Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры

Общая характеристика работы.

Актуальность

Суровые климатические условия, распространение многолетнемерзлых грунтов, в том числе засоленных, заторфованных, сильнольдистых создают значительные трудности при освоении природных ресурсов северных районов России. Одной из основных проблем надежного строительства и эксплуатации зданий, промысловых и транспортных сооружений является достоверная оценка несущей способности грунтов оснований и её прогноза с учетом влияния всего комплекса факторов как природных, так и техногенных.

Настоящая работа направлена на исследование прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов, залегающих в пределах оснований сооружений территории Европейского Севера. В настоящее время - это активно развивающийся район России, здесь строится и проектируется целый ряд магистральных и межпромысловых нефтепроводов (Ю. Хыльчуя - Варандей, Харьяга - Варандей и т.д.), по территории Европейского Севера проходят трассы газопроводов (Ямал - Ухта), разрабатываются ряд крупных нефтяных месторождений, производится поиск и разведка новых.

Следует отметить, что мерзлотные условия севера Западной Сибири, в том числе и полуостров Ямал, на котором расположено большое количество нефтяных и газоконденсатных месторождений, исследованы довольно широко. Накоплен большой объем инженерных изысканий и исследований.

Мерзлотно-грунтовые условия территории Европейского Севера существенно отличаются от таковых Западной Сибири. Среднегодовые температуры многолетнемерзлых грунтов в данном районе существенно выше (в среднем минус 2 - минус 3^oС), что наряду с широким распространением засоленных, заторфованных и льдистых грунтов обусловливает более яркое проявление их реологических свойств и усложняет задачи проектирования и строительства инженерных сооружений. Имеющиеся данные по физико-механическим свойствам грунтов получены, в основном, на стадии инженерно-геокриологических изысканий, при этом методы прогноза прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов производятся согласно действующим нормативным документам, разработанным, как правило, для грунтов Западной и Восточной Сибири и Якутии. Имеются лишь единичные публикации, касающиеся механических свойств мерзлых грунтов Европейского Севера. Объем опубликованных материалов не позволяет установить закономерности зависимости прочностных и деформационных характеристик основных видов грунтов от физических свойств и температуры.

Цель настоящей работы: на основе экспериментальных и теоретических исследований обосновать выбор методов определения длительной прочности и деформируемости мерзлых засоленных грунтов исследуемого района в зависимости от физических свойств и температуры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов прогноза длительной деформации и прочности мерзлых грунтов.
2. Провести анализ и обобщение мерзлотно-грунтовых условий по данным литературных источников, архивных материалов и результатов инженерно-геокриологических изысканий, в которых автор принимал участие.
3. Выбрать и обосновать методики лабораторных исследований и получить параметры прогнозных уравнений.
4. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования длительной прочности и деформируемости основных видов мерзлых грунтов исследуемого района в диапазоне изменения характеристик их физических свойств и температуры.
5. Установить закономерность зависимости длительной прочности и деформируемости от времени воздействия внешних нагрузок как единого термофлуктуационного процесса.
6. Разработать предложения по определению длительной прочности и деформации, получить параметры прогнозных уравнений для мерзлых грунтов исследуемого района.

Научная новизна работы
1. На основе экспериментальных данных выполнен анализ феноменологических уравнений длительной прочности и выбор наиболее достоверных из них для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых грунтов, в том числе засоленных.
2. Разработана и опробована методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, основанная на представлениях о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность и деформацию мерзлого грунта на период времени, сопоставимый с периодом эксплуатации сооружений.
3. Показана аналогия между влиянием концентрации легкорастворимых солей в поровом растворе и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов и получены параметры уравнения, основанного на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения.
4. Установлены зависимости параметров феноменологических уравнений, рекомендованных для прогноза длительной прочности мерзлых грунтов в пределах выделенных РГЭ (расчетно-грунтовых элементов), от физических свойств и, температуры.

Практическая значимость работы
1. Предложения по выбору феноменологического уравнения для прогноза длительной прочности в зависимости от вида грунта могут быть использованы на всех стадиях изысканий и проектирования инженерных сооружений.
2. Разработанная методика определения длительной прочности и деформации по данным испытаний на одноосное сжатие позволяет определить их значения на длительный период времени при расчете несущей способности мерзлых грунтов как оснований сооружений.
3. Полученные параметры прогнозных уравнений длительной прочности дают возможность выполнить предварительную оценку несущей способности мерзлых грунтов выделенных РГЭ без проведения испытаний в пределах температуры естественного залегания.

Личный вклад автора

В ходе выполнения диссертационной работы автор принимал участие в четырех экспедициях в районы Европейского Севера, где были проведены работы по изучению геокриологических условий.

Выполнено обобщение и анализ результатов экспериментов, полученных при личном участии автора, а также опубликованных в литературе, на основе которых проведен анализ точности прогноза основных феноменологических уравнений длительной прочности, а также установлены зависимости, позволяющие оценить прочность и деформацию мерзлых засоленных грунтов изучаемого района. Результаты базируются более чем на 1200 экспериментальных определениях механических характеристик мерзлых грунтов.

Разработана и опробована методика обработки опытных данных одноосного сжатия мерзлых грунтов при ступенчатом нагружении.

Установлена аналогия влияния содержания легкорастворимых солей и температуры на характер зависимости длительной прочности от времени воздействия нагрузки.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на отечественных и международных конференциях: Ломоносовские чтения (Москва, геологический факультет МГУ, 2008), <Криосфера нефтегазоносных провинций> (Тюмень, 2004), <Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения> (Пущено, 2002), "Asian Conference of Permofrost" (Lanzhou, China, 2006), <Ломоносов> (Москва, геологический факультет МГУ, 2003, 2005).

Основные положения работы опубликованы в 3 статьях: <Влияние засоленности на разрушение мерзлых грунтов> (рекомендованный ВАКом журнал <Основания, фундаменты и механика грунтов>), <Исследования прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов> (журнал <Промышленное и гражданское строительство>), <Определение температуры начала замерзания засоленных мерзлых грунтов> (журнал <Промышленное и гражданское строительство>).

Структура и объем работы:

Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержащего 102 наименования. Работа изложена на 153 станицах, включает 91 рисунок и 27 таблиц.

Защищаемые положения:
1. Рекомендации по выбору наиболее достоверных феноменологических уравнений, которые могут быть использованы для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых засоленных грунтов.
2. Разработанная методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность мерзлого на период времени сопоставимый с периодом эксплуатации сооружения.
3. Аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температуры мерзлого засоленного грунта на длительную прочность, установленная на основе термофлуктуационного представления о процессе разрушения.
4. Параметры феноменологических уравнений, которые позволяют оценить длительную прочность мерзлых засоленных грунтов в пределах выделенных РГЭ в зависимости от физических свойств и температуры.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору геолого - минералогических наук, профессору кафедры геокриологии геологического факультета Лидии Тарасовне Роман за руководство и помощь в выполнении данной работы, заведующему сектором исследования мерзлых грунтов (СИМГ) института <Фундаментпроект> к.т.н. В.И. Аксенову, сотрудникам сектора (СИМГ) А.В. Иоспе, к.ф-м.н. С.Г. Геворкяну, Г.И. Клиновой, начальнику отдела ОИГС <Фундаментпроекта> д.г.-м.н. Ф.М. Ривкину, сотрудникам отдела ОИГС Ю.В. Власовой, А. А. Поповой и другим сотрудника отдела за предоставленные материалы, неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за внимание к работе и критические замечания.