1400

Это решение в случае возрастания нагрузки от начала загружения фундамента до момента 1 — по закону прямой (p=kt), а затем при

суммарного коэффициента относительной сжимаемости a h на ко. эффициенты вторичной сжимаемости Я(0~){.

В случае постоянной нагрузки (р = const) формулы (V.27) зна­ чительно упрощаются, и выражение для деформации затухающей ползучести принимает при гиперболическом ядре ползучести еледующий вид:

Эту формулу и можно рекомендовать для применения на прак. тике.

При экспоненциальном ядре ползучести будем иметь

Формулы (V.22) — (V.29) определяют большую часть осадки мерзлых грунтов цод нагрузкой, обусловленную ползучестью мерз­ лых грунтов; полная же осадка будет несколько больше, так как к полученным величинам необходимо добавить начальную осадку So за счет фильтрационно-миграционной деформации, которая по опытным данным, как отмечалось ранее, составляет около 10% и не более 30% от полной деформации.

Пример * 8. Определим протекание во времени деформаций ползучести осно­ вания фундамента с площадью подошвы 3X4,8 м2, возводимого на пластично­

мерзлых грунтах (0= —0,5°С).

Грунты основания от поверхности до глубины 5,6 м — пылеватая супесь (с объемным весом у=1»85 Т/м3, характеризуемая параметром гиперболического

Рис. 105. К примеру расчета нарастания во времени деформации за­ тухающей ползучести пластичномерзлого грунта при переменной нагрузке

давление на грунт на уровне подошвы фундамента равно /?=2,6 кГ/см2; скорость возрастания нагрузки &= 0,26 кГ/см2-мес в течение 10 месяцев.

Расчет произведен по формулам (V.26), причем глубина активной зоны сжа­ тия под фундаментом заданных размеров принята по СНиПу равной 660 см.

По результатам расчета построена кривая затухающей ползучести пластич­ номерзлого основания рассматриваемого фундамента (рис. 105, а). Расчет пока­

в течение б месяцев, то развитие осадки во времени будет носить несколько иной характер и к окончанию строительства составит только 78% от полной стабили­ зированной осадки.

На рис. 105, 6 показан график степени стабилизации осадки (a = s nt/s «>) от продолжительности строительного периода.

* Пример заимствован из статьи Ю. К. Зарецкого «О реологических свойст­ вах пластичномерзлых грунтов», 1972 г.

ОСАДКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ОТТАИВАНИИ

§ 1. Значение прогноза осадок мерзлых грунтов при оттаивании

Если осадки, возникающие при оттаивании вечномерзлых грун­ тов в основаниях сооружений, не предусмотрены проектом, и вели­ чина их превзойдет предельные значения для данного сооружения, то неизбежно появятся недопустимые деформации и разрушения фундаментов и надфундаментных строений.

Большинство неудач при возведении сооружений на вечномерз­ лых грунтах обусловливается именно тем, что при допущении от­ таивания мерзлых оснований не учитываются их осадки и весьма резкие изменения прочностных свойств грунтов оснований: мерзлые грунты, расчетное сопротивление которых при сохранении отрица­ тельной температуры имеет величину порядка 5—20 кГ/см2, при оттаивании (особенно сильнольдистые) часто превращаются в раз­ жиженные массы, не способные нести нагрузку от сооружения.

Если деформации мерзлых грунтов при оттаивании, обусловлен­ ные резким (лавинным) изменением их структурных льдоцемент­ ных связей, имеют местный провальный характер (например, при действии локальных источников тепла — горячих печей, паровых котлов и пр.) и протекают быстро, сопровождаясь в большинстве случаев выдавливанием оттаявших грунтов, то они называются

просадками.

Если же при оттаивании вечномерзлых грунтов в основаниях сооружений имеют место общие деформации уплотнения (которые могут быть различны под разными фундаментами), то такие де­ формации называются осадками.

Величины и протекание во времени осадок мерзлых грунтов за­ висят не только от свойств мерзлого грунта (его структуры, нали­ чия ледяных включений и пр.) и действующей нагрузки, но и от температурного режима грунтов в процессе оттаивания. Кроме то­ го, осадки мерзлых грунтов при оттаивании будут происходить также и от действия собственного веса оттаявших грунтов, так как вследствие взрыхленности грунтов при промерзании и наличия у них кристаллизационных связей льда (льдоцементных) в естествен­ ных условиях они являются недоуплотненными.

Ниже будут рассмотрены осадки вечномерзлых грунтов при от­ таивании их с одновременным уплотнением нагрузкой от фунда­ ментов сооружений.

Согласно строительным нормам и правилам Госстроя СССР

(СНиП П-Б.6—66, п. 3.25), рекомендуется использование грунтов оснований в оттаивающем и оттаявшем состоянии «при наличии (в пределах расчетной глубины оттаивания) вечномерзлых грунтов, осадка которых при оттаивании не превышает предельных значений

(подчеркнуто нами. — Н. Ц.), если сохранение мерзлого -состояния грунтов основания по технологическим или конструктивным осо­

Отмеченные работы по исследованию осадок мерзлых грунтов при оттаивании (за период 1937—1942 гг.) получили дальнейшее развитие как в работах автора настоящей книги, так и ряда дру­ гих исследователей (В. П. Ушкалова, М. Ф. Киселева и др.). Цен­ ный вклад в теорию и практику прогноза осадок фундаментов на оттаивающих и оттаявших грунтах внесли работы последнего деся­ тилетия группы научных сотрудников НИИоснований, работавших под руководством автора (Ю. К. Зарецкий, М. В. Малышев, а в экспериментальной части — В. Г. Григорьева, В. Д. Пономарев и др.), которыми на основании более чем пятилетних подробных экспериментальных исследований (лабораторных и полевых) и аналитических расчетов составлены «Указания по расчету осадок оттаивающих и оттаявших грунтов во времени» (1967—1970 гг.), нашедшие применение на практике.

§2. Изменение сжимаемости грунтов при промерзании

ипоследующем оттаивании

Изучению влияния цикла промерзания и оттаивания на свойст­ ва грунтов был посвящен ряд работ М. Н. Гольдштейна, X. Ф. Винтеркорна, А. М. Пчелинцева, Н. К. Захарова, Е. П. Шушериной, наших совместно с В. Г Григорьевой, В. Д. Пономаревым и др.

Здесь мы остановимся лишь на • результатах исследований деформативных свойств, главным образом сжимаемости грунтов, под­ вергнутых замораживанию и последующему оттаиванию, как име­ ющих наибольшее практическое значение при прогнозе осадок мерзлых грунтов при оттаивании.

Как было показано ранее (гл. I и II), при промерзании влаж­ ных грунтов происходят весьма существенные изменения их тек­ стуры и структуры и формирование новой сложнейшей криогенной текстуры, что связано с миграцией воды и дисперсных минераль­ ных частиц в процессе промерзания грунта и последующего замер­ зания воды с увеличением ее объема, дифференциацией грунта по отдельностям, образующимися включениями льда, с обжатием ми­ неральных агрегатов и отдельных слоев грунта кристаллами льда и пр. и пр. Особенно сложное строение мерзлых грунтов имеет ме­ сто при промерзании их с подтоком воды извне с избыточным льдовыделением в виде ледяных линз, прослойков и пр., когда форми­ руется слоистая текстура мерзлых грунтов, а также при неодносто­ роннем промерзании водонасыщенных грунтов, когда формируется сетчатая (ячеистая) текстура с многочисленными тонкими прослой­ ками и ячейками льда, расположенными в различных направлени­ ях. При быстром промораживании влажные грунты приобретают в мерзлом состоянии массивную текстуру с более или менее равно­ мерным распределением порового льда по объему мерзлого грунта. Следует также отметить, что промерзание разжиженных глинистых грунтов сопровождается рядом физико-химических процессов, как то: свертыванием грунтовых коллоидов, агрегатированием глинис­ тых частиц и пр., причем плотность грунтовых агрегатов может

быть весьма значительной, достигая плотности ('консистенции) глин на границе пластичности W$.

Строение мерзлых грунтов (их текстура и структура) сущест­ венно сказывается на свойствах оттаивающих грунтов (их сопро­ тивлении сдвигу, что будет рассмотрено во второй части книги при оценке несущей способности оттаивающих грунтов, и особенно на величине показателей их деформируемости) .

Как отмечалось ранее (гл. I), лед в порах грунтов начинает таять при любом повышении температуры грунта, причем сцепле­ ние между минеральными частицами, обусловленное льдоцемент­ ными связями, уменьшается при приближении температуры грун­ та к нулю и наконец резко скачкообразно падает до совершенно незначительных величин при полном оттаивании грунта.

При оттаивании мерзлых грунтов в них возникает два противо­ положных процесса*: уплотнение, т. е. уменьшение пористости при отжатии талой воды, и набухание агрегатов, которое может обу­ словить при незначительной нагрузке на грунт увеличение его по­ ристости после оттаивания. Результирующим эффектом может быть как увеличение пористости грунтов после промерзания-оттаивания (что наблюдается особенно часто у дисперсных грунтов слоистой структуры), так (в отдельных случаях) и уменьшение ее.

Если после промерзания и последующего оттаивания пористость грунта увеличивается по сравнению с первоначальным ее значени­ ем (до промерзания), то коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта (равный отношению» изменения коэффициента пористости грунта к производимому давлению) значительно увеличивается по сравнению с коэффициентом сжимаемости того же грунта, но не подвергавшегося замораживанию; при уменьшении пористости грунта (в особых условиях отжатия воды из переувлажненного грунта при его промерзании) наблюдается уменьшение коэффици­ ента сжимаемости (табл. 34). Однако наиболее характерным явле­ нием, почти всегда имеющим место в натуре, будет значительное увеличение коэффициента сжимаемости оттаявшего грунта (до не­ скольких раз), особенно при первых ступенях нагрузки на грунт;

ными.

По нашим специальным опытам**, поставленным по исследова­ нию изменений сжимаемости грунтов при промерзании и последую­ щем оттаивании, во всех случаях наблюдалось увеличение коэффи­ циента пористости грунтов при их замерзании и значительное увеличение их сжимаемости при оттаивании по сравнению с сжима­ емостью тех же грунтов при той же величине уплотняющей нагруз-

* Е. П. Ш у ш е р и н а. Исследование изменений физико-механических свойств грунтов в результате их промерзания и последующего оттаивания. Авто­ реферат кандидатской диссертации под руководством Н. А. Цытовича, Моск­

ва, 1955.

** См. сноску * на стр. 42.

Влияние цикла промерзания — оттаивания на сж и м аем ость покровного суглинка (по опы там Е. П. Ш уш ериной)

ки, но не подвергавшихся замораживанию (табл. 35), что объяс­ няется резким изменением строения (текстуры) мерзлых грунтов при оттаивании.

Наибольшее увеличение пористости мерзлых грунтов, а следо­ вательно, и наибольшая их сжимаемость при оттаивании имеет ме­ сто у грунтов, промерзающих в условиях открытой системы с под­ током воды, когда формируется слоистая и сетчатая текстура со значительным количеством ледяных включений. Эти виды мерзлых грунтов при оттаивании всегда дают значительные осадки, а при

соответствующих влажности и давлении — просадки, тогда как пе­ реуплотненные грунты массивной текстуры или отдельные мине­ ральные прослойки между сжатыми ледяными прослойками (на­ пример, в прошлом находящиеся под давлением глетчеров и за­ мерзшие в уплотненном состоянии — под давлением) могут набу­ хать, т. е. увеличиваться в объеме, а не уплотняться, особенно при первых ступенях нагрузки. При некотором же давлении (большем «давления набухания») при оттаивании они также будут уплот­ няться и давать осадки.

При оттаивании резко меняется текстура грунтов, что сказыва­ ется не только на их сжимаемости, но, в первую очередь, и на водопроницаемости. Так, по опытам Е. П. Шушериной, для покров­ ного суглинка при первых ступенях нагрузки после промерзания — оттаивания скорость уплотнения (зависящая от фильтрационной способности грунтов и их сжимаемости) возрастает от 7 до 10 раз. По натурным наблюдениям Воркутской научно-исследовательской станции НИИОСП коэффициент фильтрации оттаявших грунтов во много раз больше коэффициента фильтрации грунтов немерз­ лых того же состава.

Результаты лабораторных и полевых исследований консолида­ ции оттаивающих грунтов, произведенные за последнее десятиле­ тие (1960—1970 гг.) автором с сотрудниками*, показали, что весь­ ма существенным показателем для оценки процесса протекания осадок оттаивающих грунтов во времени является их льдонасыщенность: будут ли грунты сильнольдистыми (tO6 ^0 ,5 ), а при от­ таивании текучеили текуче-пластичными, или слабольдистыми (iO6^0,25), а при оттаивании полутвердыми или твердыми, процесс консолидации их будет происходить совершенно по-разному. Если для грунтов сильнольдистых будет применима теория фильтраци­ онной консолидации (в специальной разработке, учитывающей осо­ бенности оттаивающих грунтов), то для слабольдистых преимуще­ ственное применение будут иметь теории ползучести.

Кроме того, при промерзании глинистых грунтов текучей и те­ куче-пластичной консистенции формируется сетчатая и слоистая текстуры мерзлых грунтов, что обусловливает их особые свойства при оттаивании, главнейшими из которых (на основании произве­ денных испытаний) можно считать следующие:

а) изменение коэффициента пористости этого вида мерзлых грунтов при уплотнении под нагрузкой намного больше, чем грун­ тов немерзлых;

б) водопроницаемость оттаивающих сильнольдистых грунтов в десятки и сотни раз больше водопроницаемости тех же грунтов после оттаивания, но уменьшается с течением времени, завися от компрессионного изменения коэффициента пористости грунта;

* 1. Н. А. Ц ы т о в и ч , В. Г. Г р и г о р ь е в а , Ю. К. З а р е ц к и й . Ис­ следование консолидации оттаивающих льдонасыщенных грунтов. Сб. НИИоснований, № 56. Госстройиздат, 1966; 2. В. Д. П о н о м а р е в . Экспериментальные исследования особенностей деформирования оттаивающих глинистых грунтов. Кандидатская диссертация под рук. Н. А. Цытовича. ПНИИИС, Москва, 1967.

г) грунты плотные (полутвердой и твердой консистенции) при оттаивании обладают определенной структурной прочностью, а ко­ эффициент порового давления на границе оттаивания всегда намного меньше единицы.

В дальнейшем будут более подробно рассмотрены осадки мерз­ лых грунтов при оттаивании, их величина и протекание во времени на основе результатов непосредственных опытов по исследованию компрессии мерзлых грунтов при оттаивании и их осадок в усло­ виях невозможности бокового расширения при действии местной нагрузки. Анализируя результаты непосредственных опытов по ис­ следованию осадок мерзлых грунтов при оттаивании, необходимо иметь в виду качественные изменения грунтов при промерзании и оттаивании, описанные в настоящем параграфе, и основные физи­ ческие предпосылки, как вытекающие из изложенных материалов, так и устанавливаемые на основе специальных опытов, описанных ниже.

§ 3. О компрессии мерзлых грунтов при оттаивании

Методика испытания мерзлых грунтов при их оттаивании на компрессию (уплотнение под равномерной нагрузкой без возмож­

Это, к сожалению, не учитывают некоторые специалисты, испыты­ вающие мерзлые грунты на осадку при оттаивании в металлических кольцах, что конечно, создает условия, не соответствующие постав­ ленной одномерной задаче, и приводит к результатам, зависящим от неравномерности оттаивания с боков и сверху образца, т. е. к пространственному случаю оттаивания, трудно поддающемуся ана­ лизу.

Первые опыты автора (1933 г.), как отмечалось ранее, ставили своей целью определить лишь полную стабилизированную осадку оттаивающих грунтов в условиях невозможности бокового их рас­ ширения. Естественно, что величина ее в случае компрессионного сжатия мерзлых грунтов при оттаивании с одновременным уплот­ нением при соблюдении вышеописанных граничных условий точно соответствовала известной из общей механики грунтов зависимо­ сти для одномерной задачи:

тости при равномерном давлении на грунт интенсивностью р кГ/см2. При полном оттаивании испытываемого слоя грунта величины h и ео будут постоянными; остается переменной, от которой зависит

полная стабилизированная осадка оттаивающего грунта, величи­ на (Ле)р, являющаяся функцией не только свойств грунта, но и внешнего уплотняющего давления р.

В дальнейших опытах по изучению изменений коэффициента пористости (Де)р при оттаивании мерзлых грунтов без нагрузки и при различной ее величине и было уделено особое внимание.

Опыты по детальному испытанию оттаивающих грунтов на ком­

ним и изменение коэффициента пористости грунтов) как в мерзлом состоянии, так главным образом, в процессе оттаивания и далее — при последующем нагружении оттаявшего грунта.

Кроме того, впервые были поставлены специальные исследова­ ния процесса нарастания осадок оттаивающих грунтов (песчаных и глинистых) во времени до достижения грунтами стабилизирован­ ного состояния, что будет рассмотрено несколько «иже.

В подтверждение сказанному о важности исследований измене­ ний коэффициента пористости Ае грунтов при компрессии на рис. 107 показаны полученные в наших опытах компрессионные кривые при положительной температуре грунтов (немерзлых) и при оттаивании тех же грунтов, но мерзлых при одной и той же уплот­ няющей нагрузке (на оттаивающие и немерзлые грунты) интен­ сивностью в 1 кГ/см2.

Из сопоставления компрессионных кривых для немерзлых грунтов с мерзлыми при оттаивании с очевидностью вытекает, что

наибольшие изменения коэффициента пористости имеют место в

процессе оттаивания, и величиной, определяющей осадки оттаива­ ющих грунтов, будет изменение коэффициента пористости Ае в процессе оттаивания.

Полные исследования компрессии оттаивающих грунтов прово­ дились как автором с сотрудниками на целом ряде характерных мерзлых и вечномерзлых (с ненарушенным строением) грунтов,