CC BY
107
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время Т. 11. Вып. 1 • 2016 СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit Bd. 11, Ausgb. 1
'The Earth Planet System' 'System Planet Erde'
Почвы и грунты
УДК 551.340:624.131
Аксёнов В.И.*, Иоспа А.В.**, Кривов Д.Н.*** Озерицкий К.В. Дорошин В.В.
****
Soils and Grounds / Böden
В.И. Аксёнов
А.В. Иоспа
Д.Н. Кривов
К.В. Озерицкий
В.В. Дорошин
Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
Аксёнов Виктор Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный специалист Сектора испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект»
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, viktor-i-aksenov@j-spacetime.com
**Иоспа Андрей Викторович, начальник Сектора испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект»
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, andrey-v-iospa@j-spacetime.com
***Кривов Денис Николаевич, кандидат геолого-минералогических наук, руководитель группы Сектора испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект»
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, denis-n-krivov@j-spacetime.com
>fc >fc >fc >fc
Озерицкий Константин Владимирович, инженер Сектора испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект»
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, konstantin-v-ozeritsky@j-spacetime.com
*****Дорошин Владимир Викторович, инженер Сектора испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект»
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, vladimir-v-doroshin@j-spacetime.com
Целью настоящей работы является сопоставление результатов испытаний образцов мёрзлых грунтов на одноосное сжатие. В работе анализируются и сопоставляются результаты одноосных испытаний мёрзлых грунтов различными методами с привлечением формул расчёта длительной прочности и её снижения с возрастанием времени.
Обработка результатов испытаний позволила получить коэффициенты перехода от кратковременной к длительной прочности мёрзлых грунтов (Kt). Для мелких песков величина коэффициента Kt составляет около 0,8; для слабо засо-лённых супесей коэффициент Kt принимает значение 0,54; для влажных не засолённых суглинков Kt = 0,69; для суглинков средне- и сильнозасолённых — от 0,29 до 0,60; для сильнольдистых глинистых грунтов Kt = 0,39. Для нельдистых плотных средне засолённых глинистых грунтов коэффициент Kt = 0,42.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
Ключевые слова: мёрзлые грунты, одноосное сжатие, силы смерзания, коэффициенты перехода, строительство в криолитозоне.
Введение
Одним из методов определения прочности мёрзлых грунтов является испытание образцов на одноосное сжатие. При испытании серии однотипных образцов мёрзлого грунта на сжатие при различных, но постоянных для каждого образца напряжениях, превышающих предел длительной прочности, процесс неизбежно заканчивается возникновением прогрессирующего течения и последующего хрупкого или вязкого разрушения образца [Вялов и др. 1962].
Ранее С.С. Вяловым были рассмотрены 4 способа определения предела длительной прочности мёрзлых грунтов [Вялов 1959].
Первый осуществляется путём испытания серии однотипных образцов под постоянной, но разной для каждого образца нагрузкой и последующим построением кривой длительной прочности. Способ считается наиболее достоверным, однако обладает существенным недостатком — он требует большое количество однотипных образцов естественного сложения, порядка 6—8 штук. Такое требование на практике трудно осуществить, поскольку часто не удаётся подобрать даже двух идентичных образцов (они отличаются по влажности, засолённости, плотности, и т.п.).
Вместе с тем, способ этот нормирован и нашел применение в зарубежных странах, будучи включён в норматив ASTM D5520 [ASTM D5520-94 2006].
Второй способ определения предела длительной прочности позволяет производить испытания под нагрузками, возрастающими ступенями, с выдержкой до стабилизации. Этот способ узаконен и внесён в отечественные нормы [ГОСТ 12248-2010 2011], как метод испытания образцов мёрзлых грунтов на одноосное сжатие.
Третий способ определения предела длительной прочности мёрзлых грунтов применим ограниченно, т.к. в этом случае нагрузки, приложенные к образцу. необходимо выдерживать достаточно продолжительное время, иначе можно допустить ошибку при выделении стадий медленно затухающей деформации и пластического течения. Способ не нашёл широкого применения.
Четвёртый способ определения длительной прочности мёрзлых грунтов является аналитическим, позволяющим определять длительную прочность мёрзлых грунтов по результатам кратковременных испытаний. Способ нашёл широкое применение, хотя он и не нормирован. В нашей работе мы использовали этот метод для анализа и сопоставления результатов испытаний.
Целью настоящей работы является сопоставление результатов испытаний образцов мёрзлых грунтов п-ова Ямал на одноосное сжатие, выполненных в разные годы. В работе анализируются результаты испытаний мёрзлых грунтов двумя нормированными методами с привлечением формул расчёта длительной прочности и её снижения с возрастанием времени.
1. Физические свойства и классификационные характеристики
отобранных грунтов
Физические свойства грунтов определялись по 99-ти монолитам. В лабораторных условиях производилось определение влажности (суммарной и минеральных прослоев), плотности грунта, плотности частиц грунта, содержания органического вещества, величины засолённости и химического состава водорастворимых солей.
Коэффициент пористости определялся как суммарный коэффициент пористости мерзлого грунта по формуле А.5 в ГОСТ 25100-2011 [ГОСТ 25100-2011 2013].
Степень заполнения пор мёрзлого грунта льдом и водой рассчитывалась как суммарная степень заполнения пор и пустот мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой (формула А.9 в ГОСТ 25100-2011).
Полученные с п-ва Ямал монолиты мёрзлых грунтов, отобранные в интервале глубин 1,0—30,0 м, представлены преимущественно мелкими и пылеватыми песками, лёгкими и тяжёлыми суглинками (с преобладанием лёгких суглинков), и супесями, которые встречены по всему разрезу площадок изысканий.
По гранулометрическому составу пески мелкие, как правило, однородные: среди пылеватых песков преобладают неоднородные разновидности.
В целом в песках преобладают льдистые разновидности, в глинистых грунтах — нельдистые и слабольдистые.
Характерной особенностью исследованных мёрзлых грунтов является наличие засолённых образцов: от слабо до сильнозасолённых. Засолённость песков не превышает 0,49%, преобладают значения 0,05—0,15%; у супесей максимальная засолённость 0,29%, основной диапазон значений 0,20—0,29%; у лёгких суглинков засолённость достигает значения 1,5%, у тяжёлых суглинков — 1,8%, преобладающие значения засолённости суглинков 0,20—0,70%.
Органическое вещество в грунтах присутствует, как правило, в верхнем слое грунтовой толщи в виде примеси торфа в количестве до 31,3%. Также в разрезе присутствуют прослои и линзы торфа.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
Основные физические свойства исследованных грунтов приведены в сводной таблице 1.
Таблица 1
Физические свойства мёрзлых грунтов
Глубина отбора образцов, м Наименование грунта Влажность суммарная, % Влажность за счёт незамёрзшей воды, % Плотность частиц грунта, г/см3 Плотность грунта, г/см3 Плотность сухого грунта, г/см3 Коэффициент пористости Степень заполнения пор льдом и незамерзшей водой Суммарная льдистость, д.е. Засоленность грунта, % Содержание органического вещества, % Граница текучести, % Граница раскатывания, % Число пластичности, % Температура начала замерзания грунта, оС
14,3 Песок мелкий 23,5 0,2 2,66 1,94 1,57 0,69 0,99 0,41 0,02 0,2 — — — -0,1
9,3 Песок мелкий 22,9 0,4 2,67 1,92 1,56 0,71 0,95 0,39 0,10 — — — — -0,3
27,0 Песок пылеватый 24,2 3,3 2,65 1,91 1,54 0,72 0,96 0,36 0,34 0,8 — — — -1,0
2,8 Песок пылеватый 18,3 0,2 2,63 2,02 1,71 0,54 0,98 0,34 0,08 — — — — -0,5
27,4 Супесь 24,9 5,1 2,71 1,93 1,55 0,75 0,97 0,34 0,21 — 21,8 17,4 4,4 -0,3
6,3 Супесь 23,7 5,1 2,64 1,97 1,59 0,66 1,00 0,33 0,27 — 20,5 14,9 5,6 -1,2
3,6 Супесь 178,2 5,1 2,65 1,15 0,41 5,41 0,96 0,80 0,59 3,1 22,3 15,4 6,9 -0,2
20,1 Суглинок лёгкий 12,8 5,5 2,68 2,06 1,83 0,47 0,78 0,15 0,54 1,9 21,6 12,0 9,6 -3,2
4,5 Суглинок лёгкий 29,6 7,4 2,63 1,90 1,47 0,79 1,00 0,36 0,69 2,4 26,3 16,3 10 -2,0
4,3 Суглинок тяжёлый 31,5 10,4 2,65 1,84 1,40 0,89 1,00 0,33 1,52 4,1 35,1 20,3 14,8 -3,9
7,3 Суглинок тяжёлый с примесью торфа 31,5 14,1 2,57 1,81 1,38 0,87 0,99 0,27 1,03 6,5 42,6 28,0 14,6 -1,8
2. Методика испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие 2.1. Разделка монолитов и изготовление образцов
Для проведения испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие было привлечено около 100 монолитов из которых было изготовлено 136 образцов
Все монолиты находились в твёрдомерзлом состоянии. Нарушений в упаковке при транспортировке не обнаружено.
Монолиты были предварительно рассортированы и помещены на хранение в морозильные лари при температуре минус 20 оС. Всего за время испытаний было выполнено 9 распилов монолитов, примерно по 10 — 15 штук в партии.
Для распиловки монолитов мерзлых грунтов применялась универсальная настольная пила GTS-125G.
Одновременно при распиловке монолитов (диаметр ~12 см, длина ~35 см) отпиливались блоки грунта для лабораторных определений физических свойств, температуры начала замерзания, а также других характеристик (влажности, засолённости и т.д.).
Для одноосного сжатия высота блоков составляла ~12 см, а поперечное сечение около 5x5 см2. Учитывая необходимость испытывать близкие по свойствам образцы в серии, их требовалось как можно большее количество, поэтому из одного монолита выпиливалось иногда до 4-х блоков.
Подготовленные блоки грунта заносились в камеру подготовки образцов с температурой около минус 3оС, где грунты выдерживались не менее суток.
Образец мерзлого грунта вырезают при помощи кольца пробоотборника. Перед изготовлением образца кольца— пробоотборники нумеруют, взвешивают, замеряют их высоту и внутренний диаметр, смазывают с внутренней стороны тонким слоем технического вазелина, охлаждают и устанавливают кольцо режущим краем на зачищенную поверхность основания грунтового блока.
Изготовление образца мерзлого грунта ненарушенного сложения производилось в следующем порядке:
— при помощи нагрузочного винта вырезного пресса кольцо—пробоотборник слегка вдавливают в грунт;
— постепенно легким надавливанием штампом пресса на кольцо—пробоотборник срезается грунт;
— с помощью толкателя извлекают образец из пробоотборника;
— проверяют взаимную параллельность оснований торцов образца,
— образец грунта взвешивается с погрешностью не более 0,01 г для образцов массой до 400 г, и не более 1 г — для образцов с большей массой.
Подготовленный образец грунта герметизируется (изо-паролентой, полиэтиленовой пленкой, и т.д.).
Подготовленные к испытаниям образцы грунта допускается хранить не более 10 суток.
Непосредственно перед испытанием образцы грунта выдерживались не менее 24 ч при постоянной отрицательной температуре, соответствующей температуре, установленной для испытаний.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
2.2. Одноосное сжатие со ступенчатым нагружением
Испытание мерзлого грунта методом одноосного сжатия со ступенчатым нагружением позволяет определять условно-мгновенное значение предела прочности а0, предельно длительное значение предела прочности адл, модуль линейной деформации Е, коэффициент вязкости сильнольдистых грунтов п, и другие коэффициенты деформации.
Эти характеристики определяют по результатам нагружения образцов грунта вертикальной нагрузкой в условиях бокового расширения с доведением образца до хрупкого разрушения или достижения незатухающей ползучести. Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью. К образцу плавно прикладывают нагрузку, увеличивая ее равными ступенями нагружения. Время приложения нагрузки на каждой ступени не должно превышать 30 секунд [ГОСТ 12248-2010 2011].
Продолжительность действия каждой ступени нагружения должна составлять 24 часа, длительность ступени может быть увеличена до 48 часов и более (например, при испытании льдистых, заторфованных или засоленных образцов грунта).
Процесс деформирования образца, переходящего в стадию незатухающей ползучести, или достижение им относительной продольной деформации, составляющей 0,2 от его высоты, считают завершением испытания.
Для обеспечения постоянства осевого напряжения в образце отечественные нормативные документы рекомендуют на каждой ступени нагружения дополнительно увеличивать нагрузку при увеличении площади образца на 3% с момента начала испытания [ГОСТ 12248-2010 2011].
По результатам испытаний образца мерзлого грунта на ползучесть определяют предельно—длительное значение предела прочности на одноосное сжатие.
2.3. Одноосное сжатие с постоянной нагрузкой
В практике испытаний мерзлых грунтов на одноосное сжатие предусматривается два методических подхода: испытание грунта на прочность и на ползучесть.
Отечественные нормативные документы, в частности, ГОСТ 12248-2010, рекомендуют определять предельно— длительную прочность по испытаниям на одноосное сжатие с нагружением образца ступенями. Кроме того, испытание на ползучесть рекомендовано для определения коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов.
Международный норматив ASTM D5520-94 рекомендует проводить испытание мерзлых образцов грунта на ползучесть с нагружением образца постоянной нагрузкой в течение всего срока испытаний [ASTM D5520-94 2006].
На первом этапе методикой предусматривается проведение испытаний при быстром воздействии нагрузки для получения значения q — кратковременной прочности на одноосное сжатие при постоянной осевой скорости деформации 1 %/мин (0,01 мин -1). Наше оборудование позволяет определять кратковременную прочность с постоянной осевой скоростью и достигать разрушения или сжатия образца за 7—10 мин.
Для всех выделенных инженерно—геологических элементов проведены испытания по определению кратковременной прочности на 3-х — 6-ти близких по свойствам образцах.
На следующем этапе подбиралось требуемое количество близких по свойствам мерзлых образцов. На этих образцах проводились испытания с постоянной нагрузкой, составляющей от 0,7q до 0,^ (или иногда 0,05q) от кратковременной прочности на одноосное сжатие. К образцу прикладывалась осевая нагрузка без ударов в течении 20 с. Дальше поддерживалась постоянная нагрузка для постоянного сжатия в течении всего времени испытания (рис. 1). Длительность таких опытов составляла от нескольких минут до 2—15 суток. Длительность некоторых опытов доходила до 30 суток и более.
Рис. 1. Кривая незатухающей ползучести
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
ASTM D5520 рекомендует в процессе испытания поддерживать постоянную удельную нагрузку на образец, увеличивая общую нагрузку пропорционально увеличению площади сечения образца. По завершению опыта в ряде случаев определялась минимальная скорость деформации ^) и время для этой нагрузки Эти данные использовались для построения предварительной кривой длительной прочности [Вялов и др. 1966] в интервале времени до 10 суток. Это позволяет более надёжно подобрать значение постоянной нагрузки для последующих опытов.
Недостатком такой методики является сложность в подборке идентичных образцов, т.е. с близкими физическими характеристиками. В пределах длины монолита (около 35 см) не всегда сохраняется однородность грунта. В нашей практики встречались случаи, когда в образце высотой 10 см верхняя и нижняя часть отличались по влажности и засолённо-сти почти в 2 раза. Итогом такого испытания было деформирование (разрушение) одной части образца и искажение результатов всего опыта.
2.4. Оборудование и приборы для испытания образцов мерзлого грунта на одноосное сжатие
Испытания одноосным сжатием мерзлых грунтов по методике ASTM 5520 отличаются от таковых в принятом в РФ ГОСТ 12248-2010. Однако измеряемые параметры при проведении испытаний одинаковы, как и пределы их измерения и требуемая точность измерений [ГОСТ 12248-2010 2011].
Исходя из этого, испытания проводились на оборудовании, созданном для испытаний по ГОСТ 12248-2010, с необходимой корректировкой методики проведения испытаний и обработки результатов испытаний.
Испытания проводились в морозильных камерах, поддерживающих температуру с точностью ±0,25°С при температуре минус 4°С. В одной морозильной камере проводилось одновременно до 26 испытаний.
Испытания проведены с помощью установок АКР и ИУ-12, входящие в измерительную электронную систему Кго^аЬ [Аксёнов и др. 2014]. Параметры системы АКР ИЭС Кг^аЬ указаны в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Основные технические характеристики устройства АКР
Наименование основных параметров Норма
1 Передаваемое усилие от 100 Н до 6,5 кН
2 Пределы допускаемой приведенной погрешности измерения нагрузки 5%
3 Пределы измерения температуры от 25°С до минус 10°С
4 Пределы допускаемой погрешности измерения температуры 0,1°С
5 Пределы измерения линейного перемещения (деформации образца) 0,0—20,0 мм
6 Пределы допускаемой приведенной погрешности измерения перемещения ±0,003 мм
7 Способ задания нагрузки пневматический
Т Основные технические характеристики устройства ИУ-12
Наименование основных параметров Норма
1 Передаваемое усилие от 600 Н до 22 кН
2 Пределы допускаемой приведенной погрешности измерения нагрузки 5%
3 Пределы измерения температуры от 25°С до минус 10°С
4 Пределы допускаемой погрешности измерения температуры 0,1°С
5 Пределы измерения линейного перемещения (деформации образца) 0,0—50,0 мм
6 Пределы допускаемой приведенной погрешности измерения перемещения ±0,004 мм
7 Способ задания нагрузки пневматический
Таблица 3
Испытания проводились с учетом увеличения площади сечения образца. Компенсация нагрузки при увеличении площади сечения образца задавалась по достижении приращения площади сечения образца на каждые 3%.
Процедура обработки результатов испытаний также максимально автоматизирована и позволяет получать паспорта испытаний в соответствии с требованиями ASTM 5520 и ГОСТ 12248-2010.
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время Т. 11. Вып. 1 • 2016 СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
3. Результаты испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие
3.1. Определение длительной прочности по результатам построения реологических кривых
Характерной особенностью мерзлых грунтов является снижение их прочности во времени, происходящее от условно-мгновенного оо до предельно-длительного адл, при котором не возникает прогрессирующее течение и не наступает разрушение.
Представляет практический интерес по данным испытаний средней продолжительности дать прогноз длительной прочности и деформации мёрзлых грунтов на периоды времени, сопоставимые со сроком службы сооружений.
Закономерность изменения прочности мерзлого грунта в зависимости от времени воздействия постоянной нагрузки описывается известным уравнением [Вялов 1959]
o(t) =ß/ln(t/B),
(1)
где ß (МПа) и В (час) — определяемые из опыта параметры, зависящие от типа грунта и его температуры; t — время до разрушения; в практических расчетах часто принимают t = 50 лет (4,38x10—5 час) [ГОСТ 12248-2010 2011]. Интенсивность снижения длительной прочности при увеличении времени действия нагрузки оценивается параметром В.
Выражение (1) широко используется в практике инженерного мерзлотоведения для определения прочностных показателей мёрзлых грунтов (сопротивление сжатию, сдвигу, растяжению, эквивалентного сцепления).
Для определения параметров ß и В строится диаграмма (1/о — lnt) (рис. 2). Для твердомёрзлых грунтов такие диаграммы линейны. Котангенс угла наклона полученных прямых равен параметру ß, а отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, равен InB [Методы определения... 1995].
Рис. 2. Обработка опытных данных для определения параметров уравнения длительной прочности
По результатам испытаний образца мерзлого грунта на ползучесть (ступенчатое нагружение) предельно-длительное значение предела прочности на одноосное сжатие определяют по формуле
Ооп = Kf^Oon , (2)
где ооп — напряжение в образце на ступени предшествующей переходу в стадию незатухающей ползучести, Kt — безразмерный коэффициент, зависящий от продолжительности ступени.
Некоторые исследователи увязывают этот коэффициент Kt с параметром В. Так, по данным А. С.Герасимова, параметр В для разных грунтов колеблется от 0,3 час до 10—8 час и характеризует интенсивность снижения прочности при возрастании длительности действия нагрузки [Герасимов 1978]. Показателем этого снижения может служить отношение значений прочности для различных значений времени, например, для отношения 50-летней прочности к 24-часовой. Параметр В зависит от вида грунта, плотности, его состава, температуры. Наиболее заметно на величину В влияет льдистость грунта и его вязкопластические свойства, с повышением которых происходит увеличение В и уменьшение одл.. Наибольшей интенсивностью снижения прочности обладают льды, сильнольдистые и засолённые мёрзлые грунты, характеризующиеся заметными вязкопластическими свойствами. Наименьшая интенсивность наблюдается у мало льдистых и плотных грунтов, реологические свойства которых выражены слабо. Эта интенсивность практически не зависит от вида напряжённого состояния [Вялов и др. 1981].
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1
'The Earth Planet System' 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
При расчете предельно-длительного значения предела прочности на одноосное сжатие нормативы рекомендуют вводить коэффициент 0,6, что может соответствовать длительности ступени 24 часа [ГОСТ 12248-2010 2011]. Делались и другие предложения по величине этого коэффициента. Так, при продолжительности ступени, равной 48 часам рекомендовалось принимать К = 0,65, а продолжительности ступени, равной 72 часам — вводить К = 0,7. Однако в научной литературе отсутствуют какие-либо обоснования для их назначения.
В настоящей работе нами предпринята попытка определить величину коэффициента К для различных видов мёрзлых грунтов при фиксированной температуре; в данном случае — при температуре минус 4°С. С этой целью нами сопоставлены величины предельно длительной прочности адл , вычисленных по формуле (1) из опытов с постоянной нагрузкой, с опытными величинами аоп , полученными из испытаний со ступенчатым нагружением для грунтов одного и того же инженерно-геологического элемента (при длительности ступени равной двум суткам).
Обработка результатов, полученных при испытаниях грунта ступенчатым нагружением, представлена диаграммах (а — 0 и (£ — 0 на рис. 3. Там же, на рис. 3б показана ломаная кривая зависимости скорости относительной деформации от нагрузки, по которой и определялась из опыта величина прочности аоп. Предельно-длительная прочность определяется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 12248-2010 путём умножения опытной прочности на коэффициент 0,6 (при продолжительности 24 час, либо 0,65, как в нашем случае при продолжительности ступени 48 час.).
171,02 213.7$ 258.50
Время, Ч
а - кривая ползучести
1,08 1.38 1,68
Насузка. МПа
б - реологическая кривая
Рис. 3. Одноосное сжатие со ступенчатым нагружением. Супесь слабозасолённая W = 12,5 %; р = 2,17г/см3 ; Dsai = 0,26% ; Т = -4 оС; Осп = 2,32 МПа, ОдЛ = 1,508 МПа
Данные испытаний с постоянной нагрузкой позволяют также построить зависимость скорости относительной деформации от нагрузки (рис. 4) и по ней определить величину длительной прочности адл. (при скоростях деформации £ в пределах от пх10-7 до пх10-9 сек-1).
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время Т. 11. Вып. 1 • 2016 СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
а
б
Рис. 4. Определение величины длительной прочности адл по кривой зависимости скорости относительной деформации £ от нагрузки
Результаты обработки данных испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие двумя методами сведены в табл. 4. Сопоставление величин адл./аоп предполагает получение некоторого коэффициента. Здесь аоп определена из испытаний ступенчатым нагружением и к ней не введён понижающий коэффициент, а стдл получена из опытов с постоянной нагрузкой. Предельно длительная величина прочности адл определена как наибольшее напряжение, при котором еще не возникает прогрессирующее течение и не наступает разрушение.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
Таблица 4
Сопоставление результатов испытаний мёрзлых образцов на одноосное сжатие двумя методами
Наименование грунта л 1- и ° о и X * (0 CQ Плотность, р г/см3 Засолённость D sal ,% Содержание орг. в-ва, % Прочность из опыта Стоп (ё -о) , МПа Прочность ,длительная Стдл , МПа (К=0,65) Прочность, длительная ст дл , МПа (СТоп - t) ) (0 -и с с Z i ц ö д/ т те п aOö ¡г щ -v, j 1 1 5 Е Ö tl
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Опыты со ступенчатым нагружением
Песок мелкий 25,7-29,8 27,6(4) 1,83-1,93 1,89(4) 0,02-0,04 0,03(4) 0,2 0,84-1,92 1,43(4) 0,54-1,25 0,93(4) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Песок мелкий 23,6-28.3 25,4(24) 1,82-1,92 1,90(24) 0,01-0,05 0,03(24) 0,2 1,1 £ ~ ПХ10-8 Kt - Ооп /О m = 1,1/1,43= 0,77 1,90 1,28 0,89
Опыты со ступенчатым нагружением
Пески мелкие (пылеватые) слабозасолённые 22,2-28,6 25,0(4) 1,83-1,94 1,91(4) 0,03-0,15 0,10(4) 0,6 0,49-1,0 0,84(4) 0,32-0,65 0,52(4) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Пески мелкие (пылеватые) слабозасолённые 22,9-29,6 25,6(16) 1,82-1,94 1,89(16) 0,04-0,15 0,08(16) 0,4 0,7 £ ~ ПХ10-8 Kt - Ооп /О m -0,70 /0,84-0,83 0,75 0,78 0,92
Опыты со ступенчатым нагружением
Супеси слабозасолённые 15,7-21,6 18,7(2) 1,99-2,12 2,06(2) 0,18-0,24 0,21(2) 1,5 0,92-1,50 1,21 0,6-0,98 0,79(2) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Супеси слабозасолённые 19,5-24,9 22,2(7) 1,91-2,14 2,0(7) 0,2-0,27 0,22(7) 2,0 0,8 £ ~ nx10-8 Kt - Ооп /О m -0,8/1,21- 0,66 0,6 0,55 0,45
Опыты со ступенчатым нагружением
Суглинки нельдистые среднезасолённые 13,1-16,6 14,7(12) 1,99-2,23 2,11(12) 0,3-0,73 0,43(12) 2,5 0,3-0,75 0,56(12) 0,21-0,49 0,44(12) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Суглинки нельдистые среднезасолённые 12,3-22,8 14,8(13) 1,85-2,18 2,06(13) 0,35-0,65 0,48(13) 2,2 0,2 £ ~ ПХ10-7 Kt - Ооп /О m -0,2/0,56- 0,36 0,43 0,08 0,46
Опыты со ступенчатым нагружением
Суглинки сильнозасолённые с органич.в-вом 28,5-57,0 38,0(5) 1,51-1,92 1,76(5) 0,48-2,10 1,26(5) 5,0 0,1-0,24 0,14(5) 0,05-0,16 0,09 - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Суглинки сильнозасолённые с органич.в-вом 31,5-63,3 47,7(10) 1,43-1,88 1,69(10) 1,09-1,50 1,22(10) 6,5 0,02 £ ~ ПХ10-9 Kt - Ооп /о m -0,02/0,14-0,14 0,07 0,19
Опыты со ступенчатым нагружением
Суглинки (супеси) сильнольдистые 120,8 1,22 0,19 7,8 0,62 0,40 - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Суглинки (супеси) сильнольдистые 75-178,2 121,7(14) 0,88-1,41 1,22(14) 0,06-0,27 0,13(14) 4,4 0,18 £ ~ nx10-8 Kt - Ооп /О m - 0,18/0,62- 0,29 0,27 0,27 0,44
Опыты со ступенчатым нагружением
Суглинки среднезасоленные 28,5-28,7 28,6(2) 1,85-1,92 1,89(2) 0,71-0,93 0,82(2) 3,0 0,16-0,28 0,22(2) 0,10-0,6 0,08(2) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Суглинки среднезасоленные 27,5-42,1 32,7(16) 1,70-1,92 1,83(16) 0,47-0,89 0,66(16) 2,8 0,095 £ ~ nx10-8 Kt - Ооп /О m -0,095/0,22-0,43 0,15 0,15 0,68
Опыты со ступенчатым нагружением
Суглинки незасоленные с органич.в-вом 30,3-44,8 39,1(3) 1,64-1,70 1,67(3) 0,07-0,10 0,08(3) 3,5 0,90-2,17 1,47(3) 0,59-1,41 0,96(3) - - -
Опыты с постоянной нагрузкой
Суглинки незасоленные с органич.в-вом 38,3-41,0 40,0(11) 1,74-1,77 1,75(11) 0 0,0 0,95 £ ~ ПХ10-7 Kt - Ооп /О m -0,95/1,47-0,65 0,95 1,15 0,78
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
Ещё один способ обработки опытных данных позволяет по результатам испытаний средней продолжительности прогнозировать длительную прочность (с привлечением соотношения (1) и опытных данных по схеме, показанной на рис. 2). Обработка опытных данных тремя способами позволила получить средние относительные величины, которые, по нашему мнению, можно считать коэффициентом Kt. В табл. 5 приведены коэффициенты перехода от кратковременной к длительной прочности мёрзлых грунтов по результатам испытаний, нормированные и прогнозные, при температуре минус 4 оС.
Таблица 5
Коэффициенты перехода от кратковременной к длительной прочности мёрзлых грунтов
при температуре минус 4оС
№ Пп. Наименование грунта боп МПа бдл (Kt1) МПа (боп - t) боп (Kt2) МПа ins - б боп (Kt3) МПа (1/б - in t) Kt1 опытный Kt2 -3 прогнозный средний рекомендуемый А; нормируемый
1 Пески мелкие 1,43 1,9 0,93 1,1 — 0,77 0,89 0,83 0,65
2 Пески мелкие (пылеватые) слабозасолённые 0,84 0,75 0,7 0,7 0.89 0,83 0,92 0,88 0,65
3 Супеси слабозасолённые 1,21 0,6 0,8 0,8 0,5 0,66 0,45 0,54 0,65
4 Суглинки нельдистые среднезасолённые 0,56 0,43 0,2 0,2 0,77 0,36 0,14 0,42 0,65
5 Суглинки сильнозасолённые с органич. в-вом 0,14 0,07 0,02 0,02 0,5 0,14 0,034 0,29 0,65
6 Суглинки (супеси) сильнольдистые 0,62 0,27 0,18 0,18 0,44 0,29 0,44 0,39 0,65
7 Суглинки среднезасолённые 0,22 0,15 0,095 0,095 0,68 0,43 0,68 0,6 0,65
8 Суглинки незасолённые с органич. в-вом 1,47 0,95 0,95 0,95 0,64 0,64 0,78 0,69 0,65
Так, для мелких песков величина коэффициента Kt составляет около 0,8; для супесей слабо засолённых коэффициент Kt принимает значение 0,54; для суглинков влажных не засолённых Kt = 0,69; для суглинков средне- и сильнозасо-лённых — от 0,29 до 0,60; для сильнольдистых глинистых грунтов Kt = 0,39.
В особую группу выделяются специфические нельдистые плотные средне засолённые глинистые грунты («сухари»). Длительная прочность у этих грунтов определяется приблизительно, а коэффициент Kt = 0,42. Вероятно для обработки результатов испытаний таких грунтов следует подбирать другие уравнения длительной прочности.
Все приведенные результаты получены для наиболее распространённых мёрзлых грунтов п-ова Ямал при температуре минус 4 0С. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят получить коэффициенты перехода и для других температур.
3.2. Определение длительной прочности мерзлых грунтов
по кривым ползучести
Обработка результатов испытаний мерзлых грунтов по кривым ползучести выполнялась в соответствии с методикой, составленной в Секторе испытаний мёрзлых грунтов ОАО «Фундаментпроект». В этой методике были актуализированы рекомендации ASTM D5520-94 и установлено соответствие с программным комплексом измерительной электронной системы Kriolab.
Трехшаговая схема обработки позволяла на первом шаге получить информацию об испытании, включающую кривые нагрузки и деформации (кривые ползучести), данные о свойствах грунта. При этом кривая нагрузок строилась с учетом поправок на увеличения площади образца.
На шаге 2 реализовалась возможность корректировки испытания (обрезка, склейка и т.п.).
Шаг 3 иллюстрирует кривую изменения скорости во времени в логарифмических координатах, что позволяет определить tmin (мин); минимальную скорость m (1/мин), ооп (МПа) (рис. 5)
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
2,5
2 -
20
40
60
А
i <2 JO lit -___L - i о _
V fe" . - 1 щи ■' «г
1 р1 § £ £ S Ö) и, $ ° 0 i ¿
о 1 08 -AC
п
04
rt
п
у
1........ 1 I I J 1 Jj I I
80
100
120
140 Время, ч. Time, h
—Нагрузка. Strength -Деформация, Strain а — кривая ползучести
-4,55
-4,65
•4,7
-4,75
-4,8
-4,85
-4.9
-4,95
- X
- 4 : § _ -»j l«L ц ■
: ! — v w ■ 7*^7 (Strain
2 Й ä t
. ? ■ •
Логари фмвреШ 1H.)
• )g (Time, n lin)
2,4
2,6
2,8 3 3,2 3,4
б — минимальная скорость деформации
3,6
3,8
Рис. 5. Одноосное сжатие с постоянной нагрузкой. Песок мелкий. W=24,5 %; р=1,91 г/см3 ; Dsai =0,01 %; Т=-4 оС; а = 2,50 МПа; m = 1,15^10-5 мин-1; tmm = 6820,15 мин.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
По результатам обработки единичных опытов строится кривая длительной прочности, с которой снимается величина Одл (рис. 6).
Рис. 6. Кривая длительной прочности, построенная по результатам обработки единичных опытов.
Совокупность кривых изменения скорости деформации во времени позволяет построить кривые ползучести в логарифмических координатах, где для каждой нагрузки Соп (МПа) отмечается минимальная скорость m (мин—1).
На стадии установившегося пластично-вязкого течения связь напряжения и скорости деформации мёрзлого грунта в большинстве случаев описывается степенной зависимостью [Вялов и др. 1962]:
é = ko".
В 60-х — 70-х гг. ХХ в. некоторые канадские и американские исследователи [Odqvist 1966; Nixon, McRoberts 1976] предложили свою формулу для описания закономерности деформирования мерзлого грунта, где вместо параметра «k» (под которым С.С. Вялов понимал коэффициент вязкости мерзлых грунтов, изменяющийся с изменением напряжения) вводится параметр «B», характеризующий свойства мерзлого грунта, зависящие от влажности, засоленности, температуры:
é = BOn,
где n — реологический показатель.
Модификация этого выражения позволила зарубежным авторам предложить свою формулу для расчета скорости деформации (осадки) сваи [Cavanagh et al. 2012]
г
Spile
п+1
7
а-В-ап п-\
(3)
где £рце — скорость осадки свай, м/год; а — радиус сваи, м. Параметры «Б» и «п» определяются из опытов на одноосное сжатие.
Выполненные нами испытания мерзлых грунтов на ползучесть позволяют на основании полученных данных построить диаграммы зависимости нагрузки а в логарифмических координатах от минимальной скорости относительной деформации, т (сек-1) и определить по ним параметры «Б» и «п». Результаты определения этих параметров для некоторых исследованных нами видов грунтов представлены в табл.6. В эту же таблицу внесены данные, представленные в упомянутой выше работе П.Каванага и его соавторов [Cavanagh еЬ а!. 2012].
Таблица 6
Параметры «В» и «п», полученные из опытов на одноосное сжатие
при температуре минус 4 оС
Авторы Грунты
P. Cavanagh et al. (2012) Пески мелкие Илистые(п/пыл) Суглинистые
B=1x10-1, кПап/год n = 4,0 B=5x10-7, кПап/год n = 4,0 B=3x10-8, кПаУгод n = 2,0(2,3)
Аксёнов В.И. и др. (2014) Пески мелкие слабозасоленные Суглинки сильнозасоленные Суглинки тяжелые сильнольдистые
B = (0,3-2,4)x10-10, кПап/год n = 1,8 B = 0,7x10-2, кПаУгод n = 3,0 B = (0,6-1,8)x10-4, кПаУгод n = 3,6—4,0
Как показывает табл. 6, величины параметров «Б» и «п», определенные для мерзлых грунтов одной территории (п-ов Ямал) из испытаний на одноосное сжатие с постоянной нагрузкой, имеют существенный разброс. Реологический па-
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
раметр «n» по двум источниками изменяется примерно от 2 до 5, другой параметр «B», зависящий от свойств грунтов (влажности, засолённости, плотности) изменяет свой показатель степени от 2 до 11.
Наши эксперименты показали, что нельзя не принимать в расчёт силы смерзания грунта с боковой поверхностью сваи, устанавливаемой в мерзлой толще, — как это предлагают иностранные специалисты [Nixon, McRoberts 1976]. Такой подход является недостаточным и неверным, поскольку силы смерзания по боковой поверхности сваи составляют до 80% от несущей способности сваи. Замена несущей способности сваи (состоящей из сопротивления грунта под торцом сваи и смерзания по её боковой поверхности) на параметры из испытаний образцов на одноосное сжатие также недопустима, поскольку схемы работы грунта под действием нормальной нагрузки (одноосное сжатие) и сдвиговой (смерзание) различны.
Заключение
Сопоставление результатов испытания мёрзлых грунтов на одноосное сжатие двумя методами показало следующее.
1. Метод испытания образцов с постоянной, но разной для каждого образца нагрузкой является наиболее достоверным и информативным. Данный метод позволяет, помимо мгновенной длительной прочности, определить также параметры для расчёта прогнозной прочности (до 50 лет), деформационных характеристик, при длительности опытов от нескольких часов до 10 и более суток. Однако этот метод обладает существенным недостатком — он требует большого количества однотипных образцов естественного сложения. Такое требование на практике трудно осуществить, поскольку часто не удаётся подобрать даже два идентичных образца.
Второй метод предусматривает испытание на одном образце при ступенчато возрастающей нагрузке, постоянной на каждой ступени. Кривые ползучести строятся методом суперпозиции. Метод экономичен и дешев. Он также позволяет определить полный набор характеристик прочности, деформируемости, вязкости грунта (принят в РФ в качестве основного [ГОСТ 12248-2010 2011]).
2. Выбранные для сопоставления мёрзлые грунты достаточно близки по основным своим физическим свойствам. Так, например, у мелких незасолённых песков влажность у сопоставляемых грунтов находится в пределах 25,4—27,5%; плотность 1,89—1,90 г/см3; засолённость 0,03—0,04%. Также в узком диапазоне изменений находятся физические свойства и у сопоставляемых глинистых грунтов влажность находится в пределах 28,6—32,7%; плотность 1,83—1,89 г/см3; засолённость 0,66—0,82%. Такие малые изменения физических свойств мёрзлых грунтов предполагают получение достаточно достоверных величин прочности.
3. По результатам сопоставления величин прочности испытанных мёрзлых грунтов определены коэффициенты перехода для расчёта длительной прочности по результатам более коротких испытаний (табл. 5).
4. Из испытаний образцов на одноосное сжатие с постоянной нагрузкой определены параметры « В» и «n» используемые в формуле (3) для расчёта скорости деформации (осадки) сваи. В настоящей статье мы приводим сводную таблицу, в которой представлены эти параметры (табл. 6). Результаты наших экспериментов показывают, что использование реологического параметров «n» и «В» для расчёта осадки сваи (а, следовательно, и несущей способности сваи), как это предлагают иностранные специалисты, является недостаточным и неверным. Причина этого в том, что несущая способность основания вертикально нагруженной одиночной сваи состоит из расчётного сопротивления под торцом сваи и расчётного сопротивления мёрзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи [см., например, Свод правил СП 25.13330.2012 2012], которое может составлять до 80% от суммарной несущей способности сваи. Схемы работы грунта под действием нормальной нагрузки (одноосное сжатие) и сдвиговой (смерзание) различаются между собой. Поэтому и скорости деформирования мёрзлого грунта, а значит, и осадки сваи в обоих указанных случаях также будут существенно различаться.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12248-2010. Межгосударственный стандарт. Грунты. Методы лабораторного определения характе-
ристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ, 2011. 78 с.
2. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: Стандартинформ, 2013. 36 с.
3. СП 25.13330.2012. Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Минрегион
России, 2012. 118 с.
4. Аксёнов В.И., Геворкян С.Г., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Шмелёв И.В., Спиридонов С.И. Особенности работы
винтовых свай в мёрзлых грунтах / / Основания, фундаменты и механика грунтов. 2014. № 4. С. 25—30.
5. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мёрзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 191 c.
6. Вялов С.С., Городецкий С.Э, Ермаков В.Ф. и др. Методика определения характеристик ползучести, дли-
тельной прочности и сжимаемости мёрзлых грунтов. М.: Наука, 1966. 131 c.
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
7. Вялов С.С., Гмошинский В.Г., Городецкий С.Э. и др. Прочность и ползучесть мёрзлых грунтов и расчёты
ледогрунтовых ограждений. М: Изд-во АН СССР, 1962. 254 с.
8. Вялов С.С., Зарецкий Ю.К., Городецкий С.Э. Расчёты на прочность и ползучесть при искусственном за-
мораживании грунтов. Л.: Стройиздат,1981. 200 с.
9. Герасимов А.С. Некоторые особенности определения длительной прочности мёрзлых грунтов по дан-
ным кратковременных испытаний / / Основания и фундаменты жилых и общественных зданий на вечномёрзлых грунтах. Сборник научных трудов. Л.: ЛенЗНИИЭП, 1978. C. 22 — 27.
10. Методы определения механических свойств мёрзлых грунтов. М.: Изд-во МГУ, 1995. 170 с.
11. Aksenov V.I., Afonin A.P. "Determination of the Saline Creep Parameters in Yamal Peninsula." Proceeding of the
Sixth International Offshore and Engineering Conference (Los Angeles, California, USA, May 26-31, 1996). Golden, Colorado: ISOPE Publisher, 1996, volume 1, pp. 444—449.
12. ASTM D5520-94. Standart Test Method for Laboratory Determination of Creep Properties of Frozen Soil Samples
by Uniaxial Compression. Philadelphia: ASTM International Publisher, 2006. 9 p.
13. Cavanagh P., Spencer K., Tchekhovski A., Aksenov V. "Influence of Physical Properties on Frozen Soil Creep Pa-
rameters and Foundation Design." Proceedings of the Tenth International Conference on Permafrost (Salekhard, Yamal-Nenets Autonomous, Russia, June 25-29, 2012). Volume 1: International Contributions. Salekhard: Northern Publisher, 2012, pp. 67—72.
14. Nixon J.F., McRoberts E.C. "A Design Approach for Pile Foundations in Permafrost." Canadian Geotechnical Jour-
nal 13.1 (1976): 40 — 57.
15. Odqvist F.K.G. Mathematical Theory of Creep and Creep Rupture. Oxford Mathematical Monographs. Oxford: Clar-
endon Press. 1966. 210 p.
Цитирование по ГОСТ Р 7.0.11—2011:
Аксёнов, В. И., Иоспа, А. В., Кривов, Д. Н., Озерицкий, К. В., Дорошин, В. В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках [Электронный ресурс] / В.И. Аксёнов, А.В. Иоспа, Д.Н. Кривов, К.В. Озерицкий, В.В. Дорошин // Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. — 2016. — Т. 11. — Вып. 1: Система планета Земля. — Стационарный сетевой адрес: 2227-9490e-aprovr_e-ast11-1.2016.44.
COMPARISON OF RESULTS OF FROZEN SOILS TESTS IN UNIAXIAL COMPRESSION WITH STEP AND WITH CONSTANT LOADS
Viktor I. Aksenov, Sc.D. (Engineering), Senior Researcher, Chief Specialist at FOUNDAMENTPROJEKT OJSC (Moscow) E-mail: simg@fundamentroekt.ru, viktor-i-aksenov@j-spacetime.com
Andrey V. Iospa, M.Eng., Head of Frozen Soils Tests Sector at FOUNDAMENTPROJEKT OJSC (Moscow) E-mail: simg@fundamentroekt.ru, andrey-v-iospa@j-spacetime.com
Denis N. Krivov, M.Eng., Sc.D (Geology and Mineralogy), Head of Group at Frozen Soils Tests Sector, FOUNDAMENTPROJEKT OJSC (Moscow)
E-mail: simg@fundamentroekt.ru, denis-n-krivov@j-spacetime.com
Konstantin V. Ozeritsky, M.Eng., Engineer at FOUNDAMENTPROJEKT OJSC (Moscow) E-mail: simg@fundamentroekt.ru, konstantin-v-ozeritsky@j-spacetime.com
Vladimir V. Doroshin, M.Eng., Engineer at FOUNDAMENTPROJEKT OJSC (Moscow) E-mail: simg@fundamentroekt.ru, vladimir-v-doroshin@j-spacetime.com
One of the methods for determining the strength of frozen soils is the testing of samples on uniaxial compression. When a series of similar samples of frozen soil is subjected to compression at different, but constant for each sample voltages exceeding the long-term strength, the process inevitably results in the emergence of a progressive course and subse-
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
quent brittle or viscous destruction of the sample.
The aim of our work is to compare the results of tests on samples of frozen soils on uniaxial compression. We examine and compare results of uniaxial tests frozen soils of different methods involving calculation formulas of long-term strength and decrease with the increase of time.
We carried out tests in freezing chambers, maintaining temperature with high accuracy of ±0.25°С at a temperature of minus 4°С. We determined physical properties of the soils for the 99 monoliths that are soil samples. In laboratory conditions, we carried out determination of dry density of soil density of soil particles, organic matter content, values of the salinity and chemical composition of water-soluble salts.
Monoliths of frozen soils from Yamal Peninsula were collected in the depth interval of 1.0—30.0 m, which is predominantly shallow and silty sands, light and heavy loam (with a predominance of light loam and sandy loam, which met throughout the section of the survey sites.
By granulometric composition, sands are small and homogeneous; among silty sands the heterogeneous varieties are dominated.
In general, ice-rich varieties are dominated in the sands, and not-icy and slightly icy are dominated in the clay soils.
We investigated characteristic feature of frozen soils in the presence of saline samples varied between weakly and strongly saline. Salinity of the sands does not exceed 0.49%, and it dominated in the values of 0.05—0.15%; sandy clay has maximum salinity of 0.29%, the principal value range 0.20—0.29%; salinity of the light loam reaches values of 1.5%, salinity of the loamy clay reaches values of 1.8%, the prevailing values of salinity of the loams are 0.20—0.70%.
Organic matter in soils is present, usually in the upper layer of soil massif in the form of an admixture of peat in the amount to 31.3%, also in the context of the present interlayers and lenses of peat.
Processing of results enabled to obtain the coefficients of the transition from short-term to long-term strength of frozen soils (Kt). For fine sands, value factor Kt is about 0.8; for weakly saline, loam factor Kt takes the value of 0.54; for non-wet saline, loam Kt = 0.69; for loam medium and strongly saline, this characteristic vary from 0.29 to 0.60; for selenologist clay soils, Kt = 0.39. For non-icy dense medium saline clay soils, factor Kt = 0.42.
We obtained all the results for the most common frozen soils from Yamal Peninsula at minus 4 oC. Further research in this direction will allow calculating the transfer factors for other temperatures.
Our experiments have shown it is necessary to take into account the forces of the soil freezing with the lateral surface of the pile, set in the frozen thicker, since the strength of freezing on the side of the pile up to 80% of the bearing capacity of the pile. Replacement of the bearing capacity of piles (consisting of ground resistance under the end of the piles and freezing on its side surface) on the parameters of test samples for uniaxial compression is also invalid, because the schema of the soil under the action of a normal load (uniaxial compression) and shear (freezing) different.
Keywords: frozen soils, uniaxial compression, the forces of freezing, the coefficients of the transition, construction in the permafrost zone.
References:
1. Aksenov V.I., Afonin A.P. "Determination of the Saline Creep Parameters in Yamal Peninsula." Proceeding of the
Sixth International Offshore and Engineering Conference (Los Angeles, California, USA, May 26-31, 1996).
Golden, Colorado: ISOPE Publisher, 1996, volume 1, pp. 444-449.
2. Aksenov V.I., Gevorkyan S.G., Iospa A.V., Krivov D.N., Shmelev I.V., Spiridonov S.I. "Features of Work of Screw
Piles into Frozen Soils." Soil Mechanics and Foundation Engineering 4 (2014): 25 — 30. (In Russian).
3. ASTM D5520-94. Standart Test Method for Laboratory Determination of Creep Properties of Frozen Soil Samples by Uni-
axial Compression. Philadelphia: ASTM International Publisher, 2006, 9 p.
4. Cavanagh P., Spencer K., Tchekhovski A., et al. "Influence of Physical Properties on Frozen Soil Creep Parame-
ters and Foundation Design." Proceedings of the Tenth International Conference on Permafrost (Salekhard,
Yamal-Nenets Autonomous, Russia, June 25-29, 2012). Volume 1: International Contributions. Salekhard:
Northern Publisher, 2012, pp. 67—72.
5. Gerasimov A.S. "Some Features of Definition of Long-Term Strength of Frozen Soils According to Short-Term
Tests." Bases and Foundations of Residential and Public Buildings on Permafrost. Collection of scientific works.
Leningrad: LenZNIIEP Publisher, 1978, pp.22 — 27. (In Russian).
6. Methods of Determination of Mechanical Properties of Frozen Soils" Moscow: Moscow University Publishing House,
1995. 170 p. (In Russian).
7. Nixon J.F., McRoberts E.C. "A Design Approach for Pile Foundations in Permafrost." Canadian Geotechnical Jour-
nal 13.1 (1976): 40 — 57.
Электронное научное издание Альманах Пространство и Время Т. 11. Вып. 1 • 2016 СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ
Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time vol. 11, issue 1 'The Earth Planet System'
Elektronische wissenschaftliche Auflage Almanach 'Raum und Zeit' Bd. 11, Ausgb. 1 'System Planet Erde'
Аксёнов В.И., Иоспа А.В., Кривов Д.Н., Озерицкий К.В., Дорошин В.В. Сопоставление результатов испытаний мёрзлых грунтов
на одноосное сжатие при ступенчатой и постоянной нагрузках
8. Odqvist F.K.G. Mathematical Theory of Creep and Creep Rupture. Oxford Mathematical Monographs. Oxford: Clar-
endon Press. 1966. 210 p.
9. Set of Rules SP 25.13330.2012. Bases and Foundations on Permafrost. Moscow: Ministry Of Regional Development
Publisher, 2012. 118 p. (In Russian).
10. State Standard GOST 12248-2010. Interstate Standard. The Soils. Laboratory Methods for Determining the Strength and
Deformability. Moscow: Standartinform Publisher, 2011, 78 p. (In Russian).
11. State Standard GOST 25100-2011. The Soils. Classification. Moscow: Standartinform Publisher, 2013. 36 p. (In Russian).
12. Vyalov S.S. Rheological Properties and Load-Carrying Capacity of Frozen Soils. Moscow: USSR Academy of Sciences
Publisher, 1959, 191 p. (In Russian).
13. Vyalov S.S., Gmoshinskiy V.G., Gorodetskiy S.E. Strength and Creep of Frozen Ground and the Calculations of the
Ladgroove Fences. Moscow: USSR Academy of Sciences Publisher, 1962, 254 p. (In Russian).
14. Vyalov S.S., Gorodetsky S.E, Ermakov V.F. Methods of Determining Characteristics of Creep, Long-Term Strength and
Compressibility of Frozen Soils. Moscow: Nauka Publisher, 1966, 131 p. (In Russian).
15. Vyalov S.S., Zaretsky Yu.K., Gorodetsky S.E. Calculations on Strength and Creep under Artificial Freezing of Soils.
Leningrad: Stroyizdat Publisher, 1981, 200 p. (In Russian).
Cite MLA 7:
Aksenov, V. I., A. V. Iospa, D. N. Krivov, K. V. Ozeritsky, and V. V. Doroshin. "Comparison of Results of Frozen Soils Tests in Uniaxial Compression with Step and with Constant Loads." Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time:] 11.1 ('The Earth Planet System') (2016). Web. <2227-9490e-aprovr_e-astll-1.2016.44>. (In Russian).
