Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современные представления о деформировании дисперсных грунтов при компрессии II
1.Изученность процесса компрессионного уплотнения талых грунтов II
2, Современное состояние вопроса о сетмаемости мерзлых грунтов 18
ГЛАВА II.Характеристика исследуемых грунтов и подготовка 27
ГЛАВА III. Методика экспериментального изучения компрессного деформирования мерзлых грунтов 41
1.Лабораторные методы изучения природы процесса сжимаемости мерзлых грунтов 42
2. Методика изучения деформирования мерзлых грунтов при компрессионном уплотнении 52
ГЛАВА IV. Механизм процесса деформирования мерзлых грунтов при компрессии 57
1.Процессы,протекающие при компрессионном сжатии мерзлых грунтов 57
2. Изменение деформаций и их составляющих при компрессионном деформировании мерзлых грунтов 70
ГЛАВА V. Влияние давления и температуры на компрессионное мерзлых грунтов 80
1.Закономерности деформирования мерзлых грунтов в зависимости от давления 80
2. Зависимость сжимаемости мерзлых грунтов от температуры 97
ГЛАВА VІ. Закономерности развития процесса деформирования при компрессии мерзлых грунтов различного состава и строения 113
1.Влияние дисперсности и минерального состава на компрессионное сжатие мерзлых грунтов 113
2.Особенности компрессионного деформирования мерзлых грунтов различной засоленности 131
3.Влияние строения мерзлых грунтов на их сжимаемость 150
ГЛАВА VІІ . Изменение прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов при компрессионном уплотнении .170
1.Упрочнение мерзлых грунтов при компрессии ,170
2.Изменение деформащонннх свойств мерзлых грунтов при компрессионном уплотнении 181
Литература
- Современное состояние вопроса о сетмаемости мерзлых грунтов
- Методика изучения деформирования мерзлых грунтов при компрессионном уплотнении
- Изменение деформаций и их составляющих при компрессионном деформировании мерзлых грунтов
- Зависимость сжимаемости мерзлых грунтов от температуры
Введение к работе
Актуальность проблемы.Интенсивное освоение северной и северо-восточной территории нашей страны вызвало необходимость детального изучения механических свойств мерзлых грунтов,определяющих их поведение в основаниях „здании и сооружений.Для инженерных расчетов устойчивости фундаментов сооружений,строящихся по принципу сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований,необходимо изучение механических свойств мерзлых грунтов, важнейшим из которых является сжимаемость грунтов под нагрузкой.Поэтому изучение характеристик сжимаемости является задачей первостепенной важности.
Строительство и эксплуатация инженерных сооружений на мерзлых грунтах сопряжены с определенными трудностями,решение которых зависит от степени изученности физико-механических свойств и факторов,их определяющих.Такими факторами являются особенности состава,свойств и микростроения мерзлых грунтов, изучение которых имеет важное научное и практическое значение, поскольку позволяет существенно повысить качество изыскательских работ и снизить затраты на ликвидацию последствий деформаций зданий и сооружений.Необходимость изучения природы и закономерностей процесса сжимаемости определяет решение многих теоретических задач,связанных с расшифровкой и восстановлением условий формирования мерзлой толщи.Сказанным определяется актуальность выполненной работы как в научном,так и в практическом отношении.
Изучению сжимаемости мерзлых грунтов посвящено ограниченное число работ,поскольку до 50.г. мерзлые грунты рассматривались как тела,практически несжимаемые.Однако,практика строительства в районах распространения многолетнемерзлых пород накопила факты,свидетельствующие о деформировании зданий вследствие осадок фундаментов,происходивших без оттаивания мерзлого грунта в основании,что потребовало более внимательного отношения к свойствам грунтов при отрицательной температуре.Сжимаемость мерзлых грунтов с различной степенью детальности изучалась її. А. Цытовичем, С. С. Вяловым, А. Г. Бродской, И. В. Бойко, Л.Т.Роман ,И.Н.Вотяковым,ЇЇ.А,Кроником,А.Н.Гавриловым.йзучение сжимаемости мерзлых грунтов большей частью проводилось непосредственно для строительных изысканий.При этом основное внимание исследователей было направлено на выяснение зависимости сжимаемости мерзлых грунтов от температуры.Незаслуженно мало внимания при изучении сжимаемости уделялось природе деформирования и процессам .протекающим в ходе компрессионного уплотнения мерзлых грунтов. Набор экспериментальных данных о степени сжатия того или иного грунта,как показал опыт строительства,не может обеспечить правильного прогноза поведения мерзлых грунтов в основаниях сооружений.
Поэтому основной целью работы явилось изучение природы и закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов на основе всестороннего анализа физдако-механических и физико-химических процессов, протекающих при компрессии.
При реализации поставленной цели приходилось решать следующие задачи:
-разработать методику комплексного изучения природы и закономерностей компрессионного уплотнения мерзлых грунтов; -исследовать механизм деформирования мерзлых грунтов при компрессии ;
-изучить процесс преобразования микростроения мерзлых грунтов при их компрессионном сжатии;
-исследовать влияние давления при различных способах приложе ния нагрузки и температуры на сжимаемость мерзлых грунтов различного состава и строения;
-вскрыть особенности компрессионного деформирования мерзлых грунтов в зависимости от их состава и строения; -изучить особенности изменения прочности мерзлых грунтов при компрессии.
Итогом проведенных исследований являются следующие науч,-ные резулътаты,отрадаэя щие НОВИЗНУ работы. I.Разработана методика исследования природы и закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов.включающая изучение термодинамичес-ких,массообменных и физико-химических сторон этого процесса. 2.Исследован механизм компрессионного сжатия мерзлых грунтов на основе изучения фазовых переходов влаги под давлением,мас-сообменных процессов,преобразования микростроения мерзлых грунтов в ходе компрессии,проведена количественная оценка составляющих общей деформации грунтов различного состава и строения. 3.Получены новые экспериментальные данные о преобразовании криогенного строения мерзлых грунтов при компрессии и показано, что характер и степень преобразования зависят от состава грунтов,величины внешнего давления и времени консолидации. 4.Выявлены зависимости компрессионного деформирования мерзлых грунтов от минерального состава,засоленности,состава обменных анионов,степени заполнения пор влагой и на основе анализа преобразования микростроения,изменения фазового состава влаги изучены более глубоко зависимости сжимаемости мерзлых грунтов от дисперсности,льдистости и первичного сложения. 5.Вскрыто влияние способа нагружения на характер сжимаемости мерзлых грунтов.Экспериментально исследованы,проанализированы и обобщены закономерности сжимаемости мерзлых грунтов в зависимости от температуры и давления.
6.Исследованы особенности изменения мгновенного ивременного эквивалентного сцепления мерзлых грунтов в зависимости от их состава и строения при различных величинах прилагаемой нагрузки.
7.На основе полученных новых экспериментальных данных по коэффициентам сжимаемости мерзлых грунтов и имеющихся литературных сведений выделены группы мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой по категориям сжимаемости.Проведено сопоставление имеющихся данных о сжимаемости талых и мерзлых грунтов.
Практическая значимость работы.Результаты проведенных исследований могут быть использованы при решении ряда важных народнохозяйственных задач:при составлении прогнозных и оценочных мерзлотно-инженерно-геологических карт для территорий,занятых сезонно- и многолетнемерзлыми породами,при расчете осадок пластично-мерзлых дисперсных пород под строительство зданий и сооружений по второму предельному состоянию,согласно СНиП 11-18-76.
Полученные характеристики мгновенного и временного эквивалентного сцепления и их изменение при компрессионном уплотнении мерзлых грунтов можно использовать при расчете оснований по первому предельному состоянию,предусмотренному СНиП 11-18-76.
Выявленная природа компрессионного деформирования исследуемых грунтов позволяет по новому трактовать изменение строения мерзлых грунтов,а также изменение их льдистости в грунтовых основаниях при строительстве различного рода сооружений. Методика и результаты проведенных исследований могут служить основой для решения ряда теоретических задач,связанных с природой формирований1прочности мерзлых пород и изменением их тепло-массообменных характеристик при компрессии.
Ряд методических положений и полученных результатов используется в учебном процессе кафедрой механики грунтов основании и фундаментов Якутского государственного университета,а также находит применение в учебном курсе "Физика,химия и механика мерзлых грунтов" и в программе зимней учебной геокриологической практики для студентов по спещальности "Гидрогеология и инженерная геология" Московского государственного университета.
Личный вклад автора.В ходе исследовании автором самостоятельно был отработан комплекс методов для изучения процесса компрессионного деформирования мерзлых грунтов различного состава и строения.проведено около 200 компрессионных испытаний мерзлых грунтов длительностью от 4 до 100 суток,около 50 экспериментов по определению фазового состава влаги под давлением, более 100 опытов для исследования изменения мгновенного и временного эквивалентного сцепления мерзлых грунтов при уплотнении методом шарового штампа,для изучения преобразования микростроения мерзлых грунтов при компрессии было проанализировано около 300 реплик.
Апробация работы.Основные положения диссертации были апробированы на 17 Международной конференции по мерзлотоведению (США,Фербенкс,июль 1983),11 Республиканской конференции (Одесса, октябрь 1983г.),Всесоюзной научно-практической конференции (Тюмень,ноябрь 1983г.),У Всесоюзной конференции (Свердловск,1984г.), УІІ.ІХД.ХІ научных конференциях аспиранов и молодых ученых Геологического факультета МГУ (Москва,1980,1982,1983,1984г.г.),а также на ряде кафедральных научных семинаров.
Публикапии.За время работы по данной теме автором опубликовано 6 научных статьи.Кроме тогоД статья автора по теме исследований находится в печати.
Структура и объем рабо ты.Работа объемом 2ф страниц машинописного текста содержит 53 рисунка,20 таблиц и состоит из оглавления,введения,? глав,выводов и списка литературы,который включает І22і наименования.І,II,III главы посвящены изученности проблемы.методике и характеристике исследованных грунтов.В ІУ главе рассмотрен механизм процесса компрессионного деформирования.В У главе излагаются закономерности компрессионного сжатия мерзлых грунтов в зависимости от давления и температуры.В Л главе рассмотрены закономерности развития процесса сжимаемости мерзлых грунтов различного состава и строения.УЇІ глава посвящена вопросу об изменении прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов при их компрессионном уплотнении.
В основу работы положены результаты экспериментальных исследований,выполненных на кафедре мерзлотоведения Геологического факультета МТУ.
При обработке экспериментальных данных автор неоднократно пользовался консультациями канд.геол.-мин.наук Л.В.Шевченко, канд.геол.-мин.наук В.Г.Чеверева.канд.геол.-мин.наук Р.И.Злочев-ской,младшего научного сотрудника А.Н.Гаврилова.При исследовании микростроения мерзлых грунтов принимали участие канд.геол.-мин.наук В.Н.Соколов и сотрудник кафедры мерзлотоведения Е.М. Чувилин.Веем этим товарищам автор выражает искреннюю признательность.
Автор считает своим приятным долгом поблагодарить сотрудников кафедры мерзлотоведения Р.Г.МотенкоД.А.Никуличеву.Н.Н. Смирнову,В.А.Пряхина,содействовавшим выполнению настоящей работы.
Особую признательность автор выражает научному руководителю,доктору геолого-минералогических наук профессору З.Д.Ершову за постоянную помощь,ценные замечания и пожелания,сделан нне в ходе выполнения исследований и при чтении рукописи настоящей работы.
Современное состояние вопроса о сетмаемости мерзлых грунтов
Влияние обменных катионов на сжимаемость грунтов прослеживается лишь до определенных значений плотности.По данным Зн-ангирова P.G. СЗиангиров,1970,1979).сближение компрессионных кривых с различной поровой компонентой наблюдалось при плотности-влажности, соответствующей содержанию (1-3) W , причем наименьшее значение характерно для монтмориллонитовых высокодисперсных глин,а наибольшее - для каолинитовых,гидрослюдистых и других более дисперсных глин.Величины плотности и давления,при которых происходит существенное сближение компрессионных кривых для глин с различным поровым раствором,Зиангйров Р.С. предложил считать нижней границей влияния физико-химических факторов на сжимаемость глинистых грунтов.
Сжимаемость дисперсных грунтов с природными и нарушенными структурными связями существенно различается.Наличие природных структурных связей между частицами грунта,по данным Приклонского В.А.,Чепика В.Ф.,Ничшіоровича А.А. ,Цыбулъника Т. И.,
Цытовича И.А. .Зиангирова Р.С,увеличивает его сопротивление действию сжимающих усилий.Влияние природных структурных связей на сжимаемость глинистых грунтов может сказываться вплоть до значительных давлений,достигающих в экспериментах Зиангиро-ва Р.С. (ЗиангировД970) 40 - 200 кгс/см .Согласно данным Лом-тадзе В.Д. (ЛомтадзеД951Д953) .влияние структуры глины на ее сжимаемость сказывается при более малых нагрузках,соизмеримых со структурной прочностью глин и не превышающих 60 кг/см .Более строгое обоснование и экспериментальное подтверждение влиянию структурных связей на сжимаемость глинистых грунтов дает Осипов Б.И. С.Осипов, 1979).Он связывает величины нагрузок,при которых происходит сближение компрессионных кривых для образцов с природными и нарушенными структурными связями с типом структурных связей.Так,при наличии дальнодействугащих молекулярных связей,характерных для илов,неуплотненных и слабоуплотненных глинистых пород,сближение компрессионных кривых происходит при незначительных давлениях,до 2 кгс/см .В уплотненных глинистых породах,при преобладании связей ионно-электростатической и химической природы,компрессионные кривые образцов с природными и нарушенными структурными связями сближаются при высоких давлениях, достигающих 200 кгс/сьг.
Исследования,проведенные по изучению влияния начальной текстуры глинистых грунтов на их сжимаемость (Моргенштерн,Ча-ленко,1967;Бондарик.Царева.Пономарев,1975;Зиангиров,1979),показывают на незначительное влияние исходной текстуры глинистых грунтов на величину их компрессионного сжатия.
Влияние давления и температуры.обусловленные воздействием внешней среды,однозначным образом сказывается на величине компрессионного сжатия дисперсных грунтов.С увеличением давления уплотнение грунтовой системы возрастает.При небольших на грузках характер и величина уплотнения,как было рассмотрено выше3определяются свойствами самой породы.При возрастании нагрузки,по данным Ломтадзе Б. Д. (Ломтадзе Д955) ,до 60 - 150 кг/см происходит разрушение пылеватой фракции.При давлении большем 10 кг/скг Крюков,Комарова,1954) сжимаемость глинистых грунтов приближается к сжимаемости компонент.
Повышение температуры при прочих равных условиях также приводит к дополнительному уплотнению дисперсных пород.Наиболее полно влияние положительных температур на сжимаемость дисперсных грунтов освещено в работах Злочевской Р,И.,Андреи-чева М.Б. ,Биангирова Р.С. ,Хабигаши K.»Kaul B.K,,Hlchei J.K.., Plum R.X fBsriE_M.b#t_SimoiiB N.E. В целом,при малых значениях давлений,до 1-2 кг/смг,при повышении температуры до 70С величина относительной сжимаемости глинистых грунтов различного состава увеличивается не более чем на 10 - 15 .Причем наиболее чувствительны к изменению температуры глинистые грунты со значительным содержанием органики.При высоких давлениях» порядка 75 - 125 кг/см2,по данным Злочевской Р.И. (Злочевская и др.Д975)изменение температуры не приводит к дополнительным деформациям грунтов.
Анализ литературных источников показывает,что сжимаемость талнх грунтов изучена достаточно полно,что гложет явиться основой для изучения механизма и закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов.
Современное состояние вопроса о сжимаемости мерзлых грунтов.
Изучению процесса сжимаемости мерзлых грунтов,как пока- . зал анализ научной литературы,посвящено ограниченное число работ. Это связано прежде всего с тем,что мерзлые грунты длительное время вплоть до 50х г,г.,рассматривали как тела,практичен таки несжимаемые,И при использовании их в качестве оснований сооружений никаких дополнительных расчетов.прогнозирующих деформирование мерзлых грунтов во времени,не проводилось.Однако, практика строительства заставила обратить внимание на изменение состояния мерзлых оснований под нагрузкой,поскольку наблюдаемые деформации сооружений (особенно при высоких отрицательных температурах)не находили должного объяснения,Первые данные о том,что мерзлые грунты сжимаются под нагрузкой,получили впервые в 1953 г. С.С.Вялов и Н.А.Цытович.Впоследствии с разной степенью детальности сжимаемость мерзлых грунтов изучалась Бродской А.Г. .Бойко И.В..Вяловым С.С.Цытовичем Н.А. .Пчелинпе-вым A.M.,Роман Л.Т. Дроником Я.А. .Гавриловны А.И.
Исследованиями Бойко И.В. (Бойко,1958) и Бродской А.Г. (.Бродская,1962,1963) было установлено,что деформирование мерзлых грунтов не подчиняется компрессионной зависимости,установленной для талых грунтов.По мнению Бойко,компрессионное уплотнение мерзлых грунтов происходит в две стадии: стадию деформации с незначительным переносом воды в объеме и стадию со значительным отжатием воды тающего льда в направлении градиента давления.Дальнейшие исследования Бродской показали,что первая стадия для высокотемпературных сильнольдистых грунтов при незначительных давлениях может не наблюдаться.Этими же авторами было установлено,что механизм сжимаемости мерзлых грунтов значительно сложнее,чем талых,что обусловлено присутствием в мерзлых грунтах воды в твердой "фазе.
Методика изучения деформирования мерзлых грунтов при компрессионном уплотнении
Для определения содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах (при Р=0) контактным методом мерзлые образцы нарушен-; ного сложения разрезались на пластины толщиной I см.Эти пластины оттаивались и высушивались при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния,что проверялось повторным взвешиванием одной из пластин,За конечную (равновесно-гигроскопическую) влажность принималась влажность,достигнутая к моменту,когда потеря веса воды пластиной при последующем (через 2 часа) взвешивании отличается от предыдущего не более чем на 0.02 г."Сухие пластины" переносили в камеру НКР-1,где они охлаждались до температуры опыта.Охлажденные пластины сухого и льдонасыщенного грунта зачищали для получения лучшего контакта при их соприкосновении и укладывали согласно схеме (рис.5) в загерметизированные полиэтиленовой пленкой одометры и оставляли их при заданной отрицательной температуре.Через несколько суток (6 -7 сут.) "сухие" пластины вынимались,очищались со всех сторон ножом,затем определялась весовым методом их влажность,соответствующая содержанию незамерзшей воды при данной отрицательной температуре.
Для определения содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах,находящихся под нагрузкой,льдонасыщенные и"сухие" пластины подготавливались аналогичным образом.Определение содержания незамерзшей воды проводилось в два этапа.На первом этапе каждая из пластин помещалась в отдельный одометр и компрессионно уплотнялась,для того,чтобы исключить в дальнейшем компрессионное отжатие влаги из "мерзлых" пластин в "oyxyio".После ста-биллизации деформаций,контролируемых по мессуре, одометры разгружались, из которых часть воды отжалась,соединялись по типу льдонасыщенная- сухая - льдонасыщенная (рис.5).помещались в одометр и повторно нагружались той же нагрузкой.Через несколько С 6 - 7 ) дней одометры вновь разгружались,"сухие" пластины отделялись от лъдонасыщенпых при помощи ножа,зачищались,затем определялась их влажность.Разница во влажности "сухих" пластин, находившихся под давлением и без давления,давало изменение содержания незамерзшей воды при компрессионном нагружении образца.Испытания проводились с 2х - 4х кратной повторностьго.
Для дополнительного контроля за изменением содержания не-заиерзшей воды при передаче на мерзлый грунт давления проводилось определение количества незамерзшей воды криоскопическим методом,сущность которого состоит в определении соответствия температуры замерзания и оттаивания грунта количеству заданной наперед вл&тшости t _ л = 1 С W ) .Один образец нагружался,а вто-рой находился без давления.Для непрерывной записи температуры использовался самопишущий автоматический потенциометр КСП - 4. Испытания проводились в холодильном шкафу НКР - 1,в котором устанавливалась температура около минус ЮС с тем,чтобы ее значение было несколько ниже температуры возможного переохлаждения грунта.Температура замерзания (оттаивания) измерялась термопарами.Для ввода термопары в верхнем штампе одометра просверливалось отверстие.Термопара через отверстие вводилась так,чтобы спай ее находился примерно в геометрическом центре талого образца.Измерение температуры проводилось параллельно в двух образцах .По перегибам кривой,записанной на самописце,регистрировались участки охлаждения,начала замерзания и дальнейшего замораживания образцов мерзлого грунта.После выдерживания одометров с мерзлым грунтом не менее 24 часов при температуре -ЮС,проводился цикл оттаивания.По окончании эксперимента определялась весовая влажность образцов.По каждой записи хода изменения температуры во времени в цикле замерзания (оттаивания) определялась температура замерзания как наиболее высокая и устойчивая температура,наступающая вслед за температурным скачком от температуры переохлаждения, и температура оттаивания,как наиболее устойчивая температура,наступающая после нагревания образца до температуры оттаивания.Затем строились графики,по оси ординат которых откладывалась влажность образца,а по оси абщсс - температура его замерзания (оттаивания) для образцов, находящихся под давлением и без давления,Эти графики характеризуют зависимость содержания незамерзшей воды (при действии давления на мерзлый грунт и при отсутствии давления) от температуры в цикле замерзания (оттаивания).
После окончания экспериментов и обработки полученных данных проводилось сопоставление результатов опытов.На графике (рис.6) приведено сравнение результатов отдельных экспериментов по определению содержания незамерзшей воды под давлением и без давления контактным и криоскопическим методами для мерзлой полиминеральной глины.Как видно из графиков,различные методы показывают хорошую сходимость полученных результатов.
Изменение деформаций и их составляющих при компрессионном деформировании мерзлых грунтов
Как было показано выше,изменение обшей деформации мерзлого грунта при его компрессионном сжатии (дЕ ) происходит за счет мгновенных деформаций (ді ), обратимых деформаций вследствие фазовых переходов льда в незамерзшую воду С Д&2 ), за счет закрытия воздушных пор,трещин и других дефектов мерзлого грунта СД&5 ) и вследствие переноса жидкой фазы и оттока ее из грунтовой системы СД ч ).
Мгновенные деформации мерзлого грунта обуславливаются обратимыми деформациями кристаллической решетки льда и минеральных частиц.упругими свойствами незамерзшей воды и замкнутых воздушных включений.Изменение общей деформации мерзлых грунтов и соотношение составляющих общей деформации представлены в таблице 6.Деформации мерзлых грунтов за счет упругой составляющей Д.Е1 ,обуславливающие мгновенную деформацию грунта,принимались равными деформациям мерзлых грунтов за первую минуту после приложения нагрузки,согласно Н.А.Цы-товичу (Цытович,1973).Повышение дисперсности,засоленности, увеличение количества минералов,повышающих содержание незамерзшей воды,приводит к увеличению жидкой фазы мерзлого грунта и тем самым к увеличению ее упругой составляющей.Так,если в песке деформация Ь при давлении 0.3 МПа составила 0.08"Ю м,то в супеси йВ1 = 0.1 10тй,а в глинах в зависимости от минерального состава Д = 0.13-10-3 о.18"10" м.
Увеличение засоленности до 0.7$ привело к увеличению деформаций за счет упругой составляющей при Р=0.3 ВДа в песке от 0.08 НГ3 м до ОЛЗ КгАг.а в глине от 0.18-10-3 м до 0.28 10м.Упрутие свойства мерзлых грунтов в значительной степени обеспечивает газообразная составляющая.Как видно из таблицы,в полиминеральной глине с неполной степенью заполнения пор влагой исх О.б) наблюдалось большее изменение объема мерзлого грунта за счет упругой составляющей,чем в той же глине,но полностью влагонасыщенной и составило 0.52 10 м при Р=0.9 Ша,а в глине с & І й = 0.31 ДГ3 м.Такшл образом,исходя из полученных результатов.можно сказать,что величина мгновенных деформаций возрастает в зависимости от количественного содержания той или иной компоненты мерзлого грунта в ряду: лед минеральный скелет незамерзшая вода воздух.
Компрессионное сжатие мерзлого грунта происходит также за счет обратимых деформаций при фазовых переходов льда в воду под действием внешнего давления.Деформации,развивающиеся вследствие фазовых превращений льда в незамерзшую воду носят инерционных характер и поэтому не относятся к мгновенным деформациям.В таблице приведены данные о величинах деформаций за счет фазовых переходов С ДЕ„) в мерзлых грунтах, отличающихся по составу и свойствам,при разной отрицательной температуре и разных нагрузках.При расчете деформаций її условно принималось,что изменение содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах при изменении давления подчиняется линейной зависимости.Как видно из таблицы,наибольшее значение де-формация йЕа имела в каолинитовой глине и составила 0,3 10 м,или 4IJ6 от общей деформации грунта при давлении 0.3 Ша и температуре -1.5С.В мерзлой монтмориллонитовой глине эта величина оказалась меньше - 0.12"10" м,или 10%, в полиминеральной глине величина деформации дЕг составила 0.07 10 м, или Q% при прочих равных условиях.С понижением дисперсности изменение деформаций мерзлого грунта уменыпается.В песчаных и супесчаных грунтах содержание незамерзшей воды,по данным вышеописанных экспериментов,под действием давления практически не меняется.
Следущая составляющая общей деформации мерзлого грунта при компрессионном сжатии - Д?а - деформация за счет закрытия воздушных пор,трещин и других дефектов грунтовой системы. Деформации такого рода возникают как за счет смыкания стенок трещин,так и путем залечивания трещин и воздушных пор вследствие сдвиговых деформаций грунтовых частиц.их переориентации и пластично-вязкого течения льда под действием приложенной нагрузки.Деформации мерзлых грунтов с неполной степенью заполнения пор льдом,а также при наличии дефектов в мерзлой породе значительно превышают деформации полностью льдонасыщенных грунтов.Как было показано в экспериментах по компрессионному сжатию полиминеральной глины с неполной степенью заполнения пор влагой CG- исх=0.6),изменение объема за счет закрытия воздушных пор составило 70$ С0.58 10 м) от общего изменения объема при давлении 0.3 МПа и 74% (З.15 10 м) при повышении давления до 0.9 МПа.В песчаных и супесчаных грунтах с неполной степенью заполнения пор влагой изменение объема вследствие закрытия воздушных пор также составляет основную часть от общей деформации и достигает 80$ в песчаных- и 60$ в супесчаных грунтах (табл.6).
Важную роль в деформировании мерзлого грунта в условиях его компрессионного сжатия играет перенос жидкой фазы и отток ее из грунтовой системы (дСі,).Уменьшение объема мерзлого грунта в этом случае происходит за счет уменьшения льдистости грунта.Деформации,вызываемые подплавлением льда ( перемещением и отжатием незамерзшей воды,обуславливают необратимые сдвиги частиц и агрегатов грунта.Поэтому деформации мерзлых грунтов дЕ являются деформациями вторичной консолидации Сили деформациями затухающей ползучести).Фильтрационная стадия консолидации,при которой существует свободный отток воды,имеет место,по-видимому,как и в талых грунтах,когда отжимается капиллярно-связанная или осмотически-связанная вода,т.е. лишь в высокотемпературных мерзлых грунтах при высокой их влажности или в засоленных грунтах при наличии в них осмотически-связанной воды.
Увеличение дисперсности,повышение засоленности приводит к увеличению деформаций за счет "ухода" влаги.Если в мерзлых песчаных и супесчаных грунтах при температуре -1.5С и давлении 0.3 Ша изменение влажности практически не происходит, то в полиминеральной глине при тех же условиях деформирования изменение влажности составило 2%,а деформация за счет оттока влаги - 74$ (0.65 10 м) от величины общей деформации.С увеличением засоленности доля дЕц в общей деформации увеличивается до 22% С0.ІЗ І0 3м) - в супеси и до 84$ (1.45 10 м) - в полиминеральной глине Стабл.6).Деформации мерзлых глинистых грунтов за счет уменьшения их влажности.как видно из таблицы,составляют значительную часть Сот 40 до 84$) от общей деформации мерзлых грунтов при их компрессионном уплотнении.
Зависимость сжимаемости мерзлых грунтов от температуры
Проведенный анализ результатов экспериментов по изучению влияния давления на сжимаемость мерзлых грунтов позволяет сделать следующие выводы.
1. C увеличением давления деформации сжатия мерзлых грунтов возрастают как при ступенчатом нагружении,так и при нагруже-нии мерзлых грунтов разными нагрузками.
Наибольшее влияние давление оказывает на изменение коэффициентов пористости мерзлых грунтов с неполной степенью заполнения пор влагой,где определяющую роль играют деформации ползучести льда и минерального скелета,сопровождающиеся закрытием воздушных пор.
Б мерзлых льдонасыщенных грунтах коэффициент пористости в зависимости от давления изменяется в меньшей степени.Влияние давления на величину Дб в мерзлых льдонасыщенных грунтах определяется интенсивностью развития процесса ползучести структурных элементов вследствие подплавления льда и частичного откатия незамерзшей воды.
2.Коэффициенты сжимаемости мерзлых льдонасыщенных грунтов с повышением давления уменьшаются.Сжимаемость мерзлых грунтов с неполной степенью заполнения пор влагой,наоборот,с возрастанием давления увеличивается.При достижении мерзлыми грунтами с & 1 определенной плотности наблюдается замедление роста деформаций и уменьшение коэффициентов сжимаемости. 3.Сжимаемость мерзлых грунтов в зависимости от режима нагру-жения неодинакова.Б мерзлых неполностью влагонасыщенных грун тах нагрузка,приложенная мгновенно,вызывает большие деформации и большее изменение коэффициентов пористости,чем при достижении этого же давления в условиях ступенчатого нагружения. В льдонасшценных грунтах обнаруживается обратная зависимость. 4.Время деформирования мерзлых грунтов С G I, G- І) в условиях мгновенного нагружения в 1.5 - 2 раза короче,чем при ступенчатом нагружении.Длительность процесса сжимаемости мерзлых грунтов с 6 1 увеличивается с возрастанием ступени нагрузки, а также с повышением льдиетости грунта.
Зависимость сжимаемости мерзлых грунтов от температуры
Наиболее восприимчивыми к изменению температуры компонентами мерзлого грунта являются незамерзшая вода и лед,изменяющие свое физическое состояние и свойства даже при небольших колебаниях температуры,особенно если температура близка к 0С. Б соответствии с количественным содержанием в мерзлых грунтах незамерзшей воды и льда и их физическим состоянием должна изменяться и сжимаемость мерзлых грунтов.Температурные границы наиболее интенсивных фазовых переходов льда в незамерзшую воду зависят от состава и свойств грунта.В мерзлых грунтах нижняя граница наиболее ощутимых фазовых превращений обычно не опускается ниже -4,-5С.В связи с этим,перед автором была поставлена задача проследить изменение сжимаемости мерзлых грунтов в области интенсивных фазовых переходов Сот -1.5 до -4С).
Влияние температуры на сжимаемость мерзлых грунтов рассматривалось в двух аспектах.С одной стороны,при поддержании постоянной температуры в течение всего эксперимента,а с другой - при периодическом ее изменении.
Влияние температуры при поддержании ее постоянной в течение опыта можно проследить по компрессионным кривым Срис,20). Из рисунка видно,что изменение коэффициента пористости у высокотемпературных мерзлых грунтов по мере их нагружения происходит гораздо интенсивнее,чем у тех же грунтов,но при более низких температурах.В зависимости от состава грунтов влияние отрицательной температуры на изменение коэффициентов пористости, как и на изменение коэффициентов сжимаемости,оказывается неодинаковым.
Уменьшение сжимаемости мерзлых грунтов при понижении температуры связано как с изменением фазового состава,так и с изменением прочностных и реологических свойств груята и с физико-химическими процессами,приводящими к преобразованию структурных элементов мерзлого грунта.
По мере понижения температуры количество незамерзшей воды в мерзлом грунте уменьшается.Интенсивность вымерзания незамерзшей воды при понижении температуры зависит от состава грунта.Кроме того,при более низких температурах прочность льда выше.По данным И.Г.Петрова (Петров,1976),прочность пресноводного льда увеличилась в 1.5 раза при понижении температуры от 0 до -ЮС.Наряду с увеличением прочности льда,происходит увеличение вязкости как пленок незамерзшей воды, так и кристаллов льда,обуславливающих,в совокупности,вязкость мерзлого грунта в целом.Согласно Бялову С.С. (Вялов,1976).Цытови-чу Н.А. (ЦытовичД973) ,Шушериной Е.П. (Шушерина и др.,1983), при понижении температуры происходит увеличение вязкости мерзлого грунта независимо от его состава и свойств.
Похожие диссертации на Компрессионное деформирование мерзлых грунтов
