Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THAW DEFORMATION CHARACTERISTICS OF UNDISTURBED SOILS

Vakhrin I.S. 1 Kuzmin G.P. 1 Spektr V.V. 1
1 Melnikov Permafrost Institute SB RAS
Deformation of thawing soils is caused by the decrease in porosity due to drainage of pore water and air under their own weight and applied loads. The higher the porosity of a frozen soil, the greater its settlement upon thawing. This relationship is independent of the degree of saturation with ice and unfrozen water. The effect of water content (ice content) on thaw deformation is not straightforward. At water contents of frozen soils between 0 and full saturation, the thaw strain characteristics remain constant. When water contents increase above saturation, the coefficients of thawing and compressibility which characterize the amount of thaw settlement increase. These patterns were confirmed by thaw consolidation tests performed earlier on artificially prepared specimens. In this article, we present the results of tests that have been made on undisturbed samples collected in different areas of Yakutia during engineering site investigations. The tested soils vary in composition, cryostructure and genesis. Sampling sites are shown on the schematic map of Yakutia. The physical properties of test soils are described. The coefficients of thawing and compressibility are presented in graphical form for about 300 undisturbed samples, as well as for artificially prepared specimens for comparison. The thaw-strain plots for the undisturbed cores are shown to be identical to those for the artificial specimens. The coefficient of thawing and the coefficient of compressibility of the natural soils of the same porosity are constant over the range of moisture content from 0 to full saturation and increase with increasing moisture content above saturation. Similar to the artificial specimens, the relationships between the thaw-deformation coefficients and porosity of the undisturbed soils are described by a linear function and can be recommended as a reference for the thaw-deformation characteristics of frozen soils. The study results confirm that the thaw-deformation coefficients are dependent on porosity and independent of the degree of pore saturation with ice and unfrozen water. In this case, small ice bodies act as porosity. Therefore, coefficients of thawing and compressibility determined with no account for cryostructure can be used in thaw settlement analyses.
deformation characteristics
consolidation tests
frozen soil
water content
saturated water content
porosity
1. Khrustalev L.N. Fundamentals of Geotechnics in Permafrost: textbook. M.: INFRA, 2019. 543 p. (in Russian).
2. Kotov P.I. Codification of deformation characteristics of thawing soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2013. Vol.50. №3. P.123–127. DOI: 10.1007/s11204-013-9222-z.
3. Vakhrin I.S., Kuzmin G.P. Thaw deformation characteristics of artificially prepared frozen soil samples // Advances in current natural sciences. 2020. №7. P.70–76 (in Russian).
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. Trofimov V.T., Voznesensky E.A., Korolev V.A. Engineering Geology of Russia. Volume 1. Soils of Russia: Monograph / Pod red. V.T. Trofimova, Ye.A. Voznesenskogo, V.A. Koroleva. M.: KDU, 2011. 672 p. (in Russian).
7. Ershov E.D. Laboratory Methods for the Study of Frozen Rocks. M.: Izd. MGU, 1985. 350 p. (in Russia).
8. Shesternev D.M. Physics, Chemistry and Mechanics of Frozen Soils: a textbook. Chita: Izd. Poisk, 2012. 332 p. (in Russian).
9. Boldyrev G.G. Methods for Determining the Mechanical Properties of Soils with Comments to GOST 12248-2010. 2nd ed., updated. M.: OOO Prondo, 2014. 812 p. (in Russian).
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.