Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 51 2.5 Результаты исследования физико-механических свойств мерзлых и охлажденных грунтов 2.5.1. Основные физические свойства грунтов В пределах глубины отбора проб грунты представлены песками мелкими и пылеватыми, супесью, суглинком, торфом. Характерной особенностью является высокая льдистость всех видов грунтов, заторфованность. Значение засоленности колеблется в пределах от 0 до 0,6-1,0%. На береговом участке, примыкающем к Байдарацкой губе, установлена высокая соленость воды (до 80 г/литр), что говорит о возможном наличии криопэга в районе расположения скважин Y-PS-1 – Y-PS-3 Значение характеристик основных физических свойств определены в соответствии с требованиями ГОСТов. При составлении сводной таблицы характеристик физических свойств использованы данные определения плотности и влажности, полученные в полевых условиях, а также результаты, полученные в процессе комплексных испытаний, выполненных при исследовании теплофизических свойств, фазового состава, температуры начала замерзания, осадок при оттаивании, сопротивления срезу. Приведенные значения могут быть приняты в качестве нормативных (Табл. 2.5.1). По результатам компрессионных испытаний оценены величины коэффициентов фильтрации основных видов грунтов (табл. 2.5.2). 2.5.2. Теплофизические свойства и фазовый состав влаги Кондиционность геокриологического прогноза и оценки количественной интенсивности теплового и механического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями во многом определяется качеством вводимой информации о теплофизических свойствах горных пород. ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 51 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 52 Таблица 2.5.1 Сводная таблица физических свойств грунтов (Ямальский берег) Верхний предел текучести, % Предел раскатывания, % Число пластичности,% Объемная льдистость, i, д.е. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2,4-2,6 - - 6,1 6,7 43,1 32,2 6,7 3,5 2,7 1,0 2,65 1,66 1,30 28,0 - - - 0,00 0,23 2 5 1,4-3,9 - - 0,4 0,5 26,6 66,5 1,6 0,4 1,9 2,1 2,65 1,63-1,79 1,281,49 37,320,2 - - - 0,00 0,37 0,16 23 песок пылеватый песок пылеватый 3 6 0,8-1,0 - - 1,5 7,7 76,8 10,1 2,2 0,1 1,4 0,2 1,82 1,26 0,64 96,0 - - - 0,02 0,46 4 5 7 7 0,9-1,1 1,3-3,0 4,6-9,2 6,1 6,7 43,1 32,2 6,7 3,5 2,7 1,0 2,67 0,91 1,88 0,14 1,57 554 20,1 - - - 0,00 0,00 0,95 0,2 6 7 3,0-4,6 0,3 2,5 87,7 5,8 1,5 0,8 1,2 0,2 2,70 1,82 1,33 37,2 20,2 19,2 1,0 0,00 0,25 7 9 0,3-2,6 3,0 9,6 74,5 9,0 2,0 0,1 0,8 1,0 2,68 1,98 1,59 24,5 - - - 0,01 0,36 8 9 2,6-5,3 0,2 0,9 3,4 11,8 53,6 14,0 12,3 3,8 2,7 1,91 1,5 27,3 - - - 0,05 0,12 9 10 0,6-1,4 1,1 43,3 37,9 11,8 0,5 0,8 4,6 2,66 1,93 1,57 23,0 - - - 0,01 0,8 0,05 – 0,01 0,1 – 0,05 0,25 – 1 0,5 – 0,25 1,0 – 0,5 < 0,001 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. Плотность сухого грунта, ρd, г/см3 2 4 2–1 0,005 – 0,001 1 1 >2 0,01 – 0,005 Наименование грунта, по ГОСТ 25100-95 Y-RPGS Глубина отбора проб Суммарная влажность, Wtot, % Засоленность, Dsal, % Грансостав(%) при диаметре частиц (мм) Плотность, ρ, г/см3 №№ скважин Плотность частиц, ρs, г/см3 №№ п/п песок пылеватый заторфованный Iот=0,3 торф песок пылеватый заторфованный Iот=0,12 суглинок серый, слоистой текстуры песок мелкий песок пылеватый с прослоями суглинка песок пылеватый с ледяными включениями 52 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 53 Объемная льдистость, i, д.е. 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 - - - 0,96 - 100 - - - 0,00 0,95 33,4 9,0 2,4 5,8 1,6 2,67 1,84 1,44 28,1 - - - 0,01 0,05 19,9 69,8 6,6 1,0 2,0 0,3 2,2 1,46 0,99 48,0 - - - 0,10 0,20 1,0 11,1 6,3 43,1 19,4 24,0 56,2 10,4 8,9 2,9 7,6 1,6 0,5 3,6 2,69 2,67 1,58 1,91 0,61 1,49 178 28,0 22,2 - 16,6 - 5,6 - 0,5 0,01 0,25 0,10 0,5-1,2 1,3 57,9 28,5 6,1 1,0 0,7 4,5 2,65 1,92 1,54 25 - - - 0,02 0,15 13 1,2-9,0 0,6 32,2 37,9 25,3 2,3 1,5 0,2 2,66 1,38 1,0 38,5 - - - 0,01 0,20 17 14 0,7-3,0 0,2 6,6 28,3 49,6 0,7 3,9 10,7 2,68 1,9 1,37 39,9 - - - 0,2 0,25 18 14 3,0-7,0 1,3 57,9 28,5 6,1 1,0 0,7 4,5 2,70 1,95 1,56 25,0 - - - 0,03 0,20 23 лед с включени-ем песка песок пылеватый с суглинком Iот=0,4 песок пылеватый заторфованный Iот=0,4 супесь песок пылеватый с суглинком песок пылеватый с суглинком 1:15 песок пылеватый заторфованный Iот=0,2 песок пылеватый с прослоями супеси песок пылеватый с прослоями супеси и суглинка Iот=0,10 0,1 – 0,05 8 9 3 1,4-2,4 11 10 2,4-8,2 0,7 1,3 45,8 12 11 1,9-8,0 0 0,4 13 14 12 12 2,1-3,1 3,1-9,0 0,1 3,3 15 13 16 0,005 – 0,001 0,25 – 1 7 2 10 0,01 – 0,005 0,5 – 0,25 6 1 10 0,05 – 0,01 1,0 – 0,5 5 < 0,001 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. Засоленность, Dsal, % Предел раскатывания, % 12 - 4 2–1 Плотность сухого грунта, ρd, г/см3 11 - >2 Плотность, ρ, г/см3 10 YRPGS Плотность частиц, ρs, г/см3 Наимено-вание грунта, по ГОСТ 25100-95 Глубина отбора проб Верхний предел текучести, % Грансостав(%) при диаметре частиц (мм) Суммарная влажность, Wtot, % №№ скважин Число пластичности,% продолжение таблицы 2.5.1 № № п/ п 53 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 54 20 1C 3,1-3,8 21 1C 3,8-4,7 22 2C 1,01,7 23 2C 2,1-4,2 24 3C 0,0-3,2 4 5 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 37,9 25,3 2,3 1,5 0,2 2,68 1,90 1,48 28,6 - - - 0,5 0,05 2,0 12,1 75,2 9,1 0,9 0,1 0,3 0,3 2,73 1,83 1,39 32,0 25,3 21,5 3,8 0,4 0,15 3,8 4,6 16,2 15,5 19,2 9,7 12,9 18,1 2,71 1,87 1,47 27,6 26,3 14,8 115 1,1 0,05 1,3 57,9 28,5 6,1 1,0 0,7 4,5 2,2 1,38 0,62 121 - - - 0,6 0,8 4,7 17,6 17,7 18,5 10,5 26,1 1,3 2,66 1,61 0,94 72 25,5 17,6 7,9 0,3 0,6 4,0 6,6 2,1 54,4 10,3 13,4 9,2 2,69 1,80 1,40 28,6 - - - 0,5 0,1 6 3,6 0,005 – 0,001 0,01 – 0,005 0,05 – 0,01 0,25 – 1 0,1 – 0,05 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. Объемная льдистость, i, д.е. Предел раскатывания, % 3 0,1-3,1 Засоленность, Dsal, % Верхний предел текучести, % 2 1C Плотность сухого грунта, ρd, г/см3 Суммарная влажность, Wtot, % 1 19 Плотность, ρ, г/см3 8 32,2 < 0,001 Плотность частиц, ρs, г/см3 7 0,6 2–1 0,5 – 0,25 >2 1,0 – 0,5 YRPGS Грансостав(%) при диаметре частиц (мм) Глубина отбора проб №№ скважин Число пластичности,% продолжение таблицы 2.5.1 №№ п/п Наименование грунта 23 песок пылеватый заторфованный Iот=0,15 и примесью гальки супесь заторфованная суглинок заторфованный с прослоями песка и супеси песок пылеватый заторфованный Iот=0,4 с прослоями супеси суглинок заторфованный Iот=0,3 песок мелкозернистый ожелезненный, заторфованный Iот=0,1 54 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 55 Таблица 2.5.2 Коэффициентов фильтрации основных видов Наименование Коэффициент фильтрации (м/сут) под давлением грунта природным природным + 0,25 кг/см2 Песок мелкий 0,60 0,40 Песок пылеватый 0,45 0,31 Супесь 0,35 0,23 Суглинок 0,23 0,15 Теплофизические характеристики. Под термином "теплофизические характеристики" обозначаются следующие характеристики: теплоемкость удельная (массовая) С [Дж/(кг·К), ккал/(кг·град)] и объемная С· [Дж/(м3·К), ккал/(м3·град)], где – плотность (г/см3, кг/м3), коэффициент теплопроводности [Вт/(м·К), ккал/(м·ч·град)], коэффициент температуропроводности а (м2/с). Теплофизические характеристики связаны между собой соотношением =С··а В наших исследованиях определение теплофизических свойств грунтов в талом и мерзлом состоянии проводилось методом регулярного режима I рода (-калориметра) (Методы…,2004; применительно к засоленным Руководство…,1984), модифицированным грунтам (Ершов, Мотенко и др.,1991; Мотенко.,1997). Этот метод предусматривает экспериментальное определение коэффициента температуропроводности при нагревании и охлаждении тела в среде с постоянной температурой вне области интенсивных фазовых переходов. Эксперименты проводились в диапазоне температур от 0 до +20 ºС – для талого состояния и от -22 до -12 ºС – для мерзлого. Теплоемкость (С) рассчитывалась по аддитивным соотношениям, через удельные доли составляющих породу компонентов (скелет грунта, вода, лед). Удельные теплоемкости воды и льда брались из справочной литературы и равны, соответственно, 4200 и 2100 Дж/(кгК), теплоемкость скелета породы, определялась ранее для грунтов разного гранулометрического состава и принималась здесь равной: для песка -700, супеси – 750, суглинка – 800 и торфа ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 55 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 56 - 1680 Дж/(кгК). По полученным данным рассчитывался коэффициент теплопроводности (). Температура начала замерзания грунтов определялась криоскопическим методом в цикле оттаивания, чтобы избежать переохлаждения - одного из основных источников погрешности определения температуры замерзания влажных грунтов (Ершов, Мотенко и др.,1991; Мотенко.,1997). Образцы грунта промораживаются при –30оС. Заданная скорость промерзания обеспечивает в образцах массивную криогенную текстуру. Оттаивание производится в воздушной среде при комнатной температуре. Влажность исследуемого образца грунта определяется весовым методом. Экспериментальные работы выполнены на образцах разных литологических разностей, с нарушенным сложением, при естественной влажности и засоленности, отобранные из нескольких скважин с разных глубин. Для определения теплофизических характеристик и температуры замерзания (оттаивания) грунтов образцы изготовлялись из проб непосредственно металлическими формами -калориметра (диаметром 3-4 и высотой 4-6 см). С образцом грунта проводились эксперименты методом регулярного режима сначала при положительных температурах (талое состояние), далее образцы промораживались при температуре -30оС и проводились эксперименты при отрицательных температурах (мерзлое состояние). Затем определялась температура оттаивания криоскопическим методом. После проведенных исследований устанавливалась их влажность и плотность. Результаты экспериментальных определений теплофизических свойств грунтов и температуры начала замерзания (оттаивания) представлены в таблице 2.5.3. Исследования проведены с образцами разного гранулометрического состава: песка, супеси, суглинка и торфа (образцы №№ 1-4). Для расширения диапазона типичных грунтов в таблице представлены результаты экспериментальным работам, выполненных ранее на кафедре геокриологии МГУ для района Байдарацкой губы (образцы ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. №№ 5-12). 56 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 57 Таблица 2.5.3. 1 2 Удельная теплоемкость Объемная теплоемкость в талом состоянии, С т, Дж/(кг·К) в мерзлом состоянии, С м, Дж/(кг·К) в талом состоянии, Сρт· 10-6, Дж/(м3·К) в мерзлом состоянии, Сρм· 10-6, Дж/(м3·К) в мерзлом состоянии, λм, Вт/(м·К) Коэффициент теплопроводности в талом состоянии, λт, Вт/(м·К) в мерзлом состоянии, aм·106 , м2/с в талом состоянии, aт·106 , м2/с Влажность незамерзшей воды, Ww-15, % Коэффициент температуропроводнос ти Температура начала замерзания (оттаивания), tbf (th), oC 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 ПК5+1 8, ось ПК-292 ось III нитка 2,6-7,4 песок 1,37 1,50 21,4 0 0,575 0,901 1,38 1,55 1370 947 2,40 1,72 0 6,0-6,2 супесь заторфованная 1,66 1,18 40,9 5,6 0,340 0,512 1,09 1,20 1930 1403 3,21 2,34 -0,15 3 1 4 2,2-6,1 0,6-0,8 2,4-2,6 2,02 1,10 1,66 1,61 0,64 1,30 25,7 70,7 28,0 5,0 15,0 0,0 0,530 0,087 0,781 0,640 0,169 1,305 1,60 0,26 1,90 1,84 0,38 2,18 1490 2720 1470 1149 2038 1006 3,02 3,00 2,43 2,32 2,24 1,67 -0,11 -0,12 0 6 7 1,3-3,0 1,82 1,50 21,4 0,4 0,575 0,901 1,38 1,55 1320 950 2,40 1,72 0 7 8 9 12 9 9 0-0,26 2,6-5,3 1,58 1,98 1,91 0,61 1,59 1,50 178 24,5 27,3 0,8 0,0 0,2 0,440 0,726 0,579 0,720 1,280 0,987 1,37 1,98 1,69 1,49 2,46 2,05 1740 1380 1530 1148 971 1087 3,12 2,73 2,92 2,07 1,92 2,08 0 0 10 10 1,9-8,0 1,88 1,57 20,1 2,0 0,476 0,660 1,30 1,41 1452 1136 2,73 2,14 -0,49 11 2 С 7 2,1-4,2 суглинок торф песок пылеватый песок пылеватый заторфованный супесь песок песок пылеватый песок пылеватый заторфованный Суглинок саторфованный торф 1,61 0,94 72,0 7,7 0,236 0,448 0,89 1,12 2340 1554 3,77 2,50 0,91 1,45 554 60,0 0,109 0,379 0,38 0,78 3815 2261 3,47 2,06 1* 7 2* 11 3* 4* 5 12 0,9-1,1 5 Влажность грунта, W, % Наименование грунта Плотность сухого грунта, ρd, г/см3 №№ скважины Плотность грунта, ρ, г/см3 №№ п/п Глубина отбора, м Теплофизические свойства грунтов (Ямальский берег)* -0,12 *) Значения теплофизических характеристик являются результатом осреднения опытных данных, полученных с двухкратной повторностью, остальные - на базе архивных материалов, полученных ранее для грунтов п-ов Ямал ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 57 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 57 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 57 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 58 Исследования выполнены на образцах ненарушенного сложения при естественной влажности, плотности и засоленности, а также на образцах с нарушенным сложением. Самые высокие значения теплопроводности (для образцов с 1по 4) получены для суглинка. Низкие значения теплопроводности для супеси и песка связаны с их заторфованностью. Фазовый состав влаги мерзлых пород определялся контактным и криоскопическим методами. Криоскопический метод определения фазового состава влаги мерзлых дисперсных пород основан на предположении, что содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре t равно той влажности грунта, которой соответствует температура его замерзания (оттаивания). Он относится к числу прямых методов, использующих однозначную связь между температурой фазового перехода, фиксируемой на термограмме оттаивания, и количеством влаги в грунте. Метод отличается относительной простотой и возможностью параллельного определения температуры замерзания-оттаивания грунтов. Этот метод используется при высоких отрицательных температурах. В тех случаях, когда возникает необходимость получить кривую температурной зависимости фазового состава влаги в засоленных грунтах в широком диапазоне температур, от 0° до -20°С, применяется комбинация криоскопического и контактного методов. Контактный метод определения содержания незамерзшей воды и льда в дисперсных породах основан на принципе динамического равновесия между льдом, незамерзшей водой и паром. Этот метод является прямым. Его отличает простота, доступность, высокая производительность, повышенная точность определения искомых параметров и широкий температурный диапазон применения (Методы…,2004 Мотенко.,1997). Для экспериментов по определению фазового состава влаги контактным методом образцы изготовлялись из той же грунтовой пасты с естественной влажностью и засоленностью, что и для определений теплофизических свойств и температуры начала замерзания. Размеры образцов 45×35×5 мм, повторность ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 58 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 59 - трехкратная. Определения проводились при пяти значениях отрицательных температур(-1,4; -2.8; -3.5; -5.6;-15оС). Результаты исследования фазового состава влаги представлены в таблице 2.5.4. Анализ результатов показал, что содержание незамерзшей воды в исследуемых грунтах типично для данных литологических разностей. Грунты практически незасолены. Повышенное содержание Ww в супеси объясняется ее заторфованностью. Таблица 2.5.4. Фазовый состав влаги мерзлых грунтов (Ямальский берег) Место отбора глубина отбора, м Наименование грунта 1.ПК5+18 ось 1,6-1,25 песок 2.ПК-2-92 ось III нитка 6-6,2 супесь заторфованная 3.ПК-0+1.5 9,2-9,3 ось, влево-7 IV нитка суглинок ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. t oC 0 0 Ww,% 20.9 22 -0,12 -0,19 -1,4 -2,8 -3,5 -5,6 -15 -0,1 -0,12 -1,4 -2,8 -3,5 -5,6 -15 40,8 41,0 8,2 6,7 6,5 5,7 5,5 25,7 25,6 7,8 6,7 6,5 5,4 5,0 59 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 60 2.5.3. Деформационные характеристики оттаивающих грунтов Деформация мерзлых грунтов при оттаивании происходит в результате совместного воздействия ряда факторов теплофизического, физико- химического и механического характера. Важнейшими из них являются: льдистость, механический состав, температура оттаивания, условия оттока и миграции влаги, внешние нагрузки на грунт и т.д. При оценке влияния каждого фактора следует учитывать, что вклад любого компонента определяется совокупностью «внутренних» (присущих данному грунту) свойств и внешних условий. Основными внутренними факторами являются: льдистость и плотность грунта, механический состав; внешними – температура оттаивания, условия оттока и миграция влаги, напряженное состояние. Очевидно, что важнейшим «внутренним» фактором является льдистость (влажность) грунта. В процессе оттаивания происходит разрушение структуры грунта. По мере отжатия воды из макропор нагрузка передается на скелет грунта. Важнейшую роль в этом процессе играют условия дренирования и скорость, с которой происходит оттаивание. Оттаивание с высокой скоростью может приводить к образованию переувлажненных грунтов с низкой несущей способностью, что часто является причиной просадок оснований фундаментов или обрушения склонов. В слабольдистых глинистых грунтах при оттаивании и уплотнении развивается ползучесть, т.е. развитие во времени деформаций даже при постоянной нагрузке. Оттаивание мерзлых толщ и характер сопровождающих его процессов зависят от криогенного строения пород. При оттаивании мерзлых грунтов со слоистой и сетчатой криотекстурой осадки достигают 10-20% от общей ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 60 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 61 глубины оттаивания. При этом, чем больше ледяные прослои, тем большая их часть обусловливает непосредственную деформацию осадки из-за большей вероятности смыкания полостей при вытаивании льда. При оттаивании мерзлых грунтов с массивной криотекстурой происходит консолидация грунтов, сопровождаемая сближением минеральных агрегатов, уменьшением пористости, переориентировкой скелетных составляющих грунта, увеличением плотности грунта в талой зоне. В соответствии с нормативными документами (СНиП 2.02.04.88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах») основными деформационными характеристиками оттаивающих грунтов, необходимыми для расчета осадок при оттаивании и уплотнении являются: - коэффициент оттаивания Ath, равный относительной осадке оттаявшего грунта при отсутствии внешней нагрузки; - коэффициент сжимаемости δ, равный отношению приращения относительной осадки к приращению уплотняющего давления. Указанные характеристики определяются в лабораторных условиях методом компрессионного сжатия, в соответствии с требованиями ГОСТ 1224896 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». В ПНИИИСе (Р.Кальбергенов, А.Р.Леонов) разработана методика лабораторного определения деформационных характеристик оттаивающих грунтов в условиях трехосного сжатия с учетом требований указанного ГОСТа. В полевых условиях величины Ath и δ определяются горячим штампом, что позволяет получить наиболее достоверные данные, характеризующие формирование напряженно-деформированного грунта в массиве. Однако полевые испытания длительные и трудоемкие. Многими исследователями как отечественными (А.Е.Федосов, М.Н.Гольштейн, А.М.Пчелинцев, М.Ф.Кисилев, В.П.Ушкалов, Н.И.Вотяков, Л.Т.Роман), так и зарубежными (F.C.Crory, T.L.Speer, L.D.Keil, et.al) получены зависимости деформационных характеристик ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 61 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 62 оттаивающих грунтов от физических свойств (плотности, суммарной влажности, льдистости). Обобщение и анализ формул для определения осадки оттаивающих грунтов приведены в работе Л.Т.Роман (2002) (табл. 2.5.5-2.5.8). Следует указать, что большее число формул учитывает только осадки при свободном оттаивании (без внешней нагрузки). ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 62 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 63 Таблица 2.5.5 Расчетные формулы для определения осадки (S) оттаивающих грунтов в зависимости от физических свойств и глубины оттаивания (h) Формулы S k1 S Wtot Авторы h S Wtot 1 Wtot W p S 1,09 h 1 Wtot w w k 2 Wtot Ww h S i w w Wtot W w i w 1 0,09i Wtot Wm S 1 0,09i Wtot Wm w df df песок S dth h dth 1 1 W p k 3 I p h S 1 df S w (2.5.1) Федосов А.Е. (1944) (2.5.2) Гольштейн М.Н. (1948) (2.5.3) Пчелинцев А.М. (1964) (2.5.4) Бакулин Ф.Г., Жуков В.Ф (1955) (2.5.5) Киселев М.Ф (1952), F.C.Crory (1973) (2.5.6) Киселев М.Ф. (11952) глинистый грунт S me f k 4 b h (2.5.7) Ушкалов В.П. (1962) S (2.5.8) Давыдочкин А.Н. (1957) (2.5.9) Вотяков И.Н. (1975) (2.5.10) F.C.Crory (1973) (2.5.11) Speer T.L.,Watson G.H.et al. (1973) S S S Wtot iW p h 0,5hi i W S k 5Wtot 2,7Wtot 0,92 W f 1 0,09i Wth h 1,09W 0,09W e W 1 0,09i Ил S 0,736 1,018 ln 0,07 h f w f f f Песок 1/ 2 df S 0,80 0,685 0,241 0,05 h w (2.5.12) Keil L.D., Nielsen N.M., Gupta R.C. (1973) Глина 1/ 2 df S 0,90 0,691 0,236 0,05 h w (2.5.13) ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 63 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 64 Заторфованные грунты S ln 1 I om NI om K h (2.5.14) ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. Роман Л.Т. (1987) 64 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 65 Примечание: Условные обозначения в формулах: ρ – плотность, г/см3; ρf – плотность мерзлого грунта, г/см3; ρw – плотность воды, г/см3; ρdf – плотность скелета мерзлого грунта, г/см3; ρdth – плотность скелета грунта после оттаивания под давлением 0,2-0,5 МПа; Wtot – весовая влажность, д.е.; Ww – влажность за счет незамерзшей воды, д.е.; Wth – влажность оттаявшего грунта, д.е.; Wm – влажность минералльных частиц, д.е.; Wσ – влажность после оттаивания под нагрузкой, д.е.; m, b – параметры (табл. 2.5.16); Ip – число пластичности; i – льдистость; h – мощность оттаянного слоя, см; hi – мощность ледяных включений, см; ef – коэффициент пористости мерзлого грунта; k1, k2 – эмпирические коэффициенты: k1 – равняется: для песка – 0,1; для суглинка – 0,05; k2 – 0,8; k3 – W W p коэффициент пропорциональности - k 3 ; k4 – поправочный Wp эмпирический коэффициент, учитывающий отклонения отдельных значений осадок от средних значений, равный 0,95 для суглинков и 1,3 для песчаных грунтов; k5 – эмпирический коэффициент, зависящий от вида грунта, влажности и уплотняющего давления (рис. 2.5.3); M, N – параметры, равные 0,01 и 6,67 для песчаных заторфованных грунтов, 0,25 и 2,14 – для глинистых заторфованных грунтов; k6 – эмпирический коэффициент, зависящий от вида заторфованного грунта, уплотняющего давления (рис. 2.5.4); Ijm – заторфованность. Таблица 2.5.6 Значения параметров m и b (по В.П.Ушкалову, 1962) Вид грунта Суглинок Супесь Песок Гравийный грунт Значения коэффициентов m и b при давлении, МПа 0,1 0,3 m b m b 0,0878 0,0779 0,0880 0,0878 0,0205 0,0224 0,0013 0,0089 0,1109 0,1050 0,1129 0,1123 0,0632 0,0612 0,0296 0,0122 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 65 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 66 Рис. 2.5.3. Зависимость коэффициента k5 от влажности Wtot мерзлых грунтов при их оттаивании (Вотяков, 1975) а – без нагрузки; б – при нагрузке 0,3 МПа; 1 – супесь и суглинок; 2 – глина; 3 - разрушенный мергель Рис. 2.5.4. Зависимость коэффициента k6 от давления σ для заторфованных глинистых (1) и песчаных (2) грунтов при влажности близкой к полной влагоемкости (Роман Л.Т., 1987). ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 66 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 67 Таблица 2.5.7 Пределы применимости формул №№ формул 1 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4. 2.5.5. 2.5.6. 2.5.7. 2.5.8. 2.5.9. 2.5.10. 2.5.11 2.5.13 2.5.14 Пределы применимости 2 Осадка при свободном оттаивании составляет по отношению к приведенной высоте льда в песке – 10%; в суглинках – 5%; пооловина всей влаги находится в талом состоянии; после оттаивания грунт расплывается. Осадка при свободном оттаивании происходит за счет уменьшения объема при таянии льда, и отжатия избыточной влаги до влажности, соответствующей нижнему пределу пластичности, при этом предполагается, что макропоры после вытаивания ледяных включений полностью закрываются. Предполагается полное отжатие воды по сообщающимся макропорам. Определяет максимально возможную осадку оттаивания под нагрузкой 0,6-0,8 МПа, все макропоры грунта закрываются и вода отжимается на поверхность. Определяет осадку оттаивающего песчаного грунта не подверженного набухания. Определяет осадку оттаивания глинистых грунтов, плотность скелета которых определяется при давлении от 0,1-0,6 МПа. Предполагает линейную зависимость осадок оттаивающих грунтов от давления в диапазоне 0,0-0,3 МПа. Предлагает определение осадок оттаивающих грунтов, включающих ледяные прослои. Получена на основе анализа опытных данных по определению осадок многолетнемерзлых грунтов Центральной Якутии. Рекомендуется для определения осадок при оттаивании глинистых грунтов по основным физическим характеристикам в мерзлом и оттаявшем состоянии. Включает эмпирические коэффициенты, посредством которых учтено влияние физических свойств на осадку при оттаивании определенных видов грунтов: илов, песков, глин, имеющих суммарную влажность близкую к полной влагоемкости, при условии отсутствия ледяных включений. Учитывает осадки песчаных и глинистых заторфованных грунтов при оттаивании и уплотнении давлением до 0,3 МПа. Таблица 2.5.8 Формулы для определения коэффициента оттаивания Ath и сжимаемости δ Наименование грунта Пески мелкие и пылеватые супеси суглинки Ath, д.е. δ, МПа-1 Ath = 0,0065exp·10,585Wtot δ = 0,007exp·15,479Wtot Ath = 0,00008exp·17,99Wtot Ath = 0,000004exp·21,34Wtot δ = 0,0002exp·20,4Wtot δ = 0,0112exp·9,77Wtot ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 67 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 68 По данным 3-х-осных испытаний образцов песчаных и глинистых грунтов нарушенного сложения с различных районов п.Ямал, в том числе, более 60 образцов с берегов Байдарацкой губы Р.Кальбергеновым и А.Р.Леоновым (2003), получены следующие экспоненциальные зависимости коэффициентов оттаивания Ath и сжимаемости δ от суммарной влажности, взятой в долях единицы) (табл. 2.5.8). Обобщенные значения Ath и δ для основных видов грунтов п.Ямал, рассчитанные по результатам трехосного испытания, приведены в табл. 2.5.9. Таблица 2.5.9 Wtot, д.е. 0,15-0,20 0,20-0,25 0,25-0,30 0,30-0,35 0,35-0,40 0,40-0,45 Песок Ath, д.е δ, МПа-1 0,0030 0,011 0,0086 0,023 0,025 0,051 0,073 0,115 - Супеси Ath, д.е δ, МПа-1 0,005 0,0224 0,012 0,062 0,030 0,173 - Суглинки Ath, д.е δ, МПа-1 0,006 0,109 0,020 0,168 0,064 0,259 0,205 0,399 - Все расчетные формулы для определения осадок оттаивающих грунтов по показаниям характеристик физических свойств являются приближенными, так как невозможно численно учесть влияние криогенной текстуры, гранулометрического и минерального состава, генезиса, физико-химических, миграционных процессов. Поэтому рассмотренные уравнения позволяют прогнозировать осадки при оттаивании лишь для предварительных оценок. При выполнении настоящей работы деформационные характеристики оттаивающих грунтов определялись компрессионными испытаниями в одометрах конструкции Н.А.Цытовича. Подготовка образцов и проведение опытов осуществлялись следующим образом. Доставленные в лабораторию грунты находились в талом состоянии, но сохранили природную влажность, благодаря целлофановой упаковке. Отбирались пробы на влажность. Образцы готовились послойной укладкой с уплотнением в металлических кольцах, диаметр которых на 0,5-1,0 мм, а высота на 5-10 мм превышали ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 68 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 69 соответствующие размеры рабочего кольца прибора. Эти условия обеспечивали получение плотности, близкой к таковой в природных условиях в прослойках грунта между видимыми ледяными включениями. Затем образцы устанавливались на жесткую горизонтальную платформу, помещались в холодильную камеру, имеющую температуру минус 8оС, нагружались природным давлением. После замораживания и стабилизации температуры образцы освобождались от металлических колец и помещались в предварительно охлажденные рабочие кольца прибора. Торцы образцов зачищались, затем образцы взвешивались, покрывались фильтровальной бумагой, устанавливались в предварительно охлажденный прибор, состоящий из поддона с перфорированным дном, плексигласового корпуса и перфорированного латунного штампа. Высота рабочего кольца – 32-35 мм, диаметр – 70,1 мм. Приготовление образцов, сборка прибора выполнялись в холодильной камере, после чего подготовленный к испытанию прибор выдерживался при температуре –8оС не менее 12 часов. Испытания выполнялись на рычажных установках системы «Гидропроект», имеющих передаточное число 1:10. Перед испытанием осуществлялась тарировка приборов и прессов. Результаты тарировки в цикле нагрузки и разгрузки в пределах опытных металлическую напряжений болванку, (которые вставленную в передавались рабочее на кольцо жесткую прибора), учитывались при расчете относительных осадок образцов в соответствии с каждой ступенью нагрузки. Перед началом оттаивания образец обжимался максимальной опытной нагрузкой в течение 30 секунд, затем осуществлялось плоскопараллельное оттаивание под природным давлением и уплотнение ступенчато-возрастающей нагрузкой. Ступени нагрузок задавались в соответствии с требованиями ГОСТа 12246-96 и составляли 0,75 кг/см2 (0,075 МПа) – для песков и супесей, 0,5 кг/см2 (0,05 МПа) – для суглинков и 0,2 кг/см2 (0,02 МПа) – для торфа. Осадка образцов при оттаивании и уплотнении замерялась двумя индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм через интервалы времени ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 69 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 70 0,5, 1, 5, 10, 20, 30, 60 минут после приложения нагрузки, затем через 2 часа в течение рабочего дня и далее 2 раза в сутки до условной стабилизации осадки. За ее критерий принималось приращение вертикальной деформации, не превышающее 0,01 мм за 12 часов. Испытания выполнены при 5 ступенях нагрузки. После достижения условной стабилизации напряжений на последней ступени образцы взвешивались и высушивались. Затем вычислялись их плотность и влажность после испытания. По результатам испытаний на каждой ступени вычислялись - абсолютная стабилизированная вертикальная деформация ∆hi, мм, как среднеарифметическое показание индикаторов с учетом тарировочной поправки; - относительная стабилизированная вертикальная деформация εth: th hi hg h (2.5.15) где: ∆hi – абсолютная стабилизированная деформация образца грунта после оттаивания, мм; ∆hg – абсолютная стабилизированная деформация обжатия образца в мерзлом состоянии (при давлении равном природному на глубине отбора проб); h – начальная высота образца грунта после обжатия до его оттаивания. По вычисленным значениям εth строились графики зависимости εt = ∆h/h от времени t и зависимость условно-стабилизированной относительной деформации при каждой ступени нагрузки от напряжения σ. Для испытанных образцов полученные графики приведены на рис. 10.1 – 10.8 (Приложение 10). Коэффициенты оттаивания Ath определялись экстряполяцией зависимости εt = ∆h/h от σ к оси ординат. Коэффициент сжимаемости при оттаивании и уплотнении оттаявшего грунта δ определялся как отношение приращения относительной деформации к приращению напряжения на каждой ступени нагрузки. В том случае, когда зависимость ε – σ линейна – коэффициент ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 70 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 71 уплотнения является постоянным в пределах напряжений, задаваемых в опытах. Если же указанная зависимость не линейна, то коэффициент уплотнения δi следует определять как отношение приращения относительной осадки в пределах напряжения от нулевого значения до σi. Полученные деформационные характеристики грунтов, а также физические свойства до и после оттаивания приведены в табл. 2.5.10. Они позволяют рассчитать осадку при оттаивании под собственным весом оттаивающего грунта (Sth) и осадку (Sσ), обусловленную дополнительным давлением на грунт от воздействия транспорта и сооружений в соответствии со СНиП 2.02.04-88 п.п. 4-28 ÷ 4.31. Для испытаний выбраны образцы грунтов, наиболее характерных по гранулометрическому составу. Результаты испытаний представлены на графиках рис. 10.1 – 10.8 (Приложение 10) и в табл. 2.5.10. Таблица 2.5.10 Деформационные характеристики оттаивающих грунтов (Ямальский берег) ПКО(II) + 3,0 скв. YRPGS 5 Скв. Y-RPGS -2 Скв. Y-RPGS 7 сжимаемости , δ, см2/кг оттаивания, Ath. после опыта влажность, Wtot, % ПК-IV-1 + 2 супесь скв. Y-RPGS 2 до опыта Деформационные характеристики коэффициенты плотность, ρ, г/см3 IV-ПК-5+18 Скв. Y-RPGS-7 ПКО(II)+3,0, влево скв. Y-RPGS 5 ПК-З(II), влево 5 м скв. 6 ПК-5(II)+18,0 влево 7 м скв. Y-RPGS 7 ПК-5(III), Вправо 4,8 м скв. Y-RPGS 8 Наименование грунта 2,5 песок 1,84 21,0 1,93 15,0 0,026 0,0147 3,9 песок пылеватый 1,79 33,0 2,07 14,5 0,16 0,0097 0,81,0 4,0 песок пылеватый заторфованный, Iот=0,3 суглинок 1,26 96 1,5 28,2 0,09 0,15 1,73 35 2,05 15,2 0,12 0,0165 0,8 суглинок заторфованный, Iот=0,05 супесь 1,91 30,7 2,01 23,1 0,09 0,057 1,97 30,5 2,14 15,8 0,07 0,014 супесь 1,91 34,1 2,2 16,2 0,07 0,02 суглинок заторфованный, Iот=0,36 торф*) 1,37 80 1,94 24 0,275 δ max =0,091 0,91 554 1,20 250 0,09 0,17 0,81,0 5,9 1,8 1,1 плотность, ρ, г/см3 влажность, Wtot, % №№ скважин Глубина отбора, h, м Физические характеристики ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 71 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 72 Примечание: *) – установлено по архивным данным. Обработка данных требует проведения не менее 5-6 испытаний образцов-близнецов, что практически нереально. В связи с этим значения деформационных характеристик определены нами на основе обобщения не только результатов опытов, но и архивных и опубликованных материалов. Весьма важно отметить, что полученные величины коэффициентов оттаивания и сжимаемости относятся к прослоям грунта между ледяными шлирами, т.к. для приготовления образцов использовались оттаявшие грунты.!!! Для учета льдистости значения Ath необходимо умножить на поправочный коэффициент Ki, равный (Методы …, 1995): K i 1 i (2.5.16) где ∆i – разность между суммарной льдистостью грунта (см. табл. 2.5.1) и льдистостью испытанного образца, которая может быть принята равной суммарной влажности, т.к. испытанные грунты имели исходную температуру минус 8оС, что ниже температуры интенсивных фазовых переходов влаги. Это позволяет считать содержание незамерзшей воды незначительным и принять значение суммарной влажности равным содержанию льда, что идет «в запас» определяемой осадки. 2.5.4. Сопротивление срезу талых грунтов Определение сопротивления грунтов срезу ( τ, МПа ), удельного сцепления (С, МПа ) и угла внутреннего трения ( φо ) проводилось согласно ГОСТ-12248-96. Для испытаний использовался прибор ВСВ – 25 (конструкции Гидропроект), который позволяет проводить испытания на срез при заданной нормальном напряжении. Нормальное напряжение задается через динамометр, который тарируется до начала испытаний. По ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. данным тарировки 72 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка устанавливается линейная зависимость деформации динамометра 73 от приложенной нагрузки, что позволяет по полученному уравнению прямой рассчитать заданное нормальное напряжение. Сопротивление грунта срезу определяется по другому динамометру, который устанавливается в горизонтальном положении, в плоскости сдвига. Этот динамометр также тарируется до начала испытаний, что позволяет по величине деформации среза определить сопротивление исследуемого грунта срезу. Для определения величины удельного сцепления и угла внутреннего трения необходимо провести испытания при различных нормальных напряжениях, но не менее чем при трех. По результатам экспериментов строится график зависимости сопротивления грунта срезу (τ ) от нормального напряжения (σ ) - τ =ƒ (σ ). За сопротивление грунта срезу принимается предельное среднее касательное напряжение, при котором образец срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. За величину удельного сцепления грунта принимается отрезок оси ординат, отсекаемый прямой, осредняющей зависимость τ = ƒ (σ ). Угол наклона этой прямой к оси абсцисс определяет величину угла внутреннего трения (φ ). Испытания проводились по схеме неконсолидированного- недренированного среза на образцах нарушенного сложения, но с естественной влажностью и плотностью, определенной в полевых условиях. Образцы имели форму цилиндра диаметром 70 мм и высотой 35 мм. Рабочее кольцо с грунтом взвешивали для определения плотности грунта перед началом испытания и помещали в срезную форму прибора. Поверхность грунта закрывали фильтровальной бумагой, а затем плоским штампом. С помощью плоского штампа грунт частично перемещали в нижнюю часть формы и устанавливали зазор 0,5 - 1 мм между подвижной и неподвижной частями срезной формы. Испытания проводились при нормальных нагрузках, создающих напряжения равные, 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. Суглинистые грунты испытывались при нормальных напряжениях 05; 1,0 и 1,5 МПа. Нормальную нагрузку всю сразу задавали в ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 73 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 74 одну ступень. При достижении максимальной деформации или деформации 5 мм эксперимент считался законченным. С плоскости сдвига отбирались пробы для определения влажности грунтов. Испытания проводились с двухкратной повторностью. Сопротивление грунта срезу рассчитывалось по величинам полученных деформаций с помощью тарировочного уравнения и строились его зависимости от нормального напряжения, по которым определялись значения С и φ. Результаты испытаний грунтов представлены в табл. 2.5.11 и 2.5.12 и на рис. 2.5.5 и 2.5.6. Таблица 2.5.11 Физические свойства испытанных грунтов N образца Грунт Место отбора образцов 6 Пк-3 + 0,0,ось 5 м влево 111 нитка Песок с примесью супеси и суглинка 1 2 Песок с примесью супеси 3 12 Суглинок 4 ρ, N Cкважины 12 5 С-12, ПК0+1,5, 7 м влево 1У нитка С-12, ПК – 0+1,5, ось, 7 м влево, 1У нитка H, м г/см3 W, % ρd , г/см3 е, доли единицы 19 1,92 1,61 0,65 20 1,90 1,58 0,68 4,5 18 2,04 1,73 0,54 9,2 24 2,10 1,69 0,59 23 2,04 1,66 0,62 7,5-8,6 Глубина отбора - h , влажность грунта - w , ρ – плотность грунта, ρd – плотность скелета грунта. Коэффициент пористости – е, доли единицы. Таблица 2.5.12 Прочностные характеристики грунтов N образца Грунт Сцепление, МПа 1 2 3 4 Песок Песок Песок Суглинок 0 0 0 0,075 5 Суглинок 0,025 Угол внутреннего трения, град. при различных нормальных напряжениях, МПа 0- 0,15 0-0,2 0,2 -0,3 46 26 43 17 38 28 9 7 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 74 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 75 1 Сопротивление срезу, МПа 0,3 3 0,25 2 0,2 0,15 0,1 0,05 Нормальное напряжение,МПа 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Рис. 2.5.5. Зависимость сопротивления срезу от нормального напряжения песчаных грунтов 1,2,3 (номера образцов в соответствии с таблицей 2.5.11) ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 75 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 76 0,16 Сопротивление срезу,МПа 0,14 4 0,12 5 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Нормальное напряжение,МПа 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Рис.2.5.6. Зависимость сопротивления срезу от нормальной нагрузки талого суглинка 4,5 (номера образцов в соответствии с таблицей 2.5.11) Из приведенных таблиц и графиков видно, что характер зависимостей сопротивления срезу песков и суглинков от нормального напряжения резко отличается. В песчаных грунтах при большой влажности сцепление не наблюдается, но в связи с высокой плотностью (1,90 – 2,04 г/см3) при нагрузке менее 0,2 МПа угол внутреннего трения достаточно большой. При превышении 0,2 МПа φ уменьшается почти в два раза, что связано со структурными преобразованиями в песках и притоком воды в зону сдвига при различных нагрузках. В суглинистых грунтах зависимость сопротивления срезу от нормального напряжения линейная. В суглинистых грунтах (образцы 4 и 5) проявляется влияние плотности грунта (табл. 2.5.12.) на величины сцепления и угол трения. Полученные значения величин удельных сцеплений и углов внутреннего трения сравнивались с подобными характеристиками, представленными в СНиП - 2.02.01.-83 . Характеристики грунтов сравнивались при одинаковых значениях коэффициента пористости. Таблица 2.5.13 Значения удельных сцеплений С, МПа, угла внутреннего трения φ, град. и модулей деформации Е, МПа мелких песков ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 76 Глава 2. Инженерно-геокриологические условия Ямальского участка 77 N N Обозна- Характеристика грунтов при коэффициенте пористости е, образ- cква- чение равном ца жины характеристик 1 6 2 6 3 12 * 14 ** 0,55 C φ С φ С φ 0,65 0,68 > 0,8 0 46 0 38 0 43 C φ С φ E 0 31 0,04 36 38 0,02 32 28 Примечание: *- данные, полученные ранее,** - данные, приведенные в СниП-2.02.01-83. При нагрузке, превышающей 0,2 МПа, угол внутреннего трения образцов 1 и2 уменьшается, соответственно, до 26 и 17 градусов, а у третьего образца – до 28. Такое явление отмечалось В.И. Осиповым в грунтах высокой степени уплотнения. Таблица 2.5.14 Значения удельных сцеплений С, МПа, углов внутреннего трения φ, град., суглинистых и супесчаных грунтов N образца 4 5 ** N скважины . Скв. Y-RPGS 12 Скв. Y-RPGS 12 Пределы консистенции 0,5 < IL <0,75 0,5 < IL <0,75 0,5 < IL < 0,75 Обозначение характеристик С, φ С, φ С φ Характеристика грунтов при коэффиценте пористости- е, равном 0,55 – 0,60 0,60- 0,70 0,075 9 0,025 7 0,025 19 ООО «ПНИИИС-Изыскания», Москва, 2005. 77
