Основные физические характеристики мерзлых грунтов

3.1. Суммарную влажность мерзлого грунта w_tot в долях единицы определяют отношением всех видов содержащихся в нем воды и льда к массе сухого грунта (для засоленных грунтов - к массе сухого грунта и содержащихся в нем солей)

w_tot = w_i + w_ic + w_w, (1)

где w_i, w_ic, w_w - влажность мерзлого грунта соответственно за счет ледяных включений, порового льда и незамерзшей воды.

Суммарная влажность в зависимости от содержания в ней льда может достигать 1,0 и более. Для чистого льда w_totⁿ = ∞, так как масса сухого грунта равна 0.

3.2. Объемная влажность мерзлых грунтов w_totⁿ характеризуется объемом всех видов воды в единице объема грунта

w_totⁿ = w_totr_d/r_w, (2)

где r_d - плотность сухого грунта, г/см³;

r_w - плотность воды, г/см³.

w_totⁿ может достигать единицы, если грунт состоит из чистого льда.

Суммарную влажность песчаных и глинистых мерзлых грунтов определяют различными методами в зависимости от их криогенной текстуры: для грунтов массивной текстуры - точечным методом или методом бороздки; для грунтов тонкослоистой и тонкосетчатой текстуры - методом средней пробы или методом бороздки; для грунтов мелко- и крупнослоистой и мелко- и крупносетчатой текстуры - методом средней пробы или расчетным методом.

Подробно методики испытаний изложены в литературе [15 - 17]. Ускоренные методы будут описаны ниже.

3.3. Количество незамерзшей воды и льда-цемента определяют калориметрическим методом [15]. В полевых условиях эти влажности следует определять по методике Г.П. Мазурова. Наиболее точно и быстро фазовый состав воды в мерзлых грунтах определяют сублимационным методом в полевых стационарных лабораториях.

После определения влажностей w_tot, w_w и w_ic - влажность за счет ледяных включений определяют из формулы (1).

3.4. Суммарную объемную льдистость мерзлого грунта i_i в долях единицы определяют отношением содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта

i_i = [r_м(w_tot - w_w)]/[r_i(1 + w_tot)], (3)

где r_м - плотность мерзлого грунта, г/см³;

r_i - плотность льда, равная 0,0009 кг/см³.

Относительную льдистость определяют отношением массы льда к массе всех видов воды в грунте

i_i-1 = 1 - w_w/w_tot

Объемную льдистость, равную отношению объема льда к объему породы, определяют так:

i_i-2 = r_sw_i/[r_i + r_s(w_tot - 0,1w_w)],

где r_s - плотность частиц грунта, г/см³.

3.5. Степень заполнения пор мерзлого грунта льдом и водой S_r-i равна

S_r-i = [(1,1w_ic + w_w)r_s]/(e_мr_w), (4)

где e_м - коэффициент пористости мерзлого грунта;

r_w - плотность воды, г/см³.

Для мерзлых грунтов S_r-i может быть больше единицы.

3.6. Показатели плотности и пористости мерзлых грунтов имеют тот же смысл, что и для талых, но количественно они отличаются:

r_s талых грунтов > r_s мерзлых грунтов > r_s льда

r -"- > r -"- > r -"-

r_d -"- > r_d -"- > r_d -"-

Например, плотность частиц мерзлого песка может изменяться от 2,65 до 0,92 г/см³.

Метод совмещенного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов

3.7. Существующие методы раздельного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов несовершенны, поскольку определение плотности, влажности и льдистости производят не на одном и том же объеме образца грунта, а на различных его частях, т.е. практически на различных пробах.

При таком различном определении снижается достоверность и согласованность между физическими характеристиками вследствие неоднородности строения грунта, изменения его свойств от точки к точке.

Несогласованность между физическими характеристиками, определяемыми опытным путем, автоматически переходит и на расчетные характеристики: плотность сухого грунта, пористость, степень влажности и др. Поэтому важно, чтобы определение основных физических характеристик выполнялось на одном и том же объеме образца грунта. Такой метод совмещенного определения плотности, влажности и льдистости разработан Г.П. Мазуровым на кафедре грунтоведения Ленинградского университета [18]. В данном методе сочетается достаточная точность и хорошая согласованность между определяемыми характеристиками с одной стороны и простота эксперимента с другой. Опыт можно выполнять в лабораторных и полевых условиях, а также непосредственно у горной выработки.

В совмещенном методе использован принцип пикнометрического способа определения суммарной влажности, что освобождает от необходимости высушивания грунта: объем грунта устанавливается по объему вытесненной им воды, а льдистость - по изменению объема системы скелет + вода после растаивания в грунте льда.

Совмещенный метод разработан для определения основных физических характеристик мерзлых грунтов, кроме сыпучемерзлых, однако, его можно использовать для определения плотности и влажности талых грунтов, обладающих связностью и медленно размокающих, например, для различных суглинистых грунтов.

3.8. Прибор для выполнения опыта (рис. 2) представляет собой сосуд вместимостью от 3 до 10 л, снабженный сливным устройством (шлангом с зажимом). Для опыта необходимы также весы чашечные или автоматические циферблатные от 5 до 10 кг.

3.9. Весы устанавливают на горизонтальную плоскость (стол, помост). На чашку (площадку) весов помещают сосуд при закрытом зажиме на сливном шланге. В сосуд наливают воду выше сливного отверстия. Избыток воды сливается через шланг, затем зажим закрывают и сосуд с водой взвешивают, определяют массу сосуда с водой g₀.

Все последующие операции (долив и слив воды, погружение грунта в сосуд и взвешивание грунта с водой) производят не сдвигая и не снимая сосуда с весов до конца опыта.

Рис. 2. Прибор для определения физических характеристик мерзлых грунтов:

1 - сосуд; 2 - штуцер; 3 - сливной шланг; 4 - зажим; 5 - площадка весов; 6 - грунт

В сосуд с водой при закрытом зажиме помешают образец (глыбу, часть керна или несколько кусков) мерзлого или талого медленно разминаемого грунта массой более 1 кг и быстро взвешивают, получают массу сосуда с водой и грунтом-монолитом g₁.

Сразу же после взвешивания открывают зажим, сливают избыток воды выше сливного устройства, зажим закрывают, а сосуд c водой и грунтом снова взвешивают, получают массу сосуда с грунтом-монолитом после слива воды g₂. Грунт в сосуде с водой оттаивает; для ускорения оттаивания образец грунта рекомендуется раздробить с помощью металлического стержня, ножа и т.д. После оттаивания и размокания грунта уровень воды в сосуде опустится ниже сливного отверстия, поэтому следует долить воды несколько выше сливного отверстия, избыток ее слить через шланг, а сосуд с водой и размокшим грунтом взвесить, получим массу сосуда с водой и размокшим грунтом g₃.

3.10. Расчет физических характеристик производят так.

Масса образца грунта-монолита

g₄ = g₁ - g₀.

Объем грунта-монолита

V_м = (g₁ - g₂)/r_w.

Плотность грунта (г/см³) - отношение массы грунта к его объему

r = (g₁ - g₀)r_w/(g₁ - g₂). (5)

При температуре грунта ниже -5 °С на образце грунта может образоваться корка льда. Для учета ее следует взвесить образец после его извлечения из сосуда (перед оттаиванием) - g₅.

Количество образовавшегося льда g₆ находят по разности g₆= g₅- g₄.

Плотность грунта с поправкой на корку льда составит

Плотность сухого грунта

r_d = (g₃ - g₀)r_s/(r_s - 1). (6)

Величина плотности частиц принимается: для песков 2,66; супесей 2,70; суглинков 2,71; глин 2,74 г/см³.

Суммарная влажность - отношение массы воды к массе сухого грунта

w_tot = [(g₁ - g₀)(r_s - 1)]/(g₃ - g₀)r_s. (7)

Объем льда

V_i = 12,5(g₃ - g₂) = (g₃ - g₂)/(r_w - r_i).

Льдистость объемная - отношение объема льда к объему грунта-монолита

i_i = [12,5(g₃ - g₂)r_w]/(g₁ - g₂). (8)

Масса льда

g_i = 11,5(g₃ - g₂).

Масса льда с поправкой на мерзлую корку g_i¢ составит

g_i¢ = g_i - g₆.

Льдистость весовая - отношение массы льда к массе скелета грунта

(9)

Льдистость относительная - отношение весовой льдистости к суммарной влажности

i_i-2 = i_i-1/w_tot. (10)

Количество незамерзшей воды в грунте

w_w = w_tot - i_i-2. (11)

3.11. Мерзлые песчаные грунты в воде иногда размокают. В этом случае перед определением плотности мерзлого грунта образец парафинируют, а его объем определяют методом гидростатического взвешивания [15 - 16].

Изложенный метод определения физических характеристик мерзлых грунтов (метод Г.П. Мазурова) до сих пор не нашел достаточно широкого применения в проектных институтах. Выше была изложена его модификация, разработанная в СибЦНИИСе и ХабИИЖТе и достаточно апробированная в полевых условиях.

Полевые методы определения плотности мерзлых грунтов

3.12. Сочетание лабораторных определений плотности и суммарной влажности мерзлых грунтов с радиоизотопным каротажем и тщательная документация выработок позволяют детально расчленить геологические разрезы на инженерно-геологические элементы и получить достаточно полную информацию для проектирования земляного полотна и других сооружений.

Наиболее эффективные результаты получены Ленгипротрансом при изучении мерзлых песчаных грунтов. В летний период в районах развития высокотемпературной мерзлоты сложно получить монолиты мерзлого грунта, особенно песков, для определения его плотности лабораторным способом. Радиоизотопный метод позволяет получить характеристики мерзлых грунтов по всей разведуемой толще.

Технологический комплекс мероприятий по изучению свойств мерзлых грунтов заключается в следующем: бурение скважин диаметром до 76 мм, отбор образцов, кавернометрия скважин для определения их диаметра, нейтронный, гамма-гамма- и гамма-каротаж для получения значений суммарной влажности, плотности и уточнение границ литологических разностей грунтов. После определенной выстойки скважины производят замеры температуры мерзлых грунтов по всей ее глубине.

3.13. Работы проводят в соответствии с государственными стандартами и наиболее современной аппаратурой для радиоизотопного каротажа и кавернометрии, разработанной НИИОСПом им. Н.М. Герсеванова (серийные ППГР-2 и ВИГР-2, а также опытные приборы ПВСГР-1 и ПВСГР-2) [17 - 19].

Использование современной электронной аппаратуры для замеров температур вечномерзлых грунтов позволило получить достаточную информацию для проектирования сооружений [20].

3.14. По сравнению с традиционными, радиоизотопные методы обладают значительными преимуществами. Они дают возможность за короткое время проводить в скважинах массовые измерения при достаточной надежности получаемых данных.

Проведенная статистическая обработка полученных физических характеристик мерзлых грунтов наглядно показывает, что сходимость показателей свойств грунтов, выполненных традиционными и радиоизотопными методами, хорошая, а количество определений, полученных радиоизотопными методами, значительно больше.

3.15. В ЦНИИСе разработан пневматический объемомер для определения плотности мерзлых грунтов.

Создав насосом в воздушной полости 1 определенное давление P, в системе 2 создается выравненное давление Р₁. (рис. 3). Процесс можно описать уравнением

VP = V₁ - Р₁, (12)

где V - объем;

Р - начальное заданное давление;

V₁ - суммарный объем, воздушной полости 2 и измерительного цилиндра 1;

P₁ - установившееся давление в системе.

Помещая образцы различного объема в измерительный цилиндр, тем самым будем менять воздушный объем измерительного цилиндра u, соответственно будет изменяться давление в системе.

При тарировке в измерительный цилиндр помещают образцы известного объема либо ставят мерный стакан, в который наливают жидкость определенными порциями. Берут отсчеты по манометру и строят тарировочный график.

На описываемом приборе проведено значительное число определений объемов как эталонных образцов, объем которых предварительно определялся методами парафинирования, обмеров и гидростатического взвешивания в воде, так и образцов грунта в полевых условиях. Точность измерения на разработанном Тындинской мерзлотной станцией приборе составляет около 2 %.

3.16. В настоящее время в ЦНИИСе создается модификация такого прибора (см. рис. 3).

Использование пневматического метода измерения объема образцов мерзлого грунта имеет следующие преимущества: образец не подвергается смачиванию (не меняется его влажность), не происходит вытаивание льда, образец (керн) для определения объема требует незначительной обработки - производится лишь поверхностная зачистка без придания ему правильной геометрической формы, образец имеет значительный объем (до 2500 см³) и может быть использован для производства дальнейших определений различных свойств грунта - влажности, льдистости, пористости, осадки при оттаивании и т.д.

Рис. 3. Схема воздушного объемомера:

1 - измерительный цилиндр; 2 - измерительный манометр; 3 - система стабилизации давления

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: