1400

При определении сопротивления сжатию мерзлых грунтов авто­ ром было получено, что при замораживании образцов мерзлого песка в течение одних суток сопротивление сжатию при —5 С равно 48 кГ1см2\ при замораживании же в течение трех суток при той же температуре —59 кГ/см2 и, наконец, при замораживании в течение

пяти суток —64 кГ/см2.

Таким образом, и время замораживания, даже при постоянстве температуры, влияет на механические свойства мерзлых грунтов и

особенно в начале их промораживания.

Существенным образом на свойства мерзлых грунтов влияет и время действия нагрузки: чем быстрее прикладывается нагрузка, тем сопротивление их больше и наоборот. При медленном загружении с выдерживанием до полного затухания деформаций от дан­ ной ступени нагрузки сопротивление мерзлых грунтов значительно падает, что подробно будет рассмотрено ниже.

Отметим, что с увеличением внешнего давления жесткость мерз­ лых грунтов, как показывают соответствующие опыты, уменьшается, что существенно сказывается на величине модуля нормальной уп­

ругости мерзлых грунтов.

Из приведенных примеров с очевидностью вытекает, что мерзлые грунты следует рассматривать как материал чрезвычайно чувстви­ тельный к изменению внешних воздействий.

Чтобы установить физические причины изменения механических свойств мерзлых грунтов и закономерности, управляющие этими изменениями, необходимо было углубиться в изучение природы мерзлых грунтов и в первую очередь — изменения их лъдистости и содержания незамерзшей воды под влиянием температурных и дру­ гих внешних воздействий.

Некоторое количество воды в жидкой фазе (незамерзшей воды) в любом дисперсном мерзлом грунте всегда содержится даже при очень низких температурах (по крайней мере до —70°С). Всякое изменение количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, как показывают соответствующие опыты, вызывает вполне ощутимые, а иногда и значительные изменения механических свойств мерзлых грунтов. Даже в мерзлых песках, в которых содержится незначи­ тельное количество незамерзшей воды, изменение ее под влиянием понижения температуры сказывается на изменении прочностных свойств мерзлого песка.

Дело в том, что незамерзшая вода концентрируется в самых узких щелях, капиллярах и точках контакта минеральных зерен, и всякое изменение ее количества сильно сказывается на сцеплении между минеральными частицами.

Количество же незамерзшей воды, содержащееся в данном мерз­ лом грунте (а следовательно, и льдистость, и сцементированность

частиц льдом), не остается постоянным, а изменяется с изменением внешних воздействий.

Изменения отрицательной температуры и величины внешнего авления особо существенно влияют на количество содержащейся в мерзлом грунте воды в жидкой фазе, а следовательно, и на льдис-

тость мерзлого грунта. Кроме того, есть и другие, часто значитель­ но меньшие влияния, например, миграция пленочной воды в мерз­ лых грунтах, время промораживания немерзлых грунтов и т. п. Влияние миграции пленочной воды на изменения содержания неза­ мерзшей воды в мерзлом грунте следует учитывать лишь в случае, когда грунт подвергается весьма длительное время значительным температурным градиентам, так как пленочная миграция является процессом весьма медленным.

Температура мерзлого грунта. Как было показано в предыду­ щем параграфе, чем ниже температура, тем меньше будет содер­ жать грунт незамерзшей воды и тем большую будет иметь льдистость. Так, например, по ранее опубликованным нами опытам, подмосковный покровный суглинок (с влажностью около 30%) при температуре—1,6°С содержал 74% незамерзшей воды (и соот­

среднезернистый песок при температуре —0,5° С содержал всего 2% незамерзшей воды, а при температуре—10°Столько менее0,2% (по отношению к весу сухого грунта).

Не останавливаясь подробно на аналогичных данных, отметим лишь, что все наши опыты и опыты последующих многочисленных исследователей показывают, что содержание незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах изменяется в зависимости от величины отрицательной температуры мерзлых грунтов по определенной для каждого типа грунта криволинейной закономерности (см., напри­

тельной температуры количество льда в мерзлом грунте увеличи­ вается за счет присоединения к кристаллам льда молекул чистой воды, что увеличивает концентрацию солей в незамерзшей воде и еще более понижает температуру ее замерзания. При ’понижении температуры изменяются также и физические свойства незамерз­ шей воды, например увеличивается ее вязкость. Так, по данным

вязкость воды равна единице.

Все изложенное показывает, что при понижении отрицательной температуры изменяется как количество незамерзшей воды в мерз­ лом грунте, так и ее состав и свойства.

При всяком повышении отрицательной температуры, как пока­ зано автором *, в любых мерзлых грунтах лед частично тает, даже

вобласти отрицательных температур.

*Н. А. Ц ы т о в и ч . О незамерзающей воде в рыхлых горных породах. Изд-во АН СССР. Серия геологическая, № 3, 1947.

К таким же результатам приводят и данные Юнга * по иссле­ дованию гистерезиса содержания воды в глинистом грунте при его

(при общей влажности в 13,3%) до 89,48% (при общей влажности в 33,1%) от всей воды. При оттаивании же наблюдалось почти пол­ ное совпадение кривой изменения льдистости мерзлой глины с кри­ вой при замораживании, т. е. опыты показали, что поровый лед час­ тично оттаивает при повышении отрицательной температуры и в области отрицательных температур.

Вопрос о таянии льда в грунтах при отрицательных температу­

Данные табл. 3 и рис. 21 не только подтверждают ранее устано­ вленный факт таяния льда в мерзлых грунтах в области повыше­ ния отрицательных температур, но и показывают на разный харак­ тер изменения льдистости в процессе повышения отрицательной температуры до температуры полного оттаивания. Так в песке, где практически вся вода свободная, оттаивание в области отрицатель­ ных температур практически не наблюдается (рис. 21); в суглинке

оттаивание порового льда начинается примерно с —2° и заканчи­ вается при 0°С; в глине (остаток водной вытяжки которой состав­ лял 1,4%, что указывает на некоторое ее засоление) таяние льда начиналось лишь при—3°, а при—0,3° С глина оттаивала полностью.

Таким образом, льдистость мерзлых грунтов и содержание в них незамерзшей воды находятся в динамическом равновесии с дейст­ вующей отрицательной температурой.

Отметим также, что аналогичные данные о частичном оттаива­ нии порового льда при повышении температуры в области отрица­ тельных температур были получены и для грунтов естественной ненарушенной структуры. Как отмечалось ранее, температура нача­

тов.

Два совершенно одинаковых образца дисперсного глинистого грунта компрессионно уплотнялись до полного прекращения осад­ ки при данной нагрузке и затем вносились для замораживания в холодильную камеру, причем, один из образцов замораживался свободно (без нагрузки), а другой — под давлением той же величи­ ны, при котором он был уплотнен.

Результаты этих опытов (табл. 4) указывают, что внешнее дав­ ление существенно влияет на увеличение содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах, причем, это влияние будет тем больше, чем под большим давлением был заморожен грунт. При очень плот­ ных дисперсных глинистых грунтах, содержащих воду только в виде тонких пленок и незначительное количество свободной воды, влияние внешнего давления будет сказываться значительно меньше, так как слои пленочной (рыхлосвязанной и связанной) воды могут испытывать столь большие электромолекулярные притяжения со стороны поверхности минеральных частиц, что действие внешнего давления может оказаться недостаточным, чтобы их преодолеть.

Приведенные экспериментальные данные показывают, что даже при низкой температуре внешнее давление сказывается на содер­ жании незамерзшей воды (а следовательно, и льдистости) мерзлого грунта.

Установленная автором (в 1940 г.) зависимость содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах от величины действующего внешнего давления подтверждается и новейшими (1969 г.) опыта­ ми П. Хекстра *, согласно которым для нижних (слабых) лондон­ ских глин получены следующие изменения (AU?H) количества неза­ мерзшей воды (в долях от веса глины) при увеличении внешнего давления на 100 кГ/см2:

П. Хекстра подтверждает также высказанное нами положение

о том, что ползучесть мерзлых грунтов в большой степени связана

сналичием незамерзшей воды в мерзлых грунтах и ее перемеще­ ниями под влиянием градиента напряжений.

Таким образом, на основании всего вышеизложенного приходим к следующему положению, которое автор считает одним из основ­ ных принципов или начал механики мерзлых грунтов: ** количе­

ство, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изме­

нением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними.

Этот принцип, получивший название принципа равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, устанавливает динами­ ческое равновесие между количеством незамерзшей воды и льда в

мерзлых грунтах и величиной внешних воздействий: температурой, давлением и пр.

АН СССР «М ерзлотоведение», т. 1, 1946, № 1.

Принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грун­ тах объясняет и физическую сущность основных воздействий, обу­ словливающих изменения физико-механических свойств мерзлых грунтов.

Этот принцип, по мнению автора, является тем началом, кото­ рое с успехом может быть применено при исследовании мерзлых и вечномерзлых грунтов. Так, например, в механике мерзлых грун­ тов хорошо известны такие факты, как увеличение прочности мерз­ лых грунтов с понижением их отрицательной температуры, умень­ шение модуля нормальной упругости мерзлых грунтов с увеличе­ нием внешнего давления (что будет подробнее рассмотрено далее), зависимость пластических свойств мерзлых грунтов от величины отрицательной температуры и т. п. Все перечисленные явления (а также и многие другие) объясняются, в основном, принципом рав­ новесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, особенно, если изменения физико-механических свойств происходят в области ин­ тенсивных фазовых превращений или в переходной области.

Отметим, что принцип динамического равновесия воды и льда в мерзлых грунтах следует рассматривать лишь как закономер­ ность, отражающую главнейшие взаимодействия в фазовом составе мерзлых грунтов, как-то: с температурой, давлением и пр. В отдель­ ных же случаях необходимо учитывать влияние на фазовый состав воды и механические свойства мерзлых грунтов и других факторов, например миграцию пленочной влаги, изменение подвижности ато­ мов водорода в структурной решетке льда, вязкость поровой воды и содержание в ней растворенных солей и пр. Однако мы считаем, что эти воздействия не изменят основной зависимости, устанавли­ ваемой принципом равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.

§ 6. Физические свойства мерзлых грунтов

Как отмечалось ранее, мерзлые грунты являются четырехком­ понентной системой взаимно связанных между собой частиц (твер­

физических свойств однокомпонентных (например, массивных скальных пород) или квазиоднокомпонентных (например, сыпучих тел, если пренебречь соединяющимся с атмосферой воздухом) си­ стем достаточно одной характеристики— удельного веса, для двух­ компонентной (дегазированной грунтовой массы) двух показате­ лей— удельного веса и влажности, для трехкомпонентной трех характеристик — удельного веса, объемного веса и влажности, то для мерзлых и вечномерзлых грунтов, как для четырехкомпонент­ ной системы частиц, при оценке физических свойств и состояния опытным путем как минимум необходимо определить четыре ос­ новных показателя:

1) объемный вес мерзлого грунта естественной ненарушенной структуры у, Г/см3\

2) суммарную весовую влажность грунта Wc (в долях еди­

4) весовое содержание незамерзшей воды Wn (в долях едини­ цы), или заменяющую ее относительную льдистость мерзлого грунта i, равную отношению веса льда к весу всей воды, содержа­

щейся в мерзлом грунте.

Определение объемного веса мерзлого грунта у — этой важ­ нейшей характеристики природной уплотненности мерзлых грун­ тов, производится по монолитам мерзлого грунта, взятым специ­ альным грунтоносом, ил и с помощью гидростатического взвешива­ ния куска мерзлого грунта в охлажденном керосине, или, наконец, что мы считаем наилучшим способом — с помощью небольшого шурфа, вырубленного на данной глубине (например, на уровне заложения фундаментов), с тщательным собиранием всего выруб­ ленного грунта и с последующим взвешиванием его (например, в ящике или бочонке) и замером с помощью метра сторон выруб­ ленного параллелепипеда. Конечно, определение объемного веса мерзлых грунтов должно производиться при отрицательной темпе­ ратуре воздуха.

Тогда, для всех рассмотренных способов объемный вес мерзло­ го грунта

где grp — вес образца мерзлого грунта ненарушенной структуры; Кгр — объем того же образца грунта.

Определение суммарной влажности Wc лучше всего производить способом «бороздки»: в шурфе с помощью кайлы снимают борозд­ ку мерзлого грунта на всю толщу слоя грунта, суммарную влаж­ ность которого необходимо определить, и по ней определяют сум­ марную влажность Wc. Сплошные ледяные прослойки, выдержан­

ные в плане (не линзообразные) и имеющие толщину >0,5 см, за­ меряют отдельно.

Отметим, что СНиП П-Б.6—66 и «Пособие» к нему рекомендуют определять .влажность мерзлых и вечномерзных грунтов диффе­ ренцированно: влажность за счет включений льда Wn\ влажность прослоек мерзлого грунта, расположенных между слоями льда, Wr: влажность за счет цементирующего минёральные частицы порово-

нить указания по опытному определению влажности минеральных прослойков мерзлого грунта, расположенных между тонкими ледя­ ными включениями и линзами льда, т. е. WT.

Допускается, однако, СНиПом приравнивать значение WT для глинистых грунтов влажности на границе раскатывания, т. е.

Wr~ W v.

Что касается содержания незамерзшей воды в мерзлом грунте W„, то мы считаем, что эту величину необходимо при изысканиях всегда определять детально разработанным калориметрическим методом. Последнее определение, как указывалось ранее, можно выполнить в стационарных лабораториях по образцам грунтов нарушенной структуры при величине отрицательной температуры, соответствующей природной.

В СНиП П-Б.6—66 приведена таблица значений коэффициен­ тов, с помощью которых по величине отрицательной температуры мерзлого грунта — 0° С, его числу пластичности Wn и влажности

где коэффициент kn = f(W u, —0°), т. е. функция числа пластичности и температуры грунта.

Что касается удельного веса твердых частиц мерзлых грунтов ууд, то он определяется обычным методом с помощью пикнометра для образцов грунта нарушенной структуры.

Таким образом, для характеристики физических свойств мерз­ лых и вечномерзлых грунтов необходимо определить: для ненару­ шенной структуры — объемный вес мерзлого грунта у и его сум­ марную влажность Wс и по образцам нарушенной структуры — влажность за счет незамерзшей воды WUl соответствующую при­ родной температуре мерзлого грунта 0°С, и удельный вес его мине­ ральных частиц ууд.

Важнейшей характеристикой фазового состава мерзлых и веч­ номерзлых грунтов является их льдистость, соответствующая при­ родной температуре грунта.

Относительная весовая льдистость i (по отношению к весу

Существенной характеристикой мерзлых грунтов является их объемная льдистость, т. е. отношение объема льда, содержащегося в мерзлом грунте (за исключением значительных по мощности сплошных прослойков, которые замеряются отдельно), к объему мерзлого грунта.

Так как вес воды в единице объема грунта равен весовой влаж­ ности грунта, умноженной на объемный вес частиц скелета грунта, то для объемной льдистости легко получаем выражение

где ул — удельный вес льда.

Это очень простое выражение для объемной льдистости мерзлых грунтов мы рекомендуем для широкого применения на практике.

Следует отметить, что СНиП рекомендует определять как клас­ сификационный показатель для мерзлых грунтов так называемую

При определении суммарной влажности мерзлых грунтов часто оказывается более показательным и более удобным вычислять не весовую влажность Wc (на сухую навеску), а так называемую нами «общую влажность» №общ по отношению к весу всего (не высушен­ ного) грунта, что позволяет избежать трудно воспринимаемые ве­ личины влажности мерзлых грунтов, больших 100%. Так, напри­ мер, весовая влажность мерзлого грунта ЦРС= 200% будет соответ­ ствовать общей влажности в 66%, т. е. 66% от общего веса мерзло­ го грунта будет составлять вода и лед всех категорий.

Так как общая влажность №0бщ равна отношению веса воды к весу всего грунта, то принимая во внимание, что вес высушенного грунта (для 1 см3 грунта) будет равен весу его скелета уск, а по­ следний, как известно, равен уск=у/(1 + №с), то получим

Конечно, вес всех составляющих компонентов будет равен весу единицы объема мерзлого грунта, т. е.

ёТж+#л+.£■„—Т-

Рассмотренные четыре показателя основных физических свой­ ств мерзлых грунтов позволяют определить, кроме весовой и