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