17. Особенности физических свойств мерзлых горных пород (грунтов)

Суммарная (общая) влажность (W_c) слагается из влажности за счет ледяных включений (W_в) и влажности грунта между включениями льда (W_м). Последняя, в свою очередь, делится на две составляющие: влажность засчет льда цемента (W_ц) и за счет незамерзающей воды (W_н):

W_с = W_в + W_м = W_в + W_ц + W_н (3.1)

Если известна суммарная влажность W_с, определенная бороздковым способом или иным способом, и влажность грунта (W_ц + W_н), установленная по образцу, тщательно отобранному между прослойками льда, то по их разности находят значение

W_в = W_с – W_м.

Иногда при отборе образца грунта из вертикальной борозды тщательно замеряют толщину всех прослоек льда и по полученным данным находят значение W_в.

Влажность, обусловленную льдом-цементом, определяют по формуле

W_ц = W_м – W_н.

При этом, количество незамерзшей воды определяют калориметрическим способом по образцам грунта нарушенного сложения. Так как результаты расчетов в значительной степени зависят от тщательности отбора образцов мерзлого грунта, допускается принимать W_мравным влажности на границе раскатывания, т.е.

W_м = W_р.

Количество незамерзшей воды W_н ориентировочно можно определить по формуле СНиП 2.02.04 – 88:

W_н = к_wW_р (3.2)

где к_w - коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта определяется по таблице 3.1[3].

W_p- влажность грунта на границе раскатывания (пластичности).

Суммарная льдистость (i) включает в себя льдистость за счет ледяных включений (i_в) и льда-цемента(i_ц)

I = i_в + i_ц (3.3)

Зная основные характеристики грунта P_f, W_c, W_н, можно вычислить суммарную льдистость (i), которая является отношением объема всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта и определяется по формуле

i = P_f (W_c – W_н) , (3.4)

P_i (1 + W_c)

где P_i – плотность льда; P_f – плотность грунта.

Различают четыре вида льдистости:

1. Суммарную (общую) льдистость – представляющую собой совокупность всех видов подземного льда;

2. Цементационную – за счет льда-цемента;

3. Шлировую – обусловленную ледяными шлирами сегрегационного и инъекционного генезиса;

4. Макрольдистость – за счет крупных ледяных образований.

Кроме того, для расчетов используются понятием относительной льдистости (i_o), представляющей собой отношение массы льда к массе всей воды, образующейся при оттаивании породы[5].

Соотношение между весовой i, объемной i¹ и относительной i_o льдистостью видно из следующих равенств:

i = W_cиi_o = i¹ , (3.5)

где γ_ск – объемная масса скелета породы;

γ_м – объемная масса мерзлой породы ненарушенного сложения;

γ_л – плотность льда;

W_c –суммарная (общая) влажность.

Значения коэффициента к_w Таблица 3.1

Грунты	Число пластичности	При температуре,º с
		- 0,3	- 0,5	-1	-3	-6	-10
Пески и супеси	Iр≤ 0,02	0	0	0	0	0	0
Супеси	0,02<Iр≤0,07	0,60	0,50	0,40	0,33	0,28	0,25
	0,07<Iр≤0,13	0,70	0,65	0,60	0,48	0,43	0,40
Суглинки	0,13<Iр≤0,17	*	0,75	0,65	0,53	0,48	0,45
	Ір> 0,17	*	0,95	0,90	0,63	0,58	0,55

Примечание: Знак * означает, что вся вода в порах грунта не замерзает.

По льдистости за счет видимых ледяных включений грунты подразделяются согласно таблицы № 3.2 (по ГОСТ 25100 –20).

Разделение мерзлых грунтов по степени льдистости Таблица 3.2

Разновидность грунтов	Дисперсные грунты, д. е.
Слабольдистые	< 0,2
Льдистые	0,2-0,4
Сильнольдистые	0,4-0,6
Очень сильнольдистые	0,6-0,9

В глинах этому содержанию льда соответствует влажность выше нижнего предела пластичности.

В песках это примерно соответствует влажности, при которой после промерзания, появляются видимые шлиры льда и базальный лед-цемент

В крупнообломочных грунтах это также примерно соответствует влажности, при которой после промерзания появляются видимые шлиры льда и базальный лед- цемент.

Отметим что в мерзлых породах (грунтах) влага может одновременно находиться в виде льда, в жидком и газообразном состоянии.

Известно, что наибольшее количество влаги может содержаться в глинах и суглинках. При замерзании этих грунтов в насыщенном водой состоянии часть содержащейся в них влаги перейдет в лед с образованием связного монолита, характеризующегося большой прочностью (предел прочности при сжатии 60 кг/см² и более) и трудностью разработки.

Однако при небольшой отрицательной температуре (до минус 2–4 ^oС) слабо связанная вода может не замерзнуть, вследствие чего грунт будет находится в пластическом состоянии.

При небольшом содержании воды, что часто наблюдается в песчаных породах, их свойства, при переходе от положительной к отрицательной температуре, почти не изменяется. Они имеют свойства сыпучего тела.

В соответствии с этим, обычно различают мерзлоту: 1) монолитную, 2) пластичную и 3) сухую.

В области многолетней мерзлоты наиболее широко распространена монолитная мерзлота, при которой лед с грунтовым скелетом можно объединить в качестве единой твердой фазы.

При низких отрицательных температурах мерзлые грунты всегда обладают значительной прочностью. При приближении температуры к 0⁰С прочность мерзлых грунтов снижается, так как лед частично переходит в состояние незамерзшей влаги.

Если же мерзлые породы, в основании сооружений оттаивают, то при наличии включений льда их влажность превышает полную влагоемкость, и грунт переходит в состояние разжиженной массы. В этом состоянии они легко выдавливаются из под фундаментов зданий, дорожных покрытий и т.д. Этим и объясняется массовое распространение деформаций зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты.