Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Выбор принципов использования мерзлых пород как оснований сооружений и методов оценки их длительной прчности (на примере криолитозоны КНР)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Выбор принципов использования мерзлых пород как оснований сооружений и методов оценки их длительной прчности (на примере криолитозоны КНР)"

Московский орденов Ленина, Октябрьской Революции

и Трудового Красного Знамени Государственный Университет им. И. В. Ломоносова

Геологический факультет

РГб од

(- ,,¡,11. |ппс На правах рукописи

- Э 111иП 1333 УДК 551.345:539.3

У Хаофэнь

ВЫБОР ПРИНЦИПОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОРОД КАК ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ КРИ0ЛИТ030НЫ КНР)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МРУ им. М. В. Ломоносова.

Нау.чный руководи тель-доктор геолого-минералогических наук Л. Т. Роман.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минерапогических наук Г. И. Дубиков. кандидат технических наук Я. А. Проник.

Ведущая организация,АО Всероссийский научно-исследовательский институт .гидротехники им. Б. Е. Веденеева.

Яалшта диссертации состоимся "в" ЦЮН& 1995 года в г? час.00 мин. 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 гор«, МГУ, геологический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МРУ, зона "А", 6 этаж.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатями1, просим присылать по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан "¿0" МЛЯ_1995 года.

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

Введение

Актуальность проблемы. Около 22% территории Китая занято многолетнемерзлыми грунтами. Выделяются два основных района их распространения - на Востоке - горная страна - Да Син Ан Лин и в Западной части Китая - Чинхай - Тибетское нагорье. Эти районы отличаются большим'многообразием гаиматических и мерзло-грунтовых и мералотногрунтовых условий.

Исследования многих ученых: Чжо Юву, Тун Байлян, Чжен Го-дун, Тун Чандзян, У Зиван, А.П.Горбунова, К.А.Кондратьевой, Г.И.Дубикова, Н.И.Труш и др. позволили составить геокрилоги-ческие карты территории Китая, дать характеристику температурного режима грунтов, криогенных процессов и т.д. Трудами ученых У Зиван, Тун Чандзян, Чан Тинсын, Цу Янлин, Дин Танкан заложены основы инженерного мерзлотоучения с учетом особенностей условий криолитозоны. При этом основные исследования были связаны с необходимостью строительства Чинхай-Тибетской нагорной дороги. Результаты полевых и лабораторных испытаний мерзлых грунтов, а также теоретических обобщений, в том числе полученных учеными "Н.А.Цытовичем, С.С.Вяловым, М.Н.Гольдштейном, С.Э.Городецким, Ю.К.Згрецким, Н.И.Пекарской, Е.П.Шушериной, Э.Д.Ершовым, Л.Н.Хрусталевым, Т.Винсоном, Джонстоном, Б. Лада-ни и др. позволили разработать основные подходы к освоению регионов, занятых многолетнемерзлыми грунтами.

Однако, остается множество нерешенных проблем, связанных с использованием многолетнемерзлых грунтов как оснований сооружений. При этом детально не разработаны как обще вопросы, связанные с выбором принципов строительства, так и вопросы оценки несущей способности многолетнемерзлых грунтов. Для решения первой из указанных проблем необходим анализ мерзлот-но-грунтовых условий криолитозоны КНР, выявление их специфических особенностей с учетом влияния макрорельефа, климатических параметров, сейсмичности регионов. На основе указанного анализа должны быть разработаны рекомендации по выбору принципа использования многолетнемерзлых грунтов как оснований сооружений.

Что же касается проблем определения несущей способности мерзлых грунтов, то применительно к условиям- криолитозоны КНР 1вляется прогноз длительной прочности мерзлых грунтов на гериод времени, сопоставимый со сроком службы зданий и соору-

г>

жений. В-настоящее Яремя рядом ученых: С.О'.Вяловнм, М.К.Зарец-ким, С.Е.'Гречищевым, Л.Т.Роман, У Зипаном. А.М.Фишем, Л.Д.Коноваловым и др. получены решения, позволяющие осуществлять такой прогноз по опытным данным. Анализ зтих решений показывает, что достоверность определения длительной прочности зависит от многих факторов: строения и состава грунтов, их дисперсности, влажности (льдистости), заторфованности, засоленности, температуры, вида напряженно-деформированного состояния и др. Необходим выбор решений, которые наиболее подходили бы для описания реологических процессов в мерзлых грунтах криолитоэо-нн КНР и позволили бы определять их расчетные прочностные характеристики.

Исходя из вышеизложенного целью настоящей работы являлось: с учетом характерных особенностей криолигозокы КНР разработать предложения по выбору принципов использования много-летнемерзлых пород в качестве оснований зданий и сооружений и по оценке длительной прочности мерзлых порол, в том числе засоленных .

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

-выполнить анализ мерзлотно-грунтовых условий криолитозо-ны КНР и выделить характерные области;

-разработать предложения по принципам использования мно-голетнемерзлых пород как основаий сооружений в пределах выделенных областей;

- провести анализ методов описывающих процесс формирования длительной прочности различных видов мерзлых грунтов во времени в зависимости от их состава, строения, температуры и и выполнить сопоставление расчетных и опытных значений прочностных характеристик;

-разработать рекомендации по выбору прогнозных уравнений длительной прочности, дать пределы их применимости и выполнить определение расчетных прочностных характеристик многолетне-мерзлых Грунтов, характерных для криолитозоны КНР;

-провести экспериментальные исследования по выявлению влияния химического состава солей континентального типа засоления на сопротивление сдвигу мерзлых засоленных грунтов по поверхностям смерзания, как одной из наиболее важных характеристик, необходимых для оценки несущей способности широко при-

меняемых в КНР вмороженных свай.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснованы параметры и разработаны предложения по выбору принципов использования многолетнемерзлых пород как оснований сооружений в условиях криолитозоны КНР.

2. На основе анализа уравнений, описывающих процесс формирования во времени длительной прочности мерзлых грунтов, установлены пределы применимости этих уравнений для различных видов грунтов, их физических свойств и состояния (твердое или пластичномервлое).

3. Показано, что уравнение, полученное на основе кинетической теории прочности твердых тел и с учетом характера снижения во времени длительной прочности мерзлых грунтов, является наиболее универсальным для прогноза длительной прочности как пластично-, так и твердомерзлых грунтов.

4. Установлены закономерности влияния химического состава легкорастворимых солей, содержащихся в грунтовом растворе, на сопротивление сдвигу мерзлых грунтов по поверхностям смерзания.

5. Показано, что снижение как условно-мгновенного, так и предельно-длительного сопротивления сдвигу мерзлых засоленных .грунтов по поверхностям смерзания пропорционально понижению температуры начала замерзания и увеличению незамерзшей воды, обусловленных не только количественным содержанием, но и химическим составом солей. При этом отмечается возможность в исследуемом диапазоне концентраций аддитивной оценки влияния химического состава солей на указанные параметры при наличии комплекса солей в грунтовом растворе.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований будут использованы при хозяйственном освоении криолитозоны КНР, в частности, при проектировании и строительстве зданий и сооружений: определении расчетных характеристик, выборе принципа использования многолетнемерзлых грунтов как оснований сооружений, составлении нормативных документов.

Личный вклад автора. В ходе исследований автором самостоятельно выполнен анализ мерзлотно-грунтовых условий регионов, занятых многолетнемервлыми грунтами на территории КНР, освоена методика и выполнено выделение характерных областей криолитозоны с предложениями по принципам использования многолетнемерзлых грунтов как оснований сооружений. Проведено более 200

испытаний, на основе которых выявлено влияние химического состава солей на сопротивление сдвигу по поверхностям смерзания. Выполнено обобщение, анализ и опробование для характерных грунтовых разновидностей криолитозоны КНР существующих методов определения длительной прочности мерзлых грунтов и разработаны предложения по их использованию.

Апробация работы. Основные положения диссертации опроби-рованы на научных конференциях аспирантов и молодых' ученых Геологического факультета МГУ (Москва 1993, 1995). результаты исследований наши отражение в издаваемом учебном пособии по механике мерзлых грунтов.

Структура и объем работы. Работа объемом /6В страниц машинописного текста содержитрисунков, ¿3 таблиц и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, который включает наименований.

Исследования проводились в период обучения в очной аспирантуре на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ (1991-1995 гг.) под научным руководством доктора геолого-минералогических наук Лидии Тарасовны Роман. которой автор выражает искреннюю благодарность.

Автор также очень благодарен и признателен профессорам Э.Д.Ершову. Л.С.Гарагуле, Л.Н.Хрусталеву, И.Д.Данилову, канд. геол.-мин. наук К.А.Кондратьевой, Л.В.Шевченко, ¡0.Р.Кулешову, И.Л.Комарову. В.Г.Чевереву, Е.Н.Зайцеву за помощь в проведении исследований, ценные советы и внимание, В.И.Артюшиной,А.А.Громыко, В.Л.Пряхину, А.Г.Рузайкину за помощь, оказанную при проведении .-экспериментов и обработке опытных данных.

Глава 1. Характеристика мерзлотно-грунтовых условий криолитозоны КНР.

На основе анализа имеющихся исследований как китайских ученых Чдо Юву, Тун Байляна, Чжэн Годуна, Тун Чандзяна, У Зи-вана и- др., так. и русских исследователей А.И.Горбунова, Г.И.Дуб.икова. К.Л.Кондратьевой, Н.И.Труш и др., выделяются следующие.характерные особенности мерзлотно-грунтовых условий криолитозоны КНР. Многолетнемерялые породы, приуроченные к горным районам,занимают более.-2 млн.кв.км., что составляет около РА.ВХ территории КНР, при атом 1/4 часть атой территории отно-

сится к горной стране Да Син Ан Лин и 3/4 - к Чинхай-Тибетскому нагорью (рис.1). Основной особенностью многолетнемерзлых грунтов является их обусловленность не только зональным, но и высотным влиянием. Ярко выражена зависимость мерзлотных условий от ландшафтных условий и экспозиции склонов. Основные параметры, характеризующие многолетнемерзлые толщи указанных районов приведены в табл.1. .

/г-я

Рис.1 Схематическая карта распространения мерзлых грунтов на территории КНР С 83 ].

I - Территория с многолетнемерзлыми грунтами, обусловленными широтной зональностью; зоны распространения: а) сплошного; Ь) несплошного; с) преимущественно островного; d) южная граница распространения многолетнемерзлых грунтов.

II - территория с многолетнемерзлыми грунтами, обусловленными зысотной поясностью; зоны распространения: а) сплошного; Ь) несплошного; с) преимущественно островного.

III - территория с сезонномерзлыми грунтами (а) и южная граница их распространения (Ь).

12, 14, 15, 16 - типы макрорельефа (см.табл.4).

1 | Характеристики | выделенных | регионов | Регионы (по рис.1) | I-----,--1 I I II | Да Син Лн Лин | Чинхай-Тибетокое | | нагорье |

|Широта, ° с.ш. 47°00'-53°30' Hf/-00'-36°U0" I

| Климат континентальный с влиянием мусонного континентальный, | горный |

¡Высота нал уронем |моря, м | максимальная | средняя 1500 600-800 8000 | 4100-4500 |

I Среднегодовая температура воздуха, ° С -2.0 г,'6-2 -2 - г 12 | - г * 1

|Период с отрицательной температурой воздуха, месяцы 6-7 7-8 |

|Годовые осадки, мм 450-550 50-200 |

I Релм-оф Среднегорье, расчлененное речными долинами Холмистое высокрго-| рье |

|Литологичегкие типы |четвертичных отложений Щебень, дресва, песок, заторбоЕанный песок, глина, то(.>ф Щебень, дресва, пе-1 сок, глина, лёсс, | торф • |

Характеристика мно-|голетнемерзлой толщи Iглубина подошвы, м Iглубина сезон ного (оттаивания, м 20-400 0,5-1,0 20-150 | 0,5-1,2 , |

|Температура на глубине нулевых годовых ¡амплитуд, ° С -0.5 - -3,5 | 1

Глава 2. Обобщение опыта использования многолетнемерзлых грунтов как оснований сооружений в криолитозоне КНР

Многолетнемерзлые породы в пределах криолитозоны КНР используются в качестве оснований сооружений как в талом, так и в мерзлом состоянии. Основные конструктивные решения, позволяющие сохранить грунты в мерзлом состоянии - проветриваемые подполья, вентилируемые подсыпки, распространенный тип фундаментов - буронабивные сваи. На температурный режим грунтов оснований существенное влияние оказывает экспозиция, что необходимо учитывать при расчете их деформаций и прочности.

Результаты исследований механических свойств мерзлых грунтов, по трассе Чинхай-Тибетской дороги позволили установить некоторые характерные особенности их формирования. Так для основных видов мелкодисперсных грунтов в пределах температуры от ±0°С до -6°С длительная прочность на сжатие, сдвиг, сдвиг по поверхностям смерзания в зависимости от температуры может быть выражена линейным законом. Установлено влияние гранулометрического состава, льдистости, влажности мерзлых грунтов .на их прочность. Для каждого вида грунта отмечается свое оптимальное значение влажности при котором прочность является максимальной. Для глинистых грунтов это значение оказалось равным влажности на пределе текучести, для лессовых и песчаных - влажности равной 0,7-0,8 от полной влагоемкости. Обобщение исследований сопротивления сдвигу по поверхностям смерзания позволяет дать расчетные значения этих характеристик при оптимальной влажности (табл.2).

Таблица 2

Материал сваи Вид грунта Расчетные значения (?Сд. Мпа при температуре, °С

-0,Ь -1 -1 ,ь -2

Бетон суглинок ' 0,058 0,083 0,117 0,1

гравий с супесчаным заполнителем 0,067 0,098 0,159 0,163

мелкий песок 0,075 0,113 0,15 0,192

Сталь суглинок 0,067 0,108 0,152 0,190

гравий с супесчаным заполнителем 0,075 0,117 0,167 0,209

мелкий песок 0,1 0,175 0,242 0,300

Обширный материал получен также по данным полевых наблюдений за пучинистыми свойствами основных видов грунтов покровных образований Чинхай-Тибетского нагорья (табл.Я).

Таблица 3

Показатели Вид грунта

Лёсс Красный ' суглинок Песок

мелкозернистый средне-зернистый крупнозернистый

Коэффициент интенсивности пучения, г 16 12 '5.8 ?.. 1 0,58

Касательные силы пучения. Па-10'"° (КГ/СМ"') 2,4 0,4 0,32 0.2 0,06

Нормальные силы пучения, Па-10"& (КГ/ОМ") 8,3 7,0 1 ,32 0.9 0,05

Характерно, что при смерзании бетонных поверхностей с грунтом выявлено образование ледяной пленки толщиной 3-8 мм, на стальных поверхностях ледяная пленка не превышала 1-5 мм. В результате ' сопротивление сдвигу по металлическим поверхностям оказаллось примерно на 15% выше чем но бетонным. Это обусловлено конкретным режимом промерзания, который определяет миграционный поток: вокруг металлической сваи, как более теплопроводной, промерзание грунта происходит быстрее, соответственно - мигрировавшей влаги - меньше.

При использовании ¡грунтов как оснований в оттаявшем состоянии необходимо учитывать, что лёссы и красные суглинки имеют наиболее высокий коэффициент пучения', а. следовательно, и наибольшую осадку при оттаивании.

Глава 3. Выбор принципов использования многолетнемерзлых

грунтов как оснований сооружений

На основе практического опыта возведения и эксплуатации сооружений в области криолитозоны и теоретических исследований Н.Л.Цытовича, В.И.Стаценко, Н.И.Салтыкова, С.С.Вялова, В.П.Уш-калова, Г.В.Порхаева, Л.Н.Хрусталева, Ю.А.Александрова, М.В.Кима, Г.Н.Максимова, А.А.Коновалова, Х.Р.Хакимова, А.А.Цвида, В.С.Лукьянова, М.Л.Головко и др. определились I и

II принципы использования многолетнемерзлых грунтов так оснований сооружений. (Принцип I - многолетнемерзлые породы используются 'в мерзлом , а принцип II - в оттаявшем состоянии в течение строительства и эксплуатации). Разработаны способы обеспечения устойчивости сооружений при строительстве по обоим принципам , методы тепловых и механических' расчетов оснований. В КНР в настоящее время также широко используется общий подход к применению принципов I и 11.

В настоящей работе на основе анализа инженерно-геокриологических условий, определяемых спецификой свойств мерзлых и оттаивающих пород, развитием мерзлотно-геологических процессов, динамикой температурного поля, промороженностью горизонтов подземных вод, разработаны рекомендации по выбору принципа строительства в криолитозоне КНР. При этом за основу принята методика, разработанная для этой цели учеными России: Э.Д.Ершовым, Л.Н.Хрусталевым, Л.С.Гарагулей, К.А.Кондратьевой, А.В.Павловым, Г.З.Перльштейном, В.П.Волковой, А.Б.Чижовым. Выполнено общее инженерно-геокриологическое районирование, при котором учитывались: генетический тип микрорельефа, формации дочетвертичных пород, генетические комплексы четвертичных отложений, распространение и мощность многолетнемерзлых толщ, их температура на уровне нулевых годовых амплитуд. Учтена также сейсмичность территории. На основе такого районирования выполнена качественная оценка техногенных изменений геокриологических условий и приведены рекомендации по выбору принципа строительства. Они сведены в табл.4. Предпосылки для этих рекомендаций были следующими: . в районах сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов при льдистости включений лв>0,4 и устойчивом температурном режиме' мерзлых пород с высокой сейсмичностью (7, 8 и 9 баллов), рекомендуется применять принцип I. Применение принципа II обусловлено в районах со скальными и малопросадочными грунтами, в районах несплошного распространения многолетнемерзлых пород, когда их мощность не превышает 20 петров и температура на уровне нулевых годовых амплитуд близка к ±0°С.

Генетический тип, макрорельефа Геологически* формации дочетвертичных пород и комплексы четвертичных отложений Гео-криологические области

Горы Да Си Лн Линь, блоковые и сводовые, склздчато-блоковые Интрузивные, магматические и метаморфические скальные .породы верхнепалеозойского возраста с маломощным чехлом четвертичных отложений 12-1

Гопы япиплат^шпмрн-ного орогенеза в пределах эпипаиео-зойских поясов, блоковые и сводово-окладчато-блоковые Мезозойские вулканогенные образования, перекрытые чехлом четвертичных""отложений"мощностью 8-10 м 1

Мезозойские вулканогенные и осадочные породы, прорванные интрузиями палеозойского возраста, с четвертичными делювиально-пролювиальными и аллювиальными отложениями мощностью 8-10 м (крупнообломочные грунты песок, заторфованные грунты, торф) 12-3

Нагорье Чинхай-Тибетское с блоковым и сводово-складчато-блоковым основанием. Горы зпиплатформен-ного орогенеза в пределах эпипалео-зойских поясов Нижнемезозойские и верхнепалеозойские скальные породы, прорванные интрузиями палеозойского возраста 12-4

Мезозойские и верхнепалеозойские скальные и полускальные породы, прорванные интрузиями палеозойского возраста. В тектонических впадинах - палеогеновые,- неогеновые и четвертичные отложения различного генезиса (крупнообломочные, песчаные, глинистые грунты, торф) 12-5

Горная страна Тибет. Горы эписинклиналь-ных поясов, сводово-складчато-блоковые Мезозойские осадочные скальные и полускальные породы с маломощным чехлом грубообломочных четвертичных отложений 14-1

Горная страна Тибет. Горы и нагорья в пределах мезозойских с-водово- складчатых поясов Верхнепапеозойские скальные и полускальные породы с мезозойскими интрузиями гранитов и мезозойские осадочные породы, перекрытые четвертичными крупнообломочными, песчаными, глинистыми грунтами и торфом различного генезиса 14-2

Горная страна Гималаи. Горы сводово-складчатне в пределах кайнозойских поясов Скальные метаморфические породы протерозойского и архейского возраста, прорванные палеозойскими интрузиями, в глубоких ущельях долин с. маломощным чехлом четвертичных грубообломочных отложений 15-1

Горная страна Тибет. Нагорья и плоскогорья, наследующие срединные массивы Мезозойские осадочные полускальные породы с палеоген-неогеновыми и четвертичными осадками различного генезиса на равнинах и в тектонических впадинах 16-1

I ~ ~ I выветрелые к.,... крупнообломочные

скальные породы ' породы

3 - слабольдистые породыД<0,25; О - среднельдистые, 0.25<К0,5

Геокриологиче екая харак теристик а Сейсмичность по шкале Рихтера Принцип использования многолетне-мерзлых пород как оснований сооружений

Типовые разрезы среднегодовая тем-ра мерзлых пород, и Распространение мерзлых пород " мОЩность мерзлых пород, м ЛЪДИй- тость пород

f 1' 1' ■fF^L * ♦ + + (12- in't (12-; T~ 0 - 3 - 8 -14 1) — 0 -.2 - 8 -14 3) от -2 До -3,5 и ниже сплошное 150 F.B - 1

от -1,5 до -3,5 прерывистое и сплошное 80-100 D - I, возможен II

от -0,5 ДО -1,5 и ниже редко- и массивно- островное островное' 20-80 25-60 F.B 4,0+ 5,5 I , II

— 0 -2,1 от -5 до -9 сплошное 300-400 5,0+ 6,0 1,11

-Г"?»"i^i" -D — (12-' -2,8 —14 I) ав -3,5 и ниже сплошное 200-400 D 4.5+ 6,0 I

«.' • \ 0 \ — 0 -0,8 (—1.2 1-2,5 от -1,5 До -3,5 островное 60-120 S 4,5+ 5,5 И' т возможен I

u 4. + + j. S -t ♦ o, r -14 — 0 -1,8 -6,0 -7,4 -14 ниже -3,5 сплошное 400 F.S 4.0+ 6,0 I

¡•.v.'?: IfLp '■•'! ?B s-(15-1 - 0 -1,5 -2,2 от -0,5 до -1,5 редко- и массивно- островное 20-100 F.B 4,0+ 4,5 II

.T-(i6-i -1,8 -6,0 -7,4 7" ниже -3,5 сплошное 400 S 4,0+ 6,0 I

I 4 4- I скальные | ■■_■■■[ ■ ■ .■■_ц глинистые ¡..:. . .1

1 т 1 породы '■ " 1 лёд 1---1 породы 1......1 песок

Р - сильнольдистые породы,ОО,5: В - породы с ледяными прослоями

Глава 4. Выбор методов определения длительной прочност мерзлых пород при I принципе их использования в качеств оснований

Одной из основных расчетных характеристик многолетне мерзлых грунтов при их использовании в качестве оснований ш принципу I является предел длительной прочности. В настояще* время накоплено значительное количество опытных данных т прочности мерзлых грунтов четвертичных образований криолитово-ны КНР при различных видах нагружения. Однако для установлени: ее расчетных значений необходим выбор методов прогноза, которые позволили бы определить на основе, экспериментов значена длительной прочности на период эксплуатации сооружений.

Методы прогноза длительной прочности мерзлых грунто] разрабатываются на основе реологических представлений о процессе разрушения. Эти представления в механику мерзлых грунто] привнесены П.А.Цытовичем, М.Н.Г'ольдштейном. детально разработаны С'.С. Вяловым и его школой, Ю.К.Зарецким, С.Э.Городецким Н.К.Пекарской. Е.П.Шушериной, Р.В.Максимяк, М.Э.Слепаком В.Н.Разбегиннм, Л.Т.Роман и др., а также О.Б.Андерслендом Ф.Х.Сейлосом, Б.Ладанием, А.В.Ассуром, А.М.Фишем, У.Зивангом Ну Янлином, Чжан Чангином и др.

Получен ряд уравнений длитрльной прочности мерзлых грук* тов. Основные из них сведены в табл.5. В настоящей работе установлен предел применимости этих уравнений для описания процесса снижения прочности во времени характерных разновиднос-те) многолетнемерзлых грунтов криолитозоны КНР. Полученные результаты сопоставлены с опытными данными как автора, так и други; исследователей при основных видах нагружения - одноосном сжатии, вдавливании сферического штампа, сдвиге, в широком диапазоне температуры (табл.5).

Результаты анализа различных методов прогноза длительно! прочности показали, что уравнения 1, 4, 5, 6 отличаются простотой определения экспериментальных параметров. Однако в уравнении (5), выражающем зависимость прочности не только от времени, но и температуры грунта, допущение постоянства параметр? во всем диапазоне температуры грунта приводит к существенны* погрешностям в области как высоких, так и низких температур. Формула (1) дает хорошую сходимость с. опытными данными для ус-

Авторы Уравнения Условные обозначения

Вялов С.С. (1959) 0<e ~ tocwe> (i) б» - предельно-длительная прочность;

Зарецкий Ю. К. (1971) у Ttft т-т. а: 1оо- период времени, на который определяется 6а> ; 3, В, Т, Т0, б0, 0., Ь, Г - опытные параметры ; бъ - прочность за период времени £ -, бм - условно-мгновенная прочность за период времени Ьм ; |9| - абсолютное значение температуры мерзлого грунта ; 1Р - период релаксации

Гречищев С.Е. (1972) 6во = 6t~-£c¿\<\~ót\

Роман Л. Т. (1987) ^ ~ CWto)^ <43

Коновалов A.A. (1984) i _ IGI , to .Г ^ to ^ £5

Wu Zi Wang (1983) A — ^ - «WtM)A C¿)

Роман Л. T. (1989) Графический способ определения б по методу временных аналогий (7)

ловий твердомерзлого состояния грунтов. Для сильнольдистых, засоленных, заторфованных грунтов, содержадах значительное количество незамерзшей воды, находящихся в пластично-мерзлом состоянии, параметры этого уравнения 0 и В становятся переменными во времени. Принятие их постоянства, "необходимого для прогноза длительной прочности, приводит к завышенным результатам по сравнению с опытными данными. В работе составлена программа, получены параметры уравнений зависимости 1/6 -для пластично-мерзлых грунтов.

Установлено, что полином второй степени а(1пЬ)2 + Ь(1пЪ)+ + с - 1/6 достаточно точно описывает эту зависимость для пластично-мерзлых грунтов и позволяет повысить достоверность прогноза. Пример такого анализа показан на рис.2 и в табл.7. Параметры уравнений (2) и (3) получаются с учетом характера процесса ползучести мерзлых грунтов. Их определение по экспериментальным данным более сложно по сравнению .с параметрами других рассматриваемых уравнений. Уравнения (4) и (6) дают близкие результаты, в том числе и для пластичномерзлых грунтов, однако при использовании уравнения (6) существенное влияние оказывает условно-мгновенная прочность, при определении которой обычно отмечается большой разброс опытных данных.

Как можно видеть, в пределах экспериментального периода (табл.7) все рассмотренные методы (уравнения (1), (4) и поли-

ном) дают близкие результаты г, опытными данными. Прочность же на период времени равный 50 лет по уравнению (1) для рассматриваемого грунта при высокой температуре примерно в 3 раза выше . чем ири расчете по полиному и формуле (4). Это указывает на необходимость учета нелинейности зависимости - Н1пО в уравнении (1} для пластичномерзлмх грунтов. Уравнение (4) рекомендуется к использованию как в области низких, так и высоких темпрратур мерзлых грунтов.

Таблица с

Характеристика грунта; метод испытания Тем- . пера-тура. Пери- од времени Длительная прочность, 10 1-МПа (кг/смг)

по уравнениям по опытным данным

1 4 5 6

Лёсс 1>-2,7 г/ом,:' <>>-24,6'X ■: сдвиг 16 1,46 1.45 0.54 1,40 1,4

-5 16 2,02 2.09 1.У6 1 ,99 2,0

-10 16 2,65 2.57 4.80 2,72 2.8

Глина _ р-1.75 г/ом3 ы-19 г ; одноосное сжатие -5 100 1,10 1,13 1,67 1.14 1,1

-10 100 2,29 2,33 6,92 2.26 2,3

-15 100 3,37 3,43 15,26 3,43 3,4

Песок мелкий, р-1,82 г/скг «-15 % ; одноосное сжатие -5 100 1,43 1,45 1,75 1,37 1,4

-10 100 2,54 2,52 6,20 2,41 2,4

-15 100 3,30 3,13 11.31 3,37 3,2

Супесь • р-1,84 г/см^ (■>-25 %; одноосное сжатие -5 2В 1,84 1,98 1 ,80 2,05 2,0

Торф, комплексный „ р-1,08 г/см-ш-64,7 % ; вдавливание сферического штампа -2,5 2000 1,38 0,79 1,3 0,87 .0,82

Рис 2. Зависимость 1/6 - Int по данным испытания на растяжение мерзлого торфа при различной температуре.

Int С

Ш (2) (3)

-4-5 г -6. б "с -20 г

Таблица 7

Период времени, Длительная прочность мерзлого торфа 6t,105na при температуре, С

- 4 5 - 20

Метод получения 6t

(1) полином 2й степени (4) эксперимент (1) поли-, ном 2й степени (4) эксперимент

0,95 2,75 6,12 16.63 45,21 122,89 1 год 50 лет 22,36 14,50 11,47 9,10 7,54 6,43 3,90 2,90 16.36 15,40 13.28 10.29 7,74 5,84 2,16 1,10 18,39 14,54 12,17 9,75 7,81 6,26 2,40 1,00 16,67 15,15 12,99 10,31 7,94 5,78 38,10 34,00 30,23 27.21 24,74 22,68 16.74 13,40 38,58 33,96 29,99 27,00 24,69 22,86 18,10 15,99 37,48 34,17 30.70 27,60 24,79 22,27 14.11 9,15 38,46 34,48 29,41 27,03 25,00 22,73

В работе показана также возможность использавания метода температурно-временной аналогии для прогноза длительной прочности на примере испытаний в условиях трехосного сжатия мерзлого песка четвертичных отложений Чинхай-Тибетского нагорья. На рис 3. представлена графическая обработка опытных данных. По зависимостям среднего нормального напряжения (бь ) от времени (О в полулогарифмическом масштабе определяется коэффициент температурно-временной редукции ае , строится обобщенная

кривая гп. - Г(1п1. + £1парп , которая нопполяит получить прогнозное значение 61 для условий самой высокой опытной температуры. Уравнение чтой кривой им^ет вид б г - ВПпОЛ ( где Л - 0.317 ; В - 11.864 ). Длительная прочность на период времени 1р при других температурах 81 вычисляется по этому уравнению, но на период времени 1п^Р+и1пав1. Полученные результаты прогноза длительной прочности мерзлого песка методом темнературно-временной аналогии на период времени 100 лет сведены в таОл.8.

Т л * * ц.д

е, °с - 2 - 5 - 10 - 15

6t. М11а 3.85 4.03 4.28 4.39

Они показали хорошее совпадение с данными, полученным по уравнениям длительной прочности ( 1 1 и ( 4 ). что подтверждает применимость метода температурно-временной аналогии.

Глава 5. Исследование влияния химического состава солей

на прочность мерзлых засоленных грунтов

В условиях-криолитозоны КНР ввиду плоскогорного рельефа, наличия впадин характерно затруднение стока поверхностных вод. Это оОотпятр.льство, а также засушливый климат, приводящий к значительному испарению грунтовой влаги, обусловливают засоленность поверхностных отложений континентальным типов засоления. Основными солями являются : хлорид!!. г'ульФпты и бикарбонаты.

Исследованиями многих ученых выявлены осоОннности распространения замоленных грунтов в пределах многолетнемерзлых толщ,классифицированы типы засоления (Г.И.Дубикок.Н.И.Иванова, В.Т.Трофимов. Н.Г.'Гирсов, Н.П. Анисимова, В.Т.Кудряшов и др.). установлены основные закономерности протекания физико-химических процессов в засоленных мерзлых грунтах ( Э.Д.Ершов, И.А. Комаров. Е. М.Чуви.лин, Сю Шецу и др.), получены данные о влиянии засоленности на механические свойства и характер поведения мерзлых засоленных грунтов под нагрузками ( Ю.Я.Велли,

А.А.Карпунина, Я.А.Кроник. В.И.Аксенов, И.В.Шейкин, В.В.Докучаев, О.Б.Ухов, А.В.Брушков, Цу Янлин, J.Collet, К.Bird, L.Carby, А.Д.Фролов, Ю.Д.Зыков, 0.Н.Червинская, и др.). Однако, остается много не исследованных вопросов, связанных с оценкой прочности мерзлых засоленных грунтов. Одной из таких проблем является выявление влияния химического состава солей. В настоящей работе выполнены исследования в этом направлении на примере формирования длительного сопротивления сдвигу засоленных грунтов но поверхностям смерзания.

Рис.'З Определение длительной прочности мерзлого песка методом температурно-временной аналогии ( испытание на 3-х осное сжатие )

Опыты проводились посредством продавливания постоянной нагрузкой моделей ( с1 - 10 мм; 1-50 мм; ) вмороженных, в суглинок, засоленный солями ЫаСЬ, М^04 и комплексом солей ' МаС1 : М^04 : МаНСОз : Са304, взятых в пропорции 1 : 0.57 : 0.12 : 0.12. Температура испытываемых образцов равнялась минус 3.8°С.

Физически« свойства-образцов приведены в табл.9

Для каждого случая засоленности проводилась перия испытаний образцов с 5-6 кратной повторностью постоянными, но различными для каждого испытания нагрузками.

Таблица 9

Шовные физические свойства Температура н< влаги (бн.з. мерзшей воды -3,8 °С при NaCl ччала замерзани> 1 влажность за ( WH ) 'при засолении комплексом грунтовой счет неза-гемпературе MijSO^

Суглинок р - 1.8г/см' W - 0,35 П.-ai - 0,57. Кпр -0,014 0н.з.-1,14°С WH.з.-0,17 0Н.Э.— 0,91°0 W,i. з.-0,14 е„.3.— o,68°c W„.?.-0,i2

Настроенные по данным испытаний кривые длительной прочности ( рис.4 ) показывают существенное влияние химического состава Оолей на сопротивление сдвигу по поверхностям смерзан-

1. Ю-'Иа

1,5

1,0-

п.н

ч

V

4 4д. >е

<Г

О

100

200

Г.'Ю^Па

0.8-

е 'Т

-4-'

tu

0.6

0,4

0,2

300

h. мин

Рис.< Длительное сопротивление сдвигу мерзлого засоленного суглинка но поверхностям смерзания (8 - -3,8°С; Кпр - 0,014) различными солями : I - MgSOi; II - комплекс солей; III- NaCL; опытные точки 1, 2, 3; расчетные 4 - по ( 1 ), 5 - по ( 4 ) • - 1; О - 2; х - 3; 9 - 4 ; А - 5-

0/Эн.;

Рис.5. Зависимость длительного (50 лет) сопроти-ления сдвигу мерзлого засоленного суглинка по поверхностям металлических моделей (О - -3,8°С; Кпр-0.014); 1- МйЗОд; 2- комплекс; 3- ИаОЬ.Прогнозные значения по уравнениям: О - ( 1 ) ; Д - ( 4 )

ия. Ряд. в котором наблюдается снижение сопротивления сдвигу в зависимости от химического состава солей, соответствует ряду, указывающему на закономерность понижения -температуры начала замерзания грунтовой влаги (бн. з.) и увеличение Мн:Иа(Х < комплекс« Мг304. Результаты исследований позволили обобщить закономерности формирования длительного сопротивления сдвигу мерзлых грунтов, засоленных солями различного химического состава. Такое обобщение четко прослеживается в функциональной зависимости х-Г (9/9н.а) (рис.5).Такая же обобщенная зависимость получена нами при обработке опытных данных других авторов.

Заключение

В итоге проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Обоснованы параметры и разработаны предложения по выбору принципов использования многолетнемерзлых пород как оснований сооружений в условиях криолитозоны КНР на основе анализа макрорельефа, геокриологических условий, сейсмичности территории, физических свойств грунтов.

2. На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований,сопоставления опытных и расчетных значений прочностных характеристик мерзлых грунтов при различных видах испытаний установлены пределы применимости прогнозных методов для различных видов грунтов с учетом физических свойств. Показана необходимость учета нелинейного характера снижения длительной прочности, вызванного пластично-мерзлым состоянием грунтов, и выявлена возможность использования для этой цели полинома второй степени.

3. Показано, что феноменологическое уравнение, полученное на основе кинетической теории, применимо для прогноза длительной прочности основных видов многолетнемерзлых грунтов криолитозоны КНР, находящихся как в твердомерзлом так и в пластично- мерзлом состоянии.

4. Показана возможность использования метода температур-но-временной аналогии для прогноза длительной прочности мерзлых грунтов в условиях трехосного сжатия.

5. Установлены закономерности влияния химического состава

еож'й. содержащихся н растворе грунтовой влаги. ма ^опротивле-ние сдвигу но поверхностям смерзания: снижение прочности пропорционально понижению температуры начала замерзания грунтовой влаги и увеличению количества незамерзшей воды, обусловленных химическим составом растворимых солей. Показана возможность количественной оценки этих параметров по правилу аддитивности' в зависимости от состава солей.Получена обобщенная зависимость длительного сопротивления сдвигу засоленных грунтов по поверхностям смерзания от гомологической температуры, являющейся одним из обобщенных показателей рассматриваемого процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сравнение методов определения длительного сопротивления сдвигу по поверхностям смерзания. - Ж.Вестник Московского университета, серия 4, геология, N 5, 199Н г., 8 с.

Р.. Методы определения механических, свойств мерзлых грунтов. - Учеб. М.: Изд-во МГУ, 1995 г, 160 с. ( Учебное пособие, п/р Э.Д.Ершова, Л.Т.Роман, соавторы Ю.В.Кулешов. С.с.Во,лохов и ДР. )•

3. Влияние химического состава солей на сопротивление сдвигу мерзлых засоленных грунтов по поверхностям смерзания (находится в печати соавторы Л.Т.Роман, А.Г.Рузайкин ).