Обязательной составной частью мерзлых грунтов, дополнительно к трем компонентам, из которых образуются талые грунты, является лед. Мерзлые грунты — это четырехкомпонентная (четырехфазиая) система, в которую входят твердые частицы, незамерзшая вода, воздух или иной газ и лед (пластичное тело). Свойства мерзлых грунтов в значительной степени зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и свойств льда.

На основании проведенных исследований Н. А. Цытович еще в 1945 г. установил один из основных принципов механики мерзлых грунтов: «Количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними» *.

Этот принцип указывает на зависимость между количеством незамерзшей воды в грунте и его температурой: при повышении температуры мерзлого грунта содержание дьда в нем уменьшается, количество незамерзшей воды увеличивается и наоборот. Кроме того, установлено, что количество незамерзшей воды в данном грунте зависит от давления. При повышении давления количество незамерзшей воды увеличивается, содержание льда уменьшается и наоборот. Прочность же мерзлых грунтов и их деформативность в значительной степени зависят от содержания незамерзшей воды.

Поскольку мерзлый грунт является четырехкомпонентной системой, для оценки его физического состояния экспериментальным путем необходимо определять четыре основные характерастики:

плотность (объемную массу) мерзлого грунта pf ненарушенной (природной) структуры;

плотность (объемную массу) твердых частиц грунта ps (плотность воды принимается равной 1 т/м3, плотность льда — 0,9 т/м3);

суммарную весовую влажность мерзлого грунта Wtot, зависящую от содержания в нем воды и льда;

количество (весовое содержание) незамерзшей воды ww при температуре природного залегания грунта.

Плотность (объемная масса) мерзлого грунта равна отношению массы образца gg, находящегося в мерзлом состоянии, к его объему Vs, т. е. pf = gg/Ve. Масса образца грунта природного сложения определяется достаточно точно взвешиванием. Объем же устанавливается измерением размеров выпиленного образца определенной формы в пикнометре, заполненном керосином.

Плотность (объемная масса) твердых частиц мерзлого грунта ps определяется с помощью пикнометра как для талых грунтов.

Суммарная весовая влажность мерзлого грунта ниш равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105 °С, к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение Wt0t зависит от места взятия пробы. Наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всему слою грунта из вертикальной бороздки, устраиваемой в стенке шурфа, или вдоль колонки монолитов, взятых из данного слоя. Суммарная влажность слагается из влажности, обусловленной включениями льда Wi и влажности грунта между включениями льда wm. Последняя, в свою очередь, делится на две слагающие влажности, обусловленные наличием льда-цемента Wi. с и незамерзшей воды ww

Если известна суммарная влажность wtot, найденная бороздковым способом, и влажность грунта wm, установленная по образцу, тщательно отобранному между прослойками, то по их разности находят значение Wi = wtot — wm. Иногда при взятии образца грунта из вертикальной борозки тщательно замеряют толщину всех прослоек льда и по полученным данным находят значение wu Это позволяет определять величину wm. Влажность, обусловленную льдом-цементом, находят по разности цг^ с = wm — ww. При этом количество незамерзшей воды определяют калориметрическим способом по образцам грунта нарушенной структуры. Так как результаты таких расчетов в значительной степени зависят от тщательности отбора образцов мерзлого грунта, допускается принимать wm равным влажности на границе раскатывания, т. е. wm = wp.

Найдя по формуле (3.3) значение ww для разных температур, можно построить график зависимости ww от Т.

Для расчетов требуются также теплофизические характеристики грунта, а именно:
теплопроводность мерзлого Xt и талого %т грунтов;

теплоемкость мерзлого Cf и талого Сш грунтов. Эти характеристики определяют в лабораторных условиях при проведении точных опытов, а чаще принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности скелета грунта (мерзлого и талого) и суммарной влажности.