Закономерности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге

Общая характеристика работы.

Актуальность. Одной из актуальнейших проблем при хозяйственном освоении районов криолитозоны является необходимость прогноза деформаций и несущей способности многолетнемерзлых пород при их оттаивании.

Исследование деформационных свойств оттаивающих грунтов, разработка методов определения характеристик, расчета осадок при оттаивании начаты в 30-е годы XX века. Накоплен огромный материал по результатам испытаний оттаивающих грунтов в полевых условиях горячими штампами на строительных площадках Петровско-Забайкальского металлургического завода, Удоканского ГОКа, Южной и Центральной Якутии, а также в лабораторных условиях для всех видов грунтов в широком диапазоне изменения их физических свойств.

Получены феноменологические зависимости, позволяющие выполнять прогноз осадок оттаивания в зависимости от льдистости, плотности, содержания незамерзшей воды, внешней нагрузки и времени ее воздействия. Выявлены закономерности влияния скорости оттаивания на величину осадки и степень консолидации оттаявших грунтов. Разработаны методы расчета осадок оттаивающих грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений, методы определения заданной глубины предпостроечного оттаивания.

Что же касается прочностных характеристик оттаивающих грунтов, то они практически не исследованы. При переходе грунтов из мерзлого в талое состояние исчезают льдоцементационные связи и формирование несущей способности оснований происходит в течение длительного процесса уплотнения и водоотдачи грунта. Для корректной оценки устойчивости откосов, несущей способности инженерных сооружений, возводимых на оттаивающих грунтах, а также для прогноза негативных естественных и техногенных мерзлотно-геологических процессов, необходимо знать изменение во времени прочностных характеристик грунтов (прежде всего сопротивления сдвигу) как на границе оттаивания, так и по глубине оттаявшего слоя.

В связи с этим, исследования, направленные на установление закономерностей зависимости прочностных характеристик оттаивающих грунтов от физических свойств, условий оттаивания, временного фактора, обуславливающего консолидацию, являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось установление закономерностей формирования предельных значений прочностных характеристик оттаивающих дисперсных грунтов при сдвиге в зависимости от физических свойств, скорости оттаивания, внешних нагрузок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать усовершенствованную методику лабораторных исследований формирования прочностных характеристик оттаивающих дисперсных грунтов при сдвиге, позволяющей определять данные характеристики в зависимости от физических свойств, скорости оттаивания, внешней нагрузки и порового давления.

2. Провести эксперименты по изучению сопротивления сдвигу оттаивающих дисперсных грунтов в широком диапазоне изменения их физических свойств, условий оттаивания и уплотнения с учетом порового давления.

3. По данным анализа результатов экспериментов установить закономерности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге.

4. На основе сопоставления результатов прогноза устойчивости склонов, сложенных грунтами в оттаявшем и оттаивающем состояниях, дать рекомендации по условиям задания предельных значений прочностных характеристик.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствована методика определения прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге, включающая методику замера порового давления на границе оттаивания.

2. Получены предельные значения прочностных характеристик основных видов дисперсных грунтов при оттаивании в широком диапазоне изменения их физических свойств, позволяющие прогнозировать предельное состояние оттаивающих оснований сооружений и устойчивости грунтов при различных геокриологических процессах.

3. Дана оценка влияния условий оттаивания (температурного режима на поверхности оттаивающего грунта и времени приложения нормального давления) на формирование сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов и их прочностных характеристик.

4. По опытным данным измерения осадки в процессе оттаивания дана количественная оценка изменения физических свойств оттаивающих грунтов.

5. Получена закономерность влияния порового давления на сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов.

6. Установлено снижение коэффициента устойчивости оттаивающих дисперсных грунтов при условии учета предельных прочностных характеристик, формирующихся на границе оттаивания.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Усовершенствованная методика определения прочностных свойств оттаивающих грунтов, включающая исследования порового давления.

2. Зависимости прочностных характеристик основных видов оттаивающих дисперсных грунтов от их физических свойств.

3. Закономерность формирования прочностных свойств оттаивающих грунтов в зависимости от режима тепловых и механических нагрузок в процессе оттаивания.

4. Зависимости прочностных характеристик оттаивающих грунтов от порового давления влаги и ее фильтрации в процессе оттаивания.

Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы для расчета устойчивости оснований инженерных сооружений, для прогноза естественных и техногенных мерзлотно-геологических процессов в условиях оттаивания, а также для дальнейших научных исследований в данном направлении.

Личный вклад автора. Лично автором был собран, проанализирован и обобщен имеющийся материал по прочностным и деформационным характеристикам оттаивающих грунтов. Используя методику по определению сопротивления сдвигу при оттаивании, разработанную в НИИОСП имени Н.М. Герсеванова, как базовую, автором разработана усовершенствованная методика определения прочностных свойств основных видов дисперсных грунтов при оттаивании с учетом изменения физических, деформационных характеристик, включая исследования порового давления. Автором разработан прибор определения порового давления. Лично автором было проведено около 200 испытаний, включающих комплекс исследований механических и физических свойств основных видов дисперсных грунтов при различных режимах тепловых и механических нагрузок, выделен ряд основных факторов, влияющих на формирование сопротивления сдвигу при оттаивании. На основе опытных данных установлены закономерности формирования предельных значений прочностных характеристик грунтов на границе оттаивания с учетом порового давления.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 2 конференциях (на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам <Ломоносов-2003> и на Третьей конференции геокриологов России, 2006), на заседании секции научно-технического совета НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, нашли отражение в 5-ти публикациях и вошли в содержание ряда научно-технических отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Содержит 143 страницы машинописного текста, включающих 12 таблиц, 45 рисунков и список литературы из 118 наименований.

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством доктора геолого-минералогических наук Л.Т. Роман и в НИИОСП имени Н.М. Герсеванова в лаборатории "Механики мерзлых грунтов и методов расчета оснований" руководимой кандидатом технических наук Г.И. Бондаренко, которым автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и внимание на всех этапах работы над диссертацией. Автор также выражает признательность д.т.н., профессору Л.Н. Хрусталеву, к.г.-м.н. С.С. Волохову за полезные советы и замечания, способствовавшие выполнению данной работы. Автор благодарит за внимание и помощь в проведении экспериментов к.т.н. А.Г. Алексеева, А.А.Чапаева, И.Н. Шуганова, а также родных и друзей за поддержку и понимание.