Цытович - Механика мерзлых грунтов

В книге на основе анализа результатов многолетних главным образом отечественных исследований по механике мерзлых грунтов устанавливаются основные закономерности механики мерзлых грунтов как науки и их практические приложения по обоснованию методов устойчивого строительства на вечномерзлых грунтах.

Подробно рассматриваются методы определения параметров сформулированных закономерностей механики  замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и использование их при проектировании и расчете оснований, фундаментов и земляных сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах. Ряд решений механики мерзлых грунтов табулирован,  номографирован и снабжен числовыми примерами.

В настоящей книге на базе анализа результатов многолетних исследований физико-механических свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и протекающих в них криогенных процессов устанавливаются закономерности механики мерзлых грунтов как науки и их основные практические приложения.

За сорок лет, прошедших со времени выхода в свет первой работы по исследованию механических свойств мерзлых грунтов (работа автора в сборнике № 80 КЕПС АН СССР, 1930), и особенно за последние десятилетия, опубликован ряд солидных монографий и много работ, связанных с отдельными вопросами механики мерзлых грунтов. Так, хорошо известны монографии, внесшие известный вклад в становление и развитие механики мерзлых грунтов как науки: первая книга по механике мерзлых грунтов — «Основания механики мерзлых грунтов» (Н. А. Цытовича и М. И. Сумгина, Изд-во АН СССР, 1937), «Принципы механики мерзлых грунтов» (Н. А. Цытовича, Изд-во АН СССР, 1952), удостоенная в 1950 г. Государственной премии «За разработку основ механики мерзлых грунтов»; «Основы механики промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов» (Н. А.  Цытовича и др., т. II, гл. 3 сводного труда «Основы геокриологии», Изд-во АН СССР, 1959); «Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов» (С. С. Вялова, Изд-во АН СССР, 1959), «Исследование деформаций мерзлых грунтов» (ч. II докторской диссертации Н. А. Цытовича, 1940).

Наконец, следует отметить аналитические исследования по реологии и консолидации мерзлых и оттаивающих грунтов Ю. К. Зарецкого (группа механики мерзлых грунтов НИИоснований), опубликованные в его докторской диссертации «Вопросы теории ползучести и консолидации грунтов и их практические приложения» A971 г.) и в отдельных журнальных статьях. По теплофизике мерзлых и вечномерзлых грунтов, решения которой совершенно необходимы для прогноза глубин протаивания мерзлых грунтов, а по ним и осадок оттаивающих грунтов, весьма важная работа  опубликована Г. В. Порхаевым «Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами» (Изд-во «Наука», 1970). Кроме того, интересные материалы содержат сборники работ МГУ: «Мерзлотные исследования» (8 выпусков за 1961—1968 гг.); «Материалы VIII Всесоюзного совещания по геокриологии» (8 выпусков, Якутск, 1966 г.); «Материалы совещания-семинара по строительству на вечномерзлых грунтах» 20 выпусков Красноярского ПромстройНИИпроекта, 1964 г.); Сборники Института мерзлотоведения Сиб. отд. АН СССР; Труды ВНИИ-1 (Магадан, 1961, 1963 гг.) и много отдельных статей в технических журналах, составляющих лишь за последнее десятилетие более пяти тысяч  печатных страниц.

Наконец, в 1967 г. был опубликован раздел официальных  «Строительных норм и правил» (СНиП П-Б.6 — 66, объемом 3,2 печ. л., «Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах») и к этой же главе «Пособие по проектированию» (составленное под руководством С. С. Вялова и Г. В. Порхаева) объемом 14,3 печ. л.охватить достаточно полно круг вопросов, затрагиваемых механикой  мерзлых грунтов, при ограниченном объеме книги не представилось возможным. Поэтому естественно, что некоторые вопросы не столь подробно освещены, как этого хотелось бы автору, и не все полезные выводы из них сделаны. Однако автор считает своевременным проанализировать основные результаты многолетних как отечественных, так и зарубежных  исследований по механике мерзлых грунтов в свете новейших экспериментальных и теоретических данных и сделать общие выводы, установив закономерности механики мерзлых грунтов, важные для теории и практики.

Автор формулирует только основные закономерности и зависимости, которые позволяют разобраться в сложнейших вопросах механики мерзлых грунтов и обосновать методы устойчивого строительства сооружений на вечномерзлых грунтах; при этом излагается, главным образом, принципиальная сторона расчетов и уделяется много внимания физической стороне механических процессов, протекающих в промерзающих, мерзлых и  оттаивающих грунтах, и их аналитическому описанию; конструирование  фундаментов и детальная разработка методов производства работ  рассматриваются в курсе «Основания и фундаменты».

Систематическое изложение механики мерзлых грунтов позволит  разобраться читателям, научным работникам, инженерам и студентам в  огромной литературе по механике мерзлых грунтов, что так важно для  инженеров-геологов, ведущих полевые изыскания для строительства в области распространения вечномерзлых грунтов, и особенно для  инженеров-строителей, использующих данные механики мерзлых грунтов в своей практике.

Знание закономерностей механики мерзлых грунтов необходимо и для оценки физико-геологических явлений и процессов, протекающих в  промерзающих, мерзлых и оттаивающих горных породах; рассмотрение этих  процессов не входит в задачи настоящего труда, так как это одна из проблем общей геокриологии (мерзлотоведения), освещаемой в специальных трудах (см. например «Общее мерзлотоведение» Б. Н. Достовалова и В. А. Кудрявцева. Изд-во МГУ, 1967 и др.), которые в данной работе лишь  учитываются, но подробно не излагаются. Настоящая книга состоит из двух частей: I — общей — экспериментально-теоретической, излагающей закономерности механики мерзлых грунтов, используемые как при исследовании геокриологических процессов в  массивах горных пород, так и при оценке мерзлых пород в качестве оснований и среды для различного рода инженерных сооружений, и II — прикладной, посвященной разработке научных основ устойчивого строительства  различного рода сооружений (гражданских, промышленных, дорожных и  гидротехнических) на вечномерзлых грунтах.

Работа не претендует на исчерпывающий охват проблем механики мерзлых грунтов, а лишь подытоживает и обобщает результаты  экспериментального и аналитического их исследования за последние примерно  сорок лет, что позволяет уже в настоящее время с успехом использовать достигнутые результаты в практике инженерных изысканий и строительства в условиях вечномерзлых грунтов.

ВВЕДЕНИЕ

Затруднения при возведении сооружений на вечномерзлых грунтах. В обширных районах Севера и Северо-Востока СССР на площади около 11 млн. кв. км и почти на такой же площади в других странах (Северная Канада, Аляска) почво-грунты и вообще горные породы летом оттаивают на небольшую глубину (примерно на 1—3 м), а глубже (до 50—1000 м) находятся постоянно (веками) в мерзлом состоянии.

В сооружениях, возводимых на вечномерзлых грунтах без  принятия особых, отличных от обычных условий, мер и методов,  возникают совершенно недопустимые деформации, затрудняющие  эксплуатацию сооружений и приводящие к их полному разрушению. Мерзлые и вечномерзлые грунты вследствие наличия в них льдоцементных связей при сохранении отрицательной температуры грунтов являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их  температуры (даже в области отрицательных значений температур)  происходят существенные изменения свойств грунтов, что обусловливает нестабильность свойств мерзлых пород; при оттаивании же порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации, причем сильнольдистые вечномерзлые грунты при пылеватом и глинистом их составе  превращаются в разжиженные массы.

Для маловлажных (слабольдистых) мерзлых грунтов оттаивание норового льда, разрушая льдоцементные связи между частицами, уменьшает устойчивость структуры, значительно увеличивает сжимаемость и водопроницаемость оттаявших грунтов и во много раз снижает их прочность. При оттаивании же льдистых и  сильнольдистых (пересыщенных льдом) грунтов наблюдается лавинное разрушение их структуры, скачкообразное изменение пористости, при этом возникают быстро протекающие местные (в местах  оттаивания) просадки, часто сопровождающиеся выдавливанием  разжиженных масс оттаявшего грунта в стороны от нагруженной  поверхности (например, из-под фундаментов сооружений).

Просадки являются главнейшей причиной недопустимых деформаций сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах без принятия специальных мер против их оттаивания в основаниях  сооружений.

Условия возведения сооружений в области распространения  вечномерзлых грунтов, особенно на Крайнем Севере, представляются еще более сложными вследствие переувлажненности, а в мерзлом состоянии пересыщенности льдом верхних горизонтов почвогрунтов.

На рис. 1 показана выемка, отрытая при проведении грунтовой  дороги в районе Алдана, характеризующая переувлажненность верхних слоев грунта, весьма осложняющую производство земляных работ. Кроме того, как правило, на глубине летнего оттаивания, т.е. на верхней границе вечномерзлой толщи, наблюдаются  пересыщенные льдом горизонты, превращающиеся при оттаивании в  разжиженные массы.

При протаивании вечномерзлых грунтов в основаниях зданий и сооружений, как показывает многолетняя практика строительства на вечномерзлых грунтах, возникают значительные, часто совершенно недопустимые деформации фундаментов и надфундаментных строений. Так, по данным П. Д. Бондарева, производившем обследования зданий, возведенных па вечномерзлых грунтах в г. Воркуте и Воркуписком районе, оказалось, что около 80% зданий имели  недопустимые деформации, в том числе: сильно деформированных каменных (кирпичных) - 78% (полное разрушение стен наблюдалось у 6%' зданий, а наличие сквозных трещин в зданиях — у 67%); деревянных рубленных — 75% и деревянных каркасных — 90%. Из  числа обследованных каменных зданий 30% имели деформации катастрофического характера и требовали неотложного  капитального ремонта, а из числа деревянных зданий 50% нуждались в капитальном и капитально-восстановительном ремонте.

На рис. 2 показано деформированное шлакобетонное здание котельной шахты с  наклонившейся дымовой трубой (вследствие неравномерной просадки  протаявшего основания), а на .рис. 3 — поперечный разрез по зданию и толще грунтов под зданием с нанесением границы вечномерзлых грунтов: начальной (1945 г.) и через 2 года (на 1947 г.) после  эксплуатации котельной без принятия мер по отводу тепла,  выделяющегося зданием в грунт. В результате неправильного устройства фундаментов (без отвода тепла) возникли значительные  деформации здания — за 2 года котлы дали осадку на 40 см, просели  цементные полы, а бетонный фундамент дымовой трубы вследствие его неравномерной осадки вызвал наклон трубы к зданию  котельной, чему способствовало образование несимметричной «чаши протаивания» грунтов под котельной.

Пример значительных неравномерных осадок, вызвавший большие трещины в полу здания, приведен на рис. 4, где показано внутреннее помещение одного из зданий рыбозавода в поселке Анадырь, построенного без учета свойств сильнольдистых вечномерзлых грунтов. Деформации были настолько велики, что дальнейший их рост привел к полному разрушению здания.

На рис. 5 показаны неравномерные осадки цоколя и стен деревянного здания в поселке Хальмер-Ю (на север от Воркуты) через 1 год эксплуатации здания. Деформации возникли вследствие  просадки при протаивании сильнольдистых грунтов под подошвой фундаментов. Другой, также весьма существенной причиной возникновения значительных деформаций сооружений в условиях вечномерзлых грунтов является неравномерное и значительное по величине  морозное пучение верхних слоев грунтов и выпучивание фундаментов при промерзании окружающих их грунтов, которое особенно  велико при подтоке воды извне или наличии часто наблюдаемых переувлажненных горизонтов на верхней границе вечномерзлых грунтов. Так, на рис. 6, показаны деревянные ворота в г. Якутске, неравномерно выпученные силами морозного пучения. Последние могут иметь огромную величину и без принятия мер против их  возникновения или уменьшения до допустимой величины могут вызывать неравномерные выпучивания фундаментов и значительные деформации сооружений. Об огромной величине сил морозного пучения можно судить по рис. 7, где показан разрыв довольно мощного  ствола дерева (лиственницы) трещиной бугра морозного пучения в районе г. Игарки.

Можно было бы привести еще много примеров деформаций  сооружений на вечномерзлых грунтах, возникающих вследствие неравномерности осадок оттаивающих грунтов или от просадок сильнольдистых грунтов при протаивании, или неравномерного  выпучивания фундаментов при морозном пучении, которые до недавнего времени были еще широко распространены в районах вечномерзлых грунтов.

Из всего вышеприведенного ясно, что разработки теоретических предпосылок и практических приемов устойчивого строительства  сооружений на вечномерзлых грунтах должны базироваться на учете особенностей районов вечномерзлых грунтов, детальном изучении свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов,  исследованиях механических процессов, протекающих в них под влиянием природных факторов и взаимодействия с сооружениями, и  изысканиях путей и средств изменения свойств грунтов в желательных направлениях.

Следует, однако, отметить, что на базе решений механики  мерзлых грунтов, полученных в результате обобщения многолетних экспериментально-теоретических исследований физико-механических свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов, уже в настоящее время представляется возможным установить научные основы устойчивого строительства сооружений на вечномерзлых грунтах, чему посвящена вторая часть настоящей работы. Отметим, что уже первые отечественные работы (работы автора 1928—1930 гг.) по расчету фундаментов сооружений на  вечномерзлых грунтах, ранее не имевшие места ни в отечественной, ни в  зарубежной технической литературе, позволили правильно наметить генеральную линию и основные принципы строительства сооружений на вечномерзлых грунтах, что в дальнейшем полностью  оправдало себя на практике.

Так, применение проветриваемого подполья, впервые расчетно - обоснованное автором еще в 1928 г., позволило разработать широко и успешно применяемый в настоящее время метод возведения сооружений на вечномерзлых грунтах по принципу сохранения  мерзлого состояния оснований.

Одним из первых сооружений, построенных по этому методу при консультации автора, было здание Нарынской высокогорной метеорологической станции, возведенное в 1930 г. на леднике Петрова (Алтай), прекрасно существующее без каких-либо деформаций уже многие годы (рис. 8).

В 1931—1933 гг. впервые в строительной практике было  возведено большое промышленное здание — тепловая Якутская  центральная электростанция (ЯЦЭС) по методу сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований, запроектированное по расчетным формулам автора и построенное при его консультации (рис. 9). Это здание с 1933 г. (т. е. уже около 40 лет) эксплуатируется без каких- 5 м либо недопустимых деформаций (при достаточно высокой температуре внутри здания), причем граница вечномерзлых грунтов под зданием (по данным обследования Якутской научно-исследовательской станции АН СССР) не понизилась, а поднялась от 0,8 до 1,2 м против первоначального ее уровня, что увеличило устойчивость фундаментов.

Имеется также ряд примеров успешного возведения и существования зданий и сооружений, запроектированных по методу учета прогнозируемых на основе решений механики мерзлых грунтов  осадок мерзлых грунтов при оттаивании, о чем будет изложено ниже. В заключение приведем снимок главной улицы в заполярном  городе Норильске —проспекта В. И. Ленина (рис. 10), здания  которого были запроектированы и построены по методу сохранения мерзлого состояния грунтов оснований. Эти здания оборудованы центральным отоплением, горячим и холодным водоснабжением и имеют все современные удобства. Как видно из рисунка, здания и в суровых условиях вечномерзлых грунтов Заполярья,  запроектированные в соответствии с научными основами механики мерзлых грунтов с использованием положительных свойств вечномерзлых грунтов (при сохранении их отрицательной температуры),  находятся в хорошем состоянии. Главнейшие понятия и определения. Основным признаком  замерзания грунтов, горных пород, почв и любых других дисперсных тел является кристаллизация (при соответствующей отрицательной температуре) в их порах льда. Процесс кристаллизации льда в порах грунтов сопровождается целым рядом сложнейших  физико-химических явлений и процессов: миграцией воды, смерзанием  минеральных частиц грунта, увеличением концентрации поровых  растворов и пр. Эти явления и процессы формируют новые свойства замерзших грунтов, отличные от свойств грунтов немерзлых, причем первостепенную роль играет процесс цементации (спаянности) в той или иной степени минеральных частиц льдом. Однако поровая вода в грунтах и других' дисперсных телах  находится в поле действия электромолекулярных сил поверхности  минеральных частиц (по крайней мере, несколько слоев воды,  расположенных непосредственно у поверхности частиц), поэтому не вся вода при охлаждении грунта переходит в лед (кристаллизуется), а лишь те слои ее, силы взаимодействия которых с поверхностью минеральных частиц при данной отрицательной температуре меньше сил кристаллизации льда.

Если при охлаждении грунта в его порах не образуется лед, то нет оснований такой грунт называть мерзлым. Поэтому мерзлыми грунтами, мерзлыми горными породами и мерзлыми почвами мы будем называть грунты и другие горные породы, почвы и  дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую  температуру, в которых хотя бы часть воды замерзла, т. е. превратилась в лед, цементируя минеральные частицы. Породы, имеющие  отрицательную или нулевую температуру, в порах которых лед не  кристаллизовался, будем называть охлажденными (или морозными) и  переохлажденными, если в них содержится прочносвязанная или минерализованная вода, не замерзающая при данной  отрицательной температуре. Все остальные горные породы (грунты, почвы и пр.), имеющие положительную температуру, будем называть  немерзлыми, а если они ранее находились хотя бы некоторое время в мерзлом состоянии и затем оттаяли — талыми породами. Таким образом, все грунты («рыхлые горные породы») и другие горные породы (например, трещиновато-скальные) в зависимости от фазового состава их поровой воды будем разделять на три  класса: 1) мерзлые породы; 2) охлажденные породы; 3) немерзлые породы.

В дальнейшем, мы все свое внимание уделим исследованию  механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов и механических процессов, в них протекающих, т. е. изложению проблем  механики мерзлых грунтов.

Таким образом, вечномерзлыми грунтами и вообще вечномерзлыми горными породами мы, следуя широко укоренившемуся  народному представлению о «вечной мерзлоте», будем называть  грунты и другие горные породы, весьма длительное время  существующие в мерзлом состоянии, т. е. существующие века (столетия). Многолетнемерзлыми породами мы будем называть породы,  существующие много лет — по крайней мере, возникающие в течение жизни, одного поколения людей. Наконец, сезонномерзлыми будем называть грунты, почвы и пр., промерзшие за один сезон (зиму) и сохраняющие мерзлое состояние от 1 до 2 лет. В последнем случае двухсезонные мерзлые грунты и другие горные породы часто называют перелетками.

Вечномерзлое состояние горных пород (грунтов и пр.) мы  рассматриваем как явление геологическое (так, толщи вечномерзлых пород северо-востока Сибири имеют возраст от 10—12 тыс. до 280 тыс. лет), многолетнемерзлое состояние — как явление современное, а сезонномерзлое, как явление регулярное, из года в год  повторяющееся, и наконец — кратковременномерзлое состояние, как явление нерегулярного сезонного промерзания, длящегося незначительное время.

При общем описании мерзлых и вечномерзлых грунтов еще раз подчеркнем, что самое существенное значение при оценке их  механических свойств будет иметь сцементированность (спаянность)  минеральных частиц льдом, в значительной степени оцениваемая льдистостью мерзлых грунтов и количественным содержанием в мерзлых грунтах незамерзающей при данной отрицательной  температуре поровой воды.

При использовании мерзлых и вечномерзлых грунтов в качестве оснований или среды для различного рода сооружений с самого начала важно установить, к какой категории их следует относить по льдистости и физическому состоянию.

Категории мерзлых грунтов

По льдистости:

сильнольдистые (содержание льда более 50%);

слабольдистые (содержание льда менее 25%);

льдистые (содержание льда от 25 до 50%).

По физическому состоянию:

твердомерзлые (низкотемпературные), прочно спаянные льдом, практически несжимаемые.

Пластичномерзлые (высокотемпературные) с большим  содержанием незамерзшей воды, относительно мало сжимаемые в мерзлом состоянии.

Кроме указанных категорий мерзлых грунтов, выделяется (по СНиП П-Б. 6—66) еще категория сыпучемерзлых грунтов — не  сцементированных льдом песчаных и крупнообломочных грунтов, хотя и имеющих отрицательную температуру, но очень мало содержащих в своих порах воды. Эти грунты не обладают специфическими  свойствами мерзлых грунтов, так как практически не изменяют своих механических свойств при изменении отрицательной температуры на положительную. Автор считает более правильным относить эти грунты не к категории мерзлых, а к категории охлажденных  (морозных) сыпучих грунтов.

...