Лабораторная работа 1. Характеристики физических, теплофизических и механических свойств мерзлых и талых грунтов характеристики физических свойств мерзлых грунтов

• Название: Характеристики физических, теплофизических и механических свойств мерзлых и талых грунтов характеристики физических свойств мерзлых грунтов
• Дата: 22.11.2022
• Размер: 81.38 Kb.
• Имя файла: Лабораторная работа 1.docx
• Тип: Документы; #805309
• страница: 1 из 3

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКИХ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ

3.1. Характеристики физических свойств мерзлых грунтов
В состав физических характеристик, определяемых для мерзлых грунтов, входят [9]:

• 
  суммарная влажность мерзлого грунта w_tot;
  
• 
  влажность мерзлого грунта между включениями льда w_m;
  
• 
  влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды w_w;
  
• 
  влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i);
  
• 
  влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w_ic;
  
• 
  суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot и льдистость мерзлого грунта за счет включений льда i_i;
  
• 
  степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r;
  

Суммарной влажностью (w_tot) называется отношение массы всех видов воды к мерз­лом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180–84. Состоит из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i) и влажности мерзлых минеральных прослоек (w_m), которая в свою очередь слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та), w_ic , и влажности за счет не замерзшей воды (w_w):
w_tot= w_i + w_m = w_i + (w_iс + w_w) (3.1)
Обычно все входящие в выражение параметры влажности должны определяться в ходе полевых и лабораторных работ опытных путем. При затруднениях, связанных с определением, строительными нормами и правилами (СНИП) допускается вычисление части показателей.

Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с ГОСТ 5180–84, в случае если w_m нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается
w_m w_p;
где w_p – влажность, соответствующая нижнему пределу пластичности (влажность на границе раскатывания), доли единицы.

Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, w_w, определяется опытным путем. Для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять по формуле:
w_w = k_ww_p, (3.2)
где k_w – коэффициент, принимаемый по табл. 3.1 [8] в зависимости от температуры грунта Т,  С и числа пластичности I_p:
I_p=w_l– w_p, (3.3)
где w_l – влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести).
Таблица 3.1

Коэффициенты k_w [8]

Грунты	Число пластичности Ip, доля единицы	Коэффициент kw при температуре грунта T,  C
		–0,3	–0,5	–1	–2	–3	–4	–6	–8	–10
Пески и супеси	Ip  0,02	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Супеси	0,02  Ip  0,07	0.6	0,50	0,40	0,35	0,33	0,30	0,28	0,26	0,25
Суглинки	0,07  Ip  0,13	0,7	0,65	0,60	0,50	0,48	0,45	0,43	0,41	0,40
Суглинки	0,13  Ip  0,17	*	0,75	0,65	0,55	0,53	0,50	0,48	0,46	0,45
Глины	Ip  0,17	*	0,95	0,90	0,65	0,63	0,60	0,58	0,56	0,55
Примечание. В таблице знак “*” означает, что вся вода в порах не замерзшая.

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та), w_ic , обычно вычисляется по зависимости:
w_ic= w_m – w_w. (3.4)
Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w_i:
w_i = w_tot–w_{m .} (3.5)
Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в широких пределах и может намного превышать их полную влагоемкость в талом состоянии. Например, влажность мелкозер­нистых пылеватых песков с включением органического вещества может достигать 60 %, заторфованных суглинков – 150–200 %, а торфа – 400– 800 % и более. Неоднородность криогенного строения мерзлых пород по вертикальному профилю, неоднородность их механического состава предопределяют необходимость обязатель­ного послойного определения влажности и льдистости с предвари­тельным подразделением на неоднородные по составу и криоген­ной текстуре слои в каждом генетическом горизонте отложений. Определение влажности и льдистости производится с таким расчетом, чтобы учесть измене­ние этих величин во времени и по глубине разреза.

Весовая льдистость –i, д. е., отношение веса воды к весу всего грунта, определяется по формуле:


w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.

Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, д. е., – отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле:
(3.6)
где_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

 – плотность мерзлого грунта, г/см³,

i – весовая льдистость, д. е.

Формула применима для мерзлых грунтов с различными видами криогенных текстур, где толщина включений льда не превышает 0,5 см.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений i_i, д. е., – отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле [2]:
(3.7)
где _s – плотность частиц грунта, г/см³;

_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

w_m – влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включения­ми, д. е.,

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.

Льдистость грунта за счет порового льда-цементаi_ic, д. е.,определяется также из разности:
i_iс=i_tot–i_i. (3.8)
Экспериментально льдистость определяется на основе совме­щенного метода Г.П. Мазурова непосредственным измере­нием суммарной толщины включений льда, приходящихся на единицу разреза. Для этого к мерзлому монолиту прикладывают масштабную линейку и непрерывно по всей высоте монолита грунта измеряют суммарную толщину прослоек льда, секущих поперечную линию. Средний показатель льдистости мерзлого грунта за счет льда включений вычисляется на основе измерения суммарного содержания льда прослоек по трем линиям.

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле:

(3.9)
где w_ic – влажность мерзлого грунта за счет порового льда, цементирующего мине­ральные частицы (лед-цемент), д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.;

_s – плотность частиц грунта, г/см³;

е – коэффициент пористости мерзлого грунта;

_w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Коэффициент пористости, е, д. е., определяется по формуле:
(3.10)
где _s – плотность частиц грунта, г/см³;

_d– плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), г/см³, определяемая по формуле:
(3.11)
где  – плотность грунта, г/см³;

w_tot – суммарная влажность грунта, д. е.

Плотность и пористость являются основными физическими показателями мерзлой породы, используемыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасышения и льдистости грунтов. Вели­чина плотности необходима при расчете коэффициента тепло­проводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерз­лого грунта, сопротивления мерзлого и оттаивающего грунта сдвигу и др. Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасышения и коэффи­циента сжимаемости мерзлых грунтов.

3.2 Теплофизические характеристики грунта
В состав теплофизических характеристик, определяемых для вечномерзлых грунтов, входят: теплоемкость С, теплопроводность l, температура начала замерзания грунта T_bf; теплота таяния (замерзания) грунта L_n; температуропроводность а.

Теплофизические характеристики грунта – ­теплопроводность , Вт/(м С), ккал/(мч С) и объемная теплоемкость С, Вт∙ч/(м³ С), Дж/(м³ С), ккал/(м³ С) определяются опытным путем в соответствии с ГОСТ 26263–84. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (_th и _f), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_thи C_f) песчаных и пылевато-глинистых грунтов, включая заторфованные и гравелистые, допускается принимать по табл. 3.2 в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (_d).

Температура начала замерзания грунта T_bf,С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов T_bfследует устанавливать опытным путем. Для предварительных расчетов мерзлых оснований значение T_bf допускается принимать по табл. 3.3 в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора с_ps, д. е., определяемой по формуле:
, (3.12)
где D_s – степень засоленности грунта, д. е., устанавливаемая по ГОСТ 25100–95;

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, доли единицы.

Для незасоленных песчаных и крупнообломочных грунтов значение T_bf принимается по ГОСТ 25100–95 равным 0 С.

Теплота таяния (замерзания) грунта L_ , Вт·ч/м³, ккал/м³, Дж/м³, принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта и определяется по формуле:
L_ = L₀(w_tot – w_w)_d, (3.13)
где L_o = 93 Вт·ч/кг, 80 ккал/кг, Дж/кг – удельная теплота фазовых превращений вода–лед в расчете на единицу массы;

_d – плотность сухого грунта (скелета грунта), кг/м³.

Плот- ность сухого грунта d,th,\d.f, т/м3	Влаж- ность грунта wtot, д.е.	Теплопроводность грунта, Вт/(м С), [ккал/(мч С)]											Объемная теплоемкость, Дж/(м3 С)10-6 [ккал/(м3 С)]
		Пески разной крупности, гравелистые		Супеси пылеватые			Суглинки и глины			Заторфо­ванные грунты, торф
		th	f		th	f		th	f		th	f		Cth	Cf
0,1	9,00	–	–		–	–		–	–		0,81 (0,70)	1,34 (1,15)		4,00 (950)	2,31 (550)
0,1	6,00	–	–		–	–		–	–		0,40 (0,35)	0,70 (0,60)		2,73 (650)	1,68 (400)
0,1	4,00	–	–		–	–		–	–		0,23 (0,20)	0,41 (0,35)		1,88 (450)	1,26 (300)
0,1	2,00	–	–		–	–		–	–		0,12 (0,10)	0,23 (0,20)		1,05 (250)	0,64 (200)
0,2	4,00	–	–		–	–		–	–		0,81 (0,70)	1,33 (1,15)		3,78 (900)	2,40 (570)
0,2	2,00	–	–		–	–		–	–		0,23 (0,20)	0,52 (0,45)		2,10 (500)	1,47 (350)
0,3	3,00	–	–		–	–		–	–		0,93 (0,80)	1,39 (1,20)		4,15 (990)	2,40 (570)
0,3	2,00	–	–		–	–		–	–		0,41 (0,35)	0,70 (0,60)		3,32 (750)	2,10 (500)
0,4	2,00	–	–		–	2,10 (1,80)		–	2,10 (1,80)		0,93 (0,80)	1,39 (1,20)		3,78 (900)	2,73 (650)
0,7	1,00	–	–		–	2,10 (1,80)		–	2,00 (1,75)		–	–		3,60 (855)	2,10 (500)
1,0	0,60	–	–		–	2,00 (1,75)		–	1,90 (1,65)		–	–		3,44 (820)	2,18 (520)
1,2	0,40	–	–		–	1,90 (1,65)		1,57 (1,35)	1,80 (1,55)		–	–		3,11 (740)	2,12 (505)
1,4	0,35	–	–		1,80 (1,55)	1,86 (1,60)		1,57 (1,35)	1,66 (1,45)		–	–		3,35 (800)	2,35 (560)
1,4	0,30	–	–		1,74 (1,50)	1,80 (1,55)		1,45 (1,25)	1,57 (1,35)		–	–		3,02 (720)	2,18 (520)
1,4	0,25	1,91 (1,65)	2,14 (1,85)		1,57 (1,35)	1,68 (1,45)		1,33 (1,45)	1,51 (1,30)		–	–		2,78 (660)	2,06 (490)
1,4	0,20	1,57 (1,35)	1,86 (1,60)		1,33 (1,15)	1,51 (1,30)		1,10 (0,95)	1,22 (1,05)		–	–		2,48 (590)	1,89 (450)
1,4	0,15	1,39 (1,20)	1,62 (1,40)		1,10 (0,95)	1,27 (1,10)		0,87 (0,75)	0,99 (0,85)		–	–		2,18 (520)	1,76 (420)

Таблица 3.2.

Расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в талом и мерзлом состоянии [8]


Продолжение таблицы 3.2

Плотность сухого грунта d,th, d.f, т/м3	Влаж-ность грунта wtot, д.е.	Теплопроводность грунта, Вт/(м С),[ккал/(мч С)]												Объемная теплоемкость, Дж/(м3 С)10-6 [ккал/(м3 С)]
		Пески разной крупности, гравелистые			Супеси пылеватые			Суглинки и глины			Заторфо­ванные грунты,торф
		th	f	th		f	th		f	th		f	Cth			Cf
1,4	0,10	1,10 (0,95)	1,27 (1,10)	0,93 (0,80)		1,05 (0,90)	0,70 (0,60)		0,75 (0,65)	–		–	1,89 (450)			1,74 (415)
1,4	0,05	0,75 (0,65)	0,81 (0,70)	0,64 (0,55)		0,70 (0,60)	0,46 (0,40)		0,52 (0,45)	–		–	1,60 (380)			1,47 (350)
1,6	0,30	–	–	1,86 (1,60)		1,97 (1,70)	1,68 (1,45)		1,86 (1,55)	–		–	1,84 (835)			2,48 (590)
1,6	0,25	2,50 (2,15)	2,73 (2,35)	1,80 (1,55)		1,91 (1,65)	1,51 (1,30)		1,68 (1,45)	–		–	3,15 (750)			2,35 (560)
1,6	0,20	2,15 (1,85)	2,37 (2,05)	1,62 (1,40)		1,74 (1,50)	1,33 (1,15)		1,51 (1,30)	–		–	2,31 (670)			2,14 (510)
1,6	0,15	1,80 (1,55)	2,00 (1,75)	1,45 (1,25)		1,57 (1,35)	1,10 (0,95)		1,22 (1,05)	–		–	2,48 (590)			2,02 (480)
1,6	0,10	1,45 (1,25)	1,62 (1,40)	1,62 (1,00)		1,28 (1,10)	0,87 (0,75)		0,93 (0,80)	–		–	2,16 (515)			1,80 (430)
1,6	0,05	1,05 (0,90)	1,10 (0,95)	0,81 (0,70)		0,87 (0,75)	0,58 (0,50)		0,64 (0,55)	–		–	1,83 (435)			1,68 (400)
1,8	0,20	2,67 (2,30)	2,84 (2,45)	1,86 (1,60)		1,97 (1,70)	1,57 (1,35)		1,80 (1,55)	–		–	3,17 (755)			2,41 (575)
1,8	0,15	2,26 (1,95)	2,62 (2,25)	1,68 (1,45)		1,80 (1,55)	1,39 (1,20)		1,57 (1,35)	–		–	2,78 (600)			2,26 (540)
1,8	0,10	1,97 (1,70)	2,20 (1,90)	1,45 (1,25)		1,57 (1,35)	1,05 (0,90)		1,22 (1,05)	–		–	2,42 (575)			2,04 (485)
1,8	0,05	1,45 (1,25)	1,51 (1,30)	0,99 (0,85)		0,99 (0,85)	0,70 (0,60)		0,75 (0,65)	–		–	2,04 (485)			1,89 (450)
2,0	0,10	2,73 (2,35)	2,90 (2,50)	1,74 (1,50)		1,86 (1,60)	1,28 (1,10)		1,39 (1,20)	–		–	2,68 (640)			2,26 (540)
2,0	0,05	2,10 (1,80)	2,14 (1,85)	–		–	–		–	–		–	2,26 (540)			2,10 (500)
Примечание:1вт· ч=3600 Дж

Таблица 3.3

Температура начала замерзания грунта [8]

Грунты	Температура начала замерзания грунта Tbf,  С, при концентрации порового раствора cps, доли единицы
	0	0,005	0,01	0,02	0,03	0,04
Песчаные	0	–0,6	–0,8	–1,6	–2,2	–2,8
Пылевато-глинистые:
супеси	–0,1	–0,6	–0,9	–1,7	–2,3	–2,9
суглинки и глины	–0,2	–0,6	–1,1	–1,8	–2,5	–3,2