СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТА ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ СЕЗОННОПРОТАИВАЮЩЕГО СЛОЯ

Название	СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТА ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ СЕЗОННОПРОТАИВАЮЩЕГО СЛОЯ
Разработчик (Авторы)	Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Ефремова Д.Ю.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2498014
Дата регистрации	30.11.2010
Правообладатель	Учреждение Российской академии наук Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к строительному производству и предназначено для определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя.

Известен способ определения пучения грунта, включающий бурение скважины, установку в ней репера на глубину, превышающую глубину сезонного протаивания грунта, заполнение пазухи между репером и стенками скважины влажным грунтом, установку марки на поверхности земли, наблюдения за вертикальными перемещениями марки относительно репера в течение всего периода промерзания слоя грунта [1].

Недостатками этого способа является трудоемкость вследствие оборудования реперами, марками и проведение длительных наблюдений за пучением грунта, а также значительные затраты металла на изготовление реперов.

Наиболее близким техническим решением является способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя, включающий бурение скважины перед началом его промерзания, отбор образцов грунта, измерение глубины сезонного протаивания ξ, определение на образцах плотности сухого грунта ρ_d, плотности минеральных частиц ρ_s, влажности грунта w, влажности по незамерзшей воде w_w(T_fh), влажности пределов текучести w_L и раскатывания w_p, минимальной температуры зоны промерзания T_fh, расчетной температуры у поверхности грунта, приравненной к средней температуре охлаждающей среды за период промерзания и расчет величины пучения по формуле [2]

где ξ - толщина слоя грунта до промерзания; ρ_d - плотность скелета грунта, г/см³; ρ_w - плотность воды, г/см³; w - влажность талого грунта; w_w(T_fh) - содержание (по массе) незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре 0,57 T_fh; T_fh - минимальная температура зоны промерзания, при которой прекращается пучение; ζ=0 при w≤w_u.fh и ζ=0,09 при w>w_u.fh; w_p - влажность предела раскатывания; T_0f - расчетная температура у поверхности грунта, приравненная к средней температуре охлаждающей среды за период промерзания.

Остальные параметры в формуле (1) определяются соответствующими зависимостями и графиками.

Параметр K_b, выражающий отношение влагопроводимости талого и мерзлого грунтов, в практических расчетах может быть принят равным

где w_sat - полная влагоемкость талого грунта.

Параметр ψ определяется из графиков на Фиг.1 по соотношениям T_fh/T_0f для: а) супеси, б) суглинка, в) глины.

Коррелятивный параметр η_с, выражающий связь между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания (пучения), и температура T_fh определяются по табл.1.

Первое начальное условие пучения по влажности определяется зависимостью

где 0,92 плотность льда, г/см³.

Критическое значение влажности, которое определяет второе начальное условие пучения, находят по формуле

или

где w_L - влажность грунта у верхнего предела пластичности (граница текучести); I_p=w_L-w_p - число пластичности.

Значение w_cr при ρ_s=2,7 г/см³ может быть определено по графику на Фиг.2 (зависимость от влажности w_cr на границе текучести w_L и числа пластичности I_p).

Недостатком способа является высокая трудоемкость работы на определение большого количества характеристик физических свойств и теплового состояния грунта.

Цель изобретения - снижение трудоемкости работ, повышение точности определения величины пучения, что может сократить излишние расходы при возведении сооружений.

Цель достигается тем, что согласно способу определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя, включающему бурение скважин с отбором образцов до и после промерзания сезонноталого слоя, измеряют глубину сезонного протаивания ξ, определяют плотность сухого грунта до промерзания сезонноталого слоя ρ_d,th и после его промерзания ρ_d,f и рассчитывают пучение по формуле

Величина пучения представляет собой произведение толщины слоя грунта до промерзания ξ на отношение приращения толщины слоя грунта при промерзании h_f-ξ и толщины слоя талого грунта ξ

Выразим в формуле (7) h_f и ξ через соответствующие объемы грунта в талом V_th и мерзлом V_f состояниях и произвольную площадь поперечного сечения грунта s

В зависимостях (8) объемы грунта в талом V_th, и мерзлом V_f состояниях выразим через массу сухого грунта m_d и плотности ρ_d,th и ρ_d,f

Подставив (8) и (9) в (7), получаем расчетную формулу морозного пучения промерзающего грунта (6):

Пример осуществления способа определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя

Способ испытан на стационаре «Туймаада» Института мерзлотоведения СО РАН.

Перед началом промерзания протаявшего за лето слоя грунта в начале октября специальным металлическим щупом была определена его толщина, составившая ξ=1,65 м. Затем колонковым способом была пробурена скважина на всю глубину протаявшего слоя. Через каждые 30 см керна в режущие кольца с известным объемом (V_th) отбирали образцы талого грунта, упаковывали их в соответствии с требованиями ГОСТ 5180-2000, доставляли в грунтовую лабораторию, высушивали при температуре 105°С в сушильном шкафу, взвешивали высушенные образцы (m_d,th) и вычисляли плотность скелета талого грунта по формуле ρ_d,th=m_d,th/V_th.

Результаты определения объема образцов, массы высушенного грунта и вычислений плотности скелета талого грунта представлены ниже в таблице.

После промерзания протаявшего за лето слоя грунта в апреле месяце снова была пробурена скважина в 1 м от первой скважины на ту же глубину. Также через каждые 30 см керна отбирали пробы мерзлого грунта для определения плотности и влажности грунта, упаковывали их, доставляли в лабораторию с отрицательной температурой.

Образцы для определения влажности грунта взвешивали (m_f,1), высушивали в сушильном шкафу, высушенные образцы вновь взвешивали (m_d,f) и рассчитывали влажность мерзлого грунта по формуле w_f=(m_f,1-m_d,f)/m_d,f.

Результаты взвешиваний образцов и определения влажности грунта приведены ниже в таблице.

Образцы для определения плотности грунта в соответствии с ГОСТ 5184-2000 обрабатывали до получения округлой формы, взвешивали на воздухе (m_f,2), обвязав тонкой нитью, опускали в керосин и взвешивали в керосине (m_f,к) и рассчитывали плотности мерзлого грунта по формуле ρ_f=ρ_km_f,2/(m_f,2-m_f,к), затем находили плотность скелета мерзлого грунта по формуле ρ_d,f=ρ_f/(1+w_f).

Результаты взвешиваний образцов мерзлого грунта на воздухе и в керосине с плотностью р_к=0,86 г/см³ и расчетов плотности мерзлого грунта и плотности скелета мерзлого грунта приведены ниже в таблице.

Для сравнения результатов определения морозного пучения грунта предлагаемым способом на глубинах 0,3; 0,6; 0,9 и 1,2 м были заложены марки, вертикальные перемещения которых определялись нивелированием относительно неподвижного репера - металлической трубы, заложенной в толщу мерзлых грунтов на глубину 9,0 м.

Расчетные данные и результаты определения пучения предлагаемым способом по формуле h_fh=ξ(ρ_d,th/ρ_d,f-1)и нивелированием приведены ниже в таблице.

Таблица 5
Интервал глубин, м	Мощность i-го слоя грунта ξi, м	Плотность скелета талого грунта Pd.th, г/см3	Плотность скелета мерзлого грунта pd,f, г/см3	Величина пучения, см
				по предлагаемому способу		по нивелировке
				i-го слоя	суммарное
0,3-0,6	0,3	1,41	1,25	3,84	8,79	7,4
0,6-0,9	0,3	1,46	1,33	2,94	4,95	4,3
0,9-1,2	0,3	1,44	1,35	2,01	2,01	3,2

Максимальная погрешность определения величины пучения предлагаемым способом составляет 18,8%, что допустимо в условиях изменения плотности скелета грунта в горизонтальной плоскости.

Промышленная применимость. Изобретение может быть с успехом применено для определения пучинистости грунтов на трассах линейных сооружений при расчете глубины заложения опор в мерзлый грунт.

Формула изобретения

Способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя, включающий бурение скважины перед началом его промерзания, отбор образцов грунта, измерение глубины сезонного протаивания ξ, определение на образцах плотности сухого грунта ρ_d,th, отличающийся тем, что дополнительно бурение скважин производят после промерзания сезоннопротаивающего слоя, на образцах дополнительно определяют плотность сухого грунта после промерзания сезоннопротаивающего слоя ρ_d,f, а величина пучения определяется по формуле:

Изобретение "СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТА ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ СЕЗОННОПРОТАИВАЮЩЕГО СЛОЯ" (Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Ефремова Д.Ю.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога