Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES OF DEFORMATION OF THAWED SOIL TAKEN FROM THE BASE OF THE ROAD ON THE SLOPE AT VARIOUS WAYS OF LOADING

Yushkov B.S. 1 Sergeev A.S. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
Деформация, наблюдаемая при оттаивании грунта, представляет собой следствие сложных процессов — набухания агрегатов грунта и уменьшения объема в результате оттаивания ледяных включений, а затем ликвидации пустот и отжатая избыточной воды под нагрузкой. Оттаивание грунта связано с появлением деформации консолидации, которая протекает медленно и более сложно, чем консолидация талого грунта. Для практических целей важно установить, насколько грунт после замораживания и оттаивания теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам. Сам факт снижения сопротивляемости грунта известен давно, однако количественная сторона этого вопроса исследована лишь в недавнее время.
The deformation observed during thawing of soil, is a consequence of complex processes - swelling soil aggregates and to reduce the volume as a result of thawing of ice inclusions, then the elimination of voids and excess water squeezed under load. Thawing ground deformation associated with the appearance of consolidation, which is slow and more difficult than the consolidation of the unfrozen soil. For practical purposes, it is important to establish whether the ground after freezing and thawing loses its ability to resist external loads. The fact of reducing the resistance of the soil has long been known, but the quantitative side of this issue is studied only recently.
defrost
compression
soil
sediment
compressibility
triaxial
cryotexture
stress test schedule

Деформирование грунта при оттаивании изучено лишь для условий нагружения, близких к компрессионным. Единственной зависимостью, связывающей деформации оттаивания (относительную осадку S) с напряженным состоянием (внешним давлением Р), является известная формула Цытовича – Лапкина:

где А и – коэффициенты оттаивания и сжимаемости.

Однако во многих практически важных случаях компрессионной зависимости недостаточно для анализа напряженно-деформированного состояния оттаивающего основания автомобильной дороги. Так, если размеры в плане чаши протаивания заметно превосходят размеры загружаемого участка, то пренебрежение пространственными эффектами (рассеивание напряжений с глубиной, горизонтальные перемещения грунта по склону) недопустимо. На практике в этом случае зависимость “подправляют” коэффициентами, полученными из решения упругой задачи, что применительно к оттаивающему грунту не вполне корректно [1].

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований деформирования оттаивающего грунта при различных способах нагружения (в компрессионном приборе и стабилометре).

Испытывались серии из 3 – 5 идентичных образцов, промороженных под одной и той же (в пределах одной серии) нагрузкой и оттаенных затем в компрессионных опытах – под различными нагрузками, включая , в стабилометре – при различных сочетаниях вертикального и бокового давлений [2].

Эксперименты показали, что давление является важным параметром, определяющим “память” оттаивающего грунта. Для грунтов массивной и сетчатой криотекстур зависимость относительной осадки оттаивания от давления при оттаивании в диапазоне близка к прямо пропорциональной (коэффициент корреляции 0,93). При прямая пропорциональность S и нарушается, график в этом диапазоне имеет меньший угол наклона, (Рис. 1, кривые 1, 2) [3]. Для грунтов слоистой криотекстуры аппроксимация опытных данных приводит к аналогичному графику, но не проходящему через начало координат (рис. 1, кривая 3).

Оттаивание грунта 1.jpg

Рис. 1. Зависимость осадки оттаивания от давления:

1 – суглинок массивной криотекстуры ; 2 – суглинок сетчатой криотекстуры ; 3 – суглинок слоистой криотекстуры

Таким образом, зависимость осадки оттаивания от давления может быть представлена в виде кусочно-линейной функции из двух участков и переломом в точке , (Рис. 2).

Оттаивание грунта 2.jpg

Рис. 2. Схема деформирования грунта при оттаивании:

1 – грунты массивной и сетчатой криотекстуры; 2 – грунты слоистой криотекстуры

В стабилометрических испытаниях возникшие при оттаивании деформации (объемная ) рассматривались как деформации некоторого условного “упругого тела”, находящегося в аналогичном напряженном состоянии. Для грунтов массивной и сетчатой криотекстур определяемый таким образом “модуль деформации” обладает достаточно хорошей воспроизводимостью (табл. 1) и может рассматриваться как инвариантная характеристика деформативности оттаивающего грунта. Анизотропия сжимаемости, характеризуемая величиной , равной отношению горизонтальной деформации к вертикальной в условиях всестороннего сжатия (), для грунтов этих криотекстур невелика [4]. Так, в проведенных опытах различие вертикальной и горизонтальной деформаций при всестороннем сжатии не превышало 13%.

Таблица 1

Деформации суглинка и песка массивной криотекстуры

№ опыта

Суглинок,

1

0,05

0,05

0,037

0,098

0,87

1,18

2

0,075

0,0375

0,059

0,095

-

1,13

3

0,03

0,003

0,03

0,028

-

1,1

Комп. 1

0,075

-

0,063

0,063

-

1,17

Комп. 2

0,05

-

0,039

0,039

-

1,24

Песок,

1

0,05

0,05

0,008

0,026

0,88

3,9

2

0,05

0,025

0,008

0,019

-

3,4

Комп. 1

0,05

-

0,010

0,010

-

4,2

Комп. 2

0,025

-

0,008

0,008

-

3,3

Комп. – компрессионные испытания грунта.

Результаты компрессионных и стабилометрических испытаний обобщаются в следующих соотношениях:

при :

при :

где – среднее напряжение при оттаивании и промерзании; – коэффициент оттаивающего грунта (условный коэффициент Пуассона), (по проведенным опытам заключен в интервале 0,1 – 0,2); – характеристики 2-го линейного участка.

Для грунтов слоистой криотекстуры сочетание напряжений и деформаций не соответствует модели изотропного упругого тела, что приводит к существенному различию формально определяемой величины в разных опытах (табл. 2, числитель). В то же время, если разность между вертикальной и горизонтальной деформациями оттаивания при всестороннем сжатии рассматривать как дополнительную, не связанную с действующими напряжениями осадку (в приведенном примере ) и вычесть её из во всех опытах, то величина , рассчитываемая по скорректированным таким образом данным, имеет практически тот же разброс, что и для грунтов массивной криотекстуры (табл. 2, знаменатель). Кроме того, величина оказывается довольно близкой к значению ординаты пересечения графика “S - ” с осью в компрессионных испытаниях данного грунта [5].

Таблица 2

Деформации суглинка слоистой криотекстуры,

№ опыта

1

0,02

0,02

2

0,015

0,002

-

Комп. 1

0,03

-

-

Комп. 2

0,02

-

-

Таким образом, общую деформацию при оттаивании грунта слоистой криотекстуры можно представить в виде суммы изотропной компоненты и дополнительной вертикальной составляющей, не зависящей от напряжений, наличие которой обусловливает анизотропию сжимаемости.

Рецензенты:

Олонцев В.Ф., д.т.н., профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь;

Овчинников И.Г., д.т.н., доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.