Full Text

Введение Морозное пучение может достигать 15-20 % от толщины слоя грунта и является одним из факторов, оказывающих существенное влияние на сооружения, возводимые в условиях холодного климата. Обратной стороной этого явления является ухудшение деформационных и прочностных характеристик, а также повышение водопроницаемости грунтов при оттаивании, что приводит к снижению надежности дамб, транспортных сооружений, накопителей бытовых и промышленных отходов. Прогноз деформаций морозного пучения по гранулометрическому составу или иным классификационным характеристикам не отличается надежностью и, как правило, позволяет лишь разделить заведомо пучинистые и непучинистые грунты. Результаты лабораторных испытаний могут считаться достоверными, если используется оборудование, позволяющее воспроизводить условия промерзания грунтов в основании сооружений. Многочисленные исследования показали, что так называемое первичное пучение, обусловленное замерзанием воды, первоначально содержавшейся в грунте, невелико. Основной причиной деформаций является формирование линз льда при замерзании влаги, мигрирующей к фронту промерзания из непромерзшей части массива. К настоящему времени предложено более десятка теорий, объясняющих механизм миграции, среди них капиллярная, осмотическая, гидродинамическая и адсорбционная. Последняя, получившая наибольшее признание, основана на представлениях об адсорбционно-пленочном механизме миграции. Согласно этой теории, при отрицательной температуре на поверхности частиц остается слой незамерзшей связанной влаги, благодаря чему в системе, стремящейся сохранить термодинамическое равновесие, происходит всасывание воды из незамерзших нижерасположенных слоев. Иными словами, движущей силой миграции служит разность потенциалов поровой влаги с одной и другой стороны фронта промерзания. Этот механизм и должен приниматься во внимание при проектировании лабораторного оборудования для изучения феномена морозного пучения. 1. Анализ конструкции существующего лабораторного оборудования К настоящему времени разработано множество приборов для исследования морозного пучения грунтов [1-21]. Их можно систематизировать по назначению (измеряемым параметрам), конструктивным признакам и условиям проведения экспериментов. Принципиальные схемы приборов представлены в табл. 1. В верхней части таблицы показаны приборы для исследования самого процесса - природы пучения, деформаций, интенсивности миграции влаги и т.д., а в нижней части таблицы - его последствия на примере определения водопроницаемости после одного или нескольких циклов промерзания-оттаивания. Для приборов первой группы характерны следующие конструктивные особенности: - испытанию подвергают образцы грунтов цилиндрической формы диаметром от 5 до 15 см, отношение их высоты к диаметру обычно изменяется от 0,5 до 3; - образцы размещают в гильзе, покрытой слоем теплоизоляции, которая обеспечивает преимущественно одномерный тепловой поток из образца; - нагрузку на образцы создают с помощью поршня, в ходе опыта измеряют его перемещения; - обеспечивают свободную подпитку промерзающих образцов водой. Следует заметить, что известны также крупные лабораторные установки для испытания призматических образцов размером 40´40 см в плане, высотой 45 см [22] и 70´80 см, высотой 40 см [23]. Для того чтобы снизить влияние на измеряемые деформации пучения смерзания образца с вмещающей его гильзой, последнюю собирают из отдельных колец с подвижным стыком, используют смазки и мембраны. В приборе K. Kujala [10] с этой же целью днище прибора выполнено подвижным относительно гильзы. В большинстве лабораторных установок, как и в природных условиях, образец замораживают сверху, а подпитку водой осуществляют снизу. Исключение составляют приборы T. Ishizaki, J. Kondrad, S. Freden [9, 24-26], в которых указанные процессы имеют обратное направление. Благодаря смещению образца при пучении в сторону его непромерзшей части исключается влияние смерзания на измеряемые деформации пучения. Приборы с горизонтальным перемещением фронта промерзания создавались для оценки пучения вокруг колонок при искусственном замораживании грунтов. Подобные приборы могут быть востребованы также при оценке воздействия пучения на подпорные стены и стенки колодцев. Их создание может быть одним из направлений развития лабораторной базы. Морозное пучение обусловлено главным образом миграцией влаги к фронту промерзания, поэтому чем медленнее промерзает грунт, тем большие деформации пучения имеют место. Вот почему в лабораторных экспериментах следует обеспечивать скорость перемещения фронта промерзания, близкую к природным условиям. Выполнить это требование при постоянных значениях температуры на торцах образца невозможно. В наиболее совершенных и сложных приборах в образец внедряют датчики температуры и в зависимости от их показаний с помощью компьютера регулируют температуру на верхнем, «холодном» торце образца. Таблица 1 Принципиальные схемы лабораторных установок Table 1 Review of laboratory apparatus Вид испытаний Направление перемещения фронта промерзания сверху вниз (I) снизу вверх (II) горизонтально (III) Морозное пучение (A) Могут быть разработаны Фильтрация перпендикулярно линзам льда (B) Могут быть разработаны вдоль линз льда (C) Могут быть разработаны Примечание: 1 - пористый материал; 2 - теплоизоляция; 3 - охлаждающая плита; 4 - гильза; 5 - образец грунта; 6 - подвижное днище; 7 - перфорированная труба Интенсивность миграции влаги к фронту промерзания определяют обычно по расходу воды из подающего резервуара, реже - с помощью датчиков влажности, размещаемых внутри образца. Существовали также попытки применения флюоресцирующих веществ для окраски проникающей в образец влаги. Обязательным является послойный отбор проб на влажность из образца по окончании опыта. Что касается установок для определения водопроницаемости грунтов после оттаивания, представленных во второй части табл. 1, то при их создании принимают во внимание особенности формирующейся при промерзании слоистой текстуры. Оттаивание многочисленных линз льда, преимущественно вытянутых вдоль фронта промерзания, приводит к появлению фильтрационной анизотропии в грунтах. В большинстве приборов водопроницаемость определяют вдоль оси образца, т.е. в направлении, перпендикулярном фронту промерзания. Исследованием водопроницаемости грунтов в направлении, параллельном сформировавшейся слоистой текстуре, занимались В.Н. Жиленков [27], G. Hirose, Y. Ito [28]. В приборе первого автора фронт промерзания перемещался сверху вниз, а фильтрационный поток создавался в горизонтальном направлении - от пористой трубки в центре образца к перфорированным стенкам гильзы. Во втором случае образец промораживали в горизонтальном направлении, а фильтрацию измеряли в вертикальном направлении. Принимая во внимание природу процесса морозного пучения, преимущества и недостатки существующего лабораторного оборудования, можно сформулировать основные требования к конструкции приборов для исследования морозного пучения грунтов: - возможность управления скоростью перемещения фронта промерзания и интенсивностью миграционного потока влаги; - минимальное влияние вмещающей образец гильзы на деформации пучения и ориентацию формирующихся линз льда; - cведение до минимума манипуляций с образцом перед определением водопроницаемости, прочностных или деформационных характеристик после промерзания-оттаивания. Именно с учетом приведенных требований авторы конструировали новые приборы для исследования морозного пучения грунтов. 2. Совершенствование лабораторной базы приборов В 2012 г. был создан прибор, в котором использован весьма простой способ обеспечения заданной скорости промерзания образца (рис. 1) [29]. Более того, прибор позволяет останавливать фронт промерзания для наблюдения за ростом линз льда. Он включает гильзу, собранную из нескольких полиэтиленовых колец высокой плотности, морозильную и холодильную камеры, процессор, предназначенный для управления температурным режимом в камерах, регистрации температуры внутри образца и деформаций пучения. Гильза с образцом размещается в холодильной камере, где поддерживается температура 0…+2 °C. Подпитка водой осуществляется через нижний торец образца. Морозильная камера, в которой с помощью элементов Пельтье поддерживается заданная отрицательная температура, перемещается вдоль образца сверху вниз. Скорость перемещения фронта промерзания определяется скоростью перемещения этой камеры. Для создания нагрузки на образец используется загрузочная рама LoadTrac-II компании Geocomp (USA), она же и обеспечивает измерение деформаций пучения с точностью 0,001 мм. Для массовых испытаний по циклическому промерзанию-оттаиванию грунтов при проектировании гидротехнических объектов был создан прибор упрощенной конструкции, в котором гильза с образцом размещается в емкости с водой (рис. 2) [30]. Стенки емкости покрыты слоем теплоизоляции, а на поверхности воды плавает диафрагма из теплоизоляционного материала. Температура воды поддерживается чуть выше нуля. Прибор размещается в морозильной камере с отрицательной температурой. В ходе опыта по мере слива воды из емкости диафрагма перемещается вниз, обеспечивая тем самым равномерное с заданной скоростью промерзание образца. Для быстрого оттаивания образца камеру наполняют теплой водой. Кроме того, через трубчатые пористые зонды в образец грунта может нагнетаться вода, по расходу которой определяют коэффициент фильтрации. a б Рис. 1. Прибор морозного пучения с возможностью управления фронтом промерзания Fig. 1. Experimental apparatus for frost heaving test with controlled frost front penetration Рис. 2. Прибор для измерения морозного пучения и водопроницаемости грунтов Fig. 2. Experimental apparatus for frost heaving and hydraulic conductivity tests Авторами усовершенствован прибор традиционной конструкции, в котором для обеспечения равномерного промерзания грунта в центральной и периферийной частях образца вокруг гильзы вместо теплоизоляции засыпается сухая смесь специально подобранного состава (рис. 3, a). Теплофизические свойства засыпки определяют до начала лабораторных экспериментов путем численного моделирования процесса охлаждения образца в приборе в программном комплексе, позволяющем учитывать теплоту фазовых переходов воды (рис. 3, б) [31]. Следующее направление совершенствования приборов связано с регулированием миграции влаги к фронту промерзания. Наличие такой возможности, во-первых, позволяет глубже изучить сам феномен морозного пучения, а во-вторых, при проведении испытаний учитывать положение уровня грунтовых вод в основании сооружения. Заметим, что в стандартных приборах предусмотрен лишь свободный приток воды к нижнему торцу образца высотой около 15 см, т.е. моделируются наиболее неблагоприятные условия промерзания в основании сооружений. a б Рис. 3. Прибор для измерения морозного пучения: a - принципиальная схема; б - результаты численного моделирования Fig. 3. Experimental apparatus for frost heaving test: a - schematic of apparatus; b - numerical simulation В приборе, показанном на рис. 4, a, гильзы, заполняемые исследуемым грунтом, выполнены телескопическими, т.е. вкладываются друг в друга. Это позволяет собирать в лаборатории образцы различной высоты и, кроме того, измерять их усадку ниже фронта промерзания [32]. В следующем приборе указанная цель достигается за счет создания вакуума в камере с водой, расположенной под образцом (рис. 4, б) [33]. Поддерживая давление в камере ниже атмосферного, моделируют промерзание исследуемого грунта при заданном расстоянии от фронта промерзания до поверхности грунтовых вод. В третьем приборе (см. рис. 3, a) управление миграцией влаги обеспечивается с помощью размещенного под нижним торцом образца вкладыша, который обладает меньшей, чем исследуемый грунт, водопроницаемостью. a б Рис. 4. Прибор морозного пучения с возможностью управления миграцией влаги Fig. 4. Laboratory apparatus for frost heaving test with controlled water flow Известно, что водопроницаемость грунтов после нескольких циклов промерзания-оттаивания может увеличиваться в 10-300 раз [27, 34-38], что, как отмечалось выше, необходимо учитывать при проектировании гидротехнических сооружений. Для изучения этого явления авторами создан прибор, позволяющий определять деформации морозного пучения и водопроницаемость грунтов как вдоль, так и поперек текстурной слоистости (рис. 5) [30, 39]. Особенностью прибора является гильза для размещения образца, составленная из колец с двойными стенками. Камеры между стенками в каждом из колец разделены на четыре сектора. Два сектора с перфорированными внутренними стенками предназначены для подачи и отвода воды, фильтрующейся через образец в горизонтальном направлении, а два других - со стенками без перфорации - для размещения трубок с водой. После заданного числа циклов промерзания-оттаивания испытания на водопроницаемость проводят без извлечения образца из гильзы, что позволяет сохранить его посткриогенную текстуру. Поток воды направляют или в горизонтальном направлении - через перфорированные стенки, или в вертикальном - через пористые диски, размещенные на торцах образца. a б Рис. 5. Лабораторная установка для измерения водопроницаемости и морозного пучения грунтов Fig. 5. Laboratory apparatus for water permeability and frost heaving testing Таким образом, вновь созданные приборы позволяют моделировать в лаборатории природные условия промерзания грунтов, изучать феномен пучения, задавая различные граничные условия при испытаниях, а также исследовать результаты воздействия циклического промерзания на их свойства. Дальнейшее их совершенствование позволит повысить точность и достоверность оценки пучинистости грунтов. 3. Оценка пучинистости грунтов Следует отметить, что, кроме многообразия имеющихся приборов и методик испытания грунтов на морозное пучение, отличаются еще и получаемые по результатам экспериментов характеристики, а их используют для классификации грунтов и расчета деформации конструкций при промерзании основания. В качестве характеристики в нормативных документах России используются относительные деформации пучения[1], США - скорость пучения[2], Великобритании - абсолютные деформации[3] образца определенной высоты. Широкое распространение получил показатель, вычисляемый как отношение скорости миграции влаги к градиенту температуры в пределах каймы промерзания и называемый сегрегационным потенциалом (R. Miller, R. Gilpin, E. Chamberlain, J.-M. Kondrad, N. Morgenstern [4, 9, 35]). Критерии классификации грунтов по указанным характеристикам приведены в табл. 2. Таблица 2 Критерии пучинистости грунтов Table 2 Frost-Susceptibility Criteria Критерии пучинистости грунтов Скорость пучения, uh, мм/сут SP, мм2/ч, °С Деформация морозного пучения, мм Относительная деформация морозного пучения efh ASTM D59182 E. Chamberlain [4] K.Kujala [10, 40] J.-M. Kondrad, N. Morgenstern [9] BS 812-1243 ГОСТ 286221 Непучинистый <1 <0,5 <0,5 <0,5 <0,01 Слабо-пучинистый 1…2 0,5…2 0,5…2,4 0,5…1,5 <12,7 0,01…0,035 2…4 Средне-пучинистый 4…8 2…4 - 1,5…3 12,7…17,8 0,035…0,07 Сильно-пучинистый 8…16 >4 >2,4 >3 >17,8 0,07…0,10 Чрезмерно-пучинистый >16 >0,10 Рис. 6. Последовательность оценки пучинистости грунтов в основании сооружений Fig. 6. Approach to frost-susceptibility of soils Учитывая существенные отличия показателей пучинистости, а также их зависимость от условий проведения экспериментов, считаем необходимым предложить следующий порядок оценки пучинистости грунтов в основании сооружений. Суть его состоит в следующем (рис. 6): 1. Используя данные метеорологических наблюдений и геологических изысканий, выполняют численное моделирование процессов промерзания на объекте строительства. Для моделирования должен применяться программно-вычислительный комплекс, использующий термогидромеханическую модель грунта, т.е. одновременно решающий задачи теплопереноса и фильтрации, а также учитывающий изменение напряженно-деформированного состояния массива. 2. По результатам моделирования определяют условия проведения лабораторного эксперимента, а именно: температуру, скорость и направление перемещения фронта промерзания, нагрузку на образец, условия его подпитки водой. 3. Проведя испытания образцов и получив необходимые характеристики пучения, выполняют моделирование лабораторного эксперимента, т.е. хода промерзания и пучения образца в лабораторной установке. При необходимости выполняют калибровку модели. 4. Последней итерацией является численное моделирование процессов промерзания и пучения на проектируемом объекте. Результатом такого моделирования будет расчетное значение деформаций морозного пучения и его воздействий на проектируемый объект. Авторы успешно апробировали представленный алгоритм на одном из промышленных объектов [41]. Выводы 1. Для получения достоверных результатов при исследовании процесса морозного пучения грунтов лабораторное оборудование должно обеспечивать возможность управления скоростью перемещения фронта промерзания и интенсивностью миграционного потока влаги в образце, сводить к минимуму влияние вмещающей образец гильзы на деформации пучения и ориентацию формирующихся линз льда, исключать механические воздействия на образец перед определением водопроницаемости, прочностных или деформационных характеристик после промерзания-оттаивания. 2. Принимая во внимание существенные отличия показателей пучинистости, а также их зависимость от условий проведения экспериментов, предлагаем следующий алгоритм оценки опасности морозного пучения для проектируемого объекта: численное моделирование процессов промерзания на объекте строительства с использованием данных метеорологических наблюдений и геологических изысканий; определение по результатам моделирования условий проведения лабораторного эксперимента; лабораторные испытания; численное моделирование лабораторного эксперимента с целью калибровки модели; численное моделирование процессов промерзания и пучения на проектируемом объекте.

About the authors

A. A Korshunov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

S. V Churkin

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

A. L Nevzorov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

References

Statistics

Views

Abstract - 1652

PDF (Russian) - 402

Refbacks

• There are currently no refbacks.