Мёрзлые грунты и их классификация.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

Основная особенность мерзлых грунтов — их высокая несущая способность, которую они резко теряют при оттаивании. Оттаивание верхнего слоя вечной мерзлоты может стать причиной деформации сооружения и даже его разрушения.

В районах вечной мерзлоты опасное качество приобретают пучинистые грунты, которые смерзаются с фундаментами и могут подвергать их выпучиванию. В условиях вечной мерзлоты особое значение приобретает правильный выбор участка под строительство. Наиболее пригодны площадки с сухими непучинистыми грунтами, не подверженные образованию провалов и наледей.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяются на: твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

К твердомерзлым относят грунты, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузкой. Под действием нагрузок от сооружений такие фунты практически не сжимаются (модуль деформации Е > 100 МПа), так как сцементированы льдом.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты с суммарной влажностью ωtot > 0,03, а также песчаные и глинистые, если их температура ниже значений, приведенных в табл.1, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Таблица 1. Температура перехода грунта из пластичного в твердомерзлое состояние.

Наименование грунта	Температура, T°С
Крупнообломочный	0
Песок: крупный и средней крупности мелкий и нылеватый	0,1 0,3
Супесь	0,6
Суглинок	1,0
Глина	1,5

Пластичномерзлыми являются грунты, сцементированные льдом, но имеющие вязкие свойства и характеризуемые сжимаемостью под нагрузкой. К ним относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты с температурой, вышеуказанной в табл. 5.8. Они характеризуются достаточной сжимаемостью (Е < 100 МПа) и вязкими свойствами.

Сыпучемерзлые — это крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов ωtot≤ 0,03. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

В связи с тем, что мерзлые грунты состоят из твердой минеральной части, пор, льда и незамерзающей воды, то дополнительно к характеристикам талых грунтов для мерзлых определяются:

• суммарная влажность мерзлого грунта ωtot, которая слагается из влажности, обусловленной включениями льда ωi, и влажности между включениями льда ωm. Суммарную влажность выражают в долях единицы и определяют отношением массы всех видов содержащихся в нем воды и льда (в прослойках и порах) к массе скелета грунта. Суммарная влажность определяется по формуле: ωtot = ωi + ωm;

• льдистость мерзлого грунта Ii— это отношение содержащихся в нем объема льда к объему мерзлого грунта (с включением льда) и определяется по формуле:

где ρi— плотность льда, принимается равной 0,9 г/см3.

Н.А. Цытович (1973) мерзлые грунты по льдистости подразделяет на три категории: сильнольдистые, слабольдистые и льдистые.

К сильнольдистым (льдистость более 50%) относятся суглинки и глины, переходящие при оттаивании в текучее, текучепластичное или мягко-пластичное состояние. Сильнольдистые грунты обладают малой несущей способностью в оттаявшем состоянии и большой сжимаемостью.

Слабольдистые (льдистостью менее 25%) суглинки и глины приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консистенцию и обладают малой сжимаемостью.

Льдистые (льдистость 25—50%) грунты имеют свойства промежуточные между двумя выше приведенными категориями.

Количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах ωω, если отсутствуют опытные данные, допускается ориентировочно определять по формуле СниПа:

где кω — коэффициент, зависящий от числа пластичности Jp и температуры грунта (табл.2); ωр — влажность грунта на границе раскатывания.

Таблица 2. Значения коэффициента kω

Грунты	Число пластичности Jp	Температура грунта, °С
		-0,3	-0,5	-1	-3	-5	-10
Пески и супеси	Jp≤ 0,02	0	0	0	0	0	0
Супеси	0,02 <Jp≤ 0,07	0,6	0,50	0,40	0,33	0,28	0,25
Суглинки	0,07 <Jp<0,13	0,7	0,65	0,60	0,48	0,43	0,40
Суглинки	0,13 <Jp<0,17	*	0,75	0,65	0,53	0,48	0,45
Глины	Jp>0,17	*	0,95	0,90	0,63	0,58	0,55

* Примечание. Вся вода в порах грунта не замерзает.

Мерзлые грунты, как и глины, характеризуются не только вещественным составом, но и определенным строением, т.е. размером, формой, характером пространственного взаиморасположения составных частей. Для мерзлых грунтов различают следующие основные текстуры: слитную, слоистую и ячеистую.

Рис 1. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а — слитная (массивная); б — слоистая; в — ячеистая (сетчатая)

• Слитная (массивная) текстура (рис. 1,а) характеризуется отсутствием видимых невооруженным глазом ледяных тел (линз, прослоек и т.д.) в грунте. Грунты слитной текстуры в мерзлом состоянии обладают, как правило, высокой прочностью, а при оттаивании их прочностные свойства снижаются в меньшей степени, чем у грунтов со слоистой или ячеистой текстурами.

• Слоистая текстура (см. рис.1,б) возникает при одностороннем, медленном промерзании преимущественно глинистых грунтов, обладающих высокой влажностью. Грунты со слоистой текстурой обладают достаточно высокой прочностью, но при оттаивании их прочностные показатели резко падают.

• Ячеистая (сетчатая) текстура (рис.1,в) возникает в тех случаях, когда ледяные тела различного размера, формы и ориентировки образуют более или менее непрерывную сетку или решетку.

Из механических свойств мерзлых грунтов наибольшее значение имеют величина относительного сжатия εth при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию (σсж).

Относительное сжатие определяют путем испытания грунта в компрессионном приборе и рассматривают по формуле:

где hƒ и hth — высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

При оценке механических свойств расчетное сопротивление сжатию (σсж) засоленных мерзлых грунтов принимают по табл.3, а сцепление (с) мерзлых грунтов ненарушенной структуры дано в табл.4.

Таблица 3. Расчетные сопротивления сжатию засоленных мерзлых грунтов σсж> МПа

Грунт	Засоленность грунта J	Температура грунта, °С
		-1	-2	-3	-4
Песок: пылеватый мелкий и средний	0,05 0,10 0,30 0,50 0,10 0,20 0,50 0,75	0,60 0,30 - - 0,80 0,40 - -	1,30 0,50 0,25 0,15 1,20 0,80 0,40 -	1,60 0,90 0,55 0,20 1,40 1,10 0,60 0,35	1,80 1,30 0,65 0,30 1,70 1,40 0,80 0,45
Супесь	0,20 0,50 0,75	0,50 - -	0,75 0,40 -	1,30 0,70 0,20	1,5 0,9 0,3
Суглинок	0,50 0,20 1,00	0,45 0,25 0,15	0,65 0,35 0,22	1,20 0,65 0,30	1,20 0,95 0,50
Глина	0,25 0,50 1,00	0,45 0,25 0,15	0,65 0,35 0,22	1,10 0,65 0,30	1,20 0,95 0,50

Таблица 4. Сцепление мерзлых грунтов ненарушенной структуры при мгновенном см и длительном сд действии нагрузки, МПа

Грунт	Влажность,ω	Температура грунта, -°С
		0,3-0,4		1,1-1,2				4,0-4,2
		Величина сцепления при
		см	сд		см	сд	см		сд
Песок	0,24	1,4	0,22		1,6	0,25	1,9		0,4
Песок пылеватый	0,23	1,1	0,21		1,4	0,27	2		0,4
Супесь	0,28-0,34	0,40-0,45	0,09-0,10		0,73	0,16	0,8-1,15		0,28-0,32
Суглинок	0,36	0,43	0,06		0,7	0,1	1,2		-
Глина ленточная плотная	0,30-0,40	0,57	0,18		-	0,26	0,16		0,42