Лабораторная работа 6.1. Характеристики пучинистости грунтов

Цель работы: Научиться оценивать пучинистость грунтов и выбирать конструктивные схемы мелкозаглубленных фундаментов

Задание: оценить пучинистость глинистых и песчаных грунтов Дать рекомендации относительно выбора конструкции фундамента на глинистых и песчаных грунтах.

Исходные данные. Характеристики глинистых грунтов приведены в табл. 3.4, песков в табл. 6.6. По табл. 6.5 выбираются отрицательные температуры для населенного пункта, взятого для своего номера варианта.

Ход работы:

1. По табл. 6.5 выбираются отрицательные температуры для населенного пункта рассчитывается их среднее значение М₀.

2. По графику (рис. 6.2) определяется критическая влажность w_cr глинистого грунта.

3. Рассчитывается параметр R_f, принимая w_tot за расчетную предзимнюю влажность грунта в слое сезонного промерзания, при необходимости корректировать R_f по r_d

4. По табл. 6.1 оценивается пучинистость глинистого грунта по параметру R_f,.

5. По формуле 6.4 определяется средний диаметр частиц d_o. Данные о долях фракций грунта р_i, %, и диаметре фракций, d_i, мм, приведены в табл. 6.4. Размерность d_o в формуле 6.4берется в см.

6. По формуле 6.3 определяется средний показатель дисперсности D, по которому оценивается пучинистость песков и супесей с I_p <0,02.

Таблица 4.48

Среднемесячные температуры для различных населенных пунктов

N Населенный пункт Средние температуры по месяцам

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Колпашево –21 –17,9 –10,7 –1,1 7,2 17,9 14,7 –12,1 –19,4

Средний Васюган –20,6 –17,6 –10,5 – 0,8 6,9 14,5 17,4 14,2 8.7 –0,4 –11,9 –19,3

Томск –19,2 –16,7 –10,1 –0,1 8,6 15,3 18,1 15,2 9,2 0,9 –10,4 –17,5

Усть–Озерное –21,1 –18,7 –11,3 –1,3 6,7 14,8 17,6 14,4 –1 –13,1 –20,1

Барабинск –20,2 –13,4 –11,9 –0,2 9,8 16,1 18,3 15,8 9,8 1,2 –9,8 –17,1

Болотное –18,6 –16,7 –10,1 0,2 9,4 18,6 15,7 9,6 –10,1 –17

Чулым –19,7 –18 –11,7 –0,3 9,7 16,1 18,3 15,6 9,6 1,2 –8,9 –17,2

Омск –19,2 –17,8 –11,8 1,3 10,7 16,6 18,3 15,9 10,4 1,1 –8,4 –16,5

Купино –19,9 –18,8 –12,5 0,2 10,8 16,8 16,4 10,5 1,7 –9,4 16,8

Новосибирск –19 –17,2 –10,7 –0,1 16,3 18,7 9,9 1,5 –9,7 –16,9

Таблица 4.49

Коэффициент пористости и доля фракций грунта р_i, %,

при диаметре фракций, d_i, мм

№ е,д.е. 2,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,05-0,005

0,45 30,5 44,2 4,3

0,37 30,1 6,9

0,42 26,5 43,1 21,1 6,3

0,40 27,3 43,4 17,7 9,6

0,43 32,1 40,7 22,9 0,3

0,41 33,6 40,4 21,4 1,6

0,38 33,2 20,9 2,9

0,39 35,1 22,1 37,5 2,3

0,42 37,2 37,3 15,1 8,4

0,40 42,6 11,4

0,43 25,1 2,9

0,41 26,1 50,3 9,1 10,5

0,38 25,5 18,5

0,39 30,5 44,2 4,3

0,4 30,1 6,9

0,42 26,5 43,1 21,1 6,3

Лабораторная работа 6.2. Проверка устойчивости фундамента на действие сил пучения

Цель работы: освоить расчетустойчивости фундамента на действие сил пучения.

Задание: Проверить устойчивость на действие сил пучения свайного фундамента с бетонной необработанной поверхностью. При решении принять, что сезонноталый слой сливается с толщей многолетнемерзлых пород. Расчетное значение силы F_r, кН (кгс), удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определить по формулам при использовании мерзлых грунтов по принципу I, затем при использовании мерзлых грунтов по принципу II.

Исходные данные. По вариантам те же данные, что и в работах 3.3 и 4.1, 4.2. Строение paзpeзa площадки такое же, как на рис. 4.1.

Ход работы:

1. Расчетное значение силы F_r кН (кгс), удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определять по формулам: при использовании мерзлых грунтов по I принципу – по формуле 6.7 и при использовании мерзлых грунтов по II принципу по формуле – 6.8. Предварительно определяем параметр f_i, по таблице 6.6 и в пределах каждого i -го слоя грунта определяем по таблице 4.9 расчетное сопротивление i -го слоя мерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания, R_af,i, кПа (кгс/см²), при эквивалентной температуре Т_е, рассчитанной также как в лабораторной работе 4.2.

2. Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по формуле 6.5, где t_fh – расчетная удельная касательная сила пучения, кПа (кгс/см²); которая определяется по таблице 6.3 по показателю I_L.

Расчеты криогенных процессов

МЕ

ТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТАВА И СВОЙСТВ МПП

Необходимые для расчета оснований и фундаментов физические и деформационно-прочностные характеристики многолетнемерзлых грунтов надлежит определять, на основании их непосредственных полевых или лабораторных испытаний.

В состав определяемых для расчета многолетнемерзлых оснований физических и механических характеристик грунтов помимо характеристик, предусмотренных СП 22.13330.2011, должны дополнительно входить:

а) физические и теплофизические характеристики мерзлых грунтов, определяемые в соответствии с обязательным приложением Б;

б) деформационные и прочностные характеристики грунтов для расчета мерзлых оснований по деформациям и несущей способности: коэффициент сжимаемости мерзлого грунта d _f (п. 7.2.16), расчетное давление R и сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания R_af и R_sh (п. 7.2.3);

в) деформационные характеристики грунтов для расчета оттаивающего основания по деформациям: коэффициент оттаивания А_th и сжимаемости d оттаивающего грунта и его относительная осадка x _th (п. 7.3.8);

г) прочностные и деформационные характеристики с и φ следует определять при испытании на срез в полевых и лабораторных условиях (ГОСТ 23441, ГОСТ 20522) для мерзлых грунтов и их контактов с_L и φ_L определяются по результатам длительных испытаний, с_sh и φ_sh – по результатам неконсолидированно-недренированного и консолидировано-недренированного среза оттаивающего грунта (ГОСТ Р 53582-2009);

д)характеристики грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания для расчета оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения грунтов (пп. 7.4.3 и 7.4.6), а также характеристики мерзлых грунтов для расчета оснований на горизонтальные статические и сейсмические воздействия (пп. 11.5 и 11.6).

При необходимости следует определять и другие характеристики мерзлых грунтов, характеризующие особенности их состояния или взаимодействия с фундаментами (вид криогенной текстуры, коэффициент вязкости h, эквивалентное сцепление c_eq, скорость вязкопластического течения льда n_i, удельное отрицательное трение оттаивающего грунта на боковой поверхности f_n и т. п.).

Нормативные значения характеристик грунта следует устанавливать для выделенных при изысканиях инженерно-геологических элементов на основании статистической обработки результатов экспериментальных определений в соответствии с ГОСТ 20522 и СП 22.13330.2011 с учетом предусмотренного проектом состояния и температуры грунтов основания.

Расчетные значения характеристик грунта определяются по формуле

c = c_ng_g, (5.1)

где c и c _n - соответственно расчетное и нормативное значение данной характеристики;

g _g - коэффициент надежности по грунту, определяемый согласно указаниям п. 5.8.

Коэффициент надежности по грунту g _g определяется в соответствии с ГОСТ 20522 с учетом вида (назначения) определяемой расчетной характеристики, состояния грунтов в основании сооружения и доверительной вероятности a.

При определении расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов, используемых в качестве основания в мерзлом состоянии (принцип I), коэффициент надежности по грунту g _g устанавливается в соответствии с ГОСТ 20522 при доверительной вероятности a, принимаемой равной 0,85, а для оснований опор мостов и линий электропередач - 0,9.

При определении расчетных значений деформационных и прочностных характеристик грунтов, используемых в качестве основания в оттаивающем или оттаянном состоянии (принцип II), коэффициент надежности по грунту g _g следует устанавливать:

а) для расчета оттаивающих оснований по деформациям с учетом совместной работы сооружения (фундаментов) и деформируемого основания (п.7.3.5) - в соответствии с ГОСТ 20522 при доверительной вероятности a, принимаемой в соответствии с нормами проектирования конструкций сооружения, но не менее 0,95;

б) для расчета оттаивающих оснований по деформациям без учета совместной работы основания и сооружения (п.7.3.4), а также при предварительном оттаивании грунтов (п.7.3.10) - при доверительной вероятности a, принимаемой согласно СП 22.13330.2011.

При определении расчетных значений физических и теплофизических характеристик грунтов коэффициент надежности по грунту g _g допускается принимать равным 1,0.

Для расчета оснований сооружений II и III уровней ответственности, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям, расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов R, R_af и R_sh допускается принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными, приведенными в рекомендуемом приложении В; расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в этих случаях допускается принимать по таблицам обязательного приложения Б.

Примечание - Здесь и далее уровень ответственности сооружений принят согласно ГОСТ 27751.

Описание ММП

Определение состояния вечномерзлых грунтов
Состояние вечно-мерзлых грунтов	Температура	Физическое состояние	Внешний вид	Наименование видов грунтов, в которых, как правило, встречается данная категория вечномерзлых грунтов
Твердо-мерзлые	Отрицательная или нулевая при наличии ледяных включений	Твердо смерзшиеся, сцементированные льдом	Видимые ледяные кристаллы и прослойки; при оттаивании грунты изменяют цвет на более темный	Все виды крупнообломочных, песчаных, глинистых и заторфованных грунтов
Пластично-мерзлые	То же	Полусмерзшиеся, пластичные	Льда в порах не видно; иногда (при рассмотрении в лупу) лед наблюдается в виде мелких кристаллов	Все виды глинистых грунтов, пески мелкие и пылеватые
Сыпуче-мерзлые		Несмерзшиеся, сыпучие; не изменяются при переходе отрицательных температур в положительные	Иногда видны редкие блестки кристаллов льда	Все виды крупнообломочных грунтов и пески крупные и средней крупности

Структура мерзлых пород. Под криогенной структурой мерзлых пород следует понимать строение породы, определяемое взаимным расположением, величиной и формой минеральных элементов и ледяных включений, характером поверхности этих составляющих, а также наличием и характером связей между ними.

В зависимости от характера включений льда в дисперсных породах и от степени заполнения им пор в породе П.А. Шумским выделяются следующие типы льда-цемента:

1) контактный, расположенный лишь в местах контакта частиц скелета;

2) пленочный, покрывающий всю поверхность частиц породы, но поры которой частично остаются не заполненными льдом;

3) поровый, заполняющий поры породы целиком;

4) базальный (основной), составляющий основную массу породы и разобщающий минеральные частицы скелета.

В зависимости от формы и кристаллографической ориентировки зерен П.А. Шумским выделяются следующие структуры шлиров и других включений льда:

1) неправильнозернистая (аллотриоморфнозернистая) с беспорядочной кристаллографической ориентировкой, т. е. зерна льда возникают неправильной формы в результате механического воздействия друг на друга в стесненных условиях;

2)призматическая (или панидиоморфнозернистая) – кристаллы льда имеют правильную, свойственную им форму и упорядоченную кристаллографическую ориентировку (главные оси симметрии параллельны между собой);

3) промежуточная (гипидиоморфнозернистая), занимающая положение между двумя первыми, которая подразделяется на две разновидности:

а) пластинчатую (кристаллы льда сплющены по главной оси симметрии),

б)столбчатую (зерна льда вытянуты по главной оси).

По соотношению размеров кристаллов льда и минеральных частиц породы различаются структуры:

а) межчастичная (интерсертальная), когда зерна льда-цемента расположены между частицами породы и не превышают их по размерам;

б) объемлющая (пойкилитовая), когда зерна льда-цемента размером больше частиц скелета и включают в себя последние.

Текстура – это сложение горной породы, определяемое особенностью относительного расположения составных частей породы в пространстве. Так называемая криогенная текстура (криотекстура) в полном значении этого понятия свойственна в основном мерзлым дисперсным породам и определяется особенностью относительного расположения в пространстве сцементированных льдом частиц и агрегатов породы и шлиров льда.

Основными факторами, определяющими формирование эпигенетических текстур в отложениях, прошедших до промерзания стадию диагенеза, являются:

– состав, генезис и первичная структура породы;

– начальная влажность, ее распределение по глубине толщи, наличие или отсутствие в разрезе водоносных горизонтов;

– условия промерзания толщи отложений – скорость промерзания и режим промерзания в период формирования мерзлой толщи и за время ее существования.

Основной морфологической единицей криогенной текстуры является лед, который характеризуют следующие признаки: форма, размеры, ориентация, распределение в массиве, количественное содержание в объеме породы и его текстура.

Текстурообразующий лед в мерзлой породе присутствует:

– в виде отдельных зерен и их скоплений, гнезд, пятен неправильной формы размером от долей до нескольких сантиметров;

– в виде удлиненных тел неправильной формы, ориентированных в одном или в различных направлениях, пересекающихся между собой и образующих каркасные (решетчатые) формы;

– в виде отдельных крупных слоев, обогащенных включениями грунта, где объем льда, преобладает над объемом грунтовых частиц или обломков породы.

Мерзлые породы, в которых присутствует только лед-цемент, характеризуются массивной криогенной текстурой.

Мерзлые породы, в которых лед присутствует в виде включений определенной формы, характеризуются шлировыми криогенными текстурами.

По своим морфологическим особенностям шлировые криогенные текстуры подразделяются на простые и сложные. Простые криогенные текстуры образуются шлирами льда преимущественно одной формы. Сложные криогенные текстуры образованы включениями льда различной формы или величины. Они являются как бы результатом наложения одних типов и видов криогенных текстур на другие.

В зависимости от наличия, формы и пространственного расположения ледяных шлиров в породе выделяются следующие основные типы криогенных текстур: массивная, слоистая, сетчатая корковая, порфировидная, базальная и атакситовая.

Массивная криогенная текстура создается, когда ледяные шлиры отсутствуют, частицы и агрегаты породы сцементированы кристаллами и мелкими включениями льда. Внешне мерзлый грунт выглядит однородным, лишенным текстурности. Лед-цемент, прочно цементирующий породу, присутствует в ней в виде многочисленных кристаллов, более или менее равномерно выполняющих пространство. Массивная криогенная текстура образуется при промерзании грунтов различного состава и генезиса, при отсутствии миграции влаги к фронту промерзания; при промерзании маловлажных «сухих» тонкодисперсных грунтов или песчаных и гравийно-галечных отложений независимо от скорости промерзания. Возникновение массивной текстуры всегда сопровождается упрочнением породы. Льдистость тонкодисперсных грунтов за счет льда-цемента не превышает критической влажности, в мелкозернистых грунтах она может достигать 40–50 %.

Слоистая криогенная текстура создается, когда ледяные шлиры образуют взаимно параллельные линзообразные прослойки, чередующиеся со слоями частиц и минеральных агрегатов, связанных льдом-цементом. Толщина шлиров и линз может варьировать от долей миллиметра до десятков сантиметров. Слоистая криогенная текстура развивается в сильно увлажненных тонкодисперсных и песчаных мелкозернистых, пылеватых грунтах различного генезиса (пойменных, старичных деллювиально-солифлюкционных, морских, озерных, озерно-ледниковых отложениях). Общее льдосодержание мерзлого грунта со слоистой криогенной текстурой может составлять около 50 % и более.

Группа текстур слоистого типа подразделяется на виды и разновидности в зависимости от формы, размера включений льда и расстояния между ними; положения ледяных шлиров в пространстве; равномерности или неравномерности распределения льда по вертикальному профилю и т. д.

В зависимости от формы включений льда и их положения в пространстве в группе слоистых текстур выделяются простые виды слоистой текстуры (линзовидная, полосчатая) и сложные (косая, поясковая, прожилковая и плойчатая).

В зависимости от толщины прослоек и линз льда каждый вид слоистой текстуры подразделяется на тонкослоистую, с толщиной прослоек льда от 0,1 до 0,5 см, мелкослоистую – 0,5–1,0 см, толстослоистую – 1,0–5,0 см, крупнослоистую – более 5 см.

В зависимости от простирания прослоек льда по отношению к простиранию слоя породы слоистая текстура подразделяется на горизонтально-слоистую, вертикально-слоистую, наклонно-слоистую.

По толщине шлиров выделяются микрошлировая – толщина шлиров до 0,1 см, тонкошлировая – от 0,1 до 0,5 см, среднешлировая – от 0,5 до 2,0 см и толстошлировая – более 2,0 см.

Сетчатая криогенная текстура создается ледяными телами удлиненной формы; пересекающимися между собой и образующими в массиве каркасные (решетчатые, ячеистые) формы. Максимальная толщина перемычек ледяного каркаса обычно не превышает нескольких сантиметров, а общее льдонасыщение породы с сетчатой текстурой, как правило, меньше 50 %. Сетчатая криогенная текстура образуется только в тонкодисперсных грунтах. По генезису это могут быть различные осадки как субаквального, так и субаэрального типов.

Породы с такой текстурой можно подразделять в зависимости от размеров шлиров, различий в густоте их расположения и пространственной ориентировке соответственно на:

– микро-, тонко - и толстосетчатые;

– равномерно- и неравномерносетчатые;

– прямоугольно-, косоугольно- и неправильносетчатые.

Корковая криогенная текстура образует не выдержанные по толщине корки и линзы около крупных обломков, щебенки. Образование корки вокруг обломков связывается с большей теплопроводностью обломков по сравнению с вмещающей породой, при этом кристаллы льда зарождаются в первую очередь на наиболее охлажденной поверхности обломочного материала, успевая использовать запасы воды из окружающих грунтов до проникновения на этот уровень общего фронта промерзания. Общее льдосодержание отложений с корковой криогенной текстурой редко выходит за пределы 15 %.

Порфировидная (вкрапленная, пятнистая) криогенная текстура создается изометрическими зернами льда, имеющими овальную, глазковую форму и присутствующими в мерзлой породе в виде гнезд, вкраплений, пятен неправильной формы. Порфировидная текстура формируется в тонкодисперсных грунтах, оторфованных суглинках и глинах, в торфах и валунно-галечных суглинках (озерных, озерно-аллювиальных, ледниковых и ледниково-морских отложениях) в условиях небольшого увлажнения грунтов. Общее льдонасыщение породы за счет льда включений составляет 5–8 %.

Базальная криогенная текстура характерна для грубозернистых и обломочных пород, образуется при промерзании этих отложений в условиях полного водонасыщения. Обычно промерзание водонасыщенных пород идет в условиях замкнутой системы, когда отжатие излишков воды в сторону не происходит, что приводит к раздвиганию частиц скелета и увеличению объема пор. Считается, что базальная текстура может развиваться и при напорной миграции воды к границе промерзания. В любом из этих случаев промерзание приводит к образованию льдонасыщенного грунта, зерна и обломки которого как бы погружены в лед и часто не соприкасаются между собой.

Атакситовая криогенная текстура формируется в схожих условиях, при промерзании тонкодисперсных минеральных и органо-минеральных пород. В результате развиваются высокольдистые мерзлые породы, в которых целые агрегаты и блоки грунта являются включениями во льду. Атакситовая текстура образуется в условиях медленного промерзания и наиболее часто встречается у подошвы сезонноталого слоя в отложениях склонов, поймы, в органо-минеральных отложениях озер, болот.

По внешним признакам и по условиям образования базальная и атакситовая криогенные текстуры являются однотипными: и в том и в другом случае формирование текстуры осуществляется в условиях полного водонасыщения грунта.

Помимо основных типов криогенных текстур существуют их многочисленные промежуточные или переходные виды. Из них наибольшее распространение имеет группа неполных криогенных текстур – неполносетчатых, неполнослоистых, когда в массиве мерзлой породы присутствуют лишь отдельные элементы ледяного каркаса, или ледяной решетки, создающие в плане неполный, незаконченный рисунок сетки.

Полное название криогенной текстуры должно отражать тип криогенной текстуры и толщину ледяных шлиров (микрослоистая), вид текстуры (полосчатая), порядок, характеризующий расстояние между шлирами, простирание и распределение льда по глубине разреза (горизонтальное, равномерное).