5.5. Определения эквивалентного сцепления мерзлого грунта

Н.А. Цытовичем и С.С. Вяловым предложена методика определения сил сцепления мерзлого грунта по величине осадки, возникающей при вдавливании в грунт сферического штампа (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Одноштоковый шариковый штамп конструкции НИС ≪Гидропроект≫:

1 - опорная плита, 2- направляющие стойки, 3 - консоли, 4 - шток, 5 - нивелировочный винт, 6 - зубчатые рейки, 7 - направляющая муфта, 8 - площадка для груза, 9 - шариковый штамп, 10 - стопорный винт, 11 - держатель, 12 - индикатор для измерения деформаций, 13 - винт, 14 груз.

Для реализации этой методики вводится понятия эквивалентного сцепления С_eq.. Это стало необходимым так как, получаемый параметр при реализации предложенной методики комплексный, учитывающий совместно с силами сцепления и силы трения. Вдавливание шарикового штампа - метод определенияС_eqf.

Экспериментальные значения С_eqfвычисляется по формуле:

(5.3)

где P – нагрузка на штамп, кН; D – диаметр штампа, см; S_t – величина осадки штампа, различная в разные промежутки времени, k - безразмерный коэффициент, равный 1 при испытаниях до условной стабилизации деформации и 0,8 – при ускоренном режиме.

Эквивалентное сцепление зависит преимущественно от температуры грунта, времени действия и величины нагрузки C_eqf = f(T, t, P).

Значение сил сцепления, при мгновенном действии нагрузки, превышает величины, полученные при действии длительной нагрузки, в 4-8 раз [41] Вдавливание в мерзлый грунт шарикового штампа позволяет определить предельно-длительное значение эквивалентного сцепления С_eqf. Метод заключается в том, что в грунт под заданной нагрузкой Рвдавливается жесткий штамп шаровой формы и измеряется глубина его погружения в процессе вдавливания. Для определения сил сцепления могут использоваться приборы Н.А. Цытовича, С.С. Вялова и других модификаций.

Испытание шариковым штампом рекомендуется проводить при 5 температурах в холодильных камерах от -1 до -5, °С. Температура воздуха в морозильной камере и температура грунта должны быть равными в процессе всего времени испытаний. Мерзлые грунты для испытаний - глины, суглинки, супеси и пески, должны иметь массивную, тонкослоистую и мелкосетчатую криогенные текстуры при отсутствии в них обломочного материала. Диаметр штампа должен составлять 22+2 мм и быть в 8–10 раз больше среднего размера наибольших макроструктурных элементов мерзлого грунта. Испытания необходимо проводить на образцах диаметром не менее 71 мм и при отношении высоты к диаметру 1: 3,5.

Перед экспериментом шариковый штамп необходимо установить по уровню, сопротивление пружины компенсируют нагрузкой АР. Поэтому величина нагрузки, действующей на образец в процессе испытания, должна равняться P=Q–AP, где Q – нагрузка на грузовой площадке. Величина АР определяется следующим образом. При открытом стопорном винте штампа ножка индикатора подводится к грузовой площадке. Нагружая грузовую площадку гирями, определяют нагрузку (с точностью до 50 г), при которой начинается движение штока, фиксирующееся по отклонению стрелки индикатора. Эксперимент по определению С_eqf заканчивается при перемещении стрелки индикатора не более чем два деления за сутки.

В мерзлых грунтах упругие деформации формируются не только при динамических, но и при статических нагрузках. Например, при давлениях до 0,1 МПа, упругие деформации могут составлять 100% от полной деформации (упругой и остаточной), при средних же давлениях (0,4-1,0 МПа) и температуре выше - 0,4 они составляют 10-30% от полной деформации. Упругие деформации описываются законом Гука, предполагающим линейную зависимость между деформацией и нагрузкой:

(5,4)

где - нагрузка, е – относительная деформация, Е – модуль упругости.

Различают деформации продольные е_пр(вдоль направления нагрузки) и поперечные е_п (поперек направлению нагрузки). Эти деформации линейно связаны между собой.

(5,5)

где - коэффициент Пуассона.

Остаточные деформации состоят из деформаций уплотнения, связанных с уменьшением пористости грунта, и деформацией ползучести, обусловленных разрушением молекукулярных связей между минеральными частицами и ползучестью скелета грунта, а в мерзлых грунтах и ползучестью льда. Деформации уплотнения происходят во всех грунтах (кроме скальных), а деформации ползучести только в мерзлых грунтах, а также в талых суглинках и глинах твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции.

Деформации ползучести в зависимости от нагрузки на грунты и времени ее приложения могут находиться в трех стадиях: в стадии затухающей и установившейся ползучести, и в стадии прогрессирующего течения. Первые две стадии остаются за пределами практического использования в прогнозах деформации оснований инженерных сооружений. Затухающая ползучесть сказывается лишь на протекании деформации во времени, а полная стабилизированная деформация будет подчиняться тем же законам, что и деформация уплотнения. Последняя, аналогично упругой деформации, описывается законом Гука и отличие между ними заключается лишь в том, что после снятия нагрузки упругие деформации исчезают, а деформации ползучести остаются. Все деформации подчиняются одному и тому же закону, поэтому есть смысл рассматривать их совместно. В этом случае модуль упругости Е_уп можно заменить на модуль общей деформации Е_о, а коэффициент Пуассона на коэффициент относительной поперечной деформации .

При компрессионном уплотнении грунта линейную связь между деформацией и нагрузкой выражают через коэффициент сжимаемости а_о, следующим образом:

(5.6)

для мерзлых грунтов величины Е₀ и зависят от температуры. С понижением температуры Е₀ возрастает а убывает. Значение Е₀твердомерзлых грунтов столь велико, что их можно считать несжимаемыми.