Механические свойства грунтов

Механические свойства мерзлых грунтов зависят от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности действия нагрузки. Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды и льда, у которого давление любой интенсивности вызывает пластическое течение, обуславливает протекание реологических процессов.

§ Прочность мерзлых грунтов. Интенсивное развитие в мерзлых грунтах ползучести приводит к значительному уменьшению их прочности и сопротивляемости любому характеру разрушений (R_t) при длительном действии нагрузок (см. приложения рис. 1.3.). При проектировании зданий и сооружений используются значения предельно-длительной прочности мерзлых грунтов , определяемые экспериментально, которые значительно меньше мгновенной прочности R_r. Характер изменения временной прочности (временного сопротивления) зависит от температуры, состава и состояния грунта. Предельно-длительное сопротивление мерзлых грунтов сжатию в 5-10 раз меньше временного сопротивления, а предельно длительное сопротивление растяжению примерно в 2-6 раз меньше их сопротивления сжатию. Предельное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу  может быть описано линейным уравнением м переменными параметрами, зависящими от величины отрицательной температуры Т и времени действия нагрузки t:

- соответственно удельное сцепление и угол внутреннего трения, определяемые с учетом температуры грунта и времени нагружения.

Н. А. Цытович предложил методику определения эквивалентного сцепления C_eq – комплексной характеристики прочностных свойств мерзлых грунтов, учитывающий совместно силы сцепления и трение. Величина эквивалентного сцепления подсчитывается по результатам испытаний шаровым штампом:

где N-нагрузка на штамп, кН; D-диаметр штампа, м; s_t-величина осадки штампа в различные промежутки времени.

Величина длительного эквивалентного сцепления определяется по результатам испытаний продолжительностью 8 ч с введением коэффициента 0,8, т.е. C_{eq t}=0,8C_eq

§ Сжимаемость мерзлых грунтов. Зависит от их состава и состояния, температуры, времени действия, величины и характера приложения нагрузки. Основной характеристикой сжимаемости мерзлых грунтов является коэффициент сжимаемости, который может быть определен по данным компрессионных испытаний (в нетеплопроводных одометрах) или рассчитан по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов. Компрессионная зависимость представлена в приложении см. рис. 1.4. Коэффициент сжимаемости  пластично-мерзлого грунта определяется для различных интервалов нагрузки с точностью до 0,001:

При полевых испытаниях грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов коэффициент сжимаемости вычисляется по формуле теории линейно-деформируемых тел ; где -коэффициент, характеризующий боковое расширение грунта, а -модуль деформации мерзлого грунта.

§ Прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при оттаивании. Оттаивание грунтов сопровождается разрушением льдоцементационных связей при переходе льда в воду. При этом резко уменьшается как сцепление c_th грунтов, так и их угол внутреннего трения ϕ_th (по сравнению с этими характеристиками в мерзлом состоянии). Угол внутреннего трения оттаивающего грунта ϕ_th или приближается по величине к углу внутреннего трения для немерзлых грунтов ϕ (при равной влажности – плотности), или становится несколько меньше его. Сцепление с_th будет значительно меньше сцепления тех же грунтов в талом состоянии или близко к нулю. Поэтому характеристики оттаивающего грунта ϕ_th и с_th необходимо в каждом конкретном случае определять экспериментально. Предельное сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов с достаточной для практических целей точностью, можно принимать соответствующим теории прочности Кулона-Мора, т.е. по выражению:

Консолидация грунта в связи с его уплотнением после оттаивания под действием собственного веса и восстановление структурных связей приводит к увеличению сопротивления сдвигу. При оттаивании льдистых грунтов даже без приложения внешнего давления возникают быстропротекающие осадки оттаивания – просадки. Внешняя нагрузка вызывает осадки уплотнения при оттаивании, происходящие за счет уменьшения пористости оттаивающего грунта. Компрессионные испытания мерзлого грунта при оттаивании проводят с помощью предложенного Н. А. Цытовичем одометра из нетеплопроводного материала и горячего штампа. По результатам таких испытаний определяется относительная осадка  оттаивающего грунта (см. приложения рис. 1.5) по формуле

где  и  - высота образца грунта в мерзлом состоянии и после оттаивания при неизменном давлении p  до стабилизации деформаций.

При небольших давлениях на оттаивающие грунты (до 0,3 – 0,5 МПа) зависимость  от р может быть выражена уравнением прямой

где - коэффициент оттаивания; - коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта, обусловленный уплотнением его давлением р.

Из выражения (1.14) видно, что осадка мерзлых грунтов при оттаивании состоит из осадки оттаивания (или тепловой осадки) и величины -осадки уплотнения.