Компрессионное деформирование прибрежно-морских мерзлых грунтов при оттаивании (Европейский Север России, Западная Сибирь)

Актуальность. Исследование свойств оттаивающих грунтов не теряет своей актуальности в связи с интенсивным освоением районов криолитозоны. Исследования, посвященные оттаивающим грунтам, важны во многих областях гражданского и промышленного строительства, которые необходимы для обеспечения надежности эксплуатации объектов, построенных по второму принципу (грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии), трубопроводов и дорог в криолитозоне.
Ввиду многокомпонентности состава мерзлых грунтов, отличий условий оттаивания, а также зависимости осадки при оттаивании от многих факторов, прогноз деформаций является достаточно сложной задачей, требующей дальнейших усовершенствований, направленных на повышение достоверности определения деформационных характеристик оттаивающих грунтов и закономерностей их изменения. Основным методом исследования оттаивающих грунтов являются лабораторные компрессионные испытания, которые трудоемки и продолжительны. В связи с этим, актуальной задачей является разработка экспресс методов определения деформационных характеристик и прогноза осадок.
Испытания для определения деформационных характеристик оттаивающих грунтов проводились в компрессионных приборах, обеспечивающих одностороннее оттаивание, так как при этом соблюдается условие одномерной задачи (равномерного сжатия без возможности бокового расширения). Именно для этого метода и были разработаны методы прогноза осадок. Однако, при большом объеме изыскательских работ это требование мало осуществимо ввиду трудоемкости и длительности опытов, поэтому определение деформационных характеристик выполняется в условиях всестороннего оттаивания. В связи с этим, одной из проблем механики оттаивающих грунтов является установление сопоставимости деформационных характеристик по обеим методикам их определения.
Цель работы: на основе экспериментальных и теоретических исследований установить закономерности деформирования оттаивающих дисперсных грунтов в зависимости от условий оттаивания и уплотнения с разработкой предложений по экспресс методике определения деформационных характеристик и осадок.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Обобщить результаты исследований осадок оттаивающих грунтов во времени в зависимости от факторов их обуславливающих, а также данные о существующих методах расчета осадок.
2. Разработать комплексную методику исследований, включающую экспериментальные исследования, математическое моделирование, прогнозную оценку деформационных характеристик.
3. Провести экспериментальные исследования осадок при оттаивании различных видов грунтов заданной криогенной текстуры в условиях одностороннего и всестороннего оттаивания, с определением изменения деформационных характеристик и физических свойств грунта в процессе оттаивания и уплотнения.
4. Провести математическое моделирование по программе «Termoground» процесса деформирования грунтов при различных условиях оттаивания и видах испытаний (лабораторного и полевого).
5. Выявить применимость параметрических уравнений для прогноза деформаций оттаивающих грунтов в условиях компрессии.
6. Обобщить результаты компрессионных испытаний оттаивающих грунтов ненарушенного строения, отобранных в различных региональных мерзлотно-грунтовых условиях, с целью разработки методов прогноза деформационных характеристик.
7. На основе проведенных исследований разработать предложения по экспресс методике определения деформационных характеристик и осадок оттаивающих грунтов.
Комплексный подход к решению поставленных задач, значительный объем фактических данных обеспечивают надежность и обоснованность полученных результатов.
Научная новизна работы
1. Установлены закономерности деформирования различных видов оттаивающих грунтов в зависимости от их физических свойств, условий оттаивания на основе комплексных исследований, включающих экспериментальное изучение осадок грунтов в условиях всестороннего и одностороннего оттаивания, численные расчеты по программе «Termoground», выполненные для различных условий оттаивания и видов испытаний (лабораторных и полевых).
2. Показан диапазон применения параметрических уравнений механики твердых тел, получены их параметры для прогноза деформаций оттаивающих грунтов в условиях компрессии.
3. Установлены зависимости деформационных характеристик оттаивающих грунтов от физических свойств на основе обобщения данных более 500 экспериментов различных видов грунтов ненарушенного сложения, отобранных на севере Европейской части России, Западной Сибири.
4. Разработаны предложения по экспресс методике определения осадок оттаивающих грунтов на основе данных экспериментальных и теоретических исследований.
Защищаемые положения
1. Разработана комплексная методика, включающая экспериментальные исследования, математическое моделирование по программе «Termoground», прогноз деформаций в условиях компрессии с помощью параметрических уравнений.
2. Получены закономерности компрессионного деформирования грунтов при разных условиях оттаивания.
3. Установлены на основе регрессионного анализа экспериментальных данных зависимости характеристик оттаивающих грунтов от их состава и свойств.
4. Разработаны предложения по экспресс методике определения деформационных характеристик и осадок оттаивающих грунтов и пределы ее применимости.
Практическая значимость работы. Результаты исследований рекомендуются для прогноза осадок мерзлых грунтов при оттаивании оснований инженерных сооружений, возводимых в криолитозоне, для усовершенствования методики испытаний при инженерных изысканиях (сокращения сроков и уменьшения трудоемкости испытаний), а также при актуализации нормативных документов.
Личный вклад автора. Автором выполнено более 500 компрессионных испытаний различных видов оттаивающих грунтов ненарушенного сложения с целью получения закономерностей компрессионного деформирования, использованные для разработки предложений по экспресс методике определения осадок, и около 350 опытов на модельных образцах для выявления влияния условий оттаивания на деформационные характеристики, плотность, влажность. Проведены расчеты по программе «Termoground» для прогноза влияния условий оттаивания на значения осадок, а также сравнение данных лабораторных и полевых испытаний. Получены данные о возможности применения параметрических уравнений для прогноза деформаций при оттаивании.