Особенности свойств мерзлых грунтов

 

Грунты при отрицательных температурах резко меняют свои свойства, так как лед, образующийся при замерзании воды, связывает частицы грунта в сплошной высокопрочный монолит.

Вода замерзает в грунтах по-особому из-за взаимодействия ее с поверхностью минеральных частиц грунта, а также наличия в воде растворенных солей, механического и минералогического состава грунта и пр. Температура кристаллизации воды, находящейся в силовом поле поверхности минеральных частиц, ниже 0°С.

Влажность грунта влияет не только на условия его замораживания, но и на прочность. В мерзлом грунте с влажностью, не превышающей полной влагоемкости, и быстро замороженном невозможно визуально обнаружить скопления кристаллов льда-цемента. Такой грунт представляет собой монолит со слитной криогенной структурой.

При замораживании грунта повышенной влажности в нем появляются линзы и прослойки льда, разделяющие монолитную структуру, включения льда встречаются и в грунтах небольшой влажности, так как образование их зависит от рода и плотности грунта, скорости и температуры замораживания. При малой влажности льдоцементные связи не обеспечивают монолитной структуры грунта и он легко поддается экскавации.

При влажности, соответствующей полной влагоемкости грунта, его прочность в мерзлом состоянии наибольшая, так как льдоцементные связи в этом случае наиболее полно соединяют между собой отдельные частицы грунта.

Каждому грунту с определенной влажностью свойственна температура промораживания, при которой пленочная и капиллярная вода подтягивается к фронту промерзания, а также к порам и крупным пустотам, чем вызывается максимальное выделение льда. В результате этого образуются слоистая и ячеистая структуры мерзлого грунта. Так как из-за линз и прослоек льда образуется неоднородная текстура мерзлого грунта, его механическая прочность уменьшается.

Мерзлые грунты разрушаются землеройными машинами под влиянием растягивающих, сдавливающих или сдвигающих напряжений. При этом весьма важное значение для оценки сопротивления мерзлых грунтов имеет мгновенная или кратковременная прочность, которую приравнивают к их временному сопротивлению. Следует заметить, что для различных рабочих органов землеройных машин значения сопротивления разрушению или резанию одного и того же грунта могут значительно отличаться.

Разрушение мерзлого грунта растяжением наименее энергоемко, так как его прочность на разрыв наименьшая. Предел прочности  быстро увеличивается с понижением температуры, особенно у песка и супеси, которые при температуре -5 °С имеют значительно большую прочность, чем суглинки и глины.

Временное сопротивление сжатию мерзлого грунта при прочих равных условиях в 3 - 5 раз больше, чем растяжению. Прочность грунта при сжатии зависит от его влажности примерно в том же соотношении, что и при разрыве.

Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу  очень важно для определения прочности грунта аналитическим путем для правильного выбора теории прочности. По данным А.П. Зеленина, при < 1 мерзлый грунт разрушается как пластичный материал, при >1 - как хрупкий.

Временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу характеризует их как хрупкие материалы при температуре ниже – 5 °С. Для песка отношение  при этом примерно равно 2, для супеси, суглинка и глины - 1,6.

При температуре 1-4 °С, по опытным данным, некоторые мерзлые грунты имеют свойства, сходные со свойствами пластичных тел. Увеличением влажности грунта выше полной влагоемкости уменьшается временное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу.

Величина временного сопротивления мерзлых грунтов в значительной степени зависит и от скорости приложения нагрузки. Предел длительной прочности мерзлых грунтов при постоянной нагрузке значительно ниже временного сопротивления, что объясняется пластическим деформированием его аналогично пластическому течению льда. При увеличении скорости приложения нагрузки сопротивление мерзлого грунта возрастает.

По различным данным, сопротивление резанию при увеличении скорости на 1 м/с увеличивается на 5 - 12%. Однако эти сведения противоречивы. Очевидно, что с увеличением скорости приложения нагрузки изменяется характер разрушения, уменьшается его пластическая деформация и разрушение происходит как хрупкого или квазихрупкого тела. Основным становится предельное касательное напряжение, не изменяющееся при увеличении скорости.

Мерзлые грунты, как и немерзлые, подразделены классификацией на четыре группы по трудности разработки. Эта классификация имеет недостатки (например, по ней песок отнесен к I группе по трудности разработки как в немерзлом, так и в мерзлом состоянии, хотя ясно, что прочность мерзлого песка значительно больше, чем глины, относимой ЕНиР к III - IV группам). Значительно точнее можно классифицировать мерзлые грунты по трудности разработки с помощью динамического плотномера ДорНИИ.