7.2.Физические свойства мерзлых грунтов

Принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грун­тах, предло-женный Н.А. Цытовичем в учебном пособии [21], гласит: количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мёрзлых грунтах, не оста­ется постоянным, а меняется с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними. Этот принцип объясняет физическую природу изменения физико-механических свойств мерзлых грунтов. Он явля­ется тем началом, кото­рое с успехом может быть применено при исследовании мерзлых и вечномерзлых грунтов.

Так, например, в механике мерзлых грун­тов хорошо известны такие факты, как увеличение прочности мерз­лых грунтов с понижением их отрицательной температуры, умень­шение модуля нормальной упругости мерзлых грунтов с увеличе­нием внешнего давления (что будет подробнее рассмотрено далее), за­висимость пластических свойств мерзлых грунтов от величины отрицательной температуры и т. п. Все перечисленные явления (а также и многие другие) объ­ясняются, в основном, принципом рав­новесного состояния воды и льда в мерз­лых грунтах, особенно, если изменения физико-механических свойств проис­ходят в области ин­тенсивных фазовых превращений или в переходной области.

В отдель­ных же случаях необходимо учитывать влия­ние на фазовый состав воды и механические свойства мерзлых грунтов и дру­гих факторов, например миграцию пленочной влаги, изменение подвижности ато­мов водорода в струк­турной решетке льда, вязкость поровой воды и содер­жание в ней растворенных солей и пр.

Мерзлые грунты являются четырехком­понентной системой взаимно связан­ных между собой частиц: твер­дых - минеральных, пластичных - льда, жидких - не замерзшей воды и газообразных. Поэтому при определении опытным путём их физических свойств и состояния необходимо как минимум определить че­тыре ос­новных показателя:

• объемный вес мерзлого грунта естественной ненарушенной структуры , Н/м³;

• суммарную весовую влажность грунта W_c (в долях еди­ницы) ;

• удельный вес твердых частиц _уд, Н/м³;

• весовое содержание незамерзшей воды W_н (в долях едини­цы), или заме­няющую ее относительную льдистость мерзлого грунта i, равную отношению веса льда к весу всей воды, содержа­щейся в мерзлом грунте.

Определение объемного веса мерзлого грунта  - важ­нейшей характеристики природной уплотненности мерзлых грун­тов производится при отрицательной темпе­ратуре воздуха на образцах, взятых специ­альным грунтоносом. Либо с помощью гидростатического взвешива­ния куска мерзлого грунта в охлажден­ном керосине, или из шурфа, вырубленного на данной глубине (например, на уровне заложения фундаментов), с тщательным собиранием всего выруб­лен­ного грунта и с последующим взвешиванием его (например, в ящике или бо­чонке) и замером с помощью метра сторон выруб­ленного параллелепипеда.

При любом из отмеченных способов объемный вес мерзло­го грунта опреде­ляется из соотношения:

(7.1)

где Р_гр - вес образца мерзлого грунта ненарушенной структуры;

V_гр - объем того же образца грунта.

Суммарная влажность W_c вечномерзлого грунта определяется по формуле:

W_с = W_в + W_г , (7.2)

где: W_в и W_г – параметры влажности за счёт включений льда и прослоек мерзлого грунта соответственно.

Влажность W_г определяется по тщательно отобранным пробам минерального грунта (между прослойками льда), а влажность включений льда W_в - по опыт­ным замерам прослойков льда.

Удельный вес твердых частиц мерзлых грунтов _уд определяется обычным методом с помощью пикнометра для образцов грунта нарушенной структуры.

Важнейшей характеристикой фазового состава мерзлых и веч­номерзлых грунтов является их льдистость, соответствующая при­родной температуре грунта.

Относительная весовая льдистость i (по отношению к весу высушенного грунта) определяется выражением

(7.3)

где W_н и W_с – соответственно содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте и его суммарная влажность.

Существенной характеристикой мерзлых грунтов является их объемная льдистость, т. е. отношение объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, к объему мерзлого грунта.

Так как вес воды в единице объема грунта равен весовой влаж­ности грунта, умноженной на объемный вес частиц скелета грунта, то для определения вели­чины объемной льдистости мерзлых грунтов можно использовать следующее соотношение:

(7.4)

где _л – удельный вес льда.