Основные физико-механические свойства мерзлых грунтов

Мерзлый грунт является четырехфазной системой, содержащей минеральные частицы, воздух, воду и лед. Лед цементирует минеральные частицы и придает грунту новые физические и механические свойства. Эти свойства в значительной мере зависят от температуры, величина которой определяет количество незамерзшей воды в грунте, льдистость, прочность льдоцементационных связей и закономерности изменения прочности и деформируемости вечномерзлых грунтов. Изменение температуры грунта приводит к таким процессам и явлениям как:

Ø Миграция влаги. Зависит главным образом от движения воды по пленкам, окружающим твердые частицы, вследствие градиента сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц ниже границы промерзания в пределах зоны всасывания.

Ø Морозное пучение грунта (характерно для влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков при их промерзании) – увеличение объема промерзающего грунта вследствие объемного расширения (приблизительно на 9 %) при переходе воды в лед, как первоначально находившейся в порах, так и мигрировавшей в зону промерзания из нижерасположенных слоев грунта. Количественно характеризуется:

§ Величиной морозного пучения f_t – абсолютное значение поднятия поверхности промерзающего слоя грунта толщиной d_t (абсолютная деформация).

§ Коэффициентом морозного пучения ε_t – относительная величина морозного пучения промерзающего слоя грунта (относительная деформация).

Интенсивность морозного пучения зависит от многочисленных факторов:

· Состава и состояния грунта;

· Скорости и продолжительности промерзания;

· Величины внешнего давления

и др.

Ø Наледи. При наличии подземных вод образуются поверхностные (наземные слои льда, образовавшиеся от излияния и замерзания вод на поверхности) и грунтовые наледи (подземные слои льда, образующиеся вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные и многолетние.

Ø Бугры пучения: сезонные и многолетние.

Ø Криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов. В процессе промерзания деятельного слоя грунта и после промерзания, вследствие неравномерного уменьшения объема грунта при охлаждении, образуются трещины, которые проникают в слой вечномерзлого грунта, создавая условия для образования трещинных льдов.

Ø Солифлюкация – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Пример солифлюкации можно посмотреть в приложении рис. 1.1.

Ø Ледяные клинья в вечномерзлой толще – в результате повторного чередующегося морозобойного растрескивания и цементации трещин льдом.

Ø Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явлений, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоев, линз и жил), возникновение в толще мерзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрицательных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других понижений.) Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт.

Различные по гранулометрическому, минералогическому составу, состоянию и засоленности грунты замерзают при различных температурах (несколько ниже 0˚С), что обусловлено степенью связности поровой воды с минеральным скелетом. При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к уменьшению количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды в грунтах зависит от их гранулометрического и минералогического состава, концентрации и химического состава солей в поровой воде, внешнего давления и других факторов (см. приложения рис. 1.2.). В мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии в зависимости от внешних условий и воздействий. Наличие в мерзлом грунте промерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).