Способ определения морозного пучения грунта
METHOD FOR DETERMINING FROST HEAVING OF SOIL

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения морозного пучения грунта в лабораторных условиях.
Морозное пучение представляет собой увеличение объема промерзающего грунта вследствие кристаллизации воды, содержащейся в порах, и воды, мигрирующей к фронту промерзания снизу из немерзлой части массива грунта (ГОСТ 28622-2012, п. 3.1). Наибольший вклад в пучение вносит второй процесс, называемый миграционным льдовыделением. Интенсивность миграции зависит от минералогического и гранулометрического составов грунта, формы и размера пор, глубины залегания грунтовых вод, скорости перемещения фронта промерзания и других факторов (Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения/ Под. Ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушев.- М.: Изд-во АСВ, 2016 – с.570).
Наиболее достоверным способом экспериментального определения морозного пучения являются прямые наблюдения за подъемом поверхности промерзающего грунта или опытных фундаментов в полевых условиях. Способу присущи трудоемкость и большая продолжительность полевых экспериментов, а на результатах наблюдений сказывается ежегодное варьирование природно-климатических условий – температуры воздуха, толщины снежного покрова, положения уровня грунтовых вод и др.
Известен способ определения морозного пучения, включающий бурение скважин с отбором образцов перед началом и после промерзания массива грунта, в котором деформации пучения определяют по изменению плотности его скелета (Патент РФ №2498014, МПК E02D1/00, G01N33/24- аналог). Способ позволяет существенно сократить объем полевых работ, связанных с организацией и проведением систематических наблюдений на участке строительства, однако при его реализации не исключены ошибки, обусловленные неоднородностью грунта в исходном состоянии, а также наличием линз и прослоек льда в мерзлом грунте.
Способ прямого моделирования промерзания грунта в лабораторных условиях требует применения установок весьма сложной конструкции, так как в ходе экспериментов следует обеспечивать подпитку образца водой, продвижение фронта промерзания со скоростью, характерной для основания проектируемого сооружения, а также исключать влияние на результаты испытаний трения и смерзания образца с вмещающей его гильзой и др. (ГОСТ 28622-2012, п. 6.1-6.5; BS 812-124:2009, п. 6.3; ASTM D 5918-06, п. 6.1-6.6). Испытанию подвергаются весьма массивные образцы - диаметром не менее 100 мм и высотой 150 мм, для отбора которых требуются мощные буровые машины.
Существует ряд способов определения морозного пучения, имеющих целью упростить лабораторное оборудование и сократить трудоемкость эксперимента.
Известен способ испытания грунтов, включающий размещение образца в трубчатой обойме, приведение его нижнего торца в контакт со свободной поверхностью воды и измерение диэлектрической проницаемости грунта датчиком, расположенным на верхнем торце образца (Y. Yang, N. Hamid, J. Peerapong. Tube suction test to measure moisture susceptibility of Australian pavements. Engineering Journal. 16. 159-168. 2012). Способ позволяет оценить интенсивность капиллярного поднятия воды в образце, в связи с чем высказывалось предположение о возможности с его помощью оценивать пучинистость грунтов.
Эксперименты, проведенные шведскими и американскими специалистами, показали отсутствие зависимости между морозным пучением и диэлектрической проницаемостью грунта (W.S. Guthrie, Å. Hermansson, T. Scullion. Determining aggregate frost susceptibility with the tube suction test. Cold Regions Engineering. 2002. <doi:10.1061/40621(254)57>  - p. 673).
Заметим, что исследования прежних лет не выявили корреляции между пучением и высотой или интенсивностью капиллярного поднятия (A.R. Jumikis. The effect of freezing on a capillary meniscus. Highway Research Board Bulletin, 168. 1957 – с.116). По современным представлениям миграция влаги к фронту промерзания обусловлена разностью термодинамического потенциала связанной воды в талом и мерзлом состояниях (Общая геокриология / Э.Д. Ершов. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002, с. 96; Frozen ground engineering / O.B. Andersland, B. Ladanyi, 2nd Edition, ASCE, 2003, p.36).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения давления пучения замерзающего грунта, включающий заполнение испытуемым грунтом капсулы с открытым верхом, его замораживание в изолированном объеме, заполненном незамерзающей жидкостью, и измерение давления, создаваемого этой жидкостью (Патент РФ №2203484, МПК G01N 25/00 - прототип).
Недостатком способа является определение лишь давления, а не деформаций пучения, а также объемное замораживание цилиндрического образца как со стороны боковой поверхности, так торцов, что не соответствует поступательному движению фронта промерзания сверху вниз в природных условиях. Не учитывается в способе и влияние на результаты измерений процессов сорбции-десорбции поровой воды и незамерзающей жидкости при контакте этой жидкости с верхним торцом образца.
Задачей изобретения является определение морозного пучения при перемещении фронта промерзания вдоль оси образца с заданной скоростью и без подачи к нему жидкости.
Это достигается тем, что в способе определения морозного пучения грунта, включающем размещение образца в трубчатой капсуле с открытым верхом и его замораживание без подпитки водой, перед замораживанием дно и стенки капсулы покрывают теплоизоляцией, предварительно разместив под дном нагревательный элемент, температуру в холодильной камере устанавливают на основании численного моделирования, обеспечивая перемещение фронта промерзания со скоростью, характерной для района строительства, а после достижения фронтом установленной глубины определяют потерю влажности грунтом в нижней немерзлой части образца.
Схема проведения испытаний показана на фиг. 1.
Способ осуществляется следующим образом.
Образец грунта 1, влажность которого определена заранее, размещают в трубчатой капсуле с открытым верхом 2. Капсула может быть изготовлена из эластичного материала, не препятствующего пучению образца. Через отверстие в стенке капсулы в образец вводят датчик температуры 3. Капсулу 2 с образцом 1 помещают в холодильную камеру, где выдерживают при близкой к нулю положительной температуре. После того, как согласно показаниям датчика температура образца станет равной температуре в камере, дно и стенки капсулы покрывают теплоизоляцией 4, предварительно разместив под дном нагревательный элемент 5. Нагревательный элемент предназначен для сохранения в ходе эксперимента температуры нижнего торца образца выше нуля.
Для замораживания образца температуру в камере устанавливают ниже нуля. Из-за отсутствия теплоизоляции над капсулой образец промерзает сверху вниз, как и массив грунта в природных условиях. Температуру в камере регулируют, добиваясь перемещения фронта промерзания со скоростью, характерной для климатических условий района строительства проектируемого объекта. Добиться этого можно изменяя температуру в камере согласно графику, составленному по результатам предварительного численного моделирования хода промерзания образца во времени. Эксперимент прекращают тогда, когда датчик 3 зафиксирует достижение температуры начала замерзания грунта.
Образец извлекают из капсулы. Расположенную ниже датчика 3 немерзлую часть образца взвешивают, высушивают, повторно взвешивают и вычисляют влажность. Зная исходную влажность грунта, находят потерю влажности этой частью образца за счет миграции влаги к фронту промерзания.
Место расположения датчика 3 определяют исходя из требуемой глубины замораживания образца. В частности, согласно российскому стандарту эта глубина для образца высотой 150 мм должна быть не менее 100 мм, чем и определяется расстояние от верхнего торца образца до датчика (п. 7.6 ГОСТ 28622-2012).
Известно, что относительные деформации пучения могут быть найдены по формуле (С.Е. Гречищев, Л.В. Чистотинов, Ю.Л. Шур. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов/Отв. ред. А.В. Павлов. - М: Наука, 1984. – с. 69; Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах/ под ред. Э.Д. Ершова – М.: Изд-во МГУ, 1985, 167 с.; А.Л. Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: Изд-во АСВ, 2000, 152 с.):
, (1)
W
0
где  – исходная влажность грунта,
W
w
– влажность грунта за счет незамерзшей воды,
ΔW
– прирост влажности за счет миграции влаги.
В приведенной зависимости используется объемная влажность – отношение объема воды, содержащейся в порах, к общему объему грунта.
Первое слагаемое показывает пучение за счет кристаллизации воды, содержащейся в порах, его называют первичным пучением. Оно не превышает 3-4% от объема грунта, легко вычисляется и не требует проведения экспериментов, связанных с замораживанием образцов. Второе слагаемое показывает увеличение объема грунта, обусловленное замерзанием влаги, поступающей к фронту промерзания, его называют вторичным пучением и именно за счет вторичного пучения грунты могут увеличиваться в объеме до 15-20% (А.Л. Невзоров Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: Изд-во АСВ, 2000, 152 с.; Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов / ПНИИИС - М.: Стройиздат, 1986. – с.6).
В основаниях сооружений, а также при испытании образцов по стандартным методикам, грунт замораживают в условиях подпитки водой снизу, тогда как в предлагаемом способе образец испытывается в закрытой системе, то есть без подпитки водой.
k
Исходя из этого, к значению потери влажности, полученному при испытании грунта предлагаемым способом, следует ввести повышающий коэффициент :
, (2)
ΔW
где – снижение влажности в немерзлой части образца за счет миграции влаги к фронту промерзания.
k
Указанный коэффициент для характерных типов грунтов региона следует предварительно определить путем проведения параллельных испытаний по стандартной методике с подпиткой водой и измерением деформаций пучения и предлагаемым способом.
Найденное значение относительных деформаций может использоваться для классификации грунта по степени пучинистости или расчета деформаций основания при сезонном промерзании.
Предлагаемый способ позволяет определять пучинистость грунтов без подпитки образцов водой, испытываются образцы небольшого диаметра без размещения их в гильзах, составленных из отдельных колец, что существенно упрощает прибор, используемый для реализации способа.
Пример 1 -
предварительного численного моделирования хода промерзания образца.
Расчет выполнялся в программно-вычислительном комплексе Geostudio 2012 (GeoStudio: [сайт]. URL: https://www.geoslope.com/products/temp-w). Задачей моделирования был расчет графика изменения температуры в холодильной камере для обеспечения перемещения фронта промерзания со скоростью 10-15 мм/сут.
Образец суглинка диаметром 50 мм и высотой 150 мм покрывался слоем пенополистирола толщиной 50 мм. Температура нижнего торца образца задавалась постоянной +2°С, без подпитки водой. Теплофизические свойства грунта приведены в таблице.
Таблица 1
Свойства грунта
Значение
Коэффициент теплопроводности, кДж/(м·К·сут):- в мерзлом состоянии, <i>λ</i><sub><i>f</i></sub>- в немерзлом состоянии, <i>λ</i><sub><i>th</i></sub>
134,8114,9
Объемная теплоемкость, кДж/(К·м<sup>2</sup>):- в мерзлом состоянии, <i>c</i><sub><i>vf</i></sub>- в немерзлом состоянии, <i>c</i><sub><i>vth</i></sub>
23412864
Объемная влажность (%), <i>W</i>
32
Температура начала замерзания (°С), <i>Т</i><sub><i>bf</i></sub>
-0,20
Расчет показал, что для обеспечения требуемой скорости перемещения фронта промерзания необходимо в течение первых двух суток поддерживать температуру в камере -1°С, затем понижать ее на 0,5°С один раз в сутки (фиг. 2).
Пример
2 - осуществления предлагаемого способа определения пучинистости грунтов.
3
Для лабораторных экспериментов использовали характерные для Архангельской области ледниковые суглинки со следующими свойствами: плотность 2,07-2,11 г/см; влажность 12,0…23,2 %; влажность на границе пластичности 13,0-15,9 %; влажность на границе текучести 20,2-27,5 %; число пластичности 7,2-11,6 %; показатель текучести от - 0,14 до 0,78.
o
0
Испытания проводили предлагаемым способом и по стандартной методике с подпиткой образцов снизу и измерением деформаций пучения. В первом случае диаметр образцов был 50 мм, во втором – 100 мм, высота в том и другом случае – 150 мм. Температуру в камере устанавливали согласно графику, полученному путем численного моделирования. Температура нижнего торца поддерживалась с помощью нагревательного элемента мощностью 2,5 Вт и составляла +2 ± 0,1 С. Опыты завершали, когда датчик температуры, размещенный в образце на расстоянии 100 мм от верхнего торца, показывал, что грунт охладился до температуры начала замерзания, равной - 0,2С. Образцы извлекали из капсул, отделяли непромерзшую нижнюю часть образцов и определяли снижение в них влажности.
ε
k
f
*
Результаты экспериментов представлены на фиг. 3, где по оси ординат по результатам испытаний по стандартной методике отложены относительные деформации морозного пучения, обусловленные миграционным льдовыделением (), а по оси абсцисс – изменение влажности в немерзлой части образца при проведении экспериментов предлагаемым способом. Полученная зависимость позволила установить значение повышающего коэффициента в формуле (2), который для исследованных ледниковых суглинков оказался равным 1,57/1,09 = 1,44.
Далее покажем, как использовать полученную зависимость, для оценки пучинистости грунтов по предлагаемой методике.
Пример 3.
3
0
По результатам стандартных лабораторных исследований получены следующие физические характеристики суглинка: плотность 2,11 г/см; влажность (по массе) 20 %; влажность (по массе) на границе пластичности и текучести 15 % и 26% соответственно. Результаты испытаний суглинка по предлагаемому способу показали, что при промерзании образца на глубину 100 мм изменение объемной влажности в его немерзлой части составило 5,5 %. Средняя температура промерзшего суглинка равна минус 2С. Необходимо классифицировать грунт по степени морозной пучинистости в соответствии с ГОСТ 25100.
Решение.
W
3
0
Рассчитав плотность скелета грунта, которая равна 2,11/(1+0,20) = 1,76 г/см, определим начальную объемную влажность  = 20×1,76 = 35,2%.
W
k
W
k
W
w
w
P
w
w
0
Объемное содержание незамершей влаги найдем по формуле = × (Приложение Б, изм. №4 к СП 25.13330.2012). При температуре грунта минус 2С, коэффициент равен 0,5, тогда =0,5×15×1,76=13,2%.
k
ε
f
Расчетное значение относительных деформаций морозного пучения при  = 1,44 составит  = 0,09×(35,2 - 13,2) + 1,09×1,44×5,5=10,6%, Таким образом, по ГОСТ 25100 данный суглинок может быть классифицирован как чрезмерно пучинистый грунт.