Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Дисперсные грунты являются многокомпонентными и многофазными образованиями, состоящими из твердых минеральных частиц, воды в различных состояниях и газов. Вода является важным компонентом, влияющим на состав и свойства талых и мерзлых дисперсных грунтов. От влажности грунтов зависят число компонентов и фаз, а также величины показателей физических свойств.

Целью исследования является определение числа компонентов и фаз дисперсных грунтов при различных значениях влажности и установление зависимостей показателей физических свойств этих грунтов от влажности.

Материалы и методы исследования

Компонентный и фазовый состав дисперсных грунтов определяется из современных представлений о процессах, происходящих в них при изменении влажности и фазового состояния. Следует различать два интервала влажности дисперсных грунтов. К интервалу I относятся влажности талых и мерзлых грунтов от нуля до полного водонасыщения. Влажность интервала II могут иметь только мелкодисперсные мерзлые грунты, в которых в процессе их промерзания вследствие миграции воды из талых зон к фронту промерзания образовались ледяные тела [1]. Влияние влажности на показатели физических свойств грунтов в интервале I влажности характеризуется известными зависимостями. Переменные физические характеристики мерзлых грунтов можно определить только при практически полном замерзании воды, приняв количество незамерзшей воды и воздуха равными 0.

Показатели физических свойств грунтов в интервале I влажности выражаются следующими известными зависимостями:

– плотность скелета грунта [2]

(1)

– плотность грунта [2]

(2)

– плотность твердых частиц [2]

(3)

– пористость грунта [2]

(4)

– коэффициент пористости [2]

(5)

– коэффициент водонасыщения [2]

(6)

– относительное содержание воздуха [3]

(7)

где md – масса сухого грунта; Va – объем воздуха; w – влажность грунта; wnf – влажность при полной влагоемкости мерзлого грунта; V1 – объем грунта при 0 ≤ w ≤ wnf; m – масса грунта; ρw – плотность воды; ww – влажность по незамерзшей воде; ρi – плотность льда.

При w = ww = 0 относительное содержание воздуха (7) равно пористости грунта

. (8)

Из формулы (7) при = 0 находим полную влагоемкость:

талых грунтов (w = ww)

(9)

мерзлых грунтов (ww = 0)

. (10)

В интервале II влажности физические характеристики мерзлых грунтов при ww = 0 и отсутствии воздуха можно выразить следующими зависимостями:

– плотность скелета грунта

(11)

– плотность грунта

(12)

– пористость грунта

(13)

– коэффициент пористости

(14)

где V2 – объем грунта при w > wnf; ∆Vi – объем льда в шлирах; ρd2 – плотность скелета грунта при w ≥ wnf.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 показаны компоненты и фазы талых и мерзлых дисперсных грунтов различной влажности.

Таблица 1

Компоненты и фазы дисперсных грунтов различной влажности

wn,th – влажность при полной влагоемкости талых грунтов.

В интервале I влажности число компонентов изменяется в талых грунтах от двух до трех, в мерзлых – от двух до четырех, а число фаз и в талых и мерзлых грунтах – от двух до трех. В интервале II мерзлые грунты также являются четырехкомпонентными трехфазными системами. Однако при небольшом содержании незамерзшей воды их можно принимать как трехкомпонентные двухфазные, а если не учитывать незначительное количество воздуха в них – как двухкомпонентные однофазные системы. Показатели физических свойств грунтов на изменение влажности реагируют различным образом. В интервале I при повышении влажности плотности талых и мерзлых грунтов линейно повышаются от величины, равной плотности скелета грунта при нулевой влажности, до максимального значения при полном заполнении пор водой и льдом, коэффициент водонасыщения возрастает от 0 до 1, относительное содержание воздуха уменьшается от величины, равной пористости грунта, до 0. Остальные показатели остаются неизменными. В интервале II влажность мерзлых глинистых грунтов при определенных условиях может превышать полную влагоемкость. В результате миграции воды из талой зоны к фронту промерзания грунта образуются ледяные шлиры. В этом интервале влажности мерзлые грунты также состоят из четырех компонентов и трех фаз. В них также содержится незамерзшая вода, количество которой зависит от степени дисперсности и температуры грунта, и небольшое количество воздуха в растворенном виде в незамерзшей части воды и в виде пузырьков во льду. При достаточно низких температурах, когда количество незамерзшей воды становится незначительным, мерзлые грунты можно считать трехкомпонентными двухфазными образованиями. Если при этом не учитывать небольшое количество воздуха во льду, то их можно отнести к двухкомпонентным однофазным системам. В этом случае по изменению массы и объема грунтов можно определить их физические характеристики.

Показатели физических свойств грунтов при различных значениях влажности определены для грунтов, принятых по гранулометрическому составу [4] как песок, супесь и суглинок. Данные по этим грунтам взяты из материалов инженерно-геологических изысканий трассы автомобильной грунтовой дороги местного значения (табл. 2).

В табл. 3 и на рисунке приведены результаты определения показателей физических свойств грунтов, рассчитанные по формулам (1)–(7) и (11)–(14) с использованием данных инженерно-геологических изысканий из табл. 2.

Графики для песка и супеси построены в интервале I влажности (рисунок, а, б), а для суглинка, в котором возможно образование ледяных шлиров и превышение влажности полной влагоемкости пор, построены в обоих интервалах влажности (рисунок, в). В интервале I влажности как в талых, так и мерзлых грунтах с повышением влажности пропорционально увеличивается плотность грунтов и уменьшается содержание в них воздуха. В мерзлых грунтах в интервале II при незначительном количестве незамерзшей воды и воздуха, которыми можно пренебречь, по мере повышения влажности плотности грунта и скелета грунта уменьшаются, а пористость и коэффициент пористости возрастают с затухающей скоростью. Очевидно, изменения показателей физических свойств грунтов приводят к изменениям механических их свойств [5], что является задачей дальнейших исследований.

Заключение

Влажность дисперсных грунтов подразделяется на два интервала – интервал I влажности от нуля до полного заполнения пор водой в различных состояниях и интервал II влажности, превышающей полную влагоемкость. Состав грунтов изменяется на всем интервале изменения влажности. В интервале I, в котором изменяются плотность грунта и содержание воздуха, изменяются прочностные и деформационные свойства талых и мерзлых грунтов. В интервале II с повышением влажности уменьшаются плотности грунта и скелета грунта и увеличиваются пористость и коэффициент пористости, т.е. мерзлые грунты все больше приобретает механические свойства льда.