УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТТАИВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛОГО ГРУНТА
DEVICE FOR DETERMINING THAWING COEFFICIENT OF PERMAFROST SOIL

Устройство для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлого грунта относится к строительству и может быть использовано для определения просадок многолетнемёрзлых грунтов при их оттаивании.
Известны устройства, а именно - горячие штампы для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлых грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий [1]. Величина фактического коэффициента оттаивания многолетнемёрзлых грунтов необходима для проектирования и расчета зданий и сооружений на многолетнемёрзлых грунтах.
Обычно определение коэффициента оттаивания многолетнемёрзлых грунтов производят горячим штампом [1], устанавливаемым в приямках, отрываемых до различной глубины. Такой метод имеет следующие недостатки:
- большая длительность и стоимость определения коэффициента оттаивания из-за необходимости последовательной откопки нескольких котлованов до исследуемых глубин;
- низкая точность определения коэффициента оттаивания мерзлого грунта от действия собственного веса, т.к. эпюра напряжения в грунте под штампом не соответствует эпюре напряжения от собственного веса грунта.
Технический результат заключается в устранении недостатков аналога.
Для того чтобы в центральной части котлована напряженное состояние приближалось к одномерному и было подобно напряженному состоянию грунта в естественном массиве, описываемым гидростатическим законом, необходимо отсутствие по его периметру касательных напряжений, искажающих природное напряженное состояние. С этой целью в котловане по периметру пробурены часто-расположенные скважины, ослабляющие контакт с окружающими грунтами (эффект перфорации). Сумма диаметров часто-расположенных скважин составляет 80-100% периметра котлована, что фактически устраняет площадь контакта внутреннего оттаявшего грунта и окружающего массива мерзлого грунта и касательные удерживающие силы трения между оттаявшим, склонным к просадке грунтом и массивом мерзлого грунта, удерживающие первые от просадки, минимальны. В результате оттаивания грунт, находящийся внутри котлована в виде обуренного часто расположенными скважинами столбика-целика грунта стремится просесть и по линии бурения скважин по ослабленному сечению между скважинами происходит сдвиг проседающего оттаявшего грунта в котловане относительно неподвижного окружающего массива мерзлого грунта. Касательные напряжения при сдвиге стремятся к нулю и эпюра вертикальных напряжений внутри обуренного оттаявшего целика соответствуют эпюре природного напряженного состояния.
2
2
Для достижения технического результата в устройстве для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлых грунтов, включающем котлован, площадью А, м, назначаемой в зависимости от глубины h, м, определения коэффициента оттаивания, коэффициента бокового давления оттаявшего грунта ξ, угла внутреннего трения ϕ, град., оттаявшего грунта по следующей формуле:
,
2
с выделенным целиком-столбом грунта площадью А, м, отделенным от окружающего грунта посредством пробуренных и часто расположенных скважин, согласно изобретению, по периметру котлована, до глубины нижней границы просадочного грунта, выполнены прорези в виде щелей посредством бурения буросекущих скважин, причем в прорези встроены противофильтрационная и антифрикционная завеса путем заполнения щелей гидроизолирующим антифрикционным материалом, исключающим замачивание окружающих грунтов, а внутри котлована установлены глубинные и поверхностные марки для определения просадки оттаявшего грунта по глубине и на поверхности, кроме того, в средней части дна уменьшенного котлована выполнены нагревательные и термометрические скважины, за пределами котлована выполнена хотя бы одна термометрическая скважина.
Если требуется проведение опыта в кратчайшие сроки, в течение 2-3 дней, то для ускорения процесса оттаивания обуренного целика грунта выполняют 3-4 нагревательных скважины с подачей пара в них под давлением через манжетные инъекторы, выполненные в виде перфорированной трубы с отверстиями, закрытыми эластичными термостойкими манжетами, и установленным в скважину, пробуренную внутри котлована, при этом манжетный инъектор снабжен разжимным пакером.
Щели могут быть выполнены с помощью погружения специального ножа путем его забивки, с помощью контролируемой направленной высоконапорной струи (jet-технология), а также с помощью пропилов мерзлого грунта баровой цепью.
При необходимости определения модуля деформации оттаявшего грунта при давлениях, отличающихся от природных давлений, котлован оснащается скважинами с помещаемыми в них штампами с винтовыми лопастями, оснащаемыми нагрузочными и измерительными устройствами.
Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлого грунта; на фиг. 2 - устройство в плане; на фиг. 3 - манжетный инъектор.
2
2
Устройство для определения просадочных свойств грунта включает котлован 1 уменьшенных размеров для ускоренного оттаивания грунта. Площадь котлована А, м, назначают в зависимости от глубины h, м, определения коэффициента оттаивания, коэффициента бокового давления оттаявшего грунта ξ, угла внутреннего трения ϕ, град., оттаявшего грунта по следующей зависимости (1):
Котлован следует принимать круглой формы.
По периметру котлована 1 выполнены прорези в виде сплошных щелей 2 на заданную глубину оттаивания дисперсного многолетнемёрзлого грунта посредством бурения часто расположенных буросекущих пересекающихся в плане скважин 3. Таким образом, заранее сформирована поверхность скольжения по ослабленному контакту обуренного буросекущими скважинами 3 целика-столба оттаиваемого грунта 4 с поверхностью массива окружающего многолетнемёрзлого грунта. Щели 2 могут быть выполнены с помощью погружения специального ножа путем его забивки, с помощью контролируемой направленной высоконапорной струи (jet-технология), а также с помощью пропилов мерзлого грунта баровой цепью. Для исключения увлажнения окружающих грунтов в щелях 2 котлована 1 (перед его оттаиванием) выполнена противофильтрационная и антифрикционная завеса. Щель 2 заполняют гидроизолирующим антифрикционным материалом например, бентонитовым раствором, снижающим скорость оттаивания окружающих грунтов и создающим антифрикционную смазку по боковой поверхности отрезанного целика-столба грунта 4. Внутри котлована 1 встроены поверхностные 5 и глубинные 6 марки, по которым определяют просадку грунта по глубине и на поверхности котлована уменьшенных размеров. Оттаивание котлована может производиться через нагревательные скважину/скважины 7, устроенные в его средней части. Количество нагревательных скважин, схема их расположения, тип теплоносителя и режим нагревания определяют расчетом в зависимости от требуемой глубины оттаивания, сроков выполнения опыта, физико-механических свойств грунтов в оттаявшем состоянии. Устройство для определения просадки оттаивания дополнительно снабжено расположенными внутри котлована по его периметру в количестве не менее 3-х внутренних термометрических вертикальных скважин 8 заданной глубины, оснащенных термодатчиками, а также насосом 9 для откачки воды. Снаружи котлована на расстоянии не более 0,5 м от него устраивают хотя-бы одну контрольную термометрическую скважину 10, по которой определяют неизменность температуры окружающего котлован грунта. Если продолжительность испытания допускается до 2-3 недель, то устраивают одну электронагревательную скважину внутри в центре котлована. Если же требуется проведение опыта в кратчайшие сроки, в течение 2-3 дней, то для ускорения процесса оттаивания обуренного целика грунта выполняются 3-4 нагревательных скважины с подачей пара в них под давлением через манжетные инъекторы. Манжетный инъектор 11 представляет собой перфорированную трубу, установленную в нагревательную скважину 7, в трубе 11 имеются отверстия 12, закрытые эластичными термостойкими манжетами (на чертеже не показаны). В манжетный инъектор 11 на заданную глубину помещен разжимной пакер 13. Для оттаивания грунта через отверстия 14 разжимного пакера 13 подают водяной пар под избыточным давлением. При подаче пара манжеты манжетного инъектора 11 разжимаются и в мерзлый грунт обуренного целика столба грунта 4 поступает пар. Пар подается последовательно в отдельные зоны; размеры зон, последовательность, давление и количество подаваемого пара определяют заданием на проведение опыта. Разжимной манжет препятствует поступлению воды из оттаявшего грунта внутрь инъектора. Благодаря избыточному давлению пара сокращается время оттаивания и обуренный целик-столб грунта 4 оттаивает гораздо быстрей, чем через электронагревательные скважины.
При необходимости определения модуля деформации оттаявшего грунта при давлениях, отличающихся от природных давлений, котлован оснащают скважинами с помещаемыми в них штампами с винтовыми лопастями, оснащаемыми нагрузочными и измерительными устройствами (на чертежах не показаны).
Устройство для определения коэффициента оттаивания мерзлого грунта от действия собственного веса работает следующим образом.
При повышении температуры в обуренном целике грунта внутри котлована 1 происходит оттаивание внутреннего целика-столба 4 мерзлого грунта по глубине, что должно подтверждаться показаниями термометрических скважин 10. Отделенный от окружающего грунта часто расположенными буросекущими скважинами 3, заполненными антифрикционным гидроизолирующим материалом - например бентонитовым раствором, оттаявший грунт в виде обуренного целика-столба 4 начинает проседать от собственного веса и происходит его сдвиг по щели 2 относительно неподвижного массива окружающего мерзлого грунта.
Благодаря тому, что окружающий массив грунта не оттаивает и сохраняет неподвижное состояние, а также наличию смазки по поверхности щели происходит максимальное скольжение и снятие касательных сил трения между проседающим и окружающим неподвижным грунтом. При этом в целике-столбе 4 наблюдается одномерное напряженное состояние, просадка в котловане проявляется в полной мере и равна максимально возможной просадке оттаивания для данной площадки. Просадка измеряется по поверхностным 5 и глубинным 6 маркам. По результатам опытного оттаивания строят графики развития просадки в котловане по поверхностным маркам, графики развития просадки по глубине - по глубинным маркам, графики скоростей оттаивания грунта и проявления просадки по глубине и в плане. По результатам измерений вычисляют коэффициент оттаивания согласно имеющимся нормативным материалам и стандартам.
При необходимости определения модуля деформации оттаявшего грунта при давлениях, отличающихся от природных давлений, котлован оснащают скважинами с помещаемыми в них штампами с винтовыми лопастями, оснащаемыми нагрузочными и измерительными устройствами.
Источники информации
1. ГОСТ 20276 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».