Вечномерзлый грунт

    Плотность (объемная масса) мерзлого грунта равна  отношению массы образца g_g, находящегося в мерзлом состоянии, к его объему V_g, т.е. r_f = g_g / V_g, 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 r_s определяется с помощью пикнометра как для талых грунтов.

    Суммарная весовая влажность мерзлого грунта w_tot 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 w_tot 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 w_i и влажности грунта между включениями льда w_m. Последняя, в свою очередь, делится на две слагающие влажности, обусловленные наличием льда-цемента w_i.c и незамерзшей воды w_w. Следовательно:

    w_tot=w_i+w_m=w_i+w_i.c+w_w

    Если  известна суммарная влажность w_tot, найденная бороздковым способом, и влажность грунта w_m, установленная по образцу, тщательно отобранному между прослойками, то по их разности находят значение w_i=w_tot-w_m. Иногда при взятии образца грунта из вертикальной борозки тщательно замеряют толщину всех прослоек льда и по полученным данным находят значение w_i. Это позволяет определять величину w_m. Влажность, обусловленную льдом-цементом, находят по разности w_i.c=w_m-w_w. 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 w_m равным влажности на границе раскатывания, т. е. w_m=w_p.

    Количество  незамерзшей воды w_w ориентировочно можно определять по формуле СНиПа

      w_w=k_ww_p (1)

где k_w — коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта; w_p —влажность грунта на границе раскатывания (пластичности).

    Найдя по формуле (1) значение w_w для разных температур, можно построить график зависимости w_w от T.

    Зная  четыре основные характеристики грунта r_f, r_s, w_tot и w_w, можно вычислить ряд и других характеристик, необходимых при расчетах.

    А такие теплофизические характеристики грунта, как:

• теплопроводность мерзлого l_f и талого l_th грунтов;
• теплоемкость мерзлого С_f и талого С_th грунтов.

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.

1.6. Некоторые механические  свойства твердомерзлых  грунтов.

    Как показывают исследования, проведенные Н. А. Цикановичем, С. С. Вяловым, В. В. Докучаевым и другими учеными, сопротивление мерзлых грунтов различным видам загружения зависит от продолжительности воздействия нагрузки (рис.4, а) и температуры, при которой проводится опыт (рис. 4, б). Чем продолжительнее действует постоянная нагрузка, тем меньше длительная прочность грунта. Предел длительной прочности при данной температуре соответствует наибольшей бесконечно действующей нагрузке.

    Рис.  4. Зависимость прочности  мерзлого грунта от времени (а) и температуры (б) 

    При оценке работы грунтов в основании  под действием постоянных и временных  нагрузок приходится исходить из длительной прочности грунта, которая зависит  от температуры, льдистости и продолжительности действия нагрузки. Поскольку температура в верхней части слоя вечномерзлого грунта переменна и с глубиной понижается, задача учета всех факторов при использовании таких грунтов в основании чрезвычайно сложна.

    Если  при промерзании грунт испытывал  пучение, то при его оттаивании неизбежна просадка. По этой причине многие вечномерзлые грунты при оттаивании получают просадку – резко уменьшаются в объеме.

    При небольших толщинах включений льда, измеряемых долями миллиметра, практически  невозможно взять образец, в котором  присутствовал бы только лед-цемент. В то же время нельзя взять образец для испытания деформации грунта при оттаивании со средними значениями количества включений льда. В связи с этим применяют следующую методику определения характеристик деформируемости грунтов при оттаивании.

     Рис.  5. Испытание  грунта на оттаивание

    1 - кольцо одометра; 2 - направляющее кольцо; 3 - образец мерзлого грунта;

    4 - фильтрующий подогревающий штамп; 5 - днище; 6 - термопара.

    Опыт  с оттаиванием грунта проводят, как  обычно, с помощью предложенного  Н.А. Цытовичем одомера (рис. 5,а), который имеет стенки и днище из нетеплопроводимого материала. Используют одомеры больших размеров (площадь штампа 50…100 см²), чтобы отдельные включения не играли существенной роли. Образец грунта берут, по возможности, с минимальным числом линз и прослоек льда, точно вырезая его по одометру и загружая внешней нагрузкой при отрицательной температуре. После затухания деформаций штамп подогревают до полного оттаивания образца, что устанавливают по термопаре, вделанной в днище одометра. Затем прикладывают несколько ступеней нагрузок для определения сжимаемости грунта после оттаивания. После затухания деформаций штамп подогревают до полного оттаивания образца, что устанавливают по термопаре, вделанной в днище одометра. Затем прикладывают несколько ступеней нагрузок для определения сжимаемости грунта после оттаивания.

    По  результатам опыта строят кривую (рис. 5, б) относительных деформаций образца грунта e (отнесенных к первоначальному размеру образца). На этой кривой имеется вертикальный прямолинейный отрезок, длинна которого соответствует коэффициенту просадочности образца грунта, содержащего включения льда, при оттаивании. Этот коэффициент определяют по формуле:

      e_th=(h_f-h_th)/h_f,  (2)

где h_f и h_th – высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

    Такое испытание проводят несколько раз  при различных нагрузках на образец.

    Как известно, при сравнительно небольших  изменениях давления e_th линейно связаны с давлением, при котором произведено оттаивание. Поэтому зависимость e_th от внешнего давления р должна иметь вид прямой (рис. 5, в). Однако при грунтах, содержащих лед в виде включений, прямая часто не получается, так как испытываемые образцы содержат различное количество включений льда.

    Чтобы избежать таких расхождений и точно определить просадочность рассматриваемого слоя грунта, необходимо найти разность средней суммарной льдистости этого слоя i_tot, устанавливаемой при изысканиях, и суммарной льдистости каждого образца i_i,tot, испытанного при оттаивании. Тогда коэффициент просадочности данного слоя грунта при данной нагрузке будет

      e_th=Dn_th+( i_tot- i_i,tot),  (3)

где Dn_th — изменение пористости образца грунта, или относительная просадка при оттаивании под действием данной нагрузки: Dn_th=s_th/h_f; s_th – перемещение поршня при оттаивании:

s_th=h_f-h_th

    Найдя несколько значений e_th при разных внешних давлениях, можно построить график e_th. Эта зависимость описывается выражением

      e_th=A_th+dp,  (4)

где A_th —коэффициент оттаивания грунта; d —коэффициент относительной сжимаемости при оттаивании.

    Зная  коэффициенты A_th и d, определяют осадку фундаментов в процессе оттаивания 

    2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  И СТРОИТЕЛЬСТВА  ФУНДАМЕНТОВ НА  ТЕРРИТОРИЯХ, СЛОЖЕННЫХ  ВЕЧНОМЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ

    Основания и фундаменты зданий и сооружений, возводимых на территории распространения вечномерзлых грунтов, проектируются на основе результатов инженерно-геологических изысканий и исследований, выполненных в соответствии с требованиями СНиП, государственных стандартов и других нормативных документов, по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов для строительства, а также с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей проектируемых зданий и сооружений.

    Непременным условием проектирования объектов строительства  в районах распространения вечномерзлых грунтов является охрана природы. Изменение естественных условий при строительном освоении участка может привести к самым различным мерзлотным процессам: например, нарушение естественного растительного покрова — вызвать прогрессирующее протаивание вечномерзлых грунтов, что при сильнольдистых грунтах сопровождается явлениями термокарста; вырубка леса — привести к эрозии почв; обнажение и подработка склонов—к развитию солифлюкции, образованию наледей и др.

    В результате освоения территории застройки, а также при эксплуатации возведенных зданий и сооружений, коммуникаций и устройств, изменений в растительном и снежном покровах, устройстве водоемов возможны изменения мерзлотно-грунтовых условий. Общие изменения выражаются в основном в повышении или понижении среднегодовой температуры грунта, изменении глубин сезонного промерзания—оттаивания, образовании перелетков, развитии термокарста и других мерзлотных явлений и процессов. Эти изменения происходят в результате перераспределения толщины снежного покрова па территории застройки, удаления растительности и действия других факторов, связанных с освоением и инженерной подготовкой участка строительства. Эти закономерности устанавливаются по данным изысканий. Локальные изменения вызываются местными источниками прогрева или охлаждения грунта, они распространяются в пределах небольших участков и устанавливаются проектной организацией на основании расчетов теплового взаимодействия зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами.

    При выборе строительных площадок желательно избегать участков с подземными льдами или с вечномерзлымн грунтами, льдистость которых больше 0,6, а также площадок, подверженных оползням и карсту. При необходимости их застраивания требуется проведение специальных исследований, которые позволяют обосновать решения, исключающие появление термокарста и других мерзлотных процессов и явлений, опасных для устойчивости зданий и сооружений в этих районах.

    Нормы (СНиП 11-18—76) рекомендуют два принципа проектирования и строительства  на территориях, сложенных вечномерзлыми грунтами:

• принцип I — в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации;
• принцип II — в основании зданий и сооружений используются предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаивающие в период эксплуатации (следовательно, по принципу II вечномерзлое состояние грунтов не сохраняется).