Jun
22
3.3.7. Состав и физические свойства вечномерзлых грунтов

3.3.7.   Состав и физические свойства вечномерзлых грунтов

Обязательной составной частью мерзлых грунтов, дополнительно к трем компонентам, из которых образуются талые грунты, является лед. Мерзлые грунты — это четырехкомпонентная (четырехфазная) система, в которую входят твердые частицы, незамерзшая вода, воздух или иной газ и лед (пластичное тело). Свойства мерзлых грунтов в значительной степени зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и свойств льда.
 На основании проведенных исследований И. А. Цытович еще в 1945 г. установил один из основных принципов механики мерзлых грунтов: «Количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними» *.
Этот принцип указывает на зависимость между количеством незамерзшей воды в грунте и его температурой: при повышении температуры мерзлого грунта содержание льда в нем уменьшается, количество незамерзшей воды увеличивается и наоборот. Кроме того, установлено, что количество незамерзшей воды в данном грунте зависит от давления. При повышении давления количество незамерзшей воды увеличивается, содержание льда уменьшается и наоборот. Прочность же мерзлых грунтов и их деформативность в значительной степени зависят от содержания незамерзшей воды.
Поскольку мерзлый грунт является четырехкомпонентной системой, для оценки его физического состояния экспериментальным путем необходимо определять четыре основные характеристики:

  • плотность (объемную массу) мерзлого грунта ρf ненарушенной (природной) структуры;
  • плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ρs (плотность воды принимается равной 1 т/м3, плотность льда — 0,9 т/м3);
  • суммарную весовую влажность мерзлого грунта ωtot, зависящую от содержания в нем воды и льда;
  • количество (весовое содержание) незамерзшей воды ωω при температуре природного залегания грунта.

Плотность (объемная масса) мерзлого грунта равна отношению массы образца gg находящегося в мерзлом состоянии, к его объему Vg, т. е. ρf = gg/Vg. Масса образца грунта природного сложения определяется достаточно точно взвешиванием. Объем же устанавливается измерением размеров выпиленного образца определенной формы в пикнометре, заполненном керосином.
Плотность (объемная масса) твердых частиц мерзлого грунта ρs определяется с помощью пикнометра как для талых грунтов.
Суммарная весовая влажность мерзлого грунта ωtot равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105 °С, к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение ωtot зависит от места взятия пробы. Наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всему слою грунта из вертикальной бороздки, устраиваемой в стенке шурфа, или вдоль колонки монолитов, взятых из данного слоя. Суммарная влажность слагается из влажности, обусловленной включениями льда ωi и влажности грунта между включениями льда ωm. Последняя, в свою очередь, делится на две слагающие влажности, обусловленные наличием льда-цемента ωi.c и незамерзшей воды ωω. Следовательно:

Картинка   (3.2)
Если известна суммарная влажность ωtot найденная бороздковым способом, и влажность грунта ωm, установленная по образцу, тщательно отобранному между прослойками, то по их разности находят значение ωi = ωtot — ωm. Иногда при взятии образца грунта из вертикальной бороздки тщательно замеряют толщину всех прослоек льда и по полученным данным находят значение ωi. Это позволяет определять величину ωm. Влажность, обусловленную льдом-цементом, находят по разности ωi.c = ωm — ωω. При этом количество незамерзшей воды определяют калориметрическим способом по образцам грунта нарушенной структуры. Так как результаты таких расчетов в значительной степени зависят от тщательности отбора образцов мерзлого грунта, допускается принимать ωm равным влажности на границе раскатывания, т. е. ωm = ωρ.
Количество незамерзшей воды ωω ориентировочно можно определять по формуле СНиПа
ωω = kω ωρ
где kω — коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта (табл. 3.1); ωρ — влажность грунта на границе раскатывания (пластичности).
Найдя по формуле (3.3) значение ωω для разных температур, можно построить график зависимости ωω от Т.
Зная четыре основные характеристики грунта ρf, ρs, ωω и ωtot, можно вычислить ряд и других характеристик, необходимых при расчетах, например суммарную льдистость и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений ii.

 

Картинка


Суммарная льдистость является отношением объема всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта и определяется по формуле

Картинка(3.4)
где pi — плотность льда.
Льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений ii является отношением объема включений льда к объему мерзлого грунта и определяется по формуле

Картинка   (3.5)
Зная ρf и ωtot, находим плотность скелета и грунта:

Картинка  (3.6)

По рассмотренным характеристикам легко найти массу каждой составной части единицы объема мерзлого грунта: твердых частиц gd, льда gi, tot и незамерзшей воды gω:

Картинка

Суммарная масса компонентов равна плотности (объемной массе) мерзлого грунта в единице объема:

Картинка  (3.8)
Степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой Sr определяют по формуле

Картинка  (3.9)
где ef — коэффициент пористости мерзлого грунта между включениями льда;
ρω — плотность воды.
Зная плотность грунта, легко найти удельный вес мерзлого грунта:
γf = ρi g
где g — ускорение свободного падения.
Для расчетов требуются также теплофизические характеристики грунта, а именно:

  • теплопроводность мерзлого λf и талого λth грунтов;
  • теплоемкость мерзлого Cf и талого Сth грунтов.

Эти характеристики определяют в лабораторных условиях при проведении точных опытов, а чаще принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности скелета грунта (мерзлого и талого) и суммарной влажности

 

* Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.з Высш. школа, 1973. С. 44.