Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdf3)физико-химические, направленные на качественную перера ботку грунтов (понижающую их свободную поверхностную энер гию) для получения непучинистых оптимальных грунтовых смесей или стабилизированных морозостойких грунтовых оснований;
4)комплексные, включающие почти все предыдущие меры, и в первую очередь, искусственное засоление грунтов и послойное ди
намическое их переуплотнение.
Комплексные меры базируются на исследованиях лаборатории инженерного мерзлотоведения в гидротехнике кафедры «Механики грунтов, оснований и фундаментов» МИСИ (работы С. Б. Ухова, Я. А. Кроника и др.) совместно с управлением строительства Вилюйской ГЭС и Хантайской ГЭС (работы Г. Ф. Биянова, Ю. Н.Мыз-
никова и др.) *.
Наиболее эффективными и более разработанными методами противопучинной мелиорации грунтов в настоящее время явля ются: физико-химический и комплексный методы, которые мы и рассмотрим несколько подробнее.
Физико-химический метод включает в себя следующие спо
собы **: |
|
|
понижающее их темпера |
|
а) |
искусственное засоление грунтов, |
|||
туру |
замерзания |
и |
препятствующее |
промерзанию (работы: |
С. Б. Ухова, 1959; |
Б. |
И. Далматова |
и В. С. Ласточкина, 1960; |
|
Я. А. Кроника, 1968 и др.); б) искусственное изменение поглощающего комплекса путем
внесения неорганических соединений, резко изменяющих величину удельной поверхности грунтов, их фильтрационные и капиллярные свойства (работы: У. Лемба, 1962; И. А. Тютюнова и 3. А. Нерсе совой, 1957 и 1967 и др.);
в) обработку грунтов гидрофобизаторами, изменяющими каче ство поверхности грунтовых частиц и уменьшающими их смачива емость (работы: М. Т. Кострико, 1957 г.; Г. Винтернкорна, 1955 г.; И. И. Черкасова, 1957 г.; И. В. Бойко, 1968 г. и др.);
г) электрохимическую обработку грунтов (работы: К. Н. Дья кова, 1968 г.; Г. Н. Жинкина, 1959 г. и др.).
Большой вклад в разработку искусственного засоления грунтов
как меры борьбы с морозным пучением внесли (по мнению автора) работы С. Б. Ухова ***, Я. А. Кроника и др., выполненные в МИСИ под руководством автора, и работа **** Б. И. Далматова и В. С. Ла
* 1. Н. А. Ц ы т о в и ч , С. Б. Ух о в , Я. А. К р о н и к . Комплексные ме роприятия физико-химического метода борьбы с морозным пучением грунтов на сыпей. Доклады к Дунайско-Европейской конференции по механике грунтов в до рожном строительстве (май 1968 г., Вена). Изд-во НИИ оснований, 1968.
2. Я. А. Кр о н и к . Противопучинная мелиорация глинистых грунтов Край него Севера в плотиностроении (диссертационная работа, МИСИ, 1970).
**3. А. Н е р с е с о в а . Пучение пылеватых суглинков и физико-химиче ские приемы борьбы с ними. Труды НИИТрансстроя, вып. 62, 1967.
***С. Б. Ухов . Искусственное засоление связных грунтов для возведения насыпей в зимнее время. Диссертация. МИСИ. 1960.
* * Б. И. Д а л м а т о в , В. С. Л а с т о ч к и н . Искусственное засоление грунтов в строительстве. Госстройиздат, 1966.
рующими водами и влияние степени засоления грунта на величину морозного пучения и изменения показателей физико-механических свойств грунтов (сжимаемости и сопротивления сдвигу).
При производстве работ по противопучинному засолению грун тов рекомендуется, учитывая скорость перераспределения соли в массиве грунта, обрабатывать грунт не менее чем за 2—3 месяца до наступления морозов (что определяется соответствующими
расчетами).
В последние годы метод искусственного засоления грунтов ус пешно внедряется в ряде мест в целях предохранения грунтов от смерзаемости и обеспечения их зимней разработки и укладки в тело земляных сооружений.
Так, удачным примером применения этого метода может слу жить опыт засоления грунтов основания малонагруженных фунда ментов Воркутского телецентра (под руководством И. В. Бойко) и ряд успешных опытов американских дорожников (X. Смита, Р. Хар
ди и др.).
Как показали дальнейшие исследования и производственный опыт, действие только искусственного засоления грунтов для борь бы со смерзаемостью грунтов и как противопучинная мера оказа лось недостаточно длительным, так как через 2—4 зимних сезона грунт рассоляется и пучение возобновляется. Использование же метода засоления грунтов для односезонной ликвидации смерзаемо сти или противопучинной обработки грунтов на 2—3 сезона можно рекомендовать для широкого применения на практике.
Искусственное изменение поглощающего комплекса грунтов,
как метод противопучинной обработки грунтов, базируется, глав ным образом, на исследованиях 3. А. Нерсесовой* и И. А. Тютюнова **,* которые показали, что изменяя состав обменных катионов грунтов, можно значительно снизить пучение их при промерзании, при этом, по степени снижения морозного пучения грунта обмен ные катионы располагаются в следующий ряд:
Na+, К+> С а ++; Mg++> F e +++, А1+++
Как было отмечено ранее (см. § 2 настоящей главы; рис. 27, 28, 29), засоление грунтов хлоридами с одновалентными катионами
(КС1 и NaCl) полностью устраняет миграцию воды к фронту про мерзания и морозное пучение, даже при свободном подтоке воды.
Так на рис. 45 приведены результаты опытов 3. А. Нерсесовой с образцами естественного пылеватого суглинка 1 и суглинка, об
работанного КС1 (кривые^, 3) з количестве, соответствующем ем кости поглощения, из которого после воздействия КС1 были дли тельным промыванием воды удалены водорастворимые соли. Эти опыты показали, что противопучинное действие К-иона сохраняется и проявляется в полной мере, так как миграция воды и пучение
*См. сноску на стр. 66.
**См. сноску на стр. 65.
***См. сноску на стр. 100.
образца грунта, обработанного КС1 и отмытого от соли, практиче ски не имели места (рис. 45, кривые 3 и 2).
Однако, как показали полевые опыты в Сковородино *, продол жительность противопучинного действия КС1 сохраняется лишь в течение нескольких (около трех) лет.
Таким образом, физико-химические методы борьбы с морозным пучением грунтов, являясь в чистом виде весьма эффективными и перспективными, требуют, однако, разработки мер по увеличению срока их противопучинного действия.
|
Обработка грунтов гидрофобизаторами позволяет полностью |
||||||
исключить их пучинные свойства, |
|
||||||
а |
применение |
диспергаторов |
|
||||
(ИагРгОу) и коагуляторов |
(FeCl3), |
|
|||||
значительно их понизить; но эти |
|
||||||
меры борьбы с морозным пуче |
|
||||||
нием грунтов также не являются |
|
||||||
длительно устойчивыми, |
что |
вы |
|
||||
зывает |
необходимость |
дальней |
|
||||
ших исследований. |
|
обработка |
|
||||
|
Электрохимическая |
Рис. 45. Пучение при промерзании об |
|||||
грунтов с усилением |
ее |
химиче |
|||||
скими |
добавками |
|
(например, |
разцов сковородинского суглинка: |
|||
|
/ — естественного; 2 — обработанного КС1; |
||||||
раствора |
СаСЬ) |
позволяет |
не |
3 — после удаления избытка КС1 |
|||
только уменьшить морозное пуче ние переувлажненных глинистых грунтов, но и значительно их
упрочнить*** Однако долговечность этого способа еще недостаточ но проверена.
Комплексный метод противопучинной мелиорации грунтов, как отмечалось ранее, включает ряд противопучинных мер, обеспечива ющих формирование структуры грунта, стабильной в течение дли тельного срока: засоление до равновесной концентрации порового раствора соли, динамическое уплотнение грунта, большее стандарт ного уплотнения для земляных сооружений из немерзлых грунтов, а также (три необходимости) теплофизические меры (изоляцию) и пригрузку.
Этот метод разработан на кафедре механики грунтов, основа ний и фундаментов МИСИ *** Я. И. Кроником и в настоящее вре мя с успехом внедряется в северном плотиностроении.
После засоления, обеспечивающего замещение поглощенных катионов грунта на катионы вносимой соли (преимущественно од новалентные), создается (путем динамического уплотнения грун та) водоустойчивая структура грунта, стабильная в течение дли
тельного времени.
При соответствующей оптимальной плотности преобладающими
* Ю. Д. Д у б н о в . Опыт применения KCI как средства борьбы с выпучи ванием фундаментов сооружений. Сб. трудов ВНИИ Трансстроя, вып. 62, 1967.
**Г. Н. Ж и н к и н [и др.]. Электрохимическая обработка пучинистых грун тов. Сб. № 62 ВНИИ транспортного строительства, 1967.
***См. сноску * 2 и * 1 на стр. 100.
силами взаимодействия между грунтовыми частицами становятся химические силы сцепления, которые обусловливают образование из коагуляционных структур конденсационных (по П. А. Ребинде ру), отличающихся более высокой прочностью и не способных к остаточным деформациям. Исследованиями Я. А. Кроника экспе риментально установлено, что формирование коагуляционно-кон денсационной структуры глинистых грунтов начинается при опре деленной их плотности, например, для вилюйских суглинков при объемном весе скелета грунта уск= (0,90-М,03) у СКоптим (по ВСН 97—63).
ли
Рис. 46. Пучение образцов вилюйского суглинка при многократном замораживании и оттаивании:
{л7'1Н^ асоленного; 3 — засоленного |
NaCl; |
3 — засоленного |
КЛЛ; 4 — засоленного СаСЬ (средний |
у ск - |
2 Г/сл3; средняя |
V - 15%) |
|
|
Для получения же устойчивой, стабильной в течение длитель ного времени коагуляционно-конденсационной структуры глини стых грунтов, при противопучинном их засолении необходимо ди намически уплотнять засоленный грунт до плотности несколько большей оптимальной для незасоленных грунтов, например, для вилюйских суглинков ПрИ оптимальной влажности — до уСк= = (1,05-М,08) уск.оптим (по ВСН 97—63).
Проверка устойчивости комплексной протйвопучинной стабили зации грунтов осуществлялась на специальной установке * путем многократного промораживания и оттаивания образцов грунта в условиях открытой системы.
Результаты одного из опытов МИСИ при 16-кратном замора живании и оттаивании приведены на рис. 46.
Экспериментами также установлено, что снижение относитель
ного пучения засоленного грунта |
Ки.з по сравнению с относитель |
|
Я* |
Кр он и к, С. Б. Ухов, Н. |
А. Ц ы т о в ич. Искусственное засоле- |
"Гн.ша гр7нтовЛ»П%9.Ь№ 1? МОрозным пУчением- «Основания, фундаменты и ме-
ным пучением незасоленного /Сп имеет экспоненциальный характер
(рис. 47) и достаточно точно описывается уравнением следующего вида:
—а |
с |
п,р |
|
tfn .3 = tfne |
( 11. 20) |
где а и р эмпирические коэффициенты, приблизительно равные для исследованных суглинков а=7; р=9,12-10~4; С» — равновес ная концентрация раствора, обеспечивающая незамерзание его при данной температуре —0° С; Сп.р — фактическая концентрация порового раствора, г/см3, определяемая по формуле *
Сп.р |
_________ fTjbp__________ |
( 11. 21) |
||
^ з - ^ н . о + О + 0,01Г „ .о)5 ’ |
||||
|
|
|
||
■s.— засоленность грунта, %; Wa— влажность засоленного |
грунта, |
|||
% ; W'H.O — влажность «нерастворяющего объема»; W'H.O " W V C, |
т . е. |
|||
может быть принята равной количеству прочносвязанной воды |
(по |
|||
А. Ф. Лебедеву); уп.р — удельный вес порового раствора, г!см3.
В строительной практике можно с достаточной точностью при
нять р=0, тогда формула (11.20) упростится и примет вид |
|
Ап.3^ А пе х р ( - а - ^ ) . |
(11.22) |
Полученная экспоненциальная зависимость показывает, что уже |
|
при засолении до концентраций порового раствора Сп.р, |
равных |
0,3-4-0,5 от равновесной Се, величина относительного пучения сни жается до 15 раз, а при засолении до Сп.р= (0,8-^0,9) Со — проис ходит полное подавление пучения, при этом минимальный расход соли, обеспечивающий необходимое замещение поглощенных кати онов (по опытам Ф. И. Тютюновой), должен соответствовать око ло 3/4 емкости поглощения данного грунта.
Процесс рассоления грунтов при многократном замерзании — оттаивании, как показывают опыты МИСИ, происходит практиче ски только в ходе оттаивания грунта, причем для начала развития этого процесса необходимо не менее 1—2 суток. В результате 16 циклов замерзания — оттаивания в засоленных образцах суглинка было вынесено только 20—27% соли, при этом основное рассоле ние произошло при первых 4—5 циклах (рис. 48). Эти данные со гласуются с результатами натурных наблюдений Мотла, согласно которым, спустя 10 лет в засоленном грунте остается еще до поло
вины внесенной соли. |
в |
о |
Отметим, что при возведении экрана |
плотины Вилюйской ГЭС, |
|
где .свыше 300 тыс. м3 суглинков было уложено при отрицательных температурах воздуха, достигающих —40° С, укладка грунтов с
См. сноску на стр. 104.
послойным противопучинным засолением растворами NaCl и СаС12 и соответствующим уплотнением оказалась более экономичной, чем
предварительное засоление всего объема отсыпаемого зимой грунта *.
Рис. |
47. |
Зависимость |
относитель |
Рис. |
48. Экспериментальная |
зависимое |
|||
ного |
пучения |
грунтов |
от степени |
количества соли, вынесенной (gc) и остав |
|||||
|
|
их засоления: |
шейся |
в образце |
засоленного |
грунта (Gc] |
|||
С — суглинок |
подмосковный; Л — суг |
в зависимости от числа циклов замерзания |
|||||||
линок |
внлюйский; X — суглинок по |
оттаивания (в %) |
и от начального содержа |
||||||
кровный; |
И---- суглинок |
дальневосточ |
|
ния соли |
(Geo): |
|
|||
|
|
|
ный |
|
Н---- засоление СаС12; |
О — засоление NaCl; |
|||
|
|
|
|
|
|
X — засоление КС1 |
|
||
Изложенные результаты исследований и производственный опыт строительства плотин Вилюйской и Хантайской ГЭС из мест ных материалов показывают, что комплексный метод противопучинной мелиорации грунтов можно рекомендовать к более широ кому внедрению в практику строительства гидротехнических сооружений и оснований легких сооружений, а также для обеспе чения зимней укладки связных грунтов в насыпи.
* Я. А. К р о н и к. |
Противопучинное засоление суглинков |
при |
зимнем воз |
|||||||
ведении экрана |
плотины |
Вилюйской |
ГЭС. |
Экспресс-информация |
ОЭС. |
Серия |
||||
«Строительство |
гидроэлектростанций», |
№ |
8 |
(236), |
1968. |
Е. |
Н. |
Б а т е н ч у к , |
||
Г. Ф. Б и я н о в [и др.]. Зимняя укладка |
связных |
грунтов |
на |
Крайнем |
Севере. |
|||||
Изд-во «Энергия», 1968. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
ИИХ ЗНАЧЕНИЕ
§1., О внутренних связях в мерзлых грунтах
Мерзлые и вечномерзлые грунты являются телами, в которых напряжения и деформации, возникнув под действием внешней на грузки, не остаются постоянными, а с течением времени меняются, обусловливая процессы релаксации (расслабления) напряжений и ползучести (нарастания деформаций во времени).
Эти процессы называются реологическими (от слова реология:
по-гречески ресо — течь; ^coycos — учение, |
т. е. учения об изменени |
ях во времени — течении — напряжений |
и деформаций тел). |
Большое развитие реологических процессов в мерзлых грунтах обусловлено особенностью их внутренних связей, в которых перво степенную роль играет лед, представляющий собой идеально теку чее твердое тело.
Следует различать три основных вида внутренних связей в мерз лых грунтах.
1.Чисто молекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса — Лондо на) в контактах твердых минеральных частиц грунтов, величина которых зависит от площади непосредственных контактов, расстоя ния между минеральными частицами, их уплотненности и физикохимической природы частиц. С увеличением внешнего давления эти связи растут, но устойчивость минеральных частиц в -некото рых контактах может нарушаться.
2.Льдоцементные связи — главнейшие связи, почти полностью обусловливающие прочностные и деформативные свойства мерз лых грунтов, но зависящие от очень многих факторов: величины отрицательной температуры, общего содержания льда в мерзлых
грунтах (льдистости), строения и крупности ледяных включений и их положения по отношению к направлению действующих уси лий, содержания во льду незамерзшей воды, включений газов, пус тот и пр.
3. Структурно-текстурные связи, зависящие от условий образо вания, формирования и последующего существования мерзлых и вечномерзлых грунтов. В зависимости от сложения и строения мерзлых грунтов различные структурные элементы их будут де формироваться по-разному. Здесь существенное значение будет иметь неоднородность строения (наличие агрегатов, свободной пористости и пр.), причем, чем больше неоднороден мерзлый грунт, тем больше дефектов структуры и сложения он будет иметь и меньше будет сопротивляемость структурных элементов и всего мерзлого грунта.
Следует иметь в виду весьма сложное строение мерзлых грун тов: наряду с непосредственными контактами минеральных частиц между собой, будут иметь место контакты и спаянность минераль-
Вязкость льда при силе, перпендикулярной главной оси, равна
Tij.= 1010-f-10u пз, а при силе, параллельной главной |
оси, -пн = |
= 1014-М 015 пз. |
структуре, |
Такая анизотропия льда соответствует внутренней |
«подобной колоде игральных карт, смазанных незасохшим клеем» (по Д. Мак-Кеннелу). «Промежутки между этими элементарными пластинками (плоскостями наиболее густого расположения атомов) являются плоскостями ослабления, слабо сцементировалными меж ду собой *. Это ослабление существенно влияет на прочностные свойства льда и является местом распространения внутреннего таяния льда.
Величина критического сдвигающего напряжения, при котором возникает пластическое течение льда, очень мала, если судить по пределу упругости при сдвиге, который меньше 0,1 кГ/см2.
Анизотропия льда наиболее резко проявляется в пластических свойствах (обусловленных внутренними сдвигами в кристаллах льда), существенно влияет на прочностные свойства льда и почти не влияет на упругие свойства.
Кроме ярко выраженной анизотропии, внутренние связи льда в высокой степени чувствительны к изменениям отрицательной тем пературы, возрастая с ее понижением. Так, по опытам Н. К. Пекар ской **, при изменении температуры льда от —1,5 до —3,5° вели чина мгновенного сцепления (по шариковой пробе) оказалась равной соответственно 22 и 45 кГ/см2, т. е. примерно в 2 раза боль ше. Последнее можно объяснить уменьшением подвижности атомов водорода в структурной решетке льда, вследствие чего с пони жением температуры молекулы льда становятся более устойчивы ми, упрочняя лед.
Силы сцепления льда с минеральными частицами не определя лись, тогда как опыты по определению прочности смерзания льда с материалом фундаментов (деревом и бетоном) были поставлены еще в начале 30-х годов***. Эти опыты, производившиеся методом
продавливания стоек, вмороженных |
в грунт, дали (при стандарт |
|||
ной скорости |
возрастания |
нагрузки |
в 20 кГ/см2-мин) следующие |
|
результаты: |
при 0 = —1°С |
тСм=5 |
кГ/см2; при 0 = —5°С |
тСм= |
= 6 кГ/см2; при 0 = —7° С гСм=12 кГ/см2 и при 0 = —20° С |
тСм= |
|||
= 22 кГ/см2, т. е. силы смерзания льда значительно возрастали с понижением отрицательной температуры.
В более поздних опытах (С. С. Вялова) **** испытания проводи лись методом выдергивания деревянных стоек из льда при различ ной скорости возрастания нагрузки, причем было обнаружено хруп-
* См. сноску на стр. 51.
** Н. К. П е к а р с к а я . Сопротивление сдвигу многолетнемерзлых грун тов различной текстуры и льдистости. Сб. Исследований по физике и механике мерзлых грунтов. Изд-во АН СССР, 1961.
***См. сноску ** 1 на стр. 90.
**** См. сноску на стр. 69.