Мерзлые грунты

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

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.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

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.

Если наблюдать за образцом глинистого грунта (по Б.И. Далматову, 1988), помещенного в морозильную камеру, то при изменении температуры полученная кривая будет иметь четыре участка (рис. 1).

Первый участок аb соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Второй участок bc характеризует резкое повышение температуры грунта, что связано с кристаллизацией части воды в образце грунта до значения Т_bƒ, соответствующего началу замерзания. Третий участок cd, параллельный оси времени t, характеризует резкий переход большей части воды в лед. На четвертом участке de происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего фунта, т.е в этот период замерзает вода, не замерзшая при значении Т_bƒ.

В зависимости от вещественного состава и температурно-влажностны условий мерзлые фунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

Рис. 1. График процесса замерзания фунта во времени (по Б.И. Далматову, 1988)

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 ω_tot > 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. 1. 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 (1)

льдистость мерзлого грунта Ii— это отношение содержащихся в нем объема льда к объему мерзлого грунта (с включением льда) и определяется по формуле:                                        (2)

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:

(3)

где к_ω — коэффициент, зависящий от числа пластичности Jp и температуры грунта (табл. 5.9);

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.

Слитная (массивная) текстура (рис. 2,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.

Рис. 2. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а — слитная (массивная); б — слоистая; в — ячеистая (сетчатая)

Слоистая текстура (см. рис. 2,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. 2,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

(4)

где h_ƒ и h_th — 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 σ_сж> 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

Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Существует два метода проектирования фундаментов на вечномерзлых грунтах. Первый метод можно применять в районах, где грунт имеет вечномерзлое состояние, а сооружения не занимают много площади, а выделяют тепло в необходимом количестве. Этот метод был произведен еще в 20-х годах ХХ ст. С его помощью возводились целые города, сейчас же он является универсальным, общепризнанным, потому что строительные качества любых мерзлых грунтов используются  наилучшим образом.

Рис.3 Фундамент с проветриваемым подпольем

Суть метода  в том, что фундаменты на вечномерзлых грунтах, как бы прорезают деятельный слой и  заглубляются приблизительно на метр в слой вечномерзлого грунта. Между приподнятым над поверхностью грунта полом первого и этажа грунтом устраиваются  продухи, а непучистый грунт засыпается с боковой поверхности фундамента.

Продухи – это такие проемы, они расположены по периметру постройки, в их функции входит пропускать холодный воздух, который выносят тепловые протоки  помещений 1 этажа.

Результатом  наблюдения за постройками, фундаменты которых возводились по первому методу – принципу, установили, что границы многолетней мерзлоты по истечению времени начинают подниматься под зданием. Этот процесс способствует тому, что здание становится еще более устойчиво. Что бы еще больше снизилось влияние теплового выделения здания на вечномерзлые грунты, возводят здания  на  свайных и столбчатых фундаментах.

Суть второго метода – принципа строительства фундаментов на мерзлых грунтах в том, что под зданием допускается протаивание грунта. Осуществляется этот принцип с помощью конструктивного и предпостроечного метода оттаивания.

Конструктивный метод подразумевает приспособление конструкции фундамента и самого строения к неравномерной осадке оттаивающего грунтового основания. Такой метод применяют, когда температура толщи вечномерзлых грунтов равна 0 С. А так же в момент оттаивания, когда грунт становится малопросадочным основанием (песчаные, щебёночные или гравелистые грунты).

В этом случае с течением времени под зданием в результате действия тепловых потоков, образуется чаша оттаивания в многолетней мерзлоте. Формируется эта чаша оттаивания десятилетиями. Как результат здание будет неравномерно оседать, а это может привести к высокой вероятности возникновения деформаций с трещинами на самом здании

Для того чтобы фундаменты на вечномерзлых грунтах  выполненные вторым методом не оседали, нужно повысить жесткость надземных конструкций. Например, в уровне перекрытий по периметру здания устроить  металлический пояс либо пояса жесткости, которые будут воспринимать  неравномерные деформации конструкций стен.

Сваи

К числу типов свай, применяемых на вечномерзлых грунтах, относят сваи, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины и заполненные грунтовым раствором, сваи, установленные в предварительно оттаенные скважины с заливкой их грунтом, а также сваи, забиваемые в лидерные скважины (бу-розабивные) или без предварительной подготовки грунта.

Для строительства на вечномерзлых грунтах применяют деревянные, железобетонные и металлические сваи. По условиям передачи нагрузок сваи подразделяют на висячие (вмороженные в грунты) и сваи-стойки. Длина свай колеблется от 6 до 15 м.

Конструкции свай. Железобетонные сваи серии 1.011.3М применяют в районах с твердомерзлыми грунтами, имеющими температуру ниже минус 0,3° С. Сваи этой серии рассчитаны на несущую способность от 10 до 150 т.

Сваи серии 1.011-1 с дополнительным армированием, учитывающим усилия от морозного пучения, применимы в тех районах, где вечномерзлые грунты находятся в пластичномерзлом состоянии, такие сваи используются как забивные или бурозабивные.

Для рассредоточенных, сооружений рекомендуются металлические сваи с принятием мер по защите их от агрессивных надмерз-лотных грунтовых вод.

По форме поперечного сечения сваи выпускают квадратные, прямоугольные, восьмигранные, с заостренным и незаостренным нижним концом.

На мерзлых грунтах наиболее эффективно работают восьми-гранныёхи круглые сваи сплошного сечения, поскольку при одинаковом поперечном сечении можно уменьшить диаметр скважины и одновременно увеличить несущую способность свай.

В зависимости от величины и направления нагрузок применяют вертикальные, наклонные и козловые сваи.

Ростверки по сваям целесообразно устраивать сборные. Устройство таких ростверков и укладка сборных плит перекрытий над вентилируемым подпольем не требуют температурных швов, что снижает стоимость работ. Высота между грунтом и низом ростверка должна обеспечивать вентиляцию подполья.

Для свайных фундаментов, возводимых по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов оснований, на период строительства нужно обязательно бурить температурные скважины наблюдения за смерзанием свай с грунтом.

Рис 4 Способы погружения свай в вечномерзлый грунт / - свая 2 - верхняя граница вечномерзлого фунта 3 - грунтовый раствор 4- стенка скважины, 5 - граница оттаивания вечномерзлого грунта

Методы погружения свай в вечномерзлые грунты отличаются технологическими особенностями, обусловленными физико-механическими свойствами мерзлых грунтов, которые в ненарушенном состоянии имеют высокую несущую способность. Поэтому в этих условиях при выполнении свайных работ необходимо максимально сохранять мерзлые грунты в их естественном состоянии, а на участках, где в процессе погружения свай нарушается структура грунта, следует восстанавливать свойства этих грунтов. Вмерзание свай, иначе говоря — смерзание их поверхности с грунтом, приводит к тому, что сваи приобретают высокую несущую способность. Это явление может быть эффективно использовано при погружении свай в твердомерзлые грунты, условно относимые к низкотемпературным. У этих грунтов среднегодовая температура на глубине 5...10 м не выше —0,6°С для супесей,—1°С для суглинков и— 1,5°С для глин.

Погружают сваи в твердомерзлые грунты главным образом двумя методами: в оттаявший грунт или в пробуренные скважины, диаметр которых превышает наибольший размер поперечного сечения сваи. При погружении свай в оттаявший грунт вначале оттаивают и затем погружают сваи в образовавшуюся в мерзлом грунте полость разжиженного грунта. Грунт оттаивают с помощью паровой иглы, перфорированной в нижнем конце (). Под действием пара (давлением 0,4...0,8 МПа), выходящего у острия иглы, грунт разжижается до текучего состояния, и в него погружают иглу по проектной глубины.

В грунтах с небольшим количеством льда можно получить полость нужных размеров в короткое время (1...3 ч), а в грунтах с большой степенью насыщения льдом этот процесс происходит в течение 6... 8 ч. Скорость погружения иглы определяют с таким расчетом, чтобы диаметр протаянной полости в 2...3 раза превышал наибольший размер сваи в поперечном сечении. Через некоторое время после погружения происходит вмерзание и свая, будучи как бы заделанной в толщу вечномерзлого грунта,  приобретает  необходимую несущую способность.

Метод погружения сваи в пробуренные скважины предусматривает такую последовательность процессов и операций: бурение скважины с помощью установки, размещенной на песчано-гравийной или шлаковой подсыпке, обеспечивающей возможность перемещения оборудования при слабых . местных грунтах, с погружением в деятельном слое во избежание оползания грунта в скважину обсадной трубы; заполнение скважины песчано-глинистым раствором до отметки, при которой объем раствора с некоторым избытком достаточен для заполнения зазоров между стенками скважины и сваи после ее погружения; погружение сваи, сопровождающееся выжиманием раствора; извлечение обсадной трубы.

До начала работ по устройству ростверка раствор должен замерзнуть, т. е. свая должна вмерзнуть. Этот метод, применяемый в зимних условиях, когда деятельный слой находится в мерзлом состоянии, позволяет отказаться от обсадных труб.

При выполнении свайных работ в вечномерзлых грунтах весьма эффективным является проходка скважины с помощью трубчатых буролидеров, являющихся сменными рабочими органами сваепогружающих установок. Трубчатый бур имеет специальный наконечник и работает вместе с вибромолотом; Отделяя керн от массива грунта, трубчатый бур проходит через деятельный слой и погружается на необходимую глубину в вечномерзлую толщу. Между трубой и стенкой скважины может образоваться зазор, который облегчает погружение трубчатого бура, даже если в него оплывет грунт деятельного слоя.

В пластично-мерзлые, высокотемпературные (со среднегодовой температурой не ниже —1°С) грунты сваи погружают забивным или бурозабивным методом. Методы погружения в оттаянный грунт и в скважины большего сечения, чем сечение свай, в условиях высокотемпературных грунтов малопригодны из-за того, что вмерз.ание сваи происходит весьма медленно. Забивать сваи можно в пластично-мерзлые пылеватые суглинки и песчаные грунты, не содержащие включений, и только в период сезонного оттаивания, так как зимой грунты деятельного слоя охлаждаются до -10°С и становятся твердомерзлыми. Поэтому область при-я бурозабивного метода значительно шире.

Бурозабивным методом сваи погружают в два этапа. На первом этапе пробуривают лидирующую скважину, диаметр которой принимается на 1...2 см меньше стороны сваи. На втором этапе погружают сваю с помощью вибромолота или дизель-молота. При этом грунт отжимается от углов сваи к середине ее стенок. Грунт оттаивает за счет тепловой энергии, трансформированной из механической, развиваемой молотом, и частичного . выжимания грунта из скважины. Достаточно оттаять тонкий слой грунта — и температура в зоне, прилегающей к свае, повысится на весьма незначительную величину, процесс вмерзания сваи в грунт произойдет за короткое время. Применение лидирующих скважин позволяет повысить точность установки сваи, обеспечить погружение ее на проектную глубину, устранить случаи поломки сваи при попадании под острие валунов и др.

Рассмотренные методы погружения в вечномерзлые грунты применяют для погружения железобетонных свай, иногда для погружения металлических шпунтов, а также деревянных свай. Деревянные сваи при изготовлении следует пропитывать креозотом или другим антисептиком для предохранения от гниения у зоне переменной влажности.