Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры

Кривов, Денис Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры"

На правах рукописи

Кривое Денис Николаевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ РАЙОНА БОЛЬШЕЗЕМЕЛЬСКОЙ ТУНДРЫ

Специальность: 25.00.08 инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

003463069

Москва-2009

003463069

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ).

Научный руководитель: доктор геолого - минералогических наук,

профессор Л.Т. Роман

доктор геолого - минералогических наук Официальные оппоненты: М.А. Минкин

кандидат технических наук, профессор Я.А. Кроник

Ведущая организация: НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ОАО ЦНИИС)

Защита состоится 20 февраля 2009 года в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, аудитория №415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (зона А, 6 этаж)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета профессору В.Н.Соколову.

Автореферат разослан 19 января 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, у/К профессор /

В.Н.Соколов

Общая характеристика работы

Актуальность

Суровые климатические условия, распространение многолетнемерзлых грунтов, в том числе засоленных, заторфованных, сильнольдистых создают значительные трудности при освоении природных ресурсов северных районов России. Одной из основных проблем надежного строительства и эксплуатации зданий, промысловых и транспортных сооружений является достоверная оценка несущей способности грунтов оснований и её прогноза с учетом влияния всего комплекса факторов как природных, так и техногенных.

Настоящая работа направлена на исследование прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов, залегающих в пределах оснований сооружений территории Европейского Севера В настоящее время - это активно развивающийся район России, здесь строится и проектируется целый ряд магистральных и межпромысловых нефтепроводов (Ю. Хыльчуя -Варандей, Харьяга - Варандей и т.д.), по территории Европейского Севера проходят трассы газопроводов (Ямал - Ухта), разрабатываются ряд крупных нефтяных месторождений, производится поиск и разведка новых.

Следует отметить, что мерзлотные условия севера Западной Сибири, в том числе и полуостров Ямал, на котором расположено большое количество нефтяных и газоконденсатных месторождений, исследованы довольно широко. Накоплен большой объем инженерных изысканий и исследований.

Мерзлотно-грунтовые условия территории Европейского Севера существенно отличаются от таковых Западной Сибири. Среднегодовые температуры многолетнемерзлых грунтов в данном районе существенно выше (в среднем минус 2 - минус 3 °С), что наряду с широким распространением засоленных, заторфованных и льдистых грунтов обусловливает более яркое проявление их реологических свойств и усложняет задачи проектирования и строительства инженерных сооружений. Имеющиеся данные по физико-механическим свойствам грунтов получены, в основном, на стадии инженерно-геокриологических изысканий, при этом методы прогноза прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов производятся согласно действующим нормативным документам, разработанным, как правило, для грунтов Западной и Восточной Сибири и Якутии. Имеются лишь единичные публикации, касающиеся механических свойств мерзлых грунтов Европейского Севера. Объем опубликованных материалов не позволяет установить закономерности зависимости прочностных и деформационных характеристик основных видов грунтов от физических свойств и температуры.

Цель настоящей работы: на основе экспериментальных и теоретических исследований обосновать выбор методов определения длительной прочности и деформируемости мерзлых засоленных грунтов исследуемого района в зависимости от физических свойств и температуры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов прогноза

длительной деформации и прочности мерзлых грунтов.

2. Провести анализ и обобщение мерзлотно-грунтовых условий по данным литературных источников, архивных материалов и результатов инженерно-геокриологических изысканий, в которых автор принимал участие.

3. Выбрать и обосновать методики лабораторных исследований и получить параметры прогнозных уравнений.

4. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования длительной прочности и деформируемости основных видов мерзлых грунтов исследуемого района в диапазоне изменения характеристик их физических свойств и температуры.

5. Установить закономерность зависимости длительной прочности и деформируемости от времени воздействия внешних нагрузок как единого термофлуктуационного процесса.

6. Разработать предложения по определению длительной прочности и деформации, получить параметры прогнозных уравнений для мерзлых грунтов исследуемого района.

Научная новизна работы

1. На основе экспериментальных данных выполнен анализ феноменологических уравнений длительной прочности и выбор наиболее достоверных из них для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых грунтов, в том числе засоленных.

2. Разработана и опробована методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, основанная на представлениях о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность и деформацию мерзлого грунта на период времени, сопоставимый с периодом эксплуатации сооружений.

3. Показана аналогия между влиянием концентрации легкорастворимых солей в поровом растворе и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов и получены параметры уравнения, основанного на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения.

4. Установлены зависимости параметров феноменологических уравнений, рекомендованных для прогноза длительной прочности мерзлых грунтов в пределах выделенных РГЭ (расчетно-грунтовых элементов), от физических свойств и, температуры.

Практическая значимость работы

1. Предложения по выбору феноменологического уравнения для прогноза длительной прочности в зависимости от вида грунта могут быть использованы на всех стадиях изысканий и проектирования инженерных сооружений.

2. Разработанная методика определения длительной прочности и деформации по данным испытаний на одноосное сжатие позволяет определить их значения на длительный период времени при расчете несущей способности мерзлых грунтов как оснований сооружений.

3. Полученные параметры прогнозных уравнений длительной прочности дают возможность выполнить предварительную оценку

несущей способности мерзлых грунтов выделенных РГЭ без проведения испытаний в пределах температуры естественного залегания.

Личный вклад автора

В ходе выполнения диссертационной работы автор принимал участие в четырех экспедициях в районы Европейского Севера, где были проведены работы по изучению геокриологических условий.

Выполнено обобщение и анализ результатов экспериментов, полученных при личном участии автора, а также опубликованных в литературе, на основе которых проведен анализ точности прогноза основных феноменологических уравнений длительной прочности, а также установлены зависимости, позволяющие оценить прочность и деформацию мерзлых засоленных грунтов изучаемого района. Результаты базируются более чем на 1200 экспериментальных определениях механических характеристик мерзлых грунтов.

Разработана и опробована методика обработки опытных данных одноосного сжатия мерзлых грунтов при ступенчатом нагружении.

Установлена аналогия влияния содержания легкорастворимых солей и температуры на характер зависимости длительной прочности от времени воздействия нагрузки.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на отечественных и международных конференциях: Ломоносовские чтения (Москва, геологический факультет МГУ, 2008), «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (Пущено, 2002), "Asian Conference of Permofrost" (Lanzhou, China, 2006), «Ломоносов» (Москва, геологический факультет МГУ, 2003, 2005).

Основные положения работы опубликованы в 3 статьях: «Влияние засоленности на разрушение мерзлых грунтов» (рекомендованный ВАКом журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов»), «Исследования прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов» (журнал «Промышленное и гражданское строительство»), «Определение температуры начала замерзания засоленных мерзлых грунтов» (журнал «Промышленное и гражданское строительство»).

Структура и объем работы:

Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержащего 102 наименования. Работа изложена на 153 станицах, включает 91 рисунок и 27 таблиц.

Защищаемые положения:

1. Рекомендации по выбору наиболее достоверных феноменологических уравнений, которые могут быть использованы для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых засоленных грунтов.

2. Разработанная методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность

мерзлого на период времени сопоставимый с периодом эксплуатации сооружения.

3. Аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температуры мерзлого засоленного грунта на длительную прочность, установленная на основе термофлуктуационного представления о процессе разрушения.

4. Параметры феноменологических уравнений, которые позволяют оценить длительную прочность мерзлых засоленных грунтов в пределах выделенных РГЭ в зависимости от физических свойств и температуры.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору геолого - минералогических наук, профессору кафедры геокриологии геологического факультета Лидии Тарасовне Роман за руководство и помощь в выполнении данной работы, заведующему сектором исследования мерзлых грунтов (СИМГ) института «Фундаментпроект» к.т.н. В.И. Аксенову, сотрудникам сектора (СИМГ) A.B. Иоспе, к.ф-м.н. С.Г. Геворкяну, Г.И. Клиновой, начальнику отдела ОИГС «Фундаментпроекта» д.г.-м.н. Ф.М. Ривкину, сотрудникам отдела ОИГС Ю.В. Власовой, А. А. Поповой и другим сотрудника отдела за предоставленные материалы, неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за внимание к работе и критические замечания.

Содержание работы Введение

Обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, защищаемые положения и практическое значение работы.

Глава 1. Состояние изученности закономерностей деформирования и прочности мерзлых грунтов

Начиная с 20-х годов XX века и до настоящего времени, накоплен обширный объем данных о физико-механических свойствах мерзлых фунтов и льда. Установлены основные закономерности влияния на деформацию и прочность физических свойств и температуры. Результаты исследований широко освещены в материалах научных конференций, симпозиумов, в тематических сборниках. Их обобщение приведено в целом ряде монографий как отечественных, так и зарубежных авторов.

Продолжая фундаментальные исследования в области механики мерзлых грунтов, начатые под руководством М.И.Сумгина, Н.А.Цытовича, М.Н.Гольдштейна, в середине 1950-х годов С.С.Вялов создал новое направление в геотехнике. Оно основано на глубоком теоретическом анализе результатов комплексных длительных исследований деформирования и прочности мерзлых грунтов в лабораторных и полевых условиях при различных видах нагружения. Расширились представления о физической

природе разрушения, получены основные зависимости ползучести и длительной прочности от напряжения, создаваемого внешней нагрузкой, времени ей воздействия, физических свойств грунтов и льда.

Начиная с 1960-х годов, реологический подход в механике мерзлых грунтов стал общепризнанным. Исследования по реологии мерзлых грунтов начали активно проводиться многими учеными в различных странах: США, Канаде, Китае, Японии и др.

Основные отечественные публикации монографического характера представлены в работах С.С.Вялова, его учеников и коллег: Ю.Оарецкого,

B.В.Докучаева, С.Е.Гречищева, Б.А.Савельева, С.Э.Городецкого, Н.К.Пекарской, Е.П.Шушереной, Р.В.Максимяк, В.Н.Разбегина, А.М.Фиша, А.А.Коновалова, Л.Т.Роман, А.В.Брушкова, В.И.Аксенова и др.

С реологической концепции рассматривается поведение мерзлых грунтов под нарузкой в многотомном издании кафедры геокриологии геологического факультета МГУ имени МВ.Ломоносова «Основы геокриологии» под редакцией Э.Д.Ершова. За границей реологический подход к исследованию мерзлых грунтов освещается в трудах многих авторов (Johnston, Andersland, Anderson, Ladanyi, Sayles, Epanchin, Parameswaran, Odgvist, Huit, Gold, Glen, Johnson, Mellor, Nixon, Zhu, Carbee, Lern и т.д.).

Обобщение состояния изученности прочности и деформируемости мерзлых грунтов показало, что при выборе методов испытаний и обработки опытных данных для условий исследуемого района необходима оценка достоверности прогноза длительной деформации и прочности с учетом особенностей физических свойств, которые обусловлены засоленностью, многокомпонентностью, минеральным составом, диапазоном температуры естественного залегания. Для решения этой задачи выполнен анализ методов прогноза ползучести мерзлых грунтов, основанных на модельных представлениях, технических теориях ползучести, теории наследственной ползучести, временных аналогиях, феноменологических уравнениях.

Рассмотренны феноменологические уравнения длительной прочности, сделан акцент на те из них, которые получили широкое применение и наиболее раскрывают физическую природу разрушения мерзлых грунтов при простом опытном определении параметров: логарифмическое и степенное уравнения

C.С.Вялова, дробно-линейное уравнение ЮХЗарецкго, степенное - Л.Т.Роман.

Глава 2. Методика испытаний и обработки данных

Основной объем испытаний выполнен на образцах ненарушенного сложения, доставленных после их отбора из массива. В процессе отбора выполнялось детальное изучение керна с описанием характера криогенного строения, льдистости, с выделением объема минеральных и биогенных включений и льда различного генезиса.

Для всех образцов производилось определение влажности после вскрытия монолита, плотности грунта методом режущего кольца, плотности частиц грунта и засоленности. Для классификации глинистых грунтов определялись показатели пластичности (ГОСТ 5180-84, ГОСТ 25100-95), для песков выполнялся гранулометрический состав (ГОСТ 12536-79).

Суммарная льдистость грунтов и льдистость за счет ледяных включений рассчитывалась по формулам А.10 и А.11 ГОСТ 25100-95.

Засоленность определялась двумя методами:

—установлением массы сухого остатка после выпаривания водной вытяжки;

— определением электрической емкости водной вытяжки.

Ионно - катионный состав солей, который позволяет установить тип засоления, определялся в соответствии с ГОСТ 4254-72, ГОСТ 4245-72 и пособием (Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов).

Определение температуры начала замерзания (оттаивания) производилось методом криоскопии, который разработан рядом авторов (П.И. Андрианов, А.П. Боженова; Н.А. Цытович; Э.Д. Ершов, И.А.Комаров, Р.Г. Мотенко).

Определение фазового состава исследуемых в данной работе грунтов выполнены Р.Г.Мотенко контактным методом в лаборатории кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Определение механических свойств мерзлых грунтов производилось по ГОСТ 12248 - 96. Выполнялись следующие испытания мерзлых грунтов при размерах образцов (Ь - высота, <1 - диаметр):

1. вдавливание шарикового штампа (11=3,5см (1=7,1 см)

2. одноосное сжатие под ступенчатой нагрузкой (Ь=10см <1=4,5см)

3. компрессионное сжатие (Ь=2см 6=7,1см)

Обработка опытных данных также производилась по стандартным методикам, за исключением испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием под ступенчатой нагрузкой. Для этого случая автором разработан способ определения длительной прочности и деформации, основанный на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения. Метод заключается в следующем: при обработке опытных данных на кривой ползучести на каждой ступени выделяется линейный участок деформирования, т.е. участок с постоянной скоростью, который описывается линейным уравнением, полученным по методу наименьших квадратов. Деформации на каждой ступени рассматриваются без учета деформаций на предыдущих ступенях (рис. 1а,б). Затем с помощью полученного уравнения выполняется экстраполяция деформаций во времени на каждой ступени до момента достижения её критического значения, которое соответствует точке перехода от шведовой вязкости к бингамовой, т.е. точке перелома реологической кривой (рис. 1в). По значению критической деформации получаем период времени до разрушения при данной нагрузке. Обработав таким образом результаты зависимости е - I на всех ступенях испытания мерзлого грунта, получаем массив точек, в котором на каждой ступени нагрузки соответствует постоянная скорость деформации на данной ступени, а также период до разрушения при данном напряжении. После этого эти точки наносятся на графики \ga-\gt и 1

(рис. 2). Такой подход позволяет определить параметры уравнения длительной прочности, включающего кинетический параметр 1о, которое

рассматривается как одно из прогнозных уравнений предлагаемых для исследуемых грунтов (см. гл. 5, 6).

¿4

Рис. 1. Кривая ползучести мерзлого грунта в условиях одноосного сжатия: а - при учете деформаций на всех ступенях нагрузки, б -^^ без учета деформаций на предыдущих ступенях, в - реологическая кривая

Рис. 2. Зависимости и

Нормативные значения физико - механических характеристик грунтов определялись статистической обработкой опытных данных в соответствии с ГОСТ 20522-96.

По показателям физических свойств исследуемых грунтов выделены расчетно - грунтовые элементы (РГЭ), на основе созданной в секторе исследования мерзлых грунтов Фундаментпроекта в соответствии с ГОСТ 25100 - 95 и «Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления. ФГУП ПНИИИС» (2001). Критерии разделения грунтовой толщи на элементы с соответствующими буквенными и цифровыми индексами приведены в табл. 1.

Табл. 1. Критерии выделения расчетно-грунтовых элементов (РГЭ)

Буквенные и цифровые обозначения свойств грунтов в индексе РГЭ Выделенные свойства Степень проявления выделенных свойств

Г.ЗЗ.а.1.2 состояние Г - многолетнемерзлые мерзлые грунты В - охлажденные грунты

Г.ЗЗ.а.1.2 Наименование грунта 19 - средний песок 20 - песок мелкий 21 - песок пылеватый 25 - супесь пылеватая 29 - суглинок легкий 33 - суглинок тяжелый 37 - глина легкая

Г.ЗЗ.а.1.2 Засоленность а - слабозасолённый б - среднезасолённый в - сильнозасоленный

Г.ЗЗ.а.1.2 Температурно - прочностное состояние 1 - твердомерзлые 2 - пластичномерзлые

Г.ЗЗ.а.1.2 Льдистость за счет ледяных включений 1 - слабольдистый 2 - льдистый

Глава 3. Характеристика природных условий

Для исследования характеристик природных условий за основу была принята территория вдоль трассы высоковольтной линии электропередачи (ВЛ 220), изыскания вдоль которой были проведены в 2005г. институтом «Фундаментпроект».

Характеристика природных условий выполнена по данным метеостанций и литературных источников (И.Д. Данилов, Геокриология СССР, 1988; Инженерная геология СССР, С.Е. Суходольский) и изысканий, проведенных ФГУП «Фундаментпроект» и ФГУП ПНИИИС в 2004 - 2007 годах.

Район исследований относится к арктической зоне и находится в области атлантического влияния. Климатические условия формируются под воздействием арктического климатического фронта и интенсивного западного переноса. Высокая активность атмосферных процессов, связанная с прохождением атлантических циклонов и частыми вторжениями арктического воздуха с Северного Ледовитого океана, придают погоде большую неустойчивость в течение всего года. Средние годовые температуры - воздуха минус 3,4 минус 5,6°С

Для района характерно преимущественно сплошное (>80% площади) распространение многолетнемерзлых пород (ММП) с температурой от минус

0,5 до минус 4,0°С и мощностью мерзлой толщи 50-200 м и более. Район отличается высокой неоднородностью геокриологических условий верхнего горизонта, частым чередованием участков, сложенных с поверхности мерзлыми грунтами, участков с заглубленной кровлей ММП и талыми грунтами.

В пределах заложения фундаментов опор линий электропередач, жилых и промышленных зданий, трубопроводов повсеместно залегают четвертичные отложения (пески, супеси, суглинки, глины) различного генезиса ^тИ2"4,1а III1,

т III , т ИГ"4, рт ПНУ, а ПНУ, ее! ПНУ, 1Ы1НУ). Широко распространены засоленные (с различным видом засоления, преимущественно хлоридно -натриевый до 4%) и льдистые за счет ледяных включений (до 0,34д.е) грунты.

По особенностям геокриологических делится на 4 участка (НУ) (рис.З)

Варандей

условии исследованная трасса

«трасса ВП-220 Ю.Хыльчую - Варандей

участки выделенные в зависимости от природных условий

■ граница исследуемой территории

...., ш ■

"^^^Ьарьянмяр ^ л

^¿ра^. - 5/V ■ г4 £" - ; V Л' Ч

Рис. 3. Карта-схема района исследований

Юго-западная часть (участок I 0-34 км) расположена в подзоне южной тундры и характеризуется развитием ММП практически на всех элементах рельефа вне акваторий рек и озер и широким распространением несквозных таликов, занимающими до 40% площади коридора трассы. Средняя годовая температура мерзлых грунтов составляет минус 0,5 - 1,0°С.

Центральная часть трассы (участок II, III 34-119 км), приуроченная также как и юго-западная к южно-тундровой подзоне, отличается более суровыми геокриологическими условиями со средними годовыми температурами грунтов от минус 2,0 до минус 4,5°С. Несквозные и сквозные талики занимают не более 30% площади коридора трассы. Наиболее часто встречаются участки со среднегодовой температурой грунтов минус 1,5-3,0°С.

Северо-восточная часть трассы (участок IV 119-145,5 км) приурочена к подзоне северной тундры и характеризуется средними годовыми температурами грунтов от минус 0,5 до минус 4°С.

Глава 4. Физические свойства исследованных грунтов

Физические свойства исследуемых грунтов определялись параллельно с определением физико-механических характеристик на образцах, доставленных с объектов изысканий.

Грунты обладают широким диапазоном физических свойств. По гранулометрическому составу представлены: пески средний крупности, мелкие, пылеватые; супеси; легкие и тяжелые суглинки; легкие глины. Влажность

песков изменяется от 16 до 32%, плотность от 1,92 до 2,02 г/см3. Мерзлые пески характеризуются массивной криотекстурой. Влажность суглинистых грунтов, как правило, находится в пределах от 18 до 31%, но встречаются и сильнольдистые грунты с суммарной влажностью 93 - 105%, при этом льдистость за счет ледяных включений достигает 0,34 д.е. Суглинистые грунты характеризуются слоистой и сетчатой криотекстурой, грунты с малой влажностью, как правило, имеют микрошлировую криотектстуру. В грунтовом массиве изучаемого района широко распространены засоленные грунты (засоленность достигает 1,5%), которые встречаются практически на всей территории Болыпеземельской тундры. Тип засоления мерзлых грунтов преимущественно хлоридно - натриевый, но встречаются также хлоридно -магниевый, сульфатно - натриевый и гидрокорбонатно - натриевый. Засоленность мерзлых грунтов вызывает понижение температуры начала замерзания до минус 0,8 - минус 2,5°С, при этом температура грунтов в естественном состоянии близка к температуре начала замерзания. В ряде случаев среднегодовая отрицательная температура грунтов выше температуры начала замерзания, т.е. они находятся в охлажденном состоянии.

Содержание незамерзшей воды, определенное экспериментальным и расчетным (по Л.Т.Роман) способами для основных РГЭ приведены на рис.4:

И7„. = 0"Л-1п

в!вм

0,720/6^ + 5.3

- + 1

(1)

где: Жр - содержание незамерзшей воды, в - температура грунта, вЬ/ температура начала замерзания, IV,01 - суммарная влажность (Л.Т. Роман).

Рис. 4. Зависимость

о Песок © Супесь

Суглинок

..........шиши Расчитанная по уравнению

' 1 1 Н I ' I ' I ' I И 1 I 1 1

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180

е/еь/

Глава 5. Выбор способа прогноза длительной прочности и деформации мерзлых грунтов исследуемого района

Для выбора уравнений, позволяющих наиболее достоверно рассчитывать длительную прочность мерзлых грунтов, были проведены специальные исследования. Они заключались в следующем: по данным эквивалентного сцепления (Сэ), определенным за период времени 170 - 360ч, строились графики его снижения во времени. Параметры прогнозных уравнений, по которым рассчитывалось эквивалентное сцепление на максимальный опытный

период, т.е. 170 - 360ч, определялись по данным 8-ми часовых испытаний. Пример такого сопоставления приведен на рис. 5.

Для анализа выбраны уравнения, наиболее широко опробованные в механике мерзлых грунтов, с несложной методикой обработки опытных данных для определения параметров (табл.2). Получены следующие выводы:

Логарифмическое уравнение (2) применимо для всех нельдистых видов грунтов. Точность прогноза эквивалентного сцепления не меньше точности опытов, при более высокой льдистости (средне- и сильнольдистых грунтов) точность прогноза уменьшается, однако она не превышает 0,018МПа.

Степенное уравнение (3) наиболее хорошо работает при незначительном засолении, в этом случае ошибка прогноза составляет от 0,007 до 0,020 МПа, при этом точность возрастает с возрастанием времени прогноза длительной прочности. Стоит отметить что, наилучшие результаты данное уравнение показало в случае, когда температура замерзания грунта близка к температуре опыта. Для засоленных грунтов степенное уравнение (3) дает заниженные значения, ошибка прогноза достигает 0,1 МПа.

При расчете по дробно-линейному уравнению (4) получается постоянное значение длительной прочности вне зависимости от времени прогноза. При этом на период 48ч прогнозные значения оказались завышенными, с достаточно большими отклонениями от опытных данных. Использование этого уравнения возможно лишь при определении его параметров по опытам длительностью не менее 2 суток.

Степенное уравнение (5), включающее кинетический параметр 1о, показало незначительные отклонения рассчитанных значений Сэ от опытных. При этом отклонения уменьшаются с ростом прогнозируемого времени для всех видов грунтов. Это одно из немногих уравнений, которое имеет четкое физическое обоснование всех параметров.

Рис.5. Опытные (1) и прогнозные кривые (рассчитанные по уравнениям: 2 -(2), 3 - (3), 4 - (4), 5 - (5)) эквивалентного сцепления (Сэ) во времени мерзлого суглинка (Г.33а.2.1) при температуре (0) минус 1,7°С.

Табл. 2. Проанализированные уравнения прогноза длительной прочности и графики определения их параметров

Автор

Уравнение

Графическая обработка

опытных данных для определения параметров уравнений_

1/с,

С.С. Вялов

Логарифмическое

эГ

|п<±£! и

Степенное

С.С. Вялов

сэ1 =

(3)

Ю.К. Зарецкий

Дробно - линейное

ТСЭ0-СЭ1

г, =

7 8С,-С^ (4)

э1

Л.Т. Роман

с =

Степенное

с.

"эО

* (»//.)* <5>

Примечание: I* - единичное время; Д Ре, а, б, В, Т, Сэо, к -параметры уравнений

Таким образом, для прогноза длительной прочности незасоленных мерзлых грунтов изучаемого района возможно использование уравнений (2), (3) и (5). При расчете длительной прочности для засоленных и льдистых грунтов целесообразно использование уравнений (3) и (5). Рекомендованные прогнозные уравнения приведены в табл.3.

Табл. 3. Рекомендуемые уравнення для прогноза длительной прочности

Грунт Засоленность Льдистость РГЭ Рекомендуемые уравнения (номера см. табл. 2)

Песок незасоленный _ Г.20.1 (2). (3). (5)

слабозасоленный _ Г.20а,1 (21. (3). (5)

среднезасоленный _ Г.206.1 (31.(51

сильнозасоленный - Г.20в.1 (5)

Супесь незаселенная слабольдистая Г.22.1 (21.(31.(51

льдистая Г.22.2 (31.(51

слабозасоленная слабольдистая Г.25а.1.1 (2), (5)

льдистая Г.25а.1.2 (3).(5)

среднезасоленная слабольдистая Г.256.1.1 (21(5)

льдистая Г.256.1.2 (51

сильнозасоленная слабольдистая Г.25в.1.1 (51

льдистая Г.25в.1.2 (5)

Суглинок незасоленный слабольдистый Г.33.1.1 (21(5.21(5)

льдистый Г.33.1.2 (51

слабозасоленный слабольдистый Г.33а.1.1 (24.(51

льдистый Г.33а.1.2 (51

среднезасоленный слабольдистый Г.ЗЗб.1.1 (21.(31.(51

льдистый Г.336.1.2 (51

сильнозасоленный слабольдистый Г.ЗЗв.1.1 (21.(51

льдистый Г.ЗЗв.1.2 (51

Глина незасоленная слабольдистая Г.37.1.1 (21.(31.(51

льдистая Г.37.1.2 (31,(51

слабозасоленная слабольдистая Г.37а.1.1 (21,(51

льдистая Г.37а.1.2 (51

среднезасоленная слабольдистая Г.376.1.1 (21.(51

льдистая Г.376.1.2 (51

сильнозасоленная слабольдистая Г.37в.1.1 (21.(51

льдистая Г.37в.1.2 (5)

Исследование прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов одноосным сжатием выполнено с учетом изменения физических свойств, вызванного ступенчатым нагружением. Влияние такого изменения отмечалось многими авторами. Так, по данным М.Д.Цырендоржиевой при испытании мерзлой полимерной глины (0=-3°С) 3-х ступенчатым нагружением относительная деформация была на 20-30% меньше, чем при одновременно приложенной суммарной нагрузке всех 3-х ступеней. Кроме того, требует дальнейшего совершенствования методика определения предельно-длительной деформации и прочности, т.к. нагрузка на каждой ступени выдерживается одинаковое время, не превышающее 2-3 суток. Разработанная нами методика обработки опытных данных (см.гл.З), основанная на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения, позволяет повысить точность

определения длительной прочности, установить взаимосвязь между процессами разрушения и деформирования.

Испытания одноосным сжатием выполнены для мерзлого суглинка (0=-1,5; -2,0; -4,0°С) с различной концентрацией порового раствора (Кпр=0,0105; 0,0263; 0,0421). Пример обработки опытных данных приведен на рис.6.

Параллельно с определением прочности на одноосное сжатие проведены испытания вдавливанием шарикового штампа и определения эквивалентного сцепления. Выполнен расчет длительных (на период 50лет) значений C3so и о-Затем в соответсвии с СНиП 2.02.04-88 расчитано сопротивление нормальному давлению с использованием обеих характеристик, т.е. R(C350) и R(os0) и по ГОСТ 25100-95 - длительные значения модуля деформации Еда. Результаты расчетов приведены в табл.4

Как можно видеть из табл. 4 значений сопротивления нормальному давлению, рассчитанными по данным одноосного сжатия и. вдавливания шарикового штампа, дают незначительное расхождение. Так для незасоленного суглинка оно составляет 0,022 - 0,034МПа, для засоленного суглинка - 0,005 -0,023МПа, для засоленной супеси - 0,012 - 0,026МПа.

Табл. 4. Расчетные значения сопротивления нормальному давлению

Грунт (РГЭ) 0,°С к„„ R„, МПа Rr, МПа Ем, МПа

Суглинок (Г.33.1.1) -1.5 0,000 0.231 0,265 5,4

Суглинок (Г.33.1.1) -2.0 0,000 0,521 0,550 6,8

Суглинок (Г.33.1.1) -4.0 0.000 0.834 0,856 8.1

Суглинок (Г.33.1.1) -1,5 0,007 0,150 0.173 5,2

Суглинок (Г.33а.1.1) -1.5 0,009 0,099 0,115 5.1

Суглинок (Г.ЗЗб.1.1) -1,5 0,024 0.063 0,058 4.9

Супесь (Г.25.а.2.1) -3,0 0,011 0.956 0,982 15.4

Супесь (Г.25.а.2.1) -3,0 0,026 0,901 0,889 12,1

Супесь (Г.25.а.2.1) -3,0 0,042 0,653 0,680 10.3

4.0Е-8

0.04

о Ч

У 0.03

0.02

£кр 0.01

0.00 о

ч 0.004ч

0.003 0.002 0.001 0

:+0 .11 1II 1 _.

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

а, кг/см2

р.

О стЛ а>г

аи

О Ч*Г

50 1.ч.

Рис. 6. Графики определения обработки данных испытания одноосным сжатием засоленной мерзлой супеси (Кщ, = 0, 0421) при температуре минус 3°С: а - реологическая кривая, б - кривая ползучести, в - кривые ползучести на каждой ступени (без учета деформаций на предыдущих ступенях)

Глава 6. Особенности процесса деформирования и снижения прочности мерзлых засоленных грунтов

Для исследования влияния засоленности на кинетику разрушения мерзлых грунтов в настоящей работе использован подход, разработанный Л.Т. Роман применительно к мерзлым грунтам, основанный на концепции кинетической теории прочности твердых тел. Указанная концепция разработана С.Н. Журковым и подтверждена многочисленными экспериментальными данными, обобщенными и проанализированными в работе В.Р.Регель, А.И.Слуцкер, Э.Е.Томашевский. Основы этой концепции заключаются в том, что разрушение твердых тел осуществляется не только внешними нагрузками, когда напряжение от этих нагрузок достигают предельного значения, равного прочности межатомных связей. В процессе разрушения участвуют тепловые флуктуации, доразрушакяцие нагруженные межатомные связи. Так как тепловые флуктуации протекают во времени, то и доразрушение межатомных связей происходит во времени даже при постоянной внешней нагрузке. Таким образом, прослеживается роль временного фактора в процессе разрушения, что наилучшим образом раскрывает суть реологических процессов, которым подвержены все твердые тела, в том числе и мерзлые грунты.

Уравнение длительной прочности, полученное на основе указанных зависимостей для мерзлых грунтов, имеет вид:

где с, - прочность на период времени t\ а0 - напряжение, вычисленное по ординате полюса равной lg сто', t - время от начала нагрузки до разрушения; t0 -10"12 - 10'13с; ße - опытный параметр зависящий от температуры и физических свойств мерзлого грунта и равный тангенсу угла наклона прямых lger - Igt.

Линейная зависимость времени до разрушения (t) от температурного фактора, представленная в виде lgcr - lgt, позволяет получить уравнение для расчета энергии активации процесса разрушения:

i/CT=2,3*77Ulg<-lg/0) (7), где R - универсальная газовая постоянная (2-10"3), ккал/моль-К; Т - абсолютная температура, К.

Как показано в концепции кинетической теории прочности, параметр to меняется в пределах 10"13 - 10'12с. В нашей работе выполнена проверка точности определения to для мерзлых грунтов. С этой целью использовались результаты наших исследований, фондовые материалы ПНИИИС и «Фундаментпроект», длительные испытания, выполненные С.СВяловым для высокотемпературных мерзлых грунтов, Е.ИШушериной для льда и Л.Т.Роман для мерзлого торфа. Анализ опытных данных показал, что для мерзлых грунтов параметр to находится в пределах от 1,7-10'12 до 3,2-10"12с. Анализируя уравнение (6), можно видеть, что при задании параметра to равным 10" 2с максимальная ошибка прогноза прочности на 50 лет составляет 0,00015 -0,00024МПа, что не превышает точности эксперимента. Кроме того, в настоящей работе была сделана оценка влияния разброса опытных данных в параллельных опытах на точность определения длительного эквивалентного сцепления для мерзлых грунтов. Для этой цели при обработке результатов

опытов в координатах -1 кроме средней прямой, были построены прямые через крайние точки (с максимальным и минимальным углом наклона). Пример приведен на рис 7. Определение параметров прогнозного уравнения (6) производилось по каждой прямой, далее делался прогноз длительного эквивалентного сцепления на 50 лет для обоих случаев (прямые - с максимальным и минимальным уклоном), разница между этими значениями определяла точность прогноза (табл. 5).

Табл. 5. Результаты расчета ошибки прогноза длительного эквивалентного сцепления____

Грунт 9,°С Ретох рйшп Ре Сотах» МПа С()тт> МПа Со, МПа СЭ50, МПа ДСэ50* МПа

песок -1,0 0,0413 0,0391 0,0414 1,266 0,984 1,085 0,144 0,008

супесь -2,0 0,1149 0,0979 0,1079 39,084 18,210 28,248 0,113 0,012

глина -2,0 0,0611 0,0570 0,0580 4,967 4,722 4,832 0,284 0,039

Примечание: - ДСэ5о = Со^х - Со™,

18*(с>

Как можно видеть из приведенных данных, разброс значений длительного эквивалентного сцепления не превышает 12% для всех видов грунтов.

Нашими исследованиями выявлена аналогия влияния концентрации порового раствора и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов. По результатам проведения двух серий экспериментов определялось эквивалентное сцепление мерзлого суглинка с хлоридным типом засоления. Образцы одной серии (рис 8а) имели одинаковую концентрацию порового раствора (0,014) и испытывались при различных температурах ( -1,5°С; -2,0°С; -4,0°С). Образцы второй серии (рис 86) имели различную концентрацию порового раствора (0,007; 0,009; 0,022) и испытаны при одинаковой температуре (-1,5°С). Результаты опытов обрабатывались в координатах igí -1(рис. 8).

r.gC}(una*m') • ЧС,

■U -1'2 -l'o -Й -S Л -'2 i i №(ceK)

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2

Lgto

3 5 Lgl(сек)

Как можно видеть, влияние температуры и концентрации порового раствора на характер снижения эквивалентного сцепления во времени аналогично: полученные зависимости линейны для образцов обеих серий испытаний, имеют подобный друг другу вид и сходятся в полюсе с координатами IgCo - Igto. Указанная аналогия связана с тем, что оба фактора (температура и концентрация порового раствора) обусловливают динамику изменения содержания в мерзлых грунтах незамерзшей воды, которая в свою очередь определяет прочность. При этом показателем темпа изменения прочности является параметр ße. Увеличение этого параметра приводит к снижению прочности.

Экспериментально подтверждена выраженная графически взаимосвязь между долговечностью (временем до разрушения) и скоростью установившейся ползучести по данным обработки результатов испытаний на одноосное сжатие. В логарифмическом масштабе для каждого фиксированного значения температуры зависимость Ige - Igt является зеркальным отображением зависимости lgt - Igu, (рис. 9). Это подтверждает предположение, что в основе деформирования и разрушения лежит термофлуктуационный механизм, обусловливающий постепенное накопление во времени разорванных межатомных связей. Таким образом, подтверждается правомерность разработанной методики определения длительной прочности мерзлых грунтов посредством оценки скорости деформирования.

а , %

5 X

; х:>х4-, ■ 1

2 '"чЧ. \ 2

i 3

3 x \ •'.

-e n4N\

-7

-10 •11

'■x

-12 Ige (МПа) -13

-1,5 -1 -0,5 0 0.5 1 1,5 2 2.5 Э 3,5 4 4,5 5

12 11 10 9

Л'

4 /i":,-' S 3 // /

I 2 "

"ä 1 / /'

' , Рис, 9. Зависимость lgi - lg(7r и Ige' -

-2 /■' igat для мерзлого засоленного

^ " ' суглинка с концентрацией порового

•5 .Х'/' / раствора: 1 -0,0042,2 - 0,0005,

* jfi'' / ' .. ' 3-0,0003, испытанного при

4 * * '* температуре - 3°С (одноосное

■9 сжатие).

-1,5 -0,6 0.5 1,6

Полученные зависимости позволяют рассчитать энергию активации (U) процесса разрушения при:

• ползучести Ucr = 2,3i?%(Ig£'-lg£'0)(8)

• потере прочности Ua = 2,3RIß0 (lg t - lg t0) (9)

Величины Ucr и U„ весьма близки, что также свидетельствует о термофлуктуационном характере протекания обоих процессов и их тесной взаимосвязи. Как можно видеть из рис. 10, величины энергий активации, полученные для обоих серий испытанных образцов мерзлого засоленного суглинка, в опытном изменении как температуры, так и концентрации порового раствора, кучно ложатся на единую прямую. Экстраполяция данной зависимости к оси Ucr,a дает величину начальной энергии активации Uo. Её значение для испытанного засоленного суглинка оказалось равным 1,9 ккал/моль. Для мерзлых незасоленных грунтов и льда Uo находится в пределах 3,5 - 6,0 ккал/моль, что сопоставимо с величиной энергии водородных связей во льду, равной 4,0 - 4,5 ккал/моль. Это позволило сделать вывод о том,- что

снижение прочности мерзлых грунтов под действием внешней нагрузки происходит вследствие разрушения водородных связей во льду по контакту льда с пленкой незамерзшей воды. Очевидно, наличие солей в поровом растворе грунтовой влаги связывает молекулы воды, снижает энергию водородных связей на контакте льда и пленки незамерзшей воды. Однако для объяснения этого факта требуются дальнейшие исследования в данном направлении. Таким образом, выполненные исследования показывают, что и для мерзлых засоленных грунтов справедлив термофлуктуационный механизм их разрушения.

и ккал/моль 2 <л

1.5 1 -0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

а Па* 10'

Рис. 10. Зависимость энергии активации (II) от напряжения (о) для мерзлых засоленных грунтов.

Глава 7. Параметры прогнозных уравнений длительной прочности для РГЭ исследуемого района

Обобщение и анализ результатов исследований позволил получить параметры прогнозных уравнений длительной прочности, рекомендованных для грунтов основных РГЭ (см.табл.З). Полученные параметры для уравнений (2) и (3) приведены в табл.6 и 7 соответственно. Так как уравнение (5), включающее кинетический параметр ^ дает хорошие результаты прогноза для всех грунтов выделенных РГЭ, выполнены исследования по установлению зависимости параметра (Зе этого уравнения для всех видов грунтов от концентрации порового раствора в диапазоне температуры от (рис. 11). При этом охарактеризовано пять основных видов грунта (мелкий песок, пылеватый песок, супесь, легкий суглинок, тяжелый суглинок) с концентрацией солей хлоридно - натриевого состава в поровом растворе от 0 до 0,03 в диапазоне температур от минус 0.5 до минус 4°С. Как видно из графиков (см. рис. 11), параметр Ре, увеличивается при повышении температуры и концентрации порового раствора, при этом увеличение происходит синхронно с повышением количества незамерзшей воды. Этот параметр является комплексной характеристикой грунта, позволяющей оценить интенсивность снижения прочности во времени.

.....•

• •»5

.....

Табл. 6. Параметры прогнозного уравнения (2)

Грунт РГЭ Характеристика грунта по засоленности Характеристика грунта по льдистасти 9, °С Параметры уравнения

Р В, с

Песок Г.21.1 незасоленный - -1.0 1,7 0.15

-2,0 6,4 0.34

-4.0 70 0.41

Г.21а.1 слабозасоленный - -1.0 1,2 0.10

-2,0 2,4 0.27

-4.0 4,0 0.39

Г.216.1 среднезасоленный - -1.0 1,0 0.08

-2,0 2,1 0.14

-4.0 34 0.29

Супесь Г.25.1.1 незасоленная слабольдистая -1,0 0,88 0.08

-2,0 3,01 0.26

-4.0 4,23 0.32

Г.25а.1.1 слабозасоленная слабольдистая -1,0 1,01 0.04

-2.0 1.94 0.14

-4.0 3,45 0.31

Г.256.1.1 среднезасоленная слабольдистая -1.0 0,85 0.012

-2.0 1,62 0.09

-4.0 2,66 0.23

Суглинок Г.33.1.1 незасоленный слабольдистый -1.0 0,15 0.009

-2,0 0,97 0.017

-4.0 2,07 0.029

Г.33а.1.1 слабозасоленный слабольдистый -1,0 0,11 0.005

-2,0 0,82 0.011

-4.0 1,42 0.018

Г.ЗЗб.1.1 среднезасоленный слабольдистый -1.0 0.09 0.001

-2.0 0,28 0.006

-4.0 0.74 0.010

Табл. 7. Параметры прогнозного уравнения (3)

Грунт РГЭ Характеристика грунта по засоленности Характеристика грунта по льдистости Температура 0, °С Параметры

Т а

Песок Г.21.1 незасоленный - -1.0 0,00073 -

-2.0 0,00194 -

-4.0 0,00430 -

Супесь Г.25.1.1 незасоленная слабольдистая -1.0 0.00075

-2,0 0,00134 -

-4.0 0,00345 _

Г.25.1.2 льдистая -1.0 0,00055 -

-2.0 0,00068 -

-4.0 0,00032 -

Суглинок Г.33.1.1 незасоленный слабольдистый -1.0 0,00026

-2.0 0,00588 _

-4.0 0,00630

Г.33.1.2 льдистый -1.0 0,00012 -

-2.0 0,00245

-4.0 0,00632

Глина Г.37.1.1 незасоленная слабольдистая -1.0 0,00034

-2.0 0,00356

-4.0 0,00546 -

-1,0 0,00057 -

Г.37.1.2 льдистая -2,0 0,00453 -

-4.0 0.00743 -

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

"га

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

Кдр

Рис. 11. Зависимость параметра (Зе от концентрации порового раствора (Кпр) и температуры а - мелкого песка, б - пылеватого песка, в - супеси, г - легкого суглинка, д - тяжелого суглинка.

Параметр С0 остается постоянным для каждого вида грунта при изменении температуры и концентрации порового раствора и равен: для тяжелого суглинка Со=77 МПа, легкого суглинка С0=70 МПа, супеси Со=66 МПа, пылеватого песка Со=61 МПа и для мелкого песка Со=59 МПа. Параметр Со) кинетического уравнения (5), как было показано ранее (см. гл.6), для практического расчета может быть принят равным ^ =10"12с и постоянным для всех видов грунта независимо от физических свойств и температуры.

Зависимости параметров прогнозных уравнений (2, 3, 5), которые приводятся в данной работе, справедливы для незаторфованных мерзлых грунтов. Влияние заторфованности на длительную прочность мерзлого грунта зависит не только от степени заторфованности, но и от степени разложения органического вещества и его распределения по объему грунта.Принимая во внимание, что заторфованные грунты встречены в основном в пределах деятельного слоя и при первом принципе использования грунтов в качестве основания, не рассматриваются, влияние заторфованности на снижение

прочности нами не учтены. Но следует отметить, что заторфованные грунты все же были встречены в некоторых случаях на глубине 3-15м, в этом случае при определении длительной прочности мерзлых грунтов необходимо учитывать его снижение за счет заторфованности.

Приведенные в настоящей главе параметры феноменологических уравнений и значения модулей деформации (табл.8) получены на обширном материале определений прочностных и деформационных характеристик (около 1200 экспериментов с параллельным определением физических свойств) и могут быть рекомендованы для оценки прочности мерзлых грунтов изучаемого района без проведения экспериментов.

Табл. 8. Длительные модули деформации (50 лет) для грунтов изучаемого района ___

Грунт Характеристика грунта по засоленности РГЭ в,°С Едл. МПа

Суглинок незаселенный Г.33.1.1 -1.5 4,0-5,4

-2.0 4,2-6,8

-4.0 5,1-9,1

слабозасоленный Г.33а.1.1 -1.5 3,2-5,1

-2.0 3,6-5,3

-4.0 4,9-11,2

среднезасоленный Г.ЗЗб.1.1 -1,5 3,2-4,9

-2.0 2,9-5,3

-4.0 4,7-9,8

Супесь незасоленная Г.25.1.1 -1,0 15,0-24,5

-3,0 16,7-36,8

-4,0 15,3-42,5

слабозасоленная Г.25а.1.1 -1,0 8,0-15,4

-3,0 9,2-12,1

-4,0 9,3-18,3

среднезасоленная Г.256.1.1 -1,0 7,8-14,6

-3,0 8,9-11,1

-4,0 7,5-18,0

Песок пылсватый незасоленный Г.21.1 -1,0 25,1-48,9

-3,0 29,5-51,0

-4,0 37,0-56,2

слабозасоленный Г.21а.1 -1,0 22,3-47,1

-3,0 25,6-52,1

-4,0 34,2-50,0

Выводы

элементы позволяют обобщить грунтовые разновидности по диапазонам изменения гранулометрического состава, засоленности, льдистости, температурно-прочностного состояния.

2. Опытные значения содержания незамерзшей воды (\У„.) для всех видов грунтов и рассчитанного по обобщенной зависимости симплексного типа \Ун./У/ю[ - 0/0^ отличаются не более чем на 2%, что позволяет использовать расчетный способ определения для грунтов исследуемого района.

3. Опытными данными подтверждено, что для грунтов с хлоридно -натриевым типом засоления при 05а]<2% температура начала замерзания может быть рассчитана в зависимости от моляльности порового раствора и изотонического коэффициента. При засолении комплексом солей более достоверным является расчет температуры начала фазовых переходов по программе РНЕЕ7ВЯШЕ, разработанной, ИАКомаровым и М.В.Мироненко.

4. На основании экспериментальных и рассчитанных значений длительной прочности и выполненной оценки достоверности прогнозных уравнений установлено: для незасоленных мерзлых грунтов применимо логарифмическое уравнение (2), для льдистых грунтов степенное уравнение (3), степенное уравнение, включающее кинетический параметр (5), применимо для всех перечисленных видов грунтов (номера уравнений см. табл.2).

5. Методика обработки опытных данных испытаний одноосным сжатием при ступенчатом загружен™, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения и взаимосвязи между длительной прочностью и скоростью деформации, позволяет определить прочность и деформацию мерзлых грунтов на срок, сопоставимый со сроками эксплуатации сооружений.

6. Экспериментально установленная аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температурой грунта на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов обусловлена динамикой содержания незамерзшей воды, вызываемой обоими факторами.

7. Определенные на основе большого объема экспериментальных данных параметры прогнозных уравнений в зависимости от физических свойств грунтов и температуры, являются достоверными для оценки несущей способности мерзлых грунтов в пределах выделенных РГЭ изучаемого района.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Л.Т.Роман, Д.Н.Кривов. Влияние засоленности на разрушение мерзлых грунтов //Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. №5. С.27-29.

2. В.И.Аксенов, Г.И.Клинова, Д.Н.Кривов, А.В.Иоспа Исследования прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов //Промышленное и гражданское строительство. 2003. №10. С.29-31.

3. В.И.Аксенов, Д.Н.Кривов, О.Г.Кистанов. Определение температуры начала замерзания засоленных мерзлых грунтов. //Промышленное и гражданское строительство. 2005. №6. С.30-33.

4. Л.Т. Роман, Д.Н. Кривов. Деформируемость и снижение прочности мерзлых грунтов - единый термофлуктуационный процесс.// Материалы научной конференции Ломоносовские чтения, htte://geo.web.a'/dfc/msg.html?mid::::l 181069.

5. Л.Т.Роман, Д.Н.Кривов, В.И.Аксенов. Выбор прогнозных уравнений длительной прочности мерзлых грунтов. //Материалы международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, С. 64-65.

6. Л.Т.Роман, Д.Н.Кривов. Сопоставление опытного и прогнозного эквивалентного сцепления мерзлой супеси. // Материалы международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущено, С. 76-77.

7. L.T.Roman, D.N. Krivov. An influence of salinity on the kinetics of frozen ground destruction. .//Proc. of "Asian Conference of Permofrost". Lanzhou. China. P.96-97.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж IZO экз. Заказ № $

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Кривов, Денис Николаевич

Оглавление.

Введение.

1. Состояние изученности закономерностей деформирования и прочности мерзлых грунтов.

1.1. Реологические свойства.

1.2. Влияние физических свойств мерзлых грунтов на их поведение под нагрузками.

1.3. Методы прогноза длительной деформации мерзлых грунтов.

1.4. Методы прогноза длительной прочности мерзлых грунтов.

1.5. Кинетика разрушения мерзлых грунтов.

2. Методика испытаний и обработки данных.

2.1. Методика подготовки образцов.

2.2. Методика определения физических свойств.

2.3. Методика испытания мерзлых грунтов на вдавливание шарикового штампа.

2.4. Методика испытания мерзлых грунтов на одноосное сжатие под ступенчатой нагрузкой.

2.5. Методика испытания компрессионным сжатием мерзлых грунтов.

2.6. Статистическая обработка опытных данных.

3. Характеристика природных условий.

3.1. Климат.

3.2. Орогидрография.

3.3. Геологическое строение.

3.4. Распространение, мощность и температура многолетнемерзлых пород.

3.5. Состав, криогенное строение и льдистость многолетнемерзлых грунтов.

4. Физические свойства исследованных грунтов.

5. Выбор способа прогноза длительной прочности и деформации мерзлых грунтов исследуемого района.

5.1. Анализ достоверности определения длительной прочности исследуемых грунтов на основе сопоставления экспериментальных и расчетных данных.

5.2. Сопоставление прогнозных значений сопротивления нормальному давлению по данным испытаний шариковым штампом и одноосным сжатием.

6. Особенности процесса деформирования и снижения прочности мерзлых засоленных грунтов.

7. Параметры прогнозных уравнений длительной прочности для РГЭ исследуемого района.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры"

Актуальность

Настоящая работа направлена на исследование прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов, залегающих в пределах оснований сооружений, территории Европейского Севера. В настоящее время - это активно развивающийся район России, здесь строится и проектируется целый ряд магистральных и межпромысловых нефтепроводов (Ю. Хыльчуя - Варандей, Харьяга - Варапдей и т.д.), по территории Европейского Севера проходят трассы газопроводов (Ямал - Ухта), разрабатываются ряд крупных нефтяных месторождений, производится поиск и разведка новых.

Следует отметить, что мерзлотные условия севера Западной Сибири, в том числе и полуострова Ямал, на котором расположено большое количество нефтяных и газоконденсатных месторождений, исследованы довольно широко. Накоплен большой объем инженерных изысканий и исследований.

Мерзлотпо-грунтовые условия территории Европейского Севера существенно отличаются от таковых Западной Сибири. Среднегодовые температуры многолетнемерзлых грунтов в данном районе существенно выше (в среднем минус 2 - минус 3°С), что наряду с широким распространением засоленных, заторфованных и льдистых грунтов обусловливает более яркое проявление их реологических свойств и усложняет задачи проектирования и строительства инженерных сооружений. Имеющиеся данные по физико-механическим свойствам грунтов получены в основном на стадии инженерно-геокриологических изысканий, при этом методы прогноза прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов производятся согласно действующим нормативным документам, разработанным, как правило, для грунтов Западной и Восточной Сибири и Якутии. Имеются лишь единичные публикации, касающиеся механических свойств мерзлых грунтов Европейского Севера. Объем опубликованных материалов не позволяет установить закономерности зависимости прочностных и деформационных характеристик основных видов грунтов от физических свойств и температуры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов прогноза длительной деформации и прочности мерзлых грунтов.

3. Выбрать и обосновать методики лабораторных исследований и получить параметры прогнозных уравнений.

Научная новизна работы

2. Разработана и опробована методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, основанная на представлениях о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность и деформацию мерзлого грунта на период времени, сопоставимого с периодом эксплуатации сооружений.

3. Показана аналогия между влиянием концентрации лсгкорастворимых солей в поровом растворе и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов и получены параметры уравнения, основанного на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения.

Практическая значимость работы

3. Полученные параметры прогнозных уравнений длительной прочности дают возможность выполнить предварительную оценку несущей способности мерзлых грунтов выделенных РГЭ без проведения испытаний в пределах температуры естественного залегания.

Личный вклад автора

Выполнено обобщение и анализ результатов экспериментов, полученных при личном участии автора, а также опубликованных в литературе, на основе которых проведен анализ точности прогноза основных феноменологических уравнений длительной прочности, а также установлены зависимости, позволяющие оценить прочность и деформацию мерзлых засоленных грунтов изучаемого района. Результаты базируются более чем на 1200 экспериментальных определений механических характеристик мерзлых грунтов.

Апробация работы

Структура и объем работы:

Защищаемые положения:

3. Аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температуры мерзлого засоленного грунта на длительную прочность, установленная на основе термофлуктуационпого представления о процессе разрушения.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору геолого - минералогических наук, профессору кафедры геокриологии геологического факультета МГУ Лидии Тарасовне Роман за руководство и помощь в выполнении данной работы, заведующему сектором исследования мерзлых грунтов (СИМГ) института «Фундаментпроект» к.т.н. В.И. Аксенову, сотрудникам сектора (СИМГ), A.B. Иоспе, к.ф-м.н. С.Г. Геворкяну, Г.И. Клиновой, начальнику отдела ОИГС «Фундаментпроекта» д.г.-м.н. Ф.М. Ривкину, сотрудникам отдела ОИГС Ю.В. Власовой, А. А. Поповой за предоставленные материалы, неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за внимание к работе и критические замечания.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кривов, Денис Николаевич

Выводы

1. Для исследуемого района характерно залегание до глубины 15 м песков, супесей, суглинков и глин четвертичного возраста со среднегодовой температурой минус 0,5 - минус 4,0°С, засоленностью до 2,5% . Выделенные расчетно - грунтовые элементы (РГЭ) позволяют обобщить грунтовые разновидности по диапазонам изменения гранулометрического состава, засоленности, льдистости, темнературно-прочностного состояния.

2. Опытные значения содержания незамерзшей воды (\\\у) для всех видов грунтов и рассчитанного по обобщенной зависимости симплексного типа - 8/0м отличаются не более чем на 2%, что позволяет использовать расчетный способ определения \Улу для грунтов исследуемого района.

3. Опытными данными подтверждено, что для грунтов с хлоридно -натриевым типом засоления при Dsai<2% температура начала замерзания может быть рассчитана в зависимости от молялыюстн порового раствора и изотонического коэффициента. При засолении комплексом солей более достоверным является расчет температуры начала фазовых переходов по программе FREEZBRINE, разработанной, И.А.Комаровым и М.В.Мироненко.

4. На основании экспериментальных и рассчитанных значений длительной прочности и выполненной оценки достоверности прогнозных уравнений установлено: для незаселенных мерзлых грунтов применимо логарифмическое уравнение (2), для льдистых грунтов степенное уравнение (3), стсненнос уравнение, включающее кинетический параметр (5), применимо для всех перечисленных видов грунтов (номера уравнений см. табл.2).

5. Методика обработки опытных данных испытаний одноосным сжатием при ступенчатом загружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения и взаимосвязи между длительной прочностью и скоростью деформации, позволяет определить прочность и деформацию мерзлых грунтов на срок, сопоставимый со сроками эксплуатации сооружений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Кривов, Денис Николаевич, Москва

1. Аксенов В.И. Засоленные мерзлые грунты Арктического побережья как основание сооружения. М. «Все о мире строительства», 2008. 351с.

2. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М. Логос. 2000. 315с.

3. Анализ химического состава подземных вод, загрязненных промышленными стоками. Под.ред.Тюгюиовой Ф.И. М.: Стройиздат. 1974. 237с

4. Андрианов П.И. Связанная вода почв и грунтов. Труды Ин-та мерзлотоведения, т.III. Изд. АН СССР, 1946. 364с.

5. Анисимова H.H. Криогидрохимические особенности мерзлой зоны. Новосибирск: Наука, 1981. 248с.

6. Баженова А.П. Инструктивные указания по лабораторным методам определения температуры переохлаждения и начала замерзания грунтов. Сб.2, Изд. АН СССР, 1954. 145с.

7. Брушков A.B. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. М.: Изд-во МГУ, 1998. 330 с.

8. Велли Ю.Я. Устойчивость зданий и сооружений в Арктике. JL: Стройиздат, 1973. 152 с.

9. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 188 с.

10. Вялов С. С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 2000. 463 с.

11. Вялов С.С., Гмошинский В.Г., Городецкий С.Э. Григорьева В.Г., Зарецкий Ю.К.,

12. Пекарская Н.К., Шушерина Е.П. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов ирасчеты ледогрунтовых ограждений. М.:: Изд-во АН СССР, 1962. 254с.

13. Вялов С.С., Городецкий С.Э., Пекарская Н.К. Методика определения характеристикползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М.: Наука,1966. 87 с.

14. ГОСТ 19912-81 Грунты. Метод полевого испытания динамическим зондированием. Госком СССР по делам строительства, Москва 1980.

15. ГОСТ 20522-96 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. МНТКС,1996

16. ГОСТ 23740-79 Грунты. Методы лабораторного определения содержанияорганических веществ. Госком СССР по делам строительства, Москва 1980 ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация. МНТКС,1996

17. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.: МНТКС, 1996. 29 с.

18. ГОСТ 25358-82. Грунты. Метод полевого определения температуры. Госком СССРпо делам строительства, Москва 1982.

19. ГОСТ 4151-72. Вода питьевая. Метод определения общей жесткости. Госстандарт СССР, 1974

20. ГОСТ 4245-72 Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов. Госстандарт СССР, 1974

21. ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы определения физических характеристик. Москва, 1985.

22. ГОСТ 9.602-89 Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. Госком СССР по стандартам. Москва, 1991.

23. ГОСТ 12071-72 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. Госком СССР по делам строительства. Москва, 1973

24. Гречищев С.Е. Разрушение мерзлых грунтов в условиях ползучести при переменных напряжениях // Тр. ВНИИ гидрогеологии и геологии, 1972. Вып. 142. с. 4-19

25. Грунтоведение, под ред.Сергеева Е.М. М.:изд-во МГУ, 1983. 476с

26. Коновалов A.A. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре. Новосибирск: Наука, 1991. 91 с.

27. Коновалов A.A. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре. Новосибирск: Наука, 1991. 91 с.

28. Коновалов A.A., Роман JI.T. Особенности проектирования фундаментов в нефтепромысловых районах Западной Сибири. JL: Стройиздат, 1981. 168 с. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах, М., Научный мир,2003, 567с.

29. Мазуров Т.П. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Стройиздат, 1964.353с

30. Огородникова E.H., Комиссарова II.H. Химический анализ грунтов. М.: изд.МГУ, 1990, 237с.

31. Основы геокриологии (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, Том 1,4. 1, 1995. 368 с.

32. Основы геокриологии. Т. .5 Инженерная геокриология (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1999. 526 с.

33. Основы геокриологии. Ч. 1. Физико-химические основы геокриологии (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1995. 368 с.

34. Основы геокриологии. Ч. 2. Литогенетическая геокриология (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1996. 399 с.

35. Основы геокриологии. Ч. 5. Инженерная геокриология, (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1999. 526 с.

36. Пекарская Н.К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от температуры. М.: АН СССР, 1963. 108 с.

37. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. М.: Наука, 1964. 158 с.

38. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966 Растительность Европейской части СССР. JL, Наука, 1980

39. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

40. Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления. ФГУП ПНИИИС, М„ 2001

41. Отчет по теме Провести инженерно-геокриологическую съемку, лабораторные исследования мерзлых грунтов и выполнить методическое сопровождениеинженерных изысканий ВЛ-220 кВ ЦПС Юж. Хыльчую БРП "Варандей", ФГУП «Фундаментпроект», М., 2005

42. Отчет по теме Инженерно-геокриологическая съемка, лабораторные исследования мерзлых грунтов и методическое сопровождение инженерно-геологических изысканий. ", ФГУП «Фундаментпроект», М., 2006

43. Отчет по теме «Инженерно-геокриологические исследования и методическое обеспечение изысканий трассы ЦПС Юж.-Хыльчуюское месторождение БРП Варандей». ФГУП ПНИИИС, М., 2003

44. Отчет по теме «Инженерно-геокриологические исследования и методическое обеспечение изысканий трассы ЦПС Юж.-Хыльчуюское месторождение БРП Варандей». ФГУП ПНИИИС, М., 2004

45. Роман Л.Т. Влияние засоленности на прочность и деформируемость мерзлых грунтов.// Проблемы строительства на засоленных мерзлых грунтах. Тюменью Изд-во /'Эпоха", 2007, С. 126-145.

46. Роман Л.Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. Новосибирск: Наука, 1987. 222 с.

47. Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. 426 с.

48. Роман Л.Т. Физико-механические свойства мерзлых торфяных грунтов. Новосибирск: Наука, 1981. 134 с.

49. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М., Стройиздат, 1973 (ПНИИИС, НИИОСП).

50. Савельев Б.А. Физика, химия, строение природных льдов и мерзлых горных пород. М.: Изд-во МГУ, 1991.288 с.

51. СНиП 2.02.01 *-83 Основания зданий и сооружений. Госстрой России, Москва, 1985.

52. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Госстрой СССР, 1990

53. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Госстрой СССР, 1989.

54. СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. Госстрой России,1. Москва, 1986

55. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. М.: Госстрой России, 2000

56. СП 11-102-97 Инженерно-экологические изыскания для строительства. М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997

57. СП 11-105-97 Часть I. Общие правила производства работ. Госстрой России, Москва, 1997.

58. СП 11-105-97 Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов. Госстрой России, Москва, 2000

59. СП 11-105-97 Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетпсмерзлых грунтов. Госстрой России, Москва, 1999

60. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 446 с. Цытович Н.А. Принципы механики мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1952. 168 с. Цытович Н.А., Сумгин Н.И. Основания механики мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1937. 432 с.

61. Шушерина И.П. Сопротивления мерзлых дисперсных пород и льда разрыву в области низких температур //Мерзлотные исследования., М.: Изд-во МГУ, 1974. Вып. 14. С. 179-189.

62. Andersland O.Ladany В. An introduction to frozen ground engineering. N.Y.Chapman and Hall. 1994. 180 p.

63. Andesland O.B., AINouri I. Time-dependent strength behavior of Frozen soil // J. Soil, Mech. Found. Div. Am. Soc. Civ. 96(SM4).1970.P. 1249-1265

64. Fish A.M. Determination of failure activation energy of frozen soils // USA CRREL, Technical Note. Hanover. N.H. 11, 1978

65. Fish A.M. Strength of frozen soil under a combined stress state // Proc. 6-th Intern. Symp. On Ground Freezing, Beijing. China, 1991. Vol. l.P. 135-145

66. Geotechnical engineering for cold Regions / Edit by O.Andersland, D.Anderson, N.Y.McCraw-Hill, Book Campany, 1983. 560 p.

67. Hult A.H. Creep in engineering structures. Massachusetts: Blasdell Publ. Co. Waltham. 1966. 115 p.1.danyi B. An engineering theory of creep of frozen soils // Canad. Geotech. J. 1972. N 991). P. 63-80

68. Odgvist F.K. Mathematical theory of creep and creep rupture // Oxford. Mathem. Monograph. London: Oxf. Univ.press 1966

69. Permafrost Engineering Design and Construction / Edit. G.Johnston, I.Willy and Sons N.Y. 1981. 540 p.

70. Zhang J. Hou Z., Chao F. Adfreezing strength of soils to foundation materials // Prof, papers on permafrost studies of Qianghai-Xizang plateu. Lanzhou. Academia Sinica/ Chine, 1983. P. 98-105

71. Zhu Y.Carbee D.L. Creep and strength behavior of frozen silt in uniaxial compression. USA CRREL. 1987, 67 p.

Информация о работе

Кривов, Денис Николаевич
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.08

Диссертация

Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы