CC BY
51
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТАЛЫХ И МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ (г. Кызыл)
Майны Ш.Б.
Тувинский государственный университет
STUDYING OF PHYSICOM ECHANICAL PROPERTIES OF THAWED AND
FROZEN SOIL (Kyzyl)
Mayny Sh.B.
Изучение физико-механических свойств мерзлых и талых грунтов, обусловленных сезонными процессами промерзания - оттаивания, в значительной мере еяияет на их фишко-механические свойства и являются количественными характеристиками, определяющими силовое воздействие грунтов на подземный трубопровод.
Ключевые слова: сезонное промерзание грунта, инженерные изыскания
Studying ofphysicomechanical properties of the frozen and thawed soil, caused by seasonal processes of a promerzaniye - thawing, considerably, influences their phystcomechantea! properties, and are the quantitative characteristics defining power influence of soil on the underground pipeline.
Key words: seasonal is freezing a ground, engineering researches.
На территории Республики Тыва распространены грунты с глубоким сезонным промерзанием, которые также имеют «криогенную» специфику: глубина сезонного промерзания достигает 3-4 м и более, активно проявляется ряд криогенных процессов (морозное пучение грунтов,
наледеобразование, морозобойное растрескивание грунта и др.). Ежегодный ущерб народному хозяйству от вредного воздействия сил морозного пучения грунтов начисляется несколькими десятками миллионов рублей [1].
Тепловой режим мерзлых и талых фунтов, обусловленный сезонными процессами промерзания - оттаивания, в значительной мере влияет на их физико-механические свойства, которые, в свою очередь, являются количественными характеристиками, определяющими силовое воздействие грунтов на подземный трубопровод
Эти характеристики определяются на основе инженерных изысканий трассы и прогноза возможных изменений грунтовых условий во времени, связанных со строительством и дальнейшей эксплуатацией трубопровода [1].
Под инженерными изысканиями понимается комплексный производственный процесс, обеспечивающий строительное проектирование исходными данными о природно-климатических и инженерно-геологических условиях трасс сооружаемого
трубопровода. Учитывая ограниченность данных о грунтах по длине трубопровода, желательно их уточнение во время проведения земляных работ при его строительстве.
При проведении инженерных изысканий и прогнозировании необходимо учитывать конструктивное решение трубопровода, технологические параметры -массовый расход транспортируемого продукта, его температуру и давление, а также возможные способы стабилизации высотно-планового положения трубопровода - анкера, пригрузы, компенсаторы и т.д.
На основании инженерных изысканий и в соответствии с ГОСТом [3] на классификацию грунтов по комплексу признаков устанавливаются классы, группы, подгруппы, типы, виды и разновидности грунтов.
В список физических характеристик грунтов, определяемых ГОСТом [3], входят плотность грунта ргр, плотность скелета р^, плотность минеральных частиц р8, удельный вес грунта у,р, пористость я, коэффициент пористости е и т.д.
Основным параметрами механических свойств талых грунтов, определяющих их силовое взаимодействие с трубопроводом и уровень напряженно-деформированного состояния последнего, являются: угол внутреннего трения <р,ру удельное сцепление сг{п модуль деформации ЕТ> пределы
прочности на сжатие Rq и сдвиг тгр, коэффициент Пуассона Угр и т.д.
Одним из важных факторов, от которых зависят физико-механические и теплофизи-ческие характеристики грунтов, является влажность грунта w. Именно наличие влаги в порах грунтов подразделяет их на талые и мерзлые, определяя далее их свойства.
Все расчеты трубопроводов на прочность и устойчивость должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик: Е,с,<р,р. которые равны соответствующим значениям нормативных характеристик, деленным на коэффициент надежности по фунту пгр [1].
Коэффициент надежности по грунту пгр устанавливается в зависимости от изменчивости характеристик, числа определений и значений доверительной вероятности а, которая принимается равной 0,95 для трубопроводов категории В, 0,9 -для категории I и II и 0,85 - для категории Ш и IV.
Прогностические характеристики талых грунтов обычно определяются для грунтов ненарушенной структуры. Для грунтов обратной засыпки расчетные значения модуля деформации Е0, удельного сцепления с0 и угла внутреннего трения tpo принимаются равными: Ео=ЦгрЕгр-, с0=г]грсгр, (р0= Ц.т<р,р, где Егр, сгр и (ргр - расчетные значения характеристик грунта природного сложения; цгр коэффициент, учитывающий снижение прочностных показателей, зависящий от вида грунта, его плотности, влажности и лежащий в диапазоне 0,4 - 0,8 [1].
По современным представлениям, в том числе по определениям, принятым в нормативных документах, мерзлыми называются грунты, имеющие
отрицательную температуру и содержащие лед [4].
Мерзлый грунт - сложное многофазное природное образование, состоящее из четырех основных компонентов:
минеральных частиц, льда, незамерзающей воды и газообразных включений (пары, газы). Грунты всех видов относятся к мерзлым, если:
- имеют отрицательную температуру;
- содержат в своем составе лед.
При отсутствии льда скальные грунты с отрицательной температурой называются морозными.
Свойства мерзлых грунтов в значительной степени зависят от количества в них незамерзшей воды IV», (влажность грунта за счет незамерзшей воды), которое определяется экспериментально, а для технических расчетов может быть рассчитано по формуле:
К (1)
где Ки - коэффициент, принимаемый по табл. СНиП 2.02.04-88 в зависимости от числа пластичности Гр и температуры грунта; м'р - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы.
Одним из основных
классификационных показателей мерзлых грунтов является криогенная структура, определяемая характером расположения ледяных включений [4].
В зависимости от ориентировки, относительного расположения и
распределения различных по форме и размерам ледяных включений и льда -цемента грунт имеет различную криогенную текстуру - массивную или слоисто-сетчатую. При массивной текстуре в мерзлом грунте содержится только поровый лед (лед-цемент), при слоисто-сетчатой, кроме того, лед в виде ледяных включений (линз,
прослоек) (рис. 1). *
О
Wt-
Рис. 1 Криогенные текстуры мерзлого грунта: а - массивная; б - слоисто-сетчатая (1 - паратлельно-слоистая; 2 - сетчатая)
Мерзлые грунты массивной текстуры обладают наибольшим механическим сопротивлением в мерзлом состоянии и дают наименьшую осадку при оттаивании.
Важнейшими физическими характеристиками мерзлых грунтов являются суммарная влажность 1¥101 и льдистость г,.
Суммарная влажность отражает отношение массы всех видов воды (в том числе включений льда), содержащейся в мерзлом грунте, к массе твердых частиц в том же объеме. Она может быть представлена в виде следующей суммы;
(2)
где Жн, }¥„ - влажность грунта за счет соответственно ледяных включений, порового льда и незамерзшей воды.
Суммарная влажность значительно влияет на прочностные и теплофизические свойства мерзлых грунтов. Наибольшую прочность мерзлые грунты имеют при некоторой «оптимальной» влажности. С увеличением суммарной влажности объемная теплоемкость и теплопроводность мерзлого фунта также увеличиваются. Заметим, что для немерзлых грунтов существует обратная зависимость. При одной и той же влажности теплоемкость мерзлого грунта меньше, а теплопроводность, наоборот, больше чем того же самого фунта, находящегося в талом состоянии.
По физическому состоянию мерзлые фунты разделяются на две категории;
- твердомерзлые и малосжимаемые с большим модулем упругости, частицы, которых прочно сцементированы льдом;
пластичномерзлые, содержащие большое количество незамерзшей воды, в результате чего в них при наличии механических напряжений появляются необратимые пластические деформации.
Твердомерзлое состояние фунтов обычно достигается с понижением температуры, когда большая часть содержащейся в них воды замерзает.
В районах г Кызыла инженерно-геологические условия территории в пределах поймы, первой и второй надпойменных террас долины р. Енисей (на
которых располагается город) неравнозначны в отношении освоения под строительство
Пойменная часть характеризуется более сложными инженерно-геологическими условиями. Хотя: по составу аллювий пойменных отложений относительно однороден и отмечается вполне удовлетворительными расчетными характеристиками, но в пределах поймы следует учитывать наличие площадей занятых болотами, затопляемость высокими паводковыми водами, а также подтопление ее в паводки.
Грунтами оснований в пределах поймы будут служить песчано-гравийные осадки, супеси, реже пески и суглинки Расчетное давление на грунты при глубине заложения фундаментов 1,5-2,0 м; на супеси - 1,0 кг/см2, на пески - до 2,0 кг/см", на галечники до 5 кг/см".
Глубина заложения фундаментов при условии наличия оснований из супесей и песков зависит от глубины промерзания и должна быть не менее расчетной глубины промерзания.
Грунтовые воды залегают на глубине 1,0-2,5 м. Амплитуда колебаний фунтовых вод составляет 1,5-2,0 м во время весенних и осенних паводков Грунтовые воды гидравлически связаны с р. Енисей. По своим физико-химическим свойствам являются неафессивными по отношению к бетону на обычном портландцементе.
Строительство возможно на обычных ленточных фундаментах. На отдельных участках, в местах с мощными отложениями супесей и суглинков рекомендуется применить свайные основания.
Инженерно-геологические условия первой надпойменной террасы
неравноценны, т. к. западная часть вместе с прилегающими с юга болотами, находится в зоне более значительного воздействия паводковых вод, чем восточная, где влияние паводковых вод почти не сказывается. Некоторое различие наблюдается и в геологическом строении обеих территорий. На возвышенных участках кроме типичного аллювия развиты покровные суглинки, мощностью до 1,5-2,0 м На пониженных участках среди аллювиальных отложений часто встречаются торфяники и прослои песков в плывунном состоянии. На глубине 3-5 м состав аллювия более однороден.
Нормативное давление на
заторфованные и иловатые грунты менее 1 кг/см2. При освоении территорий с мощным слоем заторфованных грунтов необходимо применение свайных фундаментов, а при незначительной мощности они подлежат удалению.
Коэффициент просадочности суглинков изменяется от 0,005 до 0,032 см2/кг. Так как мощность просадочной толщи невелика, поэтому при освоении и проектировании просадочные свойства грунтов не должны учитываться.
Грунтовые воды в пределах первой надпойменной террасы залегают на глубине ниже 3 м. Амплитуда колебаний уровня фунтовых вод составляет 1-1,5 м.
Кроме основного грунтового потока в пределах первой надпойменной террасы встречается фунтовая вода типа «верховодка», залегающая линзами на участках развития мерзлых фунтов. Глубина ее залегания от 0,5 до 1,5 м. Наличие «верховодки» часто придает песчаным фунтам свойства плавунов
Для первой надпойменной террасы характерно развитие среди аллювиальных отложений мерзлых фунтов. Поэтому при проектировании зданий на суглинках и супесях необходимо учитывать глубину промерзания фунтов (максимальная около 3,0 м). Во избежание деформаций зданий и сооружений, фундаменты следует закладывать ниже глубины промерзания При частичном оттаивании мерзлого фунта в летнее время может наблюдаться подтопление подвальных помещений, в связи, с чем необходима гидроизоляция заглубленных частей зданий и сооружений.
Для второй надпойменной террасы и склонов водоразделов характерно однообразие геологического строения и относительно глубокое залегание уровня фунтовых вод.
Участки второй надпойменной террасы и склонов водоразделов сложены, в основном, скальными породами песчаниками и конгломератами юры, выходящими иногда на поверхность. На второй надпойменной террасе коренные породы прикрыты крупнообломочными хорошо сцементированными материалами древнего аллювия мощностью до 5 м. Эти покровные отложения почти лишены почвенно-растительного слоя, в связи, с чем в пределах II надпойменной террасы очень мало растительности
Несущими фунтами оснований будут являться валунно-галечные и коренные отложения с допустимым расчетным давлением 4-5 кг/см2.
Грунтовые воды залегают на большой глубине и препятствием к строительству являться не будут. Грунтовые воды по условиям залегания и качественным показателям близки к грунтовым водам первой надпойменной террасы.
Вдоль уступа второй надпойменной террасы в южной части планируемой территории (староречье р Малый Енисей) наблюдается заболоченность, что связано с выходом фунтовых вод в основании террасы.
Перед освоением этой территории под строительство необходимо осуществить мероприятия по понижению уровня фунтовых вод и предусмотреть упорядочение поверхностного стока При выявлении слабых грунтов рекомендуется применение свайных фундаментов
Физико-механические свойства грунтов являющихся фунтами основания на территории г Кызыла (данные ТИСИЗа, г. Красноярск); приведены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства грунтов
Наименование грунтов Консистенция Объемн. вес, г/см3 Коэф. пористости Пористость, % Удельное сцепление, кг/см2 Угол внутр. трения, градус Компресс, модуль деформа ции Расчетное давление кг/см"
Супесь 0 1,58-1,71 0,84 45.4 0.015 28 8,0 2,5
Песок пылеватый - 1,79 - 0,77 0,011 33 7,2 1,5-2,0
Песок мелкий - 1,43 0,87 0,80 - 30 13 2,0
Песок средней Крупности - 1,46-1,55 0,75 0,75 0,008 37 13 3,0
Суглинок 0 1,65-1,7 0,35 0,35 0,04 22 3,3 2,5-3,0
Гравийно-галечный грунт - - - - - - 3,5-5,0
Литература:
1. Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. - Л.: Стройгодат, 1977. - 184 с.
2. Агапкин В.М., Борисов С.Н., Кривошеин Б.Л. Справочное руководство по расчетам трубопроводов. -М.:Недра, 1987,- 191 с.
3. ГОСТ 251100-95 - «Грунты. Классификация».
4. Роман Л.Т. Механика мерзлых фунтов. - М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. - 426 с.
