Грунты, к которым относят любые горные породы или почвы, слагающие верхние слои земной коры, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека

  1 Общие сведенья о грунтах
    
    При выполнении земляных работ объектом разработки являются грунты, к которым относят любые горные породы или почвы, слагающие верхние слои земной коры, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, используемые в строительно-технических целях. Грунты представляют собой сложные многокомпонентные среды, трудность разработки которых землеройными машинами зависит в первую очередь от характера структурных связей, происхождения, условий образования, гранулометрического состава, пластичности, структуры, текстуры, наличия влаги, льда, газов, солей. По совокупности основных свойств и физическому состоянию грунты дифференцируют на скальные — с жесткими кристаллизационными или цементационными связями и нескальные — без жестких структурных связей. К скальным относят магматические, метаморфические, осадочные сцементированные, а также искусственные грунты, закрепленные цементными растворами, битумами, жидкими силикатами и т. п.
    К нескальным относят песок, супесь, суглинок, глину, лесс (без примесей и с примесями щебня, гальки, гравия или строительного мусора); грунты растительного слоя, черноземы и торфяные грунты (органогенные породы, представляющие собой скопление остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях избыточной влажности и затрудненного доступа воздуха); солончаки и солонцы (грунты, содержащие растворы солей); гравийно-галечные, щебенистые грунты, а также шлаки.
    Супесь, суглинок и глину относят к глинистым грунтам, которые характеризуются содержанием более 3% глинистых частиц размером до 0.005 мм. Пески характеризуются преобладанием частиц размером 0.05 — 2 мм (количество глинистых частиц в них не превышает 3 %). Для лесса характерно высокое (более 50 %)содержание пылеватых частиц размером 0.05 — 0.005 мм и небольшое количество глинистых частиц. В составе щебенистых или гравийно-галечных грунтов преобладают соответственно угловатые или окатанные обломки горных пород размером 4 — 20 мм.
    В зависимости от температуры и наличия льда грунты подразделяют на: не мерзлые, морозные (охлажденные) и мерзлые. Не мерзлые  не содержат лед и имеют положительную температуру; морозные — не содержат лед при отрицательной температуре. В них отсутствуют льдоцементные связи. Мерзлые грунты имеют отрицательную или нулевую температуру и содержат лед, цементирующий минеральные частицы. По продолжительности непрерывного пребывания в мерзлом состоянии их делят на кратковременно-мерзлые (часы, сутки), сезонно-мерзлые (месяцы), перелетки (от одного до двух лет) и многолетнемерзлые (от трех лет и выше).
    
    1.1 Основные физико-механические свойства грунтов
    
    Физические и механические (деформационные и прочностные) свойства грунтов проявляются при воздействии внешних нагрузок от рабочих органов и движителей машин. Применительно к землеройным машинам практический интерес представляют прочностные свойства грунтов, характеризующие их сопротивление разрушению рабочими органами.
    Наиболее полно отражает характеристику грунтов в любом сложном напряженном состоянии так называемый паспорт прочности, представляющий собой график функциональной зависимости касательных и нормальных напряжений, соответствующих прочности данного грунта под действием внешних сил. Такой паспорт прочности получают по результатам прочностных испытаний грунтов при одноосном сжатии и растяжении и испытаний в условиях неравномерного объемного напряженного состояния (ГОСТ 21153.4 — 75).
    Прочность грунтов характеризуется пределом прочности при сжатии, разрыве и сдвиге. Зеленин А. Н. предложил оценивать принадлежность грунта к той или иной категории по числу ударов С динамического плотномера конструкции ДорНИИ. Энергия одного удара прибора составляет 10 Дж. Число ударов, необходимое для полного погружения круглой пики сечением 1 см2 длиной 10 см в грунт, называют числом ударов плотномера С. Для вечномерзлых грунтов С может достигать 600 и более.
    Построение паспортов прочности представляет значительные трудности, поэтому в ряде случаев ограничиваются результатами испытаний по определению пределов прочности при одноосном сжатии ?сж растяжении ?р и сдвиге ?.
    Скальные грунты имеют наиболее высокую прочность. Наивысшей прочностью при одноосном сжатии обладают нефриты (?сж = 550 МПа), базальты (450 МПа), железистые кварциты (до 320 МПа). Прочность осадочных грунтов не превышает 200 МПа. При одноосном растяжении предел прочности скальных грунтов не превышает 10 — 15 МПа. Сопротивление ?о скальных грунтов сдвигу (сцеплению) составляет (0.09 — 0.15).
    Прочность скальных грунтов уменьшается с увеличением размера составляющих частиц и насыщения водой. Существенно уменьшается прочность с увеличением пористости и трещиноватости. Сопротивляемость скальных грунтов разрушению зависит от увеличения скорости нагружения: чем слабее грунт, тем относительно больший прирост прочности.
    Нескальные грунты в немерзлом состоянии имеют существенно меньшую прочность. В общем случае они представляют собой трехфазную среду из воды, воздуха и частиц грунта (грунтового скелета). Прочность этих грунтов определяется структурными связями между частицами и зависит от плотности, степени водонасыщения, формы частиц и химико-минералогического состава.
    При одноосном сжатии прочность высушенных глинистых грунтов может быть высокой (?сж=3 — 30 МПа).  С ростом влажности и уменьшением плотности прочность резко снижается и становится близкой к нулю. С увеличением дисперсности прочность глинистых грунтов в немерзлом состоянии, как правило, возрастает. Прочность глин на разрыв существенно меньше 0.1 МПа. С ростом крупности частиц грунта прочность на разрыв снижается. Наибольшая прочность сдвигу наблюдается у переуплотненных сцементированных глинистых грунтов. На сопротивление сдвигу нескальных грунтов существенное влияние оказывает также длительность времени разрушения. Кратковременная прочность глинистых грунтов при сдвиге на 15 % выше длительной прочности. Кратковременная прочность одноосному сжатию выше длительной на 24 %.
    Мерзлые грунты имеют существенно более высокую прочность, чем немерзлые, вследствие цементирующего воздействия льда. Лед, являясь основным компонентом, обусловливает особенности мерзлого грунта. Согласно современным представлениям мерзлый грунт рассматривают как упругопластичновязкую среду, прочностные характеристики которой в первую очередь зависят от температуры, влажности, гранулометрического состава. Вязкие свойства обусловлены перемещением во времени минеральных частиц, течением кристаллов льда и пленок не замерзшей воды. Наличие у мерзлых грунтов вязких свойств не позволяет однозначно использовать для землеройных машин имеющиеся литературные данные по прочности, полученные для оценки их свойств, применительно к сооружению оснований и фундаментов.
    При разработке твердомерзлых грунтов рыхлителями время отделения элементов стружки составляет, как правило, менее 1с. В этом интервале нагружения свойства мерзлого грунта претерпевают существенные изменения: предел прочности в 5 — 15 раз превышает предел длительной прочности, увеличивается хрупкость и склонность к разрушению от растягивающих напряжений. Во ВНИИстройдормаше был проведен комплекс исследований кратковременной прочности мерзлых грунтов в зависимости от относительной скорости деформирования (? = 0.01…10 с-1), температуры, влажности и гранулометрического состава применительно к работе рыхлителей с учетом кратковременности и динамичность воздействия рабочего органа.
    Установлено, что при повышении скорости деформирования (уменьшении времени нагружения) увеличивается сопротивление мерзлых грунтов сжатию и растяжению, причем в большей мере глинистых грунтов (рисунок 1.1). Одновременно существенно изменяется характер разрушения образцов от пластического к ярко выраженному — хрупкому (рисунок 1.2). Нагружение с большими скоростями сопровождается разрушением образцов глинистых грунтов с деформированием столбчатых призм в направлении действия усилия, характерным для продольного разрыва хрупких материалов.
    
    1,3-сжатие и растяжение суглинка; 2,4-сжатие и растяжение песка.
    Рисунок 1.1 Зависимость сопротивления мерзлых грунтов одноосному сжатию и растяжению от скорости деформирования.
    
    I-IV – скорость деформирования соответственно 0.15; 1.0; 3.8; 95.2 см/с.
    Рисунок 1.2 Виды разрушения мерзлой супеси
    
    Одним из основных факторов, влияющих на прочность мерзлого грунта как при кратковременном, так и при длительном действии нагрузки, является отрицательная температура. При понижении температуры грунта от 0 до — 20о С — наиболее типичной для работы рыхлителей, наблюдается увеличение прочностных характеристик грунта с уменьшающейся интенсивностью. Наиболее резко сопротивление разрушению повышается в момент перехода грунта из не мерзлого состояния в пластично-мерзлое (переходное состояние от не мерзлого грунта к твердомерзлому). Пластично-мерзлые грунты обладают повышенной вязкостью, липкостью и вследствие этого их трудно разрабатывать. Большое 
влияние на прочность мерзлых грунтов оказывает влажность, за критерий оценки которой принята весовая влажность (отношение массы воды к массе сухого грунта). В зависимости от вида напряженно-деформированного состояния и скорости деформирования кратковременная сопротивляемость мерзлых грунтов при увеличении влажности изменяется по-разному.
    Проанализируем изменение прочности грунтов в зависимости от их влажности. С увеличением влажности сезонно-мерзлого грунта его прочность возрастает. Сезонно-мерзлые грунты имеют максимальную прочность при полной влагоемкости, когда поверхность смерзания льда с частицами грунта наибольшая. Дальнейшее увеличение влажности снижает прочность этих грунтов, так как избыточная влага при замерзании расширяется в объеме и раздвигает частицы грунта, нарушая его структурную монолитность (кривая 2 на рисунке 1.3). Вечномерзлые грунты имеют большие отрицательные температуры по сравнению с сезонно-мерзлыми грунтами. Кроме того, прочность вечномерзлых грунтов в области отрицательных температур значительно выше (кривая 1 на рисунке 1.3), так как их влажность равна или больше полной влагоемкости.
    
    
    1 - Вечномерзлый грунт; 2 - Сезонно-мерзлый грунт
    Рисунок 1.3 Изменение прочности грунтов от влажности.
    
    Льдистость — это содержание льда в мерзлом грунте, определяемое отношением объема включений льда к объему грунта (с учетом включений льда).
    Абразивность — это способность грунта изнашивать контактирующие с ним поверхности землеройных машин. Абразивное изнашивание рабочих органов землеройных машин происходит в результате процессов микрорезания и микропластического деформирования металлов абразивным телом, которым является вечномерзлый грунт. Микропластическое деформирование металла является следствием значительных контактных напряжений и повышенных температур. Микропластическое деформирование имеет место, если частицы твердой фазы грунта (абразив) имеют твердость больше, чем у металла, а форма частиц твердой фазы заострена. Микрорезание происходит, если отношение твердости поверхностного слоя металла к твердости абразива составляет менее 0.5. Во всех других случаях имеет место микропластическое деформирование и усталостное разрушение поверхностного слоя. Интенсивность изнашивания рабочих органов в первую очередь зависит от твердости частиц твердой фазы грунта, т. е. от твердости минералов. Песчаные грунты, состоящие из кварца, полевых шпатов и гранитов, обладают наибольшей абразивностью. Меньшую абразивность имеют глинистые грунты, состоящие из глинных минералов и органических образований. Абразивность грунтов возрастает последовательно: торф, глина, ил, суглинок, супесь, мелкий и крупный песок, дресва, галька и щебень. Чем больше в грунте крупных частиц кварца, тем больше его абразивность. Зерна кварцевого песка имеют микротвердость от 7 до 13 ГПа при размере частицы 0.1...1.0 мм. Наиболее часто встречаются частицы размером 0.2...0.3 мм, имеющие микротвердость 10...12 ГПа. С понижением температуры грунта возрастает твердость льда-цемента, составляющая 7 ГПа при температуре — 30о С. В любом случае чем ниже температура, тем абразивнее грунт.
    Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме в результате нарушения структурных связей при разработке. Разрыхляемость грунтов оценивают коэффициентом разрыхления, равным отношению объема разрыхленного грунта к тому объему, который он занимал в массиве. Значения коэффициента разрыхления для вечномерзлых и сезонно-мерзлых грунтов составляют 1.3...2.0, для талых грунтов 1.1...1.3, а для взорванных полускальных и скальных пород 1.1...1.2 при взрывании «на встряхивание» и 1.3...1.5 при взрывании «на развал».
    Угол естественного откоса — это угол у основания конуса, получаемого при отсыпке грунта. Сухой сыпучий и переувлажненный сезонно-талый грунты имеют меньший угол естественного откоса, чем грунты естественной влажности. У глинистых грунтов с увеличением влажности уменьшается угол естественного откоса. Для разрыхленных вечномерзлых и сезонно-мерзлых грунтов угол естественного откоса составляет 40...600 в зависимости от размеров разрыхленных элементов грунта. Угол естественного откоса вечномерзлых грунтов больше, чем у талых.
    Прилипаемость — это свойство грунта (сезонно-талого переувлажненного состояния) прилипать к рабочим органам машин. Для суглинистых грунтов прочность прилипания составляет 0.07...0.09 МПа при влажности 17...23%, для глинистых 0.012...0.014 МПа при влажности 20...28%. Производительность одно-
ковшовых экскаваторов при разработке сезонно-талых переувлажненных грунтов уменьшается на 15...25%. 
    Примерзаемость — это свойство грунта примерзать к рабочим органам машин, т. е. происходит твердение оттаявшего слоя вечномерзлого и сезонно-мерзлого грунтов. Прочность примерзания при температуре — 250С составляет для суглинков 1.6 МПа при влажности 20...25%, а для глин — 2.1 МПа при влажности 26...31%. С понижением температуры вечномерзлого грунта прочность возрастает и составляет 2.5...3.0 МПа при температуре — 500С. Большие значения прочности примерзания и прилипания отмечены при разработке полностью влагонасыщенных вечномерзлых грунтов.
     Морозобойное растрескивание — это образования сети трещин на    открытых поверхностях вечномерзлого грунта при охлаждении в осенне-зимний период года. 
    Завалуненность характеризуется включениями (валунами и др.), содержащимися в деятельном слое вечномерзлого грунта. Неравномерное смерзание и оттаивание нижней и верхней части включения приводит к тому, что суммарные силы, выталкивающие включение в осенний период года, начинают превосходить суммарные силы сопротивления его выталкиванию. Ежегодное повторение таких циклов приводит к выпучиванию любых включений из деятельного слоя вечномерзлого грунта на поверхность. Выпучивание особо опасно для малонагруженных свайных опор трубопроводов и других линейных сооружений.
    Завалуненные грунты характеризуются значительной неоднородностью состава и повышенной трудностью разработки, так как песчаные и глинистые фракции выполняют роль заполнителя в крупнообломочном материале. Для таких грунтов разрабатывают региональные производственные классификации по трудности разработки. Так, завалуненные грунты разделены на семь категорий, причем крупные валуны, содержащиеся в грунтах VI—VII категорий, подлежат предварительному дроблению.
    
    1.2 Общие сведенья о вечномерзлых грунтах
    
    Под грунтом понимают любые горные породы или почвы, представляющие многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые как основание, среда или материал для возведения зданий и инженерных сооружений. 
    В соответствии с ГОСТ 25100 — 82 грунты классифицируют по характеру структурных связей — класс; по происхождению — группа; по условиям образования — подгруппа; по гранулометрическому составу и степени его неоднородности, числу пластичности, петрографическому составу — тип; по структуре, текстуре, составу цемента, плотности сложения, по способу преобразования грунтов и степени уплотнения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ — вид; по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию — разновидность. Существует два класса грунтов: класс грунтов без жестких структурных связей (нескальные грунты); класс грунтов с жесткими структурными (кристаллизационными или цементационными) связями (скальные грунты).
    Нескальные грунты по происхождению разделяют на две группы: осадочные (несцементированные) и искусственные (насыпные, намывные и уплотненные).
    Осадочные грунты классифицируют на следующие подгруппы: обломочные, включающие крупнообломочные и обломочные (песчаные, пылеватые и глинистые грунты, лессовые грунты и илы); биогенные грунты (озерные, болотные и др.); почвы (тундровые, лесостепные, черноземные и др.).
    Крупнообломочные грунты по гранулометрическому составу разделяют на: валунный (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый) — масса частиц крупнее 200 мм более 50%; галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц — щебеночный) — масса частиц крупнее 10 мм более 50 %; гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц — дресвяный) — масса частиц крупнее 2 мм более 50%. Обломочные грунты по пластичности классифицируют на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые.
    К климатическим особенностям территории вечномерзлых грунтов и охране окружающей среды при производстве земляных работ. По гранулометрическому составу различают следующие типы песчаных грунтов: песок гравелистый (масса частиц крупнее 2 мм более 25 % ); песок крупный (масса частиц крупнее 0.5 мм более 50 % ); песок средней крупности (масса частиц крупнее 0.25 мм более 
50 %); песок мелкий (масса частиц крупнее 0.1 мм 75% и более); песок пылеватый (масса частиц крупнее 0.1 мм менее 75 % ). 
    Глинистые грунты по числу пластичности ip (%) разделяют на следующие типы: супеси 1?ip?7; суглинки 7< ip ? 17; глины ip>17. 
    По наличию включений глинистые грунты бывают следующих видов: с галькой (щебнем) или гравием (дресвой), если содержание по массе частиц крупнее 2 мм составляет 15...25%; галечниковые (щебнистые) или гравелистые (дресвяные) при содержании по массе соответствующих частиц крупнее 2 мм от 25 до 50%. Известны следующие разновидности грунтов:
     1. По степени влажности Sr: маловлажные 0< Sr ?0.5; влажные 0.5< Sr ?0.8; насыщенные водой 0.8< Sr ? 1.0.
     2. По температуре грунта t (0С) и льдистости ii: талые, немерзлые t ? 0; мерзлые льдистые t<0 и ii ? 0.4; мерзлые сильнольдистые t<0 и 4 ? 0.4.
      3. По степени цементации льдом: твердомерзлые — температура грунта t ниже 00С: для песков крупных и средней крупности t = - 0.10С, для песков мелких и пылеватых t = - 0.30С, для супесей t= - 0.60С, для суглинков t= - 10С, для глин                         t = - 1.50С; пластично-мерзлые - температура грунта t выше значений, указанных для твердомерзлых грунтов; сыпучемерзлые — температура песчаного грунта ниже 00С и суммарная влажность ? = 3%.
      4. По консистенции, характеризуемой показателем текучести IL супеси твердые IL < 0; супеси пластичные 0 ? IL ? 1.0; супеси текучие IL > 1; суглинки и глины твердые IL < 0; суглинки и глины полутвердые 0 ? IL ? 0.25; суглинки и глины тугопластичные  0.25 < IL ? 0.50; суглинки и глины мягкопластичные  0.50 < IL ? 0.75; суглинки и глины текучепластичные 0.75< IL ? 1.00; суглинки и глины текучие IL > 1.00.
      5. По криогенной текстуре, т. е. особенностям строения мерзлых грунтов, вызванных пространственным расположением и распределением льда: массивная — лед содержится в порах грунта (видимых прослоек льда нет); слоистая — лед содержится в грунте в виде удлиненных включений (прослоек) различных размеров, ориентированных в одном направлении; сетчатая — лед содержится в виде пересекающихся между собой прослоек различной ориентации; корковая — лед образует корки и линзы вокруг обломков (встречается в крупнообломочном грунте).
    Скальные грунты, как материал, подлежащий разработке в строительных целях, разделяют на следующие разновидности:
      1. По температуре t (0С) и содержанию льда: талые, немерзлые t ? 0; мерзлые, содержащие в трещинах и пустотах включения льда t<0; мерзлые, не содержащие включений льда t<0.
      2. По пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc(МПа): очень прочные Rc >120; прочные 120 ? Rc > 50; средней прочности   50 ? Rc > 15; малопрочные 15 ? Rc  ? 5; пониженной прочности 5 > Rc ? З; низкой прочности 3> Rc >1,. весьма низкой прочности Rc < 1.
    Скальные грунты, имеющие предел прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии менее 5 МПа, называют полускальными. Эти грунты относят к неводостойким. Они представлены окаменевшими глинами, гипсом, мергелями и др. Собственно, скальными грунтами называют водоустойчивые и несжимаемые горные (Rc ? 5 МПа) породы: известняки, песчаники, граниты и т.д. 
    Согласно ГОСТ 25100 — 82 вечномерзлый грунт — это грунт, который находится в мерзлом состоянии в течение трех и более лет; сезонно-мерзлый или мерзлый грунт — это грунт, имеющий отрицательную температуру в данный момент и содержащий в составе лед. Выделяют следующие состояния вечномерзлых и мерзлых грунтов:
    твердомерзлое — грунт, прочно сцементированный льдом, не обладающий вязкими свойствами и характеризующийся относительно хрупким разрушением под действием статических нагрузок;
    пластично-мерзлое — грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и характеризуемый сжимаемостью под действием статических нагрузок;
    сыпучемерзлое — крупнообломочный и песчаный грунты , имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом вследствие их малой влажности. 
    Известны следующие состояния сезонно-талых и талых грунтов, характеризующие их как материал, подлежащий разработке в строительных целях:
    сухое — глинистый грунт, находящийся в отвердевшем состоянии, влажность его невелика, поэтому его называют сухим связным грунтом (песчаный грунт в сухом состоянии является сыпучим материалом);
    естественной влажности — грунты имеют влажность, соответствующую полевой влагоемкости, т. е. такую влажность, которую она имеет в условиях природного залегания: для песков она составляет 1- 10 % , для супесей -10 - 15 %, для суглинков-15-25% и глин — 25 — 35%;
    переувлажненное — грунт имеет влажность, соответствующую или большую их полной влагоемкости, т. е. выше значений соответствующих состоянию естественной влажности. 
    
    1.3 Характеристика вечномерзлых грунтов по трудности разработки
    
    Существует три системы группировки грунтов по трудности разработки. Первая система используется для нормирования параметров землеройных машин в процессе их конструирования и эксплуатации по числу ударов плотномера С. По второй системе в соответствии с классификацией Госстроя России принято разделять немерзлые грунты на шесть групп (I — VI) и мерзлые на четыре   (I — IV), для определения норм времени и расценок при выполнении земляных работ.
    Третья система грунтов основана на скорости прохождения упругих волн через грунт, измеряемой сейсмографом: 1500...2000 м/с для мягких и плотных грунтов; 2500 м/с и более для полускальных грунтов и 6000...7000 м/с для скальных грунтов. При этом грунты, имеющие скорости упругой волны до 3000 м/с, эффективно разрабатываются рыхлителями статического действия.
    Категорию вечномерзлых грунтов, как разрабатываемого материала, наиболее просто и надежно определяют по числу ударов С плотномера. По ГОСТ 17343 — 83 сезонно-мерзлые грунты по числу ударов динамического плотномера конструкции ДорНИИ разделяют на четыре категории: V — 35...70 ударов, VI — 70...140 ударов, VII—140.;.280 ударов и VIII 280...560 ударов. Установлено, что в
вечномерзлых грунтах число С достигает 650...700 ударов при, температуре воздуха — 40'С и ниже (таблица 1.1).
    
    	
    
    
    
    Таблица 1.1 Изменение числа ударов динамического плотномера конструкции ДорНИИ в зависимости от температуры и влажности вечномерзлых грунтов
    Грунт
    Температура
                °?
                                   Влажность,%


12..16
17..22
23..27
28..35
36..45
46..55
   Песчаный



  -5..-14
  -15..-24
  -25..-34
  -35..-44
  -45..-54
225
280
310
360
505
100
135
140
145
180


-


      
  
       -




-


      -
Супесчаный
  -5..-14
  -15..-24
  -25..-34
  -35..-44
  -45..-54


     -
235
310
425
520
1     650
160
245
360
400
1     510
125
165
255
345
1     390

     -

       -
Суглинистый
  -5..-14
  -15..-24
  -25..-34
  -35..-44
  -45..-54

     -

      -
275
330
435
510
1     690
190
265
360
455
1     520
125
135
220
245
1     375

       -
Глинистый
  -5..-14
  -15..-24
  -25..-34
  -35..-44
      -45..-54

     -

     -

      -
270
280
375
420
1    430
215
255
295
340
1    370
170
200
245
260
1     290
    
    По шкале определения категории трудности разработки (таблица 1.1) вечномерзлые и сезонно-мерзлые грунты разделяют на шесть категорий с V до Х, причем наибольшее число ударов С увеличено до 700. Разработанная шкала дает наименование разновидности грунта и его состояние в момент разработки (талое, сезонно-мерзлое, сезонно-талое и вечномерзлое). Сыпучемерзлые грунты независимо от температуры относят к V категории. Сезонно-мерзлые грунты в зимний период года имеют категорию от V до VII — VIII. Вечномерзлые и сезонноталые грунты в зимний период года соответствуют V — Х категориям трудности разработки. 
    Таблица 1.2 Шкала трудности разработки грунтов землеройными машинами по числу ударов  динамического плотномера конструкции ДорНИИ
Состояние грунта
Категория трудности разработки грунта

I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Талое, сезонно-талое, 










сезонно-мерзлое оттаявшее:











        песчаный
< 4
—
—
—
—
—
—
—
—
—
        глинистый
—
5..8
9.15
16..
32
—
—
—
—
—
—
Вечномерзлое, сезонно-мерзлое, сезонно-талое замерзшее:










    сыпучемерзлый, 
        песчаный
—
—
—
—
35..70
—
—
—
—
—
        пластично-мерзлый,
        глинистый
—
—
—
—
35..
70
70..
140
—
—
—
—
     твердомерзлый, 
        глинистый
—
—
—
—
—
70
…
140
141…
280
281…
420
421…
560
561…
700
     
    В шкале учитывается возрастание категории трудности  разработки сезонно-талых грунтов в летнее время года в результате прилипания грунта к рабочим органам землеройных машин . Закономерности изменения усилия резания мерзлых грунтов и числа ударов динамического плотномера, как установлено А. Н. Зелениным, взаимно линейно коррелируются для грунтов различного гранулометрического состава, влажности и температуры в интервале от — 1 до — 15о С, кроме песка. На основании сравнения числа ударов с сопротивлением резанию грунта эталонным рабочим органом с режущей кромкой шириной 3 см, углом заострения 180о и углом резания 90о  при глубине блокированного резания 1 см составлена шкала сопротивления мерзлых грунтов резанию. В таблице 1.3 приведены сопротивления мерзлых грунтов резанию в интервале наиболее характерны температур от -1 до -15 о С.


    Таблица 1.3 Удельное сопротивление мерзлых грунтов резанию
    
Влажность ,%

Температура грунта,°?

-1
-3
-5
-10
-15
Песок
6
11
18
1,2-1,4
5,0-5,5
15-16
1,5-1,8
6,5-7,0
20-21
2,0-2,2
8,5-9,0
22-23
2,5-2,7
9,0-9,5
24-25
2,8-3,0
10,0-11,5
26-28
Тяжелая супесь,W_п=7,9
12


15


19


28
(40-50)/(4-5)

(65-75)/(6-7)

(75-85)/(8-9)

(65-75)/(6,5-7,5)

(55-65)/(5,5-6,5)

(105-120)/(11-13)

(140-160)/(14-16)

(120-130)/(11-13)

(90-95)/(8,5-10)

(150-170)/(16-18)

(200-230)/(19-22)

(165-190)/(15-18)

(140-155)/(14-16)

(200-230)/(21-22,5)

(270-300)/(26-28)

(215-230)/(22-24)

(170-185)/(16,5-18,5)

(270-290)/(27-30)

(340-360)/(34-37)

(280-300)/(28-31)

Суглинок,W_п=13
10


20


25


            30  


59
(28-33)/(3-3,5)

(60-70)/(6-7)

(70-80)/(8-9)

(65-75)/(6,5-7,5)

(40-45)/(3,5-4)

(34-37)/(3,5-3,8)

(110-120)/(11-12,5)

(150-160)/(15-16)

(100-110)/(10-12,5)

(50-60)/(5,5-6,5)

(36-40)/(3,7-4)

(150-185)/(16-19)

(195-220)/(18-21)

(140-150)/(13,5-15,5)

(75-80)/(7-8)

(40-43)/(4-4,5)

(215-235)/(21-23)

(260-280)/(25-27)

(210-230)/(22-24)

(110-125)/(11-12,5)

(43-50)/(4,5-5)

(240-260)/(25-26)

(330-340)/(32-34)

(250-270)/(26-28)

(165-175)/(16-18)

    
    
    
    
    
    
    Продолжение таблицы 1.3
    
Влажность ,%

Температура грунта,°?

-1
-3
-5
-10
-15
Глина,W_п=36,3
17


24


31

           
            49
(35-40)/(3,5-4)

(55-60)/(5,5-6,5)

(65-70)/(6,5-7)

(40-45)/(4-4,5)

(70-80)/(7,-8,5)

(90-100)/(9-10)

(120-130)/(11,5-13)

(65-70)/(7-7,5)

(100-110)/(10-11,5)

(125-135)/(12-13)

(140-160)/(14-16)

(90-100)/(9-10)

(150-165)/(15-17)

(190-210)/(18-20)

(210-220)/(21-23)

(135-145)/(13,5-14)

(180-200)/(18-20)

(220-235)/(21,5-24)

(290-310)/(28-31)

(180-190)/(17-19)

    
    
    1.4 Состояние грунта в момент разработки
    
    Известны два стационарных состояния грунта — вечномерзлое и талое. Грунты вечномерзлого состояния (рыхлые горные породы) имеют в условиях природного залегания в течение многих лет (трех и более) устойчивую отрицательную температуру и состоят из четырех компонентов: минеральных частиц, образующих грунтовый скелет (твердая фаза); воды, частично или полностью заполняющей поры грунта (жидкая, фаза); льда, представляющего продукт превращения воды при замерзании грунта и заполняющего его поры (льдообразная фаза), и воздуха (газообразная фаза). Возможно определение грунта как трехкомпонентной системы при объединении жидкой и льдообразной фаз в одну, трактуя лед как одно из состояний воды. Вечномерзлый грунт нельзя получить искусственно. Его образование — это длительный физико-химический процесс создания устойчивой текстуры и структуры. Методом искусственного замораживания получают сезонно-мерзлый грунт, текстура и свойства которого отличаются от текстуры и свойств вечномерзлого грунта. Вечномерзлый грунт 
покрыт сезонно-талым грунтом, оттаивающим летом (сезонно-талый грунт) и замерзающим зимой (замерзший сезонно-талый грунт). Замерзший сезонно-талый грунт отличается от сезонно-мерзлого грунта большей прочностью, более низкими отрицательными температурами, так как расположен на территории вечномерзлых грунтов, наличием мерзлотного «экрана», плохо фильтрующего влагу, т. е. он насыщен льдом. В летний период года сезонно-талый грунт находится в переувлажненном состоянии, что затрудняет не только процесс разработки, но и передвижение землеройных машин. Грунты талого состояния имеют трехфазное строение и постоянную положительную температуру. Известны три разновидности грунтов талого состояния: собственно талые, повсеместно распространенные и незамерзающие; сезонно-мерзлые, расположенные сверху на талых грунтах и замерзающие зимой и оттаивающие летом; сезонно-талые, оттаивающие летом и замерзающие зимой (этот вид грунтов подстилается вечномерзлыми грунтами). В отличие от сезонно-талых сезонно-мерзлые грунты находятся только на территории талых грунтов и поэтому имеют естественную влажность. Твердомерзлые грунты, прочно сцементированные льдом, характеризуются несжимаемостью и хрупким разрушением. Температура твердомерзлых грунтов ниже температуры перехода
грунтов из пластично-мерзлого в твердомерзлое состояние при замерзании: супеси – 0.6 о С , суглинки – 1.0о С и глины -1.5о С. Пластично-мерзлые грунты, слабо сцементированные льдом, обладают вязкими свойствами и способностью сжиматься под нагрузкой. Эти грунты имеют небольшую отрицательную температуру в диапазоне от начала замерзания грунта до начала твердомерзлого состояния. Сыпучемерзлые грунты (крупнообломочные и песчаные) имеют низкую прочность, так как не сцементированы льдом вследствие малой влажности. На карте распространения вечномерзлых грунтов различного состояния по территории России показаны районы преимущественного распространения твердомерзлых и пластично-мерзлых грунтов (рисунок 1.4).      
                                                                                 
               
             Рисунок 1.4 Распространение вечномерзлых грунтов различного состояния по территории России
     
        Для грунтов смешанного типа показаны области твердомерзлых и пластично-мерзлых, а также пластично-мерзлых и талых грунтов. Наиболее 
распространены твердомерзлые грунт – 48.5 %, затем пластично-мерзлые – 21%. Смешанные твердомерзлые и пластично-мерзлые грунты занимают 2.4 % территории вечномерзлых грунтов. Основным состоянием сезонно-талых и талых грунтов являются: сухой сыпучий и сухой связный грунты, характерные для южных районов; грунты естественной влажности и переувлажненные грунты, характерные для северных районов. Значения влажности этих грунтов приведены в таблице 1.4.
    
    Таблица 1.4 Влажность грунтов
Тип грунта
Состояние грунта

Переувлажненное, 
более
Полностью увлажненное
Недостаточно
увлажненное, менее
Песчаный
15
12…18
10
Супесчаный
25
17…23
15
Суглинистый
30
22…28
20
Глинистый
40
27…33
25

    1.5 Распределение вечномерзлых грунтов по территории России
    
    К районам вечномерзлых грунтов относятся Якутия, Магаданская область, большая часть Читинской и Иркутской областей, Красноярского и Хабаровского краев, частично Тюменская и Свердловская области и Бурятии. Чем больше среднегодовая отрицательная температура воздуха , следовательно, температура грунта на уровне нулевых значений, тем больше толща вечномерзлых грунтов. В отдельных пунктах РФ вечномерзлые грунты встречаются на глубине 1350 м (Мархонская скважина в Якутии).  
    Выделяют арктическую, субарктическую, умеренно-холодную и южную зоны распространения вечномерзлых грунтов . Арктическая зона имеет среднюю глубину вечномерзлого грунта 600 м, температуру (на глубине 10 м) — (9...10) 0С и среднюю глубину сезонного оттаивания 0.7 м. Это самая холодная зона занимающая побережье Ледовитого океана. Субарктическая зона имеет глубину 
вечномерзлого грунта в среднем 350 м, температуру — (3...5) 0С и глубину летнего оттаивания в среднем 1 м. Вечномерзлые грунты умеренно-холодной зоны оттаивают летом в среднем на 1.5 м и имеют глубину вечномерзлого грунта в среднем 250 м при температуре - (1...3) оС. Арктическая, субарктическая и умеренно-холодная зоны составляют территорию сплошного распространения вечномерзлых грунтов. Южная зона имеет глубину вечномерзлого грунта до 10 м при температуре от 0 до 1о С.  Глубина летнего оттаивания вечномерзлого грунта в южной зоне достигает 3 м и более. В южной зоне выделяют подзоны прерывистого, островного и редкоостровного распространения вечномерзлых грунтов. Зона сплошного распространения вечномерзлого грунта составляет 63 % территории  вечномерзлого грунта, и в том числе арктическая зона 9 %, 
субарктическая 27 % и умеренно-холодная зона 27 %. Южная зона составляет 37% территории вечномерзлого грунт.......................