Геокриологические процессы

Характеристики свойств ММГ

Физические

Основные физические свойства мерзлых грунтов: суммарная влажность, льдистость и объемный вес - зависят от их криогенной текстуры. Поэтому показатели этих свойств необходимо определять с учетом особенностей криогенного строения мерзлых грунтов в условиях их естественного залегания.

· Влажность

Под влажностью грунта понимают содержание в нем воды, удаляемой высушиванием при 100-105° С до постоянного веса. Значение влажности выражают в процентах или долях единицы к весу сухого грунта.

Суммарная влажность (W _c)мерзлого грунта равна:

W _c = W _в + W _ц + W _н = W _в + W _г

где W _в - влажность за счет ледяных включений;

W _ц - влажность за счет льда-цемента (порового льда);

W _н - влажность за счет незамерзшей воды, содержащейся в мерзлом грунте при данной отрицательной температуре;

W _г = W _ц + W _н - влажность минеральных прослоек или макроагрегатов, заключенных между ледяными включениями.

В случае отсутствия в мерзлом грунте ледяных включений или при незначительном их содержании, т.е. для грунтов массивной криогенной текстуры, суммарную влажность принимают равной:

W _c » W _г = W _ц + W _н

При изучении мерзлых грунтов в массиве определяют влажность минеральных прослоек или макроагрегатов (W _г)и суммарную влажность слоев (W _{c л}) и горизонтов (W _гор). В случае если выделение горизонтов мерзлого грунта не производится, определяют суммарную влажность грунта, залегающего в определенном интервале глубин.

Суммарная влажность слоя мерзлого грунта (W _{c л})равна:

W _{c л} = W _{в. c л} + W _г

где W _{в. c л} - влажность за счет ледяных включений, содержащихся в слое.

Суммарная влажность горизонта мерзлого грунта или мерзлого грунта, залегающего в определенном интервале глубин (W _гор),равна:

W _гор = W _в.гор + W ' _{c л}

где W_в.гор - влажность за счет ледяных включений, разделяющих слои мерзлого грунта и формирующих криогенную текстуру горизонта;

- среднее значение суммарной влажности слоев, составляющих горизонт или залегающих в определенном интервале глубин;

п - число слоев;

W _{c л. i} - суммарная влажность i -го слоя мерзлого грунта.

где W - влажность крупнообломочного грунта;

W _к - влажность крупнообломочных частиц;

р - относительное содержание крупнообломочных частиц, определяемое отношением их веса к весу высушенного до постоянного веса образца крупнообломочного грунта.

При замерзании грунта поровая влага перераспределяется и может быть представлена в виде трех частей: одна — образует отдельные скопления в виде кристаллов, линз и прослойков льда; другая – замерзает в порах, цементирует частицы между собой; третья - остается в порах в виде незамерзшей воды. Количество последней зависит от температуры, состава и засоленности мерзлого грунта. При понижении температуры часть незамерзшей воды переходит в лед-цемент и наоборот. Содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах обуславливает их несущую способность, упругость, вязкость и пластичность.

· Льдистость

Под льдистостью мерзлого грунта понимают отношение объема содержащегося в нем льда к объему всего мерзлого грунта. Значение льдистости выражают в процентах или долях единицы.

Суммарную льдистость Л_смерзлых грунтов выражают:

Л _с = Л _в + Л _ц ,

где Л_в - льдистость за счет ледяных включений;

Л _ц - льдистость за счет льда-цемента.

Льдистость минеральных прослоек и макроагрегатов мерзлого грунта, содержащая только лед-цемент, выражают:

где g _r - удельный вес скелета грунта в г/см³.

В случае отсутствия в мерзлом грунте ледяных включений или незначительном их содержании (Л_в£ 0,03), т. е. для грунтов с массивной криогенной текстурой, принимают Л_с » Л _ц .

Льдистость мерзлых грунтов за счет ледяных включений (Л_в) вычисляют раздельно для слоев (Л_в.сл) и горизонтов (Л_в.чор) или, если горизонты не выделены, - для заданного интервала глубин по формулам:

где W _сл- суммарная влажность слоя грунта в %;

W ' _сл - средняя суммарная влажность слоя в %;

W _гор - суммарная влажность горизонта грунта в %.

Льдистость за счет ледяных включений, когда они имеют четкие границы, толщину более 2мм и расстояние между соседними ледяными включениями превышает 10 мм, можно определять расчетом по результатам непосредственных измерений в стенках горных выработок или по кернам, извлеченным из буровых скважин.

Наличие и расположение льда в мерзлом грунте определяют его криогенную текстуру (сложение мерзлого грунта, обусловленное замерзанием содержащейся в нем воды и характеризуемое формой, величиной и расположением ледяных включений). Различают три вида текстуры:

Основные виды криогенной текстуры в мёрзлых грунтах (Цытович,1973)

а- слитная(массивная); б-слоистая; в-ячеистая.

· массивную (или слитную) с равномерным распределением ледяных кристаллов, характеризуемую в основном наличием порового льда;

· слоистую, при которой ледяные включения располагаются в виде линз и прослойков, ориентированных в одном направлении;

· сетчатую (или ячеистую), при которой ледяные включения различной ориентации образуют сеть или решетку.

Максимальную осадку при оттаивании дают грунты сетчатой и слоистой текстуры.

· Объемный вес

Под объемным весом мерзлого грунта понимают вес единицы его объема.

Различают:

· объемный вес мерзлого грунта ненарушенного сложения и природной влажности (в г/см³), равный отношению веса монолита мерзлого грунта к его объему;

· объемный вес скелета мерзлого грунта (в г/см³), равный отношению веса монолита, высушенного до постоянного веса при 100-105° С, к его первоначальному объему в мерзлом состоянии.

· Засоленность

Засоленностью грунта понимают весовое содержание в нем водорастворимых солей. Засоленность Z выражают в % к весу скелета грунта, включая вес водорастворимых солей, т. е.

,

где g _ч - вес скелета частиц грунта, включая и вес водорастворимых солей.

Присутствие легкорастворимых солей в грунтовой влаге существенно влияет на механические свойства грунтов. В засолённом грунте наблюдаются снижение прочности и увеличение деформируемости. Это обусловлено, в основном, изменением состава порового раствора, что обусловливает понижение температуры его замерзания и увеличение количества незамёрзшей воды. Экспериментально установлено влияние на механические свойства мёрзлых засолённых грунтов не только количества солей, но и их химического состава.

Засоление мёрзлых пород обусловлено их генезисом, специфической геохимической обстановкой, различной для эпигенетического и сингенетического способов промерзания пород. Однако, для всех типов пород будут присущи все типы элементарных реакций: растворение, гидратация, гидролиз, замещение, окисление – восстановление. Различают морской, континентальный и техногенный типы засоления.

Морской тип засоления наблюдается в мёрзлых грунтах самых северных территорий - вдоль арктического побережья России и на островах. Для морского типа засоления характерно наличие хлоридов, в частности NaCl. Наименьшее значение Dsal =0.2-0.5% отмечается в песках; в супесях, суглинках и глинах засолённость колеблется от 0.4 до 2.1 %.

Теплофизические

Характеристики теплофизических свойств мерзлых и оттаявших грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, необходимы для выполнения теплотехнических расчетов.

Основными расчетными характеристиками теплофизических свойств мерзлого или оттаявшего грунта являются: теплоемкость С, коэффициент теплопроводности lи коэффициент температуропроводности a .

Эти характеристики связаны между собой соотношением

l = a С

Теплофизические свойства грунта зависят от его влажности, объемного веса, гранулометрического состава, сложения и температуры и должна определяться на образцах естественного сложения и влажности.

· Теплоемкость

Теплоемкость грунта характеризует его способность аккумулировать тепло. Различают удельную и объемную теплоемкость. Удельная теплоемкость грунта с численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы его массы на 1°, и выражается в ккал/кг·град. Объемная теплоемкость С численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°. Значения удельной и объемной теплоемкостей грунта связаны соотношением

С = с g _об ккал/м³·град

где g_об - объемный вес грунта в кг/м³.

Удельная теплоемкость грунта не зависит от его сложения и объемного веса.

С достаточной для практических целей точностью величины удельной теплоемкости талого (с_т) и мерзлого (с_м) грунта можно определять расчетом по весовому соотношению основных составляющих грунта (минерального скелета, незамерзшей воды и льда) по формулам:

а) для талого грунта

б) для мерзлого грунта

где с_ск- удельная теплоемкость минерального скелета грунта;

с _ви с_л- удельные теплоемкости соответственно воды и льда;

W _с - весовая влажность грунта в долях единицы;

W _н - количество незамерзшей воды при заданной температуре мерзлого грунта в долях единицы.

Для мерзлого грунта различают его собственную и эффективную теплоемкость.

Собственная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменения на 1° температуры единицы объема или массы грунта.

Эффективная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, необходимого для изменений температуры единицы объема или массы грунта на 1° и фазового состава поровой влаги в нем.

Эффективная теплоемкость зависит от температуры грунта.

Удельная эффективная теплоемкость может быть приближенно выражена формулой

где с_м- собственная теплоемкость мерзлого грунта;

L = 80 ккал/кг - удельная теплота таяния льда;

- объемный вес минерального скелета мерзлого грунта в кг/м³;

- объемный вес мерзлого грунта в кг/м³;

- изменение количества незамерзшей воды в долях единицы при изменении температуры мерзлого грунта на 1°.

· Теплопроводность и температуропроводность

Свойство теплопроводности грунта характеризуют величиной коэффициента теплопроводности, являющегося показателем пропорциональности между величиной удельного теплового потока и градиентом температуры в грунте. Коэффициент теплопроводности выражают в ккал/м·ч·град.

При теплотехнических расчетах оснований зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, величину коэффициента теплопроводности грунта определяют по таблице расчётных значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов.

Экспериментальные определения теплопроводности грунтов предусматривают при строительстве в сложных мерзлотно-грунтовых условиях, а также на сильнольдистых, переувлажненных и засоленных грунтах.

Образцы талого и оттаявшего грунта испытывают при неустановившемся тепловом режиме методом теплового импульса, исключающим перераспределение в них влаги. Максимальное изменение температуры образца при испытании не должно превышать 15° С.

Значение теплопроводности грунта при температуре выше -10 °С находят по формуле

где λ_м и λ _т - значение коэффициента теплопроводности грунта в мерзлом и оттаявшем со стоянии в ккал/м·ч·град ;

W ' _н и W _н - содержание незамерзшей воды в образце мерзлого грунта в долях единицы при заданной температуре грунта и температуре опыта;

W_c - суммарная влажность грунта в долях единицы.