Физико-механические свойства грунта при отрицательной температуре существенно зависят от того, какое количество воды в нем находится в мерзлом и незамерзшем состояниях. Поэтому весьма важно знать льдистость и количество незамерзшей воды при данном состоянии грунта.

Фазовый состав воды в мерзлых грунтах определяют дилатометрическим и калориметрическим способами. Наиболее совершенным и в достаточной степени разработанным в настоящее время является последний способ, который основан на измерении теплового эффекта при оттаивании образцов грунта.

Суммарный тепловой эффект поглощения тепла образцом мерзлого грунта при оттаивании в калориметрическом сосуде складывается из отдельных количеств тепла, которые расходуются на нагревание составных частей образца грунта, оттаивание льда и нагревание бюкса. Все это тепло заимствуется от воды, находящейся в калориметре, и равно отдаче тепла водой и самим калориметром.

Рекомендуется значение удельной теплоемкости для незамерзшей воды принимать равным 1 кал/г х град, разность между удельными теплоемкостями воды и льда — равной в среднем 0,5 кал/г х град. Это соответствует случаю, когда в порах грунта находится относительно чистая вода, не содержащая большого количества растворимых солей. Значения удельных теплоемкостей воды и льда при различном положительной и отрицательной температуре приведены в табл. 3.

Таблица 3. Удельные теплоемкости воды и льда при различной температуре

Темпердтура в °С	Удельные теплоемкости в кал/г х град		Температура в °С	Удельные теплоемкости в кал/г х град
	воды	льда		воды	льда
От + 29 до +23	0,999		— 10	1,020	0,485
От + 22 » +18	1,000		— 11	1,021	0,483
От+ 17 +15	1,001		—12	1,022	0,481
От+14 +12	1,002		— 13	1,023	0,480
От+11 +10	1,003		—14	1,024	0,478
От+9 + 7	1,004		—15	1,025	0,476
+ 6	1,005		—16	1,026	0,474
+ 5	1,006		—17	1,027	0,472
+4	1,007		—18	1,028	0,470
От+3 до +2	1,008		—19	1,029	0,468
			—20	1,030	0,467
+1 0	1,009 1,010	0,506	—21	1,031	0,466
— 1	1,011	0,504	—22	1,032	0,463
—2	1,012	0,502	—23	1,033	0,461
—3	1,013	0,500	—24	1,034	0,459
—4	1,014	0,498	—25	1,035	0,457
—5	1,015	0,495	—26	1,036	0,455
—6	1,016	0,493	—27	1,037	0,454
—7	1,017	0,491	—28	1,038	0,452
—8	1,018	0,489	—29	1,039	—
-9	1,019	0,487

В порах же искусственно или естественно засоленного гунта находится концентрированный раствор, удельная теплоемкость которого меньше 1.

Удельная теплоемкость раствора — величина непостоянная, она меняется в зависимости от степени его концентрации и температуры. В связи с этим для определения содержания незамерзшей воды и льда в засоленных грунтах в расчетную формулу необходимо вместо удельной теплоемкости воды ввести удельную теплоемкость раствора. После такого уточнения формула примет вид:

где g_n — содержание льда в грунте в г; g_K — количество воды в калориметре в г;

С_к — теплоемкость воды в калориметре дли температуры, средней между t₀ и t_n в кал/г х град; К_к — тепловое значение калориметра в кал/град; t₀ — температура начала опыта, приведенная к показаниям лабораторного термометра, в °С; t_n — температура равновесия (с учетом поправки на теплообмен) в °С; t_обр — начальная температура образца в °С с учетом ее знака;

gp — общее количество раствора в грунте в г; gV_p — вес скелета грунта без веса соли в г; g_б — вес бюкса в г; g_кр — вес нитрокраски в г;

C_pt — удельная теплоемкость раствора в кал/г х град; С_гр - удельная теплоемкость скелета грунта в кал/г х град; С_б — удельная теплоемкость латуни (материал бюкса), равная 0,09 кал/г х град; С_кр — удельная теплоемкость нитрокраски, применяемой для герметизации бюкса, в кал/г х град.

Удельную теплоемкость раствора C_vt следует устанавливать в каждом отдельном случае в зависимости от его температуры и концентрации с помощью калориметра или расчетным путем. Для раствора хлористого натрия удельная теплоемкость может быть установлена по формуле

применяемой в пределах —20° ≤t≤+30° и 1,01 ≤Y₁₅≤ 1,2 а удельная теплоемкость раствора хлористого кальция по формуле:

применяемой в пределах —40°≤t≤+30° и при 1,03≤Y₁₅≤1,37, где С₀ — удельная теплоемкость раствора при 0°С в кал/г х град; t — температура раствора в °С; Y₁₅ — удельный вес раствора при 15°С в г/см^3.

Величину удельной теплоемкости раствора на основе опыта можно вычислить по формуле:

где буквенные обозначения те же, что и в формуле (4).

При проведении опытов по установлению количества незамерзшей воды в незасоленных и засоленных грунтах, помимо общеизвестных требований, необходимо соблюдать дополнительные, а именно: для того чтобы время главного периода в опытах было постоянным (приблизительно 15 мин), количество воды в образце незасоленного грунта или чистого растворителя в растворе засоленного грунта должно быть в пределах 5—6 г, а количество воды в калориметре — более или менее одинаково.

При двухпроцентной концентрации раствора хлористого натрия в супеси количество незамерзшей воды при температурах 3,1; —7,6; —10,5 и —15° достигает соответственно 46, 28, 21 и 18%, что приблизительно в 2 раза больше, чем в незасоленном грунте. При 8-процентной концентрации раствора и температypе - 3,1° почти вся вода в грунте находится в незамерзшем состоянии; при —7,6° ее содержится 86%; при —10,5° —74%, и при 15° — 54%.

При 16-процентной концентрации содержится незамерзшей воды и супеси не менее 94% даже при температуре —15°. Повышение же концентрации до 20% приводит к тому, что практически вся вода при температуре до —15° находится в незамерзшем состоянии. Большое содержание незамерзшей воды в засоленных супесях способствует сохранению этими грунтами пластических свойств и при отрицательных температурах. В засоленных суглинках, влажность которых была приблизительно 16%, количество незамерзшей воды при тех же температурах и той же концентрации раствора оказалось еще больше, чем в супесях.

Следовательно, количество незамерзшей воды зависит от концентрации раствора и дисперсности грунта. Оказывается, пятипроцентная концентрация раствора в суглинке достаточна для того, чтобы в нем почти вся вода (97%) при температуре —3,1° находилась в незамерзшем состоянии, тогда как в супеси при этих же условиях замерзает приблизительно 20 % поровой воды. Это показывает, что искусственное засоление более эффективно отражается на свойствах мелкодисперсных связных грунтов, чем на свойствах крупнозернистых.

Физическое состояние грунтов и деформации их под действием внешних сил часто устанавливают на основе физических характеристик, которые определяют опытным путем в лабораторных, полевых условиях или расчетом.

В том случае, когда строителям приходится иметь дело с естественно или искусственно засоленными грунтами, определить характеристики физического состояния необходимо с учетом вида и количества содержащейся в них соли. Незасоленные грунты в общем случае являются трехкомпонентными телами, состоящими из твердых частиц, воды и воздуха. В состав же засоленных грунтов входит соль, которая частично или полностью растворена в воде. Даже небольшое содержание соли существенно отражается на характеристиках физического состояния грунта.

Поскольку искусственное засоление грунтов интересует нас с позиции понижения температуры их замерзания и повышения удоборазрабатываемости при отрицательных температурах, целесообразно исходить из того, что вся соль в грунте полностью находится в растворенном виде. Для этого, собственно, и производится искусственное засоление грунта. Избыточное введение соли в грунт, при котором часть ее останется в нерастворенном виде, нерационально. Поэтому во всех формулах принято, что в грунте содержится соль только в растворенном виде.

Опытным путем в лабораторных или полевых условиях определяются следующие исходные характеристики физического состояния грунта:

Yз — объемный вес засоленного грунта в г/см³; Yy-з — удельный вес засоленного грунта в г/см³; Yс, — удельный вес соли в г/см³; W — влажность грунта в долях единицы от общего веса образца грунта после высушивания; К — весовая концентрация раствора в долях единицы от веса раствора.

В некоторых случаях вместо весовой концентрации раствора Можно экспериментально определять Yск.з — объемный вес скелета засоленного грунта в г/см³. Для наглядности представим себе схематично некоторый образец грунта весом G и объемом V, состоящий из четырех частей: твердых частиц, соли, воды, воздуха. Объем каждой указанной части соответственно обозначим v_r, v_c, v_w, v_B, а их вec gr, gc, gw (рис. 13). Весом воздуха пренебрегаем.

Рис.13. Схема распределения отдельных фаз в единице объема засоленного грунта

Объемный вес засоленного грунта Y₃ численна равен весу образца засоленного грунта, деленному на объем: этого образца:

Определяют объемный вес засоленного грунта обычными методами — режущим кольцом, парафинированием, откопкой шурфов и т. п. Осредненный удельный вес твердых частиц грунта и соли, называемый далее удельным весом засоленного грунта Yy-з, численно равен весу твердых частиц и соли, деленному на их суммарный объем: