Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности механических свойств оттаивающих грунтов 9
1.1. Экспериментальные и теоретические исследования деформационных свойств оттаивающих грунтов 9
1.2. Состояние вопроса изученности прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге 15
Выводы 29
Глава 2. Методика экспериментальных исследований прочностных свойств оттаивающих грунтов при сдвиге 33
2.1. Приборы проведения испытаний 34
2.1.1. Сдвиговой прибор 34
2.1.2. Прибор порового давления 35
2.2. Подготовка образцов 47
2.2.1. Подготовка образцов для испытаний на сдвиг 47
2.2.2. Подготовка образцов для измерения порового давления 51
2.3. Проведение испытаний 51
2.3.1. Проведение испытаний на сдвиг 51
2.3.2. Проведение испытаний по измерению порового давления 53
2.4. Обработка результатов 53
2.5. Обоснование значений внешних факторов для определения прочностных показателей 54
2.5.1. Исследования по определению задаваемой скорости оттаивания 55
2.5.2. Исследования влияния времени приложения нормальной нагрузки 58
Выводы 64
Глава 3. Характеристика исследуемых грунтов 65
Выводы 69
Глава 4. Результаты исследований формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге 70
4.1. Влияние физических свойств на формирование прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге 70
4.1.1. Влияние влажности-плотности на сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов при сдвиге 70
4.1.2. Влияние начальной влажности и пористости на сцепление и угол внутреннего трения оттаивающих дисперсных грунтов 85
4.2. Влияние криогенного строения грунта на формирование прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге 101
4.3. Влияния порового давления на формирование прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге 107
4.3.1. К вопросу о поровом давлении 107
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований порового давления в оттаивающих грунтах 112
Выводы 121
Глава 5. Расчет устойчивости оттаивающих откосов по прочностным характеристикам оттаивающих грунтов 122
Выводы 133
Заключение 134
Литература 136
- Состояние вопроса изученности прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге
- Подготовка образцов для измерения порового давления
- Влияние начальной влажности и пористости на сцепление и угол внутреннего трения оттаивающих дисперсных грунтов
- Расчет устойчивости оттаивающих откосов по прочностным характеристикам оттаивающих грунтов
Введение к работе
Актуальность. Одной из актуальнейших проблем при хозяйственном освоении районов криолитозоны является необходимость прогноза деформаций и несущей способности многолетнемерзлых пород при их оттаивании.
Исследование деформационных свойств оттаивающих грунтов, разработка методов определения характеристик, расчета осадок при оттаивании начаты в 30-е годы XX века. Накоплен огромный материал по результатам испытаний оттаивающих грунтов в полевых условиях горячими штампами на строительных площадках Петровско-Забайкальского металлургического завода, Удоканского ГОКа, Южной и Центральной Якутии, а также в лабораторных условиях для всех видов грунтов в широком диапазоне изменения их физических свойств.
Получены феноменологические зависимости, позволяющие выполнять прогноз осадок оттаивания в зависимости от льдистости, плотности, содержания незамерзшей воды, внешней нагрузки и времени ее воздействия. Выявлены закономерности влияния скорости оттаивания на величину осадки и степень консолидации оттаявших грунтов. Разработаны методы расчета осадок оттаивающих грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, методы определения заданной глубины предпостроечного оттаивания.
Что же касается прочностных характеристик оттаивающих грунтов, то они практически не исследованы. При переходе грунтов из мерзлого в талое состояние исчезают льдоцементационные связи и формирование несущей способности оснований происходит в течение длительного процесса уплотнения и водоотдачи грунта. Для корректной оценки устойчивости откосов, несущей способности инженерных сооружений, возводимых на оттаивающих грунтах, а также для прогноза негативных естественных и техногенных мерзлотно-геологических процессов необходимо знать изменение во времени прочностных характеристик грунтов (прежде всего сопротивления сдвигу) как на границе оттаивания, так и по глубине оттаявшего слоя.
В связи с этим исследования, направленные на установление закономерностей зависимости прочностных характеристик оттаивающих грунтов от физических свойств, условий оттаивания, временного фактора, обуславливающего консолидацию, являются актуальными.
Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось установление закономерностей формирования предельных значений прочностных характеристик оттаивающих дисперсных грунтов при сдвиге в зависимости от физических свойств, скорости оттаивания, внешних нагрузок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать усовершенствованную методику лабораторных исследований формирования прочностных характеристик оттаивающих дисперсных грунтов при сдвиге, позволяющую определять данные характеристики в зависимости от физических свойств, скорости оттаивания, внешней нагрузки и порового давления.
Провести эксперименты по изучению сопротивления сдвигу оттаивающих дисперсных грунтов в широком диапазоне изменения их физических свойств, условий оттаивания и уплотнения с учетом порового давления.
По данным анализа результатов экспериментов установить закономерности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге.
На основе сопоставления результатов прогноза устойчивости склонов, сложенных грунтами в оттаявшем и оттаивающем состояниях, дать рекомендации по условиям задания предельных значений прочностных характеристик.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Усовершенствована методика определения прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге, включающая методику замера порового давления на границе оттаивания.
Получены предельные значения прочностных характеристик основных видов дисперсных грунтов при оттаивании в широком диапазоне изменения их физических свойств, позволяющие прогнозировать предельное состояние оттаивающих оснований сооружений и устойчивости грунтов при различных геокриологических процессах.
Дана оценка влияния условий оттаивания (температурного режима на поверхности оттаивающего грунта и нормального давления) на формирование сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов и их прочностных характеристик.
По опытным данным измерения осадки в процессе оттаивания дана количественная оценка изменения физических свойств оттаивающих грунтов.
Получена закономерность влияния порового давления на сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов.
Установлено снижение коэффициента устойчивости оттаивающих дисперсных грунтов при условии учета предельных прочностных характеристик, формирующихся на границе оттаивания.
На защиту выносятся следующие положения:
Усовершенствованная методика определения прочностных свойств оттаивающих грунтов, включающая исследования порового давления.
Зависимости прочностных характеристик основных видов оттаивающих дисперсных грунтов от их физических свойств.
Закономерность формирования прочностных свойств оттаивающих грунтов в зависимости от режима тепловых и механических нагрузок в процессе оттаивания.
Зависимости прочностных характеристик оттаивающих грунтов от порового давления влаги и ее фильтрации в процессе оттаивания.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы для расчета устойчивости оснований инженерных сооружений, для прогноза естественных и техногенных мерзлотно-геологических процессов
7 в условиях оттаивания, а также для дальнейших научных исследований в данном направлении.
Личный вклад автора. Лично автором был собран, проанализирован и обобщен имеющийся материал по прочностным и деформационным характеристикам оттаивающих грунтов. Используя методику по определению сопротивления сдвигу при оттаивании, разработанную в НИИОСП имени Н.М. Герсеванова, как базовую, автор разработал усовершенствованную методику определения прочностных свойств основных видов дисперсных грунтов при оттаивании с учетом изменения физических, деформационных характеристик, включая исследования порового давления. Автором разработан прибор определения порового давления. Лично автором было проведено около 200 испытаний, включающих комплекс исследований механических и физических свойств основных видов дисперсных грунтов при различных режимах тепловых и механических нагрузок, выделен ряд основных факторов, влияющих на формирование сопротивления сдвигу при оттаивании. На основе опытных данных установлены закономерности формирования предельных значений прочностных характеристик грунтов на границе оттаивания с учетом порового давления.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 2 конференциях (на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003» и на Третьей конференции геокриологов России, 2006), на заседании секции научно-технического совета НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, нашли отражение в 5-ти публикациях и вошли в содержание ряда научно-технических отчетов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Содержит 143 страницы машинописного текста, включающих 12 таблиц, 45 рисунков и список литературы из 118 наименований.
Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством доктора геолого-минералогических наук Л.Т. Роман и в
8 НИИОСП имени Н.М. Герсеванова в лаборатории "Механики мерзлых грунтов и методов расчета оснований" руководимой кандидатом технических наук Г.И. Бондаренко, которым автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и внимание на всех этапах работы над диссертацией. Автор также выражает признательность д.т.н., профессору Л.Н. Хрусталеву, к.г.-м.н. С.С.Волохову за полезные советы и замечания, способствовавшие выполнению данной работы. Автор благодарит за внимание и помощь в проведении экспериментов к.т.н. А.Г. Алексеева, А.А.Чапаева, И.Н. Шуганова, а также родных и друзей за поддержку и понимание.
Состояние вопроса изученности прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге
Первые исследования прочностных свойств оттаивающих грунтов начали проводиться в 50-е годы XX века. Историю развития исследований прочностных свойств оттаивающих грунтов можно разделить на два периода.
В течение первого периода исследований (до 50-х годов XX в.) при строительстве оттаивающий грунт предлагали считать не обладающим несущей способностью. В качестве прочностных характеристик оттаявших грунтов предлагалось принимать их значения для талых грунтов, полученные при сдвиге в условиях быстрого возрастания нагрузки. Однако данный подход не давал возможности учитывать отличительные особенности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов. Поэтому с 50-х годов XX в.в. делаются первые попытки лабораторных исследований сопротивления сдвигу грунтов при оттаивании. Рассмотрим основные из них.
Н.К. Захаровым (1951, 1953) впервые были проведены опыты в лабораторных условиях по изучению сопротивления сдвигу при оттаивании. Исследования проводились на дисперсных грунтах нарушенной структуры: глине, суглинке и супеси. Для испытаний был применен прибор конструкции Явейн-Цытовича с рабочей кареткой в виде куба размерами коробки (128x58мм). Оттаивание осуществлялось при помощи штампа (100x50мм), в который была вмонтирована спираль накаливания напряжением 24 вольта. Оттаивание проводилось при нормальной нагрузке 0,03 МПа. Образцы имели заданную влажность грунта, соответствующую влажности, полученной в условиях полевых исследований. В результате исследований было установлено, что при оттаивании глины и суглинка (в диапазоне изменения влажности от предела раскатывания до предела текучести) происходит снижение прочностных характеристик по сравнению с аналогичными грунтами, не подвергавшимися процессу промерзания - оттаивания. Снижение значений прочностных характеристик объяснялось увеличением влажности на границе между мерзлым и оттаивающим слоем. Результаты испытаний супеси показали, что при оттаивании сопротивление сдвигу практически не изменяется.
Е.П. Шушериной (1955, 1957) проводились экспериментальные исследования по изучению изменения механических свойств, в частности, сопротивления сдвигу, в результате промерзания-оттаивания. Было показано, что наибольшее снижение сопротивления сдвигу при оттаивании наблюдается при избыточном льдоведелении в процессе промерзания с подтоком воды. В этом случае сопротивление сдвигу может уменьшаться в 5 раз. В условиях промерзания с льдовыделением, но без подтока влаги, сопротивление сдвигу при оттаивании изменяется в меньшей степени.
Е.П. Шушериной, Р.В. Максимяк (1967,1983) в лабораторных условиях проведены эксперименты по изучению сопротивления сдвигу при оттаивании грунтов ненарушенного сложения. Образцы представлены суглинками четвертичных отложений района Салехарда различного генезиса, характеризующимися различными структурно-текстурными особенностями (криотекстурой, плотностью, пористостью, влажностью). Опыты проводились в соответствии с методикой, разработанной на кафедре геокриологии МГУ (Шушерина, 1967). Сопротивление сдвигу при оттаивании определялось при различных нормальных нагрузках в диапазоне от 0,5 до 6,0 105 Па. По полученным значениям сопротивления сдвигу оттаявших грунтов при различных нормальных нагрузках рассчитывались (по способу наименьших квадратов) сцепление (Сот,МПа) и угол внутреннего трения {(рот). Методика предусматривала проведение испытаний по схеме быстрого сдвига (в течение 8-20 с.) в закрытой системе, что позволяло сохранить естественную влажность образцов и предотвращало отжатие переувлажненного оттаивающего грунта в щель срезывателя сдвигового прибора. Опыты осуществлялись на двух приборах: 1) конструкции Маслова-Лурье, специально переоборудованного в соответствии с методикой И.Б. Симанчука (1956), 2) ВСВ-1, конструкции Гидропроекта.
Результаты указанных опытов показали следующее. Сопротивление сдвигу суглинков при оттаивании существенно зависит от криогенной текстуры мерзлого грунта. При наличии массивной криотектуры (характерной для влажности предела раскатывания) сопротивление сдвигу оказывается более чем в 2 раза выше нормативного значения для талого грунта. Это объяснялось усилением структурных связей при промерзании, вследствие чего происходит "морозное агрегирование" грунта, влияющее затем на прочность при оттаивании. Для образцов того же типа грунта с более высокой влажностью (близкой к пределу текучести и выше), сетчатой и слоистой криотекстурой, обусловливающей их переувлажнение при оттаивании и разрушение структурных связей, отмечалось значительное снижение значений прочностных характеристик (С и (р). В большинстве случаев для грунтов со слоистой криотекстурой сопротивление сдвигу оказалось в 1,5-2 раза ниже нормативного, что объяснялось наличием ослабленных участков на месте вытаявших ледяных шлиров.
Отметим, что в отличие от методики Н.К. Захарова (1951), в которой оттаивание предлагалось проводить при нормальной нагрузке, Е.П. Шушериной (1967) был проведен анализ влияния времени приложения нормальной нагрузки на величину сопротивления сдвигу оттаявшего грунта. Установлено, что в большей степени влияние времени приложения нормальной нагрузки на прочностные характеристики грунта при оттаивании проявляется для образцов с влажностью, обусловливающей после оттаивания их тугопластичную консистенцию. Для образцов с текучей и текучепластичной консистенцией это влияние невелико. Это объяснялось тем, что нормальное давление, приложенное к таким образцам, почти целиком передается на воду, поэтому уплотнение грунта и увеличение сил сцепления между частицами его скелета с ростом величины нормального давления в этом случае незначительны. Е.П. Шушериной (1983) также проведены исследования, целью которых было изучение характера изменения сопротивления сдвигу на границе раздела оттаявшего и мерзлого грунта в зависимости от угла между поверхностью оттаивания и направлением ледяных прослоек, а также в зависимости от отношения площади ледяных и грунтовых прослоек на поверхности оттаивания. Необходимость таких исследований объяснялась тем, что при оттаивании грунтов с ледяными прослойками поверхность оттаивания может пересекать ледяные прослойки под разными углами, что может оказать влияние на полученные результаты.
В соответствии с задачами исследований образцы мерзлого грунта вырезались таким образом, чтобы ледяные прослойки были наклонены под различными углами а= 50; 60; 90; 135 к поверхности сдвига, а также с различным соотношением площади ледяных (SJ и грунтовых прослоек по поверхности оттаивания (5Л составляла от 9 до 28%). В каждом опыте проводилась оценка положения поверхности сдвига, так как в большинстве случаев она частично проходила по поверхности оттаивания, а частично в оттаявшем слое грунта. Опыты проводились на суглинках лагунно-морского генезиса.
Подготовка образцов для измерения порового давления
Замороженные образцы грунта устанавливались в сдвиговой прибор, предварительно охлажденный при температуре 0 = -5С. Сверху на образец мерзлого грунта устанавливался штамп, подключенный к ультратермостату, также выдержанный при температуре 0 = -50С. Штамп фиксировался на поверхности образца грунта при помощи направляющих. Затем при помощи крепежного устройства устанавливался индикатор часового типа: для замера осадки при оттаивании. После сборки прибор выстаивался (примерно в течение 1 часа) с целью стабилизации температурного режима. Затем включался ультратермостат. Таким образом, циркуляция воды в штампе обеспечивала сохранение постоянной температуры на поверхности образца в течение всего опыта. В этих условиях оттаивание производилось строго сверху вниз, радиальное направление оттаивания исключалось благодаря применению нетеплопроводимых колец из оргстекла. Ход оттаивания контролировался с помощью визуального наблюдения, термопар, а также тонкого металлического щупа. Данные о оттаивании заносились в журнал испытаний. Точность фиксации глубины оттаивания обусловливает правильное определение момента приложения сдвигающего усилия. Граница оттаивание образцов задавалась на 2-3 мм ниже верхней плоскости нижнего кольца. Данное условие соблюдалось для того, чтобы ледяные выступы не оказывали сопротивления сдвигу, так как их прочность значительно выше. Данный подход был применен на основе анализа исследований Е.П. Шушериной (1959; 1983). Согласно теории трения в условиях пластичного контакта (Михин, 1968), высота зоны сдвига должна превышать высоту ледяных выступов.
Оттаивание образца при исследовании сцепления и угла внутреннего трения производилось без приложения нормального давления (только под весом штампа). Соблюдение данного условия позволяет определить наиболее критические (низкие) значения прочностных характеристик. Обоснование данного условия получено нами по данным исследования влияния времени приложения нормального давления в процессе оттаивания на сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов. Результаты исследований в данном направлении приведены ниже.
Оттаивание до зоны сдвига происходило от 25 до 50 мин в зависимости от вида грунта и значения начальной влажности мерзлого грунта.
При достижении границы оттаивания быстро (в течение 30-60 сек.) прикладывалась заданная нормальная, а затем - сдвигающая нагрузка. Увеличение напряжения сдвига задавалось равномерно, при этом снимались показания индикатора деформации. За окончание испытаний принимался период времени, за который срезающая нагрузка достигала максимального значения. После чего наблюдалось некоторое ее снижение или постоянство. Вторым показателем окончания испытаний служило условие достижения общей деформации среза не менее 5 мм.
Испытания грунта на сдвиг при каждом заданном значении влажности и плотности для определения показателей прочности грунта на сдвиг (сцепления и угла внутреннего трения) проводились не менее чем при трех различных значениях нормального давления, величины которых задавались в соответствии ГОСТ 12248-96. После проведения каждого испытания послойно определялась влажность по высоте образца: в оттаявшей части образца, приконтактной и мерзлой зонах. После полного промерзания грунта в одометре при температуре 6 = -5С с помощью медной трубки осуществлялось подсоединение одометра к прибору измерения порового давления. Воздух из измерительной системы полностью удалялся, и обеспечивалась герметичность соединения измерительной системы игла - трубка - прибор. Условия оттаивания образца мерзлого грунта, находящегося в одометре , были аналогичными таковым при испытаниях на сдвиг с соблюдением тех же требований. В течение некоторого времени, пока водоприемник находился в мерзлой зоне, прибор не реагировал. В момент достижения границей оттаивания глубины расположения иглы прикладывалась нормальная нагрузка и фиксировались показания прибора. По измеренным в процессе испытания значениям нагрузок вычислялись касательные (тМПа) и нормальные напряжения (аДПа) по формулам: где Qn F- соответственно касательная и нормальная силы в плоскости среза, МПа; А - площадь среза, см1. Значения г вычислялись с учетом поправки на трение в приборе, которая определялась по заранее построенной тарировочной кривой (рис. 2.4). Угол внутреннего трения и сцепление вычислялись, в соответствии с ГОСТ 20522 - 96, по следующим формулам
Влияние начальной влажности и пористости на сцепление и угол внутреннего трения оттаивающих дисперсных грунтов
По результатам исследований на основе статистической обработки (ГОСТ 12248-96) были получены значения характеристик, определяющих сопротивление сдвигу исследуемых грунтов: сцепления и угла внутреннего трения в оттаявшем состоянии (Cfth,Mnau pflh) и на границе оттаивания (С(А,М7аи# ,А,0). Значения указанных характеристик для испытанных грунтов с заданными значениями влажности приведены в таблице 4.1. Известно, что влажность грунта не является единственным показателем физических свойств грунта, которые изменяются при оттаивании и влияют на формирование прочностных характеристик при сдвиге. Учет только изменения влажности не дает полной картины и не отражает действия других параметров физических свойств (вида грунта, плотности, коэффициента пористости) на сопротивление сдвигу при оттаивании. Поэтому наиболее целесообразно проводить анализ закономерностей формирования прочностных характеристик грунтов при оттаивании от обобщенного параметра, который мог бы комплексно учитывать изменение физических свойств грунта в процессе оттаивания. За такой параметр предложено принять коэффициент водонасы- где „-влажность грунта в зоне сдвига, д.е.; ем-пористость грунта в зоне сдвига; /з5-плотность частиц грунта; /?„,-плотность воды. Влажность грунта в приконтактной зоне (Wzs) определялась непосредственно после сдвига. Для определения коэффициента пористости оттаивающего грунта в момент сдвига был применен следующий подход. Как известно, величина осадки (Somm) в случае компрессионного сжатия при соблюдении плоскопараллельного оттаивания описывается следующей зависимостью (Цытович, 1973): гДе Ктт глубина оттаявшего слоя грунта; е0- начальный коэффициент пористости грунта; Де- компрессионное изменение коэффициента пористости при оттаивании Из выражений (1.1; 1.2 и 4.2) получаем следующее соотношение: На основе полученных из экспериментальных данных значений отношения -22 и известного значения начального коэффициента пористости грунта определяется компрессионное изменение коэффициента пористости при оттаивании Де: Затем, учитывая компрессионное изменение коэффициента пористости (Де) при оттаивании определяется значение коэффициента пористости в момент оттаивания в зоне сдвига еотт:
На основе полученных данных для каждого вида дисперсного грунта строились графики зависимости сцепления и угла внутреннего трения от коэффициента водонасыщения грунта полностью оттаявшего грунта и в приконтактной зоне сдвига (рис. 4.19 - 4.22). Сцепление и трение между частицами обусловлены структурно-текстурными особенностями, типом криотекстуры, дисперсностью, пористостью, физико-химическими особенностями грунта. Как показали исследования (Ершов, 1983), изменения механических свойств происходящие при промерзании-оттаивании дисперсных грунтов, обусловлены развитием комплекса взаимосвязанных теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов, вызванных в первую очередь фазовыми переходами влаги (гидратации и дегидратации частиц и агрегатов грунта при замерзании и процессов миграции влаги при оттаивании). При этом фазовые переходы, нарушая существующее термодинамическое равновесие в грунте в ходе промерзания-оттаивания, вызывают развитие в них процессов коагуляции и диспергации, агрегации и пептизации, что приводит к формированию и преобразованию структуры грунта (прочности внутри- и межагрегатных связей, геометрии, ориентировки и пространственного взаиморасположения структурных элементов грунта, определяющих их прочностные свойства при оттаивания). Особенности протекания данных процессов определяются гранулометрическим составом, минеральным составом, увлажнением, условиями промерзания-оттаивания, и, в конечном итоге, обуславливают формирование прочностных характеристик грунтов при сдвиге (Ершов, 1988). В исследуемой глине присутствие песчаных частиц приводит к возникновению внутреннего трения при сдвиге.
Расчет устойчивости оттаивающих откосов по прочностным характеристикам оттаивающих грунтов
Проблема обеспечения устойчивости естественных и искусственных откосов при оттаивании является одной из важнейших проблем в инженерной практике строительства в криолитозоне. Решением данной проблемы занимались многие исследователи: Жигарев (1960, 1967); Каплина (1965); Новиков (1961); Савельев (1964); Титов (1959); Рябчун (1976); Бондаренко (1981, 1982, 1988, 1996); McRoberts, Morgenstern (1974);Карр(1979)идр. Наблюдения за деформированием откосов в вечномёрзлых дисперсных грунтах показали, что основным видом деформаций выемок в этих грунтах являются сплывы и оползание оттаивающего грунта. Оползающий грунт сильно обводнен и формирует сплывы. Эти процессы смещения оттаивающего грунта протекают аналогично процессу солифлюкции, на что указывали В.С.Савельев (1965), Т.Н.Каплина (1965), С.М.Большакова (1966). Однако до сих пор не существует единой методики прогноза и расчета устойчивости оттаивающих откосов. Отметим, что объективный расчет устойчивости откосов возможен при правильном выборе расчётной схемы, наиболее полно учитывающей все особенности процесса оттаивания и действующие на оползневой массив силы, а также при правильном определении расчетных характеристик. Как показали полевые исследования, процесс оползания оттаивающего грунта не выходит за пределы оттаявшего слоя и не захватывает мёрзлые грунты. Это обусловлено высокой прочностью мёрзлых грунтов на сжатие по многочисленным данным С.С. Вялова (1959, 1978), СЕ. Гречищева (1963), Н.А.Цытовича (1957, 1966, 1973), Л.Т. Роман (2002) и при сдвиге по данным М.Н.Гольдштейна (1948), Е.П.Шушериной (1957), В.П.Титова (1959), Г.Д.Михайлова (1966), В.С.Савельева (1964, 1965, 1986), Г.Н.Каплиной (1965), Л.А.Жигарева (1960, 1967), Г.И.Бондаренко (1981, 1982, 1988) в десятки раз превышающий соответствующие характеристики оттаивающих грунтов того же состава. Поэтому в расчетной схеме следует рассматривать устойчивость оттаивающего грунта, залегающего на наклонной, жёсткой поверхности более прочного мёрзлого грунта.
Поскольку поверхность скольжения при оползании оттаивающего грунта проходит в пределах оттаявшего слоя, то зачастую устойчивость откосов оценивается методами, разработанными для талых (не промерзавших) грунтов, лежащих на поверхности более прочных скальных пород. Общими для откосов оттаивающих грунтов и их талого аналога является следующее: 1) смещение земляных масс на склоне (откосе) развивается под влиянием силы тяжести, когда сдвигающие напряжения оказываются выше удерживающих; 2) наличие плоской жёсткой поверхности скольжения, наклонённой под углом а; 3) взаимодействие блоков с приле/ающими участками; 4) снижение устойчивости при переувлажнении грунтов; 5) удерживающая роль растительности. Однако на основании анализа полевых исследований следует отметить, что имеются существенные различия: протекание процессов оползания в течение тёплого периода; перемещение границы оттаивания; изменение текстуры и структуры грунтов в процессе оттаивания; увеличение влажности на границе оттаивания. Также известно, что оттаивающие откосы начинают оползать при уклонах, значительно меньших, чем уклоны в откосах непромерзавших грунтов того же состава. Так, например, оттаивающие откосы, слагаемые льдистыми суглинками, способны терять устойчивость при углах падения 2 -4 (Жигарев, 1965; Лейбман, 1997; Савельев, 1964 и др.), тогда как непромерзавшие откосы того же состава могут держать откос 20 - 30 (Потрашков, Хрусталёв, 1961; Савельев, 1964). Поэтому для расчётов устойчивости, скорости течения и оползневого давления при оттаивании грунта необходимо определять предельные прочностные характеристики сопротивления сдвигу (трение и сцепление) именно оттаивающих грунтов. Известно, что полевые исследования позволяют получить наиболее достоверные значения прочностных характеристик оттаивающих грунтов. Но данные исследования являются дорогостоящими и трудоемкими.
Поэтому были предложены методики (Шушерина, 1967; Бондаренко, 1983), позволяющие получить расчетные параметры оттаивающих грунтов в лабораторных условиях. Для этих целей может быть применена предложенная в данной работе комплексная методика определения прочностных характеристик оттаивающих грунтов в лабораторных условиях, позволяющая получить предельные значения характеристики их для расчетов устойчивости оттаивающих откосов. Рассмотрим применение для расчета устойчивости прочностных характеристик оттаивающих грунтов, определенных по предложенной методике. В настоящее время в инженерной практике расчета устойчивости откосов наибольшее использование нашли два метода (Хрусталев,2005): 1) наклонных сил; 2) цилиндрических поверхностей скольжения. Метод наклонных сил применяется в том случае, когда линия (поверхность) скольжения заранее известна. Метод цилиндрических поверхностей скольжения исходит из допущения, что линия скольжения является дугой окружности. Наиболее часто в практике расчета устойчивости оттаивающего массива грунта применяют метод наклонных сил, где за линию скольжения принимают границу оттаивания грунта (которая определяется либо по данным полевых исследований, либо расчетным способом).
