При проектировании зданий и сооружений необходимы данные о физических характеристиках грунтов основания, которые определяют в процессе выполнения инженерно-геологических изысканий на строительной площадке [1]. Физические свойства грунтов изучают по образцам (пробам), отбираемым из массива с сохранением естественного состава и строения их [2]. Отбор образцов в настоящее время осуществляют в основном из буровых кернов. Однако такой способ отбора образцов грунта с низкой структурной прочностью не пригоден. Образцы в процессе бурения скважины и выемки керна из буровых труб разрушаются и могут быть использованы для определения только влажности и плотности твёрдых частиц грунта, расчётные зависимости которых не содержат объёма образца. При бурении теряют связность большая часть талых грунтов, талые и мёрзлые пески в дюнных отложениях и намывных толщах. В криолитозоне грунты с низкой структурной прочностью имеют место и в природных условиях, и на искусственно созданных строительных площадках. Дюнные песчаные отложения (тукуланы) широко распространены в междуречье р. Лены и её притока р. Вилюй. Мощные отложения под действием ветра перемещаются, частично или полностью засыпая деревья песком. В г. Якутске на пойме р. Лены гидравлическим способом созданы две намывные территории для строительства жилых домов мощностью в понижениях до 15 м. Из таких отложений отбор образцов ненарушенного сложения распространенным в криолитозоне буровым способом невозможен. Поэтому ограничиваются получением тех характеристик грунта, для определения которых нет необходимости сохранять целостность образца. В связи с этим поставлена цель разработать способ определения в массиве физических характеристик однородных грунтов с низкой структурной прочностью.
Физические характеристики однородных талых и сыпучемёрзлых грунтов предлагается определять новым способом, основанным на закономерностях деформации образцов при компрессионном сжатии, отбираемых на поверхности массива с сохранением сложения, и зависимости влажности грунта в массиве в пределах изучаемого слоя. Отбор образцов с поверхности массива позволяет определить их объём и тем самым найти плотность сухого грунта и его пористость, которые являются начальными значениями характеристик образца, испытываемого на компрессионное сжатие. Давление в компрессионном приборе, плотность сухого грунта и пористость при этом давлении соответствуют значениям их в массиве на определенной глубине. Влажность грунта в массиве определяется по образцам нарушенного сложения, отбираемым из буровых кернов.
Плотность сухого грунта в зависимости от деформации образца при компрессионном сжатии и влажность грунта по глубине позволяют найти выражения плотности грунта и давления в массиве. Затем из условия равенства давлений в компрессионном приборе и массиве рассчитывается глубина, на которой формируются найденные значения физических характеристик грунта. При одинаковых давлениях в компрессионном приборе и массиве плотность сухого грунта и пористость образца в приборе и грунта в массиве равны. Эти физические характеристики грунта на ступенях давления компрессионного сжатия определяются по деформациям образца [3]. Плотность грунта в массиве, от которой зависит давление, в однородных грунтах определяется по значениям плотности сухого грунта и влажности.
Материалы и методы исследования
Образцы однородного грунта для определения начальных значений физических характеристик и испытания на компрессионное сжатие отбирают на поверхности массива с сохранением их сложения. Показатели физических свойств грунта определяют по известным зависимостям [4]:
плотность твердых частиц
(1)
начальная плотность сухого грунта
(2)
начальная пористость грунта
(3)
где md – масса сухого образца; Vd – объем твердых частиц образца; V0 – начальный объём образца.
В процессе компрессионного сжатия образца объём его уменьшается и в условиях невозможности бокового расширения выражается зависимостью
Vi = S(h – Δhi), (4)
где S – площадь поперечного сечения образца; h – начальная высота образца; Δhi – продольная деформация образца на i-й ступени давления.
На ступенях давления компрессионного сжатия образца грунта на основании (4) найдены выражения [5]:
плотности сухого грунта
(5)
и пористости
(6)
Плотность грунта в массиве, от которой зависит давление, с учетом (5) выражается зависимостью
(7)
где w – влажность грунта.
Влажность грунта в исследуемом слое определяется по образцам, извлекаемым из массива буровым способом, и должна быть выражена зависимостью от глубины. Табличное представление влажности грунта по глубине не даёт возможности найти глубины, на которых значения плотности сухого грунта и пористости в компрессионном приборе и массиве равны. В грунтах с высокой фильтрующей способностью в условиях свободного оттока воды влажность грунта небольшая и вследствие этого она существенного влияния на величину плотности грунта и давление в массиве не оказывает. Для оценки изменения физических характеристик однородных грунтов в массиве предлагаемым методом рассмотрим случай постоянной влажности по глубине, как в намывных песчаных грунтах в пойме р. Лены в г. Якутске.
При постоянной влажности грунта по глубине давление в основании i-го слоя можно представить в виде
(8)
где z – глубина.
Из (8) находим глубину в массиве, на которой формируются плотность сухого грунта и пористость, равные по величине плотности сухого грунта и пористости в компрессионном приборе на i-й ступени давления:
(9)
Таким образом, способ определения физических характеристик однородных грунтов со слабой структурной прочностью включает следующее:
– отбор образцов с поверхности массива, определение плотности твердых частиц, начальных значений плотности сухого грунта и пористости по формулам (1), (2) и (3) соответственно;
– компрессионные испытания образца и определение на ступенях давления плотности сухого грунта и пористости по формулам (5) и (6);
– бурение скважины, отбор образцов из кернов, определение их влажности и установление зависимости влажности от глубины в пределах исследуемого слоя;
– определение плотности грунта по формуле (7) в пределах исследуемого слоя;
– определение по формуле (9) глубины в массиве, на которой формируются найденные значения физических характеристик грунта.
Как видно из изложенного все физические характеристики однородных грунтов в массиве определяются по данным инженерно-геологических изысканий, выполняемых на строительных площадках. Способ может применяться как в области распространения многолетнемерзлых грунтов, так и в области сезонного промерзания грунтов.
Результаты исследования и их обсуждение
В пойме р. Лены в г. Якутске возведены строительные площадки способом намыва руслового песка – кварталы 202 и 203. Первая из них полностью застроена жилыми домами, вторая освоена не полностью (рис. 1).
Рис. 1. Начальный вид намывной территории квартала 203 в г. Якутске
Влажность намывных грунтов на разных участках 203 квартала и по глубине по данным инженерно-геологических изысканий одинакова и составляет 0,05 д.е. (табл. 1).
Результаты определения предложенным способом давления и физических характеристик намывных грунтов в 203 квартале г. Якутска, которые согласно [6] относятся к пескам, представлены в табл. 2 и на рис. 2, 3.
Таблица 1
Влажность намывных грунтов на территории квартала 203 г. Якутска
|
№ п/п |
Наименование |
Номера домов |
||
|
2–1 |
2–5 |
3–4 |
||
|
1 |
Количество скважин, шт. |
15 |
7 |
3 |
|
2 |
Мощность слоя, м |
7,4 |
5,7 |
6,7 |
|
3 |
Средняя влажность, д.е. |
0,05 |
0,05 |
0,04 |
Таблица 2
Физические характеристики намывных грунтов на территории квартала 203 г. Якутска
|
№ п/п |
p, МПа |
Δh, мм |
Δh/h |
ρ, кг/м3 |
ρd, кг/м3 |
n, % |
z, м |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1464 |
1394 |
47,4 |
0 |
|
2 |
0,1 |
0,12 |
0,0048 |
1471 |
1401 |
47,34 |
6,49 |
|
3 |
0,15 |
0,16 |
0,0064 |
1473 |
1403 |
47,26 |
9,73 |
|
4 |
0,2 |
0,19 |
0,0076 |
1475 |
1405 |
47,19 |
12,96 |
|
5 |
0,25 |
0,22 |
0,0088 |
1477 |
1407 |
47,13 |
16,18 |
а) б)
Рис. 2. Графики изменения по глубине ρ (а) и ρd (б) намывных песчаных грунтов в квартале 203 г. Якутска
а) б)
Рис. 3. Графики изменения по глубине n (а) и p (б) намывных песчаных грунтов в квартале 203 г. Якутска
Как видно из рис. 2, физические характеристики намывных песчаных грунтов изменяются по глубине незначительно, причем с затухающей скоростью. Небольшое уменьшение пористости грунта по глубине обусловлено малой сжимаемостью грунта под нагрузкой и небольшим ростом давления вследствие незначительного повышения плотности грунта, изменение которой, в свою очередь, зависит от мало изменяющейся плотности сухого грунта и его низкой влажности.
Заключение
Разработан новый способ определения физических характеристик однородных грунтов с низкой структурной прочностью, основанный на данных определения физических характеристик и закономерностях компрессионного сжатия образцов, отбираемых на поверхности массива с сохранением их сложения, а также функции влажности грунта по глубине. Параметры для расчёта физических характеристик грунта можно получить в процессе выполнения инженерно-геологических изысканий. Физические характеристики намывных песчаных грунтов небольшой влажности изменяются по глубине незначительно.