Метод совмещенного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов

Любые горные породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие лед, являются мерзлыми. Наряду с типично мерзлыми грунтами, т.е. содержащими лед, встречаются породы с отрицательной температурой, но без льда, например, маловлажные сыпучие песчаные, гравийные и галечниковые, сухие скальные и полускальные грунты, а также породы, насыщенные минерализованными водами. Все эти грунты не относятся к типично мерзлым, так как их свойства при отрицательной температуре не изменяются. Однако при проектировании и строительстве на них сооружений (выемок некоторых подземных коммуникаций, дренажей, помещений и др.) необходимо учитывать их температурное состояние.

Переход воды в лед при промерзании грунтов существенно изменяет их физическое состояние, деформируемость, прочность, водопроницаемость, а также электрические, тепловые и другие свойства. Кроме того, промерзание грунтов сопровождается развитием особых мерзлотных процессов и явлений, таких как изменение строения пород (структуры и текстуры), перераспределение влаги в них, морозное пучение, образование морозобойных трещин, наледные явления и др.

Лед, как породообразующая составная часть мерзлых грунтов, является неустойчивой фазой. При повышении температуры окружающей среды грунт оттаивает, происходит изменение его свойств, а у некоторых резко изменяются физическое состояние, прочность, деформируемость, водонепроницаемость, развиваются провальные и просадочные (термокарстовые), оползневые и другие явления. При оттаивании мерзлых грунтов сооружения, построенные на них, испытывают значительные неравномерные и резкие осадки (просадки), поэтому часто происходят значительные их деформации и даже разрушения. Все перечисленное показывает, что условия строительства сооружений на таких породах и обеспечение их устойчивости представляет сложную проблему.

Существующие методы раздельного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов несовершенны, поскольку определение плотности, влажности и льдистости производят не на одном и том же объеме образца грунта, а на различных его частях, т.е. практически на различных пробах.

При таком различном определении снижается достоверность и согласованность между физическими характеристиками вследствие неоднородности строения грунта, изменения его свойств от точки к точке.

Несогласованность между физическими характеристиками, определяемыми опытным путем, автоматически переходит и на расчетные характеристики: плотность сухого грунта, пористость, степень влажности и др. Поэтому важно, чтобы определение основных физических характеристик выполнялось на одном и том же объеме образца грунта. Такой метод совмещенного определения плотности, влажности и льдистости разработан Г.П. Мазуровым на кафедре грунтоведения Ленинградского университета. В данном методе сочетается достаточная точность и хорошая согласованность между определяемыми характеристиками с одной стороны и простота эксперимента с другой. Опыт можно выполнять в лабораторных и полевых условиях, а также непосредственно у горной выработки.

В совмещенном методе использован принцип пикнометрического способа определения суммарной влажности, что освобождает от необходимости высушивания грунта: объем грунта устанавливается по объему вытесненной им воды, а льдистость – по изменению объема системы скелет + вода после растаивания в грунте льда.

Совмещенный метод разработан для определения основных физических характеристик мерзлых грунтов, кроме сыпучемерзлых.

Теплофизические характеристики:

Теплоемкость грунта характеризует его способность аккумулировать тепло.

Объемная теплоемкость С численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°.

Удельная теплоемкость грунта С численно равна количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы  массы грунта на 1°, и выражается в ккал/кг·град.

Удельная теплоемкость грунта не зависит от его сложения и плотности.

Значения удельной и объемной теплоемкостей грунта связаны соотношением

С = с ρ ккал/м3·град,

где ρ – плотность (объемный вес грунта) в кг/м3.

 Теплопроводность – 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.