Свойства вечномерзлых грунтов

Общая характеристика вечномерзлых грунтов (ВМГ). Большую часть территории Российской Федерации (почти всю Северную зону) занимают ВМГ. Вечномерзлыми называют грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру, содержащие в своем составе лед и находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет (свыше трех лет).

ВМГ имеют сплошное или островное распространение. В направлении с юга на север отмечается увеличение мощности слоя ВМГ, которое достигает в районах Крайнего Севера нескольких сотен метров. В южных районах распространено островное залегание ВМГ с толщиной слоя 20…50 м. Дальше на север наблюдается кружевное залегание ВМГ. Здесь много таликов, т. е. площадок, где слой ВМГ отсутствует. В высоких широтах наблюдается сплошное залегание ВМГ с толщиной слоя обычно более 100 м. В этих районах талики по всей глубине залегания ВМГ встречаются лишь под большими реками и озерами.

Поверхностный слой грунта подвергается сезонному оттаиванию (промерзанию) на глубину от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Этот слой называют сезоннооттаивающим (деятельным), если он промерзает зимой до полного слияния с толщей ВМГ и сезоннопромерзающим, если такого промерзания не происходит. ВМГ могут иметь слитную, слоистую и ячеистую (сетчатую) морозную (криогенную) текстуру. В ВМГ иногда имеются весьма крупные включения льда в виде линз и слоев толщиной в несколько метров или в виде клиньев.

По состоянию в природных условиях ВМГ могут находиться в твердомерзлом, пластично-мерзлом или сыпучемерзлом состояниях. Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом. При относительно быстром приложении усилий происходит их хрупкое разрушение. Под действием нагрузок от сооружений эти грунты практически не сжимаются. Пластичномерзлые грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Они характеризуются достаточно большой сжимаемостью. Сыпучемерзлые грунты – это грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью менее 0,03.

Содержание льда в грунте определяет его льдистость, т. е. отношение объема льда, находящегося в грунте, ко всему его объему. ВМГ, льдистость которых превышает 0,4, относятся к сильно льдистым. Они обладают вязкими свойствами, при их оттаивании могут возникать значительные просадки даже под действием собственной тяжести.

По температуре на глубине 10 м ВМГ подразделяются на низкотемпературные (ниже 2–1,5 °С) и высокотемпературные (от 0 до –1,5 °С). При всей условности это подразделение исключительно важно так, как на низкотемпературных грунтах строительство и эксплуатация зданий и сооружений осуществляется по принципу I, т. е. с сохранением грунта основания в мерзлом состоянии.

Строительство и эксплуатация зданий и сооружений по принципу I на высокотемпературных грунтах ведется, как правило, с использованием дополнительных мероприятий, понижающих температуру грунта или предохраняющих от ее повышения. На этих грунтах рациональнее строить и эксплуатировать здания и сооружения по принципу II, т. е. с оттаиванием мерзлого грунта и поддержанием его в талом состоянии. При выборе принципа строительства необходимо учитывать мерзлотно-грунтовые условия строительной площадки, так как в большинстве районов распространения ВМГ до глубины 3…4 м, а часто и до 7…8 м, температура грунта так резко меняется в течение года, что они переходят из пластично-мерзлых в твердомерзлые, из высокотемпературных в низкотемпературные и обратно.

Под воздействием температурных колебаний в слое ВМГ происходят сложные криогенные процессы и явления: морозное пучение грунтов, образование морозобойных трещин, сползание грунта по склонам (солифлюкция), поверхностные оползни, наледообразования, термокарстовые просадки и др. Многие из этих процессов протекают одновременно и часто возникают в результате нарушения человеком неустойчивого природного равновесия, характерного для этого типа экосистем. Например, вырубка леса, дренаж территории, задержание снега, пожоги торфяников и прочие подобные мероприятия приводят к ослаблению вечной мерзлоты, а в некоторых районах – к полной ее деградации.

При неглубоком залегании подземных льдов появляются термокарсты, возникают провальные озера. Зачастую по следу трактора, разрушившего гусеницами моховой покров, образуются термокарстовые канавы. Восстановление растительного покрова в зоне ВМГ протекает крайне медленно, поэтому при проектировании и строительстве в этих районах необходимо предусматривать специальные природоохранные решения.

Состояние грунта в момент его разработки. По глубине вечномерзлой толщи грунта по температурному фактору различают две зоны (рис. 5.1): аккумуляции (аккумуляционный слой), отмечаемую сезонными колебаниями температур, мощностью обычно до 15…20 м; нулевых годовых амплитуд с постоянной, не меняющейся в течение года температурой (слой пассивного криолитогенеза).

Рис. 5.1. Распределение температуры в пределах сливающегося деятельного слоя и слоя ВМГ

Температура поверхности грунта в точке А соответствует положительной температуре наружного воздуха. Положение точки В определяет наибольшую толщину деятельного слоя Н₀. На участке СВ отрицательная температура грунта повышается до нуля. Слой грунта, в котором в течение года непрерывно происходит изменение отрицательных температур, называют слоем активного криолитогенеза. Он начинается от нижней границы деятельного слоя и продолжается до глубины 10…15 м, на которой отрицательная температура ВМГ не изменяется в течение года. Ниже располагается толща ВМГ, где сохраняется постоянная отрицательная температура – это слой пассивного криолитогенеза (участок СД).

Под температурой ВМГ понимают температуру слоя пассивного криолитогенеза Т₀. Глубина этого слоя определяется географической широтой местности. Ориентировочно можно считать Т₀ меньше среднегодовой температуры воздуха для данного района на 5...8 °С. Зону фазовых переходов воды, которая объединяет слои сезонного протаивания и активного криолитогенеза, называют аккумуляционным слоем грунта. Собственно ВМГ охватывает слои активного и пассивного криолитогенеза. Ниже точки Д температура грунта повышается под влиянием теплоты нижележащих слоев.

Изменение температуры в зимний период года по глубине ВМГ соответствует линии, соединяющей точки Е, С и Д. В этом случае отрицательная температура деятельного слоя грунта значительно больше температуры слоя активного криолитогенеза. Соответствующим образом изменяется прочность грунта, т. е. чем больше глубина, тем меньшей прочностью обладает ВМГ в зимний период года. Изменение среднегодовой температуры ВМГ описывается линией, соединяющей точки Р, С и Д. Чем больше глубина, тем меньше среднегодовая температура, имеющая отрицательное значение на любой глубине.

Для определения сопротивления ВМГ рабочим органам землеройных машин необходимо определять температуру на любой глубине в течение года. В деятельном слое температура ВМГ в зимний период на глубине менее 0,3 м Т_г принимается равной температуре воздуха:

(5.1)

при

(5.2)

В слое активного криолитогенеза температура грунта при равна

(5.3)

где k, m – безразмерные коэффициенты, зависящие от времени года и типа ВМГ; для мерзлых грунтов m = 4; коэффициент k для разных месяцев определяется по формулам:

· декабрь – январь

(5.4)

· май – июнь

(5.5)

· сентябрь – ноябрь

(5.6)

для пластично-мерзлых грунтов m = 2; коэффициент k определяется из выражений:

(5.7)

Прочность мерзлых грунтов может характеризоваться сопротивляемостью при их разработке. Сопротивление ВМГ внешним нагрузкам зависит от скорости приложения этих нагрузок, поэтому при испытаниях грунтов определяют мгновенную и длительную прочности. Мгновенной прочностью называется напряжение, вызывающее разрушение при мгновенном приложении нагрузки. Длительной прочностью называется напряжение, вызывающее разрушение за определенный отрезок времени. Наибольшее напряжение, при котором еще не происходит разрушение, а деформации носят затухающий характер, называется пределом длительной прочности или нормативным сопротивлением. По его значениям определяют несущую способность грунта.

При разработке грунтов механическими способами приходится иметь дело с мгновенной прочностью, которая в 5…15 и более раз превышает длительную прочность мерзлого грунта. При сравнении характеристик мерзлого грунта и того же самого грунта в талом состоянии значения мгновенной прочности мерзлого грунта оказываются в десятки и сотни раз выше, чем талого грунта. Длительная прочность как характеристика мерзлого грунта служит в первую очередь для определения несущей способности оснований зданий и сооружений.

Мгновенная прочность вечномерзлых грунтов существенно зависит от гранулометрического состава и от величины их отрицательных температур. Различают мгновенную прочность мерзлых грунтов при сопротивлении сжатию, растяжению, сдвигу, резанию и т. п. На сопротивление мерзлого грунта сжатию влияет его суммарная влажность. Если она меньше полной влагоемкости грунта, его прочность с увеличением влажности возрастает, а в случае полной водонасыщенности – уменьшается. Влагоемкость (водонасыщенность) грунта – это его способность вмещать в порах и удерживать на поверхности частиц определенное количество воды, вмещаемое грунтом при заполнении всех пустот, имеющихся в нем.

Влажность ВМГ непосредственно в условиях строительной площадки определить невозможно. Поэтому, ограничиваясь данными предварительных геологических изысканий, определяют состояние грунта (табл. 5.1): переувлажненное (W > W_n); полностью увлажненное (W ≈ W_n); недостаточно увлажненное (W < W_n), здесь W – влажность талого грунта; W_n – полная влагоемкость грунта.

Полная влагоемкость грунта может быть рассчитана следующим образом

(5.8)

где е – коэффициент пористости грунта; n – пористость грунта; g_s – плотность твердых частиц грунта; g_ск – плотность скелета грунта.

Таблица 5.1

Состояние грунта: влажность, %

Тип грунта	Состояние грунта
переувлажненное	полностью увлажненное	недостаточно увлажненное
Песчаный Супесчаный Суглинистый Глинистый	Более 15 » 25 » 30 » 40	12…13 17…23 22…28 27…33	Менее 10 » 15 » 20 » 25

Сопротивление грунта растяжению в несколько раз меньше, чем сопротивление сжатию, поэтому влияние влажности и гранулометрического состава на эту характеристику не столь заметно. При разработке грунта наиболее рациональным и наименее энергоемким оказывается такой способ, при котором для разрушения грунта используется деформация растяжения (например, скол, резание и т. п.).

Важнейшей характеристикой вечномерзлых грунтов является их сопротивление резанию. А.Н. Зеленин предложил оценивать сопротивляемость грунтов резанию по числу ударов динамического плотномера конструкции ДорНИИ. Получены эмпирические формулы для расчета числа ударов С динамического плотномера в зависимости от температуры и влажности грунта.

Прочность ВМГ массивной криогенной текстуры (W ≥ W_n) может быть рассчитана по формуле

(5.9)

где А, В, Д, Е – постоянные коэффициенты для каждого типа грунта [14]; T_r – температура грунта; W – влажность грунта, %.

Формула (5.9) имеет вид:

· для песков

;

· для супесков

;

· для суглинков

;

· для глин

Для слоев активного и пассивного криолитогенеза ВМГ (W ≈ W_n) эта зависимость имеет вид:

(5.10)

· для супесков

;

;

· для суглинков

;

· для глин

В летнее время года сезонно-талый слой ВМГ находится в оттаявшем состоянии. Величина С в этом случае определяется по формулам:

(5.11)

· для глин

· для суглинков

· для супесков

Классификация мерзлых грунтов. Существует три системы группировки грунтов по трудности разработки. Первая система используется для нормирования параметров машин для разработки грунтов в процессе их конструирования и эксплуатации. По второй системе талые грунты разделены на 6 групп, а мерзлые – на 4 группы. Эта система предназначена для определения норм времени при разработке грунтов различными машинами. Она приведена в сборниках норм (ЕНиР).

Третья система основана на оценке скорости прохождения упругих волн через грунт, измеряемой сейсмографом: 1500…2000 м/с – мягкие и плотные грунты; 2500 м/с и более – полускальные грунты; 6000…7000 м/с – скальные грунты. Грунты, имеющие скорости упругой волны до 3000 м/с, эффективно разрабатываются рыхлителями статического действия. Грунты со скоростью упругой волны более 3000 м/с требуют использования энергии взрыва для их разработки.

Категорию ВМГ, как разрабатываемого материала, наиболее просто и надежно определять по числу ударов С плотномера. По ГОСТ 17343-83 мерзлые грунты по числу ударов С разделяют на 4 категории: V –
35…70 уда­ров; VI – 70…140 ударов; VII – 140…280 ударов; VIII – 280…560 ударов. Установлено, что в ВМГ число С достигает 650…700 ударов при температуре воздуха –40 °С и ниже (табл. 5.2). По шкале определения группы грунта по трудности разработки машинами ВМГ сезонно-мерзлые грунты разделяют на 6 разрядов: V – 35…70 ударов; VI – 70…140 ударов; VII – 140…280 ударов; VIII – 280…420 ударов; IX – 420…560 ударов; X – 560…700 ударов.

Таблица 5.2

Изменение числа С в зависимости от температуры
и влажности вечномерзлого грунта

Грунт	Температура, 0С	Влажность, %
12–16	17–22	23–27	28–35	36–45	46–55
Песчаный     Супесчаный     Суглинистый     Глинистый	–5…–14 –15…–24 –25…–34 –35…–44 –45…–54 –5…–14 –15…–24 –25…–34 –35…–44 –45…–54 –5…–14 –15…–24 –25…–34 –35…–44 –45…–54 –5…–14 –15…–24 –25…–34 –35…–44 –45…–54	– – – – – – – – – – – – – – –	– – – – – – – – – –	– – – – – – – – – –	– – – – –	– – – – – – – – – –	– – – – – – – – – – – – – – –

При проектировании земляного полотна железных дорог на ВМГ основания сооружений классифицируют в зависимости от степени относительного сжатия грунта и просадочности. Установлено 4 категории оснований на ВМГ:

– основания I категории – слабосжимаемые (прочные), имеют относительное сжатие до 0,05; сложены породами скальными, крупнообломочными, а также глинистыми твердой и полутвердой консистенции;

– основания II категории – среднесжимаемые, относительное сжатие 0,05…0,1; сложены глинистыми грунтами туго- и мягкопластичной консистенции (при оттаивании), а также песчаными и крупнообломочными материалами при наличии прослоев линз льда;

– основания III категории – сильносжимаемые (слабые), относительное сжатие 0,1…0,4; сложены глинистыми грунтами текучепластичной и текучей консистенции (при оттаивании), а также песчаными и крупнообломочными материалами с включением прослоев линз льда; мари с торфом мощностью до 1 м; основания IV категории – просадочные, относительное сжатие более 0,4; к таким основаниям относятся участки ВМГ с наличием подземного льда, а также мари с торфом мощностью более 1 м.

Для предварительного отнесения грунтов к той или другой категории просадочности можно воспользоваться табл. 5.3.

В соответствии с классификацией оснований на ВМГ применяется следующая классификация грунтов по степени просадочности:

Категория грунта Относительное сжатие, %

I – непросадочные ........................................................................ 0

II – малопросадочныедо ........................................................... 10

III – просадочные................................................................. 10…40

IV – сильнопросадочные.............................................. более 40.

Таблица 5.3

Дорожно-мерзлотная классификация грунтов

Наименование и состав грунтов	Влажность мерзлых грунтов, %, по категориям
I	II	III	IV
Гравийно-галечные и щебенисто-дресвяные с примесью песка	Менее 5–9	9–15	Более 15	–
То же с примесью супеси или суглинка до 25 %	9–13	13–17	Более 17	–
То же с примесью супеси или суглинка до 50 %	11–16	16–20	Более 20	–
Пески	15–17	17–25	Более 25	–
Супеси: легкие тяжелые	11–13 14–16	13–23 16–25	23–53 25–56	Более 53 Более 56
Суглинки: легкие и средние тяжелые глины	17–20 21–23	20–28 23–53 25–40	28–60 35–66 40–75	Более 60 Более 66 Более 75