Физические свойства мерзлых грунтов

ВВЕДНИЕ

 

Настоящее руководство предназначено для выполнении лабораторных работ по курсу «Геокриология», читаемого студентам на 3 курсе.

Цель лабораторных занятий:

1) ознакомить студентов с особенностями физико-механических свойств многолетнемерзлых горных пород;

2) познакомить с существующими нормативными документами, регламентирующими проектирование оснований сооружений, возводимых на мерзлых грунтах;

3) научить методам расчетов оснований сооружений на многолетнемерзлых грунтах.

В руководство включены восемь тем. Первая тема содержит материал об особенностях и дополнительных свойствах мерзлых пород по сравнению с талыми. Во второй теме содержатся указания по определению глубины заложения фундаментов и расчету нормативных глубин сезонного промерзания и оттаивания, приведены простейшие теплофизические расчеты. Третья тема посвящена обработки данных термодинамических наблюдений по скважинам. Четвертая-восьмая темы посвящены расчетам оснований сооружений по несущей способности и деформациям, по устойчивости и прочности.

Материал каждой темы содержит необходимые понятия, определения, расчетные формулы, необходимые для выбора характеристики и решения задачи.

Таким образом, материал, помещенный в руководстве, охватывает круг часто встречающихся вопросов проектирования оснований сооружений на многолетнемерзлых породах.

 

 

ТЕМА 1

МЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ И ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Грунты всех видов называются мёрзлыми, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. По температуре грунты подразделяют по ГОСТ 25100-95 на немёрзлые (талые) (t > 0 °С) и охлажденные (t > 0 °С). Наименование видов мерзлых грунтов принимают по ГОСТ 25100-95 в соответствии с характеристиками, которые они приобретают после оттаивания.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяются на следующие: твердомерзлые, пластичномерзлые, сыпучемерзлые. В основу выделе­ния этих видов положена различная сжимаемость пород под нагрузкой.

Мерзлые породы характеризуются криогенной текстурой, под ко­­торой понимается сложение мерзлого грунта, обусловленное замерза­нием содержащейся в ней воды и характеризуемое формой, величиной и расположением ледяных включений. Различают массивную (Л_в < 0,03), слоистую и сетчатую текстуры (Л_в > 0,03); здесь Л_в - льдистость за счет ледяных включений.

Дополнительными характеристиками мерзлых пород по сравне­нию с обычными являются перечисленные ниже физико-механические свойства:

1) плотность мерзлого грунта;

2) суммарная влажность, включая все виды воды в мерзлом грун­те;

3) суммарная льдистость;

4) степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и водой;

5) относительное сжатие мерзлого грунта при переходе его в отта­явшее состояние;

6) теплофизические характеристики грунтов - коэффициент тепло­проводности и объемная теплоемкость пород в талом и мерзлом со­стоянии;

7) мгновенная и длительная прочность.

 

Физические свойства мерзлых грунтов

Под плотностью мерзлого грунта понимается масса единицы его объема в естественном ненарушенном состоянии (г/см³). В настоящее время рекомендуется определение плотности способом гидростатиче­ского взвешивания (ГОСТ 5180-84) по формуле:

ρ = m · ρ_ρ · ρ_w / ρ_ρ (m₁-m₂) · ρ_w (m₁-m₂), (1.1)

где m - масса образца грунта до парафинирования, г.

m₁ - масса парафинированного образца, г;

m₂ - результат взвешивания образца вводе, г.

ρ_ρ - плотность парафина, 0,900 г/см3;

ρ_w - плотность воды при температуре испытаний, г/см3.

Суммарная влажность - это отношение веса всех видов воды, со­держащихся в мерзлом грунте, к весу скелета грунта (дол. ед.). Она определяется по формуле: W_c = W_в + W_r = W_в + W_ц + W_н, (1.2)

где W_в - влажность за счет ледяных включений, прослоев и линз;

W_r - влажность мерзлых минеральных прослоев, складывающаяся из влажности за счет льда-цемента W_ц, находящегося в порох грунта и цементирующего его минеральные частицы, и влажности за счет незамерзшей воды W_н, содержащейся в мерзлом грунте при данной температуре.

Таблица 1.1

Грунты	Число пластичности грунтов, Ip	Коэффициент kW при температуре грунта, °С
-0,3	-0,5	-1	-2	-3	-4	-5	-8	-10
Пески и супеси   Супеси   Суглинки   Суглинки   Глины	Ip > 0,02     0,02 < Ip < 0,07   0,07 < Ip < 0,13   0,13 < Ip < 0,17   Ip > 0,17	0,6   0,7   *   *	0,5   0,65   0,75   0,95	0,4   0,6   0,65   0,9	0,35   0,5   0,55   0,65	0,33   0,48   0,53   0,63	0,3   0,45   0,5   0,6	0,28   0,43   0,48   0,58	0,26   0,41   0,46   0,56	0,25   0,4   0,45   0,55

Примечание: Знаком * обозначено, что вся вода в порах грунта незамерзшая.

Для определения суммарной влажности могут быть использованы два способа: бороздки и средней пробы. Для определения влажности мерзлых минеральных прослоев - точечный, для определения коли­чества незамерзшей воды - калориметрический способ. В тех случаях, когда влажность мерзлых минеральных прослоев нельзя определить опытным путём, для глинистых пород ее можно принять равной W_r ≈ W_р где W_р - нижний предел пластичности. Количество незамерзшей воды в этом случае может быть определено по формуле:

W_н = K_wW_p, (1.3)

где k_w – коэффициент, принимаемый по табл. 1.1. в зависимости от вида грунта и его температуры.

Для засоленных грунтов количество незамерзшей воды определяется по формуле:

W_н = k_wW_p + 0,9 (K_пр / K_p W_r), (1.4.)

где K_пр - концентрация порового раствора или степень минерализации веды в порах грунта, определяемая по формуле:

K_пр = z/z + 100W_p, (1.5.)

где z – засоленность мёрзлого грунта, %;

K_p – равновесная концентрация порового раствора (в долях единицы), определяемая по таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Температура грунта t, °C	-0,3	-0,5	-1	-2	-3	-4	-6	-8	-10
Равновесная концентрация порового раствора kP в долях единицы	0,003	0,005	0,012	0,026	0,045	0,062	0,100	0,135	0,168

 

Суммарная влажность мерзлых грунтов слоистой и сетчатой криогенной текстуры по ГОСТ 5180-84 определяется методом средней пробы по формуле (в %):

W_c = (m₃ – m₂)/(m₄ – m₂)∙[(100+W) -100], (1,6)

где m₂ - масса тары, г;

m₃ - масса образца грунта (с тарой), г;

m₄ - масса перемешанного грунта (с тарой), г;

W - влажность перемешанного грунта, %.

Суммарная льдистость Л_с - это отношение объёма льда, содержащегося в грунте, к объёму мерзло грунта, выраженное в долях единицы. Она определяется по формуле:

Л_с = Л_в + Л_ц, (1.7)

где Л_ц - льдистость за счет льда-цемента;

Л_в - льдистость за счет ледяных включений, которая определяется по формуле:

Л_в = ρ_s W_в /ρ_п+ρ_s (W_c-0.1W_н), (1.8)

где W_с, W_в. W_н - соответственно влажность суммарная, влажность за счёт включений, линз и прослоев льда, и влажность незамерзшей воды, выраженные в долях единицы.

ρ_s - плотность минеральных частиц грунта, г/см3;

ρ_п - плотность льда, равная 0,90 г/см3.

Льдистость за счет льда-цемента определяется по формуле:

Л_ц = [(W_r – W_н)/0.9]∙ρ_d.м, (1.9)

где ρ_d.м - плотность сухого грунта вычисляемая по формуле:

ρ _d.м = p /(1 +W_c), (1.10)

где p – плотность породы.

Степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой

G определяется по формуле:

G = (1,1 W_ц + W_н)∙ρ_s /e∙ρ_w, (1.11)

где W_ц, W_н, ρ_s, - обозначения те же, что в формулах (1.1) - (1.10).

e – коэффициент пористости минеральных прослоев мёрзлого грунта.

ρ_w – плотность воды равная 1 г/см3.

По льдистости за счёт видимых включений грунты делят по ГОСТ 25100-95 согласно табл. 1.3.

Таблица 1.3

 

Разновидность грунтов	Льдистость за счет видимых ледяных включений, д.ед.
Скальные и полускальные	Дисперсные
Слабольдистый	< 0,01	< 0,02
Льдистый	0,01 – 0,05	0,20 – 0,40
Сильнольдистый	> 0,05	0,40 – 0,60
Очень сильнольдистый	-	0,60 – 0,90

 

 

Показатель относительного сжатия мерзлого грунта при переходе его в оттаявшее состояние используется с целью сопоставления сжимаемости грунтов сетчатой и слоистой текстуры, при выборе строительных площадок. Вычисляется по формуле:

h = δ (1,1W_c – W_r) / δ (1,1W_c + W_r) ρ_w, (1.12)