Особенности механических свойств мерзлых грунтов

Мерзлые грунты обладают рядом специфических свойств, обусловленных наличием в этих грунтах льда. Одним из таких свойств является морозное пучение грунтов.

Морозным пучением называется процесс увеличения объема грунта при его промерзании. Причина данного явления заключается в свойстве воды увеличиваться в объеме на 9% при превращении в лед. Соответственно, интенсивность морозного пучения грунта определяется количеством содержащейся в нем воды и степенью заполнения пор водой. Морозное пучение грунта происходит в определенном интервале температур. Температура начала пучения на несколько десятых градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Температура конца пучения отличается изменчивостью и находится опытным путем, ориентировочное ее значение: -3° …-5°.

Существенное влияние на величину морозного пучения оказывает явление миграции влаги к фронту промерзания в глинистых грунтах. Силы, вызывающие указанное явление имеют электромолекулярную природу и придают процессу миграции влаги устойчивый характер. Скорость миграции влаги пропорциональна градиенту температуры и влажности в грунте. Результат миграции выражается в подтягивании к фронту промерзания грунта дополнительного объема вода, что, в частности, приводит к росту линз льда-включений.

Для количественной оценки величины морозного пучения используется специальная характеристика - относительная деформация морозного пучения :

где - вертикальная деформация образца грунта (например, при его промораживании в компрессионных условиях); - толщина промерзшего слоя образца.

В зависимости от величины грунты подразделяются по степени пучинистости (таблица 6.1).

 

Таблица 6.1. - Характеристика пучинистости грунта

Значение	Характеристика пучинистости
	непучинистый
	слабопучинистый
	среднепучинистый
	сильнопучинистый
	чрезмернопучинистый

На величину пучения оказывает сжимающее давление на грунт. Пучение при нулевом давлении называется свободным. Пучению подвержены водонасыщенные глинистые грунты и пылеватые пески.

Другим специфическим свойством является осадка мерзлого грунта при его оттаивании. Этот процесс обусловлен отжатием из пор грунта воды, образовавшейся после таяния льда-цемента, а также ослаблением структурных связей между частицами оттаявшего глинистого грунта.

Количественной оценкой осадки мерзлого грунта при оттаивании служит относительная осадка при оттаивании :

где - величина осадки образца мерзлого грунта высотой при оттаивании, например, в компрессионных условиях, при действии на него сжимающей нагрузки .

Опытным путем установлено, что величина относительной осадки при оттаивании зависит от действующего давления и эта зависимость может быть принята линейной:

где - коэффициент оттаивания; - коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта.

Содержание в мерзлом грунте льда оказывает существенное влияние на его деформационные и прочностные свойства. Дело в том, что лед имеет порог ползучести равный практически нулю. Следовательно, даже малые сдвигающие нагрузки на лед будут приводить к развитию в нем деформаций ползучести различной интенсивности в зависимости от температуры льда. Это свойство льда, соответственно, передается и мерзлому грунту. Поэтому и прочностные параметры мерзлого грунта и его деформационные характеристики будут зависеть как от температуры мерзлого грунта, так и от времени действия нагрузки.

Сопротивление мерзлого грунта сдвигу, так же как и талого, может быть выражено законом Кулона:

Параметры прочности мерзлого грунта - угол внутреннего трения и удельное сцепление будут зависеть от температуры мерзлого грунта q и времени t, прошедшего с момента приложения нагрузки. Мгновенной прочности грунта будет отвечать время , а параметры мгновенной прочности зависят только от температуры грунта q: , . Длительная прочность описывает сопротивление мерзлого грунта сдвигу для неограниченного времени действия нагрузки: , . Кривые ползучести мерзлого грунта при сдвиге подобны рассмотренным кривым ползучести для талого грунта и имеют те же характерные стадии: неустановившаяся ползучесть, установившаяся ползучесть и прогрессирующее течение. Сложность заключается в том, что в реальных условиях работы мерзлого грунта температура не остается неизменной и, следовательно, прочностные и деформационные свойства грунта будут изменяться.

Для оценки деформируемости мерзлых грунтов устанавливаются зависимости между напряжениями и относительными деформациями для различных моментов времени действия нагрузки: . Для определенности будем считать, что указанная функция отражает одноосное сжатие образца мерзлого грунта. Эти зависимости могут быть получены из семейства кривых ползучести. Если кривые ползучести показывают зависимость деформации от времени при постоянном напряжении, то функции описывают достигнутый уровень деформаций от напряжения для конкретного времени действия нагрузки. На рис. 3.29 показаны характерные графики зависимости , полученные опытным путем. Результаты экспериментов достаточно точно описываются степенными зависимостями вида: ,

где и - параметры деформируемости мерзлого грунта.

 

 

Параметры и являются в свою очередь функциями времени действия нагрузки, а также температуры мерзлого грунта: и .

+ предпоследняя лекция