Обзор состояния вопроса промерзания грунтов Болдырев Г.Г

Обзор состояния вопроса промерзания грунтов
Болдырев Г.Г., ООО «НПП Геотек»
Изучению явления промерзания грунтов посвящено много работ Цытович
Н.А. (1973), Абжалимов Р.Ш. (2005), Невзоров А.Л. (2003), Taber (1929),
Beskov (1935), Harlan (1973), Konrad and Morgenstern (1980), Gilpin (1980),
Bronfenbrener (2010), Azmatch et al. (2010). В процессе замерзания грунта
образуются горизонтальные линзы и вертикальные прожилки, что приводит к
образованию сетчатой структуры из льда. В зоне промерзания грунта
образуются три различных зоны: зона замерзания, зона незамерзшего грунта
и переходная зона. Эти зоны показаны на рис. 1.
Рис.1. Особенности промерзания грунта: а – сетчатая структура льда в вертикальном
сечении образца; б – периферийные зона с образованием трещин (Xia, 2006)
Переходнаяя зона находится между растущими горизонтальными линзами
льда и фронтом промерзания (нулевая изотерма), т.е. зона где существует
теплый поровый лед. Концепция периферийной зоны была сформулирована
впервые Miller (1972), который показал что эта зона играет важную роль в
процессе промерзания грунта.
В 2006 году Xia в ходе испытаний образцов промерзающего грунта
обнаружил появление трещин в зоне промерзания (см.рис.1). Эти трещины
предшествуют формированию горизонтальных линз льда и вертикальных
прожилок, что является важной особенностью связанной с процессом
промерзания грунта, так как они оказывают влияние на деформации пучения
и скорость перемещения влаги или проницаемость внутри переходной зоны
(Azmatch et al., 2008; Arenson et al., 2008).
Выполненные ранее полевые и лабораторные исследования явления
замерзания грунта (Taber, 1929; Beskov, 1935; Harlan, 1973; Konrad and
Morgenstern (1980), Gilpin (1980), Bronfenbrener (2010), Azmatch et al. (2010)
показали, что промерзание грунта сопровождается образованием линз льда
связанные с миграцией влаги к фронту промерзания и сегрегацией льда.
Наблюдения различных исследователей (Azmatch et al., 2011; Konrad and
Duquennoi, 1993) показали, что начало образования линз льда связано с
трещинообразованием грунта в переходной зоне.
Факторы, определяющие начало процесса промерзания грунта
Критерии, управляющие процессом инициализации замерзания грунта
описаны различными исследователями. Miller (1972, 1978) высказал
предположение о том, что линзы льда не формируются до тех пор пока
поровое давление достаточно для препятствования процессу разделения
частиц грунта. Gilpin (1980) предположил, что новые линзы льда появляются
когда и где максимальное давление льда достигает давления разделения.
O’Nelli and Miller (1980) использовали нейтральные напряжения как разницу
между давлением от собственного веса грунта и эффективными
напряжениями взамен давления льда в начальный момент его формирования.
Новые линзы льда появляются тогда и там где максимум нейтральных
напряжений достигает давления от собственного веса грунта.
Испытания с целью определения характеристической кривой
замерзания
Известно несколько методов определения содержания незамерзшей воды
(Anderson and Morgenstern, 1973; Руководство, 1973; Azmatch et al., 2012).
Некоторые методы используют способ временной рефлектометрии (time
domain reflectometry, TDR), калориметрический способ, ядерно магнитный
резонанс (nuclear magnetic resonance, NMR).
В TDR методе измеряются диэлектрические свойства, которые
калибруются с содержанием объемной влаги используя эмпирическую
зависимость предложенная Top et al. (1980). Этот метод был впервые
применен для немерзлых грунтов, а позднее и к грунтам в мерзлом
состоянии (Patterson and Smith, 1980).
На рис. 2 показан прибор для исследования процесса промерзания
грунтов, в котором измеряется температура датчиками RTD и содержание
влажности методом TDR c использованием коаксильного кабеля,
заложенного в образец грунта при его формировании. Формирование и
развитие линз и прожилок льда фиксировалось с использованием цифровой
камеры (DC).
Рис. 2. Схема камеры морозного пучения: RTDs – датчики температуры; LP- датчик
перемещений; DC – цифровая камера; РС – компьютер (Azmatch et al., 2012)
На рис. 3, 4 приведены результаты лабораторных испытаний при
различном нормальном давлении формирования образцов глины. Для того
чтобы перейти от температуры к давлению всасывания (рис. 4) была
применено общее уравнение Clausius-Clapeyron. Это уравнение используется
для корреляции всасывания от температуры, предполагая формирование льда
при атмосферном давлении.
При построении графиков на рис. 4
учтена также зависимость,
предложенная Konrad (1994), которая показывает линейное уменьшение
температуры со скоростью 1250кПа/оС.
Рис. 3. Зависимость объемного содержания влажности от температуры при различном
нормальном давлении
Рис. 4. Зависимость объемного содержания влажности от давления всасывания при
различном нормальном давлении
На рис. 4 видно резкое уменьшение содержания незамерзшей воды,
связанное с изменением коэффициента пористости (см. рис.5) при давлении
всасывания более 100 кПа. Характерно, что с ростом нормального давления
скорость уменьшения влажности снижается. Это говорит о том, что
содержание незамерзшей воды зависит о нормального давления или
начальной пористости грунта (см.рис.5).
Рис. 5. Зависимость коэффициента пористости от параметра IEV
Процедура определения IEV показана на рис. 6. Начальная прямолинейная
часть зависимости продолжается до пересечения с касательной к второму
линейному участку зависимости содержания незамерзшей воды от давления
всасывания. Пересечение двух линий дает значение IEV.
Рис. 6. К определению параметра IEV
Параметр IEV (ice entry value) определен как отношение давления
всасывания к температуре, на которой начинается образование льда в
крупных порах грунта.
Параметр IEV возрастает с уменьшением начального коэффициента
пористости или ростом скорости охлаждения. IEV изменяется также от
количества циклов промерзания-оттаивания (рис. 7). В табл. 1 приведены
значения параметра IEV в зависимости от давления формирования образцов
(Azmatch et al., 2012).
Рис. 7. Влияние циклов промерзания-оттаивания на содержание
Литература
1. Абжалимов Р.Ш., Любич И.Н.
К определению прочностных и
деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов.
Промышленное и гражданское строительство, №9, 2005. - С. 9-11.
2. Невзоров А.Л. Фундаменты на сезонно промерзающих грунтах. 2003. –
152 с.
3. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. – М., 1973.
4. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М., Высшая школа, 1973. –
448 с.
5. Anderson, D.M., Morgenstern, N.R. 1973. Physics, chemistry and mechanics
of frozen ground. 2nd International Conference on Permafrost, Yakutsk, USSR,
257-288.
6. Arenson, L.U., Azmatch, T.F., Sego, D.C., Biggar, K.W., 2008. A new
hypothesis on ice lens formation in frost-susceptible soils. Proceedings of the
Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska 1, 59-64.
7. Azmatch, T.F., Arenson, L.U., Sego, D.C., Biggar, K.W., 2008. Measuring
ice lens growth and development of soil strains during frost penetration using
particle image velocimetery (GeoPIV). Proceedings of the Ninth International
Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska 1, 89-93.
8. Azmatch, T.F., Arenson, L.U., Sego, D.C., Biggar, K.W., 2011. Tensile
strength and stress–strain behaviour of Devon silt under frozen fringe conditions.
Cold Regions Science and Technology 68, 85–90.
9. Azmatch, T.F., Arenson, L.U., Sego, D.C., Biggar, K.W., 2012. Soil Freezing
characteristice curve of Devon silt. of the David C. Sego Symposium, University
of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada, April 26–27.
10.Azmatch, T.F., Sego, D.C., Arenson, L.U., and Biggar, K.W., 2012. New Ice
Lens Initiation Condition for Frost Heave in Fine-Grained Soils. Cold Regions
Science and Technology. 82, 8–13.
11.Beskow, G., 1935. Soil Freezing and frost heaving with special application to
roads and railroads. Swed. Geol. Soc., Ser.C, No.375, 26th year book No. 3
(translated by J.O. Osterberg, Northwestern Univ., 1947).
12.Bronfenbrener, L., Bornfenbrener, R., 2010. Modeling frost heave in freezing
soils. Cold Regions Science and Technology 61, 43-64.
13.Gilpin, R.R., 1980. A model for the prediction of ice lensing and frost heave
in soils. Water Resources Research 16 (5), 918–930.
14.Harlan, R.L., 1973. Analysis of coupled heat and mass transfer in partial
frozen soil. Water Resources Research 9 (5), 1314–1323.
15.Konrad, J. M., Morgenstern, N. R., 1982. Effect of applied pressure on
freezing soils, Canadian Geotechnical Journal 19, 494-505.
16.Konrad, J.M., Duquennoi, C., 1993. A model for water transport and ice
lensing in freezing soils. Water Resources Research 29 (9), 3109–3124.
17.Konrad, J.M. 1994. 16th Canadian Geotechnical Colloquium-Frost heave in
soils-concepts and engineering. Canadian Geotechnical Journal 31(2), 223-245.
18.Miller, R.D., 1972. Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils.
Highway Research Rec. 393, 1-11.
19.Patterson, D.E., Smith, M.W. 1980. The use of time domain reflectometery
for the measurement of unfrozen water content in frozen soils. Cold Regions
Science and Technology, 3:205-210.
20.Taber, S., 1929. Frost heaving. Journal of Geology 37, 428–461.
21.Topp, G.C., Davis, J.L, Annan, A.P. 1980. Electromagnetic determination of
soil water content: measurements in coaxial transmission lines. Water Resources
Research, 16(3):574-582.
22.Xia, D., 2006. Frost heave studies using digital photographic technique. MSc
Thesis, University of Alberta, Edmonton, AB, Canada, 165 pp.