Способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя



Способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя
Способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя

 


Владельцы патента RU 2498014:

Учреждение Российской академии наук Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к строительному производству и предназначено для определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя. Способ определения морозного пучения грунта при промерзании сезоннопротаивающего слоя включает бурение скважины перед началом его промерзания, отбор образцов грунта, измерение глубины сезонного протаивания ξ, определение на образцах плотности сухого грунта ρd,th. Дополнительно бурение скважин производят после промерзания сезоннопротаивающего слоя, на образцах дополнительно определяют плотность сухого грунта после промерзания сезоннопротаивающего слоя ρd,f, а величина пучения определяется по приведенной зависимости. Технический результат состоит в снижении трудоемкости работ, повышении точности определения величины пучения, обеспечении снижения материалоемкости. 2 ил., 5 табл.

 

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 ρd, плотности минеральных частиц ρs, влажности грунта w, влажности по незамерзшей воде ww(Tfh), влажности пределов текучести wL и раскатывания wp, минимальной температуры зоны промерзания Tfh, 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; ρd - плотность скелета грунта, г/см3; ρw - плотность воды, г/см3; w - влажность талого грунта; ww(Tfh) - содержание (по массе) незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре 0,57 Tfh; Tfh - минимальная температура зоны промерзания, при которой прекращается пучение; ζ=0 при w≤wu.fh и ζ=0,09 при w>wu.fh; wp - влажность предела раскатывания; T0f - 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 Kb, выражающий отношение влагопроводимости талого и мерзлого грунтов, в практических расчетах может быть принят равным

где wsat - полная влагоемкость талого грунта.

Параметр ψ определяется из графиков на Фиг.1 по соотношениям Tfh/T0f для: а) супеси, б) суглинка, в) глины.

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

Первое начальное условие пучения по влажности определяется зависимостью

где 0,92 плотность льда, г/см3.

Таблица 1
Значения параметров ηс, kw(T) и температуры прекращения пучения
Вид грунта Число пластичности грунта, доли ед Температура прекращения пучения, Tfh, °C Значение параметра ηс
Супесь 0,02<Ip≤0,07 -1,5 3,55
Супесь пылеватая -2,0 5,00
Суглинок 0,07<Ip≤0,13 -2,0 4,25
Суглинок пылеватый -2,5 5,00
Суглинок 0,13<Ip≤0,17 -2,5 3,80
Суглинок пылеватый -3,0 5,35
Глина Ip>0,017 -4,0 2,50

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

или

где wL - влажность грунта у верхнего предела пластичности (граница текучести); Ip=wL-wp - число пластичности.

Значение wcr при ρs=2,7 г/см3 может быть определено по графику на Фиг.2 (зависимость от влажности wcr на границе текучести wL и числа пластичности Ip).

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 ρd,th и после его промерзания ρd,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 hf-ξ и толщины слоя талого грунта ξ

Выразим в формуле (7) hf и ξ через соответствующие объемы грунта в талом Vth и мерзлом Vf состояниях и произвольную площадь поперечного сечения грунта s

В зависимостях (8) объемы грунта в талом Vth, и мерзлом Vf состояниях выразим через массу сухого грунта md и плотности ρd,th и ρd,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 (Vth) 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 (md,th) и вычисляли плотность скелета талого грунта по формуле ρd,th=md,th/Vth.

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

Таблица 2
Глубина отбора проб h, м Масса высушенного образца грунта md,th, г Объем режущего кольца (влажного грунта) Vth, см3 Плотность сухого (скелета) грунта ρd,th, г/см3
0,3 69,73 50,24 1,388
0,6 71,66 50,24 1,426
0,9 74,81 5,0,24 1,489
1,2 69,42 50,24 1,382

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 (mf,1), высушивали в сушильном шкафу, высушенные образцы вновь взвешивали (md,f) и рассчитывали влажность мерзлого грунта по формуле wf=(mf,1-md,f)/md,f.

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

Таблица 3
Глубина отбора
проб h, м
Масса образца
mf,1, г
Масса высушенного
образца md,f, г
Влажность образца мерзлого грунта w
д.е. wf=(mf,1-md,f)/md,f
0,3 71,6 49,14 0,457
0,6 63,2 46,61 0,356
0,9 84,7 62,79 0,349
1,2 75,6 56,84 0,33

Образцы для определения плотности грунта в соответствии с ГОСТ 5184-2000 обрабатывали до получения округлой формы, взвешивали на воздухе (mf,2), обвязав тонкой нитью, опускали в керосин и взвешивали в керосине (mf,к) и рассчитывали плотности мерзлого грунта по формуле ρfkmf,2/(mf,2-mf,к), затем находили плотность скелета мерзлого грунта по формуле ρd,ff/(1+wf).

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

Таблица 4
Глубина отбора проб h, м Масса образца на воздухе mf,2, г Результат взвешивания образцов в керосине mf,K, г Плотность мерзлого грунта pf, г/см3 Плотность скелета мерзлого грунта pd,f, г/см3
0,3 135,8 67,90 1,72 1,18
0,6 120,4 58,83 1,76 1,30
0,9 127,6 61,31 1,79 1,33
1,2 129,1 61,68 1,8 1,35

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 hfh=ξ(ρd,thd,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.

Источники информации

1. Орлов В.О., Ёлгин Б.Б., Железняк И.И. Морозное пучение грунтов в расчетах оснований сооружений. - Новосибирск: Изд-во Наука, 1987. - 136 с.

2. Основы геокриологии. Ч.5. Инженерная геокриология. // под ред. Э.Д. Ершова. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - 526 с.

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 ρd,th, отличающийся тем, что дополнительно бурение скважин производят после промерзания сезоннопротаивающего слоя, на образцах дополнительно определяют плотность сухого грунта после промерзания сезоннопротаивающего слоя ρd,f, а величина пучения определяется по формуле:



 

Похожие патенты:

Способ дистанционного определения деградации почвенного покрова. Способ включает зондирование подстилающей поверхности, содержащей тестовые участки многоканальным спектрометром, установленнЫм на аэрокосмическом носителе с одновременным получением изображений на каждом канале; расчет методом зональных отношений амплитуд сигналов в каналах частных индексов деградации, а именно процентного содержания гумуса (Н), индекса засоленности (NSI) и индекса влагопотерь (W); определение интегрального показателя деградации D по многопараметрической регрессивной зависимости, вида: D = ( H 0 H ) 1,9 ⋅ ( N S I N S I 0 ) 0,5 ⋅ ( W 0 W ) 0,3 пересчет значениЙ пикселей яркости изображений в масштабе вычисленного показателя деградации каждого пикселя; выделение контуров их результирующих изображений с установленными градациями степени деградации.

Изобретение относится к исследованию прочностных характеристик грунтов, а именно к получению почвенных и грунтовых проб определенных размеров ненарушенной структуры.
Изобретение относится к области сельского хозяйства и предназначено для установления величины пирогенного изменения мощности слоя торфа на мелиорируемых землях. .
Изобретение относится к области экологии и предназначено для определения токсичности почв. .

Изобретение относится к области качественного и количественного анализа состава грунтов при определении территорий предполагаемых месторождений нефти, а также при бурении скважин в местах предполагаемых месторождений нефти.
Изобретение относится к области физики почв и предназначено для получения структурных отдельностей. .

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для отбора проб для анализа почвы. .
Изобретение относится к области почвоведения и предназначено для определения усредненной степени восстановленности торфяных почв. .
Изобретение относится к промышленной экологии, сельскому хозяйству, промышленному и гражданскому строительству. .

Изобретение относится к устройствам измерения распределения деформации, использующим в качестве чувствительного элемента оптическое волокно. .

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий и может быть использовано для отбора проб материала, слагающего россыпные месторождения. .

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве при исследовании деформационных свойств грунтов до начала строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений, преимущественно лабораторными методами при определении сжимаемости грунта в компрессионном приборе в режиме релаксации напряжений.

Изобретение относится к приборам для измерения деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях. .

Изобретение относится к приборам для определения деформаций и сил морозного пучения грунта в лабораторных условиях. .

Изобретение относится к транспорту углеводородов в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в местах с возможными оползневыми явлениями, для принятия своевременных мер по их защите от разрушения при перемещениях грунтовых масс, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта или иными причинами.

Изобретение относится к области строительства, а именно к передвижным лабораториям, и может быть использовано для исследования свойств мерзлых и немерзлых грунтов в полевых условиях при проведении инженерно-геологических, гидрогеологических и геофизических изысканий для строительства зданий и сооружений.
Изобретение относится к инженерно-геологическим и почвенно-мелиоративным исследованиям почвогрунтов. .

Изобретение относится к техническим измерениям, а именно к измерениям величины силы сопротивления при относительном сдвиге слоев в сыпучем теле. .

Изобретение относится к транспорту углеводородов в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в местах с возможными оползневыми явлениями, для принятия своевременных мер по их защите от разрушения при перемещениях грунтовых масс, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта или иными причинами. Устройство для измерения скорости и направления движения грунта относительно подземного трубопровода состоит из измерительного телескопического двухзвенного рычага с датчиком удлинения, шарнира, узла отсчета перемещений. Шарнир и измерительный телескопический двухзвенный рычаг помещены в защитный гибкий футляр, причем измерительный телескопический двухзвенный рычаг в футляре закреплен с помощью пружинных центраторов, а также в измерительный телескопический двухзвенный рычаг встроен узел расстыковки тросика удлинения измерительного телескопического двухзвенного рычага. Технический результат состоит в обеспечении длительной безотказной работы устройства и удобства его обслуживания без трудоемких земляных работ. 1 ил.
Наверх