Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности закономерностей деформирования и прочности мерзлых грунтов 9
1.1. Реологические свойства 9
1.2. Влияние физических свойств мерзлых грунтов на их поведение под нагрузками ... 13
1.3. Методы прогноза длительной деформации мерзлых грунтов 20
1.4. Методы прогноза длительной прочности мерзлых грунтов 26
1.5. Кинетика разрушения мерзлых грунтов 32
2. Методика испытаний и обработки данных 42
2.1. Методика подготовки образцов 42
2.2. Методика определения физических свойств 43
2.3. Методика испытания мерзлых грунтов на вдавливание шарикового штампа 47
2.4. Методика испытания мерзлых грунтов на одноосное сжатие под ступенчатой нагрузкой 49
2.5. Методика испытания компрессионным сжатием мерзлых грунтов 53
2.6. Статистическая обработка опытных данных 55
3. Характеристика природных условий 59
3.1. Климат 59
3.2. Орогидрография 61
3.3. Геологическое строение 64
3.4. Распространение, мощность и температура многолетнемерзлых пород 67
3.5. Состав, криогенное строение и льдистость многолетнемерзлых грунтов 71
4. Физические свойства исследованных грунтов 76
5. Выбор способа прогноза длительной прочности и деформации мерзлых грунтов исследуемого района 92
5.1. Анализ достоверности определения длительной прочности исследуемых грунтов на основе сопоставления экспериментальных и расчетных данных 92
5.2. Сопоставление прогнозных значений сопротивления нормальному давлению по данным испытаний шариковым штампом и одноосным сжатием 108
6. Особенности процесса деформирования и снижения прочности мерзлых засоленных грунтов 118
7. Параметры прогнозных уравнений длительной прочности для РГЭ исследуемого района ..136
Выводы 146
Список литературы 148
- Влияние физических свойств мерзлых грунтов на их поведение под нагрузками
- Методика испытания мерзлых грунтов на вдавливание шарикового штампа
- Геологическое строение
- Сопоставление прогнозных значений сопротивления нормальному давлению по данным испытаний шариковым штампом и одноосным сжатием
Введение к работе
Актуальность
Суровые климатические условия, распространение многолетнемерзлых грунтов, в том числе засоленных, заторфованных, сильно льдистых 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 - Вараидей 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 3С), 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:
Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов прогноза длительной деформации и прочности мерзлых грунтов.
Провести анализ и обобщение мсрзлотпо-грунтовых условий по данным литературных источников, архивных материалов и результатов инженерно-геокриологических изысканий, в которых автор принимал участие.
Выбрать и обосновать методики лабораторных исследований и получить параметры прогнозных уравнений.
Осуществить экспериментальные и теоретические исследования длительной прочности и деформируемости основных видов мерзлых грунтов исследуемого района в диапазоне изменения характеристик их физических свойств и температуры.
Установить закономерность зависимости длительной прочности и деформируемости от времени воздействия внешних нагрузок как единого термофлуктуационного процесса.
Разработать предложения по определению длительной прочности и деформации, получить параметры прогнозных уравнений для мерзлых грунтов исследуемого района.
Научная новизна работы
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.
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.
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
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.
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.
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 определений 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;
Рекомендации по выбору наиболее достоверных феноменологических уравнений, которые могут быть использованы для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых засоленных грунтов.
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 грунта на период времени сопоставимый с периодом эксплуатации сооружения.
Аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температуры мерзлого засоленного грунта на длительную прочность, установленная на основе термофлуктуационного представления о процессе разрушения.
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 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), А.В. 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.
Влияние физических свойств мерзлых грунтов на их поведение под нагрузками
Начиная с 20-х годов XX века и до настоящего времени, накоплен обширный объем данных о физико-механических свойствах мерзлых грунтов и льда. Установлены основные закономерности влияния на деформацию и прочность физических свойств и температуры. Результаты исследований широко освещены в материалах различного рода конференций, симпозиумов, в тематических сборниках. Их обобщение приведено в целом ряде монографий как отечественных (Сумгин, 1927; Цытович, Сумгин, 1937; Цытович, 1952; Пекарская, 1963; Пчелинцев, 1964; Цытович, 1973; Велли, 1973; Докучаев, Шейкман, 1976; Гайдаенко, 1978; Гончаров, Комзина, Малков, 1980; Роман, 1981; Коновалов, Роман, 1981; Роман, 1987; Роман, 2002; Савельев, 1991; Брушков, 1998), так и зарубежных (Andersland, Anderson, McCraw-Hill, 1983; Johnston, Willy and Sons, 1981; Zhu, Carbee, 1987; Andersland, Ladany, 1994).
Увеличение деформации грунтов с ростом дисперсности вызвано прежде всего увеличением содержания незамерзшеи воды. Большие деформации льда связаны с особенностями его структурной решетки, наличием в ней дефектов. Деформируемость и прочность крупнообломочных мерзлых грунтов обусловлены мелкодисперсными минеральными заполнителями, либо ледяными включениями. При этом необходимо учитывать вид напряженного состояния. При плотной упаковке минеральных отдельностей сопротивление сжатию мерзлых крупнообломочных грунтов может превышать прочность мелкодисперсных грунтов за счет жесткости скелета, а сопротивление растяжению либо сдвигу может быть весьма незначительным в связи с низкими цементационными связями между отдельными обломками.
Увлажнение дисперсных грунтов до влажности, соответствующей 0,8-0,95 полной влагоемкости, увеличивает их прочность при промерзании (рис. 1.5). Это обусловлено возрастанием количества цементационных связей льда с частицами грунта и формированием монолитной криогенной текстуры. Дальнейшее увеличение влажности приводит к разуплотнению грунта, вызванному расширением воды при замерзании, образованию ледяных включений, что увеличивает деформируемость и снижает прочность.
Изотонический коэффициент с разбавлением растворов, увеличивается, приближаясь к суммарному количеству ионов, на которое диссоциируют молекулы соли в водном растворе. Из основных солей, распространенных в мерзлых грунтах, NaCl (характерная для морского типа засоления), имеет наименьший молекулярный вес.
Зависимость предельно-длительного эквивалентного сцепления с,ю от засоленности (Dmi) (Велли, Аксёнов, 1952) / - песок (в = -3 С); 2 - ил (в = -3 С); 3-5 - суглинок соответственно при в = -3, -4, -5С При этом следует отметить, что степень влияния растворенных солей обусловлена не засоленностью (Dsai), а концентрацией порового раствора (Кр,). При одной и той же засоленности концентрация порового раствора уменьшается с увеличением влажности. Таким образом, влияние засоленности на сопротивление мерзлых грунтов нагрузкам с увеличением суммарной влажности снижается. Так как в природных условиях влажность грунтов близка к полной влагоемкости, которая увеличивается в ряду песок супесь суглинок глина торф, то влияние засоленности на ползучесть и прочность проявляется в обратном порядке: при одной и той же засоленности ее влияние в песчаных грунтах больше, чем в глинистых.
Торф и биогенные остатки в минеральных мерзлых грунтах в силу значительной гидрофильности обусловливают большое содержание льда и незамерзшсй воды. Это обстоятельство и незначительная прочность биогенных частиц являются причиной ползучести и снижения прочности (Роман, 1981) Наблюдается также уменьшение прочности с увеличением степени разложения торфа. Менее разложившийся торф более гидрофилен, удерживает большее количество внутриклеточной влаги. С увеличением степени разложения повышается гидрофобность, но вместе с тем увеличивается площадь удельной поверхности частиц и, следовательно, содержание незамерзшей воды.
При понижении температуры ползучесть мерзлых грунтов снижается, а сопротивление нагрузкам увеличивается. Это вызвано тремя основными процессами: уменьшением количества незамерзшей воды, увеличением содержания льда-цемента; упрочнением кристаллической решетки льда и всех твердых компонентов; структурным уплотнением, при температурном сокращении в пределах естественной температуры.
Одной из первых реологических теорий является теория линейного упруго-вязкого деформирования. Она оперирует модельным (механическим либо математическим) отображением реологических свойств с сочетанием упругих, вязких и пластических элементов. Примером для мерзлых грунтов могут служить модели (рис. 1.10) для сдвиговой ползучести, отображая как затухающее, так и незатухающее деформирование. Уравнение деформирования выводится путем суммирования деформаций, выраженных соседними элементами. Упругий элемент Гука (Н) отображается законом г = Gy; вязкий элемент (ЛО -законом Ньютона (N) = rjf; пластический - законом Сен-Венана: - т = тт (где: т -напряжение; G - модуль сдвига; у, у- деформация и ее скорость; ц - коэффициент вязкости; тт - напряжение, до величины которого деформация не возникает).
Модели дают наглядное представление о процессе ползучести, но не достаточно корректные совпадения с данными испытаний. Все остальные теории позволяют более удовлетворительно описывать процесс ползучести.
Методика испытания мерзлых грунтов на вдавливание шарикового штампа
Метод испытания шариковым штампом, предложенный Н. А. Цитовичем (1942), на основе пробы Бриннеля широко используется в механике мерзлых грунтов для установления изменения их прочности от температуры, влажности, засоленности и времени воздействия нагрузки. Он позволяет получить комплексную прочностную характеристику эквивалентного сцепления (Сэ), которая комплексно учитывает сцепление и внутреннее трение, позволяя определить сопротивление грунтов нормальному давлению и сдвигу. Определение эквивалентного сцепления производилось на одноштоковых приборах УИМГ -1 (рис 2.3), укомплектованных штампом диаметром 23 мм.
Одновременно с пуском секундомера поворотом стопорного винта через шариковый штамп нагрузка передавалась на образец и через определенные промежутки времени от начала загружения измерялась глубина вдавливания шарикового штампа в мерзлый грунт (5,). Также некоторые опытные данные были получены с помощью модернизированных приборов, оборудованных автоматической системой сбора данных. Эта система в автоматическом режиме производит непрерывное измерение глубины осадки штампа (точность 0,003мм) во времени (точность отсчетов во времени составляет 1мс). Испытания образцов шариковым штампом выполнялись при постоянной в течение всего опыта нагрузке, которая назначается с соблюдением условия ограничения 15-минутной осадки 0,005d Si5 0,05d (d - диаметр шарикового штампа).
Испытания образцов мерзлого грунта на одноосное сжатие относится к прямым методам определения механических свойств. Испытания позволяют определить прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов в изотермичных условиях. В результате устанавливается значение мгновенной (кратковременной) и предельно-длительной прочности, модуля линейной деформации, зависящего от времени и нагрузки, и параметров ползучести. Для всех видов испытаний на одноосное сжатие изготавливались образцы цилиндрической формы диаметром 45 мм и высотой 100 мм.
При испытании на одноосное сжатие образцов мерзлого грунта под ступенчато-возрастающей нагрузкой величина напряжения в образце на первой ступени и приращение напряжения на каждой последующей ступени принимались равными одной десятой доли от мгновенной прочности о"ос мерзлого грунта при данной температуре и определялись по формуле: oz,i=aoc rij/lO, где ПІ- порядковый номер ступени.
В соответствии с ГОСТ 12248 - 96 при определении параметров зависимости между напряжением и деформацией продолжительность действия каждой ступени нагрузки рекомендуется одинаковой и равной 24 ч. Однако при испытании пластичномерзлых грунтов за этот период не достигается условно - стабилизированная скорость деформации. Поэтому для повышения достоверности результатов испытаний действие ступени выдерживалось до условной стабилизации скорости (которая должна быть неизменной в течение шести часов). Это позволяет на кривой ползучести выделить участок с постоянной скоростью деформирования. Испытание продолжали до наступления либо стадии незатухающей ползучести, либо до достижения продольной деформации образца равной 20% от его первоначальной высоты.
По результатам испытаний одноосным сжатием строились графики зависимости относительной деформации є от времени t (рис 2.6) и реологические кривые, выражающие зависимость скорости деформации є от напряжения с на каждой ступени (рис 2.7). Напряжение, соответствующее точке перегиба реологической кривой, соответствовало пределу прочности испытанного образца мерзлого грунта.
Для этой цели при обработке опытных данных выделяется на каждой ступени линейный участок деформирования т.е. участок с постоянной скоростью, который описывается линейным уравнением, полученным методом наименьших квадратов. Деформации на каждой ступени необходимо рассматривать без учета деформаций на предыдущих ступенях (рис. 2.8). Затем с помощью полученного уравнения выполняется экстраполяция деформаций во времени на каждой ступени до момента достижения её критического значения, которое сооїветствует точке перехода от шведовой вязкости к бингамовой (напряжению GY см. рис 2.7). По значению критической деформации получаем период времени до разрушения при данной нагрузке. Обработав таким образом результаты зависимости є - t на всех ступенях испытания мерзлого грунта, получаем массив точек, в котором каждой нагрузке на ступени соответствует постоянная скорость деформации на данной ступени, а также период до разрушения при данном напряжении. После этого эти точки наносятся на график \gcr-\gt и lgcr-lge (рис. 2.9).
По показателям физических свойств исследуемых грунтов выделены расчетно-грунтовые элементы (РГЭ). При этом использована универсальная схема выделения расчетно-геологических элементов (РГЭ) по показателям физических свойств, созданная в секторе исследования мерзлых грунтов Фундаментпроекта на основании ГОСТ 25100 - 95, «Рекомендаций...»(2001) и учебного пособия (Лабораторные методы..., 2008).
Геологическое строение
Исследуемый район расположен на севере восточного блока Печорской низменности, которая является частью Тимано-Печорской эпибайкальской плиты -крупнейшей на северо-востоке отрицательной структуры (Тектоническая карта..., 1996). Складчатый фундамент плиты образован метаморфизованными вулканогенно-осадочными толщами, залегает в районе исследований на больших глубинах.
В осадочном чехле плиты выделяются три структурных яруса, отвечающих основным циклам тектонического развития региона: каледонскому, герцинскому и мезозойско-кайнозойскому. Каледонский и герцинский этапы представлены слабодислоцированными палеозойскими и раннемезозойскими породами преимущественно терригенных формаций (Инженерная геология, 1991). Мезозойско-кайнозойский ярус сложен субгоризонтально залегающими терригенными отложениями среднеюрско-мелового и неоген-четвертичного возраста.
По структурно-формационным особенностям в чехле плиты в пределах ярусов выделяются крупные структуры каледонско-герцинского тектогенеза, район исследований находится в пределах одной из них - Хорейверской мегавпадины.
Отложения мезозойско-кайнозойского цикла тектогенеза залегают со стратиграфическим перерывом и угловым несогласием на различных структурных подразделениях герцинид и образуют верхний структурный ярус платформенного чехла, принадлежащий Печерской наложенной синеклизе.
В пределах Печерской синеклизы повсеместно распространены новейшие, главным образом, четвертичные отложения различного состава и генезиса, мощностью до 200-300 м. Среди исследователей в области четвертичной геологии рассматриваемого региона существуют принципиальные расхождения по вопросам генезиса рельефообразующих отложений, масштабов четвертичных оледенений и их соотношений с морскими трансгрессиями. Автор работ придерживается широко известных взглядов (Данилова, 1978) о морском и ледово-морском происхождении основной части разреза четвертичных отложений.
Маркирующим рельефообразующим горизонтом в регионе являются среднеплейстоценовые ледово-морские отложения роговской свиты (gmll2"4), представленные темносерыми крупнооскольчатыми суглинками, реже глинами с включениями валунно-галечного материала (3-10%), с прослоями мелкозернистых песков и супесей. Мощность их достигает 100-150 м.
Отложения свиты слагают наиболее высокие водораздельные поверхности (мусюры и мыльки), а также подстилают более молодые осадки в разрезах морских террас и озерно-аллювиальные равнины. Особенности состава и строения верхней части роговской свиты в районе исследований состоят в присутствии значительного количества валунного материала (10%), и в более грубом составе отложений. Так, валунные суглинки перемежаются линзами и прослоями песков. Встречаются участки, где большая часть разреза водораздельной поверхности сложена мелкозернистыми песками, постепенно фациально замещающимися суглинками. Рассматриваемые отложения являются прибрежными ледово-морскими фациями регрессирующего морского бассейна (рис. 3.5).
Вне мусюров и мыльков на водораздельных поверхностях залегают озерно-аллювиальные отложения верхнеплейстоценового возраста (1а IIIі). В районе исследований они имеют мощность от 5 до 15, реже до 20 метров и залегают на отложениях роговской свиты. Разрез озерно-аллювиальных отложений следующий: залегающие с поверхности легкие суглинки и супеси подстилаются супесями пылеватыми, серыми с включениями гальки и гравия, и песками мелкозернистыми пылеватыми серыми, содержащими валуны и гальку; на границе с роговской свитой залегает горизонт гравийно-галечниковьгх отложений с суглинистым заполнителем.
Верхнеплейстоцен-голоценовые морские отложения слагают серии последовательно снижающихся к морю террас. Морские отложения третьей террасы (т Ш2"3) представлены суглинками с прослоями песка и песками с линзами супесей и включениями гравийно-галечникого материала, их мощность составляет 30 - 35 метров. Вторая (т Ш3"4) и первая (рт III-IV) морские террасы сложены чередующимися пачками песков и суглинков лагунно-морского и прибрежно-морского генезиса мощностью 2 - 5м.
Нижняя часть озерно-болотных отложений представлена оторфованными суглинками, супесями и песками, верхняя сложена торфом различной степени разложения. Мощность торфа изменяется от 0,5-1,0 м на возвышенных пространствах междуречий, до 2-3 м - на впадинах рельефа и на речных террасах. Общая мощность озерно-болотных накоплений преимущественно не превышает 3-5 м. Максимальные мощности до 5-7 м отмечаются в озерных котловинах. Основная масса торфяников сформировалась в эпоху климатического оптимума голоцена, который для европейской части России датируется интервалом времени 6,5-4,5 тыс.л.н. (Хотинский и др., 1991). 3.4. Распространение, мощность и температура многолетнемерзлых пород
Исследованная территория, согласно Геокриологической карте СССР (1991), расположена преимущественно в зоне сплошного ( 80% площади) распространения многолетнемерзлых пород (ММП) с температурой от минус 0,5 до минус 4,0С и мощностью мерзлой толщи 50-200 м и более.
По результатам наших исследований, проведенных в 2002-2005 гг., для данной территории характерна высокая неоднородность геокриологических условий верхнего горизонта, частое чередование участков, сложенных с поверхности мерзлыми грунтами, участков с заглубленной кровлей ММП и талыми грунтами.
В полевой период 2005г в районе исследований проводилась крупномасштабная (1:5000) ландшафтная съемка с попикетным описанием трассы; геофизические исследования (непрерывное электропрофилирование, ВЭЗ), позволяющие определять вертикальные границы распространения мерзлых пород. Полученные данные, а также материалы бурения скважин и результаты лабораторных исследований грунтов позволили охарактеризовать особенности распространения ММП, глубину залегания их кровли и среднюю температуру с учетом региональных и локальных факторов природной среды: состава и свойств грунтов, характера мезо- и микрорельефа, растительного покрова, природной среды снегонакопления, дренированности поверхности.
Основными факторами, влияющими на дифференциацию средних годовых температур ММП в районе, являются: рельеф, характер снегонакопления, растительность, обводненность территории, состав и свойства грунтов. При этом ведущим фактором являются условия снегонакопления, связанные с особенностями рельефа и высотой кустарниковой растительности. Значительная расчлененность рельефа и ветровой перенос являются причиной интенсивного перераспределения снега и, следовательно, создания различных условий зимнего охлаждения грунтов. На открытых приподнятых участках, где снежный покров имеет незначительную мощность (0,1-0,3м) и максимальную плотность, отмечаются минимальные для данного региона средние годовые температуры грунтов -до минус 4-4,5С. Понижения в рельефе с зарослями ивняка, где накапливается мощный снежный покров (до 1,5м и более), характеризуются наиболее высокими температурами грунтов - около 0С и формированием таликов. Таким образом, отепляющее влияние снежного покрова оказывается важнейшим фактором формирования температурного режима грунтов и глубины залегания кровли мерзлых толщ.
Сопоставление прогнозных значений сопротивления нормальному давлению по данным испытаний шариковым штампом и одноосным сжатием
При исследовании прочностных характеристик многолетнемерзлых грунтов широко используется метод испытания грунтов одноосным сжатием при ступенчатой нагрузке. Но, принимая во внимание то, что длительность эксперимента не превышает трех недель, а прочность грунта, полученная при испытании, дается на весь период эксплуатации сооружения, на практике используют коэффициенты, снижающие прочность, которые зависят от длительности эксперимента и не учитывают физических свойств грунта. Поэтому в данной работе предлагается использовать методику расчета длительной прочности по данным экспериментов на одноосное сжатие, основанную на представлениях о термофлуктуационном процессе разрушения мерзлых грунтов под внешней нагрузкой (см. 3.5 и гл.6).
При обработке опытных данных строились кривые ползучести (зависимость относительной осадки от времени) и на каждой ступени выделялся линейный участок деформирования, т.е. участок II стадии ползучести с постоянной скоростью. Этот участок описывался линейным уравнением, полученным методом наименьших квадратов. При расчетах рассматривались деформации /- ой ступени без учета деформаций, возникающих на предыдущих ступенях (рис. 5-12в - 5.14в). Затем с помощью полученного уравнения выполнялась экстраполяция деформаций во времени до момента достижения её критического значения (єкр) на каждой ступени. Значение критической деформации соответствует конечной деформации последней ступени, которая характеризуется Шведовой вязкостью (последняя ступень на первом линейном участке реологической кривой см. рис 5.12а-5.14а). Период достижения критической деформации на каждой ступени принимался как период времени до разрушения при данной нагрузке. Обработав таким образом результаты зависимости е - t на всех ступенях испытания мерзлого грунта, были получены массивы точек для каждого вида грунта, в которых каждой нагрузке на ступени соответствует постоянная скорость деформации на данной ступени, а также период до разрушения при данном напряжении. После этого эти точки наносились на график \ga-\gt и Igff-lge (рис. 5.15; 5.16; 5.17). Такой подход позволил определить параметры (ро, J3g) уравнения длительной прочности (5.4), которое рассматривается как одно из наиболее достоверных прогнозных уравнений для исследуемых грунтов (см. гл. 5.1)
Используя описанную выше методику, была рассчитана прочность грунта одноосному сжатию (а5о) и эквивалентное сцепление (С,5о) на период времени 50 лет для незасоленного суглинка, испытанного при различной температуре (0 = -1,5; -2,0; -4,0), мерзлого суглинка с различной концентрацией порового раствора (Кпр =0,0073; 0,0088; 0,0243) при температуре минус 1,5С, а также засоленной супеси (Кпр = 0,0105; 0, 0263; 0, 0421) при температуре минус 3,0С (рис 5.12-5.14).
Как можно видеть, значения нормального давления, рассчитанные по данным одноосного сжатия и вдавливания шарикового штампа, дают небольшие расхождения. Так, для незасоленного суглинка это расхождение составляет 0,022 - 0,034МПа; для засоленного суглинка - 0,005 - 0,023МПа, для засоленной супеси - 0,012 - 0,026МПа.
Также для исследованных грунтов по методике, рекомендованной в ГОСТ 25100 -95, были рассчитаны модули деформации (Едл) на 50 лет.
Следует отметить, что описанный выше метод имеет существенное допущение, заключающееся в следующем. При ступенчатом иагружении образца происходит его уплотнение при каждом загружении, т.е с каждой последующей ступенью увеличивается плотность грунта. Это влияет на прочностные и деформационные свойства, что отмечалось многими авторами. Так по данным М.Д. Церендоржиевой (1994), при испытании на сдвиг полиминеральной глины (#=-3,0С) при трех-ступенчатом нагружении деформации образца были на 20 - 30% меньше, чем при одновременной загрузке третьей ступенью.
1. На основе сравнения экспериментальных значений длительной прочности и рассчитанных по ряду прогнозных уравнений на конечный опытный период (до 360 ч), установлена достоверность прогноза исследуемых уравнений для различных видов грунтов и их физических свойств. Показано, что для незасоленных грунтов могут быть использованы логарифмическое и степенное уравнения (5.1), (5.2) и степенное уравнение, включающее кинетический параметр (5.4); для льдистых грунтов -уравнения (5.2) и (5.4); для засоленных - уравнение (5.4) и (5.1).
2. Методика обработки опытных данных испытаний одноосным сжатием при ступенчатом загружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения и взаимосвязи длительной прочности и скорости деформации, позволяет определить прочность и деформацию мерзлых грунтов на срок, сопоставимый со сроками эксплуатации сооружений.
Раскрытие природы прочности и деформируемости мерзлых грунтов относится к задаче фундаментальных проблем наук о Земле. Решение этих задач позволяет совершенствовать методы прогноза несущей способности мерзлых грунтов при механических и тепловых нагрузках. Помимо экспериментального установления закономерностей зависимости процессов разрушения мерзлых грунтов от физических свойств и температуры, рядом исследователей привлекаются теоретические представления о кинетике проявления реологического поведения мерзлого грунта под нагрузками.
