Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

FORECAST OF THE PERMAFROST SOILS EQUIVALENT COUPLING

Melkishev О.А. 1 Merson М.E. 1 Zarembo I.I. 2 Alvanyan A.K. 3
1 Perm National Research Polytechnic University
2 Scientific
3 Perm State National Research University
Исследование грунтового массива необходимо для обоснованного принятия проектных решений для строительства и развития инфраструктуры сооружений промышленного и гражданского назначения. Особенно важным это становится при строительстве в сложных инженерно-экологических и инженерно-геологических условиях, в том числе в условиях многолетнемерзлых грунтов. При этом практика инженерно-геологических изысканий показывает, что лабораторному исследованию физических свойств грунтов отводится значительно большая роль, чем механическим испытаниям, что связанно с более высокой стоимостью и длительностью испытаний. Поэтому важной является проблема прогноза эквивалентного сцепления многолетнемерзлых грунтов по данным их физических свойств. В работе исследованы взаимосвязи между физическими и механическими свойствами многолетнемерзлых грунтов. Составлены математические модели, позволяющие прогнозировать эквивалентное сцепление по данным физических свойств грунтов. Для анализа факторов, оказывающих наибольшее влияние на прочностные характеристики грунтов и прогноза эквивалентного сцепления ММГ, использовался аппарат пошаговой множественной регрессии, который ставит своей целью отбор наиболее значимых признаков, влияющих на прогнозируемую величину.
The study of the soil mass is necessary for informed decision- making project for the construction and development of infrastructure facilities for industrial and civil use. It becomes particularly important in the construction of a complex engineering and environmental and geotechnical conditions, including the conditions of permafrost. At the same time the practice of engineering geological survey shows that the laboratory study of physical properties of soils is given a much greater role than mechanical tests that are associated with higher cost and duration of tests. So important is the problem of forecasting equivalent clutch permafrost according to their physical properties. We studied the relationship between the physical and mechanical properties of permafrost. The mathematical model used to predict equivalent clutch according to the physical properties of soils. To analyze the factors that have the greatest influence on the strength characteristics of soils and prognosis equivalent clutch MMG apparatus was used stepwise multiple regression, which aims to select the most significant features affecting the predicted value.
physical properties
wetness
ice content
specific surface area
diameter of soils particles
equivalent coupling
1. Galkin V.I., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Kopylov I.S., Pushkareva M.V., Chirkova A.A., Ocenka jeffektivnosti tehnologij ochistki neftezagrjaznennyh gruntov. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse, 2012, no. 6, pp. 4–7.
2. Lejbovich L.O., Seredin V.V., Pushkareva M.V., Chirkova A.A., Kopylov I.S., Jekologiche-skaja ocenka territorij mestorozhdenij uglevodorodnogo syrja dlja opredelenija voz-mozhnosti razmeshhenija obektov neftedobychi. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazo-vom komplekse, 2012, no. 12, pp. 13–16.
3. Pushkareva M.V., Maj I.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Vekovshinina S.A., Jekologicheskaja ocenka sredy obitanija i sostojanija zdorovja naselenija na territo-rijah neftedobychi Permskogo kraja. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom kom-plekse, 2013, no. 2, pp. 40–45.
4. Pushkareva M.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Kompleks sanitarno-gigienicheskih i protivojepidemicheskih meroprijatij po ohrane Tulvinskogo vodozabo-ra. Zdorovje naselenija i sreda obitanija, 2011, no. 9, pp. 14–17.
5. Pushkareva M.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A. Ocenka kompleksa priro-doohrannyh meroprijatij dlja obektov neftedobychi, nahodjashhihsja na territorii zony sanitarnoj ohrany (ZSO) poverhnostnogo vodozabora. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse, 2011, no. 8, pp. 27–30.
6. Pushkareva M.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Baharev A.O., Inzhenerno-jekologicheskaja ocenka territorii zapasov podzemnyh vod v svjazi s razrabotkoj neftja-nyh mestorozhdenij. Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse, 2013, no. 2, pp. 9–13.
7. Pushkareva M.V., Seredin V.V., Lejbovich L.O., Chirkova A.A., Baharev A.O., Korrekti-rovka granic zon sanitarnoj ohrany (ZSO) pitevogo vodozabora. Zdorovje naselenija i sreda obitanija, 2011, no. 10, pp. 46–48.
8. Seredin V.V., Galkin V.I., Pushkareva M.V., Lejbovich L.O., Smetanin S.N., Verojat-nostno-statisticheskaja ocenka inzhenerno-geologicheskih uslovij dlja specialnogo raj-onirovanija. Inzhenernaja geologija, 2011, no. 4, pp. 42–47.
9. Seredin V.V., Galkin V.I., Rastegaev A.V., Lejbovich L.O., Pushkareva M.V. Prognozirovanie karstovoj opasnosti pri inzhenerno-geologicheskom rajonirovanii territorij. Inzhenernaja geologija, 2012, no. 2, pp. 40–45.
10. Seredin V.V., Lejbovich L.O., Pushkareva M.V., Kopylov I.S., Hrulev A.S., K voprosu o formirovanii morfologii poverhnosti treshhiny razrushenija gornyh porod. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2013, no. 3, pp. 85–90.

Исследование грунтового массива необходимо для обоснованного принятия проектных решений для строительства и развития инфраструктуры сооружений промышленного и гражданского назначения [1, 9]. Особенно важным это становится при строительстве в сложных инженерно-экологических [2–7] и инженерно-геологических [8] условиях, в том числе в условиях многолетнемерзлых грунтов. При этом практика инженерно-геологических изысканий показывает, что лабораторному исследованию физических свойств грунтов отводится значительно большая роль, чем механическим испытаниям, что связанно с более высокой стоимостью и длительностью испытаний.

Поэтому важной является проблема прогноза эквивалентного сцепления многолетнемерзлых грунтов по данным их физических свойств.

Материалы и методы исследований

Определение прочностных и деформационных характеристик многолетнемерзлых грунтов производилось по ГОСТ 12248-2011, физических – по ГОСТ 5180-84, ГОСТ 30416-2012.

Общий объем выборки физических свойств составил 148 определений, включающих: 91 – суглинок, 38 – песков,13 – супесей, 6 – глин. Исследования проводились в грунтовой лаборатории ООО НИППППД «Недра».

Прочностные и деформационные характеристики ММГ получены по результатам лабораторных исследований 23 монолитов ненарушенного строения, включающих 10 – песков и 13 – суглинков. Испытания проводились при температуре – 1 °С на базе лаборатории геокриологических исследований ПНИПУ.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты определения физико-механических свойств грунтов представлены в таблица.

Выполненный анализ результатов определений физических свойств, приведенных в таблице, показывает закономерные изменения средних значений в ряду глина – песок по основным показателям физических и прочностных свойств ММГ, что требует детального рассмотрения факторов, оказывающих влияние на прочность и механизмы ее формирования.

Механизм формирования прочности

Существует ряд гипотез, объясняющих механизм разрушения материалов [10], которые можно объединить в три группы. В первую группу входят гипотезы, основанные на трещинообразовании материалов. Они основаны на теории Гриффитса. Во вторую группу входят гипотезы, объясняющие разрушение материалов с позиций максимальных касательных напряжений, возникающих в материале при его нагружении. К основополагающим гипотезам этой группы можно отнести теории Кулона – Мора. В третью группу входят гипотезы, объясняющие разрушение материалов с позиций трещинообразования и максимальных касательных напряжений. Это гипотезы Н.Н. Давиденкова, Я.Б. Фридмана, А.Н. Ставрогина, Б.Г. Тарасова и многих других исследователей.

Физико-механические свойства грунтов

сред.арифм. ± сред. квадр. откл.

кол-во определений

Глины

Суглинки

Супеси

Пески

Суммарная влажность МГ Wtot, д.е.

0,315 ± 0,1275

6

0,232 ± 0,0741

91

0,194 ± 0,0322

13

0,219 ± 0,0355

38

Плотность грунта *, г/см3

1,78 ± 0,176

2

1,94 ± 0,138

34

1,92 ± 0,092

4

1,96 ± 0,134

20

Плотность частиц грунта, г/см3

2,72 ± 0,048

6

2,69 ± 0,014

90

2,67 ± 0,009

5

2,66 ± 0,015

36

Пористость *, %

55,17 ± 5,296

2

44,42 ± 6,694

34

41,79 ± 2,553

4

39,98 ± 5,290

20

Коэффициент пористости *

1,246 ± 0,2652

2

0,825 ± 0,2229

34

0,720 ± 0,0742

4

0,679 ± 0,1532

20

Суммарная льдистость мерзлого грунта, Itot*, д.е.

0,355 ± 0,0172

2

0,348 ± 0,1083

34

0,294 ± 0,0397

4

0,236 ± 0,1438

20

Степень заполнения объема пор МГ льдом и незамерзшей водой, Sr*, д.е.

1,057 ± 0,1058

2

0,702 ± 0,2631

34

0,883 ± 0,1479

4

0,953 ± 0,1554

20

Число пластичности, д.е.

0,204 ± 0,0277

6

0,125 ± 0,0288

91

0,048 ± 0,0148

13

-

Мd, мм

0,045 ± 0,0253

6

0,084 ± 0,0311

91

0,152 ± 0,0322

13

0,228 ± 0,0554

38

S_уд, см2/см3

945,66 ± 451,649

6

429,93 ± 92,733

90

297,96 ± 63,742

5

167,57 ± 44,311

36

Характеристики неоднородности гранулометрического состава

σ, д,ед,

0,067 ± 0,0432

6

0,114 ± 0,0482

91

0,175 ± 0,0637

13

0.144 ± 0.0635

38

А, д,ед,

4,211 ± 1,6763

6

3,151 ± 2,0507

91

1,417 ± 0,7205

13

1.486 ± 0.4955

38

Е, д,ед,

35,892 ± 30,1688

6

21,128 ± 48,2865

91

2,453 ± 3,4155

13

5.165 ± 6.435

38

Квар, д,ед,

1,482 ± 0,355

6

1,342 ± 0,2515

91

1,132 ± 0,2908

13

0.6 ± 0.154

38

Степень засоленности грунта*, %

0,044 ± 0,0019

2

0,065 ± 0,0792

10

0,067 ± 0,0000

1

0,022 ± 0,013

10

Эквивалентное сцепление * Сeq, МПа

0,003 ± 0,0026

13

0,005 ± 0,0020

10

Условно-мгновенного сопротивление срезу ММГ по поверхности смерзания со стальной плашкой * Rаfо, МПа

0,142 ± 0,0071

7

0,165 ± 0,105

3

Примечание. * – характеристики только для монолитов ММГ ненарушенного строения.

Анализ влияния геологических факторов на прочность показывает, что к основным признакам, определяющим эквивалентное сцепление грунтов, можно отнести размерность структурных элементов (гранулометрический состав), прочность структурных связей и пористость. Остальные показатели (плотность, влажность (льдистость) и др.) имеют подчиненное значение.

С учетом дополнительных характеристик наибольшее различие между типами грунтов установлено по параметрам удельной поверхности S_уд и математическому ожиданию диаметра частиц грунта Мd (таблица), которые связаны между собой обратной зависимостью (рис. 1).

Выполнение сопоставления S_уд и Мd показало, что в пределах общей обратной нелинейной закономерности песчаные грунты характеризуются наибольшими значениями Мd и малыми значениями S_уд. Кроме того, они характеризуются очень тесной, практически линейной, обратной зависимостью удельной поверхности от диаметра частиц. Глины, напротив, обладают максимальной величиной S_уд и минимальным значением Мd. Суглинки занимают промежуточное положение между песками и глинами и характеризуются обратной нелинейной зависимостью между Мd и S_уд с большим разбросом значений по сравнению с песками.

mel_1.wmf

Рис. 1. Корелляционое поле между Мd и S_уд

Подтверждением наличия зависимости содержания рыхлосвязанной воды от S_уд служат корреляционные зависимости между S_уд и влажностью на границе раскатывания (рис. 2), поэтому учет дополнительных характеристик (Мd и S_уд) является оправданным при построении моделей прогноза упругих и прочностных характеристик ММГ.

На полях корреляции прослеживается общая тенденция к увеличению влажности на границе текучести с ростом удельной поверхности для глинистых грунтов, однако при S_уд > 400 см2/см3 влажность на границе раскатывания практически не зависит от удельной поверхности.

Создание моделей прогноза

Для анализа факторов, оказывающих наибольшее влияние на прочностные характеристики грунтов и прогноза эквивалентного сцепления ММГ, использовался аппарат пошаговой множественной регрессии, который ставит своей целью отбор наиболее значимых признаков влияющих на прогнозируемую величину.

Так, для нахождения значения эквивалентного сцепления Сeq, МПа по ускоренному методу (за 8 часов) строились регрессионные модели по типам грунтов.

Для суглинков (13 определений) получена модель:

Сeq = – 0,017383 + 0,208845∙Md + 0,000023∙S_уд – 0,007229∙Sr, при r = 0,72.

С увеличением математического ожидания диаметра частиц грунта (Md) и удельной поверхности (S_уд) происходит изменение характера смачиваемости частиц грунта, что сопровождается снижением количества связанной незамерзшей воды и, следовательно, увеличением эквивалентного сцепления. Увеличение степени заполнения объема пор ММГ незамерзшей водой (Sr) приводит к снижению эквивалентного сцепления.

Для песков (10 определений) получена следующая модель:

Сeq = 0,018358 – 0,014039∙Кvar – 0,029649∙Wm, при r = 0,73.

mel_2.wmf

Рис. 2. Корелляционые поля между S_уд и влажностью на границе текучести

При снижении однородности песчаных грунтов происходит изменение характера взаимодействия в зонах контакта песчаных зерен. Появление более мелких частиц грунта в зоне контакта приводит к возможности более свободного вращения частиц грунта относительно друг друга, а увеличение Md уменьшает количество контактов между зернами, что приводит к росту локальных напряжений и снижению эквивалентного сцепления. Увеличение влажности между включениями льда Wm приводит к снижению эквивалентного сцепления.

Полученные модели характеризуются высокими множественными коэффициентами корреляции (суглинки R = 0,72, пески R = 0,73) и могут служить для прогноза эквивалентного сцепления Сeq. Близость данных коэффициентов свидетельствует о высокой адекватности и сопоставимой точности статистических моделей.

Таким образом, в ходе выполнения и анализа результатов лабораторных испытаний грунтов были детально рассмотрены стандартные физические свойства грунтов по типам грунта. Рассчитаны и проанализированы дополнительные характеристики грунтов – математическое ожидание диаметра частиц грунта (Md) и удельная поверхность частиц грунта (S_уд), не имеющие широкого распространения в инженерно-геологической практике. Установлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на эквивалентное сцепление Ceq грунта, построены статистические модели прогноза Ceq с учетом типа грунта.

Рецензенты:

Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;

Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 05.12.2013.