сжи­ маемостью в мерзлом состоянии. К пластичномерзлым грунтам при­ надлежат все высокотемпературные мерзлые глинистые и суглинис­ тые грунты при величине отрицательной температуры их более вы­ сокой, чем величины, характеризующие твердомерзлое состояние грунтов. К этому виду грунтов можно относить сильносжи'маемые (ао>0,01 см2/кГ) мерзлые грунты, полностью насыщенные льдом и водой, а также высокотемпературные менее сжимаемые (а0~ 0,01-^-0,001 см2/кГ) мерзлые грунты, имеющие степень водонасыщенности (включая все виды воды), меньшую 0,8. Эта категория

грунтов может давать осадки оснований фундаментов значитель­ ной величины, даже в случае сохранения их мерзлого состояния.

Как указывалось ранее, наибольшие затруднениня при возведе­ нии различного рода сооружений на территории Севера' и СевероВостока представляют толщи вечномерзлых грунтов, особенно силь­ нольдистые в состоянии пластичномерзлом и высокотемпературном.

Вечномерзлые грунты занимают по площади около 49% террито­ рии СССР (более 10,5 млн. кв. км) и имеют мощность от несколь­ ких метров до 1,5 км (в долине р. Вилюя), залегая на глубине от 0,5—1 м — на севере, до 3,0—4,5 м — на юге области вечномерзлых

ные расчетные отрицательные температуры на глубине, приблизи­ тельно соответствующей нулевым температурным амплитудам (с точностью ±0,1°С).

Схематический температурный разрез толщи вечномерзлых грунтов показан на рис. 12. Как видно из кривой изменения темпе­ ратуры грунтов по глубине, до глубины h, соответствующей сезон­ ному протаиванию, температура грунта не остается постоянной, а в зависимости от времени года меняется от положительной до от­ рицательной, причем амплитуда температур слоя сезонного промер­ зания будет тем больше, чем континентальней район области вечно­ мерзлых грунтов. Ниже верхней границы вечномерзлой толщи (глубины, которой достигает максимальное летнее протаивание грунтов) температура горных пород всегда ниже или равна нулю, а изменения ее с глубиной, не выходя из области отрицательных

температур, распространяются до 10 ж и несколько более (с точ­ ностью ±0,1° С).

Наконец, начиная с некоторой глубины наблюдается постепен­ ное повышение температуры мерзлой толщи до 0°С, и далее темпе­ ратурная кривая переходит в область положительных температур. Следует заметить, что в нижней зоне температурной кривой некото­ рый слой грунтов вследствие значительных в нем давлений от веса вышележащей толщи, хотя и имеет отрицательную температуру (не очень низкую), но не будет мерзлым, т. е. не будет содержать в сво­ их порах льда вследствие понижения температуры замерзания во­ ды с повышением давления. Этот слой грунтов будет содержать только переохлаженную и незамерзающую при данной температуре воду.

Расстояние от верхней до нижней границы Н вечномерзлой тол­ щи и определяет ее мощность.

Глубина летнего оттаивания (величина h на рис. 12) для облас­ ти вечномерзлых грунтов и соответствующая ей глубина зимнего промерзания h' для областей вне распространения вечномерзлых грунтов являются очень важными величинами, характеризующими зону сезонных изменений температуры грунтов от положительной к отрицательной и наоборот, т. е. зону, подвергающуюся периодичес­ ким промерзаниям и протаиваниям, что обусловливает возникнове­ ние и протекание в ней’ (иногда с огромной интенсивностью) целого ряда сложных физических и физико-механических процессов и яв­ лений (что будет подробно рассмотрено в следующих главах) и оп­ ределяет, в частности, выбор глубины заложения фундаментов со­ оружений и некоторые их конструктивные особенности. В инженер­ ной практике слой ежегодного зимнего промерзания и летнего оттаивания носит название деятельного слоя грунтовой толщи.

Становление и развитие механики мерзлых грунтов в СССР.

Исследование механических процессов, возникающих в деятельном слое при его промерзании и оттаивании и в толще вечномерзлых грунтов под влиянием внешних воздействий, особенно в верхних ее слоях, изучение прочности, устойчивости и деформируемости замер­ зающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и напряженно-деформи­ рованного взаимодействия сооружений с вечномерзлыми грунтами— все это входит в задачи механики мерзлых грунтов. Механика мерз­ лых грунтов вызвана потребностями практики освоения Севера и Северо-Востока СССР при развертывании дорожного, гражданско­ го, промышленного, гидротехнического и других видов строитель­ ства в районах вечномерзлых грунтов.

Границы периодов становления и развития механики мерзлых грунтов в СССР приняты несколько условными, но намечены нами на основе важных (по нашему мнению) граничных данных: уста­ новления фундаментальных закономерностей или выхода в свет на­ учных трудов, освещающих те или иные вопросы механики мерзлых грунтов, обобщающие предыдущие исследования и подытоживаю­ щие достигнутые результаты, важные для решения ряда практичес­ ких задач. При рассмотрении отдельных периодов мы будем обра­

В этот же период, на основании анализа весьма многочисленных испытаний механических свойств мерзлых грунтов, исследования природы их прочности и специально поставленных опытов, было впервые установлено (Н. А. Цытович, 1940 г.) .весьма важное поло­ жение о том, что в любом мерзлом грунте, при любой его отрица­ тельной температуре всегда содержится некоторое (иногда значи­ тельное, а иногда весьма небольшое) количество незамерзшей во­ ды, находящейся при неизменных внешних условиях в этом состоянии сколь угодно длительное время.

В1945—1947 гг. автором была предложена теория динамичес­ кого равновесия незамерзшей воды и льда в мерзлых и вечномерз­ лых грунтах, объясняющая и, в основном, позволяющая оценить из­ менения механических свойств мерзлых грунтов под влиянием внешних воздействий; эта теория является одной из фундаменталь­ ных физических положений современной механики мерзлых грун­ тов.

Вконце этого периода на базе результатов многолетних натур­ ных наблюдений и многочисленных публикаций в технических жур­ налах был опубликован ряд монографий, обобщающих предыду­ щий опыт строительства по возведению различного рода сооруже­ ний в условиях вечномерзлых грунтов (Н. И. Быкова и П. И. Кап-

терева, 1940 г., А. В. Ливеровского, 1941 г., Н. А. Цытовича, 1941 г. и др.).

Четвертый период (1947—1959 гг.) — период подытоживания ре­ зультатов с пересмотром позиций на .новой физической основе (тео­ рии равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, струк­

миграция воды не только в замерзающих почво-грунтах, но и в мерзлых грунтах (под влиянием температурного градиента), что и подтвердило ранее предложенную теорию равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.

В 1952 г. в монографии Н. А. Цытовича (Изд-во АН СССР) были сформулированы основные принципы механики мерзлых грунтов и, в частности, обращено .внимание на важность исследования теку­ чести мерзлых грунтов под нагрузкой.

Текучести мерзлых грунтов, их реологическим свойствам и несу­ щей способности была посвящена (1957 г.) докторская диссертация

зволил по-новому подойти к исследованию механических процессов в замерзающих грунтах и, в частности, к образованию в мерзлых грунтах подземных льдов, что имело существенное практическое значение.

В конце этого периода коллективом научных сотрудников Ин-

статута мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР было уде­ лено много внимания составлению сводного труда «Основы геокрио­ логии (мерзлотоведения)»: т. I — «Общая геокриология» и т. II — «Инженерная геокриология» (Изд-во АН СССР, 1959 г.), посвя­ щенного прикладным вопросам геокриологии (мерзлотоведения) — прогнозам тепловых взаимодействий сооружений и вечномерзлых грунтов; водно-тепловой мелиорации вечномерзлых грунтов, вопро­ сам механики грунтов, основаниям и фундаментам, устройству подземных коммуникаций, земляного полотна, горным работам

ипр.

Вэтот же период опубликованы работы, обобщающие опыт в

фундаментостроении (монография Н. А. Цытовича «Основания и фундаменты на мерзлых грунтах», Изд-во АН СССР, 1958 г., ряд сборников трудов и др.).

Пятый период (1959—1970 гг.)— период использования и вне­ дрения ранее накопленных материалов, главным образом трудов сотрудников Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН

СССР (до его перебазирования в 1961 г.), и постановки новых ре­ гиональных исследований (в Якутске, Норильске, Игарке, Красно­ ярске, Магадане).

В этот период были развернуты исследования по реологии мерз­ лых грунтов, опубликованные в сборниках «Прочность и ползучесть

мерзлых грунтов» Центрального (1962 г.) и Сибирского институтов мерзлотоведения (1963 г.).

Кроме того, тогда же был составлен ряд справочных пособий по строительству (Ю. Я. Велле, В. В. Докучаева и Н. Ф. Федорова),

по линии развития новых исследований на базе новейших достиже­ ний общей механики сплошных и многофазных тел и смежных дисциплин с использованием современной тонкой техники физического эксперимента в направлении углубленного изучения физической природы механических процессов и протекания их во времени (уп­ лотнения, ползучести, течения, выпирания, нарушения прочности и устойчивости и пр.) в замерзающих, мерзлых и оттаивающих грун­

тах под влиянием внешних факторов и взаимодействия с сооруже­ ниями.

Основные начала. Механика мерзлых грунтов, являясь теорети­ ческой основой инженерного мерзлотоведения (инженерной гео­ криологии), подводит физическую базу к познанию явлений и про­ цессов, происходящих в замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах, что имеет существенное практическое значение.

Основными началами механики мерзлых грунтов, подробно