8.4.1.2. Определение показателей прочности на сдвиг мерзлых грунтов

Прочность на сдвиг мерзлых грун­тов в целом подчиняется закономерностям, типичным для немерзлых грунтов, однако, они имеют свои специфические показатели. В инженерной практике для определения расчетных значений прочностных характеристик мерзлых грунтов широко используется эквивалентное сцепление, а при промерзании влажных дисперсных грунтов на контакте поверхности конструкции с мерзлыми грунтами возникает особого рода сцепление, которое получило название прочности смерзания.

Метод определения сопротивления срезу оттаивающих грунтов [47]. Испытания проводят по схеме неконсолидированного быстрого среза. В результате опыта для песков мелких и пылеватых, глинистых и органоминеральных грунтов определяют следующие характеристики:

• сопротивления грунта срезу t_th,

• угол внутреннего трения j_th,

• удельное сцепление с_th.

Эти показатели определяют по результатам испытаний образцов мерзлого грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига оттаивающей части образца относительно другой его части – мерзлого образца сдвигающей нагрузкой при одновременном нагружении образца нормальной к площади среза нагрузкой.

Сопротивление грунта срезу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец оттаивающего грунта срезается по фиксированной плоскости, проходящей на 2–4 мм выше поверхности мерзлого грунта при заданном нормальном напряжении. Оттаивание образцов мерзлого грунта проводят сверху вниз. Срез проводится на контакте оттаивающего грунта с мерзлым слоем («приконтактный слой»). По специальному заданию могут применяться другие методы оттаивания грунта и конструкции приборов, обеспечивающие моделирование процесса промерзания – оттаивания и нагружения грунта.

В состав установки для испытаний оттаивающего грунта методом одноплоскостного среза по поверхности мерзлого грунта должны входить: срезной прибор с фиксированной плоскостью среза, состоящий из подвижной и неподвижной частей, включающий в себя рабочие кольца; жесткий тепловой штамп с регулируемой постоянной температурой; устройство для создания и регулирования температуры теплового штампа; датчики (щупы и др.) для контроля границы раздела оттаивающего и мерзлого грунта; механизм для вертикального нагружения образца; механизм для создания горизонтальной сдвигающей нагрузки; устройства для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций образца. Принципиальная схема установки приведена на рис. 8.39. Формы, в которых проводится замораживание грунта, должны быть изготовлены из нетеплопроводного материала (органическое стекло) со стенками толщиной не менее 20 мм и обеспечивать возможность промораживания в заданном направлении, а также исключать возможность отжатия воды или утечки ее из грунта во время промораживания. Для исключения радиального оттаивания изготавливаются рабочие кольца из нетеплопроводного материала или тепловой штамп, диаметр которого на 2 мм меньше диаметра рабочего кольца.

Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной плотностью, влажностью и льдистостью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой 0,6–0,7 диаметра. Образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью вырезают из монолита или керна так, чтобы при последующем испытании он имел по отношению к нагрузке ориентацию, соответствующую природному залеганию. Образцы грунта нарушенного сложения изготавливают из талого грунта заданного состава, влажности и плотности. Требуемая плотность достигается уплотнением грунта при заполнении рабочих колец. Между рабочими кольцами помещают прокладки для создания зазора между кольцами.

Замораживание грунта производят в холодильных камерах при заданной температуре в специальных формах из оргстекла. Крышку формы устанавливают в зависимости от заданных условий промораживания: при помещении крышки снизу – промораживание идет сверху; при помещении крышки сверху – промораживание идет снизу. Форму с образцом помещают в помещение или холодильный шкаф с заданной отрицательной температурой воздуха.

Во время замораживания измеряют температуру контрольного образца грунта, в который помещают термодатчик. Промораживание заканчивают, когда температура контрольного образца достигнет заданного значения. После этого образец извлекают из формы, герметизируют и сохраняют в эксикаторах (со льдом или снегом) до испытаний. Время хранения не более пяти суток.

Образец грунта в рабочих кольцах помещают в срезной прибор. На образец грунта ставят тепловой штамп и центрируют его. Температура в тепловом штампе создается и регулируется с помощью ультратермостата (циркуляция антифриза или другой незамерзающей жидкости) или других нагревающих устройств. Температура на нижней поверхности штампа не должна превышать 50^оС.

Производят регулировку механизма нагрузки. Закрепляют устройства для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций, записывают время начала испытаний и начальные показания приборов. На образец грунта передают в одну ступень нормальное давление р, при котором будет производиться сдвиг образца. Значение р принимают по табл. 8.52.

Таблица 8.52

Значения нормального давления

Грунты		Нормальное давление р, МПа
Глинистые и органоминеральные грунты с показателем текучести	Пески мелкие и пылеватые с коэффициентом водонасыщения Sr
IL< 0,5 0,5≤IL<1,0 IL≥1,0	Sr <0,50 0,50≤ Sr ≤0,80 Sr >0,80	0,1; 0,15; 0,2 0,05; 0,1; 0,15 0,025; 0,075; 0,125

В процессе оттаивания с помощью щупа (термодатчиков и др.) контролируют температуру грунта в зоне сдвига, т. е. на границе раздела оттаивающего и мерзлого грунта, которая должна быть расположена на 1–3 мм ниже верхней части рабочего кольца в подвижной обойме. Устанавливают зазор 2 мм между подвижной и неподвижной частями срезной коробки.

Сразу после передачи нормальной нагрузки приводят в действие механизм создания срезающей нагрузки и производят срез образца грунта не более чем за 2 мин с момента приложения вертикальной нагрузки.

При передаче сдвигающей нагрузки ступенями их значения не должны превышать 10 % значения нормального давления, при котором производится срез, и приложение ступеней должно следовать через каждые 10–15 с. Испытание следует считать законченным, если при приложении очередной ступени срезающей нагрузки происходит мгновенный срез одной части образца по отношению к другой или общая деформация среза превысит 5 мм.

При передаче непрерывно возрастающей сдвигающей нагрузки скорость среза принимают в интервале 2–3 мм/мин так, чтобы срез проходил не более чем за 2 мин. За окончание испытаний принимают момент, когда сдвигающая нагрузка достигнет максимального значения, после чего будет наблюдаться некоторое ее снижение или установление постоянного значения, или общая деформация среза превысит 5 мм.

После окончания испытания следует разгрузить образец, извлечь рабочее кольцо с образцом из прибора и отобрать пробы для определения влажности из зоны среза образца.

Для определения частных значений j и с необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения. По измеренным в процессе испытания значениям срезающей и нормальной нагрузок вычисляют касательные и нормальные напряжения t и s, МПа по формулам 8.16 и 8.17.

Определение t_th необходимо проводить не менее чем при трех различных значениях ρ, вычитая из каждого значения поправку за счет трения в приборе по заранее построенной тарировочной кривой.

По измеренным в процессе испытания значениям деформации среза l, соответствующим различным напряжениям t_th, строят график зависимости l= f (t_th). По полученным значениям строят график зависимости t_th = f(s) [47].

Предельное сопротивление оттаивающих глинистых грунтов сдвигу (τ_th) после их промерзания существенно снижается по сравнению с предельным сопротивлением сдвигу тех же грунтов до промерзания (τ). Между этими величинами существует закономерная связь, которую можно представить в виде выражения:

τ_th = τ(a – bw_V), (8.19)

где a и b – параметры, зависящие от вида, состава грунта и условий его промерзания; w_V – объемная влажность оттаивающего грунта [117].

На основании зависимости (8.19) разработана методика определения величины угла внутреннего трения φ_th и удельного сцепления c_th оттаивающего грунта путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания (φ и c) за счет следующих коэффициентов:

_th = /_g()th _m (8.20)

и c_th = c/_g(c)th _m (8.21)

где _g()th – коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для угла внутреннего трения, определяется по табл. 8.53; _g(c)th – коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для удельного сцепления, определяется по табл. 8.54; _m – коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влаги и морозного пучения грунта на формирование посткриогенной структуры оттаивающего грунта и его прочностные свойства, определяется по табл. 8.55 [117].

Показатели прочностных свойств оттаивающих водонасыщенных песчаных грунтов в порядке первого приближения можно определить по формулам:

_th = /_g ,

c_th = c/’_g(c)th ’_m

где _g – коэффициент надежности по грунту, учитывающий снижение угла внутреннего трения, обусловленное формированием посткриогенной структуры песков, определяемый по табл. 8.56; ’_g(c)th и ’_m – понижающие коэффициенты, принимаемые как для супесей по табл. 8.54 и 8.55.

Таблица 8.53

Значения коэффициентов _g()th

Наименование грунтов	Коэффициенты g()th для грунтов с показателем IL равным
	0<IL0,25	0,25<IL0, 5	0,5<IL0,75	IL>0,75
Глины	1,05	1,15	1,20	1,05
Суглинки	1,10	1,25	1,25	1,10
Супеси	1,02	1,10	1,10	1,05

Таблица 8.54

Значения коэффициентов _g(c)th

Наименование грунтов	Коэффициенты g(c)th для грунтов с показателем IL равным
	0<IL0,25	0,25<IL0, 5	0,5<IL0,75	IL>0,75
Глины	1,20	1,40	1,60	1,30
Суглинки	1,15	1,35	1,50	1,20
Супеси	1,10	1,20	1,30	1,10

Таблица 8.55

Значения коэффициентов _m в зависимости от их пучинистости (ε_f)

Коэффициенты морозного пучения εf, д. ед.	Коэффициенты m
εf0,01	1,00
0,01<εf0,03	1,15
0,03<εf0,07	1,30
0,07<εf0,10	1,50
εf>0,10	1,80

Величина предельного сопротивления оттаивающего грунта сдвигу по всем поверхностям скольжения определяется из выражения:

τ_th =p_thtg_th+c_th,

где p_th – нормальное напряжение по поверхности скольжения, кПа; _th и c_th вычисляются по формулам (8.20, 8.21) [117].

Таблица 8.56

Значение коэффициента _g

Наименование песчаных грунтов	Коэффициент надежности g оттаивающих песков при плотности их сложения
	Плотное	Средней плотности	Рыхлое
Крупные	1,05	1,10	1,15
Средней крупности	1,15	1,20	1,25
Мелкие	1,20	1,25	1,35
Пылеватые	1,25	1,30	1,45

Определение прочности вдавливанием шарикового штампа в мерзлый грунт. Вдавливание в грунт шарикового штампа позволяет определить предельно-длительное значение эквивалентного сцепления с_eq.

Эквивалентным сцеплением с_eq, МПа, называется комплексный параметр прочности мерзлого грунта, учитывающий совместно как силы сцепления, так и наличие внутреннего трения, который отражает прочность связей между структурными элементами грунта. Испытание шариковым штампом проводят для определения с_eq мелких и пылеватых песков и глинистых грунтов с содержанием органического вещества не более 10 % (I_r≤0,1), имеющих массивную, тонкослоистую и мелкосетчатую криогенные текстуры при отсутствии в них обломочного материала, кроме их заторфованных засоленных и сыпучемерзлых разностей.

Метод вдавливания шарикового штампа [17] заключается в том, что в грунт под заданной нагрузкой р вдавливается жесткий штамп шаровой формы и измеряется глубина его погружения в процессе вдавливания. По показаниям устройств для измерения деформаций определяют глубину погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания (по достижении условной стабилизации деформации или через 8 ч – при ускоренном режиме испытания). При приложении нагрузки в течение 5–10 секунд вычисляемое сцепление будет мгновенным.

Предельно длительное значение эквивалентного сцепления определяют по глубине погружения шарикового штампа в образец грунта от заданной постоянной нагрузки при заданной температуре испытаний:

• для незасоленных грунтов от T_bf +(–0,5) до (–5) ºС;

• для засоленных от T_bf +(–0,5) до (–8) ºС, где T_bf – температура начала замерзания грунта.

Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью и нарушенного сложения с заданной влажностью. Толщина прослоек льда в образце должна быть не более 2 мм, а льдистость i £ 0,4. При большей льдистости необходимо увеличение диаметра шарикового штампа и колец. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой не менее 35 мм.

В состав ycтановки для испытаний мерзлого грунта шариковым штампом входят (рис. 8.40): шариковый штамп диаметром (22 ± 2) мм с опорной плитой и подвижным столиком; плоский штамп для предварительного обжатия образца грунта; рабочее кольцо для отбора грунта; механизм для вертикального нагружения образца грунта; устройство для измерения глубины погружения шарикового штампа. Наряду с рычажным, допускается применять прибор с одноштоковым загружением.

После выдерживания образца в рабочем кольце в течение 12 ч при температуре испытания проводят предварительное обжатие образца через плоский штамп давлением, равным напряжению от собственного веса грунта на горизонте отбора образца, в течение 15 с. После обжатия образец разгружают.

Образец грунта в рабочем кольце помещают на подвижный столик установки и производят следующие операции: покрывают образец защитным кружком из глянцевой парафинированной бумаги или полиэтиленовой пленки, в котором должно быть вырезано отверстие диаметром, на 2–3 мм превышающим диаметр шарикового штампа; устанавливают на образец грунта шариковый штамп и центрируют его, фиксируя момент касания шариком поверхности грунта по показаниям приборов для измерения деформаций образца грунта; закрепляют стержень штампа стопорным винтом; записывают начальные показания приборов, или включают автоматическую запись.

Значение нагрузки определяют из условия, что давление в образце на первой ступени нагружения должно быть равным напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца, а на последней – расчетному сопротивлению грунта под подошвой фундамента R, задаваемому программой испытаний. В значительной степени оно зависит от температуры грунта и времени действия и величины нагрузки: с_eq = f(T, t, P). Ориентировочную нагрузку можно принять в зависимости от состояния грунтов в соответствии с табл. 8.57.

Таблица 8.57.

Величина ориентировочной нагрузки на образец грунта

Вид грунта	Состояние мерзлого грунта	Величина нагрузки, Н
Мелкие пески и супеси	Пластичномерзлый	40
	Твердомерзлый	50
Глины и суглинки	Пластичномерзлый	20
	Твердомерзлый	30

Величина нагрузки на шариковый штамп назначается из условия:

0,005 d < S₁₅ < 0,05 d,

где d – диаметр шарикового штампа, см; S₁₅ – глубина погружения шарикового штампа в образец грунта через 15 мин после приложения нагрузки, см.

При несоблюдении условия следует произвести корректировку нагрузки. Если осадка превышает рекомендуемое значение или не достигает его, то нагрузку следует соответственно уменьшить, или увеличить и опыт перезапустить.

К образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают постоянную нагрузку. Отсчеты по приборам для измерения вертикальной деформации образца грунта при испытании в ускоренном режиме (8 ч) снимают через 1, 5, 10, 15, 20, 30, 60 и 120 мин после приложения нагрузки, затем не реже, чем через 2 ч, далее при длительном испытании два раза в сутки (в начале и конце рабочего дня) до условной стабилизации деформации, или ведется автоматическая запись с интервалами, не реже чем перечисленные.

Для каждого вида грунта рекомендуется проводить серию, состоящую не менее, чем из 6-ти восьмичасовых опытов (для одного значения температуры). Один опыт (при обосновании 2–4 опыта) из каждой серии оставляют в качестве длительных.

Испытание заканчивают через 8 ч после начала опыта при ускоренных испытаниях или после достижения условной стабилизации глубины погружения шарикового штампа. За критерий условной стабилизации деформации принимают приращение вертикальной деформации, не превышающее 0,01 мм за 12 ч.

Повторные испытания на том же образце могут быть проведены при соблюдении условия: центр следующего погружения шарикового штампа должен отстоять от границ предыдущих отпечатков шарика и от края образца не менее чем на половину диаметра шарика.

В процессе испытания фиксируют глубину погружения шарикового штампа во времени, при заданной нагрузке, а также температуру. По показаниям устройств для измерения деформаций определяют глубину погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания (через 8 ч – при ускоренном режиме испытания или по достижении условной стабилизации деформации).

Предельно длительное значение эквивалентного сцепления мерзлого грунта с_eq, МПа, определяют с точностью 0,01 МПа по формуле:

где P – нагрузка на шариковый штамп, кН; d – диаметр шарикового штампа, см; S – глубина погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания, см; k – безразмерный коэффициент, равный 1 при испытаниях до условной стабилизации деформации и 0,8 – при ускоренном режиме.

Для практических расчетов величины предельно длительного эквивалентного сцепления по данным восьмичасовых испытаний можно пользоваться переходным коэффициентом К_п, получаемым из соотношения:

,

где – величина эквивалентного сцепления, полученная по результатам длительных испытаний, кПа; – величина эквивалентного сцепления, полученная по результатам восьмичасовых испытаний, кПа.

Испытание мерзлого грунта методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания проводят для определения следующих характеристик прочности:

• сопротивления срезу, (при необходимости также угла внутреннего трения и удельного сцепления) мерзлого грунта, грунтового раствора и льда по поверхности их смерзания с материалом фундамента R_af,

• сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания с другим грунтом или грунтовым раствором R_sh;

• сопротивления срезу льда по поверхности смерзания с грунтом или грунтовым раствором R_sh,i.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем приложения к образцу грунта, смороженного с образцом материала фундамента, грунтовым раствором или льдом, касательной нагрузки при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза. Предельно длительные значения сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания R_af, R_sh или R_sh,i определяют как наибольшие касательные напряжения, при которых произошла стабилизация деформации среза образца при заданном нормальном напряжении.

Для испытаний используют образцы грунта или грунтового раствора ненарушенного и нарушенного сложений.Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой от 1/2 до 1/3 диаметра. Диаметр образца материала должен быть равным диаметру образца грунта.

В состав установки для испытания мерзлого грунта методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания должны входить: срезной прибор с фиксированной плоскостью среза (горизонтальной или вертикальной, рис. 8.41, а и б); рабочее кольцо для образца грунта, грунтового раствора, льда; формы для смораживания образца грунта с материалом фундамента, грунтовым раствором, льдом и грунтом; механизмы для создания касательной и нормальной нагрузок; устройства для измерения деформаций образца. Конструкция срезного прибора должна обеспечивать возможность приложения удельной касательной нагрузки не менее 0,7 МПа для длительных опытов и 1,5 МПа для кратковременных.

Формы для смораживания изготавливают из материала низкой теплопроводности (например, органического стекла). Толщина стенок колец формы из органического стекла должна быть не менее 20 мм. Конструкция формы должна обеспечивать возможность одностороннего промораживания образца через его торцевые поверхности и исключать отжатие и отток воды из грунта при его промораживании.

Подготовленный к испытанию образец помещают в срезную коробку прибора, закрепляют так, чтобы плоскость смерзания располагалась в зазоре между подвижной и неподвижной частями прибора, составляющем 1–2 мм; устанавливают на образец грунта штамп для передачи нормального давления и центрируют его; закрепляют устройства для измерения деформаций образца грунта; устанавливают срезной прибор на станину под пресс и центрируют; освобождают подвижную часть срезной коробки, присоединяют к ней механизм для создания касательной нагрузки; записывают начальные показания устройств для измерения деформаций образца и фиксируют время начала испытания.

К образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нормальную нагрузку и затем первую ступень касательной нагрузки.

Значение нормального давления, при котором проводят испытание, назначают в зависимости от напряженного состояния грунтового массива, с учетом глубины залегания испытываемого образца, или определяют в программе испытаний. При отсутствии данных это давление принимают равным 0,1 МПа.

Значение первой ступени касательной нагрузки Q₁ и ступени последующего нагружения DQ, кН, при испытаниях по определению R_af, R_sh и R_sh,i следует устанавливать в соответствии с заданием, а при его отсутствии – определять на основании результатов предварительно проведенных испытаний при непрерывном быстром воздействии нагрузки по формуле:

Q₁ = 0,1R_af,oS_af,

где R_af,o – условно-мгновенное сопротивление срезу, МПа.

Далее увеличивают касательную нагрузку ступенями нагружения DQ, кН, значения которых при отсутствии задания определяют по формуле:

DQ = Q₁/2.

При недостаточном количестве образцов значения Q₁ и DQ могут быть определены по формулам: Q₁ = t₁S_af; DQ = DtS_af, где t₁ – касательное напряжение, МПа, принимаемое по табл. 8.58; S_аf – площадь смерзания образца грунта с образцом материала фундамента, см²; Dt – приращение касательного напряжения на каждой ступени нагружения, МПа, принимаемое по табл. 8.59.

Таблица 8.58

Значение касательного напряжения на первой ступени нагружения

Грунты	Значение касательного напряжения t1, МПа, на первой ступени нагружения при температуре образца грунта, °С
	–1	–1,5	–2	–2,5	–3	–3,5	–4	–6	–8	–10
При определении Raf
Пески	0,09	0,11	0,14	0,16	0,18	0,20	0,23	0,26	0,31	0,35
Глинистые	0,07	0,09	0,11	0,13	0,14	0,16	0,18	0,21	0,24	0,27
При определении Rsh
Пески	0,12	0,15	0,17	0,19	0,21	0,22	0,24	0,29	0,34	0,38
Глинистые	0,08	0,10	0,12	0,13	0,15	0,16	0,18	0,21	0,24	0,27

Таблица 8.59

Приращение касательного напряжения на каждой ступени нагружения

Температура испытываемого образца грунта, °C	Приращение касательного напряжения Dt, МПа
От 0 до –1	0,01
Ниже –1 до –3	0,02
Ниже –3 до –6	0,03
Ниже –6	0,04

Значения t₁ при определении сопротивления срезу мерзлых грунтов, грунтовых растворов по поверхности смерзания R_af с металлическим материалом фундамента следует принимать с коэффициентом 0,7. Значения t₁ при определении R_sh при смораживании разнородных грунтов следует принимать для наименее прочного грунта. Если на первой ступени нагружения наблюдается незатухающая ползучесть, значения t₁ необходимо уменьшить в два раза.

При определении Dt учитывают уменьшение площади сдвига в течение испытания. Отсчеты по приборам для измерения вертикальной деформации образца грунта при испытании в ускоренном режиме (8 ч) снимают через 1, 5, 10, 15, 20, 30, 60 и 120 мин после приложения нагрузки, затем не реже, чем через 2 ч, далее при длительном испытании два раза в сутки (в начале и конце рабочего дня) до условной стабилизации деформации, или ведется автоматическая запись с интервалами, не реже чем перечисленные.

За критерий условной стабилизации деформации принимают приращение вертикальной деформации, не превышающее 0,01 мм за 12 ч.

Если на очередной ступени нагружения стабилизации деформации не наблюдается, то нагрузку выдерживают до возникновения деформирования с постоянной скоростью, которое считается достигнутым, когда скорость деформирования в течение двух следующих друг за другом 12-часовых интервалов сохраняется постоянной.

Испытание заканчивают, когда деформирование с постоянной скоростью установлено не менее, чем для двух ступеней касательной нагрузки. После окончания испытания отбирают пробы для определения влажности из зоны среза.

При проведении испытания при непрерывном быстром возрастании нагрузки к образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают касательную нагрузку, увеличивая ее непрерывно и обеспечивая такую постоянную скорость деформирования образца, чтобы время от начала испытания до момента разрушения образца составляло 20–40 с.

В процессе испытания производят автоматическую запись касательной нагрузки на образец, а при отсутствии системы автоматической записи фиксируют нагрузку Q_o, кН, в момент его разрушения.

По результатам испытаний при непрерывном быстром возрастании нагрузки определяют условно-мгновенное значение сопротивления срезу мерзлого грунта, льда по поверхности смерзания R_аf,о, МПа, по формуле:

R_аf,о = Q_o/A_af.

В процессе испытаний строят график зависимости деформаций грунта l во времени при различных значениях касательного напряжения (рис. 8.42, а).

Предельно длительное значение сопротивления срезу R_af, R_sh, R_sh,i определяют как набольшее касательное напряжение, при котором произошла стабилизация деформации образца при заданном нормальном напряжении, по кривой «деформация-нагрузка» и по графику ln(l)–ln(t) (рис. 8.42, б). При определении R_af, R_sh, R_sh,i вводят поправку на трение в срезном приборе по заранее построенной тарировочной кривой [17].

Предварительно определить расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента можно по табл. 8.60 [104].

Таблица 8.60

Расчетные сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента [104]

Грунты	Расчетные сопротивления мерзлых грунтов Raf, кПа (кгс/см3), при температуре грунта, ° С
	–0,3	–0,5	–1	–1,5	–2	–2,5	–3	–3,5	–4	–6	–8	–10
Глинистые Песчаные	40 (0,4)	60 (0,6)	100 (1,0)	130 (1,3)	150 (1,5)	180 (1,8)	200 (2,0)	230 (2,3)	250 (2,5)	300 (3,0)	340 (3,4)	380 (3,8)
	50 (5,0)	80 (8,0)	130 (1,3)	160 (1,6)	200 (2,0)	230 (2,3)	260 (2,6)	290 (2,9)	330 (3,3)	380 (3,8)	440 (4,4)	500 (5,0)

Закономерности формирования прочности на сдвиг мерзлых грунтов в течение последнего столетия изучали Ю.Я. Велли, С.С. Вялов, С.Е. Гречишев, Б.И. Далматов, Б.Н.Достовалов, Ю.К. Зарецкий, А.А. Коновалов, В.Н. Разбегин, Л.Т. Роман, Н.А. Цытович и др. Ими установлены внутренние и внешние факторы, определяющие прочность на сдвиг мерзлых грунтов. Среди внутренних факторов необходимо иметь в виду их минеральный состав и дисперсность, влияние влажности-льдистости, засоленности и др.

В зависимости от дисперсности, которая взаимообусловлена минераль­ным составом грунтов, прочность на сдвиг мерзлых грунтов в целом (при прочих одинаковых условиях) увеличивается в ряду: лед < глина < суглинок < супесь < песок.

Снижение прочности на сдвиг мерзлых грунтов с ростом дисперсности обусловлено, прежде всего, увеличением содержания в них незамерзшей воды, снижающей и величину сцепления, и величину угла внут­реннего трения. Наибольшей прочностью смерзания обладают среднезернистые пески, меньшей – пески крупнозернистые, а минимальной – гравийные и галечные грунты, у которых вклад ледяных цементационных связей в сцепление незначителен. Снижение прочности смерзания глинис­тых грунтов по сравнению со среднезернистыми песками обусловлено вли­янием незамерзшей воды.

Влияние засоленности на прочность мерзлых грунтов при сдвиге проявляется в том, что растворенные в поровом растворе соли оказывают влияние на формирование структурных связей между различными элементами грунта. При одной и той же засоленности грунта (D_sal) концентрация электролита его порового раствора (С_ps) зависит от влажности и уменьшается с увеличением последней. Поэтому влияние засоленности на прочность мерзлых грунтов снижается с увеличением суммарной влажности (w_tot). С ростом засоленности мерзлого грунта и увеличением концентрации электролита порового раствор происходит закономерное снижение прочностных параметров различных мерзлых дисперсных грунтов на сдвиг. Это объясняется увеличением количества незамерзшей воды и понижением температуры начала замерзания.

Среди внешних факторов, влияющих на прочность мерзлых грунтов при сдвиге, кроме вида напряженного состояния и условий нагружения, необходимо учитывать температуру. Многочисленные исследования показывают, что с повышением температуры мерзлых грунтов параметры сопротивления сдвигу у них закономерно уменьшаются: снижается величина сцепления и угол внутреннего трения [50].