Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние засоленности и заторфованности на деформационные свойства мерзлых грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние засоленности и заторфованности на деформационные свойства мерзлых грунтов"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

.- ■ . л п Геологический факультет

г. и иД 2 4 НОЯ <007

На правах рукописи

Иванова Лариса Григорьевна

ВЛИЯНИЕ ЗАСОЛЕННОСТИ И ЗАТОРФОВАННОСТИ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степепи кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель

- доктор геолого-мкнералогических наук, профессор Л.Г.Роман

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор А.Д. Фролов

- кандидат геолого-минералогических наук Р.В.Максимяк

Ведущая организация - Производственный и научно-

исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

Защита диссертации состоится "19" декабря 1997 года в 14.30 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению К.053.05.06 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 18 ноября 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических, наук В.Н.Соколов

Введение

Заторфовашше и засоленные грунты широко распространены в криолитозоне. Их механические свойства изучали многае отечественные и зарубежные исследователи: заторфованных грунтов - Л.Т.Роман, С.С.Вялов, В.В.Докучаев, А.А.Коновалов, И.И.Лиштван,

H.П.Давидовский; засодешшх грунтов - Ю.Я.Велли, В.В.Докучаев, В.И.Аксенов, А.А.Карпунина, НХПекарская, А.Д.Фролов, Ю.Д.Зыков, А.В.Брушков, Я.А.Кроник, Л.Т.Роман, А.Н.Яркин, А.С.Герасимов, И.В.Шейкин, Nixon J.F., Lern G., Segó D.S., Carby, Цу Ян Лин, Ogata N„ Harsha W. и др. Они показали, что наличие биогенных остатков и легкорастворимых солей существенно увеличивает деформируемость мерзлых грунтов.

Практически во всем диапазоне отрицательных температур заторфованные и засоленные грунты находятся в пластичномерзлом состоянии, что требует расчета их не только по несущей способности, но и по второй группе предельных состояний - по деформациям. Отсюда вытекает актуальность проблемы оценки деформационных характеристик мерзлых заторфованных и засоленных грунтов, которая ввиду своей сложности не разрешена окончательно. Кроме того, в трудах перечисленных выше исследователей рассматривалось раздельное влияние заторфованности и засоленности на деформируемость. Между тем, анализ данных изысканий показывает, что в криолнтозоне довольно широкое распространение имеют заторфованно-засоленные грунты, т.е. одновременно содержащие как биогенные остатки, так и легкорастворимые соли. Отмечается природное и техногенное происхождение таких грунтов.

Так, в "Аналитической записке института прогнозирования техногенной безопасности г.Якутска", констатируется факт резкого изменения естественного режима верхгшх слоев вечномерзлых грунтов вследствие заболачиваемости, обводнения, и минерализации территории. До настоящего времени совместное влияние заторфованности и засоленности па деформируемость мерзлых фунтов практически не изучено, не изучено также влияние химического состава солен.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей совместного влияния заторфовашюстн и засоленности, а также химического состава солей на деформационные свойства мерзлых грунтов. На основе анализа полученных данных предполагается обосновать методы прогноза длительной' деформации мерзлых грунтов содержащих легкорастворимые соли и биогенные остатки.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

I. Установить возможность оценки результатов стандартных испытаний для определения деформационных характеристик мерзлых засоленно-заторфованных грунтов.

2. Выполнить экспериментальные исследования по определению совместного влияния заторфованности и засоленности на деформируемость мерзлых грунтов.

3. Выполнить экспериментальные-исследования по выявлению влияния химического состава солей и концентрации порового раствора на деформируемость мерзлых засоПенных грунтов.

4. Установить закономерности совместного влияния заторфованности и засоленности, а также химического состава солей и их концентрации в поровом растворе на деформируемость мерзлых грунтов.

5. Определить применимость существующих методов, основанных на теориях ползучести, а также методов временных аналогий для прогноза деформаций мерзлых засоленных и засоленно-заторфованных грунтов. Научная новизна

1. Обоснована необходимость исследования совместного влияния заторфованности и засоленности на деформационные свойства мерзлых грунтов.

2. Показана возможность использования результатов испытаний на вдавливание сферического штампа для оценки модуля деформации засоленных грунтов.

3. Выявлено, что совместное содержание легаорастворимых солей и биогенных остатков в мерзлых грунтах в несколько раз увеличивает их деформируемость по сравнению с деформируемостью мерзлых грунтов с раздельным содержанием указанных компонентов.

4. Экспериментально показано, что концентрация порового раствора мерзлых засоленных грунтов является фактором ускоряющим ползучесть при прочих равных условиях, позволяющим получать семейства кривых ползучести и параметры в уравнениях ползучести, а также использовать метод засоленно-временной аналогии для прогноза длительной деформации.

5. Показано, что влияние химического состава солей и их концентрации в поровом растворе на деформируемость находится в соответствии с их влиянием на температуру начала замерзания грунтовой влага и содержание незаыерзшей воды. При оценке такого влияния следует учитывать температуру н концентрацию эвтектики.

6. Установлена применимость параметрических уравнений теорий старения и упрочнения, я методов временных аналогий для прогноза длительных деформаций мерзлых засоленных и засолснно-заторфованных грунтов

Практическая значимость работы

Выполненные исследования направлены на использование при инженерных изысканиях, расчетах и проектировании оснований сооружений в криолнтозоне в районах распространения мерзлых засоленно-заторфованных грунтов. До практического применения доведены следующие результаты:

метод определения деформационных характеристик мерзлых засоленных грунтов по данным испытаний сферическим штампом;

— закономерности деформации мерзлых грунтов от совместного влияния легкорастворнмых солей и биогенных остатков от химического состава солей, от концентрации в поровом растворе с учетом температуры и концентрации эвтектики. Личный вклад автора

В ходе исследований автором самостоятельно проведено обобщение данных инженерных изысканий о распространении мерзлых засоленно-заторфованных грунтов и их основных физических характеристик в вечномерзлых грунтах Центральной Якутии. Лично выполнены методические опыты и проведено около 230 испытаний на вдавливание сферического штампа, одноосное и компрессионное сжатие, с параллельным определением основных физических свойств ( влажности, плотности, температуры начала замерзаши грунтовой влаги, содержания незамерзшей воды)- Составлены программы н обработаны на ЭВМ результаты опытов с составлением аналитических уравнений кривых ползучести. Проанализированы полученные результаты и установлены представленные в работе закономерности. Апробация работы

Основные положения диссертации апробированы на научно-практической конференции "Проблемы строительства на Крайнем Севере "(Якутск, 1993), а также на ежегодном заседании совета по криологии Земли (Пущино, 1997), результаты исследований нашли отражение в отчете НИР "Исследование деформационных свойств ммоголетнемерзлых грунтов различных генетических типов и разработка методов расчета мерзлых оснований по дсформацням"(Якутск, ЯПСНИИП, 1992, 1994, 1996). По данной теме автором опубликованы 4 научных статьи. Структура и объем работы

Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы из наименований. Изложена на 4 р£. страницах текста, включает рисунков, 40 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность за постоянное внимание, поддержку научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.Т.Роман, кандидату технических наук А.Н.Цеевой, заведующей отделом оснований фундаментов ЯПНИИС, в котором выполнены экспериментальные исследования, а также кандидату геолого-минералогических наук, зав. кафедрой мерзлотоведения ЯГУ М.Н.Железняку за внимание к работе, поддержку при ее завершении.

Автор считает своим долгом выразить благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии МГУ, кандидатам геолого-минералогических наук В.Н.Зайцеву, Л.В.Шевченко, Р.Г.Мотснко, С.С.Волохову, Ю.В.Кулешову, за внимание и ценные советы, В.И.Арпошиной, И.Н.Ноговицыну за полезные советы и помощь при проведении экспериментов.

Глава 1. Область распространения засоленных, затарфоанных и засолеппо-заторфованных грунтов в криолитозопе.

Объектом настоящих исследований являются мерзлые засоленные, заторфованные и засоленно-заторфоюашше грунты, раздельно и совместно содержащие в своем составе легкорастворимые соли и растительные остатки в количестве влияющем на их физические и механические свойства.

В пределах криолигозоны, в зависимости от условий формирования, многолетнего накопления и промерзания, распространены грунты с природным (морским и континентальным), а также техногенным типом засоления.

Для морского типа засоления, распространенного вдоль арктического побережья России и на островах/характерен устойчивый по площади и разрезу хлоридно-натриевый состав норовых растворов.

. Химический состав поровых растворов континентального типа засоления, распространенного в толще плейстоценовых и голоценовых отложений Западной Сибири, Центральной Якутии, во впадинах Забайкалья и Прибайкалья, отличается большим разнообразием по площади и разрезу. Преобладающими типами засоления являются гидрокарбонатный, сульфатно-хлоридный и хлоридно-сульфатный.

Кроме природного засоления грунтов на территории крупных городов (Норильск, Якутск, Воркута) и промышленных объектов наблюдается интенсивное техногенное засоление грунтов и грунтовых

Рис. 1. Распределение заторфованности (а), общей засоленности (б) и химического состава солей в поровом растворе (в) в мерзлых засоленно-заторфовашшх песках и супесях Центральной Якутии.

В северных регионах также, широко распространены все типы торфяных грунтов: низинные, переходные, верховые торфянники и заторфованные минеральные покровные образования.

В верхнечетвертичных отложениях криолитозоны прослеживается наличие мерзлых засоленно-заторфоваиных грунтов, которые совместно содержат растительные остатки и соли в поровом растворе. Так, выполненный нами анализ фондовых материалов изысканий на территории Центральной .Якутии за период 1975 - 1993 г.г. показал, что в верхних слоях многолетнемерзлой тощи такие грунты обнаружены примерно в 15% скважин. При этом, загорфовагшость таких грунтов находится в пределах от 0,07 до 1,0, а засоленность меняется от сотых долей процента до 2%. Химический состав солей в таких грунтах представлен хлоридами, сульфатами, гидрокарбонатами и является характерным для континентального типа засоления (рис. 1). Аналогичный состав засоления отмечен также Л.Г.Еловской для болотных почв этого региона.

Глава 2. Состояние изученности деформационных свойств мерзлых засоленных и заторфовапных грунтов.

Влияние засоленности па деформационные свойства мерзлых грунтов изучали многие отечественные и зарубежные исследователи: Ю.Я.Велли, В.В.Докучаев, Н.К.Пекарская, А.А.Чапаев, А.А.Карпунина, Л.Т.Роман, Ю.В.Кулешов, А.В.Брушков, А.Н.Яркин, В.И.Аксенов, Я.А.Кроник, И.В.Шейкин, Ю.Д.Зыков, А.Д.Фролов, А.С.Герасимов, Nixon J.F., Lern G., Carby, Sego, Цу Ян Лин и др.

Механические свойства мерзлых торфяных грунтов изучали Л.Т.Роман, С.С.Вялов, В.В.Докучаев, Д.Р.Шейнкман, Г.Л.Каган, А.А.Коновалов, И.И.Лиштваи, П.Н.Давидовский, И.И.Романенко и др.

Результаты исследований показали, что наличие биогенных остатков и легкорастворимых солей существенно увеличивает деформируемость мерзлых грунтов. Выявлены причины таких явлений: в засоленных грунтах - связывание грунтовой влаги ионами растворенных солей, которое обусловливает увеличение незамерзшей воды и понижение температуры замерзания; в торфяных грунтах - высокая влагоемкость, при которой увеличивается содержание льда и незамерзшей воды, а также незначительная прочность самих биогенных остатков.

Эти грунты проявляют ярко выраженные реологические свойства и находятся в пластичномерзлом состоянии во всем диапазоне природных отрицательных температур. При использовании их в качестве оснований зданий и сооружений первоочередной задачей является оценка их деформационных свойств и достоверный прогноз длительных деформаций.

Не все аспекты данной проблемы получили должное разрешение. Так, данных о реологических параметрах мерзлых грунтов в широком диапазоне изменения их засоленности, заторфованности и температуры

недостаточно для получения расчетных характеристик. Общая засоленность, рассматриваемая в большинстве работ как основной фактор ускоряющий ползучесть, не раскрывает физической природы реологических процессов. Для ее раскрытия необходимо установить закономерности влияния на деформируемость химического состава солей и их концентрации в поровом растворе. Требуют дальнейшего развития методы прогноза длительной деформации засоленных и заторфованных фунтов по данным испытаний.

Во всех известных нам до настоящего времени исследованиях ползучести мерзлых грунтов влияние содержащихся в них растворешшх солей и биогенных остатков на механические характеристики рассматривается раздельно. Совместное воздействие этих компонентов не изучено. Указанные проблемы определили цель и содержание настоящей работы.

Глава 3. Характеристика исследуемых грунтов.

Совместное влияние засоленности и заторфованности исследовалось на супеси, отобранной из толщи рыхлых аллювиальных отложений в пределах слоя сезонного оттаивания-промерзания. Испытывались образцы незасоленной незаторфованной, засоленной, заторфованной и засоленно-заторфовашюй супеси (табл. 1)'

Заторфованность образцов обеспечивалась низинным осоковым среднеразложившимся торфом. Засоление осуществлялось комплексом солей, включающим NaCl, MgS04, NaHC(>3, CaSO,( в пропорции 54:31:7,5:7,5. Такой химический состав солей выявлен по обобщенным данным материалов инженерных изысканий и является характерным для отложений континентального типа засоления в Центральной Якутии.

Исследование влияния химического состава солей на деформационные свойства мерзлых, засоленных грунтов выполнялось на примере мелкодисперсных грунтов: аллювиальных супеси и суглишс (alV, г.Якутск), насыщенных как моносолями NaCl, MgS04, Na2S04, так и вышеуказанным солевым комплексом. Испытания образцов супеси проведены при следующих значениях концентрации норового раствора: 0,005 - 0,044. Образцы суглинка испытывались при концентрации порового раствора от 0,0066 до 0,048.

Параллельно с механическими испытаниями мерзлых засоленных грунтов определены значения основных параметров их физических свойств, в том числе температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды.

Глава 4. Методы испытаний и обработки опытных данных

При выполнении исследований использовались методы испытаний широко применяемые в механике грунтов и апробированные многими исследователями для засоленных (Ю.Я.Велли, А.А.Карпунина, В.И.Аксенов, А.В.Брушков и др.) и заторфованных (Л.Т.Роман, И.И.Лиштван, И.И.Романенко и др.) грунтов:

Таблица 1.

основных ччшчнских сьоисть грунтов

НдиМЕУОВАШЕ ГРУНТА ВЛАЖНОСТЬ, АХ Плотность, г /см3 Число ПЛАС- тич-ности, ЛР ПОДЛАЯ ВЛАГО-ЕИкССПз у*,и Кощр- П0РО&о-ГО Р-Й1, ЗАСОШЬ носгъ, Затор- 90Ш- «осгь, А. Б. Содержание ЧАСТЦЦ, У.

суммарная, НА (ЩВ1Б ТсКУЧЕС- «А ПРЕ&ле рлсдау-Яг ГРИША, л 'ЧАСТИЦ ГРШГЛ, л сад ГРИШ, Ли 0.40.05 0.050.01 <0.01 <0.005

СУПЕСЬ 0,32 0,39. 0,31 1,65 4,25 ? 0,4£ - — — Р2.5 ЮЛ АЪА А.о

сагдинок 0,30 0,44 0,11 2,04 1,55 ¿г - - — — 4? ¿4 ?

СУПЕСЬ ЗАСОЛЕННАЯ 0.32. - - 63 г,6 1,23 - 0,42 0,050,031 0,151,0

СУПЕСЬ заторгованная 0,95 - - - 058 - 1,5 — - 0,5

СУПЕСЬ засол&нно-3 А ТОРФОВАННАЯ 0,95 - - Ц 8 - 0,61 - — — 0,5

- одноосное сжатие;

- компрессионное сжатие;

- вдавливание сферического штампа.

На одноосное сжатие испытывались серии идентичных по физическим свойствам образцов с однократным приложением постоянных, но различных для каждого образца напряжений. В результате таких опытов получены семейства кривых ползучести. Компрессионные испытания выполнялись при ступенчатом задании нагрузки с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации осадки. По данным опытов определялись коэффициенты сжимаемости или компрессионные модули деформаций.

Проведению испытаний на вдавливание сферического штампа предшествовали методические исследования, направленные на оценку применимости этого вида испытаний для определяй« деформационных свойств.

Экспериментальные данные показали, что для мерзлых засоленных грунтов наиболее достоверны; предложенная Л.Т.Роман для мерзлого торфа расчетная схема погружения сферы в упруго-вязкое полупространство и полученное на основе решения А.Н.Дшшика уравнение, позволяющее рассчитать модуль общей деформации (Е„) в зависимости от нагрузки на штамп (Р), диаметра штампа (сГ), его осадки (Б) и коэффициента Пуассона (ц):

Ео = [3(1 - ц2) Р] / [483/2(<1 - Б)"2], (1)

Сопоставление значений модуля деформации, полученных по данным испытаний сферическим штампом и одноосным сжатием, показывает их достаточно хорошую сходимость (табл. 2).

Таблица 2

Значения модуля деформации мерзлой засолешюй супеси (Е0) при __температуре -4,2°С._

Время, 1,мин Модуль деформации, МПа по данным испытаний на

вдавливание сферического штампа, при П„и% одноосное сжатие, при Оы,%

0,15 0,3 0,15 0,3

100 49,8 16,6 42,3 13,6

200 41,7 14,9 39,3 11,5

300 37,5 13,7 37,9 10,7

400 35,7 13,4 37,4 10,2

480 30,9 13,4 36,9 9,7

Это позволило в настоящей работе применить довольно постое испытание сферическим штампом для выявления влияния химического состава солей и-их содержания в поровом растворе на деформационные свойства засоленных грунтов. При этом определялись как модули деформации, так и условные относительные осадки (е), равные е, = сг(/Е0. По данным опытов величина (б) на каждый фиксированный момент

времени (t) рассчитывалась на основе совместного решения уравнения (1) и уравнения, определяющего напряжете под штампом (crt):

E, = 0,21[S,(d-St)JI/2, (2)

Наиболее длительные опыты на одноосное сжатие (до 210 суток) выполнялись в подземной лаборатории г. Якутска, в которой на глубине 15 м, сохранялась постоянная температура - 4,2°С, остальные испытания продолжительностью до 24 часов проводились в холодильных камерах при температурах минус 3, 5 и 7°С. Для всех испытанных образцов определялись основные физические свойства (плотность, плотность частиц и скелета грунта, влажность), а также температура начала замерзания грунтового раствора и содержание незамерзшей воды.

Все эксперименты выполнены с 3-5 кратной повторностью, со статистической обработкой результатов. Расчеты деформационных характеристик осуществлялись на ЭВМ по составленной нами программе, которая включала входные и выходные параметры. Входные параметры представляли собой факторы ускоряющие ползучесть (напряжение, концентрация норового раствора, время, опытные значения относительной деформации). Выходными данными являлись параметры прогнозных уравнений ползучести, графики развития деформации во времени при различных значениях напряжений , концентрации порового раствора, температуры. Также, с помощью ЭВМ, произведен подбор уравнений, аппроксимирующих обобщенную кривую деформирования, при обработке опытных данных по методу временной аналогии.

Глава 5. Закономерности влияния заторфованности и засоленности на деформируемость мерзлых грунтов.

Результаты исследований деформационных свойств мерзлого торфа и минеральных грунтов, содержащих биогенные -остатки, полученные мнопми авторами и в настоящей работе показали, что заторфованность является фактором ускоряющем ползучесть. В качестве подтверждения на рис. 2а приведен пример семейства кривых ползучести заторфованной супеси по данным испытаний на одноосное сжатие при прочих равных условиях (о = 0,6 МПа, Т = -4,5°С).

Основными причинами повышения деформируемости с увеличением загорфоваиности (1ога) являются: - высокая влагоемкость растительных остатков, которая приводит к увеличению льднстости и содержания незамерзшей воды (Wи); - незначительная прочность самих частиц торфа и их агрегатов. Так, с увеличением заторфованности 1от до 0,5 водоудерживающая способность глинистых грунтов увеличивается в 3 раза, песчаных - 5 и более раз.

<0

£

8)

£

й09- „ аоб-

й055- ш5'

т | )_I.....■ ..,- • 1

О 5То 15 ъч о 5

40 %Ч

Рис. 2. Семейство кривых ползучести при одноосном сжатии: а) заторфованной супеси (о = 0,6 МПа, Т = -4,5°С, Т^ = 0,2°С); 6) - суглинка, засоленного Мц504 ((а = 1,26 МПа, Т = -3°С, Wl0, = 0,3)

Процесс фазовых переходов влаги, который определяет собой деформируемость торфяных грунтов при промерзании, по данным Р.И.Гаврильева (1970), А.В.Конюхова (1975), С.В.Елисеева (1977), Л.Т.Роман (1987) и др. имеет следующие особенности:

- близкая к + 0°С температура начала замерзания (Ты), чго обусловлено большим содержанием свободной воды;

- зависимость содержания незамерзшей воды от начальной суммарной влажности (У/,оГ), что связано с частично сохраняющимся клеточным строением частиц торфа, в результате которого наблюдается при постепенном увлажнешш одновременный рост содержания свободной и связанной воды.

Таким образом, в заторфовашшх грунтах наблюдается повышение прочности (снижение деформируемости) при высоких отрицательных температурах, однако, они более выраженно проявляют реологические свойства по сравнению с незаторфованными.

Анализ результатов исследований деформационных свойств засоленных грунтов показал, что концентрация порового раствора (Ср) также служит фактором ускоряющим ползучесть (рис. 26) и позволяет получись параметры деформационных характеристик мерзлых засоленных фунтов. Как можно видеть, влияние концентрации порового раствора на деформируемость взаимосвязано с его влиянием на температуру начала замерзания и содержание незамерзшей воды.

Qft

O.i

4 al Qlp* o

Mí,«

Г- í.oMa

V-0 Л*

а г

о

03

0.1 о

О ГО ¿0 60 ВО (СО Рис. 3. Кривые ползучести мерзлой супеси (одноосное сжатие, Т = -4,2 С): а - незаселенной незаторфованной и засоленной (Ср=0,016, 1от=0, \У,о,=0,32); б - заторфованной (Ср=0, 1ога=0,5, №,„,=0,95); в -засоленно-заторфованной (Ср=0,016, 1О1П=0,5, \У,о|~0,95); г - всех видов испытанной супеси при о = 0,6 МПа: 1 - засоленно-заторфова!шая; 2 -засоленная; 3 - загорфованная; 4 - незаселенная незаторфованная.

tk>

Исследование совместного влияния засоленности и заторфованности^ выполненное на примере длительного (до 210 суток) испытания на одноосное сжатие мерзлой супеси при температуре -4,2°С (физические свойства приведены в табл. 1)^ показало следующие результаты (рис. 3).

При прочих равных условиях деформация увеличивается соответственно следующему ряду: супесь - заторфовшшая супесь -засоленная супесь - засолешю-заторфованная супесь. Как видно из графиков (рис. Зг), при одинаковом напряжении 0,6 МПа и времени действия нагрузки деформация засоленной супеси (при С„ = 0,016) выше, чем заторфованной (при Iom = 0,5). Совместное же влияние засоленности и заторфованности (при Ср = 0,016 н 1„ш = 0,5) значительно превышает даже их суммарное влияние при раздельном воздействии.

Объяснение полученных данных базировалось на основе анализа раздельного и совместного влияния засоленности и заторфованности на температуру начала замерзания и содержание незамерзшей воды (табл. 3).

-н-

ТаблицаЗ

Температура начала замерзания (Ты) и содержание незамерзшей _воды (Ww) для испытанной супеси._

Грунт Тьг,иС д. е.

супесь ^(о(=0,32, р,=1,65 гУсм3 -0,2 0,039

супесь засоленная КаС1;М^04-.ЫаНС0з:Са804 в пропорции 54:31:7,5:7,5 \У(о1=0,32, р, =1,65 г/см3,. С„=0,016, 0^=0,5% -1,0 0,082

супесь заторфованная 0,32, и=0,5 -0,15 0,18

супесь засоленно-заторфованная ЫаС1:К%804:МаНС0з:Са804 в пропорции 54:31:7,5:7,5 \У(о1=0,32, р1=1,65 г/см3, С„=0,016, Ом|=1,54%, 1от=0,5 -1,17 0,2

Как можно видеть, засоленно-заторфованная супесь характеризуется более высоким содержанием незамерзшей воды

= 0,2) и низкой температурой начала замерзания (Ты = -1,17°С) по сравнению с засоленной и заторфоваиной супесью. Увеличение количества незамерзшей воды связано с повышением концентрации порового раствора за счет нерастворятощего объема поды, заключенного внутри клеток неразложившейся части торфяных частики обусловливает понижение температуры начала замерзший. Кроме того, на увеличение деформируемости засоленно-заторфованных грунтов оказывает влияние повышенная сжимаемость органического компонента, а также увеличение содержания жидкой фазы за счет изолированных ячеек раствора солей и кристаллов солей, включенных в решетку льда.

Глава 6. Закономерности влияния химического состава солеи на ползучесть мерзлых засоленных грунтов.

Исследование ползучести мерзлых засоленных грунтов всеми принятыми в настоящей работе видами испытаний супеси и суглинка при засоленнности моносолями ЫаС1, \4gS04, а также комплексом солей ШСШ^ОфЫаНСС^СаЗСЦвзятых в пропорции 1:0,57:0,12:0,12, показалидго при равных условиях (постоянной концентрации порового раствора, одинаковой температуре), деформация увеличивается в ряду: \lgS04 < комплекс солей < ЫаС1 (рис. 4).

Такая закономерность согласуется с влиянием указанных солей на температуру качала замерзания порового раствора и содержание незамерзшей воды.

<0 5)

Рис. 4. Зависимость модуля деформации от концентрации норового раствора по данным испытаний сферическим штампом (а) и компрессионные кривые (б) мерзлой супеси, засоленной солями различного химического состава (Т = - 4,2°С).

Физическая причина этого явления наглядно иллюстрируется уравнением Рауля - Вант-Гоффа, выражающим зависимость температуры замерзания разбавленных растворов электролитов от моляльности (щ = Ср 1000/М, где М - молекулярный вес соли) и изотонического коэффициента (¡^зависящего от количества диссоциированных при растворешш ионов.

На примере исследованной нами засоленной супеси показано, что данное уравнение применимо к оценке температуры начала замерзания поровых растворов засоленных грунтов, в том числе и в условиях суммарного влияния солей:

Тьг=1,861«п^ + Т'м . (3)

Дополнительный член Т'ы дает понижите температуры замерзший за счет влияния активной поверхности частиц, которое, как показано в работе Л.Ф.Свентицкой, может быть оценено с учетом нерастворяющего объема влаги.

Опытные (Ты;,) и вычисленные ( 7Ьс,с) по (3) значения Ты показали их близкое совпадение (табл. 4).

Как можно видеть, соли, которые в большей степени понижают температуру начала замерзания норового раствора, увеличивают содержание незамерзшей воды служат причиной большей деформируемости.

Таблица 4

Температура начала замерзания (Ты) и содержание незамерзшей воды (Wly при Т=-4,2°С) в супеси, засоленной солями различного химического

состава.

Вид соли Опытная (Ты.,) и рассчитанная по (3) (Ты,с) температура начала замерзания (°С), содержание незамерзшей воды (Ww, д.е.) при Т=-4,2°С и концентрации порового раствора (С„, д.е.) равном

0,005 0,01 0,02 0,03

Тьо Ты-.с Ты;, Тьг.с Тщ Ть£= Ты,, Ть£с \у„

№С1 -0.6 -0.52 0М1 -0.М -о.«з о.и 425 425 0.45 -2.5 ОМ

N30; МЙ80„: ЫаНСО, ;Са5СХ, (1.0,57: 0,12; 0,12) -0.4 -0.22 -0.035 -0.? -0.68 О.'И -10 -0.93 0.14 -1.4 -1.45 0.15

М^БО* -025 -0Й 0.08 -о,с -0.51 0.-И5 -0.7 -0.fi 0.135 -и -и ОМ

Однако, указанные закономерности оказались справедливыми при температуре выше температуры эвтектики. Так, опыты на одноосное сжатие мерзлой супеси, засоленной и ЫагБОд при температуре -3;

5; -7 °С показали, что при температуре -3°С засоление Ыа2504 приводит к более низким значениям деформации по сравнению с засолением М§504 (рис. 5а): на период 8 часов отношение См^см/екажм составило 1,3. Для объяснения полученных результатов нами рассмотрено сопоставление опытных и эвтектических показателей водных растворов солей N82804 и N^04 (табл.5).

Таблица 5

Значения эвтектических и опытных параметров водных растворов солей __N82804 и М^04_

Соль Эвтектические параметры Опытные параметры

температура, т„°с концентрация, Ср.с, д.е. температура, Т,°С концентрация, С0, д.е

Ка2804 -1,2 0,04 } -3 0,048

1^04 -3,9 0,18

Как видно из таблицы, температура испытаний и концентрация ^гБОд в поровом растворе превышали эвтектические показатели данной соли.

Таким образом, более низкая деформируемость суглинка засоленного N82804 обусловлена уменьшением количества незамерзшей

воды за счет связьшания ионов соли и молекул воды в кристаллическую форму криогидрата 10Н20.

При температуре -7°С. (рис. 5 б), сохраняется такая же закономерность деформаций суглинка засоленного М§Б04 и N32804. Это объясняется тем, что при дайной температуре раствор соли имеет

температуру ниже температуры эвтектики, однако, концентрация ее ионов в поровом растворе в 4,5 раза ниже эвтектической. Следовательно, ионы соли М§504 находятся в диссоциированном состоянии, и обусловливают более высокое содержание незамерзшей воды,. чем в суглинке содержащем криогидрат Ыа2804 10Н20.

Глава 7. Прогноз длительной деформации мерзлых засоленных и заторфовапных грунтов.

В направлении решения проблемы прогноза длительной (сопоставляемой со сроком службы сооружений) деформации мерзлых засоленных и заторфованных грунтов выполнены следующие исследования. Проверена применимость для этих грунтов уравнений теорий старения и упрочнения, параметрические выражения которых для мерзлых минеральных грунтов получены и обоснованы. в работах С.С.Вялова, Ю.К.Зарецкого, С.Э.Городецкого, Р.В.Максимяк и др. Показана также возможность использования методов времишых

аналогнй,предложенных Л.Т.Роман для прогноза длительной деформации мерзлых грунтов. Их методические проработки при различных видах испытаний выполнялись Ю. В.Кулешовым, С.С.Волоховым, М.Д.Цырендоржиевой.

Эти исследования выполнены следующим образом. Кривые ползучести по данным 120-часовых испытаний засоленной, заторфовшшой и засолешю-заторфованной супеси в изотермических условиях использованы для определения параметров уравнений теорий старения и упрочнения, выражающих зависимость: деформация -напряжение - время. С помощью ЭВМ вычислены деформации данных грунтов на весь опытный период в том числе и на его максимальную величину равную 5000 часам.

Результаты сопоставлений опытных и рассчетных значений деформаций показали, что параметрические уравнения теорий старения и упрочнения могут быть использованы для прогноза деформаций засоленно-заторфовашпых грунтов в условиях когда предельное значение относительной деформация не превышают 25 % .ползучесть происходит с постоянной скоростью либо является затухающей. Расхождения не превышали 0,3 %. При этом, для определения параметров прогнозных уравнений опытный период для исследуемых фунтов должен быть не менее 120 часов.

На основе того, что концентрация порового раствора является фактором ускоряющим ползучесть, выполнена проверка возможности использования метода засоленно-временной аналогии для прогноза длительной деформации засоленных фунтов (рис. 6 а,б).

изо ¿со Ш

Рис. 6. Кривые ползучести мерзлого суглинка засоленного MgS04 при различной концентрации норового раствора по методу засоленно-временной аналогии: а - кривые ползучести; б - построение прогнозной обобщенной кривой (одноосное сжатие, Т = -7°С, сг= 1,26МПа).

Проанализированы даггнме испытаний на ползучесть мерзлого суглинка засолешюго сульфатами натрия и магния в изотермических условиях (нри температурах -3; -5; -7 °С). Обработка выполнена на основе графиков зависимости податливости (отношения относительной деформации к напряжению) и графиков зависимости относительной деформации от времени в полулогарифмическом масштабе. В предположении термореологически простого характера деформирования испытанного засолешюго суглинка определены обобщающие кривые ползучести. С помощью ЭВМ подобраны их уравнения, которые позволяют определить деформацию при каждой заданной концентрации порового раствора на прогнозтщ период, полученный для обобщенной кривой.

По методу напряженно-временной аналогии обработаны данные испытаний засоленнно-заторфованной супеси на одноосное сжатие при температуре -4,2°С. Их анализ показал, что период времени для определения коэффициентов редукции необходимо увеличить до обязательного наступления второй стадии ползучести - с постояшюй скоростью либо затухающей. Участок же соответствующий первой стадии - неустановившейся ползучести—должен быть исключен из прогнозного рассмотретм при определении коэффициентов редукции (рис. 7).

Рис. 7. Кривые податливости (— опытные,---прогнозные) для

мерзлой засоленно-заторфовшшой супеси, полученные по методу напряженно-временной аналогии (N¥101=0,95 , 1оп,=0,5 , Ср-0,01б, Т=-4,2 С).

При напряжениях 0,5 - 0,6 МПа, которые обусловили величину деформации близкую к 25%, расхождение между опытными и расчетными значениями деформаций не превышало 10 - 14 %. Увеличение напряжений выше указанного предела привело к росту

Таблица 6

Сравнение опытных и расчетных значений относительной деформации _мерзлой засоленно-заторфованной супеси_

Напряжение, МПа Относительная деформация на период времени 208 суток (5000 часов)

опытная прогнозная

по теории старения по методу напряженно-временной аналогии

0,5 0,256 0,297 0,288

0,6 0,432 0,439 0,389

0,8 0,589 0,81 0,549

1,0 0,688 - 0,714

деформаций по сравнению с опытными. Деформации, вычисленные по теориям старения и упрочнения, практически совпадают, т.к. их параметры определены по одним и тем же опытным данным, полученным при постоянных напряжениях.

Сравнение опытных (до 5000 часов) и расчетных значений относительной деформации, вычисленных по теории старения и определенных по методу напряженно-временной аналоги^ показало, что метод напряженно-временной аналогии позволяет более точно прогнозировать длительные деформации во всем диапазоне опытных напряжений (табл.6). Так, если при напряжении 0,8 МПа по теории старения прогнозная деформация в 1,5 раза превышала опытную, то по методу нанряжстю-цремснной аналогии она отличалась не более чем на 4 - 7 %.

Выводы

1.Показана необходимость исследования совместного влияния засоленности и заторфованностн на деформационные свойства мерзлых грунтов.

2. Показана возможность использования результатов испытаний на вдавливание сферического штампа для оценки модуля деформации засоленных грунтов.

3. Выявлено, что влияние совместного содержания легко растворимых солей и биогенных остатков в мерзлых грунтах приводит к увеличению их деформируемости в несколько раз _ по сравнению с деформациями мерзлых фунтов с раздельным содержанием указанных компонентов,

4. Установлено, что на деформируемость мерзлых засоленных фунтов влияют как величина концентрации порового раствора, так и химический состав солей. При этом соли, которые обусловливают большее содержание незамсрзшей воды, приводят к большей деформируемости мерзлых фунтов. Также, следует учитывать такие их показатели как темпеатура эвтектики и растворимость солей в насыщенных растворах.

5. Экспериментально показано, что концетрация порового раствора засоленных мерзлых фунтов является фактором ускоряющим ползучесть при прочих равных условиях.

6. Определена применимость параметрических уравнений, полученных на основе теорий старения и упрочнения, а также метода засоленно-временной аналогии для ролпюза длительных деформаций мерзлых засоленных и засоленно-заторфованных фунтов.

Основные положения диссертации офажены в работах:

1. Деформационные свойства мерзлых засоленно-заторфованных фунтов. Тезисы докладов научно-практической конференции "Проблемы строительства на Крайнем Севере", 1993, Якутск, стр. 36-37 (совместно с Л.Т.Роман).

2. Зависимость прочности мерзлых засоленных фунтов от температуры начала замерзания фунтовой влаги. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 1994, № 1, стр. 49-55 (совместно с Л.Т.Роман, В.И.Артюшиной).

3. Исследование деформационных свойств пластичномерзлых фунтов. В сб. "Проблемы строительства в республике Саха(Якутия)", Якутск, 1994, стр. 79-85 (совместно с Л.Т.Роман, М.В.Рабиновичем).

4. Исследование деформациошшх свойств многолетнемерзлых фунтов различных генетических типов и разработка метода расчета мерзлдьгх оснований по деформациям. Научи.-техн. отчет ЯПСНИИП, Якутск, 1992, сф. 141-151, 1994, стр. 66-75, 1996, стр. 93-97.

5. Влияние химического состава солей на прочность и деформируемость мерзлых засоленных фунтов. Доклады годичного собрания научного совета по криологии Земли. Пущино, 1997.