Определение пучинистости мерзлых грунтов

Пучинистость - это особенность грунтов, характеризующаяся изменением объема почвы из-за замерзания (миграции или льдонакопления) грунтовых вод, которыми та пропитана, причём деформация породы происходит не только при промерзании, но и в мерзлом состоянии.

Основное влияние на пучинистые особенности оказывают такие характеристики, как начальная влажность, плотность, пористость, засоленность (количество содержания легкорастворимых минеральных солей), заторфованность (содержание растительных осадков), а также климатические условия. Большего внимания требуют влажные пылеватые глинистые виды почв, так как именно эти породы характеризуются наибольшей степенью пучинистости.

По достижении температуры 0°С с грунтами, которые состоят из отдельных минеральных частиц, происходят различные процессы, сопровождающиеся, например, обменом тепла или переходом одной энергии в другую. Их проявление можно увидеть при миграции к нижней границе зоны промерзания, при потере воды грунтом или уменьшении объема глинистой породы. Также это явление выражается в тепловыделении, которое происходит во время перехода веществ из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, или вспучивании, характеризующемся расширением воды при замерзании. Все эти факторы оказывают негативное влияние на породу, которое проявляется в виде деформаций в грунте.

Если говорить о характере деформаций талой и мерзлой зон, то их можно считать обратно пропорциональными: если первый тип сокращается при потере воды грунтом в результате обезвоживания или усадки, то второй тип, наоборот, увеличивает свои параметры, а, следовательно, и объем. Найти деформацию поверхности можно с помощью несложных алгебраических расчетов, просто сложив все разнонаправленные деформации в определенных частях грунта.

Основное воздействие на пучинистые свойства грунта, а также на изменение объема почвы, происходящее вследствие замерзания грунтовых вод, которыми она пропитана, оказывают:

общая деформация;
модуль;
скорость;
коэффициент неравномерности.

Общая деформация пучения

Данная характеристика обозначается как h_пуч. Она показывает вертикальное перемещение поверхности промерзающего грунта, отсчет которого ведется в сравнении с начальным положением. Для определения общей деформации используют следующую формулу:

h_пуч = h_расп + h_мигр — h_ус ,

в которой:

h_расп будет является массивным распучиванием, возникающим вследствие увеличения объема из-за перехода воды в твердое состояние,
h_мигр - это пучение, которое достигается за счет увеличения количества подземного конституционного льда в составе грунта,
h_ус - показатель усадки талой зоны, который определяется количеством воды, потерянной грунтом.

Чтобы определить h_расп , воспользуемся другой формулой:

h_расп = 0,09×(w_x - w_нз ) × x_пр ,

в которой:

w_x - это влажность, которая достигается на границе между мерзлым и немерзлым грунтом, а она, в свою очередь, продвигается при промерзании породы (ее величина равна влажности тонкого минерального слоя горной породы, отличающейся от нее, в долях единицы);
w_нз - содержание воды, находящейся в жидком состоянии прослоев, выражается в долях единицы;
x_пр - показатель, при котором почва замерзает до 0 градусов при самых низких температурах (без учета снежного покрова).

Изменения объема почвы, которые происходят в связи с ее замерзанием и характеризуются массивным распучиванием, возникают лишь в тех грунтах, в которых нет перемещения влаги из одних частей породы в другие. В большинстве случаев эти процессы возникают в грунтах, для которых характерны:

высокая степень насыщенности влаги;
присутствие в составе породы обломков диаметром более нескольких миллиметров;
содержание большого количества песчаных и пылеватых частиц с небольшим добавлением глинистых и других в составе грунта. Это характерно для песчаных и супесчаных пород, которые были подвержены изменениям температуры при промерзании;
появление прослоек льда в рыхлых осадочных породах с преимущественным содержанием частиц размера пыли при высокой скорости промерзания; в песке и в грунте со значительным количеством глинистых частиц это происходит намного реже.
Также данный процесс возникает в породах, которые содержат в себе небольшое количество влаги, при этом он будет происходить параллельно с перемещением этой влаги в мерзлый грунт. Тогда для определения показателя массивного пучения необходимо сложить деформации, которые возникают в связи с изменением объема замерзающей воды, находящейся в порах грунта, и влаги, перемещающейся внутри самой породы. Стоит отметить, что вышеописанный процесс будет происходить только тогда, когда объем пор станет ниже, чем объем замерзшей влаги, благодаря чему пористость грунта будет видна еще лучше. Но если говорить в общем, то массивное распучивание не играет большой роли в непосредственном пучении грунта.

Если размер твердых частиц породы становится меньше, то во время деформации пучения происходит заметное уменьшение объема грунта, возникающее из-за потери влаги, а также наблюдается снижение влияния массивного распучивания, но при этом процесс миграционного пучения, наоборот, проявляется интенсивнее. Стоит отметить, что в этом случае происходит увеличение деформаций, которые происходят преимущественно из-за уменьшения объема породы, вследствие чего показатель пучения становится ниже.

Если в породе происходит рост монтмориллонитов (продуктов выветривания алюмосиликатов), то это приводит к интенсивному уменьшению объема грунта, если же происходит переход от этих минералов к каолинитам (глинистым материалам из группы водных силикатов алюминия), то процесс усадки снижается, а вот показатели сегрегационного льдонакопления и вся деформация пучения, наоборот, становятся больше. Если говорить о втором показателе, то он принимает повышенные значения тогда, когда происходит увеличение:

валентности поглощенных катионов;
начальной влажности грунта;
градиента температуры в мерзлой зоне (вектора, направленного по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры);
периода промерзания и величины промерзшего слоя.

Также общая деформация пучения становится больше, если происходит снижение глубины залегания водоносного горизонта (аквифера).

Модуль пучения

Модуль пучения (по-другому коэффициент морозного пучения, m_пуч) определяется по следующей формуле:

m_пуч = h_пуч / x_пр , см/м, а также m_пуч = h_пуч / h_обр ,

в которых: h_пуч является общей деформацией пучения (измеряется в см; ее величину находят в лаборатории), x_пр - это глубина перехода грунтов в мерзлое состояние (выражается в м), и h_обр - высота промерзшего образца.

Для определения скорости пучения грунта (a_пуч) используют другую формулу:

a = h_пуч / t, см/сут,

где t будет являться периодом промерзания.

Так как деформации пучения имеют различные по площади величины, для более точного их определения необходимо найти коэффициент неравномерности по следующей формуле:

k = (h₁ - h₂)/ i,

в которой: h₁ и h₂ - общие деформации пучения (цифры обозначают, что показатели взяты в близлежащих точках), а i - это расстояние между h₁ и h₂.

Чтобы найти величины пучинистости пород, используют специальную конструкцию, основаниями которой служат отдельные приборы: ПНГ-1 (предназначен для нахождения свободного набухания глинистых грунтов природного и нарушенного сложений) и КФ-1 (необходим для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов).

Оборудование для проведения испытания

Для определения пучинистости необходимы:

Прибор для нахождения пучинистости пород;
Холодильная камера;
Часы;
Штангенциркуль (или обычная линейка);
Бумажный барьер;
Нож для зачистки испытуемого образца;
Режущий цилиндр;
Весовой стаканчик, представленный бюксом;
Сушильный шкаф;
Эксикатор - стеклянный или пластмассовый сосуд, в котором поддерживается определенная влажность воздуха;
Лабораторные весы.

Подготовительный этап

Алгоритм:

Перед тем, как приступить к непосредственному исследованию породы, необходимо подготовить ее образец. Обычно его вырезают из монолита с помощью режущего цилиндра, который предварительно смазывают вазелином. Образец должен иметь ненарушенное строение.

Затем на два торца, а точнее, на верхний и нижний, фиксируют кружки из бумажного барьера, радиус которых должен полностью совпадать с радиусом самого цилиндра. Далее цилиндр вместе с образцом помещают в перфорированный поддон и ставят в стакан, причём на его дне должен находиться крупный песок (также подойдет и гравий).

После этого стакан заполняется водой примерно до трети высоты испытуемого образца, выполняется пропитка нижней части породы. Процесс водонасыщения прекращается только тогда, когда образец полностью будет пропитан (определить степень пропитанности поможет фильтровальная бумага).

После водонасыщения делают срез верхней части породы, глубина которого может варьироваться от 5 до 10 мм, а затем благодаря этому материалу находят влажность грунта.

Далее производят замер высоты образца, который находится в цилиндре, а также устанавливают на него поршень. Если в стакане содержится небольшое количество воды, которого не хватит для проведения исследования (т.е. будет меньше трети до высоты грунта), наливают еще.

Затем необходимо объединить поддон цилиндра с крепежной деталью, используя специальные стяжки, поместить прибор в стакан, закрыть выступающие из емкости части образца теплоизолирующим материалом. Это делается для того, чтобы процесс промерзания шел правильно, т.е. от верхней части образца к его основанию. Далее прибор вместе с грунтом помещают в камеру на несколько часов, при этом выдерживая в нем температуру от +1°С до +2°С. Затем в скобу вставляют индикатор так, чтобы его ножка соприкасались с поршнем, а стрелка была на нуле.

Лабораторное исследование

Помещаем заранее подготовленный по описанному ранее алгоритму прибор в камеру, температура внутри которой должна иметь диапазон от -2°С до -5°С. При движении в сторону нижней границы промерзания происходит образование ледяных включений, что способствует возникновению деформаций пучения. На протяжении всего испытания отследить этот показатель помогает индикатор. Исследование не прекращают до тех пор, пока его показания не придут в норму.
Все параметры происходящих процессов и их условия необходимо занести в специальный лабораторный журнал. Чтобы получить графики зависимостей: h_пуч = f (t); a_пуч = f (t), необходимо определить m_пуч и a_пуч. Далее испытуемый образец подвергается оцениванию по таблице классификации пучинистости пород.
После проведения исследования необходимо разобрать прибор, извлечь из режущего цилиндра испытуемый образец и сделать пометку в лабораторном журнале о характере получившейся системы ледяных включений.
Далее вычисляют влажность грунта и количество незамерзшей воды в нем (w_нз). Затем на основании этих показателей необходимо определить h_расп. Напомним, как это можно сделать:

h_расп= 0,09×(w_x-w_нз)×х_пр,

в которой w_x будет являться начальной влажностью породы (до проведения исследования), а x_пр - начальная высота образца;

После этого нужно определить, насколько грунт уменьшился в объеме. Для этого воспользуемся другими формулами:

h_ус = h₁-h_i; v_ус= v₁-v_i,

в которых h₁ (v₁) - это первоначальная величина, а h_i (v_i) - это показатель, полученный после сушки.

На основе вышеописанных показателей мы можем определить относительную деформацию:

b_h = (h₁-h_i)/h₁; b_v=(v₁-v_i)/v₁.

Испытания грунта в лаборатории Санкт-Петербурга

Вакансии

Строительная лаборатория ООО "Бюро "Строительные исследования" занимается испытаниями конструкций и материалов в Санкт-Петербурге и Москве

Основная специализация лаборатории:

Бесплатно вызвать лаборанта на объект или задать вопрос эксперту можно:

1. Заполнив форму на нашем сайте

2. По телефонам:

+7(812)386-11-75 - главный офис в Санкт-Петербурге

+7(965)006-94-59 (WhatsApp, Telegramm) - отдел по работе с клиентами Санкт-Петербург и Москва

3. Написать нам на почту

Подписывайтесь на наши социальные сети и YouTube канал, там много интересной информации и лайфхаков.

Задайте вопрос по этой статье, заполнив форму (телефон не обязателен)