Рис.1 Карта распространения многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева,1976).
1-Зона редкоостровного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами(tср) от +3 до –1С и мощностью мёрзлой толщи(М) от 0 до 100 м;2-5 зона сплошного распространения ММП: 2- tср от –1 до –3, М от 50 до 300 м; 3- tср от –5 до –9 Ю, М от 200 до 600 м; 5- tср от ниже -9С, М от 400 до 900 м и более ;6- граница зон ММП;7 южная граница криолитозоны
Глава 1.Основные физические характеристики мёрзлых грунтов.
1.1Вводные понятия.
Термин грунт вошёл в терминологию грунтоведческих наук в 18 веке. В современном определении(Сергеев, Голодовская и др.1973) грунт-это любые горные породы, почвы и техногенные образования, обладающие определёнными генетическими признаками и рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.
Порода – естественный минеральный агрегат определённого состава и строения, сформировавшийся в результате геологических процессов, в соответствии с которыми их подразделяют на осадочные, магматические и метаморфические.
Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»).Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.
Классификация мёрзлых грунтов по гранулометрическому составу определяется как и для немёрзлых грунтов. Выделяют классификации по Охотину, Сергееву. Кроме того, мёрзлые грунты дополнительно классифицируют по ГОСТ 25100-95, также по: времени нахождения в мёрзлом состоянии(табл.1.1); по льдистости(табл.1.2);по засолённости(табл.1.3); по заторфованности(табл.1.4)
Таблица 1.1
Классификация грунтов по времени нахождения в мёрзлом состоянии по данным различных источников.
| Наименования мёрзлых грунтов | Время существования в мёрзлом состоянии | Источники |
| МноголетнемёрзлыеСезонномёрзлыеКратковременно мёрзлые | Годы, сотни, тысячи летМесяцыСутки | В.А КудрявцевБ.А, Достовалов, 1978Э.Д.Ершов,1990 |
| ВечномёрзлыеМноголетнемёрзлыеСезонномёрзлыеКратковременно мёрзлые | Века, тысячелетияОт нескольких лет до нескольких десятилетийОт 1 до 2 сезоновОт нескольких часов до нескольких суток | Н.А.Цытович,1973 |
| ВечномёрзлыеПерелеткиСезонномёрзлые | Три и более годаОт 1 года до трёх лет1-й холодный сезон года | Нормативные документы по строительству и инженерным изысканиям |
Таблица 1.2
Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.
| Разновидность грунтов | Льдистость за счёт видимых ледяных включенийi,д.е. | |
| Скальные и полускальные грунты | Дисперсные грунты | |
| Слабольдистый ЛьдистыйСильнольдистыйОчень сильнольдистый | <0.01 0.01-0.05 >0.05 - | <0.20 0.20-0.40 0.40-0.60 0.60-0.90 |
Таблица 1.3
Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости Dsol%
(для морского типа засоления)
| Разновидность | Суммарное содержание легкорастворимых солей,% массы сухого грунта | |
| Песок | Глинистый грунт | |
| СлабозасолённыйСреднезасолённыйСильнозасолённый | 0.05-0.10 0.10-0.20 >0.20 | 0.20-0.50 0.50-1.00 >1.00 |
Классификация грунтов по содержанию органического вещества.
| Название | Содержание органического вещества (%) в | |
| глинистых | песках | |
| Сильнозаторфованные | 50-40 | - |
| Среднезаторфованные | 40-25 | - |
| Слабозаторфованные | 25-10 | - |
| С примесью орг.веществ | 10-3 | 10-3 |
Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает. При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств льда. Разработана классификация мёрзлых грунтов по температурно-прочностным свойствам.(табл.1.5)
Таблица 1.5
Классификация по температурно-прочностным свойствам
| Вид грунтов | Разновидность грунтов | |||
| Твёрдомёрзлыйdp£0.1 кПа-1при t<Th°C | Пластичномёрзлый dp>0.1 кПа-1при t, °C | Сыпучемёрзлый при t<0°С | ||
| Все виды скальных и полускальных грунтов | Th=0 | ---- | -------- | |
| Крупнообломочный грунт | Th =0 | Th <t< Tbfпри Sr<0.8 | Sr£0.15 | |
| Песок гравелистый крупный и средней крупности | Th = -0.1 | |||
| Глинистый грунт | Супесь | Th =-0.6 | Th <t< Tbf | |
| Суглинок | Th =-1.0 | |||
| Глина | Th =-1.5 | |||
| Заторфованный грунт | Th =-0.7(Jr+|Th|) | Th <t< Tbf | ----- | |
| Торф | - | t<0 | ------- | |
Th-температурная граница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;
Tbf- то же для заторфованных грунтов.
Характер изменения механических свойств грунтов различного состава зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.
1.2 Грунты как многокомпонентная система.
Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.
Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей :твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда(лёд-цемент и лёд прослойков);воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.
Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.
Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.
Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме- может достигать огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2/г.
Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2Co3,хлористый магний MgCl2. Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния. Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3,аморфную модификацию, образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах. В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до –100°С и при обычных давлениях),он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов. Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законам реологической механики, в параллельном же направлении–напротив, после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. Кроме того, электро- молекулярные связи льда значительно превосходят электро- молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.
Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе(лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.