1400

1362

Рис. 17. Изолинии глубин сезонного оттаивания песчаных грунтов

ных зданий и определяет для районов вне области вечномерзлых грунтов мощность так называемого деятельного слоя, т. е. слоя в котором деятельно протекает целый ряд физических и физико-ме­ ханических процессов, могущих существенно влиять на прочность и устойчивость фундаментов сооружений.

Для областей распространения вечномерзлых грунтов деятель­ ный слой будет определяться не глубиной максимального промер­ зания грунтов, а глубиной их максимального протаивания. Под последним понимается глубина полного оттаивания льда, содержа­ щегося в грунтах слоя ежегодного промерзания, подстилаемого толщей вечномерзлых грунтов.

Температура полного оттаивания мерзлых грунтов будет близка к 0°С, если грунты не засолены. Глубина протаивания грунтов, а следовательно, и мощность деятельного слоя для вечномерзлых грунтов определяется глубиной проникания положительной и нуле­ вой температуры в мерзлый грунт.

Глубина оттаивания может быть определена теплотехническим расчетом или приближенно по картам изолиний сезонного оттаива­ ния грунтов (рис. 17 и 18) *, где даны глубины оттаивания, близкие к максимальным, для песчаных грунтов при влажности (в долях единицы) tt^c = 0,05 и для глинистых — при Wc = 0,15. При большей влажности глубина протаивания будет меньше, что определяется по графикам рис. 17 и 18, умножая глубину оттаивания на Kw=f'(Wc).

Для районов вечномерзлых грунтов, как отмечалось ранее, глу­ бина максимального оттаивания и будет соответствовать мощности деятельного слоя, примерные величины которого будут следующие (см. рис. 17 и 18):

Из приведенных данных вытекает, что промерзание и протаивание грунтов (особенно дисперсных глинистых) представляют собой сложнейшие физические процессы фазового изменения воды в мерз­ лых грунтах, существенно влияющие на свойства замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов, что требует особого, более де­ тального их рассмотрения в последующем изложении.

§4. Характерные области фазовых превращений воды в лед

исодержание в мерзлых грунтах незамерзшей воды

При промерзании грунтов, особенно дисперсных (например, глинистых), при температуре замерзания грунта далеко не вся по-

* См. «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и соору­ жений на вечномерзлых грунтах». НИИОСП. Стройиздат, 1969.

ровая вода переходит в лед, а лишь часть ее. При дальнейшем же понижении отрицательной температуры фазовые превращения воды продолжаются, но все с меньшей интенсивностью, причем количест­ во замерзающей воды будет зависеть как от величины отрицатель­ ной температуры (основной фактор), так и от удельной поверхнос­ ти минеральных частиц, состава поглощенных катионов, давления

и пр.

Понижение температуры замерзания поровои воды происходит, как указывалось ранее, вследствие противоположного действия сил притяжения к зоне прочносвязанной воды и воды переменного фа­

ды менее 1 %, но более 0,1 %; 3) область практически замерзшего состояния, где фазовые пре­

вращения воды в лед на 1°С не превышает 0,1 %.

В области значительных фазовых превращений воды в замер­ зающих грунтах, т. е. в начальной области кривых зависимости со­ держания незамерзшей воды Wa от величины их отрицательной температуры —0° (рис. 19), замерзает вся свободная вода (в круп­ ных порах и капиллярах) и частично рыхлосвязанная вода; в области же переходной замерзает вода переменного фазового состава (т. е. рыхлосвязанная), область же практически замерзшего состояния

Н. А. Цыт о в и ч . Некоторые общие вопросы методики исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Сб. «Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов», № 2. Изд-во АН СССР, 1954.

соответствует содержанию в грунте только прочносвязанной воды, по величине близкому к максимальной гигроскопичности грунта. При температуре же —70° С и ниже, подавляющее большинство грунтов практически полностью замерзает (жидкая фаза воды пол­ ностью переходит в лед).

Опыты по калориметрическому определению содержания незамезшей воды в мерзлых грунтах также показали, что для каждого вида грунта имеется своя характерная кривая содержания неза­ мерзшей воды, т. е. кривая зависимости содержания незамерзшей воды U7Hот величины отрицательной температуры грунта —0° (см. рис. 19 и табл. 2), имеющая такое же значение для оценки физи­

Как видно из данных табл. 2 и кривых рис. 19, чем дисперснее (более глинистее) грунт, тем большее количество незамерзшей воды при данной отрицательной температуре он содержит. Последнее становится ясным, так как более дисперсные грунты имеют боль­ шую удельную поверхность минеральных частиц, а следовательно, обладают большей способностью связывать поровую воду.

По исследованиям в МГУ (Т. А. Литвиновой), содержание не­ замерзшей воды в очень дисперсных грунтах зависит не только от их пористости, но и от микропористости грунтов (внутренней по­ ристости их минеральных частиц).

Как показали детальные исследования 3. А. Нерсесовой содер­ жания незамерзшей воды в мерзлых грунтах с помощью чувстви­ тельного калориметра *, количество незамерзшей воды для данного

АН СССР, 1963.

степени, а ультрапористость наименьшая, количество незамерзшей воды при различных температурах будет значительно меньше, чем при насыщении аскангеля ионом натрия.

Как показывают приведенные данные, количество незамерзшей воды, даже в области практически замерзшего состояния отлича­ ется от того, насыщен ли поглощающий комплекс аскангеля натри­ ем или железом. Для малодисперсного каолина насыщение погло­ щающего комплекса ионами натрия или кальция практически не сказывается на содержании незамерзшей воды.

Влияние водорастворимых соединений в грунтах проявляется как понижением температуры их замерзания, так и уменьшением толщины водных оболочек коллоидных частиц грунтов и зависит от состава воднорастворимых соединений.

Сложность процессов фазовых превращений воды в грунтах обусловлена как сложностью состава и строения дисперсных грун­ тов, так и особенностями структуры пленочной воды и льда.

§5. О динамическом равновесии незамерзшей воды и льда

вмерзлых грунтах

Механические свойства мерзлых грунтов начали изучать еще в тридцатых годах XX в., но общей теории, которая объяснила бы, отчего происходят те или иные изменения механических свойств мерзлых грунтов и каково влияние внешних воздействий (темпера­ туры, давления и пр.) на них, до 1945 г. (когда был сформулирован принцип динамического равновесия воды и льда в мерзлых грун­ тах) * предложено не было. До этого времени считалось обычно, что сильные морозы «сковывают» сильнее мерзлую почву и лед, но в чем заключалось это сковывание, было неясно. Считали также, что заморозить что-либо означает — получить материал как бы за­ каменевший, не изменяющийся очень длительное время при обыч­ ных изменениях температуры, давления и пр.

Однако изучение свойств мерзлых грунтов показало, что они чрезвычайно чувствительны к изменениям отрицательных темпе­ ратур и резко скачкообразно меняются при оттаивании. Эти изме­ нения настолько велики, что с ними совершенно необходимо счи­ таться в практических целях.

Так, например, по нашим опытам, приращение временного сопро­ тивления сжатию на 1°С для мерзлой глины равнялось: 9,6 кГ/см2 в интервале от —0,3 до —1,0° С; 4,5 кГ/см2— от —1,0 до —5° С и 3,8 кГ/см2 — от —5 до —10° С. Точно такая же картина наблюдает­ ся и для супеси, где в зависимости от интервала температур вре­ менное сопротивление сжатию при изменении температуры на 1°С менялось от 16,0 до 4,8 кГ/см2.

* Н. А. Ц ы т о в и ч. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грун­ тах. Изд-во АН СССР. Серия географическая и геофизическая, № 5—6, т. IX, 1945.