Свойства мерзлых грунтов

Выделяются а) физические, б) теплофизические (тепловые), в) прочностные и г) деформационные свойства мерзлых грунтов.

Физические свойства. Экспериментально, лабораторными методами

, определяются, как правило, лишь ключевые или базовые показатели физических свойств, остальные обычно рассчитывются. К базовым характеристикам, кроме уже упоминаемых степени заторфованности q и засоленности Z, относятся:

1) Плотность (объемная масса) мерзлого грунта естественной (ненарушенной) структуры r, г/см³,

2) Суммарная весовая влажность W_c, доли ед.,

3) Весовое содержание незамерзшей воды W_н или льда W_л, доли ед.,

4) Температура замерзания (или оттаивания) грунтовой влаги t_к^оС.

Плотность мерзлого грунта r равна

r=m/V, (3)

где m и V – масса и объем мерзлого грунта в ненарушенном сложении.

В природной обстановке плотность изменяется от 1 г/см³ для сильнольдистых граунтов до 2, 73 г/см³ для прочносцементированных коренных пород. Для характеристики грунта используется также плотность частиц грунта (r_ч), равная отношению минеральной части грунта (абсолютно сухого грунта) к занимаемому объему (без пор). Эта величина для каждой категории грунта близка к постоянной (г/см³): 2, 67 - для песка и гравия, 2, 7 – для супесей, 2, 71 - для суглинков, 2, 74 – для глин, 1, 5 – для торфа; плотности других составляющих грунта – воды r_в и льда r_л равны 1 и 0, 92, соответственно.

Суммарная влажность W_c – это отношение массы всей воды (в жидкой и твердой фазе), содержащейся в данном объеме грунта к массе его скелета (к сухой навеске). Она определяется высушиванием (при температуре 100-105^оС) мерзлого грунта с начальной массой m₁ до достижения ее постоянства - массы сухого остатка m₂ и затем деления m₂ на ее разницу с начальной массой:

W_c = m₂ /(m₁ – m₂ )

Принято дифференцировать суммарную влажность на влажность за счет: а) порового льда, цементирующего минеральные частицы (W_ц), б) ледяных включений, т.е. прослоек и линз – шлирового льда (W_ш), в) незамерзшей воды (W_н).

Для характеристики влажности используют также общую влажность W_общ – отношение массы всей воды к массе всего грунта и объемную влажность W_r – отношение объема всей воды (в твердой и жидкой фазе) к объему всего грунта. Эти характеристики связаны с суммарной влажностью формулами:

W_об = W_c / (1+W_c)

W_r =r_ск (W_c– W_н)/ r_л

где r_ск – плотность скелета грунта (плотность сухого грунта)

Эти характеристики влажности удобны тем, что все множество возможных их значений у всех грунтов умещается в легкопредставимый диапазон, от 0 (абсолютно сухой грунт) до 1 (абсолютно влажный, т.е. вода), в отличие от суммарной влажности, которая, например у торфа, может достигать 1000%.

В зависимости от влажности и плотности можно рассчитать еще ряд важных физических характеристик мерзлого грунта:

Относительную весовую льдистость - отношение массы твердой фазы к массе всей воды

Л= (W_c – W_н)/ W_c

Объемную льдистость - отношение объема твердой фазы к объему всей воды

Л_об= r (W_c – W_н)/ [r_л (1+W_c)]

Плотность скелета грунта – отношение массы сухого грунта к объему всего грунта

r_ск =r (1– W_о)

Коэффициент пористости мерзлого грунта – отношение объема пор грунта (v_п) к объему его скелета (v_ск). Учитывая, что сумма относительных объемов пор и скелета грунта равна 1, а относительный объем твердых частиц равен r_ск / r_ч , после преобразования получаем

е = v_п / v_ч =(r_ч- r_ск)/ r_ск

Пористость – отношение объема пор к объему всего грунта.

п = е/(1+е)

Полная влагоемкость – суммарная влажность при полном заполнении пор водой

W_пв = еr_в / r_ч

Коэффициент водонасыщения (степень влажности) – отношение суммарной влажности к полной влагоемкости

G= W_cr_ч / er_в