12. Пучинистость крупнозернистых (моренных) грунтов.

Моренные грунты в своем составе содержат крупные частицы (валуны, гравий, галь­ка, песок) и мелкозем (размер частиц менее 0,25 мм) — песчаные и пылевато-глинистые частицы.

Морены с песчаным мелкоземом (крупный и средний песок) относятся к неморозоопасным системам. Лишь при залегании в условиях замкнутого объема эти системы переходят в категорию слабопучинистых.

Остальные моренные грунты в зависимости от содержания мелкозема (пылевато-глинистых фракций), обуславливающего количество связанной воды, могут быть как морозоопасными, так и не морозоопасными системами. Поэтому, прежде чем оценить пучение таких грунтов, необходимо рассчитать их критерий дисперсности D на основании которого устанавливается принадлежность грунта либо к категории морозоопасных, либо нет.

Пучинистость крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей с Iр<2 определяется посредством показателя дисперсности D.

, при D<1,0 – непучинистые (неморозоопасные - ε_fn≤0,01); при 1≤D≤5 – слабопучинистые (ε_fn=0,01-0,035); при D>5 – среднепучинистые (ε_fn=0,035-0,07).

Здесь - коэффициент, равный 1,85*10^-2 мм²; е – коэффициент пористости, д.е.; d₀ – средний диаметр частиц грунта, мм, , где Р₁, Р₂,…,Р_i – содержание отдельных фракций (массовые доли) грунта, %; …, - средний диаметр частиц, отдельных фракций, мм.

В расчетах как правило принимают: Р₁ (d₁) – массовая доля частиц d₁ (d₁>0,1 мм); Р₂ (d₂) – массовая доля частиц d₂ (d₂=0,05…0,1 мм); Р₃ (d₃) – массовая доля частиц d₃ (d₃<0,05 мм).

Таким образом, пучинистые свойства крупнозернистых грунтов определяются его заполнителем (мелкоземом) и зависят от его количества (% содержания) и качественных признаков (d₀ – размеров частиц мелкозема).

10. Изменение свойств грунтов при промерзании.

При положительной температуре грунты - трехкомпонентная систему: минеральных частиц, воды и воздуха. При отрицательной температуре грунты - четырехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц, воды, воздуха и льда, который иногда в глинистых грунтах занимает 50% объема грунта. Лед в мерзлом грунте является цемен­тирующим веществом между отдельными минеральными частицами. Кроме того, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании (пучении).

Изменение температуры грунта при охлаждении (промерзании): 1) охлажде­ние и переохлаждение воды (в конце этой стадии образуются центры кристал­лизации); 2) температурный скачок, обусловленный выделением скрытой теплоты льдообразования (1 г воды выделяет 80 кал. тепла), указывает на начало замерзания воды в порах грунта; 3) соответствует про­цессу замерзания (льдообразования) воды; 4) дальнейшее охлаждение мерзлого грунта при понижении температуры.

Рис. Графики процесса замерзания грунта (а) и температуры начала замерзания пылевато-глинистых грунтов в зависимости от влажности (б).

Температурой начала замерзания считается наивысшая и наиболее устойчивая температура, наступающая вслед за температурным скачком и обусловленная кристаллизацией наименее связанной с минеральным скелетом воды в объеме грунта, охлажденного до температуры ниже нуля. Для пес­ка ≈ 0°С, для глины =—0,5...—1,5° С, эта температура зависит в основном от влажности и наличия солей в растворенном виде. Эту особенность необходимо учитывать и принимать меры по понижению температуры начала замер­зания грунта, находящегося вблизи фундамента или под ним.

Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунта в естественных условиях (df_n) определяются большим количеством факторов: продолжительностью и суровостью зимнего периода ∑Mt (∑Mt — количество отрицательных градусо-дней), величиной снежного покрова, временем выпадения осадков (твердых и жидких), видом и соста­вом грунта и его теплофизическими и влажностными характеристиками, естествен­ной влажностью и ее динамикой во времени, наличием и характером растительного покрова, экспозицией местности, глубиной залегания подземных вод (d_w), рельефом местности и др.

В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам. Надо помнить, что чем ближе уровень подземных вод (d_w) к границе промерзания, тем большей степенью пучинис­тости обладают пылевато-глинистые грунты при прочих равных условиях.

Наиболее пучинистые грунты содержат пылеватых частиц от 30 до 80%. При увлажнении пылеватые грунты теряют сцепле­ние между частицами, при промерзании в них образуется большое количество ледя­ных прослоек и линз.

На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения. Так, если грунты очень плотные, то при их промерзании наблюдается незначительное пучение, поскольку такие грунты имеют малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвиже­ния при промерзании. В очень рыхлых грунтах много пор и пустот, которые обычно свободны от воды, и за счет этих пустот могут гаситься деформации пучения. Грунты средней плотности с полным заполнением всех пор водой при промерзании сильно увеличиваются в объеме, т. е. деформируются от морозного пучения.

Таким образом, решающим фактором, вызывающим пучинистость грунта, является его влажность перед промерзанием (предзимняя), с увеличением которой до опреде­ленного предела морозоопасность возрастает. При определении степени пучинистости грунта, необходимо учитывать положение и возможное изменение уровня подземных вод (d_w). Степень пучинистости грунта в зоне капиллярного ув­лажнения (аэрации) зависит от вида грунта или заполнителя, его показателя те­кучести и ряда других факторов.

Для прогнозирования характеристик пучения (относительной деформации пучения ε_fn) грунтов необходимо установление ряда нормативных значений исходных показа­телей, к которым в первую очередь относятся: зерновой (гранулометрический) состав грунта; влажность грунта w, Sr; плотность скелета грунта ρ_d; плотность твердых частиц грунта ρ_s; пластичность грунта w_p, w_L, I_p, I_L; положение уровня подземных вод (d_w); средняя температура (-tm) и продолжительность периода промерзания (∑Mt); мощность слоя промерзшего грунта d_f.