Мерзлые грунты

Мерзлыми называют грунты, которые имеют отрицательную или нулевую температуру и в которых лед цементирует минеральные частицы. Различное распределение льда в мерзлых грунтах (льда-цемента, льда в виде включений-прожилок, прослоек) определяет их строение – структуру и текстуру (рис. 6.1).

Различают следующие наиболее характерные типы текстур мерзлых грунтов: слитная (массивная), когда лед в виде цемента относительно равномерно распределен в грунте (поровый лед); слоистая, если лед расположен в виде параллельных прослоек, линз, прожилок в грунте; сетчатая, когда лед выделяется в виде взаимно пересекающихся прослоек, жил и линз.

Физические свойства мерзлых грунтов. Для оценки их физического состояния необходимо определить экспериментальным путем основные характеристики: плотность мерзлого грунта естественной структуры , плотность твердых минеральных частиц , суммарную влажность мерзлого грунта W (влажность грунта между включениями льда плюс влажность грунта за счет включений льда).

Плотность мерзлого грунта равна отношению массы образца к его объему. Плотность твердых частиц мерзлого грунта определяется с помощью пикнометра, как для талых грунтов. Суммарная влажность мерзлого грунта равна отношению массы всех видов воды к массе твердых частиц. Пористость и коэффициент пористости мерзлых грунтов имеют тот же смысл, что и для талых грунтов.

Механические свойства мерзлых грунтов зависят от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности действия нагрузки. Наличие в мерзлых грунтах незамерзшей воды (прочносвязанной воды, замерзающей при весьма низких температурах) вызывает пластическое течение деформаций от действующих нагрузок. Количество незамерзшей воды при одинаковых температурах всегда больше в глинах, чем в песках; этим, наряду с жесткостью скелета, может быть объяснена повышенная прочность мерзлых песков против мерзлых глин (рис. 6.2, 6.3).

Следует различать сопротивление мерзлых грунтов действию мгновенным и длительно действующим нагрузкам. Прочность при мгновенном действии нагрузок в 8 – 10 раз больше, чем при длительном действии (рис. 6.4).

При проектировании зданий и сооружений используются значения предельно длительной прочности мерзлых грунтов R_∞, определяемые экспериментально, которые значительно меньше мгновенной прочности R_м.

Оттаивание грунтов сопровождается разрушением льдоцементационных связей при переходе льда в воду. При этом резко уменьшается как сцепление с грунтов, так и их угол внутреннего трения . Поэтому характеристики прочности оттаивающего грунта необходимо определять экспериментально.

а) б)

Рис. 6.4. Зависимость прочности мерзлого грунта: а – от времени действия

и нагрузки; б – от температуры

При оттаивании льдистых грунтов возникают осадки оттаивания – просадки. Внешняя нагрузка вызывает осадки уплотнения при оттаивании, происходящие за счет уменьшения пористости оттаивающего грунта. По данным компрессионных испытаний мерзлых грунтов с оттаиванием находят коэффициент просадочности образца грунта, содержащего включения льда:

, (6.1)

где h_f и h_fh – высота образца в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

Найдя несколько значений при разных внешних давлениях, строят график (рис. 6.5).

Зависимость этого графика описывается выражением

, (6.2)

где A_th – коэффициент оттаивания, характеризующий осадку грунта без нагрузки; – коэффициент относительной сжимаемости оттаивающего грунта .

Из выражения (6.2) видно, что осадка мерзлых грунтов при оттаивании состоит из осадки оттаивания и величины – осадки уплотнения.

, (6.3)

здесь h – мощность слоя.

Морозное пучение связано с увеличением объема влажного грунта при промерзании. В зимний период грунт, окружающий фундамент или сваю, смерзается с боковой поверхностью и в результате пучения стремится увлечь фундамент вверх. Фундамент вместе с сооружением может подняться на некоторую высоту. В летний период при оттаивании грунта деятельного слоя произойдет осадка фундамента. В результате циклического сезонного промерзания и оттаивания через несколько лет такой фундамент может быть «выпучен» из грунта на десятки сантиметров.

Уменьшение влияния сил морозного пучения может быть достигнуто применением комплекса мер по регулированию температурно-влажностного режима (осушение грунтов с помощью дренажа, отвод поверхностных вод и понижение уровня подземных вод, утепление грунтов около фундаментов). Для уменьшения касательных сил пучения фундаменты в пределах деятельного слоя покрывают незамерзающими обмазками на основе битума или эпоксидной смолы. Можно применять противопучинистые засыпки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания.