CC BY
61
BECTH MOCK УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2007 № 6
31
УДК 551 2/3 624 131 М.Н. Царапов
ФОРМИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРЕСТИК ГРУНТОВ В ПРОЦЕССЕ ОТТАИВАНИЯ
Исследованы прочностные характеристики основных типов оттаивающих глинистых грунтов супеси, суглинка и глины Выделены основные факторы, влияющие на их формирование в процессе промерзания—оттаивания гранулометрический состав, условия промерзания-оттаивания, физические характеристики (плотность—влажность), поровое давление По специально разработанной методике, учитывающей влияние указанных факторов, получены нормативные характеристики для рассматриваемых типов оттаивающих грунтов
Введение. Одним из важнейших вопросов, возникающих (или требующих разрешения) при освоении территории, в частности для прогноза устойчивости склонов при оттаивании, является изучение механических свойств оттаивающих грунтов, особенно их прочностных характеристик Основная из этих характеристик — сопротивление сдвигу, а соотношение между нормальными и касательными напряжениями определяет условие предельного равновесия Отличительная особенность величины сопротивления оттаивающих грунтов сдвигу, в отличие от большинства других материалов, — его изменение в процессе оттаивания в зависимости от физических свойств грунтов, температурного режима, условий нагружения
Результаты первых исследований по изучению прочностных характеристик оттаивающих грунтов появились в 50-е гг XX в Исследования [Захаров 1951, Михайлова, 1966, Бовдаренко, 1982] показали, что в дисперсных льдистых грунтах сетчатой или слоистой текстуры сопротивление сдвигу при оттаивании существенно снижается. Главная причина снижения прочностных характеристик грунтов в процессе оттаивания заключается в значительном содержании свободной воды на границе оттаивания за счет повышенной фильтрационной способности оттаивающего грунта В то же время имеются данные, свидетельствующие об увеличении сопротивления сдвигу глинистых грунтов на границе оттаивания [Гольдштейн, 1948, Евдокимов, Зауэрбрей, 1950, Шушерина, 1957, гЬщиап, 1980] Это объяснялось тем, что поверхность оттаивания неровная, с ледяными выступами, разрушение которых при сдвиге приводит к увеличению сопротивления сдвигу
До настоящего времени не установлены закономерности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов, которые позволили бы количественно определить их значения с целью прогноза несущей способности оснований и развития криогенных процессов различных видов грунтов В статье рассмотрены исследования в данном направлении
16 ВМУ, геология, № 6
Методика испытаний
Опыты выполнялись методом одноплоскостного среза Исследовались искусственно приготовленные мерзлые грунты с задаваемыми в соответствии с ГОСТ 30416-96 значениями физических характеристик (плотность и влажность) Испытывались супесь, суглинок и глина Генезис, глубина отбора и морфологическое описание грунтов приведены в табл 1, гранулометрический состав представлен в табл 2, физические характеристики — в табл 3 Название грунтов дано по ГОСТ 25100-95
Образцы изучали при температуре — 15°С в плексигласовых кольцах, предназначенных для моделирования одностороннего промерзания грунта После полного промерзания грунт помещали в сдвиговой прибор конструкции Маслова—Лурье, переоборудованный для испытаний оттаивающих грунтов с возможностью фиксирования осадки при оттаивании Оттаивание производилось штампом, нагреваемым с помощью ультратермостата, внутри которого циркулировала вода с заданной температурой Для обеспечения плоскопараллельного оттаивания сдвиговые кольца изготавливали из нетеплопроводного материала — оргстекла В течение опыта велись наблюдения за осадкой фунта во времени и за глубиной оттаивания Параллельно исследовалось поровое давление специально изготовленным прибором при тех же значениях влажности грунта
Сопротивление сдвигу определялось не менее чем при трех значениях нормального напряжения Сдвиговая нагрузка прикладывалась в момент, когда граница оттаивания достигала зоны сдвига Опыты проводились при быстром (примерно в течение 40—60 с) приложении сдвигающей нагрузки, что не позволяло перемещаться границе оттаивания После проведения испытания определяли значения влажности в зоне сдвига, в оттаявшем и мерзлом слоях
Проведено более 100 испытаний оттаивающих грунтов Результаты анализировали для выделения основных факторов, влияющих на параметры прочности Рассмотрены четыре основных фактора тип грун-
32
ВЕСТН МОСК УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2007 № 6
Таблица 1
Генезис, глубина отбора и морфологическое описание грунтов
Вид грунта Возраст грунта Глубина отбора, м Морфологическое описание
Супесь е, ей 0Ш_1У 1,5-4,5 Темно-серая, мелкая, с редкими включениями
Суглинок ес1 <2ш-1У 0,2-1,5 Желтовато-коричневый с включениями гальки
Глина 1М}1У 0,5-2,5 Светлая зеленовато-серая
Гранулометрический
Как известно, основными прочностными характеристиками сопротивления грунтов сдвигу в соответствии с законом Кулона—Мора (т = <у + С) являются сцепление (С) и угол внутреннего трения (<р) Полученные в наших исследованиях значения С и ф для различных типов оттаивающих грунтов приведены в табл 4
Как видно на рисунке, значения С и ср суглинка и глины при оттаивании уменьшаются с увеличением влажности грунта, хотя и имеют довольно большие значения Это можно объяснить тем, что в процессе промерзания агрегаты грунта не могут служить жесткой оболочкой, способной выдержать большие напряжения Поэтому происходит уплотнение грунто-
Таблица 2
ав исследуемых грунтов
Вид грунта, возраст Гранулометрический состав, %
Величина частиц, мм
галька гравий песчаные пылеватые глинистые
>100 10,0- 5,0-2,0 2,0- 1,0- 0,5- 0,25- среднее 0,05- 0,01- 0,005- <0,001
5,0 1,0 0,5 0,25 0,1 0,01 0,005 0,001
Супесь, ес1 Ош-гу 0,0 0,0 0,0 0,9 0,8 4,4 27,8 27,9 19,4 9,2 6,7 2,9
Суглинок, ес10ш -1У 0,0 0,0 0,0 0,0 3,7 14,3 20,7 19,3 5,4 4,6 15,8 16,2
Глина, 1ЬС>1У 0,0 0,0 1,4 0,1 0,4 1,1 5,7 6,9 15,7 21,3 18,5 28,9
Таблица 3
Физические характеристики грунтов
Вид грунта и пределы значений их консистенций Коэффициент пористости, е Наименован ие грунтов по ГОСТ 25100-95
Супесь, есК^ш-гу 0 < I, < 0,25 0,696 Супесь пылеватая
0,25 </,<0,75 0,736
/,> 1 0,877
Суглинок, е<3(2ш—IV 0 0,25 0,543 Суглинок тяжелый пылеватыи
0,25 </,<0,75 0,676
0,938
Глина, 1ЬС?1У 0 < /, < 0,25 0,81 Глина легкая пылеватая
0,25 < I, < 0,75 1,00
/,>1 1,51
та, изменение физических свойств (плотности, влажности, пористость) в процессе оттаивания, условия промерзания—оттаивания и наличие избыточного по-рового давления в приконтактном слое
Анализ результатов
Значения сопротивления сдвигу получены для пылеватых супеси, суглинка и глины при изменении влажности от предела раскатывания до предела текучести и выше влажности предела текучести (Щ) Установлена прямолинейная зависимость между сопротивлением сдвигу (т) у указанных видов грунтов и нормальным давлением (о) В качестве примера приведен график т -/(о) для данных грунтов (рисунок)
вых частиц, увеличиваются размеры пор, которые заполняются льдом, что снижает напряжения, возникающие при кристаллизации влаги Образуются цементационные и льдоцементационные внутриагрегат-ные связи При оттаивании они разрушаются, и под действием сил гравитации, а также за счет образовавшегося увеличенного порового пространства грунт приобретает повышенную фильтрационную способность (коэффициент фильтрации может в несколько раз превышать значения коэффициента фильтрации немерзлого грунта [Хрусталев, 1961]), что и приводит к повышению значения влажности в приконтактной зоне Частицы грунта в первый момент оттаивания находятся в разрыхленном состоянии, образуя так называемую посткриогенную текстуру оттаивающего грунта Посткриогенная разрыхленность приконтакт-ного слоя, связанная с оттаиванием мерзлого грунта, сохраняется до конца оттаивания Параллельно в этом
т, МПа
0,05 п
0,04 0,03-0,02-0,01-
0 0,05 0,1 0,15
о, МПа
Зависимость сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов выше предела текучести с влажностью от нормального давления
ВЕСТИ МОСК УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2007 № 6
33
Таблица 5
Прочностные характеристики супеси в оттаявшем и оттаивающем состояниях
Таблица 4
Прочностные характеристики оттаивающих грунтов
Вид грунта Пределы значений показателя консистенции Прочностные характеристики оттаивающего грунта (приконтактный слой)
с, МПа
Глина легкая пылеватая 0 < /, < 0,25 0,035 15,35
0,25 < /, < 0,75 0,014 12,48
1г> 1 0,021 9,31
Суглинок тяжелый пылеватый 0 < I, < 0,25 0,016 22,78
0,25 < I, < 0,75 0,012 18,26
Л>1 0,011 11,62
Супесь пылеватая 0 < I, < 0,25 0,017 17,22
0,25 </,<0,75 0,008 15,11
/,>1 0,005 11,31
Состояние т, кг/см3 С, % 9, %
грунта
Супесь при /, = 0
Оттаявшее 0,54 16,2 83,8
0,69
0,95
Оттаивающее 0,48 13,8 86,2
0,59
0,85
Супесь при /, = 0,78
Оттаявшее 0,25 21,2 78,8
0,39
0,58
Оттаивающее 0,21 19,4 80,6
0,29
0,48
Супесь при /, > 1
Оттаявшее 0,09 22,5 77,5
0,15
0,21
Оттаивающее 0,06 25,6 74,4
0,11
0,14
слое проходит процесс увеличения порового давления (так как мерзлый фунт, подстилающий оттаявший слой, является водоупором) При наличии порового давления часть нормальной нагрузки воспринимается водой, что в свою очередь приводит к снижению сопротивления сдвигу оттаивающего фунта, а соответственно и сцепления (С) и угла внутреннего трения (Ф)
Для оттаивающей супеси также характерно снижение сцепления и угла внутреннего фения Однако это происходит в основном за счет уменьшения сцепления Этот факт можно объяснить особенностью фа-нулометрического состава супесей Как известно, их минеральная "матрица" состоит из песчаных частиц, а пылевато-глинистые частицы обволакивают фубо-дисперсный материал или заполняют поры Микрошлиры льда при замерзании образуются на контакте фубодисперсных частиц При оттаивании происходит разрушение этих контактов, что в свою очередь приводит к снижению сцепления А снижение угла внутреннего фения супеси можно объяснить увеличением влажности в оттаивающем слое за счет повышения фильфационной способности в момент оттаивания Изменения параметров прочности оттаивающих фунтов в интервале влажности \¥р < Ж< \¥1 приведены в табл 4
Для сравнения проводились испытания на сдвиг полностью оттаявшего фунта, имеющего идентичные начальные физические характеристики (плотность, влажность, пористость) Установлено, что сопротивление сдвигу оттаивающего грунта имеет меньшие значения сцепления (С) и угла внутреннего фения (ф) по сравнению с полностью оттаявшим фунтом Например, при <т = 0,1 МПа сопротивление сдвигуЪт-таивающего фунта в 1,12 раза меньше сопротивления сдвигу оттаявшего фунта (табл 5) При этом с увеличением влажности сопротивление сдвигу уменьшается более чем в 3 раза Увеличение прочностных характеристик полностью оттаявшего грунта объясняется тем, что за момент оттаивания фунт успевает в большей степени консолидироваться, исчезает источник
избыточного порового давления — переувлажненный приконтактный слой
Для супеси экспериментальные значения прочности консистенции, меняющейся в пределах 0 < < 0,25, оказались в 1,2 раза, а для переувлажненных фунтов с /¿>0,75 в 1,7—2,7 раза ниже нормативных значений, приведенных в СП 50-101-2004
Интересно также оценить роль трения и сцепления в общем значении сопротивления сдвигу для разных типов фунтов при оттаивании В отличие от мерзлых фунтов, в которых, как известно, основную роль в общем сопротивлении сдвигу ифает сцепление, в оттаивающих фунтах необходимо учитывать сцепление (О и угол внутреннего фения (ср) Например, как видно из данных табл 5, роль угла внутреннего трения для оттаивающей супеси в общем сопротивлении сдвигу играет определяющее значение, хотя и снижается с увеличением первоначальной влажности Этот факт необходимо учитывать при расчете несущей способности оттаивающих оснований и расчете устойчивости склонов
Выводы. 1 Оттаивающие фунты обладают специфическими особенностями наличием увеличенного порового просфанства, посткриогенной текстурой, повышенной фильтрационной способностью, избыточным поровым давлением и др Эти факторы необходимо выделять при определении прочностных характеристик
2 С увеличением дисперсности грунтов сцепление снижается более интенсивно, а влияние трения повышается в общем балансе сопротивления сдвигу
34
ВЕСТИ MOCK УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2007 № 6
3 С увеличением показателя текучести параметры прочности оттаивающего грунта имеют более низкие значения, чем у аналогичного полностью оттаявшего грунта
4 При расчетах несущей способности оттаивающих оснований и устойчивости склонов необходимо
учитывать как сцепление, так и угол внутреннего трения, в отличие от мерзлых грунтов, для которых влияние на прочность угла внутреннего трения можно не учитывать, если ср< 20° [Цытович, 1973]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Бондаренко Г И Исследование сопротивления сдвигу и влажности сезонно-отгаивающих грунтов откосов и склонов // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение М Наука, 1982 С 148-154
2 Гольдштейн М Н Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании Вып 16 М Трансжелдориздат, 1948
3 ГОСТ 30416-96 Грунты Лабораторные испытания Общие положения М МНТКС, 1996
4 ГОСТ 25100-95 Грунты Классификация М Госкомитет по делам строительства, 1995
5 Евдокимов ПД, Зауэрбрей ИИ Влияние замораживания и оттаивания моренного суглинка на его строительные свойства // Гидротех строительство 1950 № 2
6 Захаров Н К Исследования сопротивления грунтов сдвигу при оттаивании Автореф канд дис Л , 1951
7 Михайлов ГД, Бредюк Г П Сопротивление сдвигу глинистых грунтов в процессе их оттаивания (по результа-
там лабораторных и полевых исследований) // Материалы VIII Всесоюзного совещания по геокриологии Вып 5 Якутск, 1966 С 51—60
8 Свод правил по проектированию и строительству СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений M , 2005
9 Хрусталев JIH Фильтрационные свойства сезонно-отгаивающих глинистых грунтов района Воркуты // Материалы к основам изучения о мерзлых зонах земной коры M Изд-во АН СССР, 1961 С 157-163
10 Цытович НА Механика мерзлых грунтов M Высшая школа, 1973
11 Шушерина ЕП Изменение физико-механических свойств грунтов в результате их промерзания и последующего оттаивания // Материалы лабораторных исследований мерзлых грунтов Сб 3 M Изд-во АН СССР, 1957 С 38—45
12 Zhiguan Т In-situ direct shear tests at the freeze/thaw interface in thawed soils // Lanzhou Chine, 1980 P 1279—1282
Поступила в редакцию 13 02 2007
