3.3.3. Явления, происходящие при замерзании грунта

3.3.3.   Явления, происходящие при замерзании грунта

Если образец талого пылевато-глинистого грунта поместить в морозильную камеру и наблюдать за изменением его температуры, то полученная после построения графика характерная кривая будет иметь четыре участка (рис. 3.5,а). Участок АВ соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Участок ВС характеризует резкое повышение температуры грунта, связанное с кристаллизацией части воды в образце, до значения T_bf, соответствующего началу замерзания. Участок CD, параллельный оси времени t, характеризует переход значительной части поровой воды в лед. После этого происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего образца (участок DE). В такой период в порах грунта замерзает вода, не замерзшая при T_bf.

Рис. 3.5. Графики процесса замерзания грунта (а) и содержания незамерзшей воды при различных отрицательных температурах (б) для образцов 1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески

Наличие в мерзлом грунте незамерзшей воды подтверждают калориметрические опыты с образцами грунта, замороженными и выдержанными при определенной температуре. Если образцы поместить в калориметр с водой и измерить количество калорий, потребных для их оттаивания, то по скрытой теплоте плавления льда можно определить содержание в них льда. По данным, полученным в таких опытах, находят количество незамерзшей воды при соответствующей температуре. Серия опытов с замороженными и выдержанными при различных температурах образцами позволяет построить график содержания незамерзшей воды в различных грунтах (рис. 3.5,б). Такие опыты показывают, что чем мелкодисперснее грунт, тем больше незамерзшей воды содержится в нем при данной температуре. С понижением температуры количество незамерзшей воды уменьшается. Однако даже при очень низких температурах (—70°С и ниже) небольшое количество воды в пылевато-глинистых грунтах находится в незамерзшем состоянии. Наличие в мерзлом грунте незамерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).

Рис. 3.6. Схема миграции влаги к фронту промерзания

При строительстве часто приходится учитывать морозное пучение - возможность увеличения объема грунта при промерзании. Пучению подвержены пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Это явление лишь частично объясняется тем, что объем воды, содержащейся в грунте, увеличивается при ее замерзании приблизительно на 9 %. При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышало бы 3...4%. В то же время опыты и наблюдение в натуре показывают, что объем грунта при его промерзании иногда увеличивается на 50 и даже 100%. Рост объема грунта при его промерзании сопровождается резким увеличением влажности грунта
с образованием в нем льда в виде линз и других включений. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерзания из нижележащих слоев. Миграция влаги (рис. 3.6) зависит главным образом от движения пленочной воды 4, окружающей твердые частицы вследствие разности сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц у фронта промерзания (где толщина гидратных оболочек 2 резко уменьшается из-за включения молекул воды в состав растущих кристаллов льда 1) и несколько ниже границы промерзания, а также от движения свободной воды по капиллярам.

Аналогичное пучение происходило в процессе образования верхних слоев вечномерзлого грунта. При протаивании этих слоев, а также грунтов, содержащих клинья и слои льда толщиной в несколько метров, неизбежны значительные просадки. Поэтому по мере протаивания вечномерзлых грунтов в основании зданий и сооружений часто наблюдаются просадки, приводящие к их деформации или даже разрушению.