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.
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.
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.