Ещё один архив по мостам и строительству / 9-10 семестр / Строительство мостов / литература / Smirnov_vse

Грунты вечномерзлые несливающиеся — это такие, верхняя поверх ность которых находится глубже подошвы слоя сезонного оттаива

ния или промерзания.

Грунты слоистые, или многослойные — это такие, которые раз

делены талыми грунтами.

Температура начала замерзания (оттаивания) Tbf (Th) — темпера

тура, при которой в порах грунта появляется (исчезает) лед.

Структурные криогенные связи грунта — кристаллизационные связи, возникающие в результате сцементировния льдом во влаж ных дисперсных и трещиноватых скальных грунтах при отрицатель

ной температуре.

Криогенная текстура — совокупность признаков сложения мер злого грунта, обусловленная ориентировкой, относительным рас положением и распределением различных по форме и размерам ле дяных включений и льдоцемента.

Лед (синоним — грунт ледяной) — природное образование, со стоящее из кристаллов льда с возможными примесями обломочно го материала и органического вещества не более 10 % (по объему),

характеризующееся структурными криогенными связями.

Коэффициент сжимаемости мерзлого грунта — относительная де

формация мерзлого грунта под нагрузкой.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений ii — отно шение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к

объему мерзлого грунта.

Суммарная льдистость мерзлого грунта itot — отношение содер жащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта.

1.2.2. Особенности инженерно геологических изысканий

Оценка строительных свойств грунтов во многом определяется полнотой и качеством инженерно геокриологических изысканий, предшествующих строительству. Далее в краткой форме приведена информация о содержании изысканий. Без получаемых в их резуль тате сведений нельзя достоверно оценить строительные свойства мерзлых грунтов.

Понятно, что речь идет об экспериментальных параметрах. Их можно получить либо из данных лабораторных исследований, ли бо из результатов полевых изысканий.

11

Инженерно геологические изыскания для проектирования фун даментов опор мостов проводятся в соответствии с требованиями СНиП «Инженерные изыскания для строительства…» [17] с учетом дополнительных требований п. 6.9 об изысканиях, необходимых для районов распространения многолетнемерзлых грунтов. Кроме того, следует учитывать требования пп. 5.1.5—5.1.10 СП «Проекти рование и устройство фундаментов опор мостов в районах распро странения вечномерзлых грунтов» [25].

Особо выделим п. 5.1.6 [25], в котором речь идет о содержании

инженерно геокриологических изысканий:

– данные о характере мерзлотно%грунтовых условий строительной площадки, в том числе об особенностях распространения по площа

ди и глубине залегания вечномерзлых грунтов, их генезиса, литоло гическом и гранулометрическом составах, криогенном строении, особенностях напластования, температуре, толщине слоя сезонно го промерзания и оттаивания, средней годовой температуре, о мер злотных процессах, степени засоленности грунтов, наличии вклю чений концентрированных солевых растворов (криопегов) и их на

поре;

– результаты полевых и лабораторных исследований и испытаний грунтов, отражающие литологические типы, криогенное строение, физические и механические свойства в талом и мерзлом состояни ях для нескальных грунтов (плотность, влажность, льдистость, про садочность при оттаивании, угол внутреннего трения, сцепление, теплоемкость, коэффициент теплопроводности) и для скальных грунтов (степень выветрелости и трещиноватости, временное со противление на одноосное сжатие, коэффициент размягчаемости в

воде и др.);

– дополнительные данные, необходимые для прогнозирования возмож% ных изменений геокриологических условий строительной площадки, в

том числе сведения о продолжительности периодов и значениях по ложительных и отрицательных температур воздуха, толщине снеж ного покрова, мохорастительном покрове, а также о характерных особенностях проектируемого мостового перехода и производства работ по возведению опор моста и т.п.

Кроме того, исходные данные и требования, необходимые для разработки мероприятий по охране окружающей среды, подлежа

12

щие включению в проект опор моста, а также организации и произ водства строительных работ.

Перечисленные результаты инженерно геокриологических изы сканий должны быть дополнены материалами гидрогеологических, гидрологических изысканий, а также сведениями о специфических особенностях водотоков.

1.2.3. Физические свойства мерзлых грунтов

Свойства мерзлых грунтов в значительной степени зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и льда. Поэтому при проектировании оснований важно знать температуру начала замерзания, а также влажность мерзлого грунта по содержанию не

замерзшей воды.

Температура начала замерзания грунта Tbf характеризует темпе ратуру перехода грунта из талого состояния в мерзлое. Рекоменду ется определять ее э к с п е р и м е н т а л ь н о. Опыты показывают, что кривые изменения температуры замерзающих образцов имеют для всех грунтов одинаковый вид, но существенно отличаются в дета лях. На рис. 1.2 приведены графики изменения температур в зави симости от времени для чистых крупных песков и пылевато глини стых грунтов.

Строительные нормы проектирования оснований и фундамен тов рекомендуют для незасоленных песчаных и крупнообломочных

Рис. 1.2. Изменение температур замерзающих грунтов во времени: а — для чи стых крупных песков; б — для пылевато глинистых грунтов; 1 — участок ох лаждения и переохлаждения; 2 — температурный скачок с начала кристалли зации воды; 3 — участок замерзания воды; 4 — участок дальнейшего охлажде ния мерзлого грунта; Тbf — температура начала замерзания грунта

13

1.2.4. Классификация мерзлых грунтов по льдистости и температуре

Различное распределение льда в мерзлых грунтах (льдоцемента, льда в виде включений — прожилок, прослоек) определяет их тек стуру (рис. 1.4). Она бывает:

• слитная (массивная), когда лед в виде цемента относительно

равномерно распределен в грунте (поровый лед);

• слоистая, когда лед выделяется в виде параллельных прослоек, линзочек, прожилок в грунте;

14

Рис. 1.4. Морозные (криогенные) текстуры грунта: а — слитная; б — слоистая;

в— сетчатая; 1 — минеральные частицы; 2 — лед

•сетчатая, когда лед выделяется в виде взаимно пересекающих* ся прослоек, линзочек, прожилок и жил, образующихся по обна* женной поверхности мерзлого грунта, в мелко* и крупноячеистую сетку.

В вечномерзлых грунтах иногда встречаются крупные включе* ния льда толщиной несколько метров. Их можно рассматривать как горную породу.

Слитная текстура соответствует льдистости за счет ледяных вклю*

чений ii < 0,03.

Слоистая и сетчатая текстуры соответствуют ii > 0,03.

По льдистости мерзлые грунты делятся на сильнольдистые, льди*

стые и слабольдистые.

К сильнольдистым грунтам относят мерзлые грунты с ii > 0,4. Грун*

ты, льдистость которых за счет включений льда находится в диапа* зоне 0,25 < ii < 0,4, считают среднельдистыми. При ii < 0,25 грунты относят к слабольдистым.

Ледяные включения, количественно определяемые льдистостью ii, дают представление об осадке грунта после оттаивания под дей* ствием собственного веса (без внешней нагрузки). Например, ес* ли ii = 0,25, то это означает, что в слое мерзлого грунта толщиной 100 см находятся прослойки льда общей (суммарной) толщиной 25 см. При оттаивании максимально возможная осадка мерзлого грунта под действием собственного веса равна 25 см, т.е. толщине ледяных включений.

В зависимости от температур мерзлых грунтов изменяется их сжимаемость. На этом основании они подразделяются на твердо4

15

мерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. При этом температура перехода грунтов Tsg из пластичномерзлого состояния в твердомер* злое зависит от вида грунта. Далее приведены значения Tsg (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Температура перехода грунтов Tsg из пластичномерзлого в твердомерзлое состояние

Твердомерзлые грунты характеризуются температурой ниже Tsg

или величиной коэффициента сжимаемости δ < 0,1 кПа–1 (0,001 см2/кгс).

Пластичномерзлые грунты характеризуются температурой в ди* апазоне от температуры начала замерзания Tbf до температуры пе* рехода в твердомерзлое состояние Tsg и достаточно большой сжи* маемостью (δ > 0,1 кПа–1).

Твердомерзлое состояние засоленных и биогенных (заторфован* ных) грунтов следует устанавливать только по данным о п ы т н о г о о п р е д е л е н и я коэффициента δ их сжимаемости.

Сыпучемерзлые грунты — это крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью wtot < 0,03.

1.2.5. Механические свойства мерзлых грунтов

Механические свойства вечномерзлых грунтов существенно вли* яют на характер работы оснований. При промерзании и оттаивании мерзлых грунтов механические свойства важны также для оценки воздействия этих процессов, для обеспечения надежности, долго* вечности и эксплуатационной пригодности сооружений.

Механическое сопротивление мерзлых грунтов обусловлено прочностью структурных связей, сопротивлением кристаллической решетки льда, наличием дефектов. В процессе ползучести мерзлого

16

Рис. 1.5. Кривые ползучести мерзлого грунта при одноосном сжатии: а — се мейство кривых ползучести при возрастающих напряжениях 1 > 2 ... > 6; б — кривая незатухающей ползучести; в — кривая затухающей ползучести

грунта развиваются два взаимно противоположных процесса: рас слабление структурных связей и их упрочнение. На рис. 1.5 приве дено семейство характерных кривых ползучести мерзлого грунта при испытании на одноосное сжатие серии идентичных образцов в осях: относительная деформация — время t действия сжимаю щего напряжения.

Из кривых, приведенных на рис. 1.5, следует, что деформация мерзлого грунта складывается из мгновенной 0 и развивающейся во времени t.

Если при деформировании преобладает процесс разупрочнения, то развиваются деформации незатухающей ползучести. Если же пре обладают процессы упрочнения структурных связей, происходит затухание ползучести, а это приводит к стабилизации деформации. Соотношение процессов расслабления и упрочнения структурных связей мерзлого грунта, развивающихся при ползучести, зависит от состава, структуры, текстуры и температуры, а также от вида дефор мирования, что определяет, в конечном счете, особенности кривых ползучести и характер разрушения.

При д л и т е л ь н о м действии нагрузок вследствие развития в грунтах ползучести происходит существенное у м е н ь ш е н и е их со противления разрушению (рис. 1.6).

Снижение прочности мерзлых грунтов во времени имеет боль шое значение в инженерной практике. При использовании вечно

17

Рис. 1.6. Зависимость прочности Rt мерзлого грунта от времени действия нагрузки t

мерзлых грунтов в качестве оснований с длительным сроком рабо

ты (50—100 лет) при проектировании зданий и сооружений исполь зуют значения предельно длительной прочности мерзлых грунтов R ,

о п р е д е л я е м ы е о п ы т н ы м п у т е м.

Для мерзлых грунтов самыми существенными факторами, опре деляющими, в конечном счете, механические свойства, являются величина их отрицательной температуры и льдистость. При отсут ствии опытных данных допускается расчетные значения прочност ных характеристик вечномерзлых грунтов определять по таблич ным значениям предельно длительных сопротивлений для различ ных видов грунтов в зависимости от их температуры и физического состояния.

В области температур от 0 до –20 С прочность мерзлых грун тов, как правило, возрастает с понижением температуры, с умень шением дисперсности и засоленности, с увеличением (иногда — с уменьшением) суммарной влажности (льдистости) и льдовыде ления (при переходе массивной криогенной структуры к ячеистой). Характер изменения мгновенной прочности (временного сопротив ления) при сжатии от температуры грунта и влажности показан рис. 1.7. Некоторые численные значения мгновенной прочности на сжа тие различных по составу мерзлых грунтов приведены в табл. 1.2.

Предельно длительное сопротивление мерзлых грунтов сжатию в 5—10 раз меньше временного сопротивления. При этом чем боль ше величина нагрузки, тем медленнее происходит затухание де формаций. Предельно длительное сопротивление растяжению мерз лых грунтов примерно в 2—6 раз меньше их сопротивления сжа тию, поскольку при растяжении уменьшается число контактов меж ду частицами грунта, тогда как при сжатии увеличивается.

18

Рис. 1.7. Зависимость временного сопротивления сжатию мерзлых грунтов от температуры (а) и влажности (б): 1 — пылеватый песок; 2 — кварцевый пе* сок; 3 — супесь; 4 — глина; 5 — лед; 6 — песок; 7 — глина

Таблица 1.2

Временное сопротивление вечномерзлых грунтов ненарушенной структуры одноосному сжатию

1.2.6. Сжимаемость мерзлых грунтов

Свод правил [25] исключает необходимость определять осадки фундаментов опор для мостов в двух случаях: когда фундамен* ты опираются на твердомерзлые грунты и когда при применении принципа II фундаменты опираются на малосжимаемые грунты (для пролетов 55 м в случае железнодорожных мостов и 105 м — в случае автодорожных мостов). Во всех остальных случаях расчет по дефор* мациям необходим.

19

Сжимаемость мерзлых грунтов зависит от их состава и состоя* ния, от температуры, времени действия, величины и характера приложенной нагрузки.

Под действием нагрузки происходит уплотнение мерзлых грун* тов в результате уменьшения их пористости за счет отжатия из грун* та воздуха и влаги. Однако в мерзлых грунтах влага отжимается не только в жидкой, но и в твердой фазе. Лед под влиянием давлений, возникающих в точках контакта частиц, частично тает и перемеща* ется в менее напряженные микро* и макрозоны. Кроме того, при компрессии происходит перестройка структуры льда в более мел* козернистую, что приводит также к уплотнению мерзлого грунта. Этому способствуют сдвиговые перемещения минеральных частиц, обеспечивающие более компактную упаковку самих частиц и их аг* регатов, что также обуславливает у п л о т н е н и е мерзлых грунтов под нагрузкой при неизменной отрицательной температуре.

Весьма существенным является вопрос о прочностных и дефор* мационных свойствах мерзлых грунтов п р и о т т а и в а н и и. Из*за резкого изменения криогенной (мерзлотной) текстуры прочность их резко уменьшается, а деформации основания увеличиваются. Под подошвой фундаментов опор мостов оттаивание, как прави* ло, не допускают. Однако для расчета несущей способности грун* та по боковой поверхности свай*столбов его необходимо учитывать.

Рис. 1.8 хорошо иллюстрирует поведение мерзлого грунта при оттаивании.

Рис. 1.8. Зависимость осадки мерзлого грунта от уплотняющего давления при оттаивании

20