Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНЫХ ГРУНТОВ С НИЗКОЙ СТРУКТУРНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

Кузьмин Г.П. 1 Вахрин И.С. 1 Лобанов А.Л. 1
1 ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
При проведении инженерно-геологических изысканий на строительной площадке предусматривается определение основных физических характеристик грунтов. Для этого из зоны возможного влияния фундаментов сооружений на напряженно-деформированное состояние основания отбирают образцы с сохранением состава и строения грунтов. В настоящее время основным способом выемки образцов из массива является бурение с выдачей керна ненарушенного сложения. При таком способе отбора проб из отложений грунтов с низкой структурной прочностью образцы разрушаются. Такие образцы пригодны для определения только плотности твердых частиц и влажности грунта, так как в формулах для их расчёта не содержится объём образца. Для однородных по составу и строению отложений грунтов с низкой структурной прочностью предлагается новый способ определения физических характеристик грунтов, основанный на закономерностях компрессионного сжатия образцов, отобранных на поверхности массива, и распределения влажности грунта по глубине внутри массива. Изложена методика отбора образцов с поверхности массива с сохранением строения грунта. Приведены расчётные зависимости плотности твёрдых частиц, начальных значений и при давлениях компрессионного сжатия плотности сухого грунта и пористости. Показано определение плотности грунта в массиве, которая зависит от плотности сухого грунта, влажности и давления на расчётной глубине от действия вышележащей толщи. Изложено определение из условия равенства давлений в компрессионном приборе и массиве глубины, на которой формируются найденные значения физических характеристик грунта. Приведены результаты определения физических характеристик талых намывных грунтов в пойме р. Лены в г. Якутске.
образец
физические характеристики
деформации
компрессионное сжатие
давление
массив
плотность
влажность
пористость
глубина
1. Хрусталёв Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: учебник. М.: ИНФРА-М, 2019. 543 с.
2. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016. 23 с.
3. Вахрин И.С., Кузьмин Г.П. Деформационные характеристики искусственно приготовленных образцов мерзлых грунтов при оттаивании // Успехи современного естествознания. 2020. № 7. С. 70–76. DOI: 10.17513/use.37434.
4. Трофимов В.Т., Вознесенский Е.А., Королёв В.А. Инженерная геология России. Том 1. Грунты России. М.: КДУ, 2011. 672 с.
5. 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.
6. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: Межгосударственный стандарт, 2013. 63 с.

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

kuzm01.wmf (1)

начальная плотность сухого грунта

kuzm02.wmf (2)

начальная пористость грунта

kuzm03.wmf (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

kuzm04.wmf (5)

и пористости

kuzm05.wmf (6)

Плотность грунта в массиве, от которой зависит давление, с учетом (5) выражается зависимостью

kuzm06.wmf (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

kuzm07.wmf (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:

kuzm08.wmf (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).

kuzmin1.tif

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

 

kuzmin2a.tif kuzmin2b.tif

а) б)

Рис. 2. Графики изменения по глубине ρ (а) и ρd (б) намывных песчаных грунтов в квартале 203 г. Якутска

kuzmin3a.tif kuzmin3b.tif

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.


Библиографическая ссылка

Кузьмин Г.П., Вахрин И.С., Лобанов А.Л. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНЫХ ГРУНТОВ С НИЗКОЙ СТРУКТУРНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 9. – С. 71-75;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37473 (дата обращения: 15.10.2021).

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