ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ КРУПНООБЛОМОЧНОГО ГРУНТА С ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

Соколова Ольга Владимировна

канд. техн. наук, доцент ИрГУПС - филиал ЗабИЖТ, г. Чита

Е-mail:

Чечель Марина Владимировна

доцент ЧитГУ, г. Чита

Е-mail:masaimarina1960@mail.ru

В большинстве районов нашей страны здания возводятся на территориях с сезоннопромерзающими или вечномерзлыми грунтами. Проблемы, связанные с морозным пучением грунтов, возникают в гражданском, промышленном, сельскохозяйственном, гидротехническом, железнодорожном и автодорожном строительстве. Морозное пучение грунтов вызывает деформации в конструкциях зданий и сооружений, потере устойчивости отдельно стоящих опор, отклонение от проектных положений конструкций объектов линейного строительства и их повреждение.

Развитие такого рода деформаций приводит к понижению устойчивости, надежности и долговечности, к дополнительным затратам средств, необходимых для капитального ремонта сооружений, а в некоторых случаях и возникновению аварийных ситуаций и сбоям в работе. Долгое время застройка территории велась по принципу выбора площадок с благоприятными инженерно-геологическими условиями. Сегодня таких площадок осталось очень мало. Вместе с тем все чаще строители сталкиваются с необходимостью использования в качестве оснований сооружений пучинистых грунтов.

Морозное пучение грунтов обусловлено климатическими, гидро­геологическими и литологическими факторами. К основным природным факторам, характеризующим интенсивность пучения грунтов, относятся гранулометрический, минералогический и химический состав грунта, его водно-физические свойства, а также режим увлажнения и охлаждения грунтов, зависящий от климатических и гидрогеологических условий площадок.

Многие годы считалось, что крупнообломочные грунты относятся к категории наиболее надёжных оснований, в которых процессы морозного пучения практически не развиваются. Поэтому при строительстве на них не предусматривались противопучинные мероприятия. Эксплуатация многих гидротехнических, железнодорожных и дорожных объектов, возведённых на крупнообломочных грунтах с пылевато-глинистым заполнителем, доказала на практике, что такие основания подвергаются морозному пучению и при этом могут развиваться деформации, вызывающие перемещения отдельных частей сооружений на величину, превышающие допустимые значения. Составление прогноза поведения этих грунтов при различных условиях промерзания затруднено их недостаточной изученностью и многофакторностью процесса.

Рассматривая влияние состава на деформации пучения грунта необходимо отметить, что глинистые грунты с большим содержанием фракции пыли при соответствующих температурно-влажностных условиях проявляют значительные деформации пучения. В.О. Орлов предложил классифицировать крупнообломочные грунты, пески и супеси по степени пучинистости с помощью показателя дисперсности D, определяемого по формуле:

где  K₁ — коэффициент, равный 1,85 10^-4 см²;

е — коэффициент пористости;

d₀ — средний диаметр частиц грунта, см.

При 1<D<5 грунты относятся к слабопучинистым; при D>5 к среднепучинистым.

Значительное влияние на интенсивность пучения оказывает минералогический состав грунта. Благодаря специфической кристаллической решетке каолиниты более восприимчивы к холоду, чем иллиты и монтмориллониты.

Влажность грунта в предзимний период является определяющим фактором его выпучивания. Выделяются два начальных условия пучения, определяющиеся предельными значениями влажности. Первое предельное значение влажности, при котором в замерзающем грунте воздушные поры заполняются льдом и незамерзающей водой, но пучение отсутствует, называется влажностью предела пучения. Критическая влажность - это второе предельное значение влажности, при котором происходит миграция влаги навстречу фронту промерзания грунта. Эта влажность соответствует началу процесса пучения. Критическая влажность зависит от влажности на границе пластичности заполнителя.

Величину пучения грунтов в лабораторных условиях определяют путем моделирования одномерного теплового поля, что достигается с помощью боковой теплоизоляции образцов. Для решения задачи о неполном промораживании образцов у одного из торцов поддерживается положительная температура. Если промораживаемый образец изолирован от влагообмена с окружающей средой, то в этом случае образец исследуется в условиях «закрытой» системы, в противоположном случае система считается «открытой».

Продолжительность эксперимента, в зависимости от высоты исследуемого образца и градиента температуры, достигает нескольких суток. В ходе эксперимента могут быть измерены и вычислены такие характеристики, как плотность скелета грунта, пористость, плотность внутреннего, внешнего и суммарного миграционного потока, интенсивность обезвоживания и льдонакопления, общий термодинамический потенциал влаги, а также определены коэффициенты влагопроводности и диффузии влаги. В процессе промерзания можно наблюдать изменение температуры, влажности, величины деформаций и напряжений по глубине образца и по времени.

Величина деформаций может быть измерена путем непосредственного контакта с деформируемым грунтом, при введении датчиков в исследуемый слой или путем измерения деформации без нарушения сплошности породы с помощью ультразвука или же другими методами.

Проведённые нами лабораторные и натурные исследования позволили выявить основные закономерности развития деформаций морозного пучения крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем:

1. Повышение процентного содержания пылевато-глинистых частиц в крупнообломочном грунте приводит к изменению его физических свойств, влияющих на его морозоопасность;
2. Смешивание пылевато-глинистых частиц заполнителя с обломочным материалом при наличии влаги приводит к образованию на поверхности обломков коллоидной плёнки, которая при промораживании грунта способствует миграции влаги;
3. Миграция влаги отмечается при наличии заполнителя с начальной влажностью (W_ρ+0.5I_ρ) свыше 10 % и при дальнейшем увеличении содержания тонкодисперсных частиц миграция влаги усиливается.
4. При промерзании крупнообломочного грунта наличие заполнителя с влажностью (W_ρ+0.5I_ρ) до 10 % способствует образованию коркового типа криогенных текстур, а при более высоком содержании наблюдается образование текстур корково-шлирового типа;
5. При постоянной температуре промораживания скорость промерзания грунта изменяется обратно пропорционально процентному содержанию заполнителя;
6. Деформации морозного пучения возрастают с увеличением процентного содержания тонкодисперсного заполнителя при неизменной его влажности;
7. Исследование грунта в закрытой системе показывает переход крупнообломочного грунта в морозоопасное состояние при большем процентном содержании заполнителя, чем при открытой системе.

Граница начала пучения крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем определяется по трем основным свойствам, влияющим на морозоопастность грунта: по гранулометрическому составу, влажности и степени заполнения межобломочного пространства тонкодисперсным материалом с учетом влажности.

Для определения границы начала пучения по гранулометрическому составу и ее обоснования нами выбран критерий дисперстности, так как этот показатель характеризует водные и пучинистые свойства грунта В настоящее время установлено, что песчаные и крупнообломочные грунты без заполнителя относятся к морозоопастным при значении критерия дисперстности равном 1. Следовательно, процентное содержание заполнителя, при котором крупнообломочный грунт переходит в морозоопастную систему можно определить, вычислив значения критерия дисперсности при различных процентных содержаниях этого вида заполнителя

Полученные закономерности позволяют правильно оценить морозопасность крупнообломочного грунта с пылевато-глинистым заполнителем и своевременно предусмотреть противопучинные мероприятия во избежание негативных последствий и аварийных ситуаций.

Список литературы:

1. Грицык В. И. Земляное полотно железных дорог. – М.: Маршрут, - 2005.
2. Орлов В. О., Дубнов Ю. Д., Меренков Н. Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. – Л.: Стройиздат, 1977.
3. Соколова О. В., Горковенко Н. Б. Оценка морозоопасности крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем. - Основания, фундаменты и механика грунтов –1997, № 2, - С. 11—15.