8.3.2.4. Определение характеристик деформации мерзлых грунтов

Осадка при оттаивании – это уплотнение образца мерзлого грунта за счет его оттаивания в условиях компрессии, т. е. без возможности бокового 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 осадки – 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:

s_i = s_th + s_p,

где s_th – составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса оттаивающего грунта, м; s_p – составляющая осадки основания, обусловленная дополнительным давлением на грунт веса сооружения, м.

Составляющую осадки основания s_th, надлежит определять по формуле [92]:

,

где n – число выделенных при расчете слоев грунта; A_th,i – коэффициент оттаивания, доли единицы, m_f,i – коэффициент сжимаемости, кПа^–1, i^-го слоя оттаивающего грунта, принимаемые по экспериментальным данным; h_i – толщина i^–го слоя оттаивающего грунта, м, _zg,i – вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i^–го слоя грунта, кПа (кгс/см²).

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

.

Величина m_f,i – зависит от множества факторов, среди которых основными являются сум­марная льдистость грунта, с ростом суммарной льдистости осадка при оттаи­вании увеличивается. В общем виде суммарный коэффициент сжимаемости складывается из частных коэффициентов сжимаемости за счет соответственно 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. Малопросадочными 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 мерзлого грунта методом компрессионного сжатия [17] для песков и глинистых грунтов (кроме песков гравелистых и крупных), а также заторфованных, засоленных и сыпучемерзлых разностей проводят для определения следующих характеристик деформируемости:

• коэффициента сжимаемости пластичномерзлых грунтов m_f, МПа^–1

• коэффициента оттаивания А_th,

• сжимаемости при оттаивании m.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагружении вертикальной нагрузкой в мерзлом или оттаянном состоянии. Hагрузку 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 i_i≤0,4. Для 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, на образец грунта 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; выдерживают образец при температуре испытания не менее суток для образца диаметром 71,4 мм и не менее двух суток для образца диаметром 112,8 мм; записывают начальные показания приборов; фиксируют температуру и время начала испытания или включают автоматическую запись.

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

При испытаниях для определения коэффициентов А_th и m после условной стабилизации деформации на первой ступени нагружения производят оттаивание образца грунта, повышая температуру воздуха в помещении для испытаний и фиксируют при этом деформации образца грунта также до достижения условной стабилизации деформации. 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.

Hа 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 Δh_i, мм, как среднее арифметическое показание приборов (устройств для измерения вертикальной деформации образца грунта);

• относительную стабилизированную вертикальную деформацию образца грунта мерзлого ε_f и талого ε_th .

При испытании для определения коэффициентов А_th и m значение ε_th определяется по формуле:

где Δh_i – абсолютная стабилизированная деформация образца грунта после оттаивания, мм; Δh_g – абсолютная стабилизированная деформация образца грунта на первой ступени нагружения (при давлении, равном напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца, и до его оттаивания), мм; h_i – высота образца грунта после обжатия (до его оттаивания), мм.

По вычисленным значениям строят графики зависимости ε_f=f(σ) и ε_th=f(σ), где σ – напряжение в образце на каждой ступени нагружения, МПа (рис. 8.23, а и б).

Коэффициенты сжимаемости пластичномерзлого грунта m_f,i, МПа^–1 определяют как величины, численно равные тангенсам углов наклона α_i прямых, проведенных из начала координат через точки p_i и ε_f,i с точностью 0,001 МПа^–1 по формуле:

По значениям коэффициента сжимаемости m_f,i может быть вычислен модуль деформации:

где β – коэффициент, равный 0,8.

Коэффициенты оттаивания A_th и сжимаемости при оттаивании m 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 ε_th и тангенс угла ее наклона к оси p [17].

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, а также 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 влияние 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].