Льдистость грунтов

Физические свойства мерзлых грунтов

ЛЕКЦИЯ 8. Физические, механические, воднопрочностные и теплофизические свойства мерзлых грунтов

Мерзлые грунты представляют собой сложные многокомпонентные системы. Для суждения о их физическом состоянии при данных условиях температуры и о возможности изменения свойств при оттаивании необходимо, кроме наименования грунта, установленного по визуальным признакам, по данным гранулометрического анализа или по числу пластичности знать так же засоленность и минимум четыре основные физические характеристики (определяемые опытным путем): плотность твердых минеральных частиц γ_у, объемную массу мерзлого грунта ненарушенного сложения и при естественной влажности γ₀, суммарную влажность грунта по отношению к массе сухого грунта W_с (в долях единицы), влажность за счет незамерзающей воды W_н .

С помощью перечисленных физических характеристик можно рассчитывать общую влажность W_об, льдистость Л, объемную массу скелета γ_ск, коэффициент пористости ε, а так же для единицы объема грунта – массу незамерзшей воды и льда и объем газов. Основные характеристики физических свойств являются важными показателями и при исследовании механических свойств мерзлых грунтов, зависящих от температуры, льдистости и продолжительности действия нагрузки.

Учитывая большое разнообразие мерзлых грунтов по составу и строению, не представляется возможным ограничиться какой-либо одной методикой для определения той или иной характеристики. Наиболее универсальным является метод совмещенного определения основных физических характеристик. Он позволяет получить наиболее достоверные и согласующиеся между собой значения суммарной влажности, объемной массы, льдистости, количества незамерзшей воды.

Лед, содержащийся в грунтах, как указывалось выше, разделяют на лед-цемент и лед-прослоек, или сегрегационный. Лед-цемент обычно в грунтах не виден невооруженным глазом, но он цементирует грунт. Придавая ему дополнительную механическую прочность, сегрегационный лед легко обнаруживается невооруженным глазом в виде прослоек, линз, прожилок и других форм сплошных ледяных тел.

Осадки при оттаивании за счет сегрегационного льда могут достигать значительных величин, поэтому его объем учитывается отдельно при расчете осадок.

Мерзлые грунты вследствие их текстурных особенностей могут отличаться большой неоднородностью строения и содержать крупные ледяные тела. В тех случаях, когда в мерзлом грунте имеются крупные линзы или прослойки льда, необходимо замерять их толщину по стенке шурфа или в монолитах, извлеченных из скважин, и рассчитывать объем ледяных тел, выражая его в виде отношения к объему всего мерзлого грунта.

Н. А. Цитович мерзлые грунты по льдистости разделяет на три категории: сильнольдистые, слабольдистые и льдистые.

К сильнольдистым(льдистость более 50%) относятся пылеватые разности суглинков и глин, преходящие при оттаивании в текучее, текуче-пластичное или пластичное состояние, что, как правило, обуславливает их просадочность. Сильнольдистые грунты обладают малой несущей способностью в оттаявшем состоянии и большей сжимаемостью (а₀≥0,05см²/кгс).

Слабольдистые (льдистость менее 25%) суглинки и глины при оттаивании приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консистенцию и обладают малой сжимаемостью (а₀<0,01 см²/кгс).

Льдистые грунты (льдистость 25 – 50%) имеют свойства промежуточные между вышеприведенными двумя категориями.

Зная суммарную влажность мерзлого грунта, влажность минеральных прослоек, объемную массу скелета и принимая плотность льда равной 0,9 г/см³, можно определить объем льда прослоек в единице объема мерзлого грунта:

V_{л. п} = (W_c – W_г)γ_с/0,9,

где γ_с - объемная масса скелета мерзлого грунта, г/см³.

В зависимости от способа количественного выражения содержания льда в мерзлом грунте различают льдистость массовую (весовую), относительную и объемную.

Суммарную массовуюльдистость Л_в выражают в процентах или в долях единицы отношения массы льда к массе сухого грунта. Для единицы объема мерзлого грунта ненарушенного сложения и естественной влажности массовая льдистость выразится в виде зависимости:

Л_в = g_л/ γ_с,

где g_л – масса льда в единице объема грунта, г.

Зная суммарную влажность мерзлого грунта и влажность за счет незамерзшей воды, массовую льдистость можно получить из выражения:

Л_в = W_c – W_н .

Суммарная относительная льдистость – отношение массы льда к массе всей воды (воды и льда), содержащейся в грунте, или, что то же самое, отношение массовой льдистости к массовой влажности:

Л₀ = 1 - W_н/W_c .

Суммарная объемная льдистость – отношение в процентах или долях единицы объема льда, содержащегося в грунте, к объему мерзлого грунта. По аналогии с объемной влажностью талого грунта суммарная объемная льдистость мерзлого грунта может быть найдена по формуле:

Л_v = (W_c – W_н) γ₀/γ_л (1 + W_c).

Объемную льдистость можно рассчитать раздельно за счет льда цемента Л_Vц и льда прослоек Л_Vпр по формулам:

Л_Vц = γ_у(W_г – W_н)/[ γ_л + γ_у(W_с – 0,1W_н) ];

Л_Vпр = (W_с – W_г)/[ γ_л + γ_у(W_г – 0,1W_н) ],

где γ_л - плотность льда, г/м³.

Определение объемной льдистости за счет прослоек сегрегационного льда рекомендуется выполнять в поле. Для этого по всей высоте слоя грунта в шурфе или по высоте керна, извлеченного из скважины, прикладывается мерная линейка и замеряются все ледяные прослойки, линзы и т. д. толщиной более 0,5 мм. Затем суммируется их мощность и относится к высоте всего слоя грунта, в пределах которого измерялись ледяные тела. Измерение рекомендуется производить в двух-трех местах, например, по двум стенкам шурфа, и принимать среднюю объемную льдистость, полученную из нескольких определений.

Льдистостость, как и влажность, является очень важной характеристикой физического состояния и свойств мерзлых грунтов. Она используется при теплофизических расчетах, в расчетах несущей способности грунтов в мерзлом состоянии и осадок при оттаивании.

Вытаивающие ледяные тела вызывают дополнительную деформацию грунтов, оттаивающих в основании сооружений, однако полное смыкание макропор при этом не происходит. Поэтому, согласно нормативных документов, рекомендуется при расчете осадок вводить коэффициент k_в, учитывающий неполное смыкание макропор при оттаивании грунтов. В зависимости от средней толщины ледяных прослоев принимается следующая: при толщине ледяных прослоев – менее 1см – 0,4; от 1 до 3см – 0,6; более 3см – 0,8.