Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Грунтоведение

Определение характеристик деформации мерзлых грунтов

Осадка при оттаивании - это уплотнение образца мерзлою грунта за счет его оттаивания в условиях компрессии, г. с. без возможности боковою расширения. Она может также возникать в грунтах без дополнительного внешнего давления, но чаще ее определяют под нагрузкой, соответствующей бытовому давлению или весу сооружения. Существует аналогия между осадкой при оттаивании и просадкой при замачивании грунтов, однако, в первом случае ее причинами является изменение температурного режима грунта, а во втором - влажностного.

Осадку при оттаивании можно разделить на две части. Первая часть собственно осадка или, точнее, просадка оттаивания, возникает за счет вытаивания льда. Вторая часть - это осадка уплотнения, которая вызывается уменьшением пористости под действием собственного веса оттаявшего грунта и нагрузки от сооружения. Таким образом, осадку оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения основания следует определять по формуле

где s,i, - составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса оттаивающего грунта, м; sp - составляющая осадки основания, обусловленная дополнительным давлением на грунт веса сооружения, м.

Составляющую осадки основания S,/, надлежит определять по формуле [92]

где п - число выделенных при расчете слоев грунта; А,/,,/ - коэффициент оттаивания, д. ед.; irt/j - коэффициент сжимаемости, кПа ', /-го слоя оттаивающего грунта, принимаемый по

•экспериментальным данным; Л, - толщина /'-го слоя оттаивающего грунта, м; azgj - вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине /'-го слоя грунта, кПа (кгс/см“).

Изменение коэффициента пористости (е) мерзлого грунта при оттаивании и компрессионном сжатии описывается уравнением:

Величина пі/,! зависит от множества факторов, среди которых основным является суммарная льдистость грунта. С ростом суммарной льдистости осадка при оттаивании увеличивается. В общем виде суммарный коэффициент сжимаемости складывается из частных коэффициентов сжимаемости за счет упругого сжатия, закрытия пор и дефектов, фазового перехода льда в незамерзшую воду и оттока незамерзшей воды.

Осадки грунтов под сооружением, как правило, неравномерные: во-первых, из-за неравномерного оттаивания; во-вторых, из-за различной льдистости грунта под сооружениями в пределах зоны оттаивания. По сравнению с уплотнением того же немерзлого грунта деформации осадки при оттаивании обычно намного выше в том же интервале нагрузок. Суммарная осадка может составлять от 2...5 см до 20...30 см на 1 м оттаявшей толщи, а для сильнольдистого грунта (льда больше 40 %) осадка может быть еще больше. Мапопросадочными являются лишь маловлажные пески и крупнобломочные грунты с песчаным заполнителем.

Кроме льдистости, осадка при оттаивании определяется типом криогенной текстуры, зависящей от суммарной влажности, дисперсности и иных особенностей мерзлого грунта. Наибольшей осадкой при оттаивании обладают мерзлые глинистые грунты с сетчатой и слоистой криогенной текстурой, т. е. содержащие ледяные прослойки.

Испытание мерного грунта методом компрессионного сжатия [17] для песков и глинистых грунтов (кроме песков фавелистых и крупных), а также заторфованных. засоленных и сыпучсмерзлых разностей проводят для определения следующих характеристик деформируемости:

  • • коэффициента сжимаемости пластичномерзлых грунтов ////, МПа-1;
  • • коэффициента оттаивания А,/,;
  • • сжимаемости при оттаивании т.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность боковою расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой в мерзлом или оттаянном состоянии. Нагрузку при испытаниях определяют из условия, что на первой ступени нагружения давление должно быть равно напряжению от собственного веса на глубине отбора образца, а на последней ступени - расчетному сопротивлению грунта под подошвой фундамента R, задаваемому в программе испытаний.

Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5. Толщина прослоек льда в образце должна быть не более 2 мм, а льдистость /,<0,4. Дня испытываемых грунтов дополнительно к физическим показателям должны быть определены следующие характеристики: текстура, влажность за счет ледяных включений и льдистость.

В состав установки для испытаний грунта методом компрессионного сжатия должны входить: компрессионный прибор (одометр); механизм для вертикального нагружения образца грунта; устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

Образец грунта в рабочем кольце помещают в направляющий цилиндр одометра, ставят штамп и центрируют его; подготавливают устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта симметрично относительно оси штампа; одометр устанавливают на станину под пресс и центрируют; образец диаметром 71,4 мм выдерживают при температуре испытания не менее суток, диаметром 112,8 мм - не менее двух суток. Затем

записывают начальные показания приборов, фиксируют температуру и время начала испытания или включают автоматическую запись.

К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку первой ступени нагружения. После стабилизации деформации увеличивают нагрузку на образец ступенями нагружения. Число ступеней должно быть нс менее пяти. Каждую ступень нагружения следует прикладывать после условной стабилизации вертикальной деформации образца грунта на предшествующей ступени.

При испытаниях для определения коэффициентов A,h и т после условной стабилизации деформации на первой ступени нагружения производят оттаивание образца грунта, повышая температуру воздуха в помещении для испытаний, при этом фиксируют деформации образца грунта до достижения их условной стабилизации. Далее продолжают испытание грунта в оттаявшем состоянии. Приращение давления при этом на последующих ступенях принимают 0,05 МПа для глинистых грунтов и 0,075 МПа для песков.

На каждой ступени нагружения записывают показания приборов (устройств) для измерения вертикальной деформации образца грунта через интервалы времени.

По результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

  • абсолютную стабилизированную вертикальную деформацию образца грунта ДА,, мм, как среднее арифметическое показание приборов (устройств для измерения вертикальной деформации образца грунта);
  • относительную стабилизированную вертикальную деформацию образца грунта мерзлого €/И талого e,h-

При испытании для определения коэффициентов A,h и т значение с,* определяется по формуле

где Ahi - абсолютная стабилизированная деформация образца грунта после оттаивания, мм; Дhg - абсолютная стабилизированная деформация образца грунта на первой ступени нагружения (при давлении, равном напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца, до его оттаивания), мм; Л, - высота образца грунта после обжатия (до его оттаивания), мм.

По вычисленным значениям строят графики зависимости €/Да) и e,h =./(<7), где а — напряжение в образце на каждой ступени нагружения, МПа (рис. 8.23, а и б).

Коэффициенты сжимаемости пластичномерзлого грунта т#, МПа , определяют как величины, численно равные тангенсам углов наклона а, прямых, проведенных из начала координат через точки pi и cfj с точностью 0,001 МПа

По значениям коэффициента сжимаемости тр может быть вычислен модуль деформации:

где β - коэффициент, равный 0,8.

Коэффициенты оттаивания А,/, и сжимаемости при оттаивании т мерзлого грунта определяют по прямой наилучшего приближения к экспериментальным точкам (рис. 8.23, б) или методом наименьших квадратов, как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси e,h и тангенс угла се наклона к оси/7 [17].

Результаты испытания мерзлого грунта методом компрессионного сжатия

Рис. 8.23. Результаты испытания мерзлого грунта методом компрессионного сжатия: а - мерзлого грунта: 6 - при его оттаивании

Компрессионная сжимаемость мерзлых грунтов, как и немерзлых, существенно 'зависит от их литологического состава: наименьшей сжимаемостью обладают мерзлые пески, а наибольшей - глины. Уплотнение мерзлых грунтов при компрессии происходит в основном за счет смыкания свободных пор (не занятых льдом и водой), отжатия незамерзшей воды и проявления пластических свойств льда. Оно также сильно зависит от типа криогенной текстуры грунта, его льдистости, суммарной влажности и других физико-химических факторов. Мерзлые грунты с одинаковой или близкой суммарной влажностью, но с разной криотекстурой имеют разную сжимаемость: чем больше в грунте ледяных включений, тем выше его сжимаемость (или меньше компрессионный модуль деформации). Грунты с массивной криогенной текстурой и лед имеют наименьшую сжимаемость.

В мерзлых грунтах влияние температуры на сжимаемость грунтов связано с фазовыми переходами "вода-лед" в порах и изменением прочности контактов между структурными элементами. При понижении отрицательной температуры все новые порции незамерзшей воды переходят в лед, что приводит к увеличению прочности контактов между структурными элементами грунта, формирующихся с участием льда. В результате этого компрессионная сжимаемость такого грунта закономерно снижается при понижении температуры.

Большое влияние на сжимаемость мерзлых дисперсных грунтов оказывает их засоленность, так как она во многом определяет количество в грунте незамерзшей воды. Поскольку с ростом засоленности количество незамерзшей воды в грунте увеличивается, то возрастает и его сжимаемость.

Компрессионная сжимаемость мерзлых грунтов зависит и от температуры. При этом наибольшее влияние отрицательная температура оказывает на сжимаемость высокодисперсных, а также засоленных грунтов, в которых содержится наибольшее количество незамерзшей воды. С уменьшением дисперсности и засоленности грунтов влггяние отрицательной температуры на компрессионную сжимаемость падает, так как в таких грунтах практически вся вода содержится в фазе льда, а его сжимаемость мало зависит от температуры.

Из внешних факторов на параметры компрессионной сжимаемости влияет и давление. Коэффициент сжимаемости и модуль компрессионной деформации зависят от интервала давлений, в которых они определяются. При этом модуль компрессионной деформации чистого льда снижается с ростом давления, а для мерзлого грунта эта зависимость характеризуется кривой с минимальным давлением [50].

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Популярные страницы