Книга посвящена процессам деформации, пучения и осадки в промерзающих и оттаивающих породах в сложных геокриологических



страница1/19
Дата22.11.2017
Размер8.63 Mb.
ТипКнига
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19








Деформации и напряжения в промерзащих и оттаивающих породах

Под редакцией проф. Э.Д.Ершова

Издательство Московского университета

1985

УДК 551.340

Деформации и напряжения в промерзапцих и оттаивающих породах / Под ред. Э.Д.Ершова. - М.: Изд-во Mock. ун-та, 1985, 167 с.

Книга посвящена процессам деформации, пучения и осадки в промерзающих и оттаивающих породах в сложных геокриологических условиях. Приводятся новые экспериментальные и полевые данные о развитии этих процессов, современная методика их исследования, что представляет практический интерес и найдет применение при проектировании инженерных сооружений на пучинистых грунтах.

Рецензенты: доктор геолого-минералогических наук

Б. А.Савельев доктор технических наук

Л.Н.Хрусталев

Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Московского университета

077(02) - 85 - заказная



Издательство Московского университета, 1985 г.

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное освоение районов распространения многолетне- и сезонномерзлых пород, повышение качества и надежности проектиро­вания, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, воз­водимых на промерзающих и оттаивающих грунтах в сложных геокрио­логических условиях, потребовало дальнейших углубленных исследо­ваний процессов пучения и осадки грунтов*

К настоящему времени накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал по вопросам механизма и закономерностей развития деформаций пучения промерзающих и осадки протаивающих пород различного состава и строения в различных инженерно-гео­криологических условиях, получены данные о силах (напряжениях) пучения. Вместе с тем некоторые вопросы остаются слабо изучен­ными. К ним относятся механизм и закономерности формирования напряженно-деформируемого состояния промерзающих пород на осно­ве тепло-массообменной и физико-химической природы их развития, особенности осадки оттаивающих пород цри одновременном развитии процессов миграции влаги и сегрегации льда, принципы и методы картирования процессов пучения и осадки и др. Этим вопросам и посвящена настоящая работа.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, интересующих­ся вопросами развития деформаций и напряжений во влагонасыщен-ных дисперсных системах при их промерзании и протаиванииР и в первую очередь - инженеров-геологов и мерзлотоведов, занимающих­ся изысканиями в районах распространения многолетне- и сезонно­мерзлых пород. Она может быть также использована как учебное по­собие в курсе лекций по "Инженерному мерзлотоведению".

РАЗДЕЛ I МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПУЧЕНИЯ И ОСАДКИЙ

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПУЧЕНИИ ПОРОД

Под морозным (криогенным) пучением понимается процесс фор­мирования напряженно-деформированного состояния, приводящий к увеличению линейных и объемных размеров породы. Пучение обус­ловлено протеканием целого ряда физико-химических и физико-ме­ханических процессов, таких как: фазовые переходы воды в лед, миграция влаги, сегрегация льда, коагуляция и диспергация мине­ральных частиц и агрегатов, усадка и др. При изучении процесса пучения обычно изучаются деформации пучения и напряжения, воз­никающие при недопущении этих деформаций.

К основным характеристикам деформаций пучения промерзающих грунтов относятся: величина пучения, интенсивность пучения, мо­дуль пучения, скорость пучения и неравномерность пучения.

Под величиной пучения понимается высота перемещения поверх­ности грунта, промерзающего на некоторую глубину, относительно ее первоначального положения (до промерзания). Величину пучения элементарного слоя грунта (h/z) называют интенсивностью пучения, которая представляет собой дифференцированную по глубине промер­зающего слоя алгебраическую сумму деформаций грунта за счет его пучения с учетом усадки. Под модулем пучения понимается отноше­ние величины пучения к мощности промерзающего грунта в I м. Ско­рость пучения численно равна отношению величины пучения i -го слоя грунта к времени промерзания этого слоя (υпуч= hi/τi). Крите­рием неравномерности пучения пород служит коэффициент неравно­мерности, под которым понимается отношение разности величины пу­чения в двух близлежащих точках к расстоянию между ними.

Напряжения пучения характеризуются силами, действующими на инженерные сооружения. Величина сил морозного пучения, действу­ющих на единицу площади, называется удельной силой пучения.

В целом по проблеме формирования напряженно-деформированно­го состояния промерзающих грунтов в настоящее время накоплен зне чительный экспериментальный материал и выполнены важные теорети­ческие исследования. Особенно это касается вопроса развития де-

4

формаций пучения. Работ, посвященных изучению возникающих в про­цессе промерзания механических напряжений, меньше и уровень раз­работки этого вопроса ниже.

В настоящий момент в исследованиях напряженно-деформирован-ного состояния промерзающих грунтов можно выделить несколько на­правлений: изучение природа, механизма и закономерностей разви­тия напряжений и деформаций пучения и усадки в грунтах различно­го состава, строения и свойств в зависимости от условий промер­зания; региональные исследования процесса пучения пород, законо­мерностей их деформирования при пучении в зависимости от геоло­го-географических условий; инженерно-геокриологическое направле­ние, связанное о изучением механического взаимодействия промер­зающих грунтов с конкретными сооружениями, выявлением особеннос­тей и закономерностей этого взаимодействия, а также с разработ­кой методов инженерных расчетов, прогноза и управления процессом пучения.

На широкое развитие процесса пучения при промерзании грунта было обращено впервые внимание в конце XIХ в. при строительстве железных дорог. По словам инженера Л.Любимова в то время до 95% русских железных дорог были поражены пучением. Первыми наиболее значимыми были исследования В.Штукенберга, Б.Свиньина, С.Войсла­ва, М.И.Сумгина, Н.В.Демьянкова, М.И.Евдокимова-Рокотовского и других, в которых показана роль давления кристаллизации влаги и ее миграции в развитии деформации пучения и установлена зависи­мость этого процесса от температурных и влажностных условий. Сог­ласно современным представлениям, развитие деформаций и напряже­ний пучения в промерзающих грунтах связано с тепло-массообменными и физико-химическими процессами. Вопросы механизма, причин и осо­бенностей тепло-массопереноса в промерзающих грунтах широко осве­щены в литературе [20,24,25,30,54 и др.]. Установлено, что пе­ремещение влаги в грунтах возможно в парообразном, жидком и твер­дом состояниях. В твердом состоянии перемещение мало и не оказы­вает влияния на пучение пород; оно возникает, как правило, под действием внешней нагрузки. Пароперенос составляет ощутимую до­лю в общем потоке влаги лишь при незначительной влажности грун­та, меньшей максимальной гигроскопической, при которой процесс пучения практически отсутствует. Основным механизмом переноса влаги, имеющим определяющее значение в развитии процесса пуче­ния, является миграция ее в жидком состоянии.

К настоящему времени предложено более двух десятков теорий
Iх-1733 5

миграции влаги. Однако большинством исследователей принимается адсорбционно-пленочный механизм влагопереноса, согласно которо­му перемещение влаги к фронту промерзания осуществляется за счет частичного вымерзания пленочной воды на минеральном скелете грун­та, высвобождения части поверхностной энергии грунтовых частиц и подтягивания адсорбционными силами грунта дополнительного коли­чества влаги. Возможность поступления влаги в мерзлую зону из та­лой определяется принципом неразрывности потока влаги на фронте промерзания [20,29,38,44], что приводит в итоге к интенсивному льдовыделению и пучению грунта в некотором слое мерзлой зоны вы­ше фронта промерзания. Поэтому ряд исследователей [38,44] выде­ляет льдообразование на границе раздела фаз, которое называют пер­вичным, начальным, миграционно-флотационным, играющим пассивную роль в пучении пород, и льдообразование за счет миграции влаги внутри зоны промерзания (вторичное, конечное - миграционно-инъек-ционное), играющее активную роль в процессе пучинообразования.

Исследования Н.А.Пузакова показали, что непрерывность потока влаги, способной вызвать пучение грунтов, сохраняется в мерзлом грунте в пределах -3 ÷ -5°С. В.О.Орловым в полевых условиях уста­новлены температуры начала пучения -0,5 ÷ -0,8°С, и конца пучения -2,7 ÷ -3,5°С. Лабораторными исследованиями выделены критические температуры конца пучения для грунтов различного состава: -1,5 ÷ -2,0°С для супесей, -2,0 ÷ -3,5°С для суглинков и -4,0°С и ниже для глин.

Деформация пучения представляет собой разность между суммар­ной величиной расширения мерзлой зоны за счет распучивания и льдо-накопления и уменьшением вследствие ее усадки. Как известно, усад­ка - это сложнейший физико-механический процесс, обусловленный де­гидратацией минеральной компоненты грунта, приводящий к уменьшению ее линейных и объемных размеров. Имея противоположное пучению нап­равление, усадка может частично, а иногда и полностью компенсиро­вать деформации пучения. В связи с этим и встает вопрос о необхо­димости изучения закономерностей развития деформаций усадки.

Изучению процесса усадки, происходящему при промерзании дис­персных водонасыщенных грунтов, посвящено ограниченное число ра­бот [19,20,38,53 и др.]. По опубликованным научным источникам можно выделить два различных взгляда на механизм развития усадки в цромерзающих дисперсных грунтах. Одни исследователи [ 38,53, 66 J рассматривают усадку как результат компрессионного воздей­ствия формирующегося ледяного каркаса и давления вышележащей

6

мерзлой толщи. Другие [19,20,46] под усадкой понимают слож­ный физико-химический и физико-механический процесс, протекаю­щий под действием молекулярно-ионно-электростатических сил де­гидратирующихся минеральных частиц в результате миграции влаги к фронту промерзания (в талой части) и фазовых переходов воды в лед (в промерзающей зоне), В настоящее время уже не вызыва­ет сомнения, что именно обезвоживание грунта приводит к дефор­мациям усадки и уплотнению талой зоны грунта, поскольку не­возможно было бы объяснить увеличение плотности при проморажи­вании небольших по высоте образцов. Связь между процессом усад­ки и промерзанием грунтов подтверждается экспериментальными и полевыми наблюдениями за изменениями влажности и плотности ми­неральной компоненты грунтов в зависимости от условий промерза­ния, образованием трещин усадки и изменением параметров влаго-переноса в процессе промерзания. Косвенным фактом является гео­метрическое подобие прослоев льда трещинам усадки, образующим­ся при обезвоживании грунтов при положительной температуре. До-пуская аналогию между напряженным состоянием при усадке и комп­рессионным давлением, исследователи [26,53] предложили опре­делять напряжения усадки по значениям влажности минеральных прослоев. При этом было установлено, что напряжения усадки так же, как и деформации, определяются дисперсностью грунтов и ско­ростью охлаждения.



Поскольку процесс усадки в промерзающих грунтах аналогичен подобному процессу при иссушении грунтов при положительной тем­пературе, то следует ожидать в талой зоне промерзающих грунтов развития таких же по величине напряжений усадки. Максимальные величины напряжений усадки-, зафиксированные различными автора­ми при высушивании грунтов при положительной температуре, пред­ставлены в табл.1. Сравнивая величины напряжений усадки со стру­ктурной прочностью грунтов, можно констатировать, что в грунтах должны образовываться либо трещины, либо ослабленные зоны, кото­рые при промерзании могут стать местом зарождения ледяных про­слоев.•

Планомерных научных исследований по изучению деформаций и напряжений усадки не проводилось, хотя в работах многих иссле­дователей о них упоминается в связи с объяснениями миграции влаги и сегрегационного льдообразования, что вполне закономер­но, поскольку промерзающая зона грунта взаимодействует с талой

7

Таблица I Исследования напряжений усадки



Грунты

Напряжения

Исследователь




усадки, МПа




Чернозем

1,6

М.С.Остряков и др., 1969, 1961

Солонец

1,8-4,0

Те же

Торф

2,0

Н.И.Гамаюнов и др., 1972

Бентонит

1.7

К.Ш.Шадунц и др., I972

Каолин

1.4

Р.И.Димитрова, 1974

Бентонит

3,0

Р.И. Димитрова, 1974

Супесь

0,05

Э.Д.Ершов, Л.В.Шевченко, 1978

Каолин

0,3

Те же

Полиминераль-







ная глина

0,1

Те же

и это взаимодействие не может не отражаться на развитии процес­сов в промерзающей зоне.

Процессы замерзания поровой влаги, ее миграция и образова­ние ледяных прослоев приводят к развитию сил и напряжений пу­чения, количественная оценка которых, проведенная и советски­ми, и зарубежными исследователями, представлена часто трудно сопоставимыми результатами (табл.2), что свидетельствует о при-

Таблица 2 Исследования напряжений пучения

Грунты

Напряжения

Исследователь




пучения, МПа




Чистая вода

до 211,5

М.И.Сумгин, Н.А.Цытович, 1940

Суглинок

0,1-1,0

Н.Н.Морарескул, 1949

Различные







грунты

до 0,6

Н.А.Пузаков, 1946

Суглинок

0,3-7,5

Н.А.Толкачев, 1963

Суглинок

до 6,0 и







более

Б.О.Орлов и да., 1967

Искусственные







грунты

0,2-0,7

Д.Дамжанц, 1980



менении различных методик, в основу которых положены различные точки зрения на механизм и причины их развития.

М.И.Евдокимов-Рокотовский в опытах по промораживанию пород при одновременном действии внешнего давления установил, что про слои льда не образуются в промерзающей породе при внешнем давле нии 0,27 МПа в закрытой и 1,5 МПа в открытой системе. С другой стороны, в экспериментах А.М.Пчелинцева рост прослоев льда наб­людался в закрытой системе в условиях очень высоких давлений /46,7, а М.Я.Штаерман /63 J отмечал, что глина, замерзая, спо собна развить усилие около 15 МПа* Исследованиями С.Табера обна-ружено, что давление, развиваемое грунтом при замерзании в усло виях открытой системы, равно 0,27 МПа.

Максимальные величины сил пучения, измеренные Н.Н.Морарес-кулом, Х.Сюзерлендом и П.Гаскином, Н.А.Толкачевым, В.О.Орловым в полевых и лабораторных условиях, составляли, соответственно 1,0; 1,5; 7,5 и 6,0 МПа, а в опытах Ф.Радда и Д.Ортли были за­фиксированы величины напряжений пучения около 20 МПа. Как вид­но, величины напряжений пучения, по данным различных исследова­телей, различаются на три порядка (см.табл.2).

Существуют различные мнения по поводу основных причин воз­никновения напряжений пучения. Ряд авторов [49 и др.]. связы­вает возникновение напряжений пучения в промерзающем грунте с давлением, которое образуется в замкнутом объеме пор при крис­таллизации в них воды. Как известно, это давление может дости­гать очень больших величин в соответствии с уравнением Клапей-рона-Клаузиуса: 13,2 МПа на 1°С понижения температуры. С.Тэбер (1929) считал, что в формировании напряжений пучения большую роль играют силы растущих кристаллов льда, проявляющиеся в на­правлении их роста. В последнее время получила распространение точка зрения, согласно которой напряжения пучения обусловлены главным образом расклинивающим действием тонких пленок незамер-зшей воды [9,20 и др.].

В связи с тем, что напряжения пучения зависят от недопуще­ния деформаций, важны исследования зависимости величины напря­жения от степени недопущения деформации. На существование такой зависимости указывалось в работах Э.Д.Ершова, Н.А.Цытовича, Б.H. Далматова и Н.Н.Морарескула, Н.А.Толкачева, В.Н.Пускова и др. Однако долгое время исследования подобного рода практически от­сутствовали. Известна лишь работа О.Р.Голли (1978), в которой автор попытался обобщить результаты многолетних исследований

9

Н.А.Толкачева, чтобы отыскать зависимость между напряжениями пучения и степенью недопущения деформации промерзающего грун­та на поверхности.



В последнее время успешно развивается теория криогенного пучения пород, базирующаяся на основах термодинамики обрати­мых и необратимых процессов. Hа основе теории обратимых про­цессов С.Е.Гречищевым разработана термомеханическая модель меж­фазового взаимодействия в мерзлых породах. Б.В.Дерягиным и Н.В. Чураевым предложена модель термокристаллизационного механизма течения пленок незамерзшей воды и пучения, в основу которого положены уравнения термодинамики необратимых процессов. На тео­ретических представлениях об углах смачивания, поверхностной натяжении и энергетических поверхностях базируются модели Д.Мил­лера, Дж,0.Коннора и Дж.Митчелла. Известные соотношения Максве-ла, Гудзона, Клапейрона-Клаузиуса используются рядом ученых [II] для обоснования зависимости между давлением, возникающим при за­мерзании воды, и температурой при оценке сил пучения. Разрабаты­ваемые модели и их термодинамические описания представляют собой важный этап в развитии теоретических основ криогенного пучения. Однако предстоит еще большая работа по переносу этих абстрактных моделей на грунтовые системы и экспериментальная проверка этих моделей.

Сложность изучения деформаций и напряжений пучения состоит в том, что развитие этого процесса в грунтах различного состава, строения и свойств необходимо рассматривать одновременно с дина­микой протекания процессов тепло- и массопереноса, сегрегационно­го льдонакопления, распучивания и усадки.

В результате большого числа экспериментальных и натурных ис­следований [27,43,44,55 и др.]. установлены закономерности раз­вития деформаций пучения в зависимости от гранулометрического и минерального состава, состава обменных катионов, различного стро­ения и свойств грунтов.

Исследование влияния дисперсности на величину пучения пород рассмотрено в ряде работ [26,38,46,66 и др.]. Большинство ис­следователей подразделяет все грунты по степени лучиноопасности (морозоопасности), выделяя критический размер частиц грунта. Не­которые исследователи считают, что наибольшему пучению подверже­ны грунты, дисперсность которых соответствует размерам частиц от 0,05 до 0,005 мм, что объясняется существованием в таких грунтах наиболее благоприятных условий для миграции влаги. Так, согласно 10

В.О.Орлову, все грунты по величине пучения можно расположить в следующий ряд: глины (с частицами каолинита) > пылеватые грун­ты > суглинки > супеси > глины частицами монтмориллонита).

Сильное влияние на величину пучения оказывает минеральный состав пород и состав обменных катионов [52 и др.]. Экспери­ментально установлен следующий ряд по интенсивности пучения в зависимости от типа глинистых минералов: каолинит > иллит, гид­рослюда, полиминеральные глины > монтмориллонит [32,39,55 и др.]. Ионный обмен характерен практически для всех минералов. Наи­большая ионнообменная способность свойственна монтмориллониту. В каолините она невелика и, по данным Р.Е.Грима, составляет около 10% ионнообменной способности монтмориллонита. В целом установлено, что с увеличением содержания в структурной решет­ке многовалентных катионов происходит рост миграционного льдо-накопления и пучения. Насыщение же пучиноопасных каолинитовых глин одновалентными катионами приводит к резкому снижению ве­личины пучения.

Многие исследователи указывают на большое влияние строения, сложения и свойств на пучинистость пород [19,20,44]. Согласно существующим представлениям, деформации пучения возрастают с увеличением начальной плотности грунта. Однако увеличение плот­ности скелета грунта, при котором происходит рост величины пу­чения, имеет предел, выше которого деформации пучения уменьша­ются [55,77].

Определяющим фактором развития пучения грунтов при промер­зании является начальное влагосодержание пород. Большинством исследователей выделяется критерий морозоопасности по влажноc- тным условиям, т.е. определяется влажностная граница, выше ко­торой начинается пучение пород [II, 15]. Многие исследователи считают, что в тонкодисперсных грунтах при влажности, близкой к влажности нижнего предела пластичности, миграция влаги в гру­нтах, а следовательно, и пучение пород не происходят. Однако исследования, проведенные В.М.Карповым и В.Д.Карловым в ЛИСИ, показали, что даже при влажности меньшей нижнего предела плас­тичности может наблюдаться ощутимое пучение пород.

Особенно сильное влияние на развитие процесса пучения ока­зывают температурные условия промерзания. Многочисленными ис­следованиями установлена зависимость величины пучения от ско­рости промерзания и градиентов температур [19,38,39]. Пока­зано, что сегрегационное льдовыделение и пучение интенсивно

II

проявляются лишь при оптимальных, критических скоростях промер­зания. 6 глинистых и пылеватых грунтах, по данным В.Я.Лапшина и Л.Б.Ганелиса, эта критическая величина скорости составляет 0,10--0,13 см/ч; при скоростях промерзания более 0,2 см/ч в большин­стве грунтов формируется массивная криогенная текстура. С ростом градиента температуры величина и интенсивность пучения возраста­ют. Однако существуют данные о наличии оптимального для пучения градиента температуры. Так, В.О.Орловым отмечено максимальное пучение при градиенте температуры равном 0,15-0,3 град/см, Ю.Д.Дубновым - при 0,1-0,2 град/см.



Исследованию закономерностей развития напряжений пучения по­священо ограниченное число работ [34,39,50]. Одними из первых серьезных экспериментальных исследований, поставленных с этой целью, являются работы Морарескула, в которых был показан зако­номерный рост величин измеряемых напряжений пучения при пониже­нии температуры промораживания.




Рядом исследователей было установлено, что с увеличением дисперсности пород силы пучения возрастают [50 и др.]. В ре­зультате исследований Е.Пеннер, Р.Янги, Г.Ослер, Чангян Тонг ж Зонгнгань Шэн пришли к выводу, что наибольшие напряжения пуче­ния развиваются в глинах, а наименьшие - в песках. К аналогич­ным результатам пришел П.Хоекстра, согласно теоретическим пред­ставлениям которого силы пучения должны изменяться от 0,02 МПа в песках до 0,3 МПа в пылеватых грунтах. Исследования напряже­ний пучения в измельченных сланцах угольных пластов, проведен­ные Р.Коттли и Р.Уильямсом, также показали, что с увеличением дисперсности пород силы пучения возрастают.

Изучением сил пучения на искусственных грунтах, представля­ющих собой смеси различных частей песка и глины, Далайн Дамжан-ценом установлены максимальные величины напряжений (около 0,7 МПа для смеси: 80% глины и песка [13]. Н.А.Толкачевым было установ­лено, что с увеличением влажности и плотности грунтов и скорости их промерзания силы пучения возрастают /"50/.

Одной из наиболее сложных задач является исследование процес­са пучения во взаимосвязи со всем комплексом природных условий: геологических, климатических и гидрогеологических. В целом выяв­лено, что интенсивность пучения пород существенным образом опре­деляется температурными условиями на поверхности почвы, предзим­ней влажностью пород, различными генетическими типами отложений и т.д. В свою очередь, температурный режим пород определяется в

12

значительной мере характером распределения растительного и снеж­ного покровов, экспозицией склонов и преимущественным направле­нием ветров в зимний период.

Многими исследователями при изучении развития процесса пу­чения в полевых условиях оценивалось влияние практически всего комплекса природных условий на величину пучения [35,37,38]. что позволило наиболее близко подойти к вопросу о классификации и картировании пучения. В настоящее время выдвинуто несколько классификационных схем пучинистости грунтов. Все существующие классификационные схемы построены на принципе подразделения грунтов по степени пучинистости в зависимости от тех или иных факторов, далеко неполно определяющих развитие процесса пуче­ния, как, например, коэффициента консистенции [27], литологи-ческой разновидности грунта [6 ]. Более детальной классифика-ционной схемой пучинистости грунтов является классификация В.О.Орлова, которая построена на основе оценки обобщенного критерия пучения, зависящего от гидротермических условий.

ГЛАВА П. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПУЧЕНШ И ОСАДКИ ПОРОД § I. Методика лабораторных исследований

Большинство существующих лабораторных экспериментальных ус­тановок служит для моделирования одномерного теплового поля в образцах, которые либо изолируются от влагообмена с окружающей средой (моделирование "закрытой системы"), либо в процессе экс­перимента осуществляется контроль за влагообменом с внешней сре­дой (моделирование "открытой системы"). Для создания необходимо­го температурного поля обычно конструируются установки на базе холодильного оборудования или используются естественные природ­ные запасы холода, в том числе подземные лаборатории, устраива­емые в многолетнемерзлых породах. При моделировании одномерного промерзания образца, как правило, изолируются с боковых сторон теплоизоляционным материалом.

Для решения задачи с неполным промораживанием образцов у одного из торцов поддерживается положительная температура. Один из вариантов установок такого типа представлен на рис.1.

В процессе экспериментов продолжительностью от 3 до 10 су-

13



Рис.I. Схема установки для лабораторного исследования деформаций и объемно-градиентных напряжений в промерзающих грунтах, I - форма с исследуемым грунтом; 2 - попереч­ная балка; 3 - датчик напряжений; 4 - усилитель сигналов датчика; 5 - самописец; 6 - датчики деформации грунта; 7 - ультратермостат; 8 - вентилятор; 9 - холодиль­ная камера; 10 - теплоизоляция; II - металлический поддон

ток, проводится регулярное измерение по высоте образцов и во времени основных параметров и характеристик, необходимых для анализа процесса: температуры (t ), общего термодинамического потенциала влаги (μw), влажности (Wρ )f плотности скелета (ρd ), пористости (n), плотности внутреннего (Iвт ), внешне­го (Iвш) и суммарного (Iw) миграционных потоков, интенсивнос­ти обезвоживания (j0) и льдонакопления (jл), коэффициентов влагопроводности (λw) и диффузии влаги (Kw), деформаций (h ) и напряжений (Р) осадки, набухания, усадки, пучения и др. Частота замеров параметров зависит от режима промерзания (оттаивания) и изменяется от 10 мин. в начале опыта, когда про­цессы протекают наиболее интенсивно, до 5-8 ч в конце экспери­мента.

Для исследования деформаций, возникающих в результате раз­вития процессов усадки, набухания, распучивания и пучения, ис­пользуются различные датчики и приборы, основным назначением которых является определение линейных размеров деформирующейся порода. Бее приборы можно условно разделить на две группы. В первую входят те измерители, с помощью которых производится из­мерение деформаций прямым методом (линейкой, штангенциркулем, мессурой и др.). Во вторую группу объединяются все измеритель­ные устройства и приборы, регистрирующие деформации косвенны­ми методами. К наиболее распространенным из них относятся тен-зометрические датчики деформации, представляющие собой провод­ники тока, уложенные спиралью и приклеенные на гибкую основу. При растяжении или сжатии этой основы деформируется и спираль, что вызывает изменение ее электрического сопротивления. Тензо-метрический датчик крепится на деформирующуюся породу. По та­кому же принципу определяют деформации с помощью пьезокристал-лов, в которых при деформировании возникает ЭДС. Однако тензо-метрические датчики и пьезокристаллы, имея высокую точность измерения, могут измерять лишь небольшие по абсолютной величи­не деформации и в промерзающих грунтах используются только в специальных терморезисторных динамометрах для измерений меха­нических напряжений.

Существуют метода измерения деформаций без нарушения спло­шности пород (т.е. без введения в грунт или контакта с ним дат­чика деформаций). К ним относятся метода исследования пород с помощью ультразвука, лазерного метода, гаммаскопии и др. Эти метода могут фиксировать малейшие изменения структуры порода

15

при деформировании. Однако полученные с их помощью данные очень сложны в интерпретации.

Для изучения пучинистых свойств грунтов применяется специаль­ны! лабораторный прибор ИПГ-4 (измеритель пучинистости грунтов 4-ой модели) (Лапшин и др., 1974, 1979), который представляет со­бой компактное устройство из термокамеры и электронного терморе­гулятора ЭТР-2. Прибор позволяет создавать условия для одномерно­го промораживания грунтов в широком спектре температур с возмож­ностью визуального наблюдения за процессом деформирования через прозрачную боковую стенку прибора. Деформации поверхности грунта измеряются индикатором деформаций. Термостатирование верхнего и нижнего торцов грунта производится с помощью нагревательных эле­ментов. Температурный режим в промораживаемых образцах задается и поддерживается электронным терморегулятором. Датчиком для из­мерения температуры служит терморезистор. При наличии прозрачной боковой стенки в приборе наиболее простым методом определения де­формации цромерзающих пород является измерение линейных размеров образцов и интервалов между установленными в них метками. В ка­честве таких меток могут быть использованы тонкие иглы, распола­гающиеся по высоте образцов в два ряда. Двухрядная система их ус­тановки позволяет измерять деформации как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Для измерения деформаций в ходе про­мерзания на одну из стенок кассеты из прозрачного материала (орг­стекла, стекла и др.) наносят шкалу измерений. Относительно этой неподвижной шкалы в ходе опыта измеряются перемещения датчиков де­формаций. Эти перемещения фиксируются на фото- и кинопленку и с их помощью исследуется динамика деформирования порода в целом. Используя набор фотографий определяют время и место зарождения ледяных шлиров, а также рост и развитие их в процессе промерза-



Исследования пучинистых свойств грунтов проводятся при влаж­ности, оптимальной для развития пучения, соответствующей капил­лярному водонасыщению для глинистых грунтов при влажности верх­него предела пластичности. В течение опыта визуально через проз­рачную стенку обоймы и по показаниям температурных датчиков оп-

16

ределяется глубина промерзания. Одновременно фиксируется величи­на пучения поверхности образца по показаниям индикаторов. Оценка пучинистых свойств грунтов проводится по основным параметрам де­формаций пучения. Например, по модулю пучения грунтов.



По окончании опытов образцы разрезаются на отдельные слои мощностью 0,2-2,0 см вкрест направления теплового и миграционно­го потоков и определяется их влажность (весовым способом) и плот­ность (методом парафинирования). Поэтапное снятие с установки об­разцов-близнецов и их разделка позволяет получить распределение суммарной влажности (льдистости) и плотности скелета грунта по их длине на различные моменты времени промерзания. На эти же моменты времени производится детальное исследование и описание сформиро­вавшихся в образцах криогенных текстур в специальных холодильных камерах при отрицательной температуре воздуха не выше -3 ÷ -5°С.

Количественная оценка процессов обезвоживания и льдонакопле-ния внутреннего, внешнего и суммарного миграционных потоков вла­ги осуществляется определением соответствующих параметров. По кривым распределения влажности на моменты времени τ и τ + ∆τ определяется плотность внутреннего миграционного потока влаги по формуле








где Iвт- плотность минимального миграционного потока влаги на максимальной глубине от фронта промерзания, та которую распрост­раняется процесс обезвоживания; ∆Wоб - уменьшение объемной влаж­ности грунта в слое мощностью ∆ε за время ∆τ; ρw - плотность воды. При этом ∆τ должно быть достаточно малое, т.е. таким, что­бы величина Iвт за этот промежуток времени была практически пос­тоянной. Плотность миграционного потока влаги в последующем (вы­шележащем) сечении образца, отстоящем от предыдущего сечения на расстоянии ∆ε, определяется как



нии образца.

При определении плотности внутреннего миграционного потока
влаги в каждом вышележащем сечении породы к величине потока вла­
ги, обусловленного обезвоживанием слоя
∆ε, прибавляется мигра­
ционный поток влаги через нижнее сечение этого слоя. В случае
2-1733 17

влагообмена в условиях открытой системы суммарный миграцион­ный поток влаги (Iw) равен суше двух потоков: внутреннему (Iвт) и внешнему (Iвш). Внешний миграционный поток определяет­ся по скорости движения мениска воды в мерной капиллярной тру­бке (υтр), через которую производится подача вода в образец








где Sтр и Soбр - соответственно, площадь сечения капиллярной тру­бки и образца грунта.

По кривым распределения влажности по высоте образца рассчи­тывается коэффициент диффузии влаги по формуле








Основным параметром, определяющим процесс обезвоживания (льдонакопления), является интенсивность обезвоживания (льдо-накопления), которая численно равна количеству влаги, уходящей (поступающей) при иссушении (льдонакоплении) грунта из единицы его объема в единицу времени. При отсутствии или малых деформа­циях пород определение интенсивности обезвоживания производит­ся по формуле



ная (после опыта) объемные влажности в обезвоженном (льдонасы-щенном)слое грунта.

Величины деформации усадки в промерзающих грунтах можно также оценить без промораживания грунта. Для этого обезвожива­ние породы при промерзании заменяют обезвоживанием в процессе сушки при положительной температуре, но при соответствующих промерзанию значениях интенсивности обезвоживания (плотности миграционного потока влаги). Подготовленный (уплотненный или вырезанный из монолита) образец грунта предварительно взвеши­вается на технических весах с точностью до 0,01 г. После чего образец помещается в эксикатор, где поддерживается влажность воздуха, равная 90%, с помощью водного раствора H2S04. Таким

18

образом создаются условия, близкие к обезвоживанию грунтов при промерзании. Во время высушивания образцы периодически взвеши­ваются и обмеряются с точностью до 0,01 см. Сушка проводится до прекращения изменения объема образцов. После этого определя­ется юс влажность.

Результаты измерений представляются в виде графиков зависи­мости изменения относительной линейной (объемной) деформации



Основным принципом измерений нормальных и касательных сил пучения промерзающих пород является противодействие этим силам внешних измерительных устройств. Измерительное устройство, схе­ма которого представлена на рис. 1, также основано на этом прин­ципе. При данном способе измерения используются жесткие конст­рукции, сопротивляющиеся действию сил пучения, и жесткие датчи­ки - измерители давлений (месдозы). Для обеспечения жесткости конструкции устанавливаются два анкера с поперечной балкой. Для передачи сил пучения в грунт устанавливают стойку. Датчик-месдо-зу помещают между стойкой и поперечной балкой. Для измерения про­гиба балки на нее крепятся мессуры. Чтобы ликвидировать смерзание боковых стенок стойки с грунтом,на их поверхность наносится смаз­ка. Стойки могут устанавливаться на различные глубины. Таким об­разом изучаются силы пучения по глубине промерзающего сдоя. Для измерения сил пучения разработаны и сконструированы специальные установки (лабораторные и полевые) [22, 39].

Определение касательных сил пучения основано на измерении сил выпучивания свай путем пригрузки (недопущения деформации), динамометрическим методом (с помощью динамометров) или по отпе­чатку вдавливаемого в металлическую пластину упругого стального шарика. Б формировании касательных сил пучения определяющую роль играют силы смерзания, поэтому существует метод измерения каса­тельных сил путем продавливания свай в мерзлый грунт. Скорость продавливсния соответствует скорости общей деформации пучения, при которой определяют необходимую для продавливания свай наг­рузку. Отношение величины нагрузки к боковой поверхности смер­зания сваи с мерзлым грунтом определяет удельную касательную силу пучения.

Методика определения напряжений усадки в промерзающих грун­тах основана на том же принципе, что и методика определения нап-

19

ряжений пучения. Отличие заключается лишь в том, что силы усад­ки оказывают давление на датчик, находящийся внутри грунта, в направлении противоположном силам пучения. Поэтому давление от датчика на динамометр передается через коромысло. По динамомет­ру, находящемуся вне промерзающего грунта, определяется сила усадки. Отношение силы усадки к площади датчика, взаимодейству­ющего с грунтом, определяет удельную силу усадки.



Деформации и напряжения пучения и усадки в промерзающих грунтах взаимосвязаны между собой и обусловлены комплексным развитием процессов тепло-массообмена, физико-химических, меха­нических и др. Поэтому для детального изучения физической сущ­ности механизма и закономерностей развития напряжений и деформа­ций, их взаимосвязи, разработана комплексная методика, включаю­щая определение ряда параметров и характеристик: температуры, влажности и плотности пород, миграционных потоков влаги, интен­сивности обезвоживания и льдонакопления, текстурo- и структуро-образования, напряжений и деформаций пучения, усадки и др.

Установка для комплексного изучения напряжений и деформаций представляет собой устройство для одностороннего промораживания грунтов с возможностью визуального наблюдения за процессом текс-турообразования. Дня определения напряжений пучения и усадки ус­танавливаются датчики и регистрирующие приборы. Принцип измере­ния основан на том, что развивающиеся при промерзании напряжения оказывают давление на датчики, находящиеся внутри грунта и на поверхности. Датчики через коромысло передают давление на грун­товые динамометры, которые превращают механический сигнал в тен-зорезистивный. Полученный сигнал усиливается и принимается потен­циометром, на диаграммной ленте которого производится его автома­тическая запись.

Перед началом опыта цроизводится фотографирование положений датчиков деформаций и проверка "нулевого" отсчета грунтовых дина­мометров на самопишущем потенциометре. Затем в холодильной камере устанавливается отрицательная температура. Во время промерзания образца регулярно измеряется температура, фотографируется крио­генная текстура и положение датчиков деформаций, непрерывно за­писывается сигнал изменения напряжений пучения и усадки. Дефор­мации поверхности промерзающего образца фиксируются индикатором часового типа.

После окончания эксперимента производится расшифровка сигна­лов, записанных на диаграммной ленте, с помощью тарировочных гра-



фиков. Тарировка динамометров проводится до начала опыта и по окончании его. Получив на диаграммной ленте сигнал, по тариро-вочному графику определяется соответствующая ему величина силы пучения или усадки. Замеренная величина, отнесенная к площади датчика, представляет собой давление или напряжение пучения (усадки).

§ 2. Методика полевых исследований

Полевые исследования напряжений и деформаций пучения и осад­ки в слое сезонного промерзания и оттаивания проводятся для изу­чения механизма, динамики и закономерностей их развития в зави­симости от геолого-географических условий и базируются на комп­лексном изучении тепло-массообменных, физико-химических и меха­нических процессов при использовании новых методов и методик ла­бораторного моделирования.

Для изучения деформаций пород в полевых условиях в каждом выделенном микрорайоне* создаются специальные площадки, на ко­торое проводятся наблюдения за динамикой деформаций пучения, усадки и осадки, за температурным режимом пород, за ходом про­мерзания (оттаивания), а также за изменением влажностного режима.

На каждой наблюдательной площадке по всей глубине сезонноот-таивающего слоя с интервалом 15-20 см устанавливаются пучиномеры (осадкомеры). Не останавливаясь подробно на методике их изготов­ления, так как она неоднократно публиковалась в ряде работ, сле­дует все же отметить, что пучиномер представляет собой металли­ческий стержень диаметром 1-1,5 см, прикрепленный одним из концов к металлической пластине размерами (2-3) х (5-6) см. На стер­жень одевается винипластовая трубка диаметром 2-2,5 см. Прост­ранство между трубкой и стержнем пучиномера заполняется техни­ческим вазелином. Один из концов стержня црикрепляется к краю пластины. Установка пучиномеров в грунт производится следующим образом. На глубину сезонного оттаивания пробуривается скважина диаметром 7 см. Первый устанавливаемый пучиномер опускается в



* Выделение микрорайонов цроизводится по известной методике, опубликованной в ряде работ [33 и др.].

2Х-1733

21

скважину до подошвы сезоннооттаивающего слоя и затем с помощью рычага вдавливается в грунт. После установки данного пучиноме-ра скважина засыпается тем же грунтом нарушенного сложения до глубины заложения второго пучиномера, который помещается в грунт идентично первому, но с разворотом по кругу на 60-70°. Таким же образом устанавливаются последующие пучиномеры. Деформации пуче­ния определяются по перемещениям пучиномеров относительно непод­вижного репера, заглубленного на 5-10 м в грунт. Репер представ­ляет собой металлический стержень диаметром 2-3 см и длиной 5-10 м. В целях увеличения площади смерзания репера с многолетнемерз-лыми породами на один из его концов крепится шнек данной 2,5-З м. На верхнюю часть репера одевается винипластовая труба. Свободное пространство между стержнем и трубой заполняется техническим ва­зелином.

Температура пород измеряется заленивленными психрометричес­кими термометрами (ТМ-6) со шкалой делений 0,2°С, которые уста­навливаются по типу вытяжных с интервалом по глубине 10 см. Кро­ме того, вблизи расположения пучиномеров в грунт помещаются косы термистров, спаянных по методу двухпроводной системы с шагом 10 см, а в центре наблюдательной площадки мерзлотомер, изготов­ленный по системе Данилина.

На каждой наблюдательной площадке выделяется специальный участок размером 0,6 х 0,6 м для отбора образцов грунта на влаж­ность и плотность. Отбор производится с полной выборкой керна с шагом 3-4 см. При этом отбор талой части грунта осуществляется с помощью специального пробоотборника, а мерзлый - бурением. Применение специального пробоотборника способствует более каче­ственному отбору образцов грунта, чем бурение с помощью ложки, при котором происходит сильное перемешивание талого грунта и от-жатие части влаги. После отбора образцов скважина засыпается грунтом того же состава, взятого вблизи площадки в летнее или в зимнее время. Место скважины строго фиксируется.

Измерения напряжений пучения в полевых условиях проводятся с помощью месдоз МЦМ-2 и динамометров ДОСМ-1-1 по схеме, пред­ложенной Н.И.Быковым (1940). Два анкера заглубляются в толщу многолетнемерзлых пород и изолируются смазкой от деформирующих­ся грунтов промерзающего слоя сезонного оттаивания. К анкерам крепится поперечная балка: между ней и грунтом устанавливаются месдозы или динамометры. Ддя регистрации напряжений пучения используются воспринимающие усилия пластины различной площади 22

(4 и 64 см2). В качестве измерительного прибора применяется циф­ровой тензометрический мост ИДЦ-1.

Для исследования напряжений выбираются площадки с грунтами различного состава и влажности и с различным режимом промерзания. На площадках устанавливаются устройства, позволяющие измерять на­пряжения на датчиках, отличающихся между собой жесткостью, пло­щадью воспринимающих усилие пластин и глубиной их установки. На экспериментальных площадках пластины для измерения напряжений бы­ли установлены на поверхности и на глубине 20 и 50 см в сезонно-талом слое.

Для изучения неравномерности деформации пучения пучиномеры устанавливаются в пределах некоторой площади. При этом высотное положение пучиномеров относительно неподвижного репера определя­ется нивелированием. В качестве этих пучиномеров используются стандартные переносные марки, используемые в геодезии.

Деформации и напряжения пучения, температурный режим пород-и глубина сезонного промерзания (оттаивания) измеряются с интер­валом 1-3-7 суток. Первый интервал времени соответствует началу процесса промерзания (оттаивания), второй - некоторому снижению скорости движения границы раздела фаз (приблизительно через 7-10 суток с момента начала промерзания, оттаивания), а третий интервал времени соответствует затуханию процесса промерзания (оттаивания). Измерение влажностного режима пород и их плотнос­ти проводится не реже I раза в 6-7 суток. В период стабилизации фронта промерзания (оттаивания) отбор образцов на влажность и плотность скелета грунта осуществляется I раз в 10 дней.

Методика обработки результатов

В процессе полевых исследований производится определение следующих параметров и характеристик: температуры грунта t , влажности W, плотность скелета грунта ρd, миграционно­го потока влаги IW, коэффициентов диффузии влаги Kw , на­пряжений пучения, деформации усадки hус, осадки hос и пу­чения hn , величины миграционного льдонакопления hIw и мас­сивного распучивания hраст. Данные параметры измеряются по глубине и во времени. Температурный и влажноcтный режим, а также плотность скелета грунта оцределяются по существу -ющим методикам и разработкам [33,37,47]. Суммарная плотность миграционного потока влаги определяется по известной методике [20,29,58]. . Коэффициенты потенциалоцроводности в зоне интен-


Обработка результатов деформаций пучения грунтов производится посредством построения графиков, на которых помимо измерения ве­личины деформаций и напряжений пучения по глубине и по времени наносятся кривые изменения градиента температуры в зоне интенсив­ных фазовых переходов, скорости промерзания, миграционного льдо-накопления и деформаций усадки. Такой анализ данных позволяет оп­ределить развитие деформаций пучения от того или иного фактора, т.е. позволял выявлять как частные, так и общие закономерности развития деформаций пучения в промерзающих и оттаивающих грунтах.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница