Механические свойства мерзлых грунтов

Характерной особенностью вечномерзлых грунтов является то, что их свойства существенно зависят не только от вещественного состава и влажности, но и от их температуры, так как при оттаивании мерзлых грунтов может наблюдаться склонность к просадочности и разжижению, а при промораживании – морозное пучение.

В таком случае, прогноз температурного режима оснований в условиях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение. Взависимости от вещественного состава и температурно-влажностных условий мерзлые грунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпуче-мерзлые.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты при температуре T<0°С и суммарной влажности w_tot>0,03, пески при T<-0,1...-0,3°С и w_tof>0,03, глинистые грунты при T<-0,6...-1,5°С. Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемы (Е> 100 МПа), при быстром нагружении характеризуются хрупким разрушением.

К пластичномерзлым относятся песчаные и глинистые грун­ты при температуре в пределах от начала замерзания до указанных выше значений. Они также сцементированы льдом, но обладают сжимаемостью и вязкими свойствами.

К сыпучемерзлым относятся крупнообломочные и песчаные грунты при T<0 °С и w_tot<0,03. Несмотря на мерзлое состояние, эти грунты не сцементированы льдом ввиду его малого содержания в порах. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

Изучение сжимаемости мерзлых грунтов при оттаивании обычно производится в одометрах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Образец помещается в прибор, дается вертикальная нагрузка p₁ (участок аб, рис. 15.2). Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при p₁=const, что ведет к разрушению цементационных связей (так как вода переходит в жидкое состояние) и грунт может значительно уплотнится (бв – рис 15.2). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации при оттаивании образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкой, что характеризуется сжимаемостью оттаивающего грунта (вг – рис. 15.2). Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжатия p_1.

Рис. 15.2. Зависимости деформаций образца оттаивающего грунта (а) и коэффициента просадочности (б) от нормального давления

Из каждого опыта определяется коэффициент просадочности

e_th=(h_f-h_th)/h_f,

После чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки p. Зависимость e_th=f(p) имеет практически линейный характер и описывается уравнением

e_th=A_th+dp

где A_th и d - соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости, которые являются основными расчетными характеристиками при вычислении осадок оттаивающих оснований.

Итак, осадка оттаявшего грунта складывается из двух частей: осадки оттаивания, не зависящей от нагрузки и характеризуемой коэффициентом A_th, и осадки уплотнения, пропорциональной нагрузке и характеризуемой коэффициентом d.