Физические и механические свойства вечномерзлых грунтов (стр. 1 из 2)
1.
2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ.
Мерзлый грунт является четырехфазной системой, содержащей минеральные частицы, воздух, воду и лед. Лед цементирует минеральные частицы и придает грунту новые физические и механические свойства. Эти свойства в значительной мере зависят от температуры, величина которой определяет количество незамерзшей воды в грунте, льдистость, прочность льдоцементационных связей и закономерности изменения прочности и деформируемости вечномерзлых грунтов. Изменение температуры грунта приводит к таким процессам и явлениям как:
- Миграция влаги. Зависит главным образом от движения воды по пленкам, окружающим твердые частицы, вследствие градиента сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц ниже границы промерзания в пределах зоны всасывания.
- Морозное пучение грунта (характерно для влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков при их промерзании) – увеличение объема промерзающего грунта вследствие объемного расширения (приблизительно на 9 %) при переходе воды в лед, как первоначально находившейся в порах, так и мигрировавшей в зону промерзания из нижерасположенных слоев грунта. Количественно характеризуется:
- Величиной морозного пучения ft – абсолютное значение поднятия поверхности промерзающего слоя грунта толщиной dt (абсолютная деформация).
- Коэффициентом морозного пучения εt– относительная величина морозного пучения промерзающего слоя грунта (относительная деформация).
Интенсивность морозного пучения зависит от многочисленных факторов:
· Состава и состояния грунта;
· Скорости и продолжительности промерзания;
· Величины внешнего давления
и др.
- Наледи. При наличии подземных вод образуются поверхностные (наземные слои льда, образовавшиеся от излияния и замерзания вод на поверхности) и грунтовые наледи (подземные слои льда, образующиеся вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные и многолетние.
- Бугры пучения: сезонные и многолетние.
- Криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов. В процессе промерзания деятельного слоя грунта и после промерзания, вследствие неравномерного уменьшения объема грунта при охлаждении, образуются трещины, которые проникают в слой вечномерзлого грунта, создавая условия для образования трещинных льдов.
- Солифлюкация – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Пример солифлюкации можно посмотреть в приложении рис. 1.1.
- Ледяные клинья в вечномерзлой толще – в результате повторного чередующегося морозобойного растрескивания и цементации трещин льдом.
- Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явлений, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоев, линз и жил), возникновение в толще мерзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрицательных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других понижений.) Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт.
Различные по гранулометрическому, минералогическому составу, состоянию и засоленности грунты замерзают при различных температурах (несколько ниже 0˚С), что обусловлено степенью связности поровой воды с минеральным скелетом. При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к уменьшению количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды в грунтах зависит от их гранулометрического и минералогического состава, концентрации и химического состава солей в поровой воде, внешнего давления и других факторов (см. приложения рис. 1.2.). В мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии в зависимости от внешних условий и воздействий. Наличие в мерзлом грунте промерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).
Физические свойства грунтов.
Основные характеристики:
- Плотность мерзлого грунта естественной структуры
где
масса образца; 
объем образца;- Плотность твердых частиц мерзлого грунта
, определяется с помощью пикнометра.- Суммарная влажность мерзлого грунта
, равна отношению массы всех видов воды в грунте к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение зависит от места взятия пробы грунта (наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всей высоте слоя грунта из вертикальной бороздки в стене шурфа или в монолите).Cуммарную влажность можно выразить в виде суммы влажностей:
- Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды
Дополнительные характеристики:
- Влажность грунта за счет включений льда
. Если экспериментально определены 
, то определяется расчетом: 
- Влажность грунта между включениями льда
- Влажность за счет льда-цемента
- Суммарная льдистость мерзлого грунта
- это отношение всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта 
- Льдистость мерзлого грунта за счет включений льда
- Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой
- Пористость nfэто отношение объема пор ко всему объему грунта
- Коэффициент пористости efравен отношению объема пор к объему твердых частиц.
- Плотность скелета грунта
- Удельный вес мерзлого грунта, кН/м3, определяется расчетом
Мерзлые грунты можно классифицировать по льдистости и температуре.
1) По льдистости :
· Сильнольдистые
· Среднельдистые
· Cлабольдистые
Ледяные включения, количественно определяемые льдистостью
, дают представление о величине осадки грунта после оттаивания под действием собственного веса. Например, если 
, то это означает, что в слое мерзлого грунта толщиной 100см находятся прослойки льда общей (суммарной) толщиной 20 см. При оттаивании максимально возможная осадка мерзлого грунта под действием собственного веса будет приблизительно равна сумме толщины ледяных включений, т.е. 20 см.2) В зависимости от температуры:
· Твердомерзлые, характеризующиеся температурой ниже температуры перехода Tsg(зависит от вида грунта и изменяется от -0,1˚С(крупные и средней крупности пески) до -1,5˚С(глины)) или коэффициентом сжимаемости
;· Пластичные, характеризуются температурой от начала замерзания Тhf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Tsg и достаточно большой сжимаемостью (
;· Сыпучемерзлые – грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью
Механические свойства грунтов.
Механические свойства мерзлых грунтов зависят от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности действия нагрузки. Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды и льда, у которого давление любой интенсивности вызывает пластическое течение, обуславливает протекание реологических процессов.