Вопрос 55. Физические характеристики ММГ. Влажность, льдистость, объемный вес, засоленность.

Влажность мерзлых грунтов

Для характеристики влажности мерзлых грунтов приняты две формы выражения: обычная форма выражения влажности – суммарная (естественная) влажность мерзлых грунтов, по которой понимается отношение массы всех категорий воды (воды и льда) к массе сухого грунта в процентах или долях единицы, и общая влажность, выражающая в процентах или в долях единицы отношение массы всех категорий воды (воды и льда) к массе всего грунта (масса скелета с водой и льдом). Общая влажность изменяется от 0 до 1 или от 0 до 100% (для чистого льда Wоб = 1, или 100%), в то время как суммарная влажность может достигнуть сотен и тысяч процентов. Общая и суммарная влажность связаны между собой зависимостью:

Wоб = W/(1 + W).

Способ выражения влажности в виде Wоб в практике исследования мерзлых грунтов широкого распространения не получил.

Как правило, в мерзлых грунтах прослойки льда перемежаются с прослойками минеральных агрегатов, причем в последних содержится со льдом и незамерзшая вода.

Для полноты характеристики влажности мерзлого грунта в целом и отдельных его фаз выделяются:

суммарная влажность мерзлого грунта –Wс;

влажность мерзлых прослоек минеральных агрегатов, не содержащих видимых невооруженным глазом ледяных тел– Wг;

влажность за счет незамерзшей воды –Wн. Этот вид влажности выражается в процентах или долях единицы отношение массы воды в незамерзшем состоянии при данной отрицательной температуре к массе сухого грунта;

влажность за счет сегрегационного льда ­– Wв;

влажность за счет льда – цемента –Wц.

Выделенные виды влажностей мерзлых грунтов связаны между собой следующей зависимостью:

Wс = Wг + Wв = (Wц + Wс) + Wв,

где Wс, Wн, Wг определяются опытным путем, а Wц и Wв вычисляются по формулам:

Wц = Wг - Wн; Wв = Wс - Wг.

Wц и Wв правильнее называть массовой (весовой) льдистостью соответственно за счет льда – цемента и льда прослоек, а их сумму – суммарной массовой льдистостью Лв.

Влажность мерзлых грунтов принято выражать в долях единицы от массы сухого грунта, а талых грунтов – в процентах.

Мерзлые грунты в природной обстановке, в силу их текстурных особенностей, могут быть весьма неоднородными, и влажность их в различных частях даже небольшого образца может резко колебаться. Эти важные особенности строения мерзлых грунтов в значительной степени усложняют методику определения влажности.

Обычный для немерзлых грунтов точечный способ определения влажности путем отбора небольших (40 – 50 г) навесок грунта в бюксы с последующим высушиванием может оказаться слишком грубым для многих мерзлых грунтов. Этот способ можно рекомендовать только для тех случаев, когда видимые ледяные тела в грунте отсутствуют.

Мерзлые грунты отличаются неоднородностью по степени насыщенности ледяными телами. Поэтому для определения их влажности следует рекомендовать методы, при которых отбираются возможно большие навески – 500 – 1000 г и более.

Учитывая, что метод определения влажности в некоторых случаях требует и соответствующего способа отбора проб, далее дается их совместное описание.

Льдистость грунтов

Лед, содержащийся в грунтах, как указывалось выше, разделяют на лед-цемент и лед-прослоек, или сегрегационный. Лед-цемент обычно в грунтах не виден невооруженным глазом, но он цементирует грунт. Придавая ему дополнительную механическую прочность, сегрегационный лед легко обнаруживается невооруженным глазом в виде прослоек, линз, прожилок и других форм сплошных ледяных тел.

Осадки при оттаивании за счет сегрегационного льда могут достигать значительных величин, поэтому его объем учитывается отдельно при расчете осадок.

Мерзлые грунты вследствие их текстурных особенностей могут отличаться большой неоднородностью строения и содержать крупные ледяные тела. В тех случаях, когда в мерзлом грунте имеются крупные линзы или прослойки льда, необходимо замерять их толщину по стенке шурфа или в монолитах, извлеченных из скважин, и рассчитывать объем ледяных тел, выражая его в виде отношения к объему всего мерзлого грунта.

Н. А. Цитович мерзлые грунты по льдистости разделяет на три категории: сильнольдистые, слабольдистые и льдистые.

К сильнольдистым (льдистость более 50%) относятся пылеватые разности суглинков и глин, преходящие при оттаивании в текучее, текуче-пластичное или пластичное состояние, что, как правило, обуславливает их просадочность. Сильнольдистые грунты обладают малой несущей способностью в оттаявшем состоянии и большей сжимаемостью (а0≥0,05см2/кгс).

Слабольдистые (льдистость менее 25%) суглинки и глины при оттаивании приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консистенцию и обладают малой сжимаемостью (а0<0,01 см2/кгс).

Льдистые грунты (льдистость 25 – 50%) имеют свойства промежуточные между вышеприведенными двумя категориями.

Зная суммарную влажность мерзлого грунта, влажность минеральных прослоек, объемную массу скелета и принимая плотность льда равной 0,9 г/см3, можно определить объем льда прослоек в единице объема мерзлого грунта:

Vл. п = (Wc – Wг)γс/0,9,

где γс - объемная масса скелета мерзлого грунта, г/см3.

В зависимости от способа количественного выражения содержания льда в мерзлом грунте различают льдистость массовую (весовую), относительную и объемную.

Суммарную массовую льдистость Лв выражают в процентах или в долях единицы отношения массы льда к массе сухого грунта. Для единицы объема мерзлого грунта ненарушенного сложения и естественной влажности массовая льдистость выразится в виде зависимости:

Лв = gл/ γс,

где gл – масса льда в единице объема грунта, г.

Зная суммарную влажность мерзлого грунта и влажность за счет незамерзшей воды, массовую льдистость можно получить из выражения:

Лв = Wc – Wн.

Суммарная относительная льдистость – отношение массы льда к массе всей воды (воды и льда), содержащейся в грунте, или, что то же самое, отношение массовой льдистости к массовой влажности:

Л0 = 1 - Wн/Wc.

Суммарная объемная льдистость – отношение в процентах или долях единицы объема льда, содержащегося в грунте, к объему мерзлого грунта. По аналогии с объемной влажностью талого грунта суммарная объемная льдистость мерзлого грунта может быть найдена по формуле:

Лv = (Wc – Wн) γ0/γл (1 + Wc).

Объемную льдистость можно рассчитать раздельно за счет льда цемента ЛVц и льда прослоек ЛVпр по формулам:

ЛVц = γу(Wг – Wн)/[ γл + γу(Wс – 0,1Wн) ];

ЛVпр = (Wс – Wг)/[ γл + γу(Wг – 0,1Wн) ],

где γл - плотность льда, г/м3.

Определение объемной льдистости за счет прослоек сегрегационного льда рекомендуется выполнять в поле. Для этого по всей высоте слоя грунта в шурфе или по высоте керна, извлеченного из скважины, прикладывается мерная линейка и замеряются все ледяные прослойки, линзы и т. д. толщиной более 0,5 мм. Затем суммируется их мощность и относится к высоте всего слоя грунта, в пределах которого измерялись ледяные тела. Измерение рекомендуется производить в двух-трех местах, например, по двум стенкам шурфа, и принимать среднюю объемную льдистость, полученную из нескольких определений.

Льдистость, как и влажность, является очень важной характеристикой физического состояния и свойств мерзлых грунтов. Она используется при теплофизических расчетах, в расчетах несущей способности грунтов в мерзлом состоянии и осадок при оттаивании.

Вытаивающие ледяные тела вызывают дополнительную деформацию грунтов, оттаивающих в основании сооружений, однако полное смыкание макропор при этом не происходит. Поэтому, согласно нормативных документов, рекомендуется при расчете осадок вводить коэффициент kв, учитывающий неполное смыкание макропор при оттаивании грунтов. В зависимости от средней толщины ледяных прослоев принимается следующая: при толщине ледяных прослоев – менее 1см – 0,4; от 1 до 3см – 0,6; более 3см – 0,8.

Плотность скелета грунтов

Под плотностью грунта γу понимается плотность (удельный вес) его скелета; она выражается как отношение массы частиц грунта, высушенных до постоянной массы, к их объему или к объему вытесненной ими жидкости. Плотность зависит только от минерального состава и не зависит от дисперсности. Однако существует связь между гранулометрическим составом и плотностью грунтов. Пески, например, состоят в основном из кварца, а в глинах содержатся вторичные глинистые минералы (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит), а также различные рудные минералы и др.