Вечномерзлый грунт

    1. СВОЙСТВА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ  ГРУНТОВ.

1.1. Мерзлые и вечномерзлые  грунты.

    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. 1, а), образующихся в виде слоя  мерзлого грунта небольшой толщины  чаще всего при  

    Рис. 1. 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.

наступлении периодов о 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.

    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. 1, 6), когда грунт промерзает до верхней границы слоя  вечномерзлого  грунта,  и  не сливающийся (рис. 1, в), когда грунт не промерзает до указанной границы.

1.2. Формы  залегания вечномерзлых  грунтов

      Характер распространения и мощность  слоя вечномерзлых грунтов в  значительной степени определяются  местными условиями промерзания  и среднегодовой температурой  воздуха. В связи с этим в  одном и том же районе этот слой может встречаться на одних площадках и отсутствовать на других (соседних). При рассмотрении районов, расположенных по одному меридиану, в направлении с юга на север отмечается увеличение мощности слоя вечномерзлых грунтов, которая достигает в северных районах сотен метров. В южных районах распространено островное залегание вечномерзлых грунтов с толщиной слоя 20...50 м. Севернее наблюдается кружевное залегание вечномерзлых грунтов. Здесь много таликов, т. е. площадок, где слой вечномерзлых грунтов отсутствует. Далее на север эти талики постепенно разобщаются, уменьшаются и, наконец, пропадают. Еще севернее наблюдается сплошное залегание вечномерзлых грунтов с толщиной слоя обычно более 100 м. В этих районах талики по всей глубине залегания вечномерзлых грунтов встречаются лишь под большими реками и озерами. 

    Рис. 2. Морозные текстуры грунта

    Мерзлые и вечномерзлые грунты могут иметь  слитную, слоистую и ячеистую (сетчатую) морозную (криогенную) текстуру.

    Грунты  слитной морозной текстуры, (рис. 2, а) содержат преимущественно лед-цемент без крупных включений. Иногда в таких грунтах имеются сравнительно небольшие включения льда в виде гнезд. Слитная текстура характерна для грунтов крупно-обломочных, гравелистых и всех песков, кроме пылеватых. Пылевато-глинистые грунты обладают слитной текстурой лишь при малой влажности.

    Слоистая  морозная текстура (рис. 2, 6) характерна для пылевато-глинистых грунтов  и пылеватых песков, находящихся в вечномерзлом состоянии. Такая текстура обнаруживается преимущественно в верхних слоях вечномерзлых грунтов до глубины 15...25 м и значительно реже на больших глубинах. Слоистая морозная текстура образуется при одностороннем промерзании сильно увлажненных грунтов и при подтоке (миграции) воды из нижних водоносных горизонтов. Строительные качества грунтов со слоистой текстурой обычно низкие.

    Ячеистая (сетчатая) морозная текстура (рис. 2, в) образуется при промерзании пылевато-глинистых грунтов, находящихся в сильно увлажненном состоянии, и в результате свободного подтока воды. Она характерна для верхней части деятельного слоя, если он сильно обводнен.

    В вечномерзлом грунте иногда имеются  весьма крупные включения льда в  виде линз и слоев толщиной в несколько метров или в виде клиньев. При застройке территорий эти включения можно рассматривать как горную породу.

1.3. 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, а).

    Участок АВ ответствует понижению температуры  с переохлаждением пороги воды. Участок ВС характеризует резкое повышение темпера туры грунта, связанное с кристаллизацией части воды в образце, до значения T_bf, 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 ОЕ). В такой период в порах грунта замерзает вода, не замерзшая при T_bf.

    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, 6). 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.).

    Рис.  3. Графики процесса замерзания грунта (а) и содержания незамерзшей  воды при различных  отрицательных температурах (б) для образцов:

    1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески

    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.

    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.

1.4. 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 Е₀ > 100 МПа). Незасоленные грунты находятся в твердомерзлом состоянии при температуре ниже Т_s,g, соответствующей переходу грунта из пластичного в твердомерзлое состояние.

    Для заторфованных и засоленных грунтов  значение Т_s,g определяется экспериментально.

    Пластично-мерзлые   грунты   сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Они  характеризуются достаточно большой  сжимаемостью (Е₀ < 100 МПа). Температура пластично-мерзлых песчаных грунтов колеблется в пределах от температуры начала замерзания Т_bf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Т_s,g.

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

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