Физико-механические

Прочность мерзлых грунтов определяется связями между агре­гатами и отдельными их частицами. Различают несколько видов внутренних связей в мерзлом грунте (молекулярные, льдоцементные, структурно-текстурные), однако основным связующим является лед.

· Ползучесть мерзлых грунтов

Как известно, любая, даже крайне незначительная, нагрузка на лед вызывает пластично-вязкие его течения. В соответствии с опреде­лением вечномерзлый грунт всегда содержит известное количество льда. Таким образом, проявление реологических свойств мерзлых грунтов (течение их во времени под нагрузкой) является основным элементом в понимании, определении и рассмотрении механических свойств грунтов.

Ползучесть мерзлых грунтов подразделяют на затухающую (с постепенным уменьшением скорости необратимых деформаций до нуля) и незатухающую (при напряжениях больше некоторого преде­ла, названного пределом длительной прочности), характеризуемую возникновением необратимых структурных деформаций. Различают три стадии незатухающей ползучести:

· неустановившейся ползучести, при которой скорость деформа­ций стремится к некоторой постоянной величине;

· установившейся ползучести с постоянной скоростью деформиро­вания, которая может продолжаться иногда значительное время: величина этой скорости характеризуется коэффициентом вязкости, который сам по себе непостоянен и зависит от времени действия, нагрузки и величины отрицательной температуры грунта;

· прогрессирующего течения с разуплотнением мерзлого грунт, нарушением его структуры, в конечном счете разрушением основания.

В отличие от льда мерзлые грунты имеют пределы длительной прочности. Последние определяются опытным путем с использованием шарикового штампа Н. А. Цытовича или динамометрическим методом С. С. Вялова.

· Сжимаемость мерзлых грунтов

Некоторые разновидности мерзлых грунтов при определенных условиях обладают свойством сжимаемости. Основания, сложенные сжимаемыми грунтами, рассчитывают по второму предельному состоянию, т. е. по деформациям.

Под сжимаемостью мерзлого грунта понимают его уплотнение без возможности бокового расширения, вызываемое в изотермических условиях действием сжимающей нагрузки.

К сжимаемым мерзлым грунтам можно отнести все разновидности пластичномерзлых грунтов (табл. 26), а также твердомерзлые сильнольдистые грунты.

Таблица 26

Пластичномерзлые грунты

Примечание . Табл. 26 дана для незаселенных грунтов при их льдистости Л_в £0,4.

Основными расчетными показателями, характеризующими сжимаемость мерзлых грунтов, являются коэффициент сжимаемости а _i и модуль деформации E_i , которые зависят от температуры мерзлого грунта, а также от величины и продолжительности действия нагрузки.

Сжимаемыми считают такие мерзлые грунты, которые характеризуются коэффициентом сжимаемости а _i > 0,005 см²/кг или модулем деформации E_i < 200 кг/см²при воздействии на них нормальных давлений, не превышающих величины нормативного сопротивления мерзлых грунтов нормальному давлению R.

Характеристики сжимаемости мерзлого грунта определяют по результатам испытаний грунта статическими нагрузками (испытания штампом), проводимых непосредственно в полевых условиях, или по результатам компрессионных испытаний грунта в лабораториях.

· Сжимаемость оттаивающего грунта

Расчет оснований, оттаивающих при эксплуатации зданий и сооружений, производят по второму предельному состоянию (по деформациям).

Под относительным сжатием вечномерзлого грунта при его оттаивании понимают осадку, отнесенную к слою грунта единичной толщины, обусловленную таянием ледяных включений и уплотнением оттаявшего грунта при воздействии сжимающей нагрузки.

Величину относительного сжатия вечномерзлого грунта определяют по формуле:

d _i = А _i + а_i s _i

где А _i - безразмерный коэффициент оттаивания, зависящий исключительно от объема ледяных включений в грунте. Он характеризует осадку оттаивающего слоя мерзлого грунта единичной толщины без воздействия давления;

а _i - коэффициент сжимаемости или уплотнения оттаивающего грунта под нагрузкой. Он равен относительной осадке, приходящейся на единицу давления, т. е.

s _i - давление в кг/см², которое в опыте должно быть равно давлению в середине i -го слоя оттаивающего грунта основания и обусловленное собственным весом вышележащей толщи грунта и внешней нагрузкой.

Коэффициенты А _i и а _i , характеризующие сжимаемость оттаивающего грунта, могут быть определены в полевых условиях горячими штампами или в лабораторных условиях методом компрессионных испытаний.

· Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу

Определяется главным образом температурой грунта, величиной внешнего давления и временем действия нагрузки.

Для расчета несущей способности фундаментов и их оснований используются характеристики сопротивления грунта сдвигу - сцепление с и угол внутреннего трения φ.

Для определения сопротивления грунта сдвигу τ используют связь между ним, нормальным давлением р , сцеплением и углом внутреннего трения:

τ = с +р · tg φ

Основными методами определения этих характеристик являются:

· испытания на сдвиг при одновременном воздействии нормального напряжения;

· испытания на трехосное сжатие под воздействием различных радиальных и осевых нагрузок.

Сопротивление сдвигу увеличивается с понижением температуры грунта или увеличением нормального давления.

· Прочность смерзания грунтов

Прочность смерзания грунтов - сопротивление сдвигу грунтов по поверхности их смерзания с материалом фундаментов; определяется путем продавливания или выдергивания стоек, заделанных в мерзлый грунт.

Различают предельно-длительную устойчивую (используемую для расчетов на выпучивание) и временную прочности смерзания (используемую для расчетов сооружений при динамических нагрузках).

Временная прочность смерзания особенно сильно возрастает с понижением температуры в области фазовых превращений воды, когда большая часть поровой воды превращается в лед.

· Величины касательных сил морозного пучения

Под морозным выпучиванием фундаментов и конструкций сооружений понимают их вертикальные смещения (поднятия), вызываемые пучением грунта при промерзании.

Силы пучения грунта по направленности их к поверхности фундамента подразделяют на касательные и нормальные. Под касательными понимают силы, направленные вдоль боковой поверхности фундамента (или конструкции сооружения), под нормальными - силы, направленные перпендикулярно боковой поверхности или подошве фундамента.

При расчетах фундаментов на вечномерзлых грунтах необходимо проверять устойчивость фундамента на действие касательных сил пучения.

В практических расчетах часто принимаются относительные силы выпучивания τ:

τ = ,

где Т – суммарная сила, выпучивающая фундамент;

u – периметр фундамента.