5.7. Определение параметров деформаций оттаивающих мерзлых грунтов

При строительстве инженерных объектов в пределах криолитозоны согласно нормативным документам требуются сведения об осадках массивов многолетнемерзлых пород при оттаивании (Н). По аналогии с тонкодисперсными породами ее величина складывается из значений коэффициентов оттаивания (А₀), не зависящего от нормальной нагрузки (Р_н­), и уплотнения (а), функционально связанного с Р_н­. Для элементарного слоя породы, обладающего изотропными свойствами, расчет общей осадки производят по следующей формуле[89]­:

Н = h(А­₀­ + а­­Р_н), (5.7)

где h- мощность элементарного слоя, м; Н - полная осадка оттаивающих пород; А₀­ - ­осадка пород при оттаивании без приложения внешней нагрузки (коэ­ффициент оттаивания), а - коэ­ффициент сжимаемости при статической вертикальной нагрузке Р_н­ (МПа­).

Массивы горных пород обладают большой неоднородностью. Для увеличения достоверности получаемых значений осадки их разбивают на элементарные слои и выполняют расчет по методу Н.А. Цытовича [89]

Н_ст = h_i(А­­₀ + а­­Р_н)_i (5.8)

где i = 1, 2, 3, …, n­ (1, 2, 3, ..., n - номер элементарного слоя пород сверху вниз по разрезу массива пород).

Для определения значений деформации оттаивающих мерзлых грунтов обычно применяется метод горячего штампа. Он позволяет определить деформационные характеристики грунтов при оттаивании: коэффициент оттаивания А, равный относительной осадке оттаявшего слоя грунта под естественным давлением; коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта а, уплотняемого дополнительным давлением, равным отношению приращения стабилизированной относительной осадки к приращению давления связанный с модулем общей деформации соотношением, E₀=β/а, где β- параметр, зависящий, так же, как и для мерзлых грунтов, от коэффициента бокового расширения. μ₀: β

При испытании крупнообломочных и выветрелых скальных по­род глубину оттаивания грунта под штампом следует задавать боль­ше половины диаметра штампа (обычно глубина оттаивания задается равной мощности сжимаемой толщи под штампом, примерно два-три диаметра штампа. В этом случае по данным опытов рассчитывается коэффициент оттаивания А и модуль деформации оттаянного слоя грунта Е₀. Величина А определяется таким же способом, как и для мелко­дисперсных грунтов, а моду ль общей деформации Е₀рассчитывается по формуле

(5.9)

где ω- коэффициент формы и жесткости штампа (для круглого штампа диаметром d в зависимости от глубины оттаянного слоя зна­чения ωсведены в табл.5.1); р - давление над подошвой штампа, кг/см² (кПа); d- диаметр штампа; μ- коэффициент бокового расши­рения грунта: для песчаных и крупнообломочных грунтов μ = 0,3, для глинистых - 0,35-0,4.

Таблица 5.1

Значение ωдля круглого штампа в зависимости от отношения глубины оттаивания (h) к диаметру штампа (d)

h/d	0,25	0,5	1	2	3
ω	0,22	0,38	0,58	0,7	0,78

Рис. 5.9. Схема горячего штампа для полевых экспериментальных исследований деформаций оттаивающих грунтов 0 песчаных, глинистых и крупнообломочных (ГОСТ 23253-78):

1 – штамп; 2 – электронагреватель; 3,4 – пробки отверстия для заполнения штампа малоэнерционой жидкостью (3) и для ее слива (4); 5 – гидродомкрат (ДГ – 100 или ДГ – 250): 6 – манометр для контроля за нагрузкой на штамп; 8 – опорная стойка; 9 – балка, центрирующая опорную стойку и выполняющая роль базы реперной системы; 10 – анкерные трубы; 11 – монтажные опоры; 12 – прогибомеры; 13 – скважины для контроля за оттаиванием; 14 песчаная подсыпка для центровки штампа; 15 – верхняя граница вечной мерзлоты.

Для исследований осадок дресвяных и щебенистых грунтов с диаметром крупнообломочных частиц до 5,0 см и необходимо использовать штамп радиусом более 36 см и площадью не менее 5 000 см² . Жесткость штампа проверялась согласно формуле (здесь – модуль деформации материала, из которого изготовлен штамп; г – радиус штампа). Ширина горной выработки при диаметре штампа 80 см должна быть не менее 3,5-4,0 м. Стальной штамм необходимо изготавливать с ребрами жесткости с толщиной металла в нижней части 10 -15 мм. Глубина горных выработок, в которых проходили эксперименты, достигала 10-12 м.

В подготовку к испытаниям входит проходка двух скважин диаметром до 76 мм и глубиной, равной мощности опробуемого массива на расстоянии 1,0 м. После проходки их засыпают песком. В дальнейшем между ними находится штамп. Засыпанные песком скважины легко прочищались ручным буром или мотобуром на глубину 40-60 см. Они используются для контроля прогрева, рабочей зоны, глубина которой должна была быть не менее 40 см. Забой под штампом выравнивается, засыпается песком, для устранения неровностей, чтобы избежать перекоса штампа. Монтаж распорных анкеров происходит после установления штампа. На первом этапе центральная штанга монтируется с реперной базой и стопорными винтами крепится в ней. Реперная база центрируется и крепится на настиле из шпал, на поверхности пород, двумя «якорями». Две распорные, раздвижные стойки, под углом 60-70 градусов размещаются по стенкам шурфа. На штамп устанавливается гидродомкрат ДГ – 100, в комплекте с манометром МТИ - 160. Затем, отвинчиваются стопорные винты и центральная штанга устанавливается на домкрат. После установки домкрата под центральную штангу опорной системы, он соединяется шлангами с насосной станцией. После этого на реперную базу устанавливаются прогибомеры типа ПМ-3. Бытовую нагрузку на штамп принимают с учетом веса конструкций. Оттаивание пород осуществляется с помощью электронагревателей, помещенных в штамп с жидкостью. Проведение испытания и обработка его результатов соответствовала ГОСТ 23253-78. Его широкая известность позволяет нам не приводить их описание.

Дополнительно к требованием ГОСТ 23253-78 осуществляется детальное изучение пространственного распределения обломков горных пород, для выявления взаимосвязь литогенных структур и криогенных текстур массивов крупно-обломочных грунтов, производится идентификация последних со значениями А₀ и а. Особо необходимо обращать внимание на распределение ледяных включений в мелкообломочной составляющей грунтов, на характер и степень облекания корочками льда крупнообломочных частиц.