Компрессионное деформирование мерзлых грунтов

Актуальность проблемы. Интенсивное освоение северной и северо-восточной территории нашей страны вызвало необходимость детального изучения механических свойств мерзлых грунтов"определяющих их поведение в основаниях зданий и сооружений. Для инженерных расчетов устойчивости фундаментов сооружений, строящихся по принципу сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований, не обходимо изучение механических свойств мерзлых грунтов, важнейшим из которых является сжимаемость грунтов под нагрузкой. По этому изучение характеристик сжимаемости является задаи о чей первостепенной важности.

Строительство и эксплуатация инженерных сооружений на мерзлых грунтах сопряжены с определенными трудностями, решение которых зависит от степени изученности физико-механических свойств и факторов, их определяющих. Такими факторами являются особенности состава, свойств и микростроения мерзлых грунтов, изучение которых имеет важное научное и практическое значение, поскольку позволяет существенно повысить качество изыскательских работ и снизить затраты на ликвидацию последствий деформаций зданий и сооружений. Необходимость изучения природы и закономерностей процесса сжимаемости определяет решение многих теоретических задач, связанных с расшифровкой и восстановлением условий формирования мерзлой толщи. Сказанным определяется актуальность выполненной работы как в научном, так и в практическом отношении.

Изучению сжимаемости мерзлых грунтов посвящено ограниченное число работ, поскольку до бО^г.г. мерзлые грунты рассматривались как тела, практически несжимаемые. Однако, практика строительства в районах распространения многолетнемерзлых пород накопила факты, свидетельствующие о деформировании зданий вследствие осадок фундаментов, происходивших без оттаивания мерзлого грунта в основании, что потребовало более внимательного отношения к свойствам грунтов при отрицательной температуре. Сжимаемость мерзлых грунтов с различной степенью детальности изучалась H.A.Цытовичем, С. С. Вяловым, А. Г. Бродской, И. В. Бойко, Л. Т. Роман, И. Н. Вотяковым, Я. А, Кроником, А. Н. Гавриловым.Изучение сжимаемости мерзлых грунтов большей частью проводилось непосредственно для строительных изысканий. При этом основное внимание исследователей было направлено на выяснение зависимости сжимаемости мерзлых грунтов от температуры. Незаслуженно мало внимания при изучении сжимаемости уделялось природе деформирования и процессам, протекающим в ходе компрессионного уплотнения мерзлых грунтов. Набор экспериментальных данных о степени сжатия того или иного грунта, как показал опыт строительства, не может обеспечить правильного прогноза поведения мерзлых грунтов в основаниях сооружений.

Поэтому основной целью работы явилось изучение природы и закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов на основе всестороннего анализа физико-механических и физико-химических процессов, протекающих при компрессии.

При реализации поставленной цели приходилось решать следующие задачи:

— разработать методику комплексного изучения природы и закономерностей компрессионного уплотнения мерзлых грунтов- -исследовать механизм деформирования мерзлых грунтов при компрессии;

— изучить процесс преобразования микростроения мерзлых грунтов при их компрессионном сжатии;

— исследовать влияние давления при различных способах приложения нагрузки и температуры на сжимаемость мерзлых грунтов различного состава и строения;

— вскрыть особенности компрессионного деформирования мерзлых грунтов в зависимости от их состава и строения- -изучить особенности изменения прочности мерзлых грунтов при компрессии.

Итогом проведенных исследований являются следующие научные «результаты, отражающие новизну работы.

1.Разработана методика исследования природы и закономерностей сжимаемости мерзлых грунтов, включающая изучение термодинамичес-ких, массообменных и физико-химических сторон этого процесса.

2.Исследован механизм компрессионного сжатия мерзлых грунтов на основе изучения фазовых переходов влаги под давлением, мас-сообменных процессов, преобразования микростроения мерзлых грунтов в ходе компрессии, проведена количественная оценка составляющих общей деформации грунтов различного состава и строения.

3.Получены новые экспериментальные данные о преобразовании криогенного строения мерзлых грунтов при компрессии и показано, что характер и степень преобразования зависят от состава грунтов, величины внешнего давления и времени консолидации.

4.Выявлены зависимости компрессионного деформирования мерзлых грунтов от минерального состава, засоленности, состава обменных анионов, степени заполнения пор влагой и на основе анализа преобразования микростроения, изменения фазового состава влаги изучены более глубоко зависимости сжимаемости мерзлых грунтов от дисперсности, льдистости и первичного сложения.

5.Вскрыто влияние способа нагружения на характер сжимаемости мерзлых грунтов. Экспериментально исследованы, проанализированы и обобщены закономерности сжимаемости мерзлых грунтов в зависимости от температуры и давления.

6.Исследованы особенности изменения мгновенного ивременного эквивалентного сцепления мерзлых грунтов в зависимости от их состава и строения при различных величинах прилагаемой нагрузки.

7.На основе полученных новых экспериментальных данных по коэффициентам сжимаемости мерзлых грунтов и имеющихся литературных сведений выделены группы мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой по категориям сжимаемости. Проведено сопоставление имеющихся данных о сжимаемости талых и мерзлых грунтов.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при решении ряда важных народнохозяйственных задач: при составлении прогнозных и оценочных мерзлотно-инженерно-геологических карт для территорий, занятых сезоннои многолетнемерзлыми породами, при расчете осадок пластично-мерзлых дисперсных пород под строительство зданий и сооружений по второму предельному состоянию, согласно СНиП 11−18−76.

Полученные характеристики мгновенного и временного эквивалентного сцепления и их изменение при компрессионном уплотнении мерзлых грунтов можно использовать при расчете оснований по первому предельному состоянию, предусмотренному СНиЛ 11−18−76.

Выявленная природа компрессионного деформирования исследуемых грунтов позволяет по новому трактовать изменение строения мерзлых грунтов, а также изменение их льдистости в грунтовых основаниях при строительстве различного рода сооружений. Методика и результаты проведенных исследований могут служить основой для решения ряда теоретических задач, связанных с природой формирований1прочности мерзлых пород и изменением их тепло-массообменных характеристик при компрессии.

Ряд методических положений и полученных результатов используется в учебном процессе кафедрой механики грунтов оснований и фундаментов Якутского государственного университета, а также находит применение в учебном курсе «Физика, химия и механика мерзлых грунтов» и в программе зимней учебной геокриологической практики для студентов по специальности «Гидрогеология и инженерная геология» Московского государственного университета.

Личный вклад автора. В ходе исследований автором самостоятельно был отработан комплекс методов для изучения процесса компрессионного деформирования мерзлых грунтов различного состава и строения, проведено около 200 компрессионных испытаний мерзлых грунтов длительностью от 4 до 100 суток, около 50 экспериментов по определению фазового состава влаги под давлением, более 100 опытов для исследования изменения мгновенного и временного эквивалентного сцепления мерзлых грунтов при уплотнении методом шарового штампа, для изучения преобразования микростроения мерзлых грунтов при компрессии было проанализировано около 300 реплик.

Апробация «работы. Основные положения диссертации были апробированы на ЗУ Международной конференции по мерзлотоведению (США, Фербенкс, июль 1983), 11 Республиканской конференции (Одесса, октябрь 1983 г.).Всесоюзной научно-практической конференции (Тюмень, ноябрь 1983 г.), У Всесоюзной конференции (Свердловск, 1984 г.), У1'1,1Х, ХД1 научных конференциях аспиранов и молодых ученых Геологического факультета МГУ (Москва, 1980,1982,1983,1984 г.г.), а также на ряде кафедральных научных семинаров.

Публикации.За время работы по данной теме автором опубликовано 6 научных статьи. Кроме тогоД статья автора по теме исследований находится в печати.

Структура и объем работы. Работа объемом ?124> страниц машинописного текста содержит 53 рисунка, 20 таблиц и состоит из оглавления, введения, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает 122 наименования.1,11,III главы посвящены изученности проблемы, методике и характеристике исследованных грунтов. В 1У главе рассмотрен механизм процесса компрессионного деформирова-ния.В У главе излагаются закономерности компрессионного сжатия мерзлых грунтов в зависимости от давления и температуры. В У1 главе рассмотрены закономерности развития процесса сжимаемости мерзлых грунтов различного состава и строения. У11 глава посвящена вопросу об изменении прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов при их компрессионном уплотнении.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследовании"выполненных на кафедре мерзлотоведения Геологического факультета М1У.

При обработке экспериментальных данных автор неоднократно пользовался консультациями канд.геол.-мин.наук Л. В. Шевченко, канд.геол.-мин.наук В. Г. Чеверева, канд.геол.-мин.наук Р.И.Злочев-ской, младшего научного сотрудника А. Н. Гаврилова.При исследовании микростроения мерзлых грунтов принимали участие канд.геол.-мин.наук В. Н. Соколов и сотрудник кафедры мерзлотоведения Е. М. Чувилин. Всем этим товарищам автор выражает искреннюю признательность.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить сотрудников кафедры мерзлотоведения Р.Г.МотенкоД.А.Никуличеву.Н. Н. Смирнову, В. А. Пряхина, содействовавшим выполнению настоящей работы.

Особую признательность автор выражает научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук профессору Э. Д. Ершову за постоянную помощь, ценные замечания и пожелания, сделанные в ходе выполнения исследований и при чтении рукописи настоящей работы.

ВЫВОДЫ.

Проведенные экспериментальные исследования позволили рассмотреть механизм и закономерности деформирования мерзлых грунтов при компрессии. Основные результаты выполненных исследований, определяющие практическую и научную. значимость работы сводятся к следующему.

I. Разработана методика комплексного исследования процесса компрессионного деформирования мерзлых грунтов, позволяющая изучить природу и закономерности деформирования мерзлых грунтов на основе рассмотрения их как многофазных и многокомпонентных систем при развитии в них физико-механических, массообменных и физико-химических процессов-базирующаяся на применении современных методов оптической и электроннорастровой микроскопии, крио-скопического и контактного методов определения фазового состава влаги в мерзлых грунтах под давлением и расчетных методов.

II.Выявлены особенности механизма компрессионного уплотнения мерзлых грунтов различного состава и строения.

Экспериментально показано, что сжатие мерзлых грунтов сопровождается развитием не только таких процессов, как подплавле-ние льда и отжатие влаги из грунтовой системы, но и увеличением содержания незамерзшей воды под давлением и перераспределением влажности и плотности по высоте образцов.

Перенос влаги из области с большим в область с меньшим потенциалом влаги осуществляется за счет двух механизмов: фильтрационного — под действием: градиента давления и миграционногоза счет разности толщин пленок незамерзшей воды. Отток влаги из грунтовой системы происходит при условии непрерывности пленок незамерзшей воды.

Анализ результатов экспериментальных исследований и расчетов показал, что в полностью влагонасыщенных грунтах 40−80 $ от общей величины деформации составляют деформации, развивающиеся при оттоке влаги из грунтовой системы. В глинистых грунтах деформации вследствие фазовых переходов льда в воду достигают первых десятков процентов. В мерзлых неполностью влагонасыщенных грунтах определяющую роль играют деформации ползучести, способствующие закрытию воздушных пор, и упругие деформации, которые составляют в совокупности 80−90%,.

Инерционность преобразования строения грунта определяет значительную длительность процесса компрессионного деформирования мерзлых грунтов по сравнению с талыми.

Для мерзлых засоленных глин и супесей проведено разделение фильтрационной и вторичной стадий консолидации. Увеличение степени засоления мерзлых грунтов повышает роль фильтрационной стадии консолидации за счет повышения содержания осмотически-связанной воды, что усиливает сжимаемость и расширяет температурный диапазон проявления этого процесса, III. Исследован сложный характер преобразования микростроения мерзлых грунтов различной дисперсности, минерального состава, сложения в зависимости от величины прилагаемой нагрузки и времени консолидации грунта, Показано, что интенсивность и сложность структурои текстурообразовательных процессов. протекающих при компрессии, возрастают от песчаных грунтов к глинистым, а также с увеличением прилагаемого давления и длительности процесса консолидации грунта,.

В мерзлых полиминеральных супесчаных и суглинистых грунтах превалируют процессы агрегации и коагуляции, проявляющиеся в увеличении размеров и характере преобразования грунтовых агрегатов.

В мерзлых каолинитовых глинах определяющую роль играют процессы диспергации, приводящие к дроблению минеральных агрегатов и переориентации их в направлении. перпендикулярном приложенному давлению.

В монтмориллонитовых глинах наблюдается уменьшение размеров грунтовых блоков, что связано с уменьшением внутриагрегат-ной пористости и с частичным преобразованием. по-видимому, агре-гационных контактов в коагуляционные.

Преобразование льда в процессе компрессии наиболее интересно в глинистых грунтах. В каолинитовых глинах уменьшение размеров ледяных включений сопровождается изменением их формы. Наблюдается тенденция преобразования изометричных ледяных микровключений в линзовидные микрошлиры льда, вытянутые в горизонтальном направлении. В монтмориллонитовых глинах также наблюдается преобразование криогенной микротекстуры, которое заключается в увеличении вертикальных ледяных шлиров при уменьшении мощности горизонтальных в верхней и нижней частях мерзлого грунта. В центральной части имеет место утонынение как вертикальных, так и горизонтальных микрошлиров.

В песчаных и супесчаных грунтах изменение размеров и формы ледяных включений не происходит. Однако, при наличии солей и органических примесей, приводящих к увеличению содержания незамерзшей воды в супесчаных грунтах процесс деформирования интенсифицируется, что проявляется в преобразовании ледяных микровключений и значительном уменьшении их размеров.^{.Экспериментальное} изучение влияния давления и температуры на сжимаемость мерзлых грунтов позволило выявить следующие зависимости.

Т.Нри ступенчатом уплотнении полностью влагонасыщенных грунтов коэффициенты сжимаемости с увеличением ступени нагрузки уменьшаются. В грунтах с неполной степенью заполнения пор влагой исх=0.4,6 исх=0.6) наоборот, коэффициенты сжимаемости с повышением нагрузки увеличиваются. Такой характер деформирования наблюдается до достижения определенной плотности и влажности грунта, после чего коэффициенты сжимаемости с увеличением ступени нагрузки, как и в полностью влагонасыщенных грунтах, уменьшаются.

2.Анализ лабораторных данных по изучению влияния способа нагру-жения (мгновенное или ступенчатое приложение давления) на компрессионное сжатие мерзлых грунтов выявил, что при ступенчатом приложении нагрузки в неполностью влагонасыщенных грунтах наблюдаются деформации на 20−40 $ меньшие, чем при мгновенном на-гружении.В полностью влагонасыщенных грунтах проявляется обратная зависимость, но в меньшей степени, до 10 $.

3.Исследование деформирования мерзлых грунтов во времени позволило установить, что в первые часы после приложения нагрузки наиболее интенсивный отток влаги происходит из близлежащих к штампу областей. В дальнейшем «область обезвоживания» перемещается к центру образца. Наибольшим деформациям в первые часы наблюдений соответствует наибольшее уменьшение средней по объему образца льдистости в полностью влагонасыщенных грунтах и наибольшее закрытие воздушных пор в грунтах с неполной степенью влагонасыщения.

4.Изучение влияния температуры на сжимаемость мерзлых грунтов показало, что с понижением температуры (при соблюдении ее постоянной на протяжении всего эксперимента) сжимаемость мерзлых грунтов уменьшается в различной степени в зависимости от механического состава грунтов, что согласуется с известными данными. При изучении влияния температуры на деформирование грунтов с различной засоленностью было установлено, что с увеличением степени засоления влияние температуры на сжимаемость мерзлых грунтов.возрастает.

5.В условиях переменного температурного режима (-1.5 -г -8°С, -0.7 * -5°С) сжимаемость мерзлых грунтов была веше. чем при постоянной, средней за период изменения, температуре. При этом отмечалась важная особенность: при деформировании полиминеральной глины большие деформации пучения в период охлаждения наблюдались в образцах, находящихся под большим давлением, что объясняется большим вымерзанием незамерзшей воды при понижении температуры.

У. 1. На основе изучения механизма компрессионного уплотнения мерзлых грунтов, экспериментальных исследований и анализа литературных данных было выявлено и объяснено влияние дисперсности на сжимаемость мерзлых грунтов, которое проявляется в увеличении сжимаемости при переходе от песков к глинам. При деформировании песчаных и супесчаных грунтов наибольшую часть (до 60−80%) от общей деформации занимают деформации за счет пластично-вязкого течения льда и смещения минеральных частиц, проявляющиеся в частичном закрытии воздушных пор, в глинистых же грунтах превалируют деформации, развивающиеся за счет оттока влаги (до 70−80%), сопровождающиеся уменьшением льдистости грунта.

Мерзлые грунты различного минерального состава по увеличению коэффициентов сжимаемости могут быть расположены в ряд: каолинитовая глина < полиминеральная глина ^ монтмориллонито-вая глина. В наибольшей степени такая зависимость проявляется при давлениях 0.3 — 0.6 МПа. Увеличение содержания незамерзшей воды и льда, способного под действием нагрузки подплавляться, приводит к увеличению доли деформаций за счет оттока влаги от каолинитовой (40%) к монтмориллонитовой глине (80%), доля деформаций за счет упругого сжатия компонентов мерзлого грунта от каолинитовой к монтмориллонитовой глине уменьшается.

2.Влияние засоленности на компрессионное деформирование мерзлых грунтов проявляется в увеличении сжимаемости по мере повышения степени их засоления. Увеличение сжимаемости неодинаково для грунтов различного состава, наибольшей сжимаемостью обладают засоленные глинистые грунты, наименьшей — песчаные. Процесс компрессионного сжатия мерзлых засоленных грунтов сопровождается уменьшением степени их засоления, причем для засоленных глинистых грунтов в большей степени, чем для засоленных песчаных грунтов.

Изменение состава соли в поровом растворе может оказывать существенное влияние на величину компрессионного уплотнения мерзлого грунта. Установлено, что сжимаемость мерзлых грунтов, засоленных хлористым натрием выше, чем сжимаемость мерзлых грунтов, засоленных карбонатом натрия.

3. Сжимаемость мерзлых грунтов различного строения рассматривалась в зависимости от типа льда-цемента, плотности-влажности мерзлого грунта и на грунтах с природными и нарушенными структурными связями. В экспериментах по изучению влияния типа льда-цемента на величину компрессионного сжатия мерзлых грунтов показано, что мерзлые грунты с поровым льдом-цементом (6 — 1) обладают меньшей сжимаемостью, чем мерзлые грунты с пленочным и контактным льдами-цементами (в =0.4).Увеличение плотности и уменьшение льдистости мерзлых грунтов способствует уменьшению их сжимаемости.

Деформирование супесчаных и суглинистых грунтов естественного сложения определялось взаимодействием ряда факторов, обусловленных строением и свойствами самого грунта. Природные мерз-, лые грунты, характеризующиеся значительной неоднородностью распределения структурных элементов по объему мерзлых грунтов и наличием льда-цемента базального типа, имели на 20−40 $ большую сжимаемость, чем те же грунты, но искусственного сложения, которые характеризовались равномерностью распределения структурных элементов по объему и наличием льда-цемента порового типа. У1. Вскрыты особенности изменения прочностных характеристик мерзлых грунтов в зависимости от их состава и строения при различных внешних воздействиях. Показано, что в глинистых грунтах изменение мгновенного и временного эквивалентного сцепления в процессе компрессии более значительно, чем в супесчаных и песчаных грунтах, что соответствует более интенсивному оттоку влаги и преобразованию адгезионных и когезионных связей, хотя исходная величина эквивалентного сцепления в песчаных грунтах выше. В более плотных и менее льдистых грунтах наблюдается меньшее изменение эквивалентного сцепления в ходе компрессии. С увеличением внешнего давления величина эквивалентного сцепления возрастает, но в различной степени в зависимости от состава грунтов.

УН. Полученные результаты компрессионных испытаний, а также литературные данные были проанализированы и обобщены. Проведено сопоставление компрессионных характеристик талых и мерзлых грунтов.

На основе анализа основных факторов, влияющих на сжимаемость мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой проведено разделение их на группы по категориям сжимаемости.

К сильносжимаемым мерзлым грунтам отнесены сильнозасоленные суглинки и глины, деформирующиеся при температурах выше -2, -3°С.К малосжимаемым мерзлым грунтам отнесены незасоленные и слабозасоленные песчаные и супесчаные грунты, уплотняемые при температурах ниже -0.5,-1°С, а также незасоленные и слабозасо-ленные суглинистые и глинистые грунты при температурах ниже -3,-4°С.К средне сжимаемым мерзлым грунтам относится болылииство грунтов. уплотняемых в диапазоне температур от -0.5,-1 до -3, -4°С при невысоких давлениях, до 1−2 МПа. При значительных величинах внешней нагрузки, более 1−2 МПа, практически все мерзлые грунты с массивной криогенной текстурой относятся к категории малосжимаемых грунтов.