Пункт 2.3. Изменения свойств пылевато-глинистых грунтов, мелких и пылеватых песков при промерзании

При положительной температуре эти грунты представляют собой трехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц (rd), воды (w) и пузырьков воздуха. При отрицательной температуре грунты переходят в более сложную, четырехкомпонентную систему, состоящую из минеральных частиц, воды, воздуха и льда, который иногда в пылевато-глинистых грунтах может занимать до 50 % объема грунта.
Лед в мерзлом грунте служит "цементом" между отдельными минеральными частицами. Кроме того, лед является заполнителем пор грунта и его разрыхлителем при промерзании (пучении). На величину морозного пучения грунта влияет большое количество факторов (рис. 4).
Одним из наиболее важных процессов при промерзании грунта является неравномерное увеличение его объема - неравномерное морозное пучение и последующее, как правило, накопление неравномерных деформаций во времени, которые являются самой распространенной причиной деформации малоэтажных (легких) зданий и сооружений (неравномерное поднятие, перекос, наклон, разрыв фундаментов и др.) (рис. 4).
Морозное пучение грунта - это результат объемного расширения (примерно на 9 %) воды, находящейся в нем до промерзания и дополнительно поступающей (мигрирующей) к границе промерзания в процессе перехода воды в лед. Увеличение объема грунта может значительно превышать 9 % (20 % и более), главным образом, за счет воды, мигрирующей в зону промерзания из нижележащих немерзлых горизонтов, особенно при небольшой глубине залегания подземных вод (УПВ) (высокое залегание УПВ dw<= dfn) (рис. 5).
Объем промерзающего грунта увеличивается в том случае, если его влажность (w) превосходит расчетную критическую влажность (wcr). ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте.
Степень водонасыщения грунта (Sr) при его критической влажности равна примерно 0,90. Но эта зависимость выражает лишь предел влажности, характеризующей стабильное состояние грунта при его промерзании в условиях трехфазной системы, но не учитывает способность влаги к передвижению (миграции).
Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунта в естественных условиях (dfn) определяется большим количеством факторов: продолжительностью зимнего периода (То), количеством отрицательных градусо-дней (SMt), величиной снежного покрова, временем выпадения осадков (твердых и жидких), видом и составом грунта и его теплофизическими и влажностными характеристиками, естественной влажностью и ее динамикой во времени, наличием и характером растительного покрова, экспозицией местности, уровнем подземных вод, рельефом местности и др. Многие из перечисленных факторов имеют региональное значение.
Такое большое количество определяющих факторов чрезвычайно затрудняет прогноз глубины промерзания и, следовательно, пучения.
Во все время промерзания грунтов, особенно в области интенсивных фазовых переходов воды (при температуре от 0 до - 5°), при некоторых условиях может происходить значительное перераспределение воды, содержащейся в грунте. Обычно в песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах наблюдается подтягивание ее снизу вверх к фронту охлаждения и промерзания (миграция) (рис. 5б).
Миграция воды в грунтах - явление очень сложное. На качественную сторону процесса миграции (wM2), оказывают влияние многие факторы:
- гранулометрический и химико-минералогический состав грунтов (рис. 5в),
- гидрофильность грунта,
- начальная влажность и наличие подтока воды извне к промерзающему грунту (рис. 5б,в),
- плотность грунта (рис. 13б),
- скорость и время промерзания,
- температура среды, при которой замерзает вода в грунте,
- величина приложенной нагрузки (давление) (рис. 17 а),
- повторность циклов замерзания и оттаивания и др.
Миграция наблюдается только при влажности w больше критической wcr (рис. 6) у гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих систем. Наиболее интенсивная миграция к фронту промерзания наблюдается в грунтах с высоким содержанием пылеватых фракций (размер частиц 0,05-0,005 мм) (рис. 5в). Это объясняется тем, что грунты, содержащие в своем составе преобладающее количество (более 50 %) пылеватых фракций, в природных условиях характеризуются высоким капиллярным поднятием (z) и, следовательно, легкой отдачей воды и быстрым ее поглощением. Структурная связность этих грунтов очень слабая. Такие физические свойства грунтов создают наиболее благоприятные условия для льдовыделения в промерзающем грунте (пучения) (рис. 5б).
Наличие в глинистых грунтах большого количества коллоидных частиц сильно затрудняет передвижение воды по капиллярам, что резко ограничивает возможность большого накопления льда, образующегося за счет подтягивания воды по капиллярам из нижних слоев грунта к фронту промерзания. Кроме того, мелкодисперсные глинистые грунты обладают большой удельной поверхностью частиц и за счет поверхностной энергии притягивают к себе воду: таким образом, эти грунты (d < 0,005 мм) затрудняют передвижение воды по тонким капиллярам к слою промерзания и, следовательно, уменьшают возможность накопления линз и прослоек льда, т.е. величину пучения.
В крупноскелетных промерзающих грунтах (крупнообломочные грунты с песчаным заполнением, пески крупные и средние) миграция практически отсутствует (d > 0,1 мм), что объясняется малой величиной удельной поверхности, наличием фильтрационных и других свойств (при любом положении уровня подземных вод (УПВ, УПВ', рис. 5а)). При промерзании таких грунтов происходит отжатие ("поршневой эффект") воды из промерзающего слоя гидростатическими силами, развивающимися вследствие увеличения объема воды при замерзании, и не замерзшая еще вода перемещается от фронта промерзания (отжимается) (рис. 5а).
В свою очередь, в крупноскелетных грунтах (супесчаных, суглинистых, глинистых моренах) при содержании в виде заполнителя частиц размером менее 0,1 мм в количестве более 15 % по весу наблюдается миграция влаги. В зависимости от положения уровня подземных вод эти грунты могут относиться к средне- и даже сильнопучинистым грунтам.
В песках мелких и пылеватых, в пылевато-глинистых грунтах, супесях, суглинках, глинах (особенно ленточных), промерзающих в условиях обводнения (высоком УПВ), наблюдается интенсивная миграция влаги. Перечисленные выше грунты при промерзании дают деформации до десятков сантиметров (например, ленточные глины Карелии до 20 см на 1 метр промерзания) и причиняют значительные повреждения фундаментам зданий и сооружений. В табл. 4 приведена степень морозной пучинистости пылевато-глинистых грунтов (¦) в зависимости от их вида и обобщенного показателя пучинистости R¦ (см. раздел "Оценка пучинистости грунта"). Необходимо помнить, что чем ближе уровень подземных вод к границе промерзания, тем большей степенью пучинистости обладают пылевато-глинистьге грунты при прочих равных условиях (см. рис. 5б, 2).
С учетом осредненной степени дисперсности пылевато-глинистых грунтов интенсивность их пучения, при прочих равных условиях, возрастает в следующей очередности: глины (с минералами монтмориллонита), супеси, суглинки, пылеватые грунты, глины (с минералами каолинита).
Наиболее пучинистые грунты содержат кол-во пылеватых частиц от 30 до 80%. Дело в том, что подобные грунты имеют слабовыраженную текстуру и незначительное сцепление между пылеватыми частицами, поэтому при промерзании ледяные кристаллы в таких грунтах образуются внутри структурных элементов и вызывают значительные деформации морозного пучения. При увлажнении пылеватые грунты теряют сцепление между частицами, при промерзании в них образуется большое количество ледяных прослоек и линз (рис. 5б).
На величину морозного пучения грунтов большое влияние оказывает плотность их сложения (rd) (рис. 13). Так, если грунты очень плотные , то при их промерзании наблюдается незначительное пучение, хотя все поры заполнены водой (Sr = 1), поскольку такие грунты имеют малое количество воды и в них затруднена возможность ее передвижения при промерзании. В очень рыхлых грунтах много пор и пустот, которые обычно свободны от воды (Sr < 1), за счет этих пустот могут гаситься деформации пучения. Грунты средней плотностью с полным заполнением всех пор водой (Sr = 1) при промерзании сильно увеличиваются в объеме, т.е. сильно деформируются от морозного пучения.
Таким образом, решающим фактором пучинистости грунта является его влажность перед промерзанием w (предзимняя), с увеличением коброй до определенного предела морозоопасность возрастает. При определении степени пучинистости грунта необходимо учитывать УПВ, условия увлажнения площадки и высоту капиллярного поднятия (табл. 6). Степень пучинистости грунта в зоне капиллярного увлажнения зависит от вида грунта (Ip). его показателя текучести (IL) и ряда других факторов.
Следует помнить, что в условиях влажного климата Карелии и многих районов Северо-Запада России нарушение естественного сложения грунта при производстве земляных работ приводит всегда к дополнительному увлажнению оснований и обратных засыпок (пазух), а часто и к появлению верховодки (см. ниже).
Незнание процессов, протекающих в грунте при промерзании-оттаивании, является причиной неправильного проектирования малозаглубленных фундаментов для легких зданий и производства строительных работ и, как следствие этого, деформирование (см. рис. 4).

пункт 2.1 Климатические условия Карелии
пункт 2.2 Инженерно-геологические условия Карелии
пункт 2.4 Изменение влажностного режима и уровня подземных вод

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ПРЕДЫДУЩАЯ ГЛАВА

ГЛАВА 2

СЛЕДУЮЩАЯ ГЛАВА