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» (1971 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 VII1 Всесоюзного совещания по геокриологии» (8 выпусков, Якутск, 1966 г.); «Материалы совещания-семинара по строительству на вечномерзлых грунтах» (20 выпусков Красноярского Промстр'ойНИИпроекта, 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.
Конечно, изложить столь обширные научно-технические материалы и 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.
Автор
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................ 3
Введение (затруднения при возведении сооружений на вечномерзлых грунтах; главнейшие понятия и определения; становление и развитие механики мерзлых грунтов в СССР; основные начала).......................... 5
ЧАСТЬ I ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
Глава I. Природа мерзлых грунтов, их особенности и физические свойства 22
§ 1. Мерзлые грунты как многокомпонентные и многофазные системы взаимно связанных частиц..............22
§ 2. Основные компоненты мерзлых грунтов...........23
§ 3. Особенности замерзания поровой воды в грунтах.....28
§ 4. Характерные области фазовых превращений воды в лед и
содержание в мерзлых грунтах незамерзшей воды......35
§ 5. О динамическом равновесии незамерзшей воды и льда в
мерзлых грунтах......................39
§ 6. Физические свойства мерзлых грунтов...........45
§ 7. Виды льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах и его значение.............................51
Глава II. О миграции влаги при промерзании грунтов и силах морозного
пучения.......,.,....................... 58
§ 1. Современное положение вопроса о миграции влаги при промерзании грунтов...................... 58
§ 2. О распределении влажности в промерзающих грунтах ... 61
§ 3. Движущие силы миграции воды.............. 69
§ 4. Принцип миграции..................... 73
§ 5. Прогноз миграции влаги и пучения в промерзающих грунтах 74 § 6. Силы морозного пучения грунтов при их воздействии на
фундаменты сооружений.................. 80
§ 7. О мерах борьбы с морозным пучением грунтов...... 99
Глава III. Реологические процессы в мерзлых грунтах и их значение . . . 107
§ 1. О внутренних связях в мерзлых грунтах..........107
§ 2. Зарождение и развитие реологических процессов в мерзлых
грунтах.........................111
§ 3. Реологические уравнения напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов.................117
§ 4. О релаксации напряжений в мерзлых грунтах и предельно-длительной прочности...................124
§ 5. Определение параметров ползучести мерзлых грунтов . . .131
_________,__^„,..,u.w v» uwin-шпс параметров ПОЛЗуЧе-СТИ мерзлых грунтов....................135
§ 7. Некоторые общие выводы о текучести мерзлых грунтов под
нагрузкой.........................142
Глава IV. Прочностные свойства мерзлых грунтов и величины критических
и расчетных сопротивлений ..................145
§ 1. Нестабильность механических свойств мерзлых грунтов и
причины изменения их прочности ............. 145
§ 2. Сопротивление мерзлых грунтов сжатию и растяжению . . . 152
§ 3. Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу.......... 161
§ 4. Прочность смерзания грунтов............... 168
§ 5. Сопротивление мерзлых грунтов разрушению резанием . . . 172 § 6. Величины критических и расчетных сопротивлений мерзлых
грунтов.......................... 177
§ 7. Примеры расчета на прочность мерзлых грунтов...... 185
Глава V. Деформации мерзлых грунтов при отрицательной температуре . . 190
§ 1. Виды деформаций мерзлых грунтов при сохранении пх температуры.........................190
§ 2. Упругие деформации мерзлых грунтов и их характеристики 191 § 3. Упругие деформации слоистой толщи мерзлых грунтов . . 198
§ 4. Деформации уплотнения мерзлых грунтов.........205
§ 5. Деформации затухающей ползучести мерзлых грунтов . . .211 § 6. Деформации пластично-вязкого течения мерзлых грунтов . 215 § 7. Прогноз осадок фундаментов на пластично-мерзлых грунтах
при сохранении их температуры..............218
Глава VI. Осадки мерзлых грунтов при оттаивании.......... . 222
§ 1. Значение прогноза осадок мерзлых грунтов при оттаивании 222
§ 2. Изменение сжимаемости грунтов при промерзании и последующем оттаивании....................224
§ 3. О компрессии мерзлых грунтов при оттаивании......228
§ 4. Определение полной стабилизированной осадки фундаментов на оттаивающих грунтах...............235
§ 5. Прогноз протекания осадок во времени при оттаивании крупноскелетных грунтов....................243
§ 6. Прогноз протекания осадок во времени при оттаивании
дисперсных (глинистых) грунтов..............248
§ 7. Осадки оснований при предварительном оттаивании вечно-мерзлых грунтов......................262
444
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Глава VII. Инженерно-геокриологические исследования вечномерзлых
грунтов...........................268
§ 1. Задачи и объем инженерно-геокриологических исследований 268
§ 2. О комплексной инженерно-геокриологической съемке осваиваемых территорий.....................272
§ 3. Полевые и лабораторные испытания и исследования вечно-мерзлых грунтов.....................276
§ 4. Стационарные наблюдения на геокриологических станциях . 282
Глава VIII. О температурной устойчивости вечномерзлых грунтов на застраиваемой территории.............. . i.....284
§ 1. Значение проблемы и пути ее решения...........284
§ 2. Об оценке общей температурной устойчивости толщи вечно-мерзлых грунтов на застраиваемых территориях.....287
§ 3. О влиянии локальных факторов на температурное поле толщи вечномерзлых грунтов.................289
§ 4. О температурной устойчивости плотин из местных материалов в условиях вечномерзлых грунтов...........301
Глава IX. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах при сохранении или усилении их мерзлого состояния...........316
§ 1. Основные положения по выбору принципа строительства и
метода проектирования фундаментов............316
§ 2. О методах сохранения мерзлого состояния грунтов оснований............................321
§ 3. Меры по усилению мерзлого состояния грунтов основания . 332
§ 4. Расчеты фундаментов, возводимых по методу сохранения
мерзлого состояния грунтов оснований .......... 336
§ 5. Проверка фундаментов на устойчивость и прочность при
действии сил морозного пучения .............. 348
§ 6. Меры по уменьшению сил морозного пучения фундаментов 353
§ 7. Примеры практических решений..............355
Глава X. Основания и фундаменты на оттаивающих грунтах......363
§ 1. Условия допустимости строительства на оттаивающих грунтах............................363
§ 2. О несущей способности оттаивающих и оттаявших грунтовых оснований......................365
§ 3. Расчеты фундаментов по предельным деформациям (осадкам) оттаивающих оснований...............369
§ 4. Об учете совместной работы фундаментов и оттаивающих
оснований.........................387
§ 5. О конструировании фундаментов, возводимых на вечно-мерзлых грунтах, с учетом оттаивания оснований.....391
Глава XI. Предпостроечное оттаивание и особенности производства земляных работ в условиях вечномерзлых грунтов .........395
§ 1. Условия применимости предпостроечного оттаивания при
строительстве на вечномерзлых грунтах..........395-
§ 2. О выборе глубины предпостроечного оттаивания.....397
§ 3. Определение допустимого времени начала строительства
при предпостроечном оттаивании грунтов ......... 401
§ 4. Способы производства работ по предпостроечному оттаиванию вечномерзлых грунтов ................ 402
§ 5. Методы уплотнения и упрочнения оттаявших грунтов .... 407 § 6. Особенности производства земляных работ в условиях вечномерзлых грунтов ...................411
Литература.............................-. . 426
Аннотация на английском языке.....................43&
Цена: 300руб.
