ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ОТТАИВАНИИ

Аннотация: данная статья знакомит вас с проведением ряда экспериментов с целью выведения зависимости деформационных характеристик грунта от его температуры. Целью работы является изучение научной литературы по мерзлым грунтам, проведение опытов для грунта при разной влажности и обработка результатов.

Научная новизна заключается в изучении закона изменения меняющихся характеристик прочности грунта при напряженно деформированном состоянии.

Предметом исследования является грунт (суглинок и супесь) трех влажностей (26%, 30% и 35%).

Методологической основой исследования во время написания работы, для достижения поставленной цели были использованы следующие методы: теоретические (изучение литературы), эксперимент (постановка опыта), метод формализации (математическая обработка результатов опытов).

Практическая значимость заключается в получении закона зависимости деформационных характеристик, которые могут быть использованы при учете влияния температурного режима в напряженно-деформированном состоянии при оттаивании мерзлых грунтов. Результаты данного исследования необходимы при проектировании зданий и сооружений  в северной строительно-климатической зоне.

Ключевые слова: грунтовый массив, температурный режим, напряженно-деформированное состояние, мерзлый грунт, модуль деформации.

Введение

Грунтовые массивы, являющиеся основанием или частью резервуаров нефтеперекачивающих станций в гидротехнических сооружениях в условиях вечной мерзлоты, а также при сезонных колебаниях температуры, испытывают воздействия постоянного источника тепла и нагрузки. В результате в основании формируется новое отличие от природного температурное и напряженно-деформированное состояние. Помимо определения температурного режима сооружения необходимо оценивать его напряженно-деформированное состояние с учетом меняющихся характеристик прочности и деформируемости. При проведении расчета основания или части сооружения известны только характеристики в мерзлом и талом состоянии супеси, но по какому закону происходит изменение этих характеристик для нашего здания не известно.

Полученные нами данные, учитывающие возможные оттаивания мерзлых грунтов, будут необходимы при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений в северной строительно-климатической зоне.

План работы

1. Изучение научной литературы по мерзлым грунтам, физико-механическим и физическим свойствам мерзлых грунтов;

2. Подготовка грунта с заданными параметрами, для дальнейших опытов;

3. Сбор экспериментальной установки для определения физико-механических характеристик глины;

4. Проведение испытания на оттаивание грунта под разной нагрузкой для получения зависимости модуля деформации грунта Е от температуры образца;

5. На основании обработки результатов испытаний, построить: график зависимости деформации грунта S от средней температуры грунта и график зависимости деформационных характеристик от температуры грунта.

Экспериментальная часть

Грунтовые массивы, являющиеся основанием или частью сооружения в условиях вечной мерзлоты, а так же при сезонных колебаниях температуры в средней полосе России испытывают воздействия, как постоянного источника тепла, так и нагрузки. В результате в основании формируется новое отличие от природного температурное и напряженно-деформированное состояние.

Помимо определения температурного режима сооружения необходимо оценивать его напряженно-деформированное состояние с учетом меняющихся характеристик прочности и деформируемости. При проведении расчета как правило известны характеристики в мерзлом и талом состоянии, но не известны по какому закону происходит изменение этих характеристик в процессе оттаивания.

Поэтому необходимо вывести зависимости деформационных характеристик от температуры грунта, на основе ряда испытаний. Испытания проводились в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре Оснований фундаментов и инженерной геологии. В ходе работы была изучена и проанализирована научная литература о мерзлых грунтах, так же изучены физические свойства мерзлых грунтов.

Для испытаний был подготовлен грунт нарушенной структуры, который высушивался до постоянной массы при температуре 105°С, затем он измельчался и просеивался через сито Ø 0.5 мм. В итоге характеристики грунтов получились:

1. Тип грунта – суглинок;
2. разновидность – текучий (I_L = 1.5);
3. плотность – 2,1 г/см³;
4. влажность – 26 %, 30 %, 35%;
5. начальный коэффициент пористости - 0,666.

1. Тип грунта – супесь;
2. разновидность – текучий (I_L = 2,19);
3. плотность – 2,1 г/см³;
4. влажность – 26 %, 30 %, 35%;
5. начальный коэффициент пористости - 0,620.

После чего добавлялась вода до требуемой влажности, и перемешивался до однородного состояния. Готовая масса выдерживалась сутки в эксикаторе. Перед проведением опыта каждый раз нужно проверять влажность грунта, если влажность отличается, то следует добавлять необходимое количество воды.  

Перед проведением серии испытаний необходимо было проверить работоспособность данной установки и определится со схемой, для этого были проведены 3 испытания при постоянном давлении 300 кПа (3 кг/м2):

1. Испытание при теплоизоляции прибора со всех сторон
2. Испытание при тепллоизоляции дна прибора
3. Без использования теплоизоляции

Изначально корпус испытательного прибора был изготовлен из стали, но в ходе исследования, для того чтобы приблизить эксперимент к максимально реальным условиям, был изготовлен новый испытательный прибор из материала под названием капролон, со значительно меньшим коэффициентом теплопроводности, чем у стали, таким образом оттаивание образца грунта происходит сверху (только через штамп).  В Таб.1 приведены сравнительные характеристики стали и капролона.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики стали и капролона

Для испытания была создана экспериментальная установка, которая предназначена для изучения влияния температуры образца грунта на его сжимаемость, для получения последующей зависимости модуля деформации грунта Е, МПа от температуры образца.

Установка включает в себя:

1. Прибор;
2. Микроконтроллер;
3. Температурные датчики;
4. Компьютер;
5. Камера.

Рисунок 1. Схема прибора для измерения физико-механических характеристик грунта

Грунт испытывался только в одном виде: оттаивание образца будет происходить сверху только через штамп, так как это близко к реальным условиям.

Предварительно производится замораживание образца до t = -20℃, затем образец грунта помещается в испытательный прибор, который, в свою очередь, устанавливается на испытательный стенд. К персональному компьютеру подключаются индикаторы, которые фиксируют деформации образца грунта и его температуру в процессе оттаивания.

Испытания проводились под разной нагрузкой (7 ступеней: 100-700 кПа) с 5-ти кратным повтором.

На данный момент проведена серия испытаний, по которым построены графики зависимости S=f(t).

После чего была построена зависимость E=f(t) которая в интервале от 100 до 700 и подобрано к ней геометрическое отображение средних значений в виде математической функции. В данной работе представлены графики  с усредненными значениями по пяти опытам по всем трем влажностям суглинка и супеси.

Рисунок 2. График зависимости Е=f(t) для суглинка влажностью 26 % в интервале 100-700 кПа

Рисунок 3. График зависимости Е=f(t) для суглинка влажностью 30 % в интервале 100-700 кПа

Рисунок 4. График зависимости Е=f(t) для суглинка влажностью 35 % в интервале 100-700 кПа

Рисунок 5. График зависимости Е=f(t) для супеси влажностью 26 % в интервале 100-700 кПа

Рисунок 6. График зависимости Е=f(t) для супеси влажностью 30 % в интервале 100-700 кПа