3.3.7. Состав и физические свойства вечномерзлых грунтов

3.3.7.   Состав и физические свойства вечномерзлых грунтов

Обязательной составной частью мерзлых грунтов, дополнительно к трем компонентам, из которых образуются талые грунты, является лед. Мерзлые грунты — это четырехкомпонентная (четырехфазная) система, в которую входят твердые частицы, незамерзшая вода, воздух или иной газ и лед (пластичное тело). Свойства мерзлых грунтов в значительной степени зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и свойств льда.
 На основании проведенных исследований И. А. Цытович еще в 1945 г. установил один из основных принципов механики мерзлых грунтов: «Количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними» *.
Этот принцип указывает на зависимость между количеством незамерзшей воды в грунте и его температурой: при повышении температуры мерзлого грунта содержание льда в нем уменьшается, количество незамерзшей воды увеличивается и наоборот. Кроме того, установлено, что количество незамерзшей воды в данном грунте зависит от давления. При повышении давления количество незамерзшей воды увеличивается, содержание льда уменьшается и наоборот. Прочность же мерзлых грунтов и их деформативность в значительной степени зависят от содержания незамерзшей воды.
Поскольку мерзлый грунт является четырехкомпонентной системой, для оценки его физического состояния экспериментальным путем необходимо определять четыре основные характеристики:

• плотность (объемную массу) мерзлого грунта ρ_f ненарушенной (природной) структуры;
• плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ρ_s (плотность воды принимается равной 1 т/м³, плотность льда — 0,9 т/м^₃);
• суммарную весовую влажность мерзлого грунта ω_tot, зависящую от содержания в нем воды и льда;
• количество (весовое содержание) незамерзшей воды ω_ω при температуре природного залегания грунта.

Плотность (объемная масса) мерзлого грунта равна отношению массы образца g_g находящегося в мерзлом состоянии, к его объему V_g, т. е. ρ_f = g_g/V_g. Масса образца грунта природного сложения определяется достаточно точно взвешиванием. Объем же устанавливается измерением размеров выпиленного образца определенной формы в пикнометре, заполненном керосином.
Плотность (объемная масса) твердых частиц мерзлого грунта ρ_s определяется с помощью пикнометра как для талых грунтов.
Суммарная весовая влажность мерзлого грунта ω_tot равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105 °С, к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение ω_tot зависит от места взятия пробы. Наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всему слою грунта из вертикальной бороздки, устраиваемой в стенке шурфа, или вдоль колонки монолитов, взятых из данного слоя. Суммарная влажность слагается из влажности, обусловленной включениями льда ω_i и влажности грунта между включениями льда ω_m. Последняя, в свою очередь, делится на две слагающие влажности, обусловленные наличием льда-цемента ω_i.c и незамерзшей воды ω_ω. Следовательно:

   (3.2)
Если известна суммарная влажность ω_tot найденная бороздковым способом, и влажность грунта ω_m, установленная по образцу, тщательно отобранному между прослойками, то по их разности находят значение ω_i = ω_tot — ω_m. Иногда при взятии образца грунта из вертикальной бороздки тщательно замеряют толщину всех прослоек льда и по полученным данным находят значение ω_i. Это позволяет определять величину ω_m. Влажность, обусловленную льдом-цементом, находят по разности ω_i.c = ω_m — ω_ω. При этом количество незамерзшей воды определяют калориметрическим способом по образцам грунта нарушенной структуры. Так как результаты таких расчетов в значительной степени зависят от тщательности отбора образцов мерзлого грунта, допускается принимать ω_m равным влажности на границе раскатывания, т. е. ω_m = ω_ρ.
Количество незамерзшей воды ω_ω ориентировочно можно определять по формуле СНиПа
ω_ω =k_ω ω_ρ
где k_ω — коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта (табл. 3.1); ω_ρ — влажность грунта на границе раскатывания (пластичности).
Найдя по формуле (3.3) значение ω_ω для разных температур, можно построить график зависимости ω_ω от Т.
Зная четыре основные характеристики грунта ρ_f, ρ_s, ω_ω и ω_tot, можно вычислить ряд и других характеристик, необходимых при расчетах, например суммарную льдистость и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений i_i.

Суммарная льдистость является отношением объема всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта и определяется по формуле

(3.4)
где p_i — плотность льда.
Льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений i_i является отношением объема включений льда к объему мерзлого грунта и определяется по формуле

   (3.5)
Зная ρ_f и ω_tot, находим плотность скелета и грунта:

  (3.6)

По рассмотренным характеристикам легко найти массу каждой составной части единицы объема мерзлого грунта: твердых частиц g_d, льда g_{i, tot} и незамерзшей воды g_ω:

Суммарная масса компонентов равна плотности (объемной массе) мерзлого грунта в единице объема:

  (3.8)
Степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S_r определяют по формуле

  (3.9)
где e_f — коэффициент пористости мерзлого грунта между включениями льда;
ρ_ω — плотность воды.
Зная плотность грунта, легко найти удельный вес мерзлого грунта:
γ_f = ρ_i g
где g — ускорение свободного падения.
Для расчетов требуются также теплофизические характеристики грунта, а именно:

• теплопроводность мерзлого λ_f и талого λ_thгрунтов;
• теплоемкость мерзлого C_f и талого С_thгрунтов.

Эти характеристики определяют в лабораторных условиях при проведении точных опытов, а чаще принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности скелета грунта (мерзлого и талого) и суммарной влажности

* Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.з Высш. школа, 1973. С. 44.