ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ КРИОЛИТОЗОНЫ

В общей классификации лед и содержащие лед грунты объединяются в класс мерзлых грунтов (табл. 3.1). Основными классификационными показателями, по которым подвиды мерзлых грунтов подразделяются на разновидности являются (табл. 3.2):

– температура грунта T и температура его начала замерзания– T_bf,

– льдистость за счет видимых ледяных включений i_i,

– степень засоленности D_sal,

– температурнопрочностные свойства,

– относительная деформация морозного пучения ε_f.

Таблица 3.1

Класс мерзлых грунтов

Таблица 3.2

Классификация мерзлых грунтов по разновидностям

По температурнопрочностным свойствамгрунты подразделяют согласно табл. 3.2, где d –коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта; T_h – температурная граница твердомерзлого состояния грунтов, T_bf – температура начала замерзания грунта, S_r – степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой (степень влажности).

В число физических и теплофизических характеристик, определяемых при изысканиях для многолетнемерзлых грунтов, входят:

- суммарная влажность мерзлого грунта w_tot;

- влажность мерзлого грунта между включениями льда w_m;

- влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды w_w;

- влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i);

- влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w_ic;

- суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot и льдистость мерзлого грунта за счет включений льда i_i;

- степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S_r;

- степень засоленности D_sal;

- концентрация порового раствора C_ps;

- степень заторфованности J_z;

- температура начала замерзания грунта T_bf;

- теплофизические характеристики грунта (теплопроводность λ и объемная теплоемкость С);

_- теплота таяния льда (замерзания воды) в грунте L_v.

Суммарной влажностью (w_tot) называется отношение массы всех видов воды к мерз­лом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180. Состоит из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i) и влажности мерзлых минеральных прослоек (w_m), которая в свою очередь слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та), w_ic , и влажности за счет не замерзшей воды (w_w):

w_tot= w_i + w_m = w_i + (w_iс + w_w) (3.1)

Обычно все входящие в выражение параметры влажности должны определяться в ходе полевых и лабораторных работ опытных путем. При затруднениях, связанных с определением, строительными нормами и правилами (СНИП) допускается вычисление части показателей.

Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с ГОСТ 5180–84, в случае если w_m нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается

w_m w_p;

где w_p – влажность, соответствующая нижнему пределу пластичности (влажность на границе раскатывания), д. ед.

Влажность незасоленного, засоленного и заторфованного мерзлого грунта за счет незамерзшей воды w_w определяется опытным путем. Для незасоленного и засоленного грунта, находящегося в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (0 ^оС > T > T_bf) величина w_w принимаемается для грунтов с льдистостью i_tot ≤ 0,4 равной w_w = w_tot, а с i_tot > 0,4 равной w_w=w_m.

Для незасоленного и засоленного мерзлого грунта значения w_w, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (T £ T_bf), допускается определять по формуле

(3.2)

где k_w - коэффициент, принимаемый по табл. 3.3 в зависимости от числа пластичности I_p и температуры грунта Т;

w_p - влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), д.ед.;

D_sal -степень засоленности грунта, д.ед.;

h - коэффициент, принимаемый для незасоленных грунтов равным h=0, а для засоленных грунтов по табл. 3.4 в зависимости от температуры грунта Т.

Таблица 3.3

Расчетные значения коэффициента k_w

Таблица 3.4

Расчетные значения коэффициента h

Расчетные значения w_w для торфа и заторфованных грунтов, находящихся в охлажденном состоянии, когда температура грунта выше температуры начала замерзания (0 ^оС > T > T_bf), принимаемаются для грунтов с льдистостью i_tot ≤ 0,4 равной w_w = w_tot, а с i_tot > 0,4 равной w_w = w_m. Для мерзлых торфа и заторфованных (заторфованных) грунтов значения w_w допускается определять по формуле (3.3) в зависимости от степени заторфованности J_z (д.е.) и температуры Т, при условии, что температура грунта ниже или равна температуре начала замерзания (T £ T_bf ):

w_w = Y / |Т|^1/4, ( 3.3)

где Y - параметр, зависящий от объемной степени заторфованности J_z, принимается по табл. 3.5.

Таблица 3.5

Расчетные значения коэффициента Y

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-це­мен­та), w_ic , обычно вычисляется по зависимости:

w_ic= w_m – w_w. (3.4)

Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w_i:

w_i = w_tot–w_{m .} (3.5)

Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в широких пределах и может намного превышать их полную влагоемкость в талом состоянии. Например, влажность мелкозер­нистых пылеватых песков с включением органического вещества может достигать 60 %, заторфованных суглинков – 150–200 %, а торфа – 400– 800 % и более. Неоднородность криогенного строения мерзлых пород по вертикальному профилю, неоднородность их механического состава предопределяют необходимость обязатель­ного послойного определения влажности и льдистости с предвари­тельным подразделением на неоднородные по составу и криоген­ной текстуре слои в каждом генетическом горизонте отложений. Определение влажности и льдистости производится с таким расчетом, чтобы учесть измене­ние этих величин во времени и по глубине разреза.

Методы определения влажности мерзлой породы [6]. Выбор мето­дики определения влажности при изучении мерзлых грунтов в полевых и лабораторных условиях обусловливается составом грунтов и их криогенной текстурой. Существуют различные методы определения влажности, которые в первом приближении мо­гут быть подразделены на экспериментальные и расчетные. Среди экспериментальных методов наиболее широкое применение получили весовые (или прямые) методы, включающие непосред­ственное нахождение величины влажности мерзлого образца, из­влеченного с определенной глубины, взвешиванием этого образца до и после удаления из него влаги.

В последнее время для оценки влажности мерзлых грунтов используются также радиоизотопные методы, в частности нейтрон-нейтронный. Этот метод наиболее перспективен, поскольку позволяет определить влажность мерзлого грунта не только в мо­мент измерения, но и проследить за изменением ее во времени. Однако применительно к мерзлым грунтам со шлировыми крио­генными текстурами радиоизотопные методы находятся в стадии разработки. В расчетных методах для определения влажности мерзлых грунтов используются различные показатели.

В зависимости от состава и криогенной текстуры мерзлого грунта применяются следующие методы определения суммарной влажности мерзлых грунтов: для тонкодисперсных и песчаных грунтов – точечный, метод бороздки, средней пробы и расчетный; для крупнообломочных пород – весовой и метод Ведерникова; для грунтов различного состава – совмещенный метод, предложенный Г.П. Мазуровым (1975).

Точечный метод применяется для определения суммар­ной влажности мерзлых глин, суглинков, супесей, песков, характе­ризующихся массивной криогенной текстурой, и для определения влажности минеральных прослоек (или минеральных агрегатов) w_m, заключенных между ледяными слоями или ограниченных пе­ремычками льда. Точечный метод включает определение влажности в некоторой «точке» слоя грунта. Имеется в виду некоторый малый объем грунта, не превышающий нескольких сантиметров в любом направлении. Пробы грунта с массивной криогенной текстурой от­бираются по глубине через определенные интервалы и помешаются в тарированные металлические бюксы. Пробу грунта высушивают до постоянной массы. Взвешивание производят с точностью до 0,01 г. После отбора пробы грунта бюкс обматывается изолентой, которую снимают при его взвеши­вании. Взвешивать необходимо в тот же день, когда производится отбор пробы грунта. Минимальная навеска для определения сум­марной влажности тонкодисперсных или песчаных грунтов долж­на быть не менее 30 г. Количество проб и частота их отбора по глубине разреза определяются задачами исследования. Обычно в однородных по составу грунтах с массивной криогенной тексту­рой с каждого метра разреза отбираются 3–4 пробы грунта. При содержании в грунтах органических остатков менее 10 % от массы сухого грунта допускается ускоренное высушивание мерзлого грунта при температуре 200–250 градусов (первичное – в течение 1 ч, повторное – 30 мин) [6].

Метод бороздки применяется для тонкодисперсных и песчаных грунтов с тонкослоистой или мелкосетчатой криогенны­ми текстурами, где толщина включений льда не превышает 0,5 см, а расстояние между ними не более 1 см. На стенке выработки или по высоте образца прочерчиваются две параллельные линии. Из ограниченной линиями «бороздки» грунт тонким и ровным по толщине слоем соскабливается в бюксы. Отбор проб методом бороздки прово­дят непрерывно по всему массиву грунта. Каждая проба характери­зует собой среднюю влажность слоя грунта (мощностью 10–15 см) с однотипной криогенной текстурой. Определение производят с трехкратной повторностью[6].

Метод средней пробы применяется для сильно льдо-насыщенных грунтов с различными типами криогенных текстур, где толщина прослоек льда может изменяться в широких пределах. Пробы грунта массой от 0,2 до 2,0 кг и более помешают в полиэтиленовые мешки. При этом необходимо, чтобы грунт из массива отбирался ровным по толщине слоем. После отбора про­бы грунт переносят в тарированную чашку, оттаявший грунт перемешивают металлическим шпателем и до­водят до состояния однородной массы с влажностью, близкой к границе текучести, добавляя к образцу дистиллирован­ную воду или сливая избыток воды, исклю­чая потерю грунта. Из грунтовой смеси отбирают в бюксы три параллельные пробы массой не менее 50 г для опреде­ления влажности средней пробы грунтовой массы.

Для определения влажности крупнообломочных отложений применяются два метода [6]: весовой и метод Ведерникова.

Весовой метод. Влажность крупнообломочных пород устанавливается высушиванием образцов массой не менее 3 кг до постоянной массы при температуре 100–105 °С. Высушивание производится на металлических противнях. Перед высушиванием и после образец взвешивают на чашечных весах с точностью до 1 г. В некоторых случаях важно установить не только общую сум­марную влажность крупнообломочных пород, но отдельно и влажность крупнообломочных частиц и влажность заполнителя. Влажность крупнообломочной части грунта (частиц размером более 2 мм) принимают равной величине их водоудерживаюшей способности, которую определяют следующим образом. Образец грунта после его высушивания на противнях рассеивают на ситах известной массы с отверстиями диаметром 2 мм. Сито с крупны­ми частицами взвешивают на чашечных весах с точностью до 1 г и помешают в сосуд с водой на 1 ч. Дав стечь избытку воды, сито вновь взвешивают и рассчитывают влажность.

Метод Ведерникова. Этим методом определяют суммар­ную влажность гравийно-галечниковых или крупнообломочных отложений, сцементированных льдом. Глыбу мерзлого грунта массой не менее 2–3 кг взвешивают и опускают в сосуд с водой и полностью оттаивают. Затем перемешивают грунт для удаления пузырьков воздуха и доливают водой до тех пор, пока ее излишек не перельется через водослив, после чего сосуд с водой и грунтом взвешивают. Зная массу сосуда, наполненного водой, рассчитыва­ют суммарную влажность грунта. Использован принцип пикнометрического способа определения суммарной влажности, что освобождает от необходимости высушивания грунта. Объем грунта определяется по объему вы­тесненной им воды, льдистость – по изменению объема систе­мы скелет–вода после оттаивания в грунте льда. Прибор для выполнения опыта представляет собой сосуд объемом от 3 до 10 л и более со сливным устройством (шланг с зажимом), установленный на чашечные или автоматические весы. Весы устанавливают на горизонтальную плоскость, на чашку весов помешают сосуд при закрытом зажиме на сливном шланге. В сосуд наливают воду выше сливного отверстия, избы­ток воды сливают через шланг, затем зажим закрывают и определяют массу сосуда с водой. Все последующие операции проводят с зафиксированным положени­ем сосуда. В сосуд с водой при закрытом зажиме помешают образец мерзлого грунта массой более 1 кг и взвешивают, получают массу сосуда с водой и грунтом-монолитом. После взвешивания открывают зажим, сливая избыток воды выше сливного уст­ройства, затем закрывают зажим, а сосуд с водой и грунтом снова взвешивают и получают массу сосуда с грунтом-монолитом после слива воды. После оттаивания мерзлого грунта в сосуде с во­дой и его размокания уровень волы в сосуде опустится ниже сливного отверстия, поэтому следует долить воды несколько выше сливного отверстия, избыток ее слить через шланг, а сосуд с водой и размокшим грунтом взвесить. Получают массу сосуда с водой и размокшим грунтом. Для ускорения оттаивания обра­зец можно разбить ножом. Затем проводится расчет физических характеристик.

Метод совмещенного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов, предложенный Г.П. Мазуровым, разработан для мерзлых песчаных и тон­кодисперсных грунтов с различными типами криогенных текстур. Он позволяет на одном образце мерзлого грунта определять плот­ность, суммарную влажность и суммарную льдистость, а на об­разце талого связного медленно размокающего грунта – плот­ность и естественную влажность.

Расчетный метод определения суммарной влажности применяется для грунтов со слоистой и сетчатой криогенными текстурами, когда включения льда имеют четкие прямолинейные границы, толщина их превышает 2 мм, а расстояние между со­седними включениями составляет более 10 мм. При изучении криотекстуры мерзлого грунта в стенках выработок или естественных обнажениях измеряют толщину включений льда в определенном интервале глубин или в гори­зонте. Для грунта слоистой криогенной текстуры суммарную толщину включений льда подсчитывают по глубине разреза, для грунта сетчатой криогенной текстуры – по глубине и по простиранию. Измерения производят с трехкратной повторностью, а за величину суммарной толщины включений льда принимают сред­нее арифметическое значение результатов параллельных измере­ний. Суммарная толщина включений льда, приходящаяся на еди­ницу глубины разреза (в случае слоистой криогенной текстуры), или суммарная площадь ледяных включений на единицу площади разреза (для сетчатой криогенной текстуры), даст величину объем­ной льдистости мерзлого грунта за счет ледяных включений. Суммарную влажность слоев мерзлого грунта, расположенных между измеренными включениями льда, определяют в зависи­мости от их криогенной текстуры точечным методом или методом бороздки. При мощности слоев 0,5 м и более влажность определя­ют для каждого из них, при меньшей мощности – в случае посто­янства их криогенной текстуры – через каждые 0,5 м по глубине, а при изменении криогенной текстуры слоев в разрезе – для каждого слоя. В последующих расчетах используют среднее значение суммарной влажности слоев.

При определении влажности мерзлого грунта крупноредко-сетчатой криогенной текстуры по кернам расчетный способ дает лишь приближенное значение суммарной влажности, как прави­ло, заниженное, так как при этом невозможно учесть крупные вертикальные включения льда.

Графическое выражение влажности осуществляется путем построения профиля влажности по глубине разреза, где на одной оси координат откладывается среднее значение влажности для каждого слоя определенной мощности, а на другой – глубина отбора пробы. Используется также метод построения хроноизоплет влажности, который позволяет охарактеризовать особенности изменения влажности в грунтовом массиве любой мощности за определенный промежуток времени. Метод заключается в том, что в обычной сетке прямоугольных координат по оси абсцисс откладывают даты, а по оси ординат – глубину от поверхности. Для каждого срока наблюдений на соответствующей ему ординате выписывают величину влажности грунта. Затем на этих ординатах путем интерполяции обыскиваются точки, отвечающие величинам влажности с выбранным интервалом значений. Точки с одинаковыми влажностями соединяют линиями, которые и являются линиями с одинаковой во времени влажностью [6].

Суммарная льдистость мерзлого грунта - i_tot, льдистость мерзлого грунта за счет включений льда - i_i,и степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой - S_r определяются в соответствии с ГОСТ 25100;

Весовая льдистость – i, д. е., отношение веса воды к весу всего грунта, определяется по формуле:

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.

Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, д. е., – отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле:

(3.6)

где r_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

r – плотность мерзлого грунта, г/см³,

i – весовая льдистость, д. е.

Формула применима для мерзлых грунтов с различными видами криогенных текстур, где толщина включений льда не превышает 0,5 см.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений i_i, д. е., – отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле [2]:

(3.7)

где r_s – плотность частиц грунта, г/см³;

r_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

w_m – влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включения­ми, д. е.,

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.

Льдистость грунта за счет порового льда-цемента i_ic, д. е., определяется также из разности:

i_iс=i_tot–i_i. (3.8)

Экспериментально льдистость определяется на основе совме­щенного метода Г.П. Мазурова непосредственным измере­нием суммарной толщины включений льда, приходящихся на единицу разреза. Для этого к мерзлому монолиту прикладывают масштабную линейку и непрерывно по всей высоте монолита грунта измеряют суммарную толщину прослоек льда, секущих поперечную линию. Средний показатель льдистости мерзлого грунта за счет льда включений вычисляется на основе измерения суммарного содержания льда прослоек по трем линиям.

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле:

(3.9)

где w_ic – влажность мерзлого грунта за счет порового льда, цементирующего мине­ральные частицы (лед-цемент), д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.;

r_s – плотность частиц грунта, г/см³;

е – коэффициент пористости мерзлого грунта;

r_w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Коэффициент пористости, е, д. е., определяется по формуле:

(3.10)

где r_s – плотность частиц грунта, г/см³;

r_d – плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), г/см³, определяемая по формуле:

(3.11)

где r – плотность грунта, г/см³;

w_tot – суммарная влажность грунта, д. е.

Плотность и пористость являются ос­новными физическими показателями мерзлой породы, используе­мыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасышения и льдистости грунтов. Вели­чина плотности необходима при расчете коэффициента тепло­проводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерз­лого грунта, сопротивления мерзлого и оттаивающего грунта сдвигу и др. Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасышения и коэффи­циента сжимаемости мерзлых грунтов.

Под плотностью мерзлого грунта понимают массу единицы его объема в ненарушенном сложении. Единицей измерения этого свойства в системе СИ является кг/м³, в системе СГС – г/см³, иногда используется т/м³. Плотность определяется на образцах ненарушенного сложения и при естественной влажности в единице объема грунта.

Пористость может быть выражена коэффициентом пористости, равным отношению объема пор к объему минерального скелета грунта. В соответствии с различными типами пористости выделяют суммарный коэффициент пористости мерзлых грунтов, е, и коэффициент пористости минеральных агрегатов или минеральных прослоек, е_г. В немерзлых грунтах коэффициент пористости, как правило, не превышает 2 д. е., в мерзлых грунтах он изменяется в широких пределах и в сильно льдонасыщенных грунтах может быть равен 3 и даже 5 д. е. С увеличением льдистости при посто­янном значении e_г коэффициент общей пористости возрастает в 2,7–5,0 раз при увеличении льдистости от 5 до 50 %.

Методы определения общей плотности мерзлых пород. В зави­симости от типа криогенной текстуры для определений плотности мерзлого грунта применяются методы: 1 – режущих цилиндров (режущего кольца); 2 – обмера образцов правильной геометри­ческой формы; 3 – взвешивания образцов в нейтральной жид­кости; 4 – метод лунки; 5 – метод вытеснения нейтральной жид­кости (метод Ведерникова); 6 – радиоизотопные и 7 – расчетные. При полевых исследованиях используются методы 1, 2, 4, 7, при работе в лабораторных и стационарных условиях – 3, 5, 6, 7.

Различия между основными методами сводятся к способу опре­деления объема образца: по объему вытесненной жидкости или непосредственно обмером образца заданной формы. Для практи­ческих целей минимальный объем образца мерзлого грунта с мас­сивной текстурой при определении плотности целесообразно принимать не менее 27 см³. Применительно к слоистой и сетчатой текстурам мерзлых тонкодисперсных или песчаных грунтов, отличающихся неоднородностью распределения льда и минерального скелета грунта в объеме, пробы грунта должны быть на порядок больше размеров ледяных и минеральных прослоек.

Количество определений плотности мерзлого грунта по глу­бине мерзлой толщи обусловливается в первую очередь задачами исследования. Отбор пробы должен сопровождаться описанием криогенного строения грунта и характеристикой его состава и влажности. Взвешивание образца при определении общей плот­ности грунта производят с точностью до 0,01 г на технических и с точностью до 1 г на чашечных весах. Определение плотности мерзлого грунта проводится трехкратно. Расхождение результатов параллельных определений мерзлого грунта не должно превышать 0,05 г/см³. За величину плотности грунта принимают среднее ариф­метическое значение результатов параллельных определений. Ко­нечный результат выражают с точностью до 0,01 г/см³.

Для песчаных и тонкодисперсных грунтов с массивной крио­генной текстурой применимы все методы.

Метод режущего кольца[3, 6] используется для определения плотности минеральных агрега­тов грунтов с крупносетчатой или крупнослоистой криогенной текстурой, где размер минеральных агрегатов или минеральных прослоек составляет не менее 4,0 см, а также для определения плотности мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой. Методика определения сводится к отбору монолита грунта в стальное режущее кольцо объемом 50–100 см³. После отбора грунта в кольцо оно взвешивается. Зная объем мерзлого грунта и его массу, устанавливают плотность мерзлого грунта. Зная массу грунта после его высушивания, вычисля­ют плотность скелета грунта.

Метод обмера образцов правильной геометрической формы применяется для определения плотности грунтов с различными типами и видами криогенных текстур. При отборе монолита ему придают определенную форму, позволяющую установить объем грунта в ненарушенном сложении. Отобранная проба грунта взвешивается и устанавливаются общая плотность грунта, а после его высушивания до постоянно­го веса – плотность скелета грунта. Обычнопри определении плотности мерзлого грунта монолитам придают форму куба или параллелепипеда. Для определения при­ближенного значения r по монолитам (объемом не менее 50 см³), извлеченным из буровых скважин, измеряется их диаметр, высота (с точностью до 0,01 см) и масса. Этот же метод применя­ется для определения плотности скелета грунтов с массивной, крупнослоистой и крупносетчатой криогенными текстурами.

Метод взвешивания образца в нейтральной жидкости [3, 6] применяется для определения плотности мерзлых тонкодисперсных грунтов с тонкослоистой, мелкосетчатой криогенными текстурами при толщине минеральных прослоек не более 0,5 см. Взвешивают образец в сосуде емкостью 1000 см³ на две трети заполненном нейтральной жидкостью. В про­цессе работы измеряется температура жидкости и ее плотность, с коромысла технических весов снимают левую лужку с чашкой и уравновешивают весы мешочком с дробью, подвешенным на крючок левой дужки. Пробу мерзлого грунта объемом не менее 50 см³ перевязывают капроновой ниткой, подвешивают к левой серьге весов и взвешивают. На подставку весов с левой стороны помешают сосуд с нейтральной жидкостью, пробу мерзлою грун­та погружают в жидкость на глубину не менее 5–7 см и вновь взвешивают. Проба мерзлого грунта при взвешивании не должна соприкасаться с дном и стенками сосуда. После взвешивания мерзлого монолита в воздухе и затем в нейтральной жидкости определяют об­щую плотность мерзлого грунта. Точность измерения плотности этим методом составляет 0,02 г/см³.

Нейтральная жидкость, используемая для определения объема грунта, должна иметь температуру замерзания ниже температуры замерзания этого грунта, не реагировать с грунтом и не раство­рять лед. Обычно в качестве нейтральной жидкости применяются керосин, глицерин, толуол и лифоин. Плотность этих жидкостей устанавливается ареометром или определяется следующим образом.

В стеклянную колбу объемом 50 см³ насыпают дробь в таком количестве, чтобы колба тонула в воде. Затем колба взвешивается в воздухе и в дистиллированной воде. Объем колбы равен разно­сти весов колбы в воздухе и в воде, деленной на плотность воды. Таким образом, если известны объем колбы, ее вес в воздухе и нейтральной жидкости, то плотность нейтральной жидкости (при данной температуре) равна разности масс колбы в воздухе и жид­кости, деленной на объем колбы. Нередко для определения плот­ности методом гидростатического взвешивания образец мерзлого грунта предварительно покрывают парафиновой оболочкой, а его взвешивание проводят не в нейтральной жидкости, а в воде. Пред­варительно образец грунта зачищают ножом для удаления острых выступающих граней и взвешивают с точностью до 0,01 г в поме­щении с отрицательной температурой. После взвешивания образец несколько раз погружается в парафин. Остающиеся под парафи­новой оболочкой пузырьки воздуха удаляются нагретой иглой. Определив массу запарафинированного образца в воздухе и воде, устанавливают объем парафина, объем и плотность грунта. Зная общую плотность мерзлого грунта, рассчитывают плотность скелета грунта.

Метод «лунки» применяют для определения общей плот­ности мерзлых дисперсных пород с массивной и шлировой криогенными текстурами. Этим же методом устанавливается плотность крупнообломочных пород (рис. 3.1).

Метод используется при ра­боте в открытых горных выработках. Дно выработки выравнива­ют и зачищают. В дне шурфа делают углубление – лунку – раз­мером не менее 30 х 30 х 30 см. Весь грунт, выбранный из лунки, собирают и взвешивают на чашечных весах с точностью до 1,0 г. После отбора грунта дно лунки выстилается синтетической плен­кой (рис. 3.1, в). Затем лунку заполняют водой или засыпают сухим песком с размером зерен от 0,5 до 3,0 мм. Мерный песок должен быть не только однородным, но и чистым. Измеряют объем песка или объем воды, необходимый для заполнения лунки, и таким обра­зом устанавливают объем грунта, извлеченного из лунки. Опреде­лив массу грунта и его объем, вычисляют общую плотность мерзлого грунта.

Метод вытеснения нейтральной жидкости (метод Ведерникова) применяется для определения плот­ности мерзлого грунта при работе в полевых условиях. Для опреде­ления необходима емкость со сливным устройством. Керн мерзлого грунта из скважины или монолит мерзлого грунта произвольной формы, отобранный из стенки выработки, взвешивают и обвязы­вают капроновой ниткой. Затем монолит быстро опускают в ем­кость и замеряют объем вытесненной жидкости, предварительно охлажденной до 0°С. Определив массу грунта и объем вытеснен­ной жидкости, рассчитывают общую плотность мерзлого грунта.

Этот же метод используется для определения объема неболь­ших монолитов мерзлого грунта в лабораторных условиях. Перед тем как погрузить грунт в емкость со сливным устройством, его взвешивают, затем парафинируют и вновь взвешивают. Опреде­лив массу грунта без парафина и массу грунта в парафиновой оболочке, вычисляют массу парафина. Зная, что плотность чисто­го парафина равна 0,9 г/см³, устанавливают его объем и объем мерзлого грунта, а затем рассчитывают общую плотность.

Радиоизотопные методы применяются, в основном, для измерения плотности мерзлых грунтов в условиях естествен­ного залегания. Существует два метода измерения плотности с использованием гамма-излучения: 1 – гаммаскопический метод; 2 – метод рассеянного гамма-излучения. В качестве источников гамма-излучения используются главным образом изотопы цезий-137 и кобальт-60. Гаммаскопический метод основан на ослаблении интенсивности пучка гамма-квантов в зависимости от плотности вещества, через которое проходит пучок. На практике используются три ва­рианта гаммаскопического метода: а – источник и детектор гам­ма-излучения размещаются в параллельных скважинах в грунте; б – детектор излучения находится на поверхности, а источник – в грунте; в – источник и детектор излучения находятся по обе стороны от исследуемого объекта (образца, монолита и т. п.). Измерения могут выполняться в геометрии узкого или широкого пучка.

В геометрии узкого пучка регистрируются только те гамма-кванты, которые не взаимодействовали со средой, т. е. не теряли своей энергии при прохождении их от источника до детектора. Это достигается за счет применения свинцовых или вольфрамо­вых экранов-коллиматоров или соответствующим подбором пара­метров электронной схемы. Геометрия узкого пучка используется в вариантах а и в в тех случаях, когда требует­ся тщательная дифференциация получения характеристик крио­генного строения мерзлой толщи. Этот метод позволяет практически выделять, например, прослойки льда мощностью не менее 0,5–1,0 см.

В геометрии широкого пучка регистрируют не только пер­вичные гамма-кванты, но и вторичные, пришедшие к детектору после одного или нескольких взаимодействий со средой. Достоинством геометрии широкого пучка является сравнительная простота и портативность измери­тельной аппаратуры. Однако в данном случае получают значения плотности, усредненные по значительно большему объему грунта, чем в геометрии узкого пучка, что затрудняет характеристику криогенного строения.

При использовании гаммаскопического метода в полевых ус­ловиях целесообразно использовать градуировочный график, полу­ченный на основе измерений в грунтах с известной плотностью. Для этого необходимо не менее 5 значений, перекрывавших весь необходимый диапазон. Гаммаскопический метод применим для измерения плотности грунтов до глубины 1,5–2,0 м.

Метод рассеянного гамма-излучения [6] используется для измере­ний плотности грунтов в скважинах. Если в скважину поместить источник гамма-квантов и на некотором расстояния от него де­тектор, то часть гамма-квантов, попадающих из скважины в грунт за счет рассеяния на электронах атомов грунта, будет возвращаться в скважину и регистрироваться детектором. Интенсивность ре­гистрации рассеянных гамма-квантов зависит от плотности рас­сеивающей среды. Функциональная зависимость интенсивности регистрируемых гамма-квантов от плотности имеет сложный ха­рактер. Для измерения значений плотности грунтов в диапазоне 1,1–2,4 г/см³ в промышленных плотномерах используется нисхо­дящая ветвь этой зависимости, т. е. показания приборов умень­шаются с увеличением плотности по экспоненциальному или близкому к линейному закону.

Применяя метод рассеянного гамма-излучения, рассматрива­ются два вида эффективный радиусов регистрации: вертикальный и горизонтальный. Приблизительные значения вертикального радиуса соответствуют расстоянию между источником и детектором гамма-излучения, увеличенному на 4–6 см. Например, для влагоплотномера УР-70 вертикальный радиус составляет 40–50 см, а для плотномера РПР-36 – 25–28 см. Этими величинами и определяется разрешающая способность приборов по вертикали. Ве­личина горизонтального радиуса зависит от многих факторов, од­нако можно сказать, что в среднем она не превышает 10 см при использовании источника цезий-137 и 15 см – для источника кобальт-60. В связи с этим можно заключить, что метод рассеян­ного гамма-излучения позволяет получать значения плотности, усредненные (не обязательно линейно) по объему, составляюще­му более 0,2 м³, причем вертикальное разрешение плотномеров не позволяет решать задачи, связанные с выделением маломощных слоев различного состава или строения.

Так как измерения плотности ведутся по некоторому объему, прилегающему к скважинному снаряду, показания плотномеров существенно зависят от наличия воздушных зазоров между обсадной трубой и стенкой скважины, конструкции самой скважины и технологии ее оборудования. Большое различие (более 8 мм) между внутренним диаметром обсадной трубы и диаметром зонда может приводить к изменениям показаний прибора, обусловленным переменным положением снаряда относительно оси скважины.

Влияние влажности на показания плотномеров связано с повы­шенной электронной плотностью воды. Считается, что каждые 10 % объема воды в грунте завышают измеренное значение плотности на 0,01 г/см³, в связи с чем необходимо вносить поправки.

При исследовании литологического разреза по скважине ос­новное значение имеет вертикальный радиус регистрации. Ис­тинное значение плотности будет зарегистрировано в том случае, когда мощность однородного слоя превышает величину этого радиуса. При наличии прослоев меньшей мощности или при рас­положении плотномера на границе двух слоев результаты измере­ния искажаются в сторону завышения или занижения в зависи­мости от абсолютных значений плотности контактирующих слоев. Положение границ слоев при этом определяется приближенно по точкам перегиба графика распределения плотности вдоль скважины.

Радиоизотопный плотномер, принцип действия которого основан на регистрации рассеянного и поглощенного гамма-излучения на электронах атомов вещества объекта измерения изображен схематично на рис. 3.2.

Для измерения плотности радиоизотопными методами отече­ственной промышленностью выпускались радиоизотопный влагоплотномер УР-70 и поверхностно-глубинный плотномер ППГР-1, предназначенные для скважинных измерений до глубины 30 м. Для измерения плотности верхнего слоя грунта до глубины 0,3 м используется плотномер типа ИОМР-2. Точность измерения плот­ности колеблется в пределах ±(0,02–0,04) г/см³ в зависимости от типа прибора. Время измерения в одной точке не превышает 3 минут [6].

Под засоленностью понимается наличие в мерзлом грунте воднорастворимых солей в таком количестве, которое существенно изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов.

Критерии засоленности для различных номенклатурных видов грунта установлены на основании данных о влиянии засоленности на прочностные свойства образцов мерзлых грунтов. Под засоленностью грунта понимают весовое содержание в нем водорастворимых солей. Засоленность D_salвыражают в % к весу скелета грунта, включая вес водорастворимых солей. Крупнообломочные грунты называются засоленными, если содержание водорастворимых солей в их заполнителе превышает указанные значения засоленности.

Определение засоленности грунта. Для определения засоленности мерзлых грунтов используют монолиты или образцы нарушенного сложения и природной влажности. Для нахождения засоленности используют: широкогорлые колбы емкостью 1000 мл; чашки выпаривательные, фарфоровые; воронки диаметром 15 см; песчаные бани и часовые стекла диаметром 18–20 см. В стеклянную широкогорлую колбу емкостью 1000 мл помещают навеску. грунта природной влажности, значение которой определено заранее. Навеску отбирают так, чтобы в ней содержалось 100 г частиц скелета грунта. Вес влажной навески определяют по формуле:

g = g₁(1+w),

где g – вес влажной навески в г; g₁ – вес сухой навески в г; w – влажность грунта в долях единицы.

В колбу доливают 500 мл дистиллированной воды, плотно закрывают ее пробкой, энергично встряхивают в течение 5 мин и переносят суспензию на воронку с двойным фильтром, установленную над колбой, емкостью 500–700 мл. Во время фильтрования воронку необходимо прикрыть часовым стеклом. Если первые порции фильтрата будут мутными, их повторно фильтруют через тот же фильтр до тех пор, пока фильтрат не станет совершенно прозрачным. Фильтрат разливают на пять порций в заранее взвешенные чашки емкостью 150–200 мл и выпаривают на песчаной бане до получения сухого остатка. При выпаривании не допускается кипения и выбрызгивания фильтрата из чашки. Чашки с сухим остатком помещают в сушильный шкаф и сушат до постоянного веса при температуре 105° С; определяют с точностью до 0,01 г вес сухого остатка в каждой чашке, суммированием находят общий вес сухого остатка водной вытяжки. Засоленность грунта вычисляют по формуле:

D_sal = g_z(1+w)100/ g_1,

где g_z – масса сухого остатка водной вытяжки в г; g₁ – вес сухой навески в г; w – влажность грунта в долях единицы.

Степень засоленности грунта D_sal, %, характеризует относительное содержание в грунте воднорастворимых солей, ее следует определять по ГОСТ 25100 как отношение массы солей g_s к массе сухой навески грунта g_d (включая массу содержащихся в нем солей) по формуле:

D_sal = (g_{s /} g_d ) × 100,

Концентрация порового раствора C_ps, характеризует степень минерализации грунтовой влаги. Ее допускается определять по формуле:

C _ps = D_sal / (D_sal + 100 w), (3.12)

где w – влажность засоленного грунта (д.е.), принимаемая для грунтов с льдистостью i_tot ≤ 0,4 равной w_tot, а с i_tot > 0,4 равной w_m.

Температура начала замерзания грунта T_bf, °С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Под температурой начала замерзания засоленного грунта понимают отрицательную температуру, при которой в поровом растворе появляются кристаллы льда. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов следует устанавливать опытным путем по данным замера температуры грунта в процессе его промерзания (либо оттаивания). При этом образец помещается в среду с постоянной температурой. Наиболее оптимальной температурой окружающей среды при замораживании образцов является температура минус 8–10 ºС. Для незасоленных песчаных и крупнообломочных грунтов значение T_bf принимается равным 0° С.

Температуру начала замерзания порового раствора определяют для мерзлых грунтов массивной криогенной текстуры, а также для минеральных прослоек или макроагрегатов мерзлых грунтов слоистой и сетчатой криогенной текстуры, содержащих только поровый лед. В засоленных грунтах массивной криогенной текстуры незамерзшая вода состоит из различных категорий связанной воды и раствора солей. Для таких грунтов температуры начала замерзания и таяния практически совпадают, так как они зависят от концентрации порового раствора. В засоленных мерзлых грунтах слоистой и сетчатой криогенной текстуры ледяные включения практически не содержат солей и оттаивают при 0°С.

Для определения температуры начала замерзания засоленного грунта используют монолиты или образцы нарушенного сложения с сохранением природной влажности. Температуру начала замерзания определяют по кривой зависимости количества незамерзшей воды от отрицательной температуры, которую строят по результатам калориметрических опытов. Температура начала замерзания грунта на кривой зависимости количества незамерзшей воды от отрицательной температуры соответствует количеству незамерзшей воды, равной природной влажности исследуемого образца.

Для расчета оснований сооружений II и III уровней ответственности, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям, расчетные значения температуру начала замерзания незасоленных и засоленных грунтов допускается принимать по формуле (3.13) в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора C_ps (д.е.):

T_bf = А – В× (53× С_ps + 40× С_ps²), (3.13)

где А – коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта (табл. 3.6);

В – коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; В = 0 - для незасоленных грунтов; В = 1 - для грунтов морского типа засоления; В = 0,85 - для грунтов с континентальным типом засоления.

Таблица 3.6

Температура начала замерзания незасоленного грунта А

Значение T_bf для заторфованных грунтов следует выбирать по величине температуры начала замерзания того компонента (торфяного или минерального), у которого она выше. Величина T_bf для торфа приведена в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Расчетные значения температуры начала замерзания T_bf для торфа

Теплофизические характеристики грунтов: коэффициент теплопроводности l, объемная теплоемкость C и коэффициент температуропроводности а, определяются опытным путем. Для расчета оснований сооружений II и III уровней ответственности, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований значения объемной теплоемкости засоленных и незасоленных грунтов в талом, охлажденном C_th и мерзлом C_f состояниях допускается расчитывать по формулам Б.6-Б.9 в зависимости от удельной теплоемкости скелета грунта С_r, температурной и концентрационной зависимостях удельной теплоемкости незамершей воды С_w и льда С_i, влажности W_tot, температурной и концентрационной зависимости влажности за счет незамерзшей воды W_w, плотности скелета грунта r_d,th,f и температуры начала его замерзания Т_bf.

Для незасоленных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состояниях, когда (T > T_bf) величина C_th находится по формуле:

C_th = [С_r + С_w×w_tot]× r_d,th, (3.14)

где С_r принимается по табл. 3.8; С_w = 4200 Дж/(кг °С); T_bf - по табл. 3.6.

Таблица 3.8

Расчетные значения удельной теплоемкости скелета грунтов С_r

Для засоленных грунтов, находящихся в талом и охлажденном состояниях, когда (T > T_bf) величина C_th находится по формуле

C_th = [С_r + С_w w_tot]× r_d,th, , (3.15)

где для грунтов в талом состоянии (T > 0 ^оС) величина С_w = 4220 Дж/(кг× °С), для грунтов в охлажденном состоянии (0 ^оС > T > T_bf) величина С_w рассчитывается по формуле С_w= С_wt - 4550×С_ps,где С_wt по табл. 3.9, С_ps – по формуле (3.12).

Таблица 3.9

Расчетные значения температурной зависимости удельной теплоемкости порового раствора С_wt

Для незасоленных грунтов в мерзлом состоянии, когда (T £ T_bf), величина С_f находится по формуле

С _f = {С_r + С_w ×w_w + C_i × [w_tot - w_w]}×r_d,f, , (3.16)

где С_i = 2120 + 7,8 Т. , (3.17)

Для засоленных грунтов в мерзлом состоянии, когда (T £ T_bf), величина С _f находится по формуле

C_f = {С_r + С_w ×w_w+ C_i ×[w_tot - w_w]}×r_d,th,f , , (3.18)

Значения объемной теплоемкости для торфа и заторфованных грунтов в талом, охлажденном С_th и мерзлом C_f состояниях допускается рассчитывать по формулам 3.14-3.15, 3.16-3.18 в зависимости от удельной теплоемкости минеральной С_rm и торфяной С_rg составляющей органо-минерального скелета грунта, удельной теплоемкости незамершей воды С_w ильда С_i, весовой (массовой) доли торфа в заторфованном грунте G(д.е), суммарной влажности w_tot, влажности за счет незамерзшей воды w_w, плотности скелета грунта r_d,th,f и температуры начала его замерзания Т_bf.

Для торфа в талом и охлажденном состоянии, когда (T > T_bf) величина C_th находится по формуле

C_th = [С_r + С_w×w_tot]×r_d,th, , (3.19)

где С_r - принимается по табл. 3.8; С_w = 4200 Дж/(кг °С); T_bf - по табл. 3.7.

Для торфа в мерзлом состоянии, когда (T £ T_bf), величина С_f находится по формуле

С _f = {С_r + С_w ×w_w (T)+ C_i (T) × [w_tot - w_w (T)]}×r_d,f, , (3.20)

где w_w (T) рассчитывается по формуле (3.2), а C_i (T) - по формуле (3.17).

Для заторфованных грунтов в талом и охлажденном состоянии, когда (T > T_bf<

• ⇐ Назад
• 1
• 234
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒