Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdfлишь те слои ее, силы взаимодействия которых с поверхностью ми неральных частиц при данной отрицательной температуре меньше сил кристаллизации льда.
Если при охлаждении грунта в его порах не образуется лед, то нет оснований такой грунт называть мерзлым. Поэтому мерзлыми грунтами, мерзлыми горными породами и мерзлыми почвами мы будем называть грунты и другие горные породы, почвы и дисперс ные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температу ру, в которых хотя бы часть воды замерзла, т. е. превратилась в лед, цементируя минеральные частицы. Породы, имеющие отрица тельную или нулевую температуру, в порах которых лед не кристал лизовался, будем называть охлажденными (или морозными) и пе реохлажденными, если в них содержится прочносвязанная или минерализованная вода, не замерзающая при данной отрицатель ной температуре. Все остальные горные породы (грунты, почвы ипр.), имеющие положительную температуру, будем называть не мерзлыми, а если они ранее находились хотя бы некоторое время в мерзлом состоянии и затем оттаяли — талыми породами.
Таким образом, все грунты («рыхлые горные породы») и другие горные породы (например, трещиновато-скальные) в зависимости от фазового состава их поровой воды будем разделять на три клас са: 1) мерзлые породы; 2) охлажденные породы; 3) немерзлые породы.
В дальнейшем, мы все свое внимание уделим исследованию ме ханических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов и механичес ких процессов, в них протекающих, т. е. изложению проблем меха ники мерзлых грунтов.
Будем придерживаться следующего наименования мерзлых грун тов (а также — мерзлых трещиноватых скальных пород и почв) в зависимости от времени их существования:
Наименование |
Время существования |
|||
Вечномерзлые . . |
Века и тысячелетия |
(но не ме |
||
Многолетнемерзлые |
От нескольких лет |
|||
|
нее трех) |
до нескольких деся |
||
Сезонномерзлые |
тилетий |
|
|
|
От 1 до 2 сезонов |
|
|||
Кратковременномерзлые |
От нескольких |
часов до не |
||
|
скольких |
суток |
(не |
регулярно |
|
возникающие) |
|
|
Если время существования мерзлого состояния горных пород (грунтов и пр.) в наименовании не отражено, будем называть их просто мерзлыми (природно-мерзлыми или искусственно заморо женными) .
Таким образом, вечномерзлыми грунтами и вообще вечномерз лыми горными породами мы, следуя широко укоренившемуся на родному представлению о «вечной мерзлоте», будем называть грун ты и другие горные породы, весьма длительное время существую щие в мерзлом состоянии, т. е. существующие века (столетия).
Многолетнемерзлыми породами мы будем называть породы, су ществующие много лет — по крайней мере, возникающие в течение жизни одного поколения людей. Наконец, сезонномерзлыми будем называть грунты, почвы и пр., промерзшие за один сезон (зиму) и сохраняющие мерзлое состояние от 1 до 2 лет. В последнем случае двухсезонные мерзлые грунты и другие горные породы часто назы вают перелетками.
Вечномерзлое состояние горных пород (грунтов и пр.) мы рас сматриваем как явление геологическое (так, толщи вечномерзлых пород северо-востока Сибири имеют возраст от 10—12 тыс. до 280 тыс. лет), многолетнемерзлое состояние — как явление современное, а сезонномерзлое, как явление регулярное, из года в год повторяю щееся, и наконец — кратковременномерзлое состояние, как явление нерегулярного сезонного промерзания, длящегося незначительное время.
При общем описании мерзлых и вечномерзлых грунтов еще раз подчеркнем, что самое существенное значение при оценке их меха нических свойств будет иметь сцементированность (спаянность) ми неральных частиц льдом, в значительной степени оцениваемая льдистостью мерзлых грунтов и количественным содержанием в мерзлых грунтах незамерзающей при данной отрицательной темпе ратуре поровой воды.
При использовании мерзлых и вечномерзлых грунтов в качестве оснований или среды для различного рода сооружений с самого на чала важно установить, к какой категории их следует относить по льдистости и физическому состоянию.
Категории мерзлых грунтов
По л ь д и с т о с т и :
сильнольдистые (содержание льда более 50%); слабольдистые (содержание льда менее 25%); льдистые (содержание льда от 25 до 50%).
По ф и з и ч е с к о м у с ос т о я нию:
твердомерзлые (низкотемпературные), прочно спаянные льдом, практически несжимаемые.
Пластичномерзлые (высокотемпературные) с большим содержа нием незамерзшей воды, относительно мало сжимаемые в мерзлом состоянии.
Кроме указанных категорий мерзлых грунтов, выделяется (по СНиП Н-Б. 6—66) еще категория сыпучемерзлых грунтов — не сце ментированных льдом песчаных и крупнообломочных грунтов, хотя и имеющих отрицательную температуру, но очень мало содержащих в своих порах воды. Эти грунты не обладают специфическими свой ствами мерзлых грунтов, так как практически не изменяют своих механических свойств при изменении отрицательной температуры на положительную. Автор считает более правильным относить эги грунты не к категории мерзлых, а к категории охлажденных (мо розных) сыпучих грунтов.
Охарактеризуем кратко свойства отдельных категорий грунтов. Сильнольдистые грунты, к которым мы относим мерзлые и веч номерзлые грунты с объемной льдистостью (равной отношению объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, ко всему объему грунта), большей 50% при соответствующем гранулометрическом составе (глинистом, суглинистом или мелкопылеватом), приобрета ют при оттаивании текучее, текуче-пластичное или пластичное состо яние, что часто обусловливает их просадочность. Для этих грунтов характерна весьма малая несущая способность в оттаявшем состоя нии и большая сжимаемость (обычно коэффициент относительной
сжимаемости а0^ 0,05 см2/кГ).
Слабольдистые грунты (при величине объемной льдистости ме нее 25%) имеют незначительное количество избыточного льда, а при глинистом, суглинистом и пылеватом составах в оттаявшем состоя нии приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консис тенцию и относительно малую сжимаемость (коэффициент относи тельной сжимаемости имеет величину порядка ао^0,01 см2/кГ).
Льдистые грунты (при объемной льдистости от 25 до 50%) име ют промежуточные свойства вышеописанных двух категорий грун тов.
Твердомерзлые грунты прочно сцементированы (спаяны) поровым льдом, имеют температуру достаточно низкую, при которой большая часть содержащейся в них воды замерзла. Приближенные температурные границы твердомерзлого состояния даны в СНиПе: для пылеватых песков —0,3° С, для супесей —0,6°, для суглинков —1,0° и для глин —1,5° С, а более точные будут установлены в пос ледующем изложении. Последняя граница (—1,5° С) справедлива (по нашим данным) лишь для не очень дисперсных .глинистых грун тов (преимущественно каолинитового минер алогического состава мелких частиц); для очень же дисперсных глин (особенно монтмориллонитового минералогического состава) приведенную границу следует понизить до —5 и даже до —7° С.
Грунты в твердомерзлом состоянии характеризуются хрупким разрушением и практически несжимаемы при нагрузках, меньших
5—10 кГ/см2 |
(коэффициент |
относительной |
сжимаемости |
ао<0,0001 см2/ кГ). |
|
содержания в |
|
Пластичномерзлые грунты, вследствие большого |
них воды (часто более половины от всей поровой воды) обладают вязкими свойствами и характеризуются относительно большой сжи маемостью в мерзлом состоянии. К пластичномерзлым грунтам при надлежат все высокотемпературные мерзлые глинистые и суглинис тые грунты при величине отрицательной температуры их более вы сокой, чем величины, характеризующие твердомерзлое состояние грунтов. К этому виду грунтов можно относить сильносжи'маемые (ао>0,01 см2/кГ) мерзлые грунты, полностью насыщенные льдом и водой, а также высокотемпературные менее сжимаемые (а0~ 0,01-^-0,001 см2/кГ) мерзлые грунты, имеющие степень водонасыщенности (включая все виды воды), меньшую 0,8. Эта категория
грунтов может давать осадки оснований фундаментов значитель ной величины, даже в случае сохранения их мерзлого состояния.
Как указывалось ранее, наибольшие затруднениня при возведе нии различного рода сооружений на территории Севера' и СевероВостока представляют толщи вечномерзлых грунтов, особенно силь нольдистые в состоянии пластичномерзлом и высокотемпературном.
Вечномерзлые грунты занимают по площади около 49% террито рии СССР (более 10,5 млн. кв. км) и имеют мощность от несколь ких метров до 1,5 км (в долине р. Вилюя), залегая на глубине от 0,5—1 м — на севере, до 3,0—4,5 м — на юге области вечномерзлых
грунтов. |
|
вечномерзлых грунтов в |
СССР |
|||||||
На карте распространения |
||||||||||
|
(рис. 11) линией с черточками пока |
|||||||||
|
зана |
южная |
граница |
распростране |
||||||
|
ния вечномерзлых грунтов, т. е. гра |
|||||||||
|
ница, южнее которой, как правило, |
|||||||||
|
уже не встречаются острова вечно |
|||||||||
|
мерзлых |
грунтов, |
хотя |
отдельные |
||||||
|
аномалии (например, обусловленные |
|||||||||
|
рельефом местности и направлением |
|||||||||
|
движения холодных |
|
масс |
воздуха) |
||||||
|
и |
могут иметь место |
(см. вклейку). |
|||||||
|
|
На карте, кроме |
зон |
вечномерз |
||||||
|
лых |
грунтов |
с различной |
макси |
||||||
|
мальной мощностью мерзлой толщи |
|||||||||
|
(обозначенных различной |
штрихов |
||||||||
|
кой |
через |
60—500 |
м), |
|
показа |
||||
|
ны и изолинии отрицательной тем |
|||||||||
|
пературы |
на |
глубине |
10 ж от по |
||||||
|
верхности. Эти температуры |
прини |
||||||||
|
маются при |
определении |
глубины |
|||||||
Рис. 12. Схематический темпе |
протаивания грунтов |
и |
других теп |
|||||||
ратурный разрез толщи вечно |
ловых расчетах оснований сооруже |
|||||||||
мерзлых грунтов |
ний, |
возводимых на |
вечномерзлых |
|||||||
|
грунтах, как установившиеся |
исход |
ные расчетные отрицательные температуры на глубине, приблизи тельно соответствующей нулевым температурным амплитудам (с точностью ±0,1°С).
Схематический температурный разрез толщи вечномерзлых грунтов показан на рис. 12. Как видно из кривой изменения темпе ратуры грунтов по глубине, до глубины h, соответствующей сезон ному протаиванию, температура грунта не остается постоянной, а в зависимости от времени года меняется от положительной до от рицательной, причем амплитуда температур слоя сезонного промер зания будет тем больше, чем континентальней район области вечно мерзлых грунтов. Ниже верхней границы вечномерзлой толщи (глубины, которой достигает максимальное летнее протаивание грунтов) температура горных пород всегда ниже или равна нулю, а изменения ее с глубиной, не выходя из области отрицательных
температур, распространяются до 10 ж и несколько более (с точ ностью ±0,1° С).
Наконец, начиная с некоторой глубины наблюдается постепен ное повышение температуры мерзлой толщи до 0°С, и далее темпе ратурная кривая переходит в область положительных температур. Следует заметить, что в нижней зоне температурной кривой некото рый слой грунтов вследствие значительных в нем давлений от веса вышележащей толщи, хотя и имеет отрицательную температуру (не очень низкую), но не будет мерзлым, т. е. не будет содержать в сво их порах льда вследствие понижения температуры замерзания во ды с повышением давления. Этот слой грунтов будет содержать только переохлаженную и незамерзающую при данной температуре воду.
Расстояние от верхней до нижней границы Н вечномерзлой тол щи и определяет ее мощность.
Глубина летнего оттаивания (величина h на рис. 12) для облас ти вечномерзлых грунтов и соответствующая ей глубина зимнего промерзания h' для областей вне распространения вечномерзлых грунтов являются очень важными величинами, характеризующими зону сезонных изменений температуры грунтов от положительной к отрицательной и наоборот, т. е. зону, подвергающуюся периодичес ким промерзаниям и протаиваниям, что обусловливает возникнове ние и протекание в ней’ (иногда с огромной интенсивностью) целого ряда сложных физических и физико-механических процессов и яв лений (что будет подробно рассмотрено в следующих главах) и оп ределяет, в частности, выбор глубины заложения фундаментов со оружений и некоторые их конструктивные особенности. В инженер ной практике слой ежегодного зимнего промерзания и летнего оттаивания носит название деятельного слоя грунтовой толщи.
Становление и развитие механики мерзлых грунтов в СССР.
Исследование механических процессов, возникающих в деятельном слое при его промерзании и оттаивании и в толще вечномерзлых грунтов под влиянием внешних воздействий, особенно в верхних ее слоях, изучение прочности, устойчивости и деформируемости замер зающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и напряженно-деформи рованного взаимодействия сооружений с вечномерзлыми грунтами— все это входит в задачи механики мерзлых грунтов. Механика мерз лых грунтов вызвана потребностями практики освоения Севера и Северо-Востока СССР при развертывании дорожного, гражданско го, промышленного, гидротехнического и других видов строитель ства в районах вечномерзлых грунтов.
Границы периодов становления и развития механики мерзлых грунтов в СССР приняты несколько условными, но намечены нами на основе важных (по нашему мнению) граничных данных: уста новления фундаментальных закономерностей или выхода в свет на учных трудов, освещающих те или иные вопросы механики мерзлых грунтов, обобщающие предыдущие исследования и подытоживаю щие достигнутые результаты, важные для решения ряда практичес ких задач. При рассмотрении отдельных периодов мы будем обра
щать внимание на развитие тех или иных понятий, положений и идей, способствующих дальнейшему прогрессу механики мерзлых грунтов.
Можно наметить следующие пять периодов становления и раз вития механики мерзлых грунтов в СССР.
Первый период (до 1927 г.) — начальный, включает и дореволю ционное время. В этот период были лишь высказаны пожелания о необходимости исследований механических свойств мерзлых и веч номерзлых грунтов, но из-за отсутствия каких-либо данных непо средственных испытаний прочность мерзлых грунтов приравнива лась средней прочности на сжатие речного льда (Н. С. Богданов, 1912 г., В. Н. Пинегин, 1924 г. и др.).
Второй период (с 1927 по 1937 г. вкл.) — период систематичес ких экспериментальных исследований механических свойств мерз лых и вечномерзлых грунтов вызван развернувшимся в СССР в области вечномерзлых грунтов строительством капитальных сооруже ний: Петровск-Забайкальского металлургического завода, БайкалоАмурской железнодорожной магистрали и других объектов; при этом, как правило, применялись известные методы испытаний, раз работанные в теории сопротивления материалов, рассматривая мерзлые грунты как сплошные однокомпонентные твердые тела.
В этот период впервые были получены данные о сопротивлении мерзлых грунтов сжатию, растяжению, сдвигу и кручению в зависи мости от их состава, влажности и величины отрицательной темпе ратуры, а также проведены первые опыты по исследованию-общих осадок мерзлых грунтов при оттаивании без возможности бокового расширения и при действии местной нагрузки (опыты автора в ЛИСИ и АН СССР). Была также доказана необходимость учета при тепловых расчетах оснований фазовых превращений воды в замерзающих и протаивающих грунтах (С. С. Ковнер, 1933 г. и др.).
В конце этого периода, на основе обобщения большого числа экспериментальных исследований физико-механических свойств
.мерзлых грунтов была опубликована монография Н. А. Цытовича н М. И. Сумгина «Основания механики мерзлых грунтов» (объе мом 27 печ. л., Изд-во АН СССР, 1937 г.).
Третий период (1937—1947 гг.) * —период обобщения экспери ментальных исследований и установления физических основ меха ники мерзлых грунтов.
Здесь следует отметить в первую очередь монографию В. П. Вейнберга (1940 г.), обобщающую многолетние исследования физических и механических свойств льда — этого основного компо нента мерзлых грунтов, а также монографию коллектива авторов во главе с М. И. Сумгиным (1940 г.) по естественно-историческо му, общему мерзлотоведению.
* Здесь мы несколько уточняем периодику развития механики мерзлых грун тов и СССР по сравнению с ранее нами предложенной. Труды С.О.НИИОСПа,
пып. 3, 1967.
В этот же период, на основании анализа весьма многочисленных испытаний механических свойств мерзлых грунтов, исследования природы их прочности и специально поставленных опытов, было впервые установлено (Н. А. Цытович, 1940 г.) .весьма важное поло жение о том, что в любом мерзлом грунте, при любой его отрица тельной температуре всегда содержится некоторое (иногда значи тельное, а иногда весьма небольшое) количество незамерзшей во ды, находящейся при неизменных внешних условиях в этом состоянии сколь угодно длительное время.
В1945—1947 гг. автором была предложена теория динамичес кого равновесия незамерзшей воды и льда в мерзлых и вечномерз лых грунтах, объясняющая и, в основном, позволяющая оценить из менения механических свойств мерзлых грунтов под влиянием внешних воздействий; эта теория является одной из фундаменталь ных физических положений современной механики мерзлых грун тов.
Вконце этого периода на базе результатов многолетних натур ных наблюдений и многочисленных публикаций в технических жур налах был опубликован ряд монографий, обобщающих предыду щий опыт строительства по возведению различного рода сооруже ний в условиях вечномерзлых грунтов (Н. И. Быкова и П. И. Кап-
терева, 1940 г., А. В. Ливеровского, 1941 г., Н. А. Цытовича, 1941 г. и др.).
Четвертый период (1947—1959 гг.) — период подытоживания ре зультатов с пересмотром позиций на .новой физической основе (тео рии равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, струк
турного льдоведения и др.). |
в интересной докторской диссертации |
В начале этого периода |
|
И. А. Тютюнова (1947 г.) |
была установлена в полевых условиях |
миграция воды не только в замерзающих почво-грунтах, но и в мерзлых грунтах (под влиянием температурного градиента), что и подтвердило ранее предложенную теорию равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.
В 1952 г. в монографии Н. А. Цытовича (Изд-во АН СССР) были сформулированы основные принципы механики мерзлых грунтов и, в частности, обращено .внимание на важность исследования теку чести мерзлых грунтов под нагрузкой.
Текучести мерзлых грунтов, их реологическим свойствам и несу щей способности была посвящена (1957 г.) докторская диссертация
С. С. Вялова |
(издана |
позднее отдельной книгой «Реологические |
|
свойства и |
несущая |
способность |
грунтов», Изд-во АН СССР |
1959 г.). |
|
|
монографии П. А. Шуйского |
Выход в свет в этот же период |
|||
«Основы структурного льдоведения» |
(Изд-во АН СССР, 1955 г.) по |
зволил по-новому подойти к исследованию механических процессов в замерзающих грунтах и, в частности, к образованию в мерзлых грунтах подземных льдов, что имело существенное практическое значение.
В конце этого периода коллективом научных сотрудников Ин-
статута мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР было уде лено много внимания составлению сводного труда «Основы геокрио логии (мерзлотоведения)»: т. I — «Общая геокриология» и т. II — «Инженерная геокриология» (Изд-во АН СССР, 1959 г.), посвя щенного прикладным вопросам геокриологии (мерзлотоведения) — прогнозам тепловых взаимодействий сооружений и вечномерзлых грунтов; водно-тепловой мелиорации вечномерзлых грунтов, вопро сам механики грунтов, основаниям и фундаментам, устройству подземных коммуникаций, земляного полотна, горным работам
ипр.
Вэтот же период опубликованы работы, обобщающие опыт в
фундаментостроении (монография Н. А. Цытовича «Основания и фундаменты на мерзлых грунтах», Изд-во АН СССР, 1958 г., ряд сборников трудов и др.).
Пятый период (1959—1970 гг.)— период использования и вне дрения ранее накопленных материалов, главным образом трудов сотрудников Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН
СССР (до его перебазирования в 1961 г.), и постановки новых ре гиональных исследований (в Якутске, Норильске, Игарке, Красно ярске, Магадане).
В этот период были развернуты исследования по реологии мерз лых грунтов, опубликованные в сборниках «Прочность и ползучесть
мерзлых грунтов» Центрального (1962 г.) и Сибирского институтов мерзлотоведения (1963 г.).
Кроме того, тогда же был составлен ряд справочных пособий по строительству (Ю. Я. Велле, В. В. Докучаева и Н. Ф. Федорова),
и по проектированию |
оснований и фундаментов |
(В. В. |
Доку |
||
чаева), а также новое |
издание |
«Строительных норм и правил» |
|||
(СНиП П-Б 6—66, изд. |
1967 г.) |
и к нему «Пособие по проектиро |
|||
ванию оснований и фундаментов зданий и сооружений |
на |
вечно |
|||
мерзлых грунтах» (составленное в НИИ оснований |
под руковод |
||||
ством С. С. Вялова и Г. В. Порхаева при участии |
автора |
и др., |
|||
1969 г.). |
|
|
|
|
|
Дальнейшее развитие механики мерзлых грунтов |
намечается |
по линии развития новых исследований на базе новейших достиже ний общей механики сплошных и многофазных тел и смежных дисциплин с использованием современной тонкой техники физического эксперимента в направлении углубленного изучения физической природы механических процессов и протекания их во времени (уп лотнения, ползучести, течения, выпирания, нарушения прочности и устойчивости и пр.) в замерзающих, мерзлых и оттаивающих грун
тах под влиянием внешних факторов и взаимодействия с сооруже ниями.
Основные начала. Механика мерзлых грунтов, являясь теорети ческой основой инженерного мерзлотоведения (инженерной гео криологии), подводит физическую базу к познанию явлений и про цессов, происходящих в замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах, что имеет существенное практическое значение.
Основными началами механики мерзлых грунтов, подробно