Jun
22
Метка «мерзлые грунты»

− Б.И. Долматов Механика грунтов, основания и фундаменты

ВВЕДЕНИЕ
1. Основные понятия и определения. Всякое сооружение передает действующие на него нагрузки, включая собственный вес, на основание. Основание — это напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения (рисунок). Различают основания естественные, сложенные природными грунтами и искусственно улучшенные.
Располагать сооружение непосредственно на поверхности земли (на дневной поверхности) можно в редких случаях. Этому препятствуют особенности верхних слоев грунта:
их малая несущая способность;
возможность вертикального перемещения под воздействием метеорологических факторов (пучение при промерзании, просадка при оттаивании, набухание при увлажнении, усадка при высыхании);
возможность разрушения землероями, выветриванием и корнями растений.
По указанным причинам необходимо устройство фундамента — подземной конструкции, предназначаемой главным образом для передачи давления на грунты, лежащие на некоторой глубине.
Фундамент 1 (см. рисунок) чаще всего располагают ниже поверхности земли 2. Надземные конструкции 3 опираются на верхнюю плоскость фундамента — его обрез 4. Нижнюю плоскость фундамента называют подошвой 5. В основании  различают  несущий   слой   грунта   6,   на   который
передается давление от фундамента, и подстилающие с л о и 7.
Высота фундамента hf обычно несколько меньше глубины его заложения d, поскольку обрез фундамента располагают, как правило, ниже планировочной отметки поверхности земли около фундамента.

Картинка


Схема фундамента с основанием

Грунтами называют горные породы коры выветривания литосферы. Различают грунты скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, органогенные и техногенные.
2. Состав курса и его связь с другими дисциплинами. Курс
состоит из трех разделов.
В первом разделе «Спецкурс по инженерной геологии» рассматриваются свойства грунтов, инженерно-геологические изыскания и геодинамические процессы.
Во втором разделе «Механика грунтов» освещаются вопросы распределения напряжений в грунтах, деформации и условия устойчивости массивов грунтов.
В третьем разделе «Основания и фундаменты» рассматриваются вопросы проектирования и устройства фундаментов в различных грунтовых условиях.
Для усвоения курса необходимо знать следующие дисциплины: инженерную геологию, сопротивление материалов, теорию упругости, строительную механику, строительные конструкции, технологию строительного производства, технику безопасности и экономику. В то же время надземные конструкции невозможно рационально спроектировать без оценки деформаций грунтов основания, так как от этих деформаций зависят усилия, возникающие в конструкциях, а иногда и сохранность конструкций.
3. Основные задачи курса. Грунты основания обычно обладают в тысячи раз большей деформативностью и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся сооружения, поэтому надежное существование последних в значительной степени зависит от величины неравномерности деформаций грунтов оснований. Следствием неправильной оценки характера напластований и строительных качеств грунтов часто являются большие деформации конструкций сооружений и даже их разрушение.
Деформации грунтов в основании в значительной степени зависят от нагрузки по подошве фундаментов. В связи с этим при проектировании фундаментов конструкции и размеры их в плане требуется выбирать, с учетом совместной работы грунтов в основании и конструкций сооружения, при которой обеспечивались бы нормальные условия эксплуатации последних.
Поскольку деформации несущего слоя основания зависят от характера нарушения их природного состояния, необходимо во время строительства стремиться сохранять структуру грунтов основания.
При глубоком изучении предлагаемого курса выпускники вузов будут уметь:
правильно оценивать возможные геодинамические процессы, свойства грунтов, возможность их деформации и потери устойчивости под действием нагрузок:
разрабатывать меры по уменьшению или исключению воздействия геодинамических процессов на возводимые сооружения;
улучшать в случае необходимости строительные качества грунтов для возможности использования их в основании;
определять рациональные размеры фундаментов и вид подземных конструкций сооружений;
выбирать методы устройства фундаментов, при которых не нарушилась бы структура грунтов в основании в период строительства.
Стоимость работ по подготовке оснований и устройству фундаментов обычно составляет 5... 10 % от общей стоимости здания, при сложных грунтовых условиях она может превысить 20%. Это свидетельствует о важности изучения перечисленных основных задач курса.
4. Роль отечественных ученых в развитии науки инженерной геологии, механики грунтов, оснований и фундаментов. Еще в I в. до н. э. римский архитектор и инженер Витрувий в трактате «Десять книг об архитектуре» подчеркивал важность устройства надежных фундаментов, включая свайные. По мере увеличения веса. возводимых сооружений строители стали уделять, вопросам фундаментрстроения и оценке деформации грунтов в основании все большее внимание. Первой капитальной теоретической работой по механике грунтов следует считать теорию Кулона (1773 г.) о давлении грунтов на подпорные стенки. В современной постановке теория предельного равновесия грунтов развита советскими исследователями В. В, Соколовским, В. Г. Березанцевым, М. В. Малышевым и др.
Большой вклад в развитие инженерной геологии сделали В. Д. Ломтадзе, В. В. Охотин, В. А. Приклонский, Ф. П. Саваренский, Е. М. Сергеев, М. И. Сумгин и др.
Разработка вопросов оценки деформаций грунтов и расчета осадки фундаментов, начатая за рубежом К. Терцаги, получила в нашей стране в связи с огромным строительством значительное развитие в трудах Н. М. Герсеванова, Н. А. Цытовича, В. А. Флорина, Н. Н. Маслова, М. Н. Гольдштейна, К. Е. Егорова, Б. И. Далматова и многих других отечественных ученых. Исследования ползучести грунтов освещены в работах С. С. Вялова, С. Р. Месчана, Ю. К. Зарецкого, А. Я. Будима и др.
Выполнено много работ по оценке свойств и деформируемости структурно неустойчивых грунтов. Деформациям вечно-мерзлых грунтов посвящены работы Н. А. Цытовича, С. С. Вялова и др.; лессовых грунтов — работы Ю. М. Абелева, Н. Я. Денисова, А. К. Ларионова и др.; торфянистых грунтов — работы Л, С, Аморяна, Н. Н. Морарескула и др. Деформируемость грунтов при динамических воздействиях исследовалось Д. Д. Барканом, П. Л. Ивановым, Н. Н. Масловым и др.
В области расчета фундаментных балок и плит на упругом основании заслуживают внимания работы М. И. Горбунова-Посадова, И. А. Симвулиди, Б. Н. Жемочкина, А. П. Синицина и др.
Многочисленные исследования посвящены оценке совместной работы несущих конструкций сооружений с деформируемым основанием. Этим вопросом, в частности, занимались Б. Д. Васильев, С. И. Клепиков, Д. Е. Польшин, А. Б. Фадеев и др.
Эти и многие другие работы, выполненные советскими учеными, послужили основой для создания теории расчета и норм проектирования оснований по предельным состояниям.
За последние 30 лет фундаменты на естественном оснований во многих случаях вытеснены свайными фундаментами. Большой вклад в развитие расчетов и применения свайных фундаментов внесли А. А. Бартоломей, Б. В. Бахолдин, Н. М. Герсеванов, В. Н. Голубков, Б. И. Далматов, Ф. К. Лапшин, А. В. Паталеев, Ю. В. Россихин, Ю. Г. Трофименков и др. В последнее время все шире применяются сваи, изготовляемые в грунте (набивные). Этому способствовали исследования, проведенные Е. Л. Хлебниковым, А. А. Лугой, Ф. К. Лапшиным Е. М. Перлеем и др.
5. Значение науки механики грунтов, оснований и фундаментов в век технического прогресса. В настоящее время возводятся все более высокие здания и тяжелые сооружения. Кроме того, в промышленных зданиях часто устанавливается уникальное оборудование, не допускающее сколько-нибудь ощутимых взаимных смещений. То и другое заставляет предъявлять особые требования к основаниям и фундаментам, что обусловливает удорожание строительства, так как нагрузку от фундаментов приходится передавать на более плотные грунты. Однако при правильном прогнозе совместной деформации грунтов и конструкций возводимого сооружения можно найти решение, обеспечивающее требуемую надежность. Поэтому перед специалистами стоят задачи разработки методов прогноза с требуемой точностью совместной деформации надземных конструкций и основания.
Наиболее сложно решаются вопросы передачи нагрузки на основание при реконструкции зданий и предприятий.
Строителям все чаще приходится заглублять различное оборудование в грунт и даже устраивать подземные этажи. В таких случаях грунты не только воспринимают давление от сооружений, но и сами создают нагрузку на боковые поверхности заглубленных в грунт конструкций, т. е. являются средой, в которой приходится возводить такие конструкции. Это расширяет задачи, решаемые при устройстве подземных частей сооружений.

Таким образом, при проектировании и возведении фундаментов и заглубленных в грунт частей сооружений инженер-строитель должен правильно оценивать инженерно-геологические условия площадки строительства, уметь решать задачи не только с позиции совместной работы сооружений с основаниями, но и в части оценки грунтов как среды, в которой возводятся конструкции.


читать далее »

− 1.1.2. Составные части грунтов

1.1.2.   Составные части грунтов
В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц (твердых тел), воды (жидкого тела) и воздуха или иного газа (газообразного тела), т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.
Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5% в пылевато-глинистых грунтах), существенно отражается на его свойствах.


читать далее »

− 3.3.1. Мерзлые и вечномерзлые грунты. Формы залегания, свойства и процессы, развивающиеся в них. Основные определения

3.3.    Мерзлые и вечномерзлые грунты. Формы залегания, свойства и процессы, развивающиеся в них
3.3.1.   Основные определения

Почти на всей территории нашей страны температура воздуха зимой опускается ниже 0°С. В результате действия отрицательной температуры в течение длительного периода времени грунт с поверхности промерзает, превращаясь в мерзлый.
Мерзлыми называют грунты с отрицательной температурой, часть поровой воды в которых находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Известно, что неминерализованная вода замерзает при 0°С. Грунты же при такой температуре замерзают только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзают при более низких температурах.
На большей части территории нашей страны грунт, промерзший зимой, летом оттаивает. Однако многие районы севера и северо-востока имеют среднегодовую температуру воздуха ниже 0°С. При среднегодовой температуре воздуха ниже —2°С грунт, промерзший за зиму, часто не успевает оттаять летом. Это может приводить к накоплению мерзлого грунта под деятельным слоем (слоем сезонного промерзания и оттаивания), т. е. образованию слоя вечномерзлого грунта. Большая же часть слоя вечномерзлого грунта образовалась в период обледенения земли.

К вечномерзлым относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет (обычно столетий и даже сотен тысяч лет). Этим они отличаются от так называемых перелетков (рис. 3.3,а), образующихся в виде слоя мерзлого грунта небольшой толщины чаще всего при наступлении периодов с температурой ниже среднегодовых или вследствие временного изменения местных условий промерзания. В дальнейшем, когда наступают более теплые годы, перелеток оттаивает. К местным условиям промерзания относятся: толщина и время образования снежного покрова, наличие и характер растительности, заболоченность, направление склона местности относительно стран света, интенсивность солнечной радиации и др.

Картинка

Рис. 3.3. Схемы расположения слоев грунта 1 — деятельный слой  (слой сезонного промерзания и оттаивания); 2 — перелеток; 3 — талый грунт; 4 — вечномерзлый грунт; 5 — слой талого грунта, не промерзающего зимой


Обычно поверхностный слой грунта ежегодно промерзает и оттаивает. Его часто называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта. Различают деятельный слой сливающийся (рис. 3.3,б), когда грунт промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта, и несливающийся (рис. 3.3,в), когда грунт не промерзает до указанной границы.


читать далее »

− 3.3.3. Явления, происходящие при замерзании грунта

3.3.3.   Явления, происходящие при замерзании грунта

Если образец талого пылевато-глинистого грунта поместить в морозильную камеру и наблюдать за изменением его температуры, то полученная после построения графика характерная кривая будет иметь четыре участка (рис. 3.5,а). Участок АВ соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Участок ВС характеризует резкое повышение температуры грунта, связанное с кристаллизацией части воды в образце, до значения Tbf, соответствующего началу замерзания. Участок CD, параллельный оси времени t, характеризует переход значительной части поровой воды в лед. После этого происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего образца (участок DE). В такой период в порах грунта замерзает вода, не замерзшая при Tbf.

 

Картинка


Рис. 3.5. Графики процесса замерзания грунта (а) и содержания незамерзшей воды при различных отрицательных температурах (б) для образцов 1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески

 

Наличие в мерзлом грунте незамерзшей воды подтверждают калориметрические опыты с образцами грунта, замороженными и выдержанными при определенной температуре. Если образцы поместить в калориметр с водой и измерить количество калорий, потребных для их оттаивания, то по скрытой теплоте плавления льда можно определить содержание в них льда. По данным, полученным в таких опытах, находят количество незамерзшей воды при соответствующей температуре. Серия опытов с замороженными и выдержанными при различных температурах образцами позволяет построить график содержания незамерзшей воды в различных грунтах (рис. 3.5,б). Такие опыты показывают, что чем мелкодисперснее грунт, тем больше незамерзшей воды содержится в нем при данной температуре. С понижением температуры количество незамерзшей воды уменьшается. Однако даже при очень низких температурах (—70°С и ниже) небольшое количество воды в пылевато-глинистых грунтах находится в незамерзшем состоянии. Наличие в мерзлом грунте незамерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).

Картинка

Рис. 3.6. Схема миграции влаги к фронту промерзания

 

При строительстве часто приходится учитывать морозное пучение - возможность увеличения объема грунта при промерзании. Пучению подвержены пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Это явление лишь частично объясняется тем, что объем воды, содержащейся в грунте, увеличивается при ее замерзании приблизительно на 9 %. При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышало бы 3...4%. В то же время опыты и наблюдение в натуре показывают, что объем грунта при его промерзании иногда увеличивается на 50 и даже 100%. Рост объема грунта при его промерзании сопровождается резким увеличением влажности грунта
с образованием в нем льда в виде линз и других включений. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерзания из нижележащих слоев. Миграция влаги (рис. 3.6) зависит главным образом от движения пленочной воды 4, окружающей твердые частицы вследствие разности сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц у фронта промерзания (где толщина гидратных оболочек 2 резко уменьшается из-за включения молекул воды в состав растущих кристаллов льда 1) и несколько ниже границы промерзания, а также от движения свободной воды по капиллярам.

Аналогичное пучение происходило в процессе образования верхних слоев вечномерзлого грунта. При протаивании этих слоев, а также грунтов, содержащих клинья и слои льда толщиной в несколько метров, неизбежны значительные просадки. Поэтому по мере протаивания вечномерзлых грунтов в основании зданий и сооружений часто наблюдаются просадки, приводящие к их деформации или даже разрушению.


читать далее »

− 8.3.4. Состояние вечномерзлых грунтов

8.3.4.   Состояние вечномерзлых грунтов

Вечномерзлые грунты могут находиться в твердомерзлом, пластично-мерзлом или сыпучемерзлом состоянии.
Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом. При относительно быстром приложении нагрузки происходит их хрупкое разрушение. Под действием нагрузок от сооружений такие грунты практически не сжимаются (модуль деформации E0 > 100 МПа). Незаселенные грунты находятся в твердомерзлом состоянии при температуре ниже Ts. g, соответствующей переходу грунта из пластичного в твердомерзлое состояние. Ниже приводятся значения Ts.g, °С, для грунтов:

Картинка


Для заторфованных и засоленных грунтов значение Ts. g определяется экспериментально.
Пластично-мерзлые грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Они характеризуются достаточно большой сжимаемостью (E0 < 100 МПа). Температура пластично-мерзлых песчаных грунтов колеблется в пределах от температуры начала замерзания Тbf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Ts. g.

Сыпучемерзлые грунты — это грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью ωtot ≤ 0,03.


читать далее »

− 3.3.5. Процессы, происходящие в деятельном слое (сезонного промерзания и оттаивания)

3.3.5.   Процессы, происходящие в деятельном слое (сезонного промерзания и оттаивания)

К ним относятся: значительные колебания температуры; промерзание и оттаивание грунтов; морозное пучение грунтов; миграция влаги к фронту промерзания; перемещение влаги под действием гидравлического градиента; образование морозобойных трещин; сползание грунта по склонам (солифлюкция); поверхностные оползни.
Колебания температуры по глубине деятельного слоя 1 и слоя вечномерзлого грунта 2 (рис. 3.7) легко зафиксировать, измеряя температуру на разных глубинах в течение года в скважине  результаты измерений приведены на рисунке, римскими цифрами указаны месяцы). Наибольшие колебания температуры испытывает самый верхний слой. С глубиной колебания уменьшаются, и ниже некоторой границы 3 температура практически постоянна. Эту границу называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры.

 Картинка


Рис. 3.7. Распределение температуры в пределах толщины сливающегося деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта (за начало координат принята температура начала замерзания грунта)

 

График колебаний температуры демонстрирует и ход промерзания и оттаивания грунтов, залегающих выше границы оттаивания 4. Согласно наблюдениям, грунт промерзает преимущественно сверху. Однако при сливающемся деятельном слое имеет место небольшое промерзание грунта и снизу, от верхней границы вечномерзлого грунта. Оттаивание грунта происходит только сверху.
В ходе промерзания влажных пылевато-глинистых грунтов и пылеватых мелких песков, как правило, происходит морозное пучение грунта, которое является следствием увеличения объема воды при переходе ее в лед и миграции влаги из нижних горизонтов к фронту промерзания. Морозное пучение в случае сливающегося деятельного слоя весьма ограничено и чаще всего не превышает 3 % его толщины. Однако, если происходит движение надмерзлотной грунтовой воды или деятельный слой не промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта, то морозное пучение может достигать десятков процентов толщины этого слоя и оказывать значительное влияние на конструкции, расположенные в пределах его интенсивного воздействия. Эти конструкции (при недостаточной их заделке в вечно-мерзлом грунте) в ходе промерзания поднимаются силами пучения вверх, весной же они не могут перемещаться вниз вместе с оседающим грунтом, который оттаивает сверху, так как удерживаются еще не стаявшей частью деятельного слоя, а иногда и слоем вечномерзлого грунта. Следствием этого является выпучивание конструкций, заглубленных в грунт (столбов, фундаментов и др.). Перемещение влаги под действием гидравлического градиента свойственно надмерзлотным, межмерзлотным и подмерзлотным грунтовым водам.
Надмерзлотные грунтовые воды, обычно перемещающиеся только при уклоне местности, приурочены к слоям песка, супеси и других хорошо фильтрующих грунтов При несливающемся деятельном слое они могут находиться в слое талого грунта. Эти воды оказывают существенное влияние на миграцию влаги к фронту промерзания и способствуют морозному пучению грунтов деятельного слоя.
Межмерзлотные подземные воды находятся между двух слоев вечномерзлого грунта. Обычно они служат путями для выхода подмерзлотных вод на поверхность земли или в деятельный слой.
Подмерзлотные подземные воды, расположенные под слоем вечномерзлого грунта, имеют значение при устройстве фундаментов только в случае выхода вод через талики в деятельный слой и питания ими надмерзлотных вод.

Картинка

Рис. 3.8. Схема образования грунтовой наледи на склоне местности
1—промерзший слой грунта; 2 — водоносный непромерзший слой грунта; 3 — перемещающиеся  по склону  грунтовые воды;  4 — слой вечномерзлого  грунта;  5 —грунтовая наледь

 

При наличии подземных вод всех видов создаются условия для образования грунтовых наледей. Даже при небольшом уклоне местности надмерзлотные воды 3 перемещаются вниз по склону (рис. 3.8). Если грунт, например под дорогой, промерзнет до верхней границы вечномерзлого грунта раньше, чем на остальной территории, покрытой растительностью и снегом, то между промерзшим слоем 1 и слоем вечномерзлого грунта 4 в непромерзшем слое 2 будут скапливаться грунтовые воды 3 с повышением давления. Под действием этого давления промерзший слой может быть поднят и сломан в слабом месте. После этого вода начнет вытекать через трещину, образуя грунтовую наледь 5. В некоторых случаях разрыва промерзшего слоя не происходит, но он поднимается вверх в виде холма, и под ним образуется линза льда.
Кроме рассмотренной, возможны и другие причины образования грунтовых наледей. Так, наледи могут образовываться в местах выхода на поверхность межмерзлотных и подмерзлотных грунтовых вод, а также вследствие замкнутости объема обводненного грунта, поскольку промерзание воды в песке приводит к ее отжатию от фронта промерзания. Отжатие же, в свою очередь, создает гидростатическое давление, вызывающее поднятие промерзшего слоя в отдельных местах.
Как уже было сказано, в верхней части промерзшего слоя температура грунта сильно понижается (см. рис. 3.7). В таком случае грунт ведет себя как твердое тело, т. е. уменьшается в объеме. Это приводит к небольшому опусканию поверхности грунта по вертикали и к возникновению в нем напряжений растяжения в горизонтальном направлении. Под воздействием этих напряжений в грунте образуются морозобойные трещины. Их образованию способствует изгиб промерзшего слоя, так как в верхней части он сжимается в результате снижения температуры больше, чем у границы промерзания. В то же время изгибу промерзшего слоя препятствует момент, возникающий от действия его веса. В результате указанных причин образующиеся в промерзшем слое трещины сначала имеют небольшую ширину раскрытия, затем по мере понижения температуры они получают развитие. Особенно неблагоприятно воздействие морозобойных трещин на линейные сооружения (трубопроводы, подземные кабели и др.)—оно приводит к их разрушению.

 

Картинка


Рис. 3.9. Схема перемещения частицы грунта, находящейся на поверхности откоса

 

Солифлюкция — медленное сползание грунта по склонам происходит в условиях пучинистых грунтов. Причиной этого процесса является поднятие частиц грунта, расположенных У поверхности земли по нормали к ней при промерзании и раз-Витии пучения (например, из точки А в точку В — рис. 3.9) и опускание их при оттаивании под действием сил гравитации по вертикали вниз (из точки В в точку С). В результате за один год частицы грунта из точки А переместятся в точку С. Аналогичная картина будет наблюдаться в пределах всего склона. Частицы грунта, расположенные на некоторой глубине, будут совершать такое же движение, но с меньшей интенсивностью. Это ведет к затуханию перемещения грунта по склону с глубиной. Явление солифлюкции оказывает отрицательное воздействие на линейные сооружения, прокладываемые на склонах.
На. откосах крутизной 1:1,5 и 1:2, кроме солифлюкции, весной наблюдается образование поверхностных оползней (сползание части слоя сезонного оттаивания). Они вызываются следующими причинами. При промерзании грунта происходит миграция влаги в верхние горизонты деятельного слоя. В результате верхняя его часть переувлажняется. В процессе оттаивания переувлажненные грунты легко сползают по слою еще мерзлого грунта. Этому способствует наличие прослоев и линз льда, совпадающих по направлению с направлением откоса. Исследования, выполненные Н. К. Захаровым в ЛИСИ, показали, что в процессе оттаивания суглинков их сопротивление сдвигу может уменьшаться примерно на 50 %.
Таким образом, в пределах деятельного слоя протекает одновременно много процессов, которые необходимо учитывать при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов.


читать далее »

− 3.3.6. Процессы, происходящие в слое вечномерзлого грунта

3.3.6.   Процессы, происходящие в слое вечномерзлого грунта
В пределах этого слоя протекают следующие процессы: колебания отрицательной температуры в верхней части слоя до границы нулевых амплитуд сезонных колебаний; образование морозобойных трещин и клиньев льда; развитие термокарстовых просадок; оттаивание слоя при изменении теплового режима на поверхности земли.
Согласно рис. 3.7 в верхней части слоя вечномерзлого грунта при сливающемся деятельном слое температура ежегодно изменяется от соответствующей началу замерзания до некоторого отрицательного значения, существенно меньшего температуры нулевых амплитуд сезонных колебаний.
Такие колебания температуры сопровождаются, в частности, линейными изменениями массива мерзлого грунта в горизонтальном направлении, способствующими образованию морозобойных трещин.
Морозобойные трещины, возникшие в деятельном слое, проникают и в слой вечномерзлого грунта, однако здесь ширина их раскрытия незначительна. Тем не менее они играют большую роль в образовании и росте клиньев льда. С наступлением весны талые воды стекают по морозобойным трещинам в слой вечномерзлого грунта, где и замерзают. Наблюдения показывают, что морозобойные трещины образуются из года в год на одном и том же месте. В связи с этим в вечномерзлый грунт ежегодно проникает некоторое количество воды, превращающейся в лед. Накопление его приводит к росту клиньев льда.
Наличие в верхней части слоя вечномерзлого грунта большого количества прослоев и клиньев льда создает условия для проявления термокарста.
Термокарстовые просадки развиваются даже при казалось бы незначительном изменении на поверхности земли условий для проникания тепла в грунт (уничтожение растительного и мохового покрова и др.). Увеличение количества тепла, проникающего в грунт, приводит к интенсивному таянию вечномерзлого грунта вместе с имеющимися в нем включениями льда. Это вызывает опускание дневной поверхности часто на несколько метров. При отсутствии стока воды на этом месте образуется термокарстовое озеро, способствующее еще более глубокому протаиванию слоя вечномерзлого грунта.
Опыт строительства показывает, что застройка территорий зачастую приводит к увеличению глубины оттаивания грунтов и, таким образом, к просадке поверхности грунта. Еще большее оттаивание происходит под отапливаемыми зданиями, выделяющими тепло, в т. ч. и в грунт. В результате возникает значительная просадка фундаментов, которая иногда сопровождается полным разрушением зданий.
Таким образом, строить на сильнольдистых грунтах без принятия мер по сохранению их вечномерзлого состояния недопустимо.


читать далее »

− 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.


читать далее »
« Список меток