CC BY
33Б01 10.52170/1815-9262_2021_56_92 УДК 624.139.22
А. Л. Исаков, С. И. Бухов
К оценке коэффициента морозного пучения глинистых грунтов земляного полотна при закрытой системе промерзания
Поступила 19.01.2021
Рецензирование 22.01.2021 Принята к печати 26.01.2021
Априорная оценка величины морозного пучения является одной из важнейших задач при проектировании противопучинных мероприятий на железных и автомобильных дорогах. Существующие подходы к решению этой задачи до сих пор не позволяют считать вопрос закрытым. Ситуация осложняется тем, что процесс промерзания глинистых грунтов имеет два основных режима - закрытая система и открытая система. В случае открытой системы практически нереально оценить дополнительный объем влаги, появляющейся в зоне промерзания в результате ее «подтягивания» к фронту промерзания. Как следствие, говорить о коэффициенте пучения в этом случае не имеет смысла. При закрытой системе промерзания ситуация значительно упрощается, поскольку в процесс пучения может быть вовлечена только та влага, которая содержалась в зоне промерзания в предзимний период. То есть возможна так называемая оценка сверху, когда считается, что вся замерзшая влага в результате фазовых переходов превращается в лед. Однако в этом случае оценка величины коэффициента пучения при невысоких значениях коэффициента водонасы-щения будет существенно завышена.
В данной статье предложен подход к определению коэффициента пучения глинистых грунтов при закрытой системе промерзания с учетом степени их водонасыщения. Введен в рассмотрение новый параметр - показатель пучения глинистых грунтов, характеризующий степень пучения грунта относительно максимально возможного значения, реализуемого при его полном влагонасыщении. Выведена формула для оценки коэффициента пучения глинистых грунтов с учетом степени их водонасыщения. Проведены лабораторные эксперименты по определению коэффициента пучения глинистых грунтов с вариацией их пористости и влажности. Сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными показало их неплохую сходимость, достаточную для практического использования формулы коэффициента пучения при закрытой системе промерзания глинистых грунтов.
Ключевые слова: морозное пучение, коэффициент пучения, закрытая система промерзания, глубина промерзания.
Морозное пучение на железных и автомобильных дорогах проявляется в виде поднятий дневной поверхности. Основным нормируемым параметром, характеризующим морозное пучение, является высота морозного пучения йпуч, которая определяется простейшей зависимостью
Идуч = Кпуч Н/, (1)
где Ипуч высота пучения, Кпуч коэффициент пучения; Н^ - глубина промерзания грунта.
Применительно к лабораторным испытаниям грунтов в ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» [1] введено эквивалентное коэффициенту пучения понятие относительной деформации морозного пучения в/„, величина которой измеряется в процентах.
Еще одним важным параметром, характеризующим морозное пучение, является интенсивность пучения / как функция глубины про-
dh
мерзающего грунта: J (z) = —, где г - теку-
dz
щее значение глубины промерзания; И - текущее значение высоты морозного пучения. В отличие от коэффициента пучения, интенсивность пучения является дифференциальной характеристикой пучения грунта, которая важна при существенной неоднородности свойств грунтового массива по его глубине. Однако и в этом случае можно оперировать понятием коэффициента пучения, если разбить толщу грунта на слои.
Так, если промерзшая толща грунтового массива сложена разнородными слоями грунтов, то формула (1) примет более сложный вид:
Куч = X К'пуч Нi + НП
(2)
где N - количество слоев грунта; К' - коэффициент пучения грунта в 7-м слое; Н7 - толщина 7-го слоя; Кпуч - коэффициент пучения
грунта в ^м слое; Н - толщина промерзшей части ^го слоя.
'=1
В соответствии с нормативными документами, регламентирующими допустимые деформации морозного пучения на железных [2] и автомобильных [3] дорогах, предельная высота равномерного морозного пучения грунтов земляного полотна не должна превышать нормативных значений [Нпуч], определяемых категорией дороги (табл. 1), типом дорожных одежд и видом покрытия (табл. 2). То есть критерием допустимости вертикальных деформаций земляного полотна в зимний период является условие
Йдуч < [Ипуч]. (3)
Для проверки выполнения критерия (3) необходимо знать два параметра (Куч и И), которые при подстановке в (1) позволят решить поставленную задачу.
Для оценки коэффициента пучения в первую очередь необходимо определиться с системой промерзания грунта. Их две - открытая и закрытая. Открытая система промерзания предполагает наличие близко расположенных грунтовых вод, приводящих к миграции (подтягиванию) влаги в зону промерзания. Обычно это происходит, когда расстояние от фронта промерзания до зеркала грунтовых вод не превышает высоту капиллярного поднятия. В этом случае прямое определение коэффициента пучения в лабораторных условиях [4] трудно признать корректным, поскольку воспроизвести реальные условия миграции влаги и режима промерзания грунта в лабораторном эксперименте не представляется возможным. С другой стороны, существующие оценки коэффициента пучения, приведенные в различных нормативных документах [5], расходятся на десятки процентов, что делает их также неприемлемыми для проведения практических расчетов.
Поэтому при открытой системе промерзания для гарантии предотвращения проблем, связанных с морозным пучением, рекомендуется полное выведение зоны интенсивного морозного пучения из глинистых грунтов земляного полотна и его основания. Это либо создание защитного слоя из дренирующего грунта, либо использование теплоизолирующих устройств [6, 7]. Температурным критерием определения зоны интенсивного морозного пучения является условие
Т < Тпуч, (4)
где Тпуч - величина начала интенсивного морозного пучения, которая должна определяться экспериментально.
При отсутствии таких данных условно за величину Тпуч можно принять температурную границу твердомерзлого состояния глинистого грунта Тн, который в соответствии с ГОСТ 25100-2011 [1] определяется как «дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением, практически несжимаемый под внешней нагрузкой». Например, для суглинков температурная граница твердомерзлого состояния в [1] задается равенством Тн = -1,0 °С, а для глин -Тн = -1,5 °С, хотя в реальности величина Тн находится в прямой зависимости от числа пластичности грунта: чем оно больше, тем больше по абсолютной величине Тн.
При закрытой системе промерзания грунта, когда дополнительная миграция влаги в зону промерзания отсутствует, ситуация значительно упрощается. В этом случае в процесс пучения вовлекается только вода, содержащаяся в зоне промерзания грунта в предзимний период. Однако даже в этом относительно простом случае приемлемого решения универсальной оценки коэффициента пучения нет [8-10].
Таблица 1
Допустимые значения высоты равномерного морозного пучения на железных дорогах
Категория дороги Скоростная, пассажирская Особогрузонапряженная I и II III IV
Высота пучения, мм 10 15 20 25 35
Таблица 2
Допустимые значения высоты равномерного морозного пучения на автомобильных дорогах
Тип дорожных одежд Вид покрытия Допустимая величина морозного пучения, мм
Капитальные Асфальтобетонное 40
Облегченные Асфальтобетонное 60
Переходные Переходное 100
Рассмотрим крайний случай, когда предзимняя влажность Жо = Жа, где - влажность полностью водонасыщенного грунта, т. е. когда все его поры заполнены водой.
Значение ЖШ1 определяется по формуле
Ж =
заг
Р
Рз
(5)
где е - коэффициент пористости.
Естественно предположить, что в таком случае коэффициент пучения будет определяться величиной относительного объемного расширения воды при ее замерзании, значение которой можно принять равным 0,09. Считая, что равномерное морозное пучение грунтов земляного полотна происходит только в вертикальном направлении, выражение для коэффициента пучения полностью водонасыщенного грунта К^ , используя (1), можно записать в виде
К
АУ
^яаг _ пуч
пуч=н ~ V
(6)
где АУ - увеличение объема грунта в результате замерзания воды в порах; У - объем талого грунта.
Для дальнейшего преобразования выражения (6) сделаем следующую замену:
АУ = 0,09(Уп - Ую ), (7)
где Уп - объем пор, заполненных водой; Ую -объем незамерзшей воды.
Значение УНз определяется равенством:
Рз
У = Ж —У Р
нз нз 3 '
(8)
где Жю = к»Жр - доля незамерзшей воды (к» -коэффициент, зависящий от числа пластичности грунта и температуры мерзлого грунта; Жр -влажность грунта на границе пластичности) [11]; - плотность частиц грунта; р» - плотность воды; У - объем твердых частиц грунта.
Далее, поделив числитель и знаменатель в правой части выражения (6) на V и сделав замену
У Р
ТГ заг ■
У Рп
(9)
окончательно получим
КО: = 0,09 ^ Жа - Жнз), (10) Р™
где Р^ - плотность сухого грунта.
Выражение (10) характеризует коэффициент пучения при закрытой системе промерзания для полностью водонасыщенного грунта. Анализ (10) показывает, что величина К^
для различных типов реальных глинистых грунтов земляного полотна и его основания, как правило, не превышает 0,03.
Теперь рассмотрим случай, когда предзимняя влажность грунта Жо < Ж^. Здесь необходимо отметить, что в научной литературе существует такое понятие, как критическая влажность глинистого грунта, ниже которой в нем не происходит перераспределения влаги, вызывающего морозное пучение. Величина критической влажности Жег определяется следующей эмпирической формулой [12]:
Ж =
ф+зРж (1+ РЖ )в-ш> -1
2Рз '
(11)
где Ж - влажность грунта на границе его текучести; 1р - число пластичности.
Обычно величина Жег близка к влажности на границе пластичности Жр и может превосходить ее на 0,01-0,02 д. е.
Рассмотрим следующую идеализированную картину перераспределения воды в зоне промерзания глинистого грунта при закрытой системе. Будем считать, что в результате миграции воды к фронту промерзания ее накопление в верхней области происходит путем формирования там зоны полного влагонасы-щения (Ж = Жш) до тех пор, пока в нижней части зоны промерзающего грунта влажность не достигнет значения Ж = Жег, при котором, как было отмечено выше, прекращается перераспределение влаги в грунте (рис. 1). Тогда в соответствии с принятой идеализацией вся влага, равномерно распределенная в талом грунте с влажностью Ж = Ж0, после промерзания будет перераспределена в соответствии с заштрихованной областью, показанной на рис. 1.
В этом случае зоной пучения грунта будет являться область полного водонасыщения глубиной Ица, где Ж = Жа (см. рис. 1). При этом нижележащие на глубине от до И/ слои с влажностью Ж = Жег будут исключены из процесса пучинообразования.
Введем в рассмотрение новый параметр
Ж - ж„„
Ж - Ж
" заг " сг
(12)
который назовем показателем пучения.
Рис. 1. Схема перераспределения влаги в зоне промерзания
Физический смысл показателя пучения наглядно иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 1, из которой следует, что глубина зоны пучения На легко определяется с помощью вновь введенного параметра 50-:
Н^ = Н;Бсг, (13)
и, как следствие, коэффициент пучения грунта
начальной влажностью Ж = % может быть представлен в следующем виде:
т/-з __о
Кпуч = ^пуч^сг ,
или, используя (10) и (12),
К
= 0,09 Р^ (^ - Жнз) Р.
(14)
(15)
К
при закрытой системе промерзания с
Как следует из (14), параметр Баг характеризует степень пучения грунта относительно максимально возможного значения, реализуемого при его полном влагонасыщении в условиях закрытой системы промерзания.
На рис. 2 проиллюстрирован характер зависимости коэффициента пучения К^ от показателя пучения Баг на примере суглинка с числом пластичности 0,14 при различных значениях коэффициента пористости грунта е.
Графики, приведенные на рис. 2, демонстрируют весь диапазон теоретически возможных значений коэффициента пучения при закрытой системе промерзания для суглинка с числом пластичности 0,14 при вариации коэффициента пористости в пределах от 0,6 до 1,0.
Для верификации полученной формулы (15) была проведена серия лабораторных экспериментов на установке ГТ 1.1.8 (рис. 3) для испытания грунтов на морозное пучение [13].
х
0
1
С
■а ■а
Л
о ье
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0,005
0.000
3
2/
1
0.00 0.20 0,40 0.60 0,80 Показатель пучения
1.00
Рис. 2. Зависимость коэффициента пучения от параметра Бс1 при различной пористости суглинка (1Р = 0,14): 1 - е = 0,6; 2 - е = 0,8; 3 - е = 1,0
Эксперименты проводились с грунтами, имеющими числа пластичности в диапазоне от 0,07 до 0,14 при вариации коэффициента пористости в пределах 0,64-0,93 и различных значениях температуры, задаваемой на верхней плите прибора (-4 и -10 °С).
Рис. 3. Прибор ГТ 1.1.8 для испытания грунтов на морозное пучение
В табл. 3 приведены результаты экспериментального определения коэффициента пучения на образцах глинистых грунтов с использованием прибора ГТ 1.1.8 при закрытой системе промерзания.
На рис. 4 приведены результаты расчетных и экспериментальных значений коэффициента
пучения К^ в зависимости от значений вышеприведенного показателя пучения Баг.
В пределах вариации исходных параметров грунта и температуры промерзания расчетные и экспериментальные значения коэффициента пучения показали устойчивую корреляцию с вновь введенным показателем пучения Баг. При этом стандартное отклонение расчетных значений коэффициента пучения от экспериментальных составило 0,002.
В идеале коэффициент пучения К^ должен определяться в лабораторных условиях на образцах грунта с предзимней влажностью, изолированных от внешней миграции воды снизу, тем самым имитируя условия закрытой системы промерзания. Однако и в этом случае условия промерзания грунта в лабораторных условиях всегда будут отличаться от реальных. Определение же коэффициента пучения по стандартной методике [4] (ГОСТ 286222012), с обеспечением внешней миграции воды к образцу грунта, ведет к существенному завышению его значений.
Выводы
1. Введен в рассмотрение новый параметр -показатель пучения глинистых грунтов, характеризующий степень пучения грунта относительно максимально возможного значения, реализуемого при его полном влагонасыще-нии в условиях закрытой системы промерзания в зависимости от коэффициента пористости, природной и критической влажности.
Таблица 3
Экспериментальные значения коэффициента пучения глинистых грунтов с различной
пористостью и влажностью
1р е Ж Баг Кпзуч
0,14 0,74 0,23 0,31 0,006
0,07 0,64 0,20 0,32 0,007
0,14 0,76 0,25 0,56 0,016
0,08 0,79 0,26 0,61 0,015
0,07 0,72 0,24 0,68 0,017
0,07 0,68 0,23 0,68 0,021
0,14 0,76 0,26 0,71 0,021
0,14 0,83 0,28 0,73 0,020
0,11 0,80 0,28 0,81 0,020
0,14 0,83 0,29 0,83 0,023
0,08 0,71 0,26 0,95 0,022
0,030
s 0,025
§ 0,020 <u
I 0,015
? 0,010 ©
•e
л
^ 0,005
0.000
А1 = 0,вЭ
А . о>J оА° к
.-о' -Г / / к.
А'' ' А
0.20 0,40 0,60 0.S0 Показатель пучения
1,00
00
о — расчет а-эксперимент
Рис. 4. Зависимость расчетных и экспериментальных значений коэффициента пучения от параметра 8С,
2. Предложена формула для определения коэффициента пучения глинистых грунтов при закрытой системе промерзания как произведения показателя пучения и коэффициента пучения полностью водонасыщенного грунта.
3. Полученные экспериментальные значения коэффициента пучения показали их устойчивую корреляцию с показателем пучения, а стандартное отклонение расчетных значений коэффициента пучения от экспериментальных составило 0,002.
Библиографический список
1. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М., 2011. 63 с.
2. СП 238.1326000.2015. Железнодорожный путь. М., 2015. 71 с.
3. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. М., 2001. 148 с.
4. ГОСТ 28622-2012. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости. М., 2012. 11 с.
5. СП 32-104-98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. M., 1998. 138 с.
6. Методика назначения противопучинных мероприятий и выбора их параметров на железных и автомобильных дорогах на базе программного комплекса «Freeze-1». URL: http://freeze-1.stu.ru/index.htm (дата обращения: 20.12.2020).
7. Исаков А. Л., Гудкова И. Н. Расчет земляного полотна с использованием программных комплексов PLAXIS и Freeze-1 : учеб.-метод. пособие. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2019. 63 с.
8. Чурилин В. С. Определение допустимой величины морозного пучения грунтов // Вестник ТГАСУ. 2015. № 5. С. 211-218.
9. Determination of allowable subgrade frost heave with the pavement roughness index in numerical analysis / HongYan Ma, Feng Zhang, DeCheng Feng, Bo Lin // Sciences in Cold and Arid Regions. 2015. Vol. 7, iss. 5, october. P. 587-593.
10. Experimental study on the volume and strength change of an unsaturated silty clay upon freezing / Zhenya Liu, Jiankun Liu, Xu Li, Jianhong Fang // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 157, january. P. 1-12.
11. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция. М., 2012. 109 с.
12. Орлов В. О., Дубнов Ю. Д., Меренков Н. Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. Л. : Стройиздат, 1977. 185 с.
13. Бухов С. И. Экспериментальное исследование коэффициента морозного пучения земляного полотна при закрытой системе промерзания // Политранспортные системы : материалы XI Между нар. науч.-техн. конф. Новосибирск : СГУПС, 2020. С. 131-133.
A. L. Isakov, S. I. Bukhov
To the Estimation of the Frost Heave Ratio of Clay Soils of the Subgrade with a Closed Freezing System
Abstract. A priori estimation of the value of frost heaving is one of the most important problems in the design of anti-heaving measures on railways and highways. The existing approaches to solving this problem still do not allow us to consider this issue closed. The situation is complicated by the fact that the process of freezing clay soils has two main modes - a closed system and an open system. In the case of an open system, it is practically unrealistic to estimate the additional volume of water appearing in the freezing zone as a result of its suction to the freezing front. As a consequence, it makes no sense to talk about the frost heave ratio in this case. With a closed system of freezing, the situation is greatly simplified, since only the water that was contained in the freezing zone in the pre-winter period can be involved in the heaving process. That is, the so-called upper estimate is possible, when it is considered that all frozen water, as a result of phase transitions, turns into ice. However, in this case, the estimate of the frost heave ratio at low values of the water saturation factor will be significantly overestimated.
This article proposes an approach to determining the frost heave ratio of clay soils in a closed system of freezing, taking into account the degree of their water saturation. A new parameter has been introduced into consideration - the index of heaving of clay soils, which characterizes the degree of heaving of the soil relative to the maximum possible value realized with its full moisture saturation. A formula is derived for assessing the frost heave ratio of clay soils, taking into account the degree of their water saturation. Laboratory experiments were carried out to determine the frost heave ratio of clay soils with variation of their porosity and moisture. Comparison of the obtained experimental data with the calculated ones showed their good convergence, sufficient for the practical use of the formula for the frost heave ratio in a closed system of freezing of clay soils.
Key words: frost heaving; frost heave ratio; closed system of freezing; freezing depth.
Исаков Александр Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: mylab@ngs.ru
Бухов Степан Игоревич - аспирант кафедры «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: bsybuhov@mail.ru
