1  Для образца естественной влажности, 2  для водонасыщенного образца

Обычно просадочные свойства лессовых грунтов оценивают двумя характеристиками: относительной просадочностью _sl и начальным просадочным давлением p_sl.

Относительная просадочность _sl определяется по формуле

, (3.59)

где h₀  высота образца природной влажности; h_sl — высота образца при том же давлении после замачивания.

Грунт считается просадочным, если относительная просадка _sl  0,01.

Если провести компрессионные испытания просадочного грунта с замачиванием при различных давлениях, можно получить зависимость (рис. 3.28). Начальное просадочное давление  это давление, при котором относительная просадочность _sl впервые достигает значения 0,01.

Рисунок 3.28.  Зависимость относительной просадки от величины давления

3.7.2 Особенности механических свойств мерзлых грунтов

Мерзлые грунты обладают рядом специфических свойств, обусловленных наличием в этих грунтах льда [39]. Одним из таких свойств является морозное пучение грунтов.

Морозным пучением называется процесс увеличения объема грунта при его промерзании. Причина данного явления заключается в свойстве воды увеличиваться в объеме на 9% при превращении в лед. Соответственно, интенсивность морозного пучения грунта определяется количеством содержащейся в нем воды и степенью заполнения пор водой. Морозное пучение грунта происходит в определенном интервале температур. Температура начала пучения на несколько десятых градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Температура конца пучения отличается изменчивостью и находится опытным путем, ориентировочное ее значение: 3 …5.

Существенное влияние на величину морозного пучения оказывает явление миграции влаги к фронту промерзания в глинистых грунтах. Силы, вызывающие указанное явление имеют электромолекулярную природу и придают процессу миграции влаги устойчивый характер. Скорость миграции влаги пропорциональна градиенту температуры и влажности в грунте. Результат миграции выражается в подтягивании к фронту промерзания грунта дополнительного объема вода, что, в частности, приводит к росту линз льда-включений.

Для количественной оценки величины морозного пучения используется специальная характеристика  относительная деформация морозного пучения :

где  вертикальная деформация образца грунта (например, при его промораживании в компрессионных условиях);  толщина промерзшего слоя образца.

В зависимости от величины грунты подразделяются по степени пучинистости (табл. 3.2).

Таблица 3.2.  Характеристика пучинистости грунта

Значение	Характеристика пучинистости
	непучинистый
	слабопучинистый
	среднепучинистый
	сильнопучинистый
	чрезмернопучинистый

На величину пучения оказывает влияние сжимающее давление на грунт. Пучение при нулевом давлении называется свободным. Пучению подвержены водонасыщенные глинистые грунты и пылеватые пески.

Другим специфическим свойством является осадка мерзлого грунта при его оттаивании. Этот процесс обусловлен отжатием из пор грунта воды, образовавшейся после таяния льда-цемента, а также ослаблением структурных связей между частицами оттаявшего глинистого грунта.

Количественной оценкой осадки мерзлого грунта при оттаивании служит относительная осадка при оттаивании :

где  величина осадки образца мерзлого грунта высотой при оттаивании, например, в компрессионных условиях, при действии на него сжимающей нагрузки .

Опытным путем установлено, что величина относительной осадки при оттаивании зависит от действующего давления и эта зависимость может быть принята линейной:

где  коэффициент оттаивания;  коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта.

Содержание в мерзлом грунте льда оказывает существенное влияние на его деформационные и прочностные свойства. Дело в том, что лед имеет порог ползучести равный практически нулю. Следовательно, даже малые сдвигающие нагрузки на лед будут приводить к развитию в нем деформаций ползучести различной интенсивности в зависимости от температуры льда. Это свойство льда, соответственно, передается и мерзлому грунту. Поэтому и прочностные параметры мерзлого грунта и его деформационные характеристики будут зависеть как от температуры мерзлого грунта, так и от времени действия нагрузки.

Сопротивление мерзлого грунта сдвигу, так же как и талого, может быть выражено законом Кулона:

Параметры прочности мерзлого грунта  угол внутреннего трения и удельное сцепление будут зависеть от температуры мерзлого грунта  и времени t, прошедшего с момента приложения нагрузки. Мгновенной прочности грунта будет отвечать время , а параметры мгновенной прочности зависят только от температуры грунта : , . Длительная прочность описывает сопротивление мерзлого грунта сдвигу для неограниченного времени действия нагрузки: , . Кривые ползучести мерзлого грунта при сдвиге подобны рассмотренным кривым ползучести для талого грунта и имеют те же характерные стадии: неустановившаяся ползучесть, установившаяся ползучесть и прогрессирующее течение. Сложность заключается в том, что в реальных условиях работы мерзлого грунта температура не остается неизменной и, следовательно, прочностные и деформационные свойства грунта будут изменяться.

Для оценки деформируемости мерзлых грунтов устанавливаются зависимости между напряжениями и относительными деформациями для различных моментов времени действия нагрузки: . Для определенности будем считать, что указанная функция отражает одноосное сжатие образца мерзлого грунта. Эти зависимости могут быть получены из семейства кривых ползучести. Если кривые ползучести показывают зависимость деформации от времени при постоянном напряжении, то функции описывают достигнутый уровень деформаций от напряжения для конкретного времени действия нагрузки. На рис. 3.29 показаны характерные графики зависимости , полученные опытным путем. Результаты экспериментов достаточно точно описываются степенными зависимостями вида:

,

где и  параметры деформируемости мерзлого грунта.

Параметры и являются в свою очередь функциями времени действия нагрузки, а также температуры мерзлого грунта: и .

Рисунок 3.29.  Графики зависимости .

Данное описание приведено в качестве примера оценки прочностных и деформационных свойств мерзлого грунта. В полном объеме вопросы деформируемости и прочности мерзлого грунта рассматриваются в специальной литературе.

3.8. Полевые методы исследования механических свойств грунтов

3.8.1. Общие сведения

В предыдущих параграфах были изложены основные лабораторные методы определения механических характеристик грунтов. Было также показано, что под механическими характеристиками понимаются расчетные параметры, которые используются в той или иной идеализированной модели грунта. При этом в достаточно сложных моделях не всегда ясно удается представить физический смысл используемых параметров, которые, однако, должны быть определены экспериментально, причем в условиях, соответствующих принимаемой модели грунта. Многие из таких параметров могут быть определены только лабораторным путем.

В то же время лабораторные методы определения механических свойств грунтов, хотя и используются повсеместно в работе и расчетах, подвергаются критике. Главные недостатки лабораторных испытаний  невозможность полного сохранения структуры при отборе и транспортировке образцов, их природной влажности по всему объему; малый объем образцов, не характеризующий толщу в целом, и, наконец, несовершенство лабораторной испытательной аппаратуры.

Полевые методы некоторых перечисленных недостатков лишены, но имеют свои, иногда еще более существенные.

Есть, однако, условия, когда полевые методы являются практически единственно возможными, например, при исследовании водонасыщенных песчаных грунтов, слабых водонасыщенных глинистых грунтов, когда монолиты грунта ненарушенной структуры отобрать невозможно. Незаменимы полевые испытания, например статическое зондирование, и при выделении границ инженерно-геологических элементов.

В целом, результаты полевых испытаний считаются более достоверными, но, вместе с тем, и более дорогостоящими.

3.8.2. Определение модуля деформации грунта методом штамповых испытаний

Существуют две разновидности штамповых испытаний  в шурфах и скважинах. Площадь штампа при испытаниях в шурфах обычно равна 2500...5000 см², а при испытаниях в скважинах — 600 см². Конструктивно штамповые установки могут быть оформлены разнообразно. Все они должны удовлетворять следующим требованиям: штамп должен быть жестким, необходимы устройства для ступенчатой передачи нагрузки и для измерения перемещений. Один из вариантов такой установки показан на рис. 3.30. Штамп, притертый ко дну шурфа, загружают отдельными ступенями с общим их числом не менее 4...5. Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформаций основания (рис. 3.31, а).

Рисунок 3.30.  Схема штамповых испытаний: 1  штамп, 2  прогибомеры, 3  домкрат,