Мерзлые и вечномерзлые 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. 5.25).

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. 5.25. 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. 5.8, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Таблица 5.8. Температура перехода грунта из пластичного в твердомерзлое состояние

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 ω_tot≤ 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 ω_tot, которая слагается из влажности, обусловленной включениями льда ω_i, и влажности между включениями льда ω_m. 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:
                             ω_tot = ω_i + ω_m                (5.38)
• льдистость мерзлого грунта I_i— это отношение содержащихся в нем объема льда к объему мерзлого грунта (с включением льда) и определяется по формуле:
  
                                         (5.39)

где ρ_i— 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 ω_ω, если отсутствуют опытные данные, допускается ориентировочно определять по формуле СниПа:

              (5.40)

где к_ω — коэффициент, зависящий от числа пластичности J_p и температуры грунта (табл. 5.9);
ω_р — влажность грунта на границе раскатывания.

Таблица 5.9. Значения коэффициента k_ω

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. 5.26,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. 5.26. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а — слитная (массивная); б — слоистая; в — ячеистая (сетчатая)

Слоистая текстура (см. рис. 5.26,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. 5.26,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 ε_th при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию (σ_сж).

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

              (5.41)

где h_ƒ и h_th — высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

При оценке механических свойств расчетное сопротивление сжатию (σ_сж) засоленных мерзлых грунтов принимают по табл. 5.10, а сцепление (с) мерзлых грунтов ненарушенной структуры дано в табл. 5.11.

Таблица 5.10. Расчетные сопротивления сжатию засоленных мерзлых грунтов σ_сж> МПа

Таблица 5.11. Сцепление мерзлых грунтов ненарушенной структуры при мгновенном с_м и длительном с_д действии нагрузки, МПа