Относительная плотность мерзлых песчаных грунтов

Степень заполнения объема пор грунта льдом и незамерзшей водой

Коэффициент пористости

Под коэффициентом пористости мерзлых грунтов ε_м понимается отношение объема пор n к объему скелета m в единице объема мерзлого грунта, т. е. ε_м = n/ m. В соответствии с двумя значениями объемной массы мерзлого грунта различают и два вида коэффициента пористости: мерзлого грунта ε_м и мерзлых минеральных прослоек ε_мн, определяемых по формулам:

ε_м = (γ_у - γ_с)/ γ_с;

ε_мн = (γ_у – γ_{с. мн})/ γ_{с. мн.}

Из механики грунтов известно, что при полном заполнении пор грунта водой коэффициент пористости равен

ε = γ_у W.

Соответственно при полном заполнении пор мерзлого грунта льдом и водой коэффициент пористости можно представить в виде суммы:

ε_м = γ_у Л_в/γ_л + γ_у W_н/ γ_в.

Принимая γ_л = 0,92, а γ_в = 1, выражая Л_в через влажность W_с и влажность за счет незамерзшей воды W_н согласно уравнению и подставляя их значения в выражение после некоторых преобразований, получим формулу. Для грунта, все поры которого заполнены льдом и незамерзшей водой,

ε_м = γ_у (W_с – 0,1W_н)/0,92.

Степень заполнения объема пор грунта льдом и незамерзшей водой характеризуется коэффициентом влажности G, который выражается как частное от деления объема льда и незамерзшей воды на объем пор в долях единицы или в процентах и рассчитывается по формуле

G = γ_с (1,09 Л_в + W_н)/n,

где n – пористость грунта в долях единицы:

n = (γ_у - γ_с)/ γ_у.

Коэффициент влажности может колебаться от 0 до 1 или от 0 до 100%.

Подставляя в формулу вместо n его значение, получим

G = 1,09 W_с γ_у/ε_м.

Степень заполнения пор водой немерзлых и оттаявших грунтов определяется, как для обычных талых грунтов,

G = γ_у W/ε,

где ε – коэффициент пористости немерзлого или талого грунта.

Для расчета γ_с, n, ε и G характеристики γ_у , γ₀, W_с должны определяться на одном и том же образце мерзлого грунта.

Объем газов V_г, массы льда g_л, незамерзшей воды g_н и скелета g_с можно рассчитать по следующим формулам:

V_г = (ε_м/ γ_у - W_с/γ_л) γ_с;

g_л = γ_с W_с Л₀;

g_н = γ_с W_с(1 - Л₀);

g_с = γ₀/(1 + W_с).

При оценке мерзлых песчаных и крупнообломочных грунтов как естественных оснований для различного рода сооружений и зданий учитывается их относительная плотность. Относительная плотность зависит от текстурных особенностей мерзлого грунта и характеризует его способность уплотняться при оттаивании под нагрузкой в основании сооружений.

Для характеристики относительной плотности песчаных и крупнообломочных немерзлых грунтов пользуются известной из механики грунтов формулой:

D = (ε_max – ε_м)/(ε_max - ε_min),

где ε_max – коэффициент пористости грунта при минимальной плотности (D = 0);

ε_min – то же, при максимальной плотности (D = 1).

Входящие в уравнение коэффициенты пористости:

ε_max = (γ_у – γ_р)/ γ_р;

ε_min = (γ_у – γ_п)/ γ_п;

ε_м = (γ_у – γ_с)/ γ_с,

где γ_п – объемная масса скелета песчаного грунта в талом состоянии при максимальной плотности;

γ_р – то же, при минимальной плотности.

Как видно из этих уравнений, для получения D необходимо знать четыре характеристики грунта: γ_у, γ_с, γ_п, γ_р. Если в уравнение вместо ε_max, ε_min, ε_м подставить их значения, то γ_у сократится, и тогда можно обойтись тремя характеристиками. При этом формула предстанет в следующем виде:

D = γ_п(γ_с - γ_р)/ γ_с(γ_п - γ_р).

Дальнейшее подразделение очень рыхлых мерзлых песков производится по числовым значениям показателям рыхлости:

R = 1 – D.

Подставляя в это выражение вместо D его значение из уравнения, получаем формулу

R = (γ_п – γ_с) γ_р/(γ_п - γ_р) γ_с.

Мерзлые песчаные и крупнообломочные грунты считаются: плотными – при R ≤ 0,33, средней плотности – при 0,33 < R ≤ 0,67, рыхлыми – при 0,67 < R ≤ 1, очень рыхлыми – при R 1. Величина R > 1 может иметь место только у сильнопросадочных грунтов. В инженерных расчетах оснований величина R широкого применения не получила.