Закономерности формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге

Глава 4. Результаты исследований формирования прочностных характеристик оттаивающих грунтов при сдвиге.

Рассматриваются результаты исследования формирования прочностных характеристик грунтов в процессе оттаивания и закономерности их изменения в зависимости от гранулометрического состава, начальных физических характеристик (влажности, пористости, плотности скелета и частиц грунта), порового давления, а также от влияния внешних факторов: скорости оттаивания и времени приложения уплотняющей нагрузки. Особое внимание уделено выявлению условий, при которых прочностные характеристики имеют предельные значения, необходимые для прогноза устойчивости грунтов оснований сооружений и протекания криогенных процессов.

Значения прочностных характеристик грунтов различны в процессе оттаивания и для полностью оттаявшего состояния. Однако имеется и общая закономерность - для обоих случаев прочность грунта снижается с увеличением начального значения влажности образца грунта. Данная тенденция, как известно, характерна и для талых грунтов, т.е. не подвергавшихся процессу промерзания-оттаивания. Но в отличие от талых грунтов оттаивающие грунты обладают рядом особенностей, связанных с формированием криогенной текстуры в процессе промерзания, которая дифференцирует грунт на неоднородные компоненты: минеральные агрегаты, незамерзшую воду и лед. При промерзании с увеличением начальной влажности грунта увеличивается степень уплотнения агрегатов и размеры пор. Вследствие такого преобразования мерзлый грунт в процессе оттаивания обладает высокой фильтрационной способностью (коэффициент фильтрации на несколько порядков выше, чем у талых). Исследования показали, что в процессе оттаивания по высоте образца происходит перераспределение влаги: на границе оттаивающего слоя с мерзлым формируется переувлажненная зона с наличием порового давления. При этом перераспределение влаги зависит от дисперсности и начальной влажности грунта (рис.1).

В песке при оттаивании перераспределение влажности незначительно даже при высокой начальной влажности. В глинистых грунтах при влажности грунта, близкой к нижнему пределу пластичности, перераспределение влаги практически отсутствует; при влажности, соответствующей верхнему пределу пластичности, происходит значительное перераспределение влаги. Изменение физических свойств и возникновение порового давления в приконтактном слое происходит более интенсивно при приближении начального состояния грунта к состоянию полного водонасыщения, что приводит к существенному снижению прочности оттаивающего грунта на границе оттаивания. После окончания оттаивания в переувлажненных грунтах происходит фильтрация влаги, разуплотнение агрегатов, уменьшение размеров пор, увеличение плотности, поровое давление падает до минимума. Прочность оттаявшего грунта повышается по сравнению с прочностью грунта в процессе оттаивания. При анализе формирования прочностных характеристик при оттаивании рассматривается зависимость показателей сцепления и угла внутреннего трения от начальной степени водонасыщения грунта (S_r) - параметра, комплексно учитывающего влияние дисперсности и физических свойств.

При малой и средней степени водонасыщения перераспределение влаги по глубине оттаивающего слоя происходит без возникновения избыточного порового давления. С понижением значения начальной влажности разница в значениях прочностных характеристик при сдвиге в оттаивающем и полностью оттаявшем состояниях уменьшается. Данную закономерность можно объяснить, используя подход Н.Н. Маслова, разработанный для суглинков и глин тугопластичной и пластичной консистенции. При оттаивании глинистых грунтов, имеющих в тугопластичную и пластичную консистенцию, большую роль играет наличие связанной воды, процесс консолидации протекает под влиянием вязкого сопротивления скелета грунта, а на формирование прочностных характеристик существенное влияние оказывает структурное сцепление. При этом в не полностью водонасыщенном состоянии поровое давление увеличивается с увеличением плотности грунта.

Установлено, что для водонасыщенных глинистых грунтов на границе оттаивания формируется переувлажненный слой, который воспринимает нормальную нагрузку как скелетом грунта так и водой. В этом слое возникает поровое давление, существенно влияющее на формирование прочностных характеристик при оттаивании.

Полученные значения показателей сопротивления сдвигу исследуемых грунтов: сцепления и угла внутреннего трения в оттаявшем состоянии (C_fth, МПа и φ_fth^o) и на границе оттаивания (C_th, МПа и φ_th^o) в зависимости от начальной влажности и степени водонасыщения приведены в таблице 3.

Опыты по исследованию порового давления проводились на сильнольдистых грунтах: суглинке и глине, при влажности, соответствующей полному водонасыщению оттаивающего грунта. Результаты исследований показали, что прикладываемая нагрузка в оттаявшем слое не полностью воспринимается поровой влагой (для всех опытов коэффициент порового давления β_w (равный отношению порового давления u_w к приложенной вертикальной нагрузке σ) меньше 1(табл.4)), что не противоречит теории фильтрационной консолидации и согласуется с представлениями Н.Н. Маслова и Н.Я. Денисова. Причем с возрастанием значения нормальной нагрузки, как для суглинка, так и для глины характерно уменьшение коэффициента порового давления β_w. По мере оттаивания повышенное поровое давление поддерживается только вблизи границы оттаивания и полностью рассеивается в момент полного оттаивания.

Количественной оценка влияния порового давления на прочностные характеристики оттаивающих грунтов выполнялась на основе представления К.Терцаги о разделении напряжений в водонасыщенном грунте между скелетом и водой. При этом для указанного разделения применялся подход, предложенный З.Г.Тер-Мартиросяном, заключающийся в расчете распределения эффективных напряжений и порового давления в зависимости от пористости грунта:

где n - пористость грунта, m=1-n; σ_s - эффективное напряжение; u_w - поровое давление.

Так как в процессе оттаивания происходит изменение пористости по глубине образца, то его количественная оценка производилась по изменению коэффициента пористости, которое определялось по решению Н.А. Цытовича для случая компрессионного сжатия при соблюдении плоскопараллельного оттаивания. При этом изменение коэффициента пористости (Δе) по данным замера осадки штампа при оттаивании до момента сдвига:

где S_отт - осадки оттаявшего слоя грунта; h_отт - глубина оттаявшего слоя грунта; e_o - начальный коэффициент пористости мерзлого грунта; Δе - компрессионное изменение коэффициента пористости при оттаивании.

Полученные значения Δе приведены в табл.4.

Таблица 3
Вид грунта	Начальная влажность W0tot, %	Начальная степень водонасыщения Sr	Показатели сопротивления сдвигу грунта
			оттаявшего		на границе оттаивания
			Cfth, МПа	φftho	Cth, МПа	φtho