Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ ЕСТЕСТВЕННОГО СЛОЖЕНИЯ

Вахрин И.С. 1 Кузьмин Г.П. 1 Спектр В.В. 1
1 ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
Деформация оттаивающих грунтов обусловлена уменьшением их пористости вследствие отжатия воды и воздуха из пор грунта под действием собственной массы и приложенной внешней нагрузки. Чем больше пористость мерзлого грунта, тем больше величина его осадки при оттаивании. Причем это не зависит от того, в какой степени заполнены поры грунта льдом и незамерзшей водой. Влияние влажности (льдистости) на деформацию мёрзлого грунта при оттаивании неоднозначно. При изменении влажности мёрзлых грунтов в диапазоне от 0 до полной влагоёмкости деформационные характеристики остаются постоянными. При повышении влажности за пределом полной влагоёмкости коэффициенты оттаивания и сжимаемости, характеризующие величину осадки мёрзлых грунтов при оттаивании, возрастают. Эти положения были подтверждены результатами испытаний на компрессионном приборе искусственно приготовленных образцов. В данной статье излагаются результаты определения деформационных характеристик естественных грунтов ненарушенного сложения, образцы которых были отобраны при выполнении инженерно-геологических изысканий на строительных площадках в разных районах территории Якутии. Грунты различного состава, криогенного строения и генезиса, места отбора проб исследованных грунтов показаны на схематической карте Якутии. Приведены физические характеристики этих грунтов. Представлены в графическом виде коэффициенты оттаивания и сжимаемости почти трёхсот образцов различных типов грунтов естественного сложения и для сравнения образцов искусственного изготовления. Показано, что графики зависимости деформационных характеристик естественных грунтов ненарушенного сложения и искусственных образцов идентичны. Коэффициенты оттаивания и сжимаемости естественных грунтов с одинаковой пористостью при изменении влажности в диапазоне от 0 до полной влагоёмкости постоянны, а при увеличении влажности за пределом полной влагоёмкости они возрастают. Зависимости деформационных коэффициентов оттаивающих грунтов естественного сложения от пористости выражаются, как и коэффициенты искусственных образцов, линейной функцией и могут быть рекомендованы в качестве паспорта деформационных характеристик мёрзлых грунтов при оттаивании. Полученные результаты подтверждают, что величины деформационных характеристик мёрзлых грунтов при оттаивании определяются пористостью их и не зависят от степени заполнения пор льдом и незамерзшей водой. Небольшие ледяные тела выступают в данном случае как пористость. Поэтому расчёты осадки мёрзлых грунтов при оттаивании можно выполнять по данным определений коэффициентов оттаивания и сжимаемости без учёта криогенного их строения.
деформационные характеристики
компрессионные испытания
мёрзлый грунт
влажность
полная влагоёмкость
пористость
1.Хрусталёв Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: учебник. М.: ИНФРА-М, 2019. 543 с.
2.Котов П.И. Обобщение деформационных характеристик оттаивающих грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2013. №3. С.23–26.
3.Вахрин И.С., Кузьмин Г.П. Деформационные характеристики искусственно приготовленных образцов мёрзлых грунтов при оттаивании // Успехи современного естествознания. 2020. №7. С.70–76. DOI: 10.17513/use.37434.
4.ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016. 23 с.
5.ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: Межгосударственный стандарт, 2013. 63 с.
6.Трофимов В.Т., Вознесенский Е.А., Королёв В.А. Инженерная геология России. Т.1. Грунты России: монография / Под ред. В.Т. Трофимова, Е.А. Вознесенского, В.А. Королёва. М.: КДУ, 2011. 672 с.
7.Ершов Э.Д. Лабораторные методы исследования мёрзлых пород. М.: Изд. МГУ, 1985. 350 с.
8.Шестернёв Д.М. Физика, химия и механика мёрзлых грунтов: учеб. пособие. Чита: Изд. Поиск, 2012. 332 с.
9.Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ 12248-2010: монография. 2-е изд., доп. и испр. М.: ООО Прондо, 2014. 812 с.
10.ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: МНТКС, 2011. 162 с.

Основной особенностью мёрзлых грунтов при оттаивании как деформируемого тела является наличие в них пор, объём которых под действием собственной массы и приложенной внешне нагрузки уменьшается. Образовавшаяся при таянии льда вода, незамёрзшая вода и воздух под действием нагрузки вытесняются из пор грунта. Деформации мёрзлых грунтов принято характеризовать коэффициентами оттаивания и сжимаемости соответственно при отсутствии и наличии компрессионного давления [1, 2]. Как видно из результатов компрессионных испытаний искусственных образцов, эти коэффициенты одинаково зависят от физических характеристик грунтов [3]. В диапазоне изменения влажности мёрзлых грунтов от 0 до полной влагоёмкости величина их не изменяется. При дальнейшем повышении влажности увеличивается пористость грунта вследствие раздвижения частиц грунта при промерзании и величины деформационных коэффициентов возрастают.

Целью исследования является выявление возможных особенностей деформирования оттаивающих естественных грунтов ненарушенного сложения и составления базы данных, проведены компрессионные испытания в условиях невозможности бокового расширения образцов грунта различного состава, строения и генезиса, отобранных при выполнении инженерно-геологических изысканий на строительных площадках на территории Якутии.

Материалы и методы исследования

Объектом настоящих исследований являются мёрзлые дисперсные грунты естественного сложения, отобранные в процессе проведения инженерно-геологических изысканий на территории Якутии (рис.1). Места отбора проб обозначены:

–№1 – о. Котельный;

–№2 – Амуро-Якутская железная дорога;

–№3 – Трубопроводная система Восточная Сибирь – Тихий океан;

–№4 – Магистральный газопровод Якутия – Хабаровск – Владивосток.

vahr1.tif

Рис. 1. Места отбора проб грунта на схематичной карте Республики Саха (Якутия)

Таблица 1

Гранулометрический состав грунтов

п/п

Содержание частиц разного размера в мм, %

Наименование грунта

2,0-0,5

0,5-0,25

0,25-0,1

0,1-0,05

0,05-0,01

0,01-0,002

< 0,002

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

9,7

58,0

21,0

11,3

Песок средней крупности

2

6,7

33,5

45,4

14,4

Песок мелкий

3

1,5

9,8

24,7

21,8

20,6

15,7

5,9

Супесь песчанистая

4

2,6

16,7

19,8

31,0

16,3

13,6

Супесь пылеватая

5

1,0

7,6

13,9

25,6

28,6

14,2

9,1

Суглинок лёгкий песчанистый

6

4,5

8,9

21,3

38,9

17,6

8,8

Суглинок лёгкий пылеватый

В табл.1 приведены результаты определения гранулометрического состава исследованных грунтов ситовым и ареометрическим анализом [4–6].

Грунты классифицируются от слабольдистых до сильнольдистых. Криогенное строение образцов предварительно изучалось на макроуровне. Фрагменты некоторых из них показаны на рис.2. Грунты по классу «шлировые» имеют слоистый и сетчатый тип криогенной текстуры, а песчаные грунты – массивную [7, 8].

Деформационные характеристики оттаивающих грунтов определялись по стандартной методике компрессионного сжатия на измерительно-вычислительном комплексе «АСИС» [9], разработанном научно-производственным предприятием «ГЕОТЕК». Образцы мёрзлого грунта для испытания вырезались из монолита по форме рабочего кольца при отрицательной температуре. Рабочее кольцо с образцом грунта помещалось в одометр и устанавливалось в устройство компрессионного сжатия [10], находящегося в холодильной камере, и выдерживалось перед испытанием при температуре грунта в массиве в течение 12 ч.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты определений физических и деформационных характеристик 293 образцов естественного сложения приведены в табл.2.

vahr2a.tifvahr2b.tif

а) б)

vahr2c.tif vahr2d.tif

в) г)

Рис. 2. Некоторые фрагменты криогенных текстур песчаных (а) и глинистых (б, в, г) мёрзлых грунтов

Таблица 2

Физические и деформационные характеристики исследованных грунтов

п/п

объекта

Wtot, %

n, %

Ath, д.е.

m, МПа-1

Наименование грунта

1

1

32,0/78,6

50,74/70,57

0,111/0,163

0,062/0,086

Супесь пылеватая

2

30,0/75,0

47,73/70,11

0,134/0,199

0,069/0,105

Суглинок лёгкий пылеватый

3

2

20,9/42,1

40,74/57,41

0,089/0,147

0,047/0,065

Супесь пылеватая

4

28,1/73,0

47,60/69,74

0,119/0,201

0,067/0,104

Суглинок лёгкий пылеватый

5

3

13,2/23,7

39,1/39,85

0,0147/0,0160

0,0198/0,0221

Песок мелкий

6

14,4/24,5

39,85/40,6

0,0146/0,0163

0,0196/0,0223

Песок средней крупности

7

19,0/69,8

38,52/68,89

0,096/0,164

0,044/0,076

Супесь песчанистая

8

23,2/72,5

43,17/69,63

0,120/0,189

0,064/0,098

Суглинок лёгкий песчанистый

9

18,0/42,5

37,41/57,41

0,085/0,128

0,041/0,069

Супесь пылеватая

10

22,0/46,3

42,07/59,78

0,124/0,184

0,063/0,089

Суглинок лёгкий пылеватый

11

4

20,2/41,8

39,63/57,04

0,086/0,137

0,047/0,063

Супесь песчанистая

12

22,2/46,2

42,07/59,78

0,124/0,184

0,063/0,089

Суглинок лёгкий пылеватый

В табл.2 приведены в числителе дробей минимальные значения, а в знаменателе – максимальные значения физических и деформационных характеристик грунтов.

В диапазоне неполного насыщения пор водой (13,2–24,5 %) коэффициенты оттаивания и сжимаемости песка естественного сложения мелкой и средней крупности, как и коэффициенты искусственных образцов песка, не изменяются (рис.3). По величине эти коэффициенты практически совпадают.

Зависимости деформационных коэффициентов от пористости грунта так же, как и зависимости образцов искусственного изготовления, выражаются линейной функцией практически с одинаковыми параметрами (рис.4 и 5).

vahr4a.tifvahr4b.tif

а) б)

Рис. 4. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) супеси пылеватой и песчанистой и искусственно приготовленной супеси пылеватой от пористости

vahr7a.tifvahr7b.tif

а)б)

Рис. 5. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) суглинка лёгкого песчанистого и лёгкого пылеватого и искусственно приготовленного суглинка лёгкого пылеватого от пористости

Коэффициенты оттаивания и сжимаемости естественных грунтов ненарушенного сложения выражаются линейными уравнениями:

1)для супесей пылеватых и песчанистых

Ath = 0,0023*n и m = 0,0012*n;

2)для суглинков пылеватых и песча-нистых

Ath = 0,0028*n и m = 0,0015*n.

В табл.3 приведены результаты корреляционного анализа полученных значений коэффициентов оттаивания и сжимаемости для двух типов исследованных грунтов.

vahr3a.tif vahr3b.tif

а) б)

Рис. 3. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) песка мелкой и средней крупности и искусственно приготовленного песка мелкого от суммарной влажности

Таблица 3

Результаты статистической обработки деформационных характеристик грунтов

п/п

Наименование

грунта

Характеристики

Корреляция, д.е.

Ath

m

1

Супесь

n

0,847

0,888

2

Суглинок

0,803

0,918

Таким образом, испытания на компрессионное сжатие естественных и искусственных образцов показали, что деформационные характеристики их при оттаивании выражаются одними и теми же зависимостями от физических характеристик, причём постоянные в этих зависимостях имеют практически одинаковые величины. Это открывает возможность изучать осадки мёрзлых грунтов при оттаивании на искусственно приготовленных образцах с заданными физическими характеристиками.

Заключение

Испытаниями в лабораторных условиях получено большое количество значений деформационных характеристик мёрзлых грунтов при оттаивании, образцы которых были отобраны с различных строительных площадок на обширной территории Якутии. Эти данные могут быть использованы для составления базы данных. Установлены зависимости их от физических характеристик грунтов. В качестве паспорта деформационных характеристик мёрзлых грунтов при оттаивании предлагается использовать зависимость их от пористости. Коэффициенты оттаивания и сжимаемости естественных грунтов ненарушенного сложения и образцов искусственного изготовления выражаются одинаковой зависимостью от их физических характеристик. Следовательно, осадки мёрзлых грунтов при оттаивании можно изучать на искусственно приготовленных образцах с заданными значениями физических характеристик.


Библиографическая ссылка

Вахрин И.С., Кузьмин Г.П., Спектр В.В. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ ЕСТЕСТВЕННОГО СЛОЖЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 8. – С. 37-42;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37455 (дата обращения: 21.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074