Основные свойства и способы разработки мёрзлых грунтов

Современное строительство ведётся круглый год, в связи с чем примерно 15…20 % общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта. Разработка грунта в зимних условиях связана с определенными трудностями, так как при отрицательной температуре его верхний слой замерзает и существенно изменяет свои свойства.

Процесс замерзания грунта заключается по существу в замерзании содержащейся в нём воды. Поэтому изменение свойств грунта при замерзании зависит в основном от количества содержащейся в нём воды и от характера заполнения пор.

Механическая прочность грунта при замерзании возрастает и зависит от его гранулометрического состава, влажности и температуры. Она характеризуется временным сопротивлением мерзлого грунта сжатию и растяжению (разрыву). Наибольшей прочностью на сжатие при замерзании обладают влажные песчаные грунты (до 20 МПа). Прочность мерзлого грунта на сжатие в 3…5 раз выше его прочности на растяжение. Поэтому мерзлый грунт легче разрушать скалыванием, чем резанием. Механическая прочность грунта определяет собой его сопротивление резанию и скалыванию.

Пучениемерзлого грунта является следствием расширения замерзшей воды в его порах. Пучению подвергаются все водонасыщенные грунты. Наибольшее пучение (до 10 %) наблюдается у глин, суглинков и пылеватых грунтов. Основания из таких грунтов необходимо предохранять от промерзания, в противном случае, при оттаивании они дадут значительные осадки.

Пластические деформации мерзлого грунта возникают в результате уменьшения сцепления между отдельными его частицами за счет таяния замерзшей воды. Они возрастают с повышением температуры и достигают максимального значения при 0 °С, когда оттаявший грунт под воздействием собственного веса и других нагрузок доходит до текучести. Поэтому при наступлении оттепелей необходимо принимать меры против оползания откосов выемок и насыпей.

Первоначальное разрыхление мерзлого грунта значительно больше талого и зависит от рода грунта и способа его рыхления. Разрыхленный мерзлый грунт плохо поддается уплотнению, и величина его остаточного разрыхления очень мало отличается от первоначальной. Это необходимо учитывать при выборе средств для транспортирования мерзлого грунта, назначении величины запаса на усадку насыпей и т.д.

Теплопроводность мерзлого грунта больше, а теплоемкость меньше, чем талого. Эти свойства являются признаками быстрого промерзания и медленного оттаивания мерзлого грунта.

Электропроводность мерзлого грунта практически очень невелика. Это вызвано тем, что токопроводящая грунтовая вода при замерзании переходит в лед, близкий по своим свойствам к диэлектрику.

Водопроницаемость мерзлого грунта в результате закупорки его пор льдом близка к нулю.

Глубина сезонного промерзания грунта зависит от его гранулометрического состава, влажности, средней температуры и длительности периода охлаждения, наличия снегового покрова и других факторов. Для предварительных расчетов глубина сезонного промерзания принимается по данным метеорологических станций.

Для мерзлых грунтов характерным является значительное увеличение трудоемкости их разработки вследствие повышенной механической прочности. Кроме того, мерзлое состояние грунта усложняет технологию, ограничивает применение некоторых типов землеройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных (бульдозеров, скреперов, грейдеров) машин, уменьшает производительность транспортных средств, способствует быстрому износу деталей машин, особенно их рабочих органов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в зимних условиях осуществляют следующими методами:

1) предохранением грунта от промерзания и последующей разработкой обычными методами. Этот метод основан на искусственном создании на поверхности участка, намеченного к разработке в зимнее время, термоизоляционного покрова. Эту работу, следует производить до наступления устойчивых отрицательных температур, приняв заранее меры к отводу с отепляемого участка поверхностных вод;

2) разработкой грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;

3) непосредственной разработкой мерзлого грунта;

4) оттаиванием грунта и его разработкой в талом состоянии.

Выбор того или иного способа зависит от вида и размеров земляного сооружения, рода грунта и его состояния, сроков производства работ, наличия соответствующих материально-технических ресурсов, местных условий. Окончательное решение о применении того или иного способа принимается на основании технико-экономического анализа. Из ряда намеченных вариантов выбирается наиболее экономичный.