Определение показателей прочности и деформативности вечномерзлых грунтов в полевых условиях

3.22. При разработке приборов для исследования мерзлых грунтов учтен опыт создания приборов для испытания талых грунтов с соответствующим усилением большинства узлов и деталей, рассчитанных на большие нагрузки, и с приданием некоторым узлам термоизолирующих свойств. К наиболее известным приборам, довольно подробно описанным в соответствующей литературе [5, 10, 15, 14, 16, 23] можно отнести компрессионные (одометры), сдвиговые приборы с одно- и двухплоскостным срезом и одно- и многошариковые штампы. Следует отметить, что при проведении исследований мерзлых грунтов для создания определенного отрицательного термического режима использовались либо мощные холодильные камеры, либо выработки в вечномерзлых грунтах.

Сложность поддержания с высокой точностью отрицательного температурного режима, в холодильных камерах приводит к существенному усложнению их конструкции и сложности применения в полевых условиях. В подземных выработках температурный режим сохраняется довольно стабильно, но ограничен только определенной температурой, присущей данному массиву мерзлых грунтов.

Методика проведения испытаний в таких условиях разработана и довольно подробно описана в литературе [10, 24], поэтому в настоящей работе не приводится.

3.23. Необходимость получения в полевых условиях физико-механических характеристик вечномерзлых высокотемпературных грунтов (диапазон от 0 до -0,6 °С) привела к разработке в Тындинской мерзлотной станции ЦНИИС ряда приборов с общепринятым принципом проведения исследований - компрессионных, сдвиговых приборов и шариковых штампов с использованием в качестве холодильных камер буровых скважин, пройденных в вечномерзлых грунтах. Приборы разрабатывались под руководством Г.П. Минайлова сначала Сковородинской научно-исследовательской мерзлотной станцией, а затем ТМС ЦНИИС Минтрансстроя.

3.24. Характерной общей особенностью разработанных конструкций установок является наличие сборного трубчатого корпуса с приваренным снизу утолщенным днищем. В верхней части трубчатого корпуса приварен фланец для крепления крышки с расположенными на ней стойками под измерительные устройства и силовые элементы.

Трубы малого диаметра, служащие для фиксации непосредственно приборов на днище трубчатого корпуса, также соединяются поэлементно и имеют, кроме стыковых узлов, кольцевые диафрагмы для центрирования передающих нагрузку штанг и для уменьшения влияния конвективного теплообмена.

Звенчатая конструкция установок дает возможность собирать и погружать приборы на различную глубину в вечномерзлые грунты, что позволяет выборочно использовать необходимый термический режим мерзлой толщи. Преимуществом разработанных конструкций приборов является то, что собирать установки и проводить на них исследования можно непосредственно в районе проведения изысканий. Основными требованиями при установке приборов являются надежная гидроизоляция стыков между звеньями, особенно в зоне деятельного слоя, и соблюдение вертикальности ствола скважины.

3.25. При выборе полигона для размещения описываемых установок следует отдать предпочтение участкам с несливающейся мерзлотой (в частности, вблизи естественных водоемов). В этом случае слои мерзлой толщи имеют высокую отрицательную температуру (от -0,05 до -0,2 °С), изменение которой весьма незначительно во времени. Приборы можно устанавливать и в обычных условиях с покрытием полигона перед началом осеннего промерзания термоизолирующим слоем из мха или торфа мощностью 0,5 м с периметром площадки 15 ´ 15 м. Описание разработанных приборов, методика выбора площадок, испытание грунтов подробно описаны ранее Г.П. Минайловым. Наличие термоизолирующего слоя позволяет сохранить постоянство термического режима более длительное время. При выборе испытательного полигона особое внимание следует обращать на температурный режим вечномерзлых грунтов, чтобы иметь возможность проводить испытания грунтов в различных температурных условиях, варьируя глубину заложения установок.

3.26. Получение физико-механических характеристик вечномерзлых грунтов возможно только при испытании образцов ненарушенного сложения.

На основании накопленного опыта Тындинской мерзлотной станции и других организаций можно сделать вывод о том, что из трех видов грунтоносов - обуривающих, забивных и вдавливаемых - наиболее приемлемыми для отбора образцов для испытаний являются обуривающие грунтоносы. Один из таких грунтоносов был разработан в Сковородинской НИМС.

Особенностью этого грунтоноса по сравнению с аналогичными конструкциями является то, что вовнутрь рабочей гильзы вставляются рабочие кольца приборов, чередующиеся с разрезными кольцами. Керн, обуриваемый твердосплавными пластинами грунтоноса, попадает в рабочие кольца.

3.27. Следует отметить, что при разработке вышеуказанных приборов компрессионные приборы и шаровые штампы рассчитывались на применение стандартных колец от приборов системы ЦНИИС. После извлечения керна из грунтоноса разрезные кольца убирают, производя распил керна и дальнейшую чистовую обработку рабочих колец. После обработки часть рабочих колец загружают в приборы и опускают в установки, другую часть подвергают консервации. Кольца укладывают в специальные бюксы с резьбовыми уплотняющими крышками, чередуясь с прокладками из тонкой эластичной резины с целью предохранения рабочих поверхностей грунта от выветривания.

Бюксы опускают в скважину, специально пробуренную в вечномерзлом грунте, и хранят до следующего цикла испытаний. Для предотвращения растепления испытуемого грунта от рук кольца при обработке зажимают в специальные зажимы из термоизоляционного материала (текстолита).

Разработанные конструкции приборов имеют следующие преимущества:

позволяют проводить испытания вечномерзлых грунтов в полевых условиях;

дают возможность получить физико-механические характеристики грунтов при высокой отрицательной температуре (от 0 до минус 1 °C);

стоимость производства исследований незначительна по сравнению со стоимостью работ при использовании холодильных камер и подземных выработок, к тому же холодильные камеры не всегда можно использовать в полевых условиях, а устройство подземных лабораторий иногда невозможно ввиду сложных грунтовых условий и весьма трудоемко;

установки обладают хорошей транспортабельностью ввиду звенчатой конструкции.

При проведении испытаний вечномерзлых грунтов шаровыми штампами предпочтение следует отдать многошариковому, тогда получаемые результаты являются усредненными и в меньшей степени зависят от текстурных особенностей грунтов.

Экспресс-метод определения сжимаемости оттаивающих вечномерзлых грунтов

3.28. При проведении работ в районах распространения вечномерзлых грунтов рекомендуется проводить микрорайонирование территорий проектируемых станций и полосы возможного варьирования трассы железных дорог по категориям просадочности мерзлых грунтов при оттаивании (таблица):

Наименование и состав грунтов	Суммарная влажность мерзлых грунтов по категориям относительной просадочности при свободном оттаивании
	I	II	III	IVА	IVБ
Галечниковый (щебенистый) гравийный (дресвяный) с примесью:					Любые грунты с пластами, гнездами, линзами и жилам мощностью более 10 см подземных льдов
песка	0,05 - 0,09	0,09 - 0,15	0,15	-
супеси или суглинка до 25 %	0,09 - 0,13	0,13 - 0,17	0,17	-
то же до 50 %	0,11 - 0,16	0,16 - 0,20	0,20	-
Пески	0,15 - 0,17	0,17 - 0,25	0,25	-
Супеcи:
легкие	0,11 - 0,13	0,13 - 0,23	0,23 - 0,53	> 0,53
тяжелые	0,14 - 0,16	0,16 - 0,25	0,25 - 0,56	> 0,56
Суглинки:
легкие	0,17 - 0,20	0,20 - 0,28	0,28 - 0,60	> 0,60
тяжелые	0,21 - 0,23	0,23 - 0,35	0,35 - 0,66	> 0,66
Глины	< 0,25	0,25 - 0,40	0,40 - 0,75	> 0,75

I категория - непросадочные, относительная просадочность e_si = 0;

II категория - малопросадочные, 0 < e_si £ 0,10;

III категория - проселочные, 0,11 < e_si < 0,40;

IVА категория - сильно просадочные e_si ³ 0,41;

IVБ категория - локально просадочные.

Микрорайонирование выполняют обычными средствами инженерно-геокриологической съемки и обосновывают данными определения относительной осадки мерзлых грунтов при оттаивании, которое производится с помощью прибора ПОП (прибор относительной просадочности, конструкция Ленгипротранса).

Ниже изложена конструкция прибора ПОП и методика работы с ним. Следует отметить, что конструкция прибора претерпела значительные изменения. Кроме того, основные конструктивные решения увязаны с действующим государственным стандартом [14].

3.29. Прибор ПОП (рис. 4) переносной, не требует никаких дополнительных операций для установки, позволяет производить опыты непосредственно у буровой скважины с керном, извлеченным с любой глубины, обеспечивает получение данных относительной осадки в процессе изысканий, которые могут быть использованы при трассировании и принятии проектных решений.

Прибор обеспечивает полное оттаивание испытуемого керна в процессе опыта, который производят при точно известной мощности оттаивающего слоя (в отличие от метода испытания мерзлых грунтов горячими штампами).

3.30. При использовании прибора ПОП значительно увеличивается производительность труда по проведению испытаний мерзлых грунтов: весь опыт длится от 30 мин до 2-х часов, отпадают значительные затраты труда и времени на различные вспомогательные и дополнительны операции.

Массовое количество получаемых данных обеспечивает получение более точных значений нормативных характеристик относительной осадки мерзлых грунтов при оттаивании [26 - 28].

Рис. 4. Прибор для определения относительной просадочности мерзлых грунтов

Однако в методике использования прибора ПОП допущено обоснованное отступление от требования ГОСТ 24588-81:

время фиксации условной стабилизации осадки при предельном приращении ее до 0,01 мм сокращено до одного часа. Это сделано на основании экспериментальных данных В.П. Ушкалова, который установил, что мерзлый глинистый грунт при оттаивании приобретает крупноагрегатное строение и его коэффициент фильтрации возрастает в десятки раз по сравнению с коэффициентом фильтрации талых глинистых грунтов [27]. В процессе работы с прибором ПОП при изысканиях БАМа установлено, что основная часть осадки оттаивающего керна (80 - 90 %) происходила в течение 15 - 30 мин. Исходя из этой особенности мерзлых оттаивающих грунтов, можно считать, что условная стабилизация осадки оттаивающего керна наступит значительно раньше, чем это предусмотрено ГОСТ 24586-81, так как в приборе ПОП испытывается только мерзлый оттаивающий керн, а в ГОСТ 24580-81 время фиксации стабилизации осадки предусмотрено в основном для талого керна, ранее обжатого первой ступенью нагрузки.

В приборе можно испытывать керн любого диаметра, но не менее 56,5 мм. Согласно ГОСТ 12248-66 (примечание 16) допускается для однородных грунтов (в нашем случае грунты 1-П категории просадочности с массивной текстурой) испытывать в компрессионных приборах образцы грунта с диаметром не менее 56,5 мм. При этом желательно для улучшения запрессовки керна в пробоотборник применить такой буровой наконечник, при бурении которым диаметр керна получался бы на 2 - 3 мм больше внутреннего диаметра пробоотборника. Однако целесообразно изготавливать прибор в двух модификациях: с внутренним диаметром цилиндра 71,4 и 56,5 мм.

Прибор с внутренним диаметром цилиндра 71,4 мм предназначен для случаев, когда требуется продолжить испытание оттаявшего под первой ступенью нагрузки керна под нарастающими нагрузками для определения коэффициента сжимаемости в компрессионном приборе.

Прибор с внутренним диаметром цилиндра 56,5 мм предназначен для определения только суммарной относительной осадки оттаивающего керна под заданной нагрузкой до 0,1 МПа (1,0 кгс/см²), что во многих случаях может быть достаточно. Коэффициент сжимаемости оттаявшего и обжатого керна можно определить по таблице СНиП 2.02.01-83.

3.31. Работа с прибором производится следующим образом (см. рис. 4).

Извлеченный из буровой скважины керн мерзлого грунта 2 запрессовывают в пробоотборник 6 или 7 со стороны заостренного торца, которым срезаются все неровности на боковой поверхности керна.

По торцам пробоотборника обрезают торцы керна и тщательно выравнивают.

Короткий пробоотборник 6 высотой 28 или 36 мм предназначен для отбора малольдистых образцов; длинный 7 высотой 56,5 или 72 мм - для сильнольдистых образцов с видимыми прослойками льда.

Подготовленный керн выталкивают толкателем 4 в цилиндр 12. На оба торца керна кладется по кружку фильтровальной бумаги. Цилиндр вставляют в гнездо пяты-подставки 1. Штамп 11 вставляют в цилиндр до упора в торец керна.

На тарелку штампа укладывают нужный груз 9 и мерзлый керн выдерживают под давлением груза в течение 30 с для устранения возможных зазоров между штампом и керном и между стенками цилиндра и керном.

В период кратковременного обжатия мерзлого керна в пяту-подставку 1 вворачивают стойки 3, 10, устанавливают перекладину 8 и в ней укрепляют индикатор 5.

3.32. После кратковременного обжатия мерзлого керна шток индикатора устанавливают на торце штыря штампа в нажатом положении, стрелка - на нуле циферблата.

Затем в выточку пяты-подставки укладывают таблетки сухого спирта и поджигают.

Таблеток сухого спирта должно быть столько, чтобы температура поддерживалась в пределах 40 - 60 °С.

В процессе оттаивания керна фиксируют осадку штампа по индикатору.

Когда будет достигнута условная стабилизация осадки, т.е. когда приращение осадки за 60 мин составит не более 0,01 мм, производится отсчет положения штока по индикатору, который покажет абсолютную величину осадки оттаявшего керна.

3.33. Относительную осадку вычисляют по формуле

e_si = (h_м - h_т)/h_м, (13)

где h_м - высота примененного пробоотборника, мм;

h_т - высота обжатого керна, мм.

3.34. В приборе ПОП можно определить: коэффициент свободного оттаивания А₀; тогда оттаивание керна производится под весом штампа, обеспечивающего давление на торец керна 10⁴ Па (0,1 кгс/см²);

суммарную относительную осадку мерзлого керна при его оттаивании под любой заданной нагрузкой, создаваемой грузами, надетыми на тарелку поршня;

полный комплекс определения относительной осадки при оттаивании под природной или заданной нагрузкой и коэффициент сжимаемости оттаявшего керна под большими нагрузками в соответствии с ГОСТ 24568-81 в компрессионном приборе.

В процессе определения осадки оттаивающего мерзлого керна в приборе ПОП можно попутно определить суммарную влажность и плотность мерзлого керна.

3.35. Метод определения осадки оттаивающих мерзлых грунтов с помощью прибора ПОП следует применять в следующих случаях [28]:

при проведении микрорайонирования застраиваемой территории или полосы возможного варьирования трассы по категориям просадочности (см. таблицу) определение относительной осадки оттаивающих мерзлых грунтов целесообразно производить в приборе ПОП с внутренним диаметром цилиндра 56,5 мм под постоянной нагрузкой 0,1 МПа.

Определение коэффициента сжимаемости в этом случае необязательно;

при проектировании зданий IV - V классов, небольших сооружений, водопропускных труб, малых мостов, железнодорожных и автодорожных насыпей и выемок и других земляных сооружений; определение суммарной относительной осадки оттаивающих мерзлых грунтов выполняется в приборе с внутренним диаметром 56,5 мм под нагрузкой от 0,05 до 0,1 МПа.

Коэффициент сжимаемости оттаявшего и обжатого грунта в этом случае определяется по таблицам нормативного значения модуля деформации СНиП 2.02.01-83;

при проектировании средних и больших мостов, зданий I - III классов, крупных сооружений, высоких насыпей; суммарная относительная осадка оттаивающего мерзлого керна определяется в приборе с внутренним диаметром цилиндра 71,4 мм под нагрузкой от 0,05 до 0,1 МПа.

Коэффициент сжимаемости талого и обжатого керна в этом случае определяется в компрессионном приборе стационарной лаборатории.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: