Некоторые свойства мёрзлых грунтов

Мёрзлые грунты также относятся к структурно-неустойчивым основаниям. Если посмотреть на кару России, то примерно 48% ее территории занимают вечномёрзлые грунты.

Около 48% территории России занимают вечномёрзлые грунты.

• Замерзание.
• Мёрзлое состояние.
• Оттаивание.

Свойства этих состояний различны!

В 1930 г. Цытович Н.А. провел первые опыты по мёрзлым грунтам.

Следует привести также опыты Нерсесовой по процессу изменения температуры грунтов при промерзании:

В начальной стадии понижения температуры грунта ниже нуля возникает явление переохлаждения и образование мгновенных кристаллов льда – выделяется примерно 80 калл теплоты. Дальнейшие понижение температуры грунта происходит практически линейно.

1. Графическая интерпретация опытов Нерсесовой по определению температуры начала замерзания грунта.
2. Содержание плёночной и свободной воды в глинистом грунте.
3. При промерзании вокруг глинистых частиц остаются плёнки незамёрзшей воды.

Даже при при понижении температуры грунта до – 60 °С в глинистом грунте может оставаться незамёрзшая вода.

Связанная (незамёрзшая) вода находится в динамическом равновесии с температурой, т.е. её количество изменяется с изменением температуры.

Изменение содержания незамёрзшей воды в мёрзлом грунте в зависимости от содержания глинистых частиц.

Миграция - это передвижение воды в замерзающем грунте.

Схема миграции воды при замерзании песчаного и глинистого грунтов.

Для песчаных грунтов при промерзании происходит увеличение объёма воды примерно на 9% и миграция воды осуществляется от фронта промерзания. Пучение таких грунтов практически не происходит.

Для глинистых грунтов под действием осмотического давления молекулы воды начинают двигаться вверх. Миграция направлена к фронту промерзания и пучение таких грунтов может составить 20…30%.

Пучение – увеличение объёма грунта при его замерзании.

Характер развития пучения глинистого и песчаного грунта по экспериментальным данным.

На представленном графике приведены два характерных грунта:

1. Глинистый грунт (красная кривая). В этом случае в начале замерзания возникают незначительные усадочные деформации. Затем при дальнейшем понижении температуры происходит интенсивное увеличение объёма грунта (пучение).
2. Песок (пунктир), который является не пучинистым грунтом. Для такого грунта деформации при понижении температуры (замерзании) не происходят.

Мерзлый грунт содержит лёд, сравнимый по прочности с цементом, но свойства такого грунта не стабильны и зависят от температуры.

R = f(t °C) Большое значение для мёрзлого грунта имеет льдистость i определяемая выражением:

Где,

• W_c – суммарная влажность мерзлого грунта (определяется на основе опытных данных),
• W_нез – влажность за счет незамерзшей воды (определяется на основе опытных данных).

При:

• i = 0 – талый грунт;
• 0 ≤ i ≤ 1 пределы изменения льдистости;
• i = 1 – вся вода замерзшая (песок).

Мёрзлый песчаный грунт при оттаивании практически не претерпевает изменений. Для глинистого же (связного) грунта физический процесс оттаивания совершенно иной. В мёрзлом состоянии глинистый грунт представляет собой монолитную, сплошную систему, минеральные зерна которой объединены льдом. Прочность такой системы может составлять до 10 МПа и более (в зависимости от отрицательной температуры).

При оттаивании, связующая способность льда исчезает, грунт теряет свою монолитность (см. ниже расположенный рисунок), с резким снижением прочностных и деформационных характеристик, т.е. проявляет просадочные свойства.

Схема структурных изменений состояний мёрзлого и талого глинистого грунта и компрессионная зависимость при оттаивании.

Компрессионная осадка талого грунта

е_от – относительная просадка грунта при оттаивании.

е_от = А_о + m_oP

• А_о – коэффициент оттаивания (определяется на основе опытных данных);
• m_o – коэффициент сжимаемости при оттаивании (определяется на основе опытных данных).

После оттаивания, ранее мёрзлый глинистый грунт ведет себя как обычный (суглинок, супесь или глина) (см. компрессионную кривую талого грунта).