Деформации грунта под воздействием мороза
При действии мороза свободная вода без течения замерзает при 0°C и при этом расширяется на 9% своего объёма. Однако вода в узких капиллярных трубках замерзает не при 0°C, а при более низких температурах, которые находятся в пределах от -1°C до -78°C. Эта последняя температура замерзания установлена лабораторными опытами в Америке. Чем уже капиллярная трубка, тем ниже температура замерзания.
В грунте имеются поры, соединённые между собой во всех направлениях и образующие капиллярные трубки. В песке поры крупные и образуют широкие капиллярные трубки, в которых вода замерзает при 0°C или несколько более низкой температуре. Вода замерзает равномерно, при этом в порах образуются ледяные кристаллы, увеличение объёма которых на 9% не вызывает каких-либо значительных деформаций грунта. В мелкозернистом грунте поры мельче и образуют узкие капиллярные трубки, в которых вода замерзает при температурах ниже 0°C. Однако в поверхностном слое грунт всегда более рыхлый, с более крупными порами, в которых вода замерзает при 0°C и образует ледяные кристаллы. Эти кристаллы с большой силой притягивают к себе переохлаждённую воду из узких пор, так называемой кристаллизационной силой. Когда так притянутая вода приходит в соприкосновение с ледяными кристаллами и сама замерзает, увеличивая объём ледяных кристаллов, которые превращаются в ледяные линзы, толщина которых может составлять около 0,1 до 10 mm. Образовавшиеся ледяные линзы вызывают значительную деформацию грунта во время действия мороза, которая при особенно неблагоприятных условиях может достигать 30 и 50 cm.
Возникновение и величина деформации грунта вследствие действия мороза в основном зависят от следующих 3 факторов:
-
Уровень грунтовых вод
-
Продолжительность морозов.
Ad 1) С точки зрения гранулометрического состава наибольшее действие мороза наблюдается у мелкозернистых грунтов, поры которых достаточно мелки, чтобы образовывать узкие капиллярные каналы, и одновременно они обладают достаточной проницаемостью, обеспечивающей быструю циркуляцию воды во время действия мороза. Такой грунт наиболее чувствителен к морозу как с точки зрения скорости появления, так и с точки зрения величины деформаций. Это пылеватые грунты, которые состоят преимущественно из зерен размером 0,02-0,002 mm. Зерна размером >0,02 mm имеют небольшую высоту капиллярного поднятия, тогда как зерна размером < 0,002 mm имеют медленное капиллярное поднятие, так что в обоих случаях за время действия мороза в зону его воздействия может попасть лишь небольшое количество воды. Если глинистый грунт содержит свыше 25% частиц размером < 0,002 mm, проницаемость грунта очень мала и циркуляция воды в порах настолько медленна, что она в порах замерзает раньше, чем могут образоваться ледяные линзы.
Ad 2) Помимо условий в отношении гранулометрического состава грунта должен быть выполнен ещё один условие, чтобы произошли деформации грунта при морозе. Это наличие возможности поступления воды в зону действия мороза. Если бы это условие не было выполнено, то есть если бы капилляры грунта не сообщались с водой, которая будет постоянно течь через них во время действия мороза, деформаций от мороза не возникнет, каким бы ни был гранулометрический состав грунта.
Чем выше уровень грунтовых вод, тем больше вероятность деформаций грунта вследствие действия мороза. Если уровень грунтовых вод находится на большей глубине, чем высота капиллярного подъема воды в данном грунте, деформации вследствие действия мороза незначительны.
Ad 3) Чем дольше период непрерывного действия мороза, тем больше деформации от мороза из-за образования более крупных и многочисленных линз. Сильный и кратковременный мороз вызывает меньшие деформации, поскольку в этом случае происходит быстрое замерзание воды в порах и прекращение капиллярного движения воды. Напротив, умеренный и длительный мороз вызывает большие деформации из-за беспрепятственного образования ледяных линз.
Действие обескровливания
При оттаивании сначала тают ледяные линзы в верхней части поверхностного слоя грунта, а непосредственно под ним остается промерзший, а следовательно и водонепроницаемый слой. Поскольку растаявшие ледяные линзы дают большое количество воды, которая не может просочиться через промерзший нижний слой, это увеличенное количество воды в поверхностном слое перенасыщает грунт и превращает его в жидкую массу, не имеющую никакой прочности, а лишь выжимаемую в стороны под давлением. Деформации грунта вследствие действия оттаивания могут быть значительными и в некоторых случаях опасными. Эти деформации часто встречаются в выемках на железнодорожных путях и дорогах, где весной происходит частичное сползание откосов из-за перенасыщения грунта водой от растаявших ледяных линз, а также на дорогах, чьи покрытия под воздействием движения деформируются на грунте, утратившем несущую способность из-за перенасыщения водой.
Критерий оценки воздействия мороза на грунт
Изучение воздействия мороза на различные виды грунтов позволило сделать вывод, что по поведению при замораживании следует различать два вида грунтов: безопасные и опасные при замораживании.
Грунты, не подверженные морозному пучению, — это такие грунты, в которых не образуются ледяные линзы, как бы долго ни продолжался мороз. У этого вида грунтов происходит только замерзание воды в их порах и образование ледяных кристаллов с незначительными деформациями при воздействии мороза. К этой группе относятся гравий, песок и подобные грунты.
Морозоопасные грунты — это грунты, в которых образуются ледяные линзы, вследствие чего могут возникать большие деформации. Накопленная в поверхностном слое вода в виде ледяных линз при воздействии мороза также вызывает явление оттаивания. К этой группе относятся некоторые пылевато-глинистые, а особенно пылеватые грунты.
Существует несколько критериев оценки морозостойкости грунта, среди которых наиболее известны критерии Артура Касагранде и Руклия, которые мы здесь опишем.
Критерий А. Касагранде
Этот критерий основан на гранулометрическом составе грунта и формулируется так:
a) У грунта однородного состава, у которого степень неоднородности U < 5, грунт является морозоопасным, если он содержит более 10% зерен размером менее 0,02 mm.
b) Для грунта неоднородного состава, степень неоднородности которого U > 15, грунт опасен при морозе, если он содержит более 3% зерен размером менее 0,02 mm.
Хотя этот критерий долгое время применялся и всегда давал надежные результаты, его недостаток состоит в том, что он основывается только на гранулометрическом составе грунта и не учитывает другие факторы, влияющие на действие мороза в грунте. Поэтому сегодня считается, что этот критерий слишком строгий и неэкономичный.
Критерий Рукльева
По этому методу грунт делится на две фракции по твердости твердых частиц, а именно на крупнозернистую фракцию, зерна диаметром d > 2 mm, и мелкозернистую фракцию, зерна диаметром d < 2 mm. Для оценки устойчивости грунта к морозу устанавливается зависимость количества мелкозернистой фракции от количества крупнозернистой фракции, и эта зависимость дана нижней и верхней границами (рис. 1).
Нижняя граница представляет собой наибольший допустимый процент твердых частиц диаметром d < 0,02 mm от сухой массы засыпки, то есть фракции 0-2 mm, при котором практически не возникает никаких повреждений от мороза при неблагоприятных условиях, таких как высокий уровень грунтовых вод, неблагоприятные климатические условия (продолжительные морозы) и высокая естественная влажность грунта.
Верхняя граница представляет собой наибольший допустимый процент частиц d < 0,02 mm от сухого веса мелкозернистой фракции, при котором при благоприятных условиях, таких как низкий уровень грунтовых вод, благоприятные климатические условия (кратковременные морозы) и малая естественная влажность грунта, практически не возникает никаких повреждений от мороза.
Рис. 1 Нижняя и верхняя граница для оценки опасности морозного пучения грунта по критерию Рукли
Защита от воздействия мороза в грунте
Глубина действия мороза в грунте зависит от климатических условий местности. В нашей стране она преимущественно составляет 0,8 до 1,0 m ниже поверхности земли. Следовательно, сооружения, заложенные на глубине, равной или большей чем 1,0 m, не будут подвергаться воздействию мороза.
Мелкозаглубленные конструкции, такие как дорожные покрытия, подвержены воздействию мороза, которое может вызвать значительные деформации и повреждения покрытия как при замерзании, так и при оттаивании. Поэтому при устройстве дорожных покрытий и взлетно-посадочных полос на аэродромах необходимо исследовать грунт на предмет воздействия мороза, и в случае, когда основание опасно с точки зрения морозного воздействия, следует принять защитные меры. Для дорожных покрытий и аэродромов наиболее эффективной мерой является устройство подстилающего слоя, толщина которого определяется так, чтобы общая толщина покрытия и подстилающего слоя составляла 0,80 m для тяжелого движения и до 0,60 m для легкого движения. Обычно толщина подстилающего слоя 0,30 m под покрытием является достаточной защитой от воздействия мороза.
Материалом для устройства подстилающего слоя обычно служит песок или песчано-гравийная смесь, которая должна удовлетворять следующим условиям:
Индекс пластичности IP < 5
Содержание фракции d < 0,02 mm меньше 3%
Степень неоднородности U > 7.
Верхняя часть подстилающего слоя толщиной 20 cm не должна быть однородным мелкозернистым песком из-за недостаточного уплотнения и ограниченной несущей способности. В этой части подстилающий слой должен быть песчано-гравийным с 30-70% зернами размером 2-30 mm. Зерна крупнее 30 mm не рекомендуются.
Мелкозаглублённые оградительные стены также подвергаются воздействию морозного пучения в грунте, вследствие чего они наклоняются, что при повторяющемся воздействии мороза со временем приводит к их опрокидыванию и разрушению. Поэтому эти стены следует закладывать на 1,0 m глубины, если грунт подвержен морозному пучению.