Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Автодороги arrow Методические указания Методические указания по испытанию вечномерзлых глинистых грунтов в полевых у  
25.09.2018
    
Методические указания Методические указания по испытанию вечномерзлых глинистых грунтов в полевых у

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ИСПЫТАНИЮ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ
ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Москва 1969

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические указания предназначены для определения физико-механических характеристик вечномерзлых, промерзающих и оттаивающих глинистых грунтов в полевых условиях.

В Указаниях даны рекомендации, относящиеся к определению и расчету только основных физико-механических характеристик в связи с трудностями проведения сложных испытаний мерзлых грунтов в полевых лабораториях изыскательских экспедиций.

Методические указания разработаны в лаборатории норм проектирования земляного полотна ЦНИИСа канд. техн. наук Ю.Г. Куликовым при участии канд. техн. наук Ю.Д. Дубнова (раздел 4). Указания рассмотрены Главтранспроектом и приняты для использования при производстве изыскательских работ в районах распространения вечномерзлых грунтов.

Замечания и предложения по Указаниям просим направляй по адресу: Москва, И-329. Игарский пр. 2. Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС).

ЗАМЕСТИТЕЛЬ ДИРЕКТОРА ИНСТИТУТА                           (А. СМОЛЬЯНИНОВ)

РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО

ПОЛОТНА И ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ                          (Б. ЦВЕЛОДУБ)

При проектировании земляного полотна выполняют ряд инженерных расчетов; для их проведения требуются показатели физико-механических свойств, данные в табл. 1.

Таблица 1

Расчеты, выполняемые при проектировании

Необходимые показатели физико-механических свойств

определяемые опытом

вычисляемые по формулам и определяемые по таблицам

Осадки основания земляного полотна

W, Wp, Wm, t°, gоб, е

D, Wn, G, Wв, Wн, g, е

Глубины промерзания и оттаивания

W, gоб

l, сm(M), Wн, i

Глубины вырезки и замены в выемках и на нулевых местах

h, k, c, y, gоб, e = f(p)

aK

Устойчивости основания и откосов

c, y, gоб

g, cдл, yдл

Примечание. Пояснения к буквенным обозначениям приведены в тексте.

1. Состав и строение мерзлого грунта

Грунты всех видов называются мерзлыми, если они имеют нулевую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед.

Грунты называются вечномерзлыми, если они находятся в мерзлом состоянии в продолжение многих (от трех и более) лет. В состав мерзлого грунта входят минеральные частицы, лед, вода, воздух.

Величина, форма и взаимное расположение минеральных частиц пор и ледяных включений, входящих в состав грунта, формируют характерную криогенную текстуру.

При описании мерзлого грунта следует различать массивную, слоистую и сетчатую текстуры (рис. 1).

Массивная текстура характеризуется наличием в основном порового льда.

Слоистая текстура представляет собой чередование ледяных включений в виде прослоек и линз с минеральными прослойками, которые имеют массивную текстуру.

Сетчатая текстура формируется ледяными включениями, располагающимися в виде сетки.

Рис. 1. Основные виды текстур мерзлых грунтов:

а - массивная; б - слоистая; в - сетчатая

2. Определение глубины залегания вечномерзлых грунтов

Положение поверхности вечномерзлых грунтов устанавливается по данным инженерно-геологического обследования. В зависимости от условий ее залегания могут быть два основных случая:

слой сезонно промерзающего грунта не сливается с вечномерзлым грунтом (несливающаяся мерзлота);

сезонно оттаивающий слой при промерзании сливается с вечномерзлым грунтом (сливающаяся мерзлота).

В первом случае между поверхностью вечномерзлого грунта и подошвой слоя сезонного промерзания имеется слой талого грунта (рис. 2), поэтому глубина скважин, достигающих поверхность вечномерзлого грунта, должна быть больше глубины сезонного промерзания на величину, равную мощности постоянно талого слоя. При сливающейся мерзлоте глубина залегания поверхности вечномерзлого грунта соответствует полной глубине сезонного оттаивания.

Рис. 2. Наиболее характерное положение деятельного слоя:

I - для сезонно промерзающего слоя (несливающаяся мерзлота) в периоды:

а - максимального промерзания; б - промежуточный; в - максимального оттаивания;

II - для сезонно оттаивающего слоя (сливающаяся мерзлота) в те же периоды.

1 - поверхность вечномерзлых грунтов;

2 - граница оттаивания;

3 - граница промерзания;

 мерзлый грунт;  талый грунт

Полная глубина сезонного оттаивания устанавливается замерами в конце осеннего периода или на основании данных замеров глубины оттаивания на момент обследования и результатов обработки данных ближайшей к району обследования метеостанции.

Наряду с замерами глубины сезонного оттаивания в инженерно-геологических выработках (шурфах и скважинах) слой грунта, оттаявшего на данный период, в некоторых случаях удобно определять специальным щупом, представляющим собой стальной заостренный прут диаметром 5 - 6 мм с рукояткой для облегчения вдавливания. На каждой исследуемой щупом точке производят двухкратные и трехкратные замеры, которые записывают в полевой журнал.

Полную мощность деятельного слоя hд и глубину залегания вечномерзлых грунтов по данным единовременных замеров рассчитывают по формуле

,                                                                       (1)

где I - показатель темпов оттаивания на момент обследования;

hi - глубина оттаивания на момент обследования, см.

Значение показателя темпов оттаивания, характеризующее изменение глубины оттаивания в зависимости от времени, можно определять по данным метеостанции.

Когда наблюдения за глубиной оттаивания отсутствуют, величину показателя темпов оттаивания находят по формуле

,                                           (2)

где t1, t2… - среднемесячные температуры воздуха, соответственно за первый, второй и т. д. месяц по данным наблюдений за наиболее теплый год в течение десятилетнего периода;

n - продолжительность всего периода оттаивания, мес;

m - продолжительность периода от начала оттаивания до момента, для которого определяется показатель темпов оттаивания, мес.

Глубину оттаивания в момент обследования hi следует замерять не ранее конца июня. Использование данных более ранних замеров, произведенных в мае-июне, может привести к значительным ошибкам при определении полной мощности слоя сезонного оттаивания и глубины залегания вечномерзлых грунтов.

При определении полной глубины сезонного оттаивания можно также использовать данные о криогенной текстуре мерзлого грунта. В тех случаях, когда в однородных грунтах содержание льда в грунте постепенно уменьшается до минимального количества, а затем резко увеличивается, то граница этого перехода, как правило, будет являться максимальной глубиной сезонного оттаивания.

Пример расчета полной глубины сезонного оттаивания

На основании инженерно-геологического обследования, проведенного в пределах участка трассы в районе пос. Анадырь, средняя глубина оттаивания hi на момент обследования в середине июля равнялась 40 см.

По данным метеостанции получена среднемесячная температура воздуха за теплый период года для этого района, град С:

VI                    VII                  VIII                 IX

4,8                   10,5                9,6                  8,9

Определить полную глубину сезонного оттаивания в пределах обследуемого участка.

Сначала рассчитывают суммы средних положительных температур за один, два и т.д. месяца оттаивания. Затем находят отношения этих сумм к сумме температур за весь теплый период, в данном случае за четыре месяца. Результаты записывают в табл. 2.

Таблица 2

Месяц

Сумма положительных температур

I

VI

4,8

0,17

0,41

VI - VII

15,3

0,53

0,78

VI - VIII

24,9

0,86

0,98

VI - IX

28,8

1,0

1,0

По данным расчета строят график темпов оттаивания (рис. 3) и находят значение показателя темпов оттаивания для середины июля. I составляет 0,6. Полную глубину сезонного оттаивания определяют по формуле

 (см).

3. Определение температуры вечномерзлого грунта

Физико-механические свойства мерзлых грунтов, количество незамерзшей воды, объемный вес, осадка при оттаивании, их прочностные показатели изменяются в зависимости от температуры, поэтому в процессе инженерно-геологических изысканий необходимо измерять температуру вечномерзлого грунта.

Рис. 3. График темпов оттаивания по данным метеостанции пос. Анадырь (к примеру расчета полной глубины оттаивания)

Различают суточные и сезонные колебания температуры, связанные соответственно с суточными и годовыми колебаниями температуры воздуха.

Колебания температуры в течение суток распространяются на небольшую глубину и практического значения для проектирования не имеют. Сезонные колебания температуры воздуха в течение года сказываются на температуре грунтов до глубины 15 - 30 м, однако для инженерных целей можно считать температуру грунта практически постоянной уже на глубине 10 - 15 м.

Глубина, на которой затухают сезонные колебания температуры, называется глубиной нулевых годовых амплитуд, или подошвой слоя сезонных колебаний температуры, а температура грунта на этой глубине tА является основной характеристикой среднегодовой температуры вечномерзлой толщи. Следует иметь в виду, что tА не является постоянной величиной даже в пределах одного района, а изменяется в зависимости от состава горных пород, их льдистости, состояния поверхности, рельефа, экспозиции склонов, наличия грунтовых вод и т.п. Величину tА измеряют на характерных типах местности и в пределах однотипных ландшафтных комплексов, выделенных в процессе инженерно-геологической и мерзлотной съемки, в соответствии с «Инструкцией по проведению температурных наблюдений» (ВСН 61-61, приложение 2).

В большинстве случаев при проектировании различных сооружений необходимо знать не только среднюю, но и экстремальные (максимальную и минимальную) температуры вечномерзлой толщи выше глубины нулевых годовых амплитуд. Пределы изменения температуры в зависимости от интересующей глубины могут быть рассчитаны по формулам:

,                                                (3)

,                                                (4)

где z - глубина, на которой необходимо определить температуру;

Т - период колебаний температуры, равный 8760 ч;

см - объемная теплоемкость мерзлого грунта, ккал/м3×град;

lм - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, ккал/м.ч.град.

е = 2,718.

Пример расчета температуры грунта

Определить максимальную и минимальную температуры грунта на глубине 4,0 м в районе г. Сковородино при следующих исходных данных:

tА = -1,1°;                 z = 4,0 м;                     lм = 1,65 ккал/м.ч.град

см = 510 ккал/м3×град;                                 Т = 8760 ч.

Расчет ведется по формулам (3) и (4)

.

Таким образом, температура мерзлого грунта в районе Сковородино на глубине 4 м изменяется в пределах от -1,4 до -0,8°.

4. Отбор образцов, их хранение и транспортировка

Для отбора образцов мерзлых глинистых грунтов ненарушенной структуры наряду со специально заправленными ложками-кернобрателями рекомендуется применять грунтонос конструкции ЦНИИС (авторское свидетельство № 218783) (рис. 5).

При подготовке к отбору образцов с грунтоноса снимают фиксирующее кольцо 5, корпус грунтоноса 1 отсоединяют от хвостовика 4. Затем в корпус грунтоноса устанавливают кассету с шестью кольцами для компрессионных или сдвиговых приборов, перед установкой которой внутреннюю поверхность корпуса смазывают техническим вазелином или солидолом.

Для отбора образцов грунтонос опускают в скважину, вращая вручную по часовой стрелке до полного заглубления. Мерзлый грунт отрывают от забоя подсекающими ножами, для чего заглубленный грунтонос вращают против часовой стрелки до полного отрыва образца. Затем грунтонос извлекают из скважины, отсоединяют от хвостовика и из его корпуса вынимают кассету с образцом грунта.

Для хранения и испытания отобранных образцов мерзлых грунтов при полевых работах в летний период на исследуемой территории необходимо оборудовать специальный шурф сечением 1,5´2 м, который должен пройти вечномерзлые грунты на глубину 2 - 2,5 м. Располагать шурф следует в затененное месте (в лесу) на глинистых грунтах, там, где наблюдается более низкая температура вечномерзлых грунтов и минимальная глубина сезонного протаивания. Шурф должен быть тщательно изолирован от внешних атмосферных воздействий. С этой целью рекомендуется применять двойное перекрытие шурфа: первое - на поверхности и второе - на границе с вечномерзлыми грунтами. В перекрытиях оборудуют люки для спуска в шурф. Верхнее перекрытие засыпают землей или закладывают дерном (мхом) и закрывают водонепроницаемым материалом - толем, рубероидом или брезентом.

Отобранные из выработок образцы мерзлых грунтов доставляют в шурф-лабораторию. При транспортировке необходимо принимать меры по предотвращению их оттаивания. Для этой цели применяют термосы различных конструкций. Три типа таких термосов показаны на рис. 6, а, б, в. В термосе, показанном на рис. 6, а, размещаются четыре образца размерами 60´100´120 мм. Образцы в термосе этого типа могут сохраняться в течение 2 - 2,5 ч. Если термос обернуть мхом или другим изолирующим материалом, срок хранения и перевозки можно увеличить до 4 - 5 ч.

Термос той же конструкции (см. рис. 6, б) большего размера служит для транспортировки мерзлых пород на значительные расстояния. В нем размещаются 10 - 12 образцов размерами 80´80´90 мм (при укладке в два яруса); в мерзлом состоянии они сохраняются в течение 6 - 8 ч, а при хорошей дополнительной упаковке - 10 - 12 ч.

Рис. 5. Грунтонос для отбора образцов мерзлого грунта ненарушенной структуры конструкции ЦНИИС:

1 - корпус; 2 - обуривающая коронка; 3 - ножи для подрезки керна; 4 - хвостовик; 5 - пружинное фиксирующее кольцо; 6 - кассеты с кольцами для стандартных компрессионных и сдвиговых приборов


Рис. 6. Термосы для транспортировки образцов мерзлого грунта:

а - на 4 образца; б - на 12 образцов; в - на 2 образца;

1 - внутренний ящик из фанеры и досок; 2 - поддерживающие брусья; 3 - внешний ящик из досок; 4 - обшивка войлоком и брезентом; 5 - заполнитель (вата, пакля); 6 - ручки; 7 - пенопласт


Образцы должны быть ровными и тщательно обернутыми в 2 - 3 слоя бумаги. В некоторых случаях образцы следует дополнительно охладить с помощью холодильного ящика, в котором заложена льдосоляная смесь.

Термос (см. рис. 6, в) конструктивно отличается от предыдущих. Он выполнен в виде ящика из пенопласта с гнездами для двух образцов. Размеры цилиндрических образцов - 80´150 мм. Термос этой конструкции удобен для хранения и транспортировки образцов на небольшие расстояния. Сохранность образцов 1,5 - 2 ч.

Термоизолирующим материалом для термосов может служить вата хлопковая или стеклянная, сухой мох, торфяная или пробковая мелочь, пеносиликат, пенопласт и др.

Снаружи и изнутри термос покрывают олифой и окрашивают белилами, дермантиновую или брезентовую обшивку красят в белый цвет.

В летнее время, если полевая лаборатория находится на расстоянии нескольких километров, отобранные в течение рабочего дня образцы, завернутые в бумагу и уложенные в термос, следует хранить под моховым покровом на дне холодного и сухого шурфа, пройденного в мерзлых породах, когда мерзлые породы залегают непосредственно под мхом.

Для хранения образцов в течение рабочего дня можно использовать также пробуренную вблизи места работы скважину, пройденную в мерзлых грунтах на глубину не менее 2 м. Керны в этом случае опускаются в скважину на шпагате.

Образца транспортируются в ночное, более прохладное время суток. Зимой образцы грунта перевозят в термосах или обычных ящиках.

При длительном хранении образцов мерзлого грунта следует учитывать, что они могут выветриваться, в результате чего изменяются влажность, структура грунта и т.п. Во избежание выветривания образцы следует обертывать в бумагу и покрывать ледяной коркой, которую необходимо периодически восстанавливать, опрыскивая образцы грунта холодной водой.

5. Количество испытаний для определения гарантированных значений показателей физико-механических свойств однородных грунтов

Минимальное количество испытаний для определения показателей физико-механических свойств однородного грунта или же количество испытуемых образцов, если каждый образец может подвергаться только одному испытанию, не должно быть меньше трех.

Необходимое количество испытаний (или образцов) для определения гарантированного значения показателя физико-механических свойств однородного грунта устанавливается по формуле

,                                                                  (5)

где tb - табулированное значение аналитической функции, определяемое по табл. 3 в зависимости от заданной вероятности b;

s - среднеквадратическое отклонение отдельного определения;

eх - абсолютная величина отклонения при определении показателя физико-механических свойств, возникающего за счет неточностей методики испытаний, ошибок прибора и т.п.

Однородные слои грунта выделяются по результатам первичной обработки данных инженерно-геологических изысканий. Степень однородности того или иного слоя грунта, имеющего определенную текстуру, оценивается по графикам рассеивания значений основных классификационных показателей для этого слоя (рис. 7).

Рис. 7. Графики рассеивания значений основных классификационных показателей

Основными классификационными показателями для глинистых грунтов являются число пластичности WП и коэффициент консистенции В. Слой следует считать однородным по составу и состоянию грунта, если отклонения отдельных значений основных классификационных показателей не выходят за рамки одной группы по принятой классификации. При этом 10 % крайних экспериментальных точек в расчет не принимают.

Абсолютная величина отклонения ex в формуле (5) при определении физических свойств должна соответствовать величине допускаемого отклонения при параллельных определениях, выполняемых по обычной методике испытаний талых грунтов.

Таблица 3

Значение функции tb

n-1

b

0,8

0,9

0,95

0,98

0,99

0,999

1

3,08

6,31

12,71

31,8

68,7

636,6

2

1,886

2,92

4,30

6,96

9,92

31,6

3

1,638

2,35

3,18

4,54

5,84

12,94

4

1,533

2,13

2,77

3,75

4,60

8,61

5

1,476

2,02

2,57

3,36

4,03

6,86

6

1,440

1,948

2,45

3,14

4,71

5,96

7

1,415

1,895

2,36

3,00

3,50

5,40

8

1,397

1,860

2,31

2,90

3,36

5,04

9

1,383

1,833

2,26

2,82

3,25

4,78

10

1,372

1,812

2,23

2,76

3,17

4,59

11

1,363

1,796

2,20

2,72

3,11

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: