Характеристики основных физических свойств грунтов, как правило, определяются экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Другие характеристики свойств, вычисляются с использованием взаимосвязи полученных значений основных физических свойств по формулам (табл. 4.1.)
Мерзлые грунты являются четырехкомпонентной системой, состоящей и взаимодействующих между собой твер-твердых минеральных частиц, пластичных – льда, жидких – незамерзшей воды и газообразных. В связи с этим для вычисления основных физических характеристик однокомпонентных (массивы скальных пород) или квазиоднокомпонен-
тных (сыпучие грунты) грунтов достаточно одной характеристики – плотности частиц грунта , г/cм3, для двухкомпо-
нентной, двух: и естественной влажности, Wе, д.ед, для трехкомпонентной, трех: -
, Wе и плотности грунта естест-
Таблица 4.1
Взаимосвязь между показателями характеристик основных физических свойств мерзлых грунтов
Исходные характеристики | Характеристики, вычисляемые по формулам |
Плотность мерзлого грунта естественной (ненарушенной) структуры, ![]() ![]() ![]() | Влажность общая ![]() |
Относительная льдистость ![]() | |
Объемная льдистость ![]() | |
Плотность сухого грунта ![]() | |
Коэффициент пористости ![]() | |
Полная влагоемкость ![]() | |
Коэффициент водонасыщения ![]() | |
Объем газов в 1 см3 грунта ![]() | |
![]() | |
Масса ком-понент грунта, в см3 | твердых частиц ![]() |
льда ![]() | |
незамерзшей воды ![]() |
Примечание: К - относительное содержание частиц грунта и льда в единице объема, , - плотность льда и плотность воды.
венного сложения - , г/cм3, для четырехкомпонентых, четырех:
,
, суммарной влажности Wtot и количества незамерзшей воды ww, д.ед. [32, 42].
Плотность минеральных частиц грунта определяется пикнометрическим методом. При определении плотности частиц засоленного грунта воздушные поры удаляются не
кипячением, а вакуумированием. При отсутствии экспериментальных данных в расчетных моделях можно использовать следующие значения плотности минеральных частиц для песков - 2,66, супесей – 2,70, суглинков – 2,72 и для глин – 2,75 г/см3 [28, 32].
Плотность мерзлого грунта ненарушенного сложения является одним из основных характеристик, используемых в расчетных формулах механики и теплофизики мерзлых грунтов. Численное значение плотности мерзлого грунта зависит от плотности льда и минеральных частиц, незамерзшей воды и пористости. В связи с многообразием криогенного строения грунтов, при определении плотности мерзлых грунтов необходимо увеличивать размеры образцов правильной формы на порядок, в сравнении с толщиной шлира льда. В зависимости от типа криогенной текстуры применяются следующие методы: режущих цилиндров, обмера образцов правильной геометрической формы, взвешивания образцов в нейтральной жидкости, лунки, вытеснения нейтральной жидкости(метод Ведерникова), радиоизотопные.
Суммарная влажность мерзлого грунта Wtot выражается в долях единицы и принимается равной отношению всех видов воды и льда, содержащихся в мерз-
лом грунте, к массе сухого грунта (а для засоленных грунтов — к массе сухого» грунта и содержащихся в нем солей):
, (4.1)
где — влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, т. е. линз и прослоек льда;
- влажность
за счет льда–цемента (порового льда), – влажность за счет содержания незамерзшей воды при данной температуре;
- влажность минеральных прослоев грунта меж-
ду шлирами льда принимается равной сумме содержа-
щейся в мерзлом грунте воды за счет льда-цемента и незамерзшей воды
. Величину
определяют опытным путем [17, 19, 32, 44, ]
Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды определяют опытным путем как отношение массы незамерзшей при данной отрицательной температуре воды к массе сухого грунта. Наличие
в грунте связано с тем, что минеральные частицы, обладая большой поверхностной энергией, взаимодействуют с водой, изменяя ее структуру, состав и свойства. Такая адсорбированная на поверхности минеральных частиц вода не замерзает при отрицательной температуре. Поровый лед в мерзлой породе также обладает значительной поверхностной энергией и гидрофильностью и становится причиной образования вблизи поверхности тонкого слоя промежуточной фазы влаги. Количество незамерзшей воды зависит от температуры, гранулометрического, химического и минерального состава грунта [8, 12].
С уменьшением размеров частиц и повышением дисперсности содержание незамерзшей воды увеличивается в связи с ростом удельной активной поверхности грунтов. Поэтому при одной и той же температуре у песков значительно меньше, чем у супесей и глин (рис.4.2).
При понижении температуры выделяют интервалы интенсивных, среднеинтенсивных, слабоинтенсивных изменений содержания незамерзшей воды. В первом случае, изменение весовой влажности (содержание незамерзшей воды) при изменении t на 1°С составляет более 5 %. Величина термоградиентного коэффициента =
Ww/
составляет 0,5ºС-1. В этой области, расположенной вблизи 0°С, вымерзает вся слабосвязанная вода. Границы области соответствуют температуре замерзания рыхлосвязанной воды. Во втором случае термоградиентный коэффициет существен венно колеблется в пределах 0,2 >
>0,02ºС-1.
![]() | Рис. 4.2. Зависимость изменения содержания незамерзшей воды (Ww) от температуры для различных типов грунтов [32]: 1 – кварцевый песок; 2 – супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – глина, содержащая монтмориллонит |
Границы приведенной выше области соответствуют температуре замерзания рыхло- и прочносвязанной воды. В третьем случае фазовые переходы практически полностью отсутствуют, < 0,02ºС-1, а температура ниже температуры замерзания прочносвязанной воды.
Содержание незамерзшей воды в грунтах определяется калориметрическим, криоскопическим, контактным, гигроскопическим и другими методами [19].
Критические температуры перечисленных выше зон
в ряду супесь, суглинок, глина выглядят следующим образом. Температурная граница, ограничивающая первую зону: соответственно -4,5, -7,5 и -10,0ºС, вторую зону – -7,0, -11,0ºС, для глин она не устанавливается.
При отсутствии экспериментальных данных или необходимости получения экспресс информации о количес-
тве незамерзшей воды используются расчетные методы. Один из таких методов предложен в нормативном документе [37]. Рекомендованная в нем расчетная формула имеет следующий вид:
, (4,2)
где – коэффициент, принимаемый по таблице 4.2 в зависимости от числа пластичности
и температуры грунта
. грунта,
– влажность грунта на границе раскатывания, д.ед.
Таблица 4.2
Значение коэффициента
Грунты
(число пластич-ности ![]() | Коэффициента ![]() ![]() | |||||||
-0,3 | -0,5 | -1,0 | -2,0 | -3,0 | -4,0 | -6,0 | -8,0 | |
Песок (![]() | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
Супеси
(![]() | 0,60 | 0,50 | 0,40 | 0,35 | 0,33 | 0,30 | 0,28 | 0,26 |
Суглинки (![]() | 0,70 | 0,65 | 0,60 | 0,50 | 0,48 | 0,45 | 0,43 | 0,41 |
Суглинки
(![]() | * | 0,75 | 0,65 | 0,55 | 0,53 | 0,50 | 0,48 | 0,46 |
Глины (![]() | * | 0,95 | 0,90 | 0,65 | 0,63 | 0,63 | 0,58 | 0,56 |
*в порах грунта вся вода находится в незамерзшем состоянии
Температура начала замерзания воды в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора , д. ед., оп-
ределяемой по формуле:
(4.3)
где - устанавливается по [6].
Теплофизические свойства грунта. К параметрам, характеризующим теплофизические свойства грунтов относят: соответственно коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта в талом ,
и
и мерзлом
,
,
стояниях.
Таблица 3.4
Температура начала замерзания грунта tbf , ºС
Грунты | Температура tbf, ºС, при концентрации порового раствора Сps, дол. ед. | |||||
0,000 | 0,005 | 0,010 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | |
Пески | -0,0 | -0,6 | -0,8 | -1,6 | -2,2 | -2,8 |
Супеси | -0,1 | -0,6 | -0,9 | -1,7 | -2,3 | -2,9 |
Суглинки и глины | -0,2 | -0,6 | -1,1 | -1,8 | -2,5 | -3,2 |
Теплоемкость грунтов величина аддитивная и может быть получена расчетным путем при знании весового содержаний составляющих компонент грунта и значений их удельных теплоемкостей. Удельная теплоемкость грунта это количество тепла, необходимого для повышения температуры 1 г грунта на 1ºС, объемная – количество тепла для повышения температуры 1 см3 на 1ºС [39]
Объемная теплоемкость грунта является суммой теплоемкостей за счет минерального скелета, льда и незамерзшей
воды:
(4.4)
(4.5)
где ,
,
- соответственно удельная теплоемкость ске-
лета грунта (глин – 0,71, суглинков - 0, 77, супесей – 0,83, песка – 0, 88), воды – 4,19, льда – 2,09, кДж/(кгºС).
Характеристикой теплопроводности грунтов является коэффициент теплопроводности, характеризующий способ-
ность грунтов проводить тепло. Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, проходящего в 1 с через площадь в 1 см2 слоя грунта толщиной в 1 см, при раз
ности температуры (градиенте) на поверхностях, равном 1ºС.
Для горных пород коэффициент теплопроводности изменяется: от 1,2 до 17,0 для воды при изменении температуры от 0 до 40 ºС; от 2 до 2,3, для льда при изменении температуры от 0 до -80 ºС; от 8 до 8,5 КДж/(м ч ºС).
Значения коэффициентов теплопроводности грунтов можно вычислить по формулам (табл. 4.5) и определить
по таблице в СНиП 2.02.04.-88[45].
Таблица 4.5.
Формулы для оценки коэффициентов теплопроводности талых и мерзлых грунтов
Тип грунта | Формула |
Крупноб- ломочные [46] | ![]() |
Пески [42] | ![]() |
![]() | |
Супеси [42] | ![]() |
![]() | |
Суглинки и Глины [42] | ![]() |
![]() |
Примечание: - плотность талого и мерзлого грунта, кг/м3; w,wm – влажность талого грунта и мерзлого грунта между ледяными включениями, д. ед.;
-льдистость включений, д.ед., Vк – соответственно объем крупнообломочной составляющей в объеме V крунообломочного грунта, k =
,
- соответственно коэффициент теплопроводности крупнообломочных грунтов – эффективной и составляющих: крупнообломочной - глыб, щебня, дресвы (по значениям коэффициентов теплопроводности для пород их образующих) и мелкодисперсной - песка, супеси, суглинка и глины [37].
Температуропроводность грунтов характеризует
способность изменять температуру в данной точке, под
воздействием изменившейся в соседней точке этого же грунта. Коэффициент теплопроводности а, является характеристикой скорости выравнивания температуры в различных точках температурного поля массива грунта. Изменение его значения характеризует скорость нагревания или охлаждения массива грунта. Количественное значение, а можно вычислить по формуле:
, (4.6)
где а, можно получить для мерзлого и для талого грунта, если использовать значения ,
, Cth и
.
В супесчаных и суглинистых крупнообломочных породах темп изменений коэффициентов теплопроводности в исследуемом диапазоне температур от -10 до +4ºС различен и зависит от темпа изменения содержания незамерзшей воды. Наиболее ярко это выражено в интервале от от -4 до 0ºС (рис. 4.3).
Механические (деформационные, и прочностные) свойства мерзлых и оттаивающих грунтов криолитозоны представляют собой способность воспринимать внешние нагрузки и количественно оцениваются показателями (параметрами), величина которых функционально связана между механическим воздействием на грунты и реакцией грунтов на величину этого воздействия. Единицами измерения механических свойств являются кПа и МПа
Показателями группы прочностных механических свойств грунтов являются:
- сопротивление грунта одноосному сжатию () и растяжению (
), сопротивление грунтов сдвигу (
),
- эквивалентное сцепление мерзлого грунта, кПа; Raf - со противление мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания
![]() | Рис. 4.3. Зависимость коэффициентов теплопроводности крупно-обломочных пород (![]() |
фундамента, кПа; R - сопротивление мерзлых грунтов и льдов нормальному давлению, кПа; Rsh - сопротивление мер-
злых грунтов и льдов сдвигающим усилиям (сопротивление мерзлого грунта сдвигу по грунту или грунтовому раствору),
кПа; - удельную касательную силу пучения промерзающих грунтов, кПа.
Прочность грунтов – это их способность сопротивляться разрушению и формированию остаточных деформаций, изменяющих форм образца грунта или его массива. В мерзлых грунтах прочность не является постоянной величиной. Ее значения зависят в основном от температуры, льдистости грунтов скорости приложения и продолжительности действия нагрузки. Параметры, характеризующие прочностные свойства грунтов определяются преимущественно в лабораторных условиях. К ним относятся:
предел прочности - напряжение, обуславливающее раз-
рушение мерзлого грунта;
условный предел прочности – напряжение, при котором деформация составляет 15% величины деформации начала стадии прогрессирующего течения;
условно-мгновенная прочность – прочность (), соответствующая напряжению, вызывающему разрушение образца грунта в течение 10 с после приложения нагрузки (для пластично-мерзлых грунтов рекомендуется принимать
равное значению напряжения, при котором в условиях быстрой загрузки деформация образца достигает 20% от начальной его высоты);
длительная прочность – напряжение, вызывающее разрушение образца грунта при заданной нагрузке в заданный промежуток времени;
предел длительной прочности – наибольшее напряжение, при котором не формируется прогрессирующее течение или разрушение при неограниченном времени действия нагрузки.
Величина сопротивления сжатию Rc скального грунта обычно изменяется от 200 до 450 МПа, нескального – от 0,5 до 30 МПа. Сопротивление растяжению грунта Rр незначительно и обычно не превосходит 2-5% от величины сопро-
тивления сжатию Rс. причем для сыпучих грунтов оно равно нулю. Глинистые грунты, а также мерзлые глинистые и пес-
чаные грунты проявляют реологические свойства и их величины Rс зависят от времени приложения нагрузки. Предельная прочность мерзлого грунта на одноосное сжатие обычно на порядок меньше мгновенной прочности. Именно эта прочность имеет главное значение при строительстве зданий и сооружений, поскольку от ее значения зависят размеры фундамента. Для мерзлых грунтов прочность существенно зависит от температуры, льдистости, криогенного строения. При быстром, мгновенном действии нагрузки кратковременное сопротивление сжатию и растяжению мерзлых дисперсных грунтов могут быть соизмеримы с аналогическими характеристиками для скальных грунтов.
Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу определяется главным образом температурой грунта, значением внешней нагрузки и временем ее действия. В диапазоне давлений, не превышающих нескольких МПа сопротивление сдвигу может быть выражено линейной зависимостью, установленной К.Кулоном в 1773 г.
(4.7)
Где предельное сопротивление сдвигу
- нормальное давление на грунт;
- угол внутреннего трения грунта, зависящий от размера и формы частиц грунта,
- сцепление грунта, зависящее от прочности молекулярных связей между грунтовыми компонентами
В сыпучих грунтах сцепление намного меньше трения, поэтому вторым членом выражении (4.7) пренебрегают, в мерзлых грунтах (песчаных и глинистых) наоборот, трение значительно меньше сцепления, поэтому в данном случае пренебрегают первым членом выражения (4.7). Пренебрежение трением в мерзлых грунтах оправдано, если величина сцепления определена сферическим штампом. В этом случае косвенно учитывается и угол внутреннего трения [45].
Сопротивление сдвигу талых и мерзлых грунтов, определяется в лабораторных условиях путем постоянного увели-
чения продолжительности действия сдвигающего усилия. В результате мы будем наблюдать снижение значения прочности грунта во времени. В этом случае величина трения становится практически постоянной, а значение сдвига будет определяться в связи с уменьшением сцепления. Это дает возможность оценивать влияние на сопротивление сдвигу грунтов значения мгновенного смг и длительное свр сцепления грунтов. Величина длительного сцепления для талых глин может составлять 0,3-0,8 величины мгновенного их сцепления и 0,03-0,08 для этих же глин в мерзлом состоянии [45].
Н.А. Цытовичем и С.С. Вяловым предложена методика определения сил сцепления мерзлого грунта по величине
осадки, возникающей при вдавливании в грунт сферического штампа. Для реализации этой методики вводится понятия эквивалентного сцепления Сэкв .. Это стало необходимым так как, получаемый параметр при реализации предложенной методики комплексный, учитывающий совместно с силами сцепления и силы трения.
Экспериментальные значения Сэкв вычисляется по формуле:
(4.8)
где P – нагрузка на штамп, кг; D – диаметр штампа, см; St – величина осадки штампа, различная в разные промежутки времени.
Эквивалентное сцепление зависит преимущественно от температуры грунта и времени действия нагрузки. Значение сил сцепления, при мгновенном действии нагрузки, превышает величины, полученные при действии длительной нагрузки, в 4-8 раз [41]
Для эффективной разработки грунтов при вскрышных, проходческих и земляных работах необходимо знать сопро-
тивление этих грунтов разрушению рабочими органами различных механизмов. Для буровых станков за параметр оцен-
ки сопротивления грунтов разрушению, по которому назначается категория грунтов, принимается его сопротивление одноосному сжатию Rс, причем для глин и мерзлых грунтов, обладающих реологическими свойствами, - мгновенная прочность. Для землеройных машин – некоторый условный параметр С предложенный А.Н. Зелениным.
Для разработки мерзлых грунтов получены эмпирические зависимости параметров Rс и С от их состава, влажности и температуры [29]:
пески
(4.9)
(4.10)
супеси
(4.11)
(4.12)
суглинки
(4.13)
(4.14)
глины
(4.15)
(4.16)
где T0 абсолютное значение отрицательной температуры; - суммарная влажность грунта, %.
Прочность смерзания грунтов с материалами фундамента принимается равной сопротивлению грунта сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундаментов. Определяется этот параметр при вдавливании или выдергивании стоек, вмороженных в грунт в полевых и лабораторных условиях. Различают предельно-длительную прочность смерзания, принимаемую в расчетах на выпучивание и временную проч-
ность смерзания, определяемую в результате мгновенного
действия нагрузки. Величина первой в 5-10 раз больше второй.
Значение касательных сил пучения характеризующих смерзание грунта с поверхностью фундамента, различаются по высоте фундамента. Это определяется тем, что по высоте фундамента изменяется температура, суммарная льдистость и др. параметры грунта. В общем смысле они определяются мощность зоны промерзающего грунта. В связи с этим С.С. Вялов и В.О. Орлов предложили в строительной практике оперировать удельным значением сил морозного пучения, вычисляемым по формуле:
, (4.17)
Где Т – суммарная сила выпучивания; u – периметр фундамента.
Следует отметить, что на величину смерзания грунта с поверхностью фундамента, при прочих равных условиях, оказывает влияние поверхность самого фундамента. С увеличением его шероховатости, силы смерзания будут увеличиваться. Этот эффект используется при конструировании свай с различной конфигурацией, увеличивающей их периметр не прибегая к увеличению их длины.
В группу показателей характеризующих деформационные свойства грунтов входят:
- модуль упругой (модуль Юнга) - Еуп и общей - Ео деформации, кПа;
- коэффициент Пуассона - ;
- коэффициент сжимаемости мерзлого - и оттаивающего -
грунта, (кПа-1);
- коэффициент оттаивания - грунта, д.ед.;
Значения характеристик деформационных свойств мерзлых грунтов зависят от температуры, льдистости, внеш-ней нагрузки, дисперсного их состава.
В мерзлых грунтах упругие деформации формируются
не только при динамических, но и при статических нагрузках. Например, при давлениях до 0,1 МПа, упругие деформации могут составлять 100% от полной деформации (упругой и остаточной), при средних же давлениях (0,4-1,0 МПа) и температуре выше - 0,4 они составляют 10-30% от полной деформации. Упругие деформации описываются законом Гука, предполагающим линейную зависимость между деформацией и нагрузкой:
(4,18)
где - нагрузка, е – относительная деформация, Е – модуль упругости.
Различают деформации продольные епр (вдоль направ-
ления нагрузки) и поперечные еп (поперек направлению нагрузки). Эти деформации линейно связаны между собой.
(4,19)
где - коэффициент Пуассона.
Остаточные деформации состоят из деформаций уплотнения, связанных с уменьшением пористости грунта, и деформацией ползучести, обусловленных разрушением молеку-
кулярных связей между минеральными частицами и ползучестью скелета грунта, а в мерзлых грунтах и ползучестью льда. Деформации уплотнения происходят во всех грунтах (кроме скальных), а деформации ползучести только в мерзлых грунтах, а также в талых суглинках и глинах твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции.
Деформации ползучести в зависимости от нагрузки на грунты и времени ее приложения могут находиться в трех стадиях: в стадии затухающей и установившейся ползучести, и в стадии прогрессирующего течения. Первые две стадии остаются за пределами практического использования в про-
гнозах деформации оснований инженерных сооружений. За-
тухающая ползучесть сказывается лишь на протекании деформации во времени, а полная стабилизированная деформация будет подчиняться тем же законам, что и деформация уплотнения. Последняя, аналогично упругой деформации, описывается законом Гука и отличие между ними заключается лишь в том, что после снятия нагрузки упругие деформации исчезают, а деформации ползучести остаются. Все деформации подчиняются одному и тому же закону, поэтому есть смысл рассматривать их совместно. В этом случае модуль упругости Еуп можно заменить на модуль общей деформации Ео, а коэффициент Пуассона на коэффициент относительной поперечной деформации
.
При компрессионном уплотнении грунта линейную связь между деформацией и нагрузкой выражают через
коэффициент сжимаемости ао, следующим образом:
(4.20)
для мерзлых грунтов величины Е0 и зависят от температуры. С понижением температуры Е0 возрастает а
убывает. Значение Е0 твердомерзлых грунтов столь велико, что их можно считать несжимаемыми.
Особо следует остановиться на параметрах деформации крупнообломочных оттаивающих пород (грунтов) КОП (КОГ), значение которых зависит от суммарной влажности и типов криогенных текстур (рис. 4.4а, б, в). ]
Рис. 4.4. Изменение нормативных значений коэффициента оттаивания Ан.0 массивов крупнообломочных песчаных (а), суглинистых (б) и супесчаных (в) пород в зависимости от содержания крупнообломочных частиц Кv:
1 – Удоканский хребет, 2 – Витмо-Патомское плоскогорье, 3 – Становый хребет, 4 – Чульманская впадина, 5 – Читино-Ингодинская впадина; е, ds, tg, d, а – соответственно эллювильные, делювиально-солифлюкционные, флювиогляциальные, делювиальные и аллювиальные массивы КОП, Wtot=24 – 10 значение суммарной влажности: первая цифра при Кv =0,05 – 0,15, вторая Кv – 0,85 – 0,90.
Из рисунка следует, что функция, описывающая изменения деформации КОП имеет дробно-линейный вид:
, (4.21)
где a, b – параметры аппроксимации, величина которых оп-
ределяется методами математической статистики [47]
Нормативные документы допускают для предварительных расчетов оснований сооружений вычисление значений деформационных характеристик оттаивающих КОП по их физическим показателям. В результате использования статистических методов было установлено, что наиболее представи-
тельными показателями для прогнозных моделей деформаций КОП являются коэффициент объемного содержания крупнообломочной составляющей пород: , здесь
- плотность скелета и минеральной части КОП,
(
- вес крупнообломочной составляющей и вес всего объема КОП) и суммарная влажность Wtot. В результате найдены статистические модели для оценки деформаций оттаивающих КОП с песчаной (ап , Ап), супесчаной (асп , Асп) и суглинистой (асг , Асг) составляющими [47]:
; (4.22)
; (4.23)
; (4.24)
; (4.25)
; (4.26)
; (4.27)
Точность использования этих моделей удовлетворитель-
на, если величины независимых параметров в их структуре находятся в пределах, указанных на рис. 4.4а, б, в.
Определение массивов количественных характеристик инженерно-геологических свойств грунтов различного типа в полевых (табл. 4.6) и лабораторных (4.7) условиях регламен-
тировано с учетом стадии проектирования и Принципов проектирования оснований и фундаментов.