Механические свойства мёрзлых грунтов

Для мерзлых грунтов основное определяющее значение в прочностных свойствах имеет сцепление упорядочения, обусловленное цементационным действием льда и наличием незамёрзшей воды.

Лед обладает резко выраженными реологическими свойствами, к которым относятся ползучесть, релаксация, изменение прочности во времени. Силы сцепления в мёрзлом грунте не остаются постоянными, а изменяются во времени под влиянием приложенной нагрузки:

С = f(T,t°,p).

Сцепление в мерзлом грунте может быть определено при помощи шарикового штампа по формуле:

С_т = 0,18р/πDS_т, (1.13)

где р – нагрузка шарикового штампа, кг.с./см²;

D – диаметр шарикового штампа, см;

S_т - величина осадки шарикового штампа в различные промежутки времени.

Индекс т указывает, что С_т и S_т изменяются во времени. При приложении нагрузки в течение 5-10 с вычисляемое по формуле (1.1З) сцепление будет мгновенным. Длительное сцепление С_дл можно определить по формуле: С_дл = 0.8С₈, (1.14)

где С₈ – сцепление при 8-часовом действии нагрузки.

В связи с тем, что величина сцепления мёрзлых грунтов под действием нагрузки изменяется с течением времени, при оценке мёрзлых грунтов различают мгновенную прочность, которая измеряется десят­ками и сотнями кг.с/см² и близка к прочности бетона, и длительную прочность, которая в несколько раз меньше предела прочности при мгновенной нагрузке.

Под предельно длительной прочностью понимается такое макси­мальное напряжение в грунте, при котором не возникает незатухающих деформаций ползучести в грунте. Предельную нагрузку, которую без­опасно приложить к мерзлым грунтам, можно определить по формуле:

R"=5,7С_дл + ρН_ф, (1.15)

где С_дл - предельно длительное сцепление грунта, кг.с./см²;

ρ - объемная масса грунта, г/см3;

Н_ф - глубина наложения фундамента, м.

Расчётное давление на мерзлый грунт R, характеризующее пре­дельно длительное сопротивление грунта под подошвой фундамента или торцом сваи, по табл. 1.5 -1.12. Как видно из таблиц, значение R зависит от вида и температуры грунта, а также от льдистости за счет включений Л_в.

Таблица 1.5

Расчетные давления на мерзлые грунты R под нижним концом сваи

Грунты	Глубина погружения свай, м	Расчетные давления свай R, кг/см2, при температуре, °С
-0,3	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5	-3	-3,5	-4	-6	-8	-10
При льдистости грунтов ЛВ < 0,2
1.Крупнообломочные	При любой глубине
2.Пески крупные и средней крупности	То же
3.Пески мелкие и пылеватые	3 – 5 15 и более	8,5	15,5	16,5	17,5
4.Супеси	3 – 5 15 и более	7,5 8,5 9,5	8,5 9,5 10,5	12,5	13,5	14,5
5.Суглинки и глины	3 – 5 15 и более	6,5	7,5 8,5 9,5	8,5 9,5	9,5 12,5	12,5	13,5	14,5
При льдистости грунтов 0,2 > ЛВ < 0,4
6.Все виды грунтов указанные в поз. 1-5	3 – 5 15 и более	4,5 5,5	5,5	7,5	7,5 8,5	8,5 9,5	9,5 10,5	10,5	11,5	11,5 12,5 13,5

Таблица 1.6

Расчётные давления на мёрзлые грунты под подошвой столбчатого фундамента

Грунты	Расчётные давления R,кгс/см2, при температуре грунта,°С
-0,3	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5	-3,0	-3,5	-4	-6	-8	-10
При льдистости грунтов Лв < 0,2
1. Крупнообломочные и средней крупности   2. Пески мелкие и пылеватые   3. Супеси   4. Суглинки и глины	5,5   4,5     2,5	9,5       4,5	12,5       5,5	14,5       6,5	10,5	11,5	19,5			15,5	29,5   25,5   22,5	28,5
При льдистости грунтов Лв ≥ 0,2
5. Все виды грунтов, указанные в поз.1-4							7,5	8,5	9,5	12,5	15,5	17,5

Таблица 1.7

Расчётные давления на мёрзлые засоленные грунты R под

нижним концом сваи

Засолен-ность грунта z,%	Расчётные давления R, кгс/см2, при температуре °C
-1	-2	-3	-4
Глубина заложения сваи, м
3-5		15 и более	3-5		15 и более	3-5		15 и более	3-5		15 и более
Пески мелкие и средние
0,1 0,2 0,3 0,5	1,5 - -	2,5 - -	8,5 3,5 - -	6,5 2,5 1,5 -	8,5 3,5 -	9,5 4,5 -	3,5 2,5 1,5	9,5 4,5 3,5	10,5 4,5	3,5 2,5	11,5 4,5	12,5 7,5 5,5
Супеси
0,15 0,3 0,5	5,5 - -	6,5 3,5 - -	7,5 4,5 - -	5,5 -	9,5 6,5 3,5 -	10,5 4,5 -	10,5 7,5 4,5	5,5 2,5	13,5 10,5 6,5 3,5	13,5 6,5 3,5	15,5 11,5 7,5 4,5	5,5
Суглинки
0,2 0,5 0,75	4,5 1,5 - -	2,5 - -	6,5 4,5 - -	3,5 1,5	4,5 2,5	9,5 5,5 3,5	9,5 5,5 3,5	10,5 6,5 4,5 3,5	7,5 5,5 4,5	11,5 7,5	8,5	7,5 6,5

Примечания: 1. Приведённые значения R даны для засоленных мёрзлых грунтов при их льдистости за счёт включений Л_в ≤ 0,2

2. Значения R под подошвой столбчатого фундамента допускается принимать по настоящей таблице как для свай глубиной погружения 3-5м.

Таблица 1.8

Расчетные сопротивления мерзлых грунтов и грунтовых растворов сдвигу

по поверхности смерзания R_см

Грунты	Расчетные сопротивления Rсм, кгс/см2, при температуре грунта, Со
-0,3	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5	-3	-3,5	-4	-6	-8	-10
Песчаные   Глинистые	0,5   0,4	0,8   0,6	1,3	1,6   1,3	1,5	2,3   1,8	2,6	2,9   2,3	3,3   2,5	3,8	4,4   3,4	3,8

Таблица 1.9

Расчетные сопротивления мёрзлых грунтов сдвигу по грунту или грунтовому раствору R_сд

Грунты	Расчетные сопротивления Rсд, кгс/см2, при температуре грунта, С0
-0,3	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5	-3	-3,5	-4	-6	-8	-10
Песчаные Глинистые	0,8 0,5	1,2 0,8	1,7 1,2	2,1 1,5	2,4 1,7	2,7 1,9	2,1	3,2 2,3	3,4 2,5	4,2	4,8 3,4	5,4 3,8

Таблица 1.10

Расчётные сопротивления мёрзлых засоленных грунтов сдвигу

по поверхностям смерзания R_см

Засоленность грунта Z,%	Расчётные сопротивления Rсм, кгс/см2, при температуре, °С
-1	-2	-3	-4
Пески мелкие и средние
0,1 0,2 0,3 0,5	0,7 0,5 0,4 -	1,1 0,8 0,7 0,5	1,5 1,1 0,9 0,8	1,9 1,4 1,2
Супеси
0,15 0,3 0,5	0,8 0,6 0,3 -	1,2 0,9 0,6 -	1,6 1,3 0,5	2,1 1,7 1,3 0,8
Суглинки
0,2 0,5 0,75	0,6 0,3 0,25 0,2	0,5 0,45 0,4	1,3 0,9 0,8 0,7	1,8 1,2 1,1

Таблица 1.11

Расчётные давления на лёд R под нижним концом сваи и расчётные

сопротивления льда сдвигу по поверхности смерзания с грунтовым раствором R_сд.п.г.

Температура льда, °С	Расчётные давления, кгс/см2
R	Rсд. п.г.
-1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4	0,5 1,4 1,98 2,3 2,6 2,3	0,2 0,3 0,35 0,45 0,5 0,6 0,65

Таблица 1.12

Расчётные давления на мёрзлые грунты R и сопротивления сдвигу R_см

мёрзлых грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных

Грунты	Значения R и Rсм, кгс/см2, при температуре грунта, °С
-1	-2	-3	-4	-6	-8	-10
Расчётные давления на мёрзлые грунты R под подошвой столбчатого фундамента и нижним концом сваи
Песчаные: 0,03< q ≤ 0,1 0,1< q ≤ 0,25 0,25 < q ≤ 0,6	2,5 1,9 1,3	5,5 4,3 3,1	4,6	8,6 6,5	7,5	11,5 8,5	9,7
Глинистые: 0,05< q ≤ 0,1 0,1 < q ≤ 0,25 0,25 < q ≤ 0,6	1,5	4,8 3,5 2,8	5,4 4,3	5,7	11,6 8,2 6,7	13,3 9,4 7,6	10,5 8,6
Торф	0,6		3,2	4,5	5,2	5,9	6,7
Расчётные сопротивления мёрзлых грунтов сдвигу по поверхности смерзания Rсм
Песчаные: 0,03< q≤ 0.1 0.1< q ≤ 0.25 0.25 < q ≤ 0.6	0,9 0,5 0,35	1,3 0,9 0,7	1,6 1,2 0,95	2,1 1,6 1,3	2,5 1,85 1,5	2,8 2,1 1,7	3,2 2,4 1,95
Глинистые: 0,05< q ≤ 0,1 0,1 < q ≤ 0,25 0,25 < q ≤ 0,6	0,6 0,35 0,25	0,6 0,5	1,3 0,9 0,8	1,8 1,2 1,05	2,1 1,4 1,25	2,4 1,6 1,4	2,7 1,8 1,6
Торф	0,2	0,4	0,75	0,95	1,1	1,25	1,45

Таблица 1.13

Показатели физико-механических свойств мёрзлых пород

№ ва- риан- тов	Описание пород	Темпе- ратура грунта t °С	Плот- ность γs, г/см3	Объём- ная масс- са γ, г/см3	Пластичность	Сум-марная влажн. WС
верх- ний пре- дел WL	нижний предел WР
6	Игарские ленточные глины Салехардские глины слоистой текстуры   Воркутинские глины массивной текстуры Игарские суглинки, средние, пылеватые, массивной текстуры   Надымские озёрно-аллювиальные пески массивной текстуры   Игарские глины сетчатой текстуры Игарские глины слоистой текстуры   Игарская озёрно-ледниковая супесь, пылеватая Надымские морские суглинки массивной текстуры   Надымские суглинки массивной текстуры   Надымские глины слоистой текстуры   Пунгские суглинки сетчатой текстуры   Воркутинские суглинки массивной текстуры   Воркутинские суглинки слоистой текстуры   Воркутинские суглинки сетчатой текстуры Надымские супеси массивной текстуры   Надымские супеси массивной текстуры	-0,5   -0,5     -0,6     -1,0   -2,0     -1,5   -0,5     -0,9     -1   -1,5   -1,8     -0,6     -0,8   -1,0   -1,5     -1,0     -0,8	2,77   2,71     2,65     2,77   2,65     2,77   2,78     2,79     -   2,70   2,74     2,72     2,78   2,75   2,74     2,70     2,70	1,87   1,65     1,85     1,82   2,00     1,71   1,63     1,96     1,94   1,84   1,52     1,61     1,76   1,52   1,59     1,64     1,75	0,58   0,47     0,28     0,39   -     0,46   0,41     0,21     0,29   0,29   0,58     0,45     0,18   0,44   0,43     0,26     0,20	0,29   0,27     0,10     0,22   -     0,13   0,21     0,15     0,15   0,16   0,28     0,29     0,13   0,29   0,30     0,20     0,14	0,34   0,45     0,28     0,33   0,20     0,40   0,55     0,25     0,23   0,31   0,58     0,43     0,23   0,43   0,43     0,34     0,28

Примечание: Температура мёрзлого грунта приведена на верхней границе многолетнемёрзлых пород.

Задачи

1*. Вычислить следующие физические свойства мерзлых пород: влажность за счет включений W_В и льда-цемента W_Ц, количество незамерзшей воды W_Н, льдистость за счет льда цемента Л_Ц, льдистость за счет включений Л_В, степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой G, показатель относительного сжатия h.

2*. Определить коэффициенты теплопроводности λ_т, λ_м и объемную теплоемкость С_т, С_м – для мерзлых и талых грунтов.

3*. Выбрать нормативное сопротивление мерзлых грунтов вертикальной нагрузке R.

* Здесь и далее звездочка поставлена у номеров тех задач, которые предназначены для самостоятельной работы. Исходные данные для решения взять из таблицы фактического материала (табл. 1.13) по вариантам.

ТЕМА 2