Аксёнов В.И., Геворкян С.Г.,Клинова Г.И.

Деформируемость  сильнольдистых грунтов полуострова Ямал

Сильнольдистыми называют многолетнемёрзлые грунты, содержащие более 40% включений льда по объему (ГОСТ 25100-95). Такие грунты широко распространены на Арктическом побережье и во многих районах Севера. Типичным районом распространения подземных льдов и сильнольдистых грунтов с различной криотекстурой является территория п-ва Ямал. Выполненные исследования показали, что изучение строительных свойств сильнольдистых грунтов представляет особо сложную проблему, разрешение которой требует многих лет. По сравнению с талыми грунтами на механические свойства мерзлых грунтов оказывает влияние температура и засоленность.

Свойства же сильнольдистых грунтов определяются еще большим количеством факторов: к перечисленным добавляется количество льда-включений и распределение их в грунте, т.е. криогенная текстура. Определения прочностных и деформационных свойств таких грунтов достаточно сложны по технике выполнения, методика этих определений хотя и стандартизована, но недостаточно проверена и слабо освещена в литературе.

Для сильнольдистых грунтов, также как и для засоленных грунтов, находящихся в широком диапазоне отрицательных температур в пластичномерзлом состоянии, деформация во времени (ползучесть) весьма существенна и ее следует учитывать при проектировании оснований фундаментов. В строительных нормах это отражено в требовании производить расчет по второму предельному состоянию (по деформациям).

В нормативной литературе /3/ приводятся способы расчета осадок фундаментов на сильнольдистых и пластичномерзлых грунтах. Но они чаще всего исходят либо из традиционных способов расчета оснований, применяемых для обычных (немерзлых) грунтов, либо предлагают производить расчет осадок, исходя из специфических свойств сильнольдистых грунтов (нелинейности развития деформации по времени; текучести материала), однако при этом не приводят необходимые для расчета численные значения коэффициентов.

В связи с этим, в настоящей работе делается попытка восполнить этот пробел и предложить численные характеристики деформируемости исследованных сильнольдистых грунтов. В таблице 1 приведены значения коэффициентов вязкости грунтов в зависимости от льдистости (0,4-0,9) в диапазоне температур от -2 до -6°С.

Экспериментальные данные получены из опытов на одноосное сжатие, проведенные в соответствии с ГОСТ 12248-96.

Tаблица 1 Сводная таблица деформационных характеристик (h) сильнольдистого суглинка

Данные экспериментов показывают, что с увеличением льдистости, коэффициент вязкости льда уменьшается, что свидетельствует о большой деформируемости грунтов. Вместе с тем, при понижении температуры от -2 до -6°С при фиксированной льдистости (i_tot=0,6) коэффициент вязкости у суглинка и песка увеличился примерно в 7 раз, т.е. деформируемость таких грунтов с понижением температуры уменьшается. На рис.1 приведены зависимости значений коэффициента вязкости h от температуры, полученные из наших опытов. Эти данные дополнены позаимствованными из работы З.П.Артемова /1/ значениями h для Т=-1 и -3°С для глинистых грунтов.

Рис.1 Зависимость коэффициента вязкости h от температуры для суглинков

1 – I_i = 0,4; 2 – I_i = 0,6; I_i = 0,8; 4 – I_i = 0,9

Предел линейной ползучести s₂ заметно больше предела затухающей ползучести s₁, а при льдистости 0,8-0,9 предел затухающей ползучести оказывается меньше 1 кг/см², в ряде случаев приближаясь к нулю.

Ввиду ограниченности времени испытания сильнольдистых образцов на одноосное сжатие (3-4 суток на ступени), не всегда удавалось получить в опытах абсолютную стабилизацию деформаций, поэтому в наших экспериментах принималась условная стабилизация, критерием которой была скорость e=(1¸3)10^-5 час^-1 _.

Для наиболее полного отражения влияния льдистости на параметры ползучести к обработке были привлечены экспериментальные данные, полученные из испытания глинистого грунта в диапазоне льдистостей от 0,6 до 0,9 при фиксированной температуре -6°С. На основании этих опытов были построены кривые e-s в логарифмических координатах для моментов времени t=8, 24, 48, 96 часов. Эти кривые имеют по две точки перегиба. Как уже отмечалось выше, для первой точки перегиба напряжение s₁  близко к величине длительной прочности, что свидетельствует о стадии затухающей ползучести для первого участка кривой.

В таблице 2 сведены рекомендуемые (нормативные) величины коэффициентов вязкости сильнольдистых грунтов для ряда температур (-2¸-6°С)    и   льдистостей   (-0,4¸ -0,9°С). Коэффициент вязкости уменьшается с увеличением льдистости и возрастает с понижением температуры. Нами  были проанализированы зависимости h сильнольдистых грунтов от температуры и предложено эмпирическое уравнение, позволяющее вычислять его для каждой льдистости.

где а,в,с – опытные параметры, t – температура в °С.

Эти формулы были внесены в таблицу рекомендуемых величин и они удобны для практического использования.

Рассматриваемые материалы по величинам коэффициентов вязкости сильнольдистых грунтов в нормативных документах отсутствуют и впервые предлагаются для отраслевых норм.

Помимо определения коэффициента вязкости сильнольдистых грунтов (из испытаний образцов на одноосное сжатие) была исследована возможность определения для них деформационных характеристик, используемых в уравнении С.С. Вялова, связывающим напряжение s и деформацию.

Таблица 2 Таблица рекомендуемых опытных (нормативных) и рассчитываемых величин коэффициентов вязкости сильнольдистых грунтов

(2)

где s, e - соответственно напряжение и деформация, t - время, t - температура,°С. Параметры w, k, l, m являются экспериментально определяемыми характеристиками /2/. Однако эти параметры трудно определяемы; кроме того, они оказываются существенно зависящими от температуры и, как следствие, от времени. Поэтому, применение этого уравнения  для анализа напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов оказывается довольно затруднительным, а для сильнольдистых мерзлых грунтов применение этого соотношения становится совершенно неприемлемым. В этой связи представляется целесообразным предложить новое реологическое соотношение, которое, обладая всеми достоинствами уравнения (2), вместе с тем позволяло был описывать напряженно-деформированное состояние сильнольдистых грунтов. Поскольку физико-механические свойства сильнольдистых грунтов довольно близки соответствующим свойствам чистого льда, то при выводе реологического уравнения для сильнольдистых грунтов представляется целесообразным воспользоваться уравнением реологии чистого льда, предложенным П.А.Шумским в следующем виде /4,5/:

(3)

(4)

(5)

где e - скорость деформации сильнольдистого грунта (час^-1), s - действующее напряжение, s_дл. – предел длительной прочности сильнольдистого грунта; i - льдистость; h - вязкость (Па^.час), t - время  (час), b - постоянная величина,  b = 730,09 град^-1.

Некоторые результаты контрольных расчетов по формуле (5) и сравнения их с данными экспериментов приводятся на графиках рис.2. Расчеты проводились для суглинков при льдистостях 0,6; 0,8; 0,9; температурах Т=-2°С и Т=-6°С и для моментов времени t до 8 часов включительно. Выбор такого временного интервала объясняется тем, что при t=8 час деформация имеет неустановившийся характер и скорость деформации здесь не достигает еще постоянного значения. Как показывают результаты расчетов, уравнение (5) удовлетворительно описывает напряженно-деформированное состояние сильнольдистых грунтов и может быть использовано при практических расчетах.

Рис. 2  Изменение скорости деформации суглинка от времени по опытным и расчетным данным

(а) - Т = -6⁰С, I_i=0.8, s_дл. = 3,1 кг/см², h=1,4*10³ Мпа*час

1 – расчетные данные; 2, 3,4 – опытные данные (опыты 22, 23,24)

(б) – Т = -6⁰С, I_i=0.9, s_дл. = 2,8 кг/см², h₁=1,1*10⁴, h₂=3,3*10⁴ Мпа*час;

5,6 – расчетные данные; 7,8, 9 опытные данные (опыты 25,26,27)

Литература

1.Артёмов З.П. Исследование особенностей сильнольдистых грунтов, как оснований сооружений. Авторефрат дисс…. канд. техн. наук. Л., ЛИСИ,1977.

2. Вялов С.С., Докучаев В.В., Шейнкман Д.Р. Методика определения характеристик ползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М., «Наука», 1966.

3. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на мерзлых грунтах. М., «Стройиздат», 1980.

4. Шумский П.А. О законе течения поликристаллического льда. Научные труды Института механики МГУ, №42, 1975, с.54-68.

5.Шумский П.А., Красс М.С. Динамика и тепловой режим ледников. М., Наука, 1983, 88 стр.