5.8. Определение параметров деформаций пучения промерзающих грунтов

Количество работ, посвященных изучению пучения крупнообломочных пород незначительно. Практически все они имеют лишь постановочный, а не решающий даже отдельные аспекты характер (Шестернев, Верхотуров, 1991; Измайлова (Соколова)­, 1992; Соколова, ­Орлов 1993; Шестернев 1993) и др. ­

Изучение деформаций криогенного пучения промерзающих крупнообломочных горных пород криолитозоны выполнялось нами комплексно в натурных и лабораторных условиях.

Методика натурных эспериментальных исследований. Рекомендации ВСЕГИНГЕО (1979), позволяют решать задачу по организации и проведению полевых исследований деформаций пучения промерзающих грунтов. Выполненное нами усовершенствование этой методики позволяет более экономно и с большей точностью получать необходимые параметры для проектирования зданий и сооружений (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема оборудования стационарных пучиномерных полигонов – ПП(а) и дифференциальных пучиномерных установок ДПУ(б) для изучения деформаций промерзающих массивов грунтов:

1 – опорная обсадная труба реперной базы; 2 – обсадная труба, предохраняющая от выпучивания реперную базу; 3 – термогирлянда; 4,6 – подвижный репер (пучиномер); 5 – измерительная база; 7 – пучиномерная марка; 8 – мерзлотомер; 9 – термоизоляционный короб

Геокриологический стационара по изучению деформаций пучения массивов крупнообломочных пород представляет собой участок территории одного геоморфологического элемента рельефа, в пределах которого размещается две аналогично оборудованные пучиномерные площадки размером 50-60 м в длину и 30-40 м в ширину. Поскольку при строительстве природные условия нарушаются, на одной из площадкок почывекнно-растительный покров полностью снимается, на второй сохраняются природные условия. На каждой из площадок располагался пучиномерный полигон - ПП (для изучения неравномерности деформаций пучения по площади). В центральных их частях, были оборудованы дифференциальные пучиномерные экспериментальные установки - ДПУ. Нумерация ПП и ДПУ совпадала с номерами стационарных площадок.

Пучиномерные полигоны должны иметь по три профиля пучиномерных поверхностных марок, представляющих собой квадратные металлические пластины 10 х 10 см, толщиной 4 мм, с металлическим стержнем длиной до 30 см в нижней части марки и до 10 см - в верхней части. При установлении марки ее поверхность должна плотно прилегать к поверхности грунта. На всех площадках установливается по три профиля из 7 или 8 пучиномерных марок. Расстояние между профилями и пучиномерными марками должно составлять 5 м.

Наблюдения за изменением положения марок необходимо осуществлять техническим нивелированием два раза в год - перед началом протаивания и перед началом промерзания. Дифференциальные пучиномерные установки, в отличие от конст-рукции ВСЕГИНГЕО состоят не из двух невыпучивающихся реперов, а из одного и, кроме того, в нем монтируется термогирлянда для изучения динамики температурного режима пород. Репер должен быть изолированным от слоя сезонного промерзания и протаивания грунтов пластмассовыми трубами. Пространство между пластмассовыми трубами и металлическими реперами, необходимо изолировать от попадания воды сальниками и техническим вазелином. Глубина заложения репера изменяется в зависимости от геокриологических условий от 9,5 м. (глубина сезонного оттаивания не превышает 3 м) до 15 м (глубина сезонного оттаивания не превышает 5м). Вокруг репера на расстоянии не менее 1 м размещаются глубинные пучиномеры. Интервал их размещения с глубиной постоянный и определяется литолигическими особенностями разреза пород. В целом пучиномеры (с незначительными отклонениями) должны располагаться на глубинах 0,3; 0,6; 1.2; 1.5, 1.8, 2.1 и 2,5 м.

Замеры величин деформаций пучения осуществляются техническим нивелированием, либо штангельцыркулем по отношению к измерительной базе, с точностью до 1,0 мм. Для определения величины льдонакопления осенью и весной проходят зондировочные скважины на глубину равной больше 1,0-1,5 м мощности слоя сезонного оттаивания и промерзания пород.

Интенсивность пучения (осадки) по глубине (fx_.p) вычисляются поинтервально после определения величин перемещения глубинных пучиномеров по формуле:

fx_.p= Dh/h (5.25)

где Dh - величина пучения интервала мощностью h,м вычисленная как разность показаний пучиномера до и после промерзания. ­Модуль деформации пучения m_p, см/м вычислялся по формуле (Орлов, 1972):

m_p = Dhx/x (5.26)

где x - мощность промерзших пород за год.

Для характеристики неравномерности пучения по площади использовался модуль относительной неравномерности пучения по площади:

K_n.p.= (h_max – h_ср)/ h_ср (5.27)

где h_max, h_ср максимальная и средняя величины пучения для данной площади.

Методика лабораторных эспериментальных исследований пучения промерзающих грунтов. Отработка методики изучения морозоопасности крупнодисперсных грунтов в лабораторных условиях, в связи с отсутствием аналогов, являлась одной из основных задач исследований. Конструкция крупногабаритного стенда была выполнена с учетом опыта аналогичных исследований для тонкодисперсных грунтов. При этом учитывалась необходимость моделирования условий промерзания пород в «закрытой» и «открытой» системах (Shesternyov, 1997; Шестернев, Филатов, Кубасов, 1998). Экспериментальный крупногабаритный стенд был сконструирован с использованием холодильного шкафа «Gronland» (Рис. 5.11)

Рис. 5.11. Схема лабораторного стенда для изучения пучения крупнообломочных грунтов: пояснения в тексте.

Температура воздуха в камере холодильника (1) задавалась и поддерживалась в установленных пределах (точность ±±0,2°°С), обеспечивая постоянство во времени граничных условий на верхних торцах образцов. Образцы пород в рабочих кассетах устанавливались на электронный тепловой штамп (9), на поверхности которого поддерживалась температура 0,0,°°С. Выравнивание температуры в камере холодильника обеспечивалось перемешиванием воздуха вентилятором (2). Рабочие кассеты были изготовлены из оргстекла (4), толщи-ною 10-15мм. Тепловой штамп и рабочие кассеты с образцами пород помеща-лись в термоизоляционную оболочку из пенопласта (3), что минимизировало потери тепла с их боковых граней, обеспечивая надежность моделирования стационарного одномерного теплового потока при промерзании пород. Для выравнивания температур и предотвращения иссушения пород на верхней поверхности образца вмораживались, пластины из нержавеющей стали или латуни (6). В нижней части рабочих кассет находился коллектор воды, запол-нявшийся в ходе эксперимента крупно или среднезернистым, промытым кварц-полевошпатовым песком (7). Коллектор воды, отделялся от образца грунта, пластиной нержавеющей стали (8). В ней, в шахматном порядке через 0,5см располагались отверстия диаметром 0,1 см, для обеспечения поступления влаги в промерзающий образец пород. Подвод воды в коллектор обеспечивался по стеклянным трубкам, диаметром 1,0 см, изготовленным из лабораторного стекла (8).

Применение электронного штампа для термостатированиия образцов исследуемых пород технически является принципиально новым решением рассматриваемой проблемы. Разработанный электронный тепловой штамп представляет собой электронный термостат, поддерживающий заданную температуру на нижней поверхности образца пород. Для этого применена электронная схема с обратной следящей связью, состоящая из четырех структурных блоков: I) алюминиевой перфорированной пластины толщиной 3 мм; II) транзисторной системы для формирования теплового потока; III) устройства контроля за температурой на поверхности штампа; IY) электронного блока управления.

Одной из центральных задач при выборе габаритов стенда, являлась задача по выбору размеров лабораторных образцов пород. Они должны быть такими, чтобы развитие исследуемых процессов было бы максимально приближено к развитию их в натурных условиях. Поскольку специально выполненных методических разработок для изучения морозоопасности крупнодисперсных пород нет, при определении линейных размеров образцов использовалась методичес-кая схема, реализованная при изучении теплофизических их свойств (Шестернев, 1980; Шестернев, Ядрищенский, 1990). С учетом решаемых целевых задач, отношения высоты образца (Н) к его диаметру или к наименьшей стороне прямоугольника (l=10см) и диаметру наиболее крупной из крупнообломочных частиц (d_к), метрические размеры моделируемых образцов пород отвечали следующим соотношениям:2,0£Ј Н / l £Ј 3 и Н / d_к£Ј 25. Учитывая это, а также то, что размер обломков пород крупнодисперсной составляющей колебался в пре-делах от 2,0 до 4,0 см, высота рабочей кассеты была выбрана равной 35,0 см, включая высоту коллектора воды 5,0см. Площадь поперечного сечения кассе-ты составляла 100 см². Подготовка к экспериментам образцов пород, заданного гранулометрического состава осуществлялась в соответствии с классификацией Д.М. Шестернева [91]. В качестве мелкодисперсных составляющих были выбраны супесь и суглинок, крупнообломочной составляющей – гравийно-галечниковый материал, содержание которого изменяли от 10 до 70%.

Длительность опыта при температуре на верхней поверхности образца -1,0, °°С, составляла 30 суток, -3,0, °°С – 20 суток, -5,0, °°С – 15 суток и –10,0, °°С – 10 суток. Выбор длительности промерзания пород был определен экспериментально. При этих температурах образцы пород за указанные промежутки времени промерзали до 10- 25 см, что было достаточным для завершения опытов. По окончанию опыта инструментально определялась мощность промерзшей зоны образцов. Это позволяло не использовать приборы и оборудования для определения глубины промерзания с помощью датчиков температур, что упрощало решение задачи.

Морозоопасность (степень пучинистости - e?_п) крупнобломочных пород в натурных и лабораторных условиях вычислялась по формуле [53]

e?_{п =} h_п/x? (5.29)

где h_п - величина пучения, мм; x?- мощность промерзшей зоны пород, м.

Градиент температур промерзающего слоя пород (grad_Ht) вычисляли как отношение разности температур верхней (t₁) и нижней(t₂) поверхностей к расстоянию между ними (Н):

grad_Ht = (t₁ - t₂)/Н (5.30)

Скорость промерзания пород (V_пр) вычислялась как отношение мощности (x?,см.) промерзшего слоя к длительности промерзания пород (t?, сут.):

V_пр = x? / t? (5.31)

Для оценки морозоопасности пород использовалась классификация В.О. Орлова (1972), согласно которой по величине относительного пучения­ иссле-дуемые горные породы подразделяются на практически неморозоопасные­ (e?_п< 0,010), слабо морозоопасные (0,010 <e?_п< 0,035 ), средне морозоопасные (0,035 <e?_п< 0,070), сильно морозоопасные ( 0,070 <e?_п< 0,120 ) и чрезмерно морозоопасные­ (e?_п³­ 0,120 ).

Для исследования морозоопасности песчаных и глинистых грунтов в лабораторных условиях, разработан ГОСТ 28622-90. Испытания проводят на образцах грунта ненарушенного сложения с природной или заданной влажностью или на искусственно приготовленных образцах с заданной плотностью и влажностью, значения которых устанавливаются программой испытаний в зависимости от возможных изменений воднофизических свойств грунта в процессе строительства и эксплуатации сооружения. Испытания проводят не менее чем для трех параллельных образцов исследуемого грунта. Значение e_fh вычисляют как среднее арифметическое результатов параллельных определений. В случае, если разница между параллельными определениями превышает 30 %, число определений следует увеличить.

Отбор, упаковка, транспортирование и хранение монолитов и образцов грунта нарушенного сложения должны производиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12071. В случае отбора грунта в мерзлом состоянии его предварительно оттаивают под давлением, равным давлению от собственного веса грунта на горизонте отбора монолита. Образцы грунта, предназначенные для испытаний, должны иметь цилиндрическую форму диаметром не менее 100 мм и высотой (150 ± 5) мм. Размер крупноблочных включений в образце не должен превышать 20 мм. Образец грунта ненарушенного сложения вырезают с помощью металлической формы, внутренние размеры которой соответствуют размерам образца грунта, методом режущего кольца, приведенным в ГОСТ 5180.

Оборудование и приборы. В состав установки для определения относительной деформации морозного пучения должны входить: устройство для создания, поддержания и контролирования заданных условий промораживания образца грунта (верхняя и нижняя термостатированные плиты, жидкостной ультратермостат или термоэлектрическая батарея, термоконтакторы, термопары и т.д.); механизм для вертикального нагружения образца грунта (рычажные, гидравлические, пневматические, электромеханические и др. прессы); устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта (приборы для автоматической записи деформаций, индикатор часового типа и т.д.); обойма для помещения образца грунта; устройство, обеспечивающее непрерывный порядок воды к нижнему торцу образца грунта (поддон для обоймы, заполненный капиллярно-пористым материалом, и система подачи воды); теплоизоляционный кожух. Принципиальная схема установки показана на рис.5.13.

Конструкция установки должна обеспечивать: промораживание образца грунта при температуре на верхнем его торце минус (4 ± 0,2) °С и при монотонном понижении температуры на нижнем торце образца от плюс 1 до 0 °С, что обеспечивается автоматическим поддержанием температуры нижней термостатированной плиты плюс (1 ± 0,2) °С; возможность вертикального нагружения образца грунта давлением, равным давлению от собственного веса грунта на горизонте отбора образца, или давлением, равным предполагаемому давлению от постоянных нагрузок на заданной глубине, но не более 0,05 МПа; термическое сопротивление теплоизоляционного кожуха не менее 0,8 м² × К/Дж. Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать: измерение вертикальной деформации образца грунта с погрешностью не более 0,1 мм; измерение температуры образца грунта с погрешностью не более 0,2 °С.

Рис. 5. 12. Принципиальная схема экспериментальной установки для исследований морозоопасности дисперсных грунтов:

1 - образец грунта; 2 - обойма; 3 - нижняя термостатированная плита; 4 - верхняя термостатированная плита; 5 - блок автоматического терморегулирования; 6 - датчики температуры; 7 - капиллярно-пористый материал; 8 - устройство для подачи воды; 9 - индикатор перемещения; 10 - кронштейн; 11 - шток механизма для нагружения образца грунта; 12 - поддон обоймы; 13 - теплоизоляционный кожух

Обойму цилиндрической формы для помещения образца грунта изготавливают из малотеплопроводного материала (например, органического стекла). Обойма должна состоять из отдельных колец высотой 2 - 5 см, соединенных между собой, и иметь внутренний диаметр не менее 100 и высоту 150 мм.

В качестве капиллярно-пористого материала для поддона обоймы может быть использован чистый мелкозернистый песок, карборунд и т.п. Высота слоя капиллярно-пористого материала должна составлять 50 мм.

Проведение испытаний. Образец грунта в обойме, смазанной внутри тонким слоем технического вазелина или покрытой слоем антифрикционного материала, помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона и проводят следующие операции: на верхний торец образца устанавливают термостатированную плиту; проверяют положение штока механизма для нагружения образца по отношению к центру образца; устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций образца грунта; подключают систему непрерывного подтока воды к образцу; к образцу грунта плавно, прикладывают нагрузку, создавая давление и записывают начальные показания приборов. Установку помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре плюс (1 ± 0,5) °С не менее суток. Включают автоматизированную систему для задания температурного режима промораживания образца.

В ходе испытания через каждые 12 ч снимают показания приборов для измерения вертикальной деформации образца грунта и температуры верхней и нижней термостатированной плиты. Во избежание переохлаждения грунта через 12 ч с начала испытания следует вызвать начало кристаллизации влаги в образце легким постукиванием по верхней термостатированной плите. Во время испытания необходимо следить за непрерывностью подтока воды к образцу. В обоснованных случаях допускается проведение испытаний без увлажнения образца грунта. При этом между образцом и капиллярно-пористым материалом укладывают влагонепроницаемую пленку. Испытание прекращают при достижении температуры 0 °С на нижнем торце образца. Сразу после окончания испытания образец извлекают из обоймы, разрезают вдоль вертикальной оси, измеряют фактическую толщину промерзшего слоя (за исключением зоны пластично-мерзлого грунта) и описывают его криогенную текстуру.

Обработка результатов. Относительную деформацию морозного пучения образца грунта e_fh вычисляют с точностью 0,01 по формуле e_fh = h_f / d_i, (здесь h_f - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; d_i - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.)

В процессе подготовки, проведения и обработки результатов испытаний ведут журнал.

Журнал

Испытаний грунта для определения степени пучинистости

Объект ________________________________________________

Номер выработки ____________________________________

Глубина отбора образца _______________ Дата отбора ______

Лабораторный номер образца _____________________________

Наименование грунта _________________________________

Сложение грунта _____________________________________

Условия проведения испытаний ________________________

Диаметр образца d ______ Высота образца h______________

Площадь образца А _________________________________

Плотность грунта _____ Влажность грунта _____________

n - отношение плеч рычага

Руководитель лаборатории __________________________

подпись, инициалы, фамилия

Ответственный исполнитель ________________________

должность, подпись, инициалы, фамилия

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите названия физико-механических процессов в мерзлых грунтах, причиной развития которых являются внешние нагрузки.

2. Чем отличаются деформации сдвига, сжатия и растяжения при постоянной внешней нагрузке?

3. Какое значение имеет консолидация мерзлых грунтов для проектирования и строительства инженерных сооружений?

4. Как изменяются коэффициенты сжимаемости мерзлых грунтов от температуры при постоянной нагрузке?

5. Как влияет льдистость грунтов на реологические свойства грунтов?

6. Какие факторы влияют на деформацию мерзлых грунтов?

7. Что вы можете сказать о влияни криогеного строения на вязкопластические деформации грунтов?

8. Какие факторы определяют прочность грунтов на сдвиг?