Грунтоведение

 

Замершие грунты

 

 

 

Трескучий мороз. Прохожие стараются быстрее пробежать по улице и забраться в теплые помещения. Что же происходит сейчас с грунтами? Если они прикрыты сверху теплым, снежным «одеялом», то возникает лишь небольшое промерзание. Но бывает так, что грунт не защищен снегом. Может быть, его сдул ветер, или в октябре—ноябре начались сильные морозы, а снежного покрова еще нет. В этом случае в северных районах, где холода могут быть достаточно большими, глубокое промерзание грунта неизбежно.

 

Прежде всего замерзает вода в крупных порах. Она переходит в твердое кристаллическое состояние, цементируя грунтовые частицы. Слабые глинистые и песчаные водонасыщенные породы превращаются в прочные, похожие на скальные грунты. Если до промерзания их можно было легко копать лопатой, то после него для разработки этих пород необходимы лом, кирка, а иногда и применение взрывчатых веществ.

 

Весной, когда устанавливается теплая погода, мерзлые грунты тают и часто превращаются в грязеподобную массу.

Выяснено, что в ходе зимнего промерзания происходит увеличение объема, занимаемого водой, при превращении ее в лед. Оно составляет примерно 9 %. Однако процесс этим не ограничивается. При длительном промерзании возникает своеобразное явление нецрерывного возрастания влажности грунта. Это происходит в результате подсоса воды из нижних горизонтов. Немалое значение имеет перемещение водяных паров в сторону участков с пониженной температурой. В некоторых случаях в замерзший грунт поступает настолько много воды, что образуются целые ледяные прослойки. Этот процесс сопровождается увеличением объема грунта. Возникающее при этом замерзании давление столь значительно (до 200 МПа), что с легкостью приподнимаются здания, вспучиваются асфальтобетонные покрытия амтомобильных дорог, деформируются железнодорожное полотно, взлетные полосы аэродромов и т. д. В разгаре зимы подобное вспучивание может достигать десятков сантиметров. Этот процесс получил название морозного пучения. Он приносит массу неприятностей дорожникам, строителям, гидротехникам. Пучины развиваются в начале зимы и затем до весны увеличивают свой объем. Когда наступает теплое время, лед начинает таять, грунт разжижается и на месте «вздутия» образуется углубление, заполненное жидкой грязью. Асфальт на автострадах разрушается, а на грунтовых дорогах появляются выбоины и ямы .

 

В США каждый год из-за пучения выходят из строя сотни километров автомобильных и железных дорог в штатах Висконсин, Небраска, Айдахо и др.

 

Строителям и специалистам по мерзлым грунтам приходится вести борьбу с зимним пучением. Для этого используют различные способы. Один из них — добавление к грунту соли (хлористого кальция). Если она составляет только 1—2 %, то грунт замерзает не при 0°С, а при минус 10—12°С. Чаще всего этого оказывается достаточно, чтобы пучины не возникали.

Другим методом борьбы может быть осушение пучинистых грунтов. Если удается отвести воду, то процесс пучения либо не возникает, либо протекает значительно слабее.

 

Остановимся на другом интересном факте. Н. А. Цытрвшч, исследуя мерзлые грунты, обнаружил, что они имеют высокую прочность только тогда, когда давление, прилагаемое к ним, действует лишь кратковременно. В этом случае замерзший грунт может выдерживать давление до 150 МПа. Но все меняется, если нагрузка действует длительное время. В этом случае мерзлый грунт начинает медленно течь, подобно очень вязкому жидкому телу.

 

Чем же объяснить это, на первый взгляд, странное явление? Оказывается, что в мерзлом грунте замерзает не вся вода. Связанная вода вг тончайших пленках, окружающих глинистые частицы, превращается в лед при очень низких температурах (от —30 до —50 °С). Даже в вечномерзлых породах на севере нашей страны температура обычно держится в пределах от —1 до —15 °С. Таким образом, в мерзлом грунте, как правило, в жидком виде сохраняется пленочная вода. Она-то и определяет поведение мерзлого грунта при длительном приложении давления.

 

Если водонасыщенный грунт сначала замораживать, а затем оттаивать, то окажется, что он начнет терять свою начальную прочность. Чем чаще будут повторяться такие циклы, тем больше будет расстраиваться его структура. В конце концов, это приведет к его полному разрушению. Конечно, данный процесс проходит в различных грунтах по-разному. В лабораториях подобное замораживание осуществляется в специальных холодильных установках.

 

В одних случаях для разрушения достаточно нескольких циклов, в других — десятки и сотни. Наиболее быстро разрушаются глинистые грунты. Поэтому говорят, что они «неморозостойки». Скальные грунты выдерживают сотни циклов. Их разрушение зависит от того, какая у них трещиноватость, величина пористости и какие минералы входят в их состав.

 

Что же является причиной разрушения пород при таком переменном замерзании и оттаивании?

! Одну причину мы уже знаем — это расширение воды, содержащейся в порах, в результате перехода ее в лед. Другая причина заключается в разных величинах расширения и сжатия минералов различных типов. Как это происходит, мы покажем ниже на примере естественного выветривания рапакиви.

 

Процессы такого морозного выветривания грунтов можно хорошо наблюдать на откосах насыпей, карьеров, земляных дамб. Если их вовремя не укрепить травяным покровом или дерном, то неморозостойкий глинистый грунт начинает шелушиться и в нем возникает сетка трещин. А потом дождевые потоки довершают дело. Через 2—3 мес такие откосы потеряют свою форму и покроются глубокими промоинами.

 

Почему все же одни грунты разрушаются быстрее, а другие медленнее? Причины такого отношения их к температурным колебаниям многочисленны. Прежде всего это определяется характером связей между частицами. В скальных грунтах, имеющих жесткие связи, разрушение идет значительно медленнее, чем в грунтах без жестких связей.

 

Наиболее важным фактором, как легко можно догадаться, .является присутствие воды, поэтому-то морозостойкость и оценивается в водонасыщенных грунтах. В сухих грунтах, в которых .влага не заполняет пор, морозное выветривание протекает очень медленно.

 

Большое значение в этом процессе имеет структура породы: ее пористость (главным образом активная — крупная), размеры, размещение зерен и другие особенности.

 

Если быстро понижать и повышать температуру, то разрушение грунтов будет происходить интенсивнее.

При замерзании водонасыщенных грунтов возникает еще одно интересное явление — их «смерзание» с фундаментами, сваями . и другими сооружениями, находящимися в грунтах. Это явление повышает величину давления,, которое может выдержать свая. Измерения, проведенные С. С. Вяловым в песчаных влажных грунтад, показали возрастание их несущей способности вследствие смерзания на 25—50 %.

 

Особенность замерзших грунтов заключается также и в том, что ©ни, в отличие от обычных, имеют не трех-, а четырехкомпонентиую систему. В их строении принимает участие кроме твердой, жидкой и газообразной частей еще и лед. Образование последнего происходит при температуре от —0,2 до — 1,2°С. Эти обстоятельства требую* применения особых методов исследования, разрабатываемых наукой

«мерзлотоведением» (один из разделов инженерной геологии).

 

 

 Смотрите также:

 

РАЗРАБОТКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ. Разработка грунта в мерзлом...

Разработка мерзлых грунтов машинами ударного действия. При разработке, котлована комплект машин может состоять из рыхлителя МНС-2 (машины непрерывного...

 

Технология механического уплотнения грунтов.

Технология механического уплотнения грунтов. Общие сведения. Грунты уплотняют для увеличения их несущей способности.

 

СВОЙСТВА ГРУНТОВ. Классификация грунтов

Нескальные грунты — это грунты без жестких структурных связей. К нескальным грунтам относят рыхлые горные породы, включающие несвязные (сыпучие) и связные породы...