Мёрзлые дисперсные грунты под действием собственной массы и приложенной нагрузки при оттаивании уменьшаются в объёме [1]. Осадка мёрзлых грунтов основания при оттаивании, особенно неравномерная, приводит к деформациям и разрушениям зданий и сооружений [2]. Деформационные характеристики оттаивающих грунтов выражаются коэффициентом оттаивания, определяющим осадку мёрзлых грунтов при оттаивании под действием собственной массы грунта, и коэффициентом сжимаемости, определяющим осадку оттаявшего грунта под действием приложенной внешней нагрузки. Они используются для расчёта осадки оттаивающих грунтов основания сооружений, возводимых с предварительным оттаиванием или допущением оттаивания в период строительства и последующей эксплуатации сооружений (принцип II). Изучение осадки мёрзлых грунтов при оттаивании в условиях потепления климата становится ещё более актуальным. Коэффициенты оттаивания и сжимаемости определяются в компрессионном приборе в условиях невозможности бокового расширения образца грунта [3]. Принимается, что грунты в массиве находятся также в подобных условиях. Величины этих коэффициентов зависят от состава и строения мёрзлых грунтов. Поэтому при изучении деформационных свойств оттаивающих мёрзлых грунтов определяют их физические характеристики. Для обеспечения однородности состава и строения грунтов исследования проводились на искусственно приготовленных образцах.
Целью исследования является установление зависимости деформационных характеристик оттаивающих грунтов от их физических свойств. Эти зависимости необходимы при решении задачи обеспечения устойчивости зданий и сооружений, возводимых с использованием грунтов основания по принципу II. В условиях потепления климата это требование становится ещё более важным.
Материалы и методы исследования
Деформационные характеристики оттаивающих грунтов изучались на искусственно приготовленных образцах с различной заданной влажностью трёх основных типов дисперсных грунтов – песка, супеси и суглинка. В табл. 1 приведены результаты определения гранулометрического состава исследованных грунтов ситовым и ареометрическим анализом [4–6] и минералогического состава иммерсионным методом [7].
Подготовка образцов грунта для определения физических и деформационных характеристик оттаивающих грунтов выполнялась следующим образом. Отобранный для испытания грунт высушивали при температуре 105 °С до установления постоянной массы. Часть высушенного грунта использовалась для определения по стандартной методике плотности твёрдых частиц. Расчёт её производился по формуле
(1)
где md – масса образца высушенного грунта; Vd – объём твердых частиц.
Другой частью высушенного грунта наполняли кольцо компрессионного прибора [8]. Кольцо с грунтом взвешивали и находили начальную плотность сухого образца по формуле
(2)
где V0 – начальный объём образца.
Таблица 1
Гранулометрический и минеральный состав исследованных грунтов
|
Наименование |
Содержание частиц разного размера (мм) в % |
Содержание минералов в % |
|||||||
|
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 |
|
|
Песок мелкий |
4,90 |
35,90 |
56,50 |
2,70 |
– |
– |
– |
Кварц |
41,20 |
|
Полевые шпаты |
56,40 |
||||||||
|
Биотит |
0,60 |
||||||||
|
Обломки породы |
1,80 |
||||||||
|
Супесь пылеватая |
– |
0,40 |
2,20 |
26,70 |
60,40 |
4,70 |
5,60 |
Кварц |
18,00 |
|
Полевые шпаты |
61,50 |
||||||||
|
Карбонаты |
10,30 |
||||||||
|
Разрушенная слюда |
7,30 |
||||||||
|
Обломки породы |
2,90 |
||||||||
|
Суглинок лёгкий пылеватый |
– |
0,30 |
1,30 |
15,80 |
53,20 |
16,70 |
12,70 |
Кварц |
17,70 |
|
Полевые шпаты |
63,60 |
||||||||
|
Карбонаты |
9,10 |
||||||||
|
Разрушенная слюда |
3,60 |
||||||||
|
Обломки породы |
6,00 |
||||||||
По найденным значениям плотности твёрдых частиц и начальной плотности сухого грунта определяли начальную пористость образца по формуле
(3)
Затем образец в кольце компрессионного прибора увлажняли. Необходимое количество воды для получения заданной влажности образца грунта определяли по формуле
mв = md*w, (4)
где w – влажность грунта.
После этого образец в кольце компрессионного прибора для равномерного распределения воды выдерживался при положительной температуре в течение 24 ч, затем его замораживали. Образец в процессе выдерживания в течение суток для равномерного распределения в нём воды замораживания и испытания в компрессионном приборе предохраняли от иссушения. Для контроля возможных потерь воды из образцов после компрессионных испытаний кольцо с образцом снова взвешивалось. При компрессионном сжатии грунта в условиях невозможности бокового расширения объём образца выражается зависимостью
(5)
где S – площадь поперечного сечения образца; Δh – деформация образца; h – начальная высота образца.
На основании (5) на ступенях компрессионного сжатия физические характеристики выражаются зависимостями:
– плотность сухого грунта [9]
(6)
– пористость грунта [9]
(7)
При изучении осадки мёрзлых грунтов при оттаивании важным показателем физических свойств грунтов является полная влагоёмкость, которая определяется по формуле
(8)
где ρw – плотность воды.
В диапазоне изменения влажности от 0 до полной влагоёмкости только плотность грунта зависит от влажности, остальные физические характеристики грунта остаются постоянными.
В табл. 2 представлены значения физических характеристик песка мелкого, супеси пылеватой и суглинка лёгкого пылеватого в талом состоянии.
Таблица 2
Основные физические характеристики исследованных грунтов в талом состоянии
|
№ п/п |
w, % |
ρ, г/см3 |
ρd, г/см3 |
ρs, г/см3 |
n, % |
wsat, д.е. |
wl, % |
wp, % |
Ip, % |
Наименование грунта |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
1 |
5,0 |
1,71 |
1,63 |
2,66 |
38,72 |
0,237 |
– |
– |
– |
Песок мелкий |
|
2 |
10,0 |
1,79 |
||||||||
|
3 |
15,0 |
1,87 |
||||||||
|
4 |
20,0 |
1,96 |
||||||||
|
5 |
23,7 |
2,02 |
||||||||
|
6 |
5,0 |
1,63 |
1,55 |
2,70 |
42,59 |
0,274 |
20,7 |
16,1 |
4,6 |
Супесь пылеватая |
|
7 |
10,0 |
1,71 |
||||||||
|
8 |
15,0 |
1,78 |
||||||||
|
9 |
20,0 |
1,86 |
||||||||
|
10 |
27,4 |
1,97 |
||||||||
|
11 |
5,0 |
1,59 |
1,51 |
2,71 |
44,28 |
0,292 |
30,5 |
21,3 |
9,2 |
Суглинок лёгкий пылеватый |
|
12 |
10,0 |
1,66 |
||||||||
|
13 |
15,0 |
1,74 |
||||||||
|
14 |
20,0 |
1,81 |
||||||||
|
15 |
25,0 |
1,89 |
||||||||
|
16 |
29,2 |
1,95 |
Таблица 3
Физические и деформационные характеристики исследованных грунтов при оттаивании
|
№ п/п |
Среднее значение по пяти определениям |
Наименование грунта |
|||
|
wtot , % |
n, % |
Ath , д.е. |
m, МПа-1 |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 |
4,96 |
38,72 |
0,0149 |
0,0208 |
Песок мелкий |
|
2 |
9,96 |
38,72 |
0,0147 |
0,0206 |
|
|
3 |
14,98 |
38,72 |
0,0148 |
0,0206 |
|
|
4 |
20,02 |
38,72 |
0,0149 |
0,0208 |
|
|
5 |
23,50 |
38,72 |
0,0149 |
0,0209 |
|
|
6 |
5,10 |
42,59 |
0,095 |
0,046 |
Супесь пылеватая |
|
7 |
10,0 |
42,59 |
0,093 |
0,045 |
|
|
8 |
15,0 |
42,59 |
0,097 |
0,046 |
|
|
9 |
20,0 |
42,59 |
0,095 |
0,045 |
|
|
10 |
27,2 |
42,59 |
0,098 |
0,046 |
|
|
11 |
30,9 |
49,78 |
0,109 |
0,053 |
|
|
12 |
35,3 |
53,11 |
0,101 |
0,056 |
|
|
13 |
39,0 |
55,41 |
0,128 |
0,058 |
|
|
14 |
5,0 |
44,28 |
0,123 |
0,062 |
Суглинок лёгкий пылеватый |
|
15 |
10,0 |
44,28 |
0,123 |
0,062 |
|
|
16 |
15,0 |
44,28 |
0,124 |
0,062 |
Суглинок лёгкий пылеватый |
|
17 |
20,0 |
44,28 |
0,124 |
0,062 |
|
|
18 |
25,0 |
44,28 |
0,123 |
0,063 |
|
|
19 |
29,1 |
44,28 |
0,123 |
0,063 |
|
|
20 |
35,0 |
53,07 |
0,145 |
0,074 |
|
|
21 |
40,0 |
56,24 |
0,153 |
0,079 |
|
|
22 |
45,0 |
59,04 |
0,162 |
0,085 |
|
Образцы грунта в компрессионном приборе испытывались под ступенчато-возрастающими давлениями. На каждой ступени нагрузки определяли по принятой методике коэффициенты оттаивания и сжимаемости и по формулам (6) и (7) рассчитывали величины плотности сухого грунта и пористости.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты определений физических и деформационных характеристик, искусственно приготовленных образцов песка, супеси и суглинка при оттаивании приведены в табл. 3.
На рис. 1–5 представлены графики зависимости деформационных характеристик всех трёх типов исследованных грунтов от влажности и пористости. Влажность образцов песка изменялась в пределах диапазона от 0 до полной влагоёмкости wsab, а супеси и суглинка от 0 до w > wsab.
Величины коэффициентов оттаивания и сжимаемости всех трёх типов исследованных грунтов в диапазоне изменения влажности от 0 до полной влагоёмкости при одинаковой пористости, как и следовало ожидать, не изменяются (рис. 1, 2 и 4). При влажностях, превышающих полную влагоёмкость в супеси и суглинке (рис. 3 и 5), коэффициенты оттаивания и сжимаемости линейно повышаются с увеличением влажности грунта. Это вызвано раздвиганием частиц и увеличением пористости грунта при промерзании. На основе регрессионного анализа значений деформационных характеристик получены зависимости их от влажности и от пористости грунта. Как видно из рис. 3 и 5, изменение деформационных характеристик при изменении пористости грунта выражается одной зависимостью. Поэтому при изучении осадки мёрзлых грунтов при оттаивании рекомендуется пользоваться подобной зависимостью.
а) б)
Рис. 1. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) песка мелкого в диапазоне влажности от 0 до полной влагоёмкости при постоянном значении пористости, равном 38,72 %
а) б)
Рис. 2. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) супеси пылеватой от влажности
а) б)
Рис. 3. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) супеси пылеватой от пористости
а) б)
Рис. 4. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) суглинка лёгкого пылеватого от влажности
а) б)
Рис. 5. Зависимость коэффициентов оттаивания (а) и сжимаемости (б) суглинка лёгкого пылеватого от пористости
Заключение
Изучение осадки мёрзлых дисперсных грунтов при оттаивании в современных условиях потепления климата приобретает все большее значение. Экспериментальными исследованиями установлены закономерности изменения деформационных характеристик трёх основных типов мёрзлых грунтов при оттаивании. Получены зависимости коэффициентов оттаивания и сжимаемости от влажности и пористости исследованных грунтов. Сделан вывод о том, что деформационные характеристики оттаивающих грунтов следует выражать в виде зависимости от пористости грунта.