Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат геолого-минералогических наук Кривов, Денис Николаевич

• Кривов, Денис Николаевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Кривов, Денис Николаевич

Оглавление.

Введение.

1. Состояние изученности закономерностей деформирования и прочности мерзлых грунтов.

1.1. Реологические свойства.

1.2. Влияние физических свойств мерзлых грунтов на их поведение под нагрузками.

1.3. Методы прогноза длительной деформации мерзлых грунтов.

1.4. Методы прогноза длительной прочности мерзлых грунтов.

1.5. Кинетика разрушения мерзлых грунтов.

2. Методика испытаний и обработки данных.

2.1. Методика подготовки образцов.

2.2. Методика определения физических свойств.

2.3. Методика испытания мерзлых грунтов на вдавливание шарикового штампа.

2.4. Методика испытания мерзлых грунтов на одноосное сжатие под ступенчатой нагрузкой.

2.5. Методика испытания компрессионным сжатием мерзлых грунтов.

2.6. Статистическая обработка опытных данных.

3. Характеристика природных условий.

3.1. Климат.

3.2. Орогидрография.

3.3. Геологическое строение.

3.4. Распространение, мощность и температура многолетнемерзлых пород.

3.5. Состав, криогенное строение и льдистость многолетнемерзлых грунтов.

4. Физические свойства исследованных грунтов.

5. Выбор способа прогноза длительной прочности и деформации мерзлых грунтов исследуемого района.

5.1. Анализ достоверности определения длительной прочности исследуемых грунтов на основе сопоставления экспериментальных и расчетных данных.

5.2. Сопоставление прогнозных значений сопротивления нормальному давлению по данным испытаний шариковым штампом и одноосным сжатием.

6. Особенности процесса деформирования и снижения прочности мерзлых засоленных грунтов.

7. Параметры прогнозных уравнений длительной прочности для РГЭ исследуемого района.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры»

Актуальность

Суровые климатические условия, распространение многолетнемерзлых грунтов, в том числе засоленных, заторфованных, сильнольдистых создают значительные трудности при освоении природных ресурсов северных районов России. Одной из основных проблем надежного строительства и эксплуатации зданий, промысловых и транспортных сооружений является достоверная оценка несущей способности грунтов оснований и её прогноза с учетом влияния всего комплекса факторов как природных, так и техногенных.

Настоящая работа направлена на исследование прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов, залегающих в пределах оснований сооружений, территории Европейского Севера. В настоящее время - это активно развивающийся район России, здесь строится и проектируется целый ряд магистральных и межпромысловых нефтепроводов (Ю. Хыльчуя - Варандей, Харьяга - Варапдей и т.д.), по территории Европейского Севера проходят трассы газопроводов (Ямал - Ухта), разрабатываются ряд крупных нефтяных месторождений, производится поиск и разведка новых.

Следует отметить, что мерзлотные условия севера Западной Сибири, в том числе и полуострова Ямал, на котором расположено большое количество нефтяных и газоконденсатных месторождений, исследованы довольно широко. Накоплен большой объем инженерных изысканий и исследований.

Мерзлотпо-грунтовые условия территории Европейского Севера существенно отличаются от таковых Западной Сибири. Среднегодовые температуры многолетнемерзлых грунтов в данном районе существенно выше (в среднем минус 2 - минус 3°С), что наряду с широким распространением засоленных, заторфованных и льдистых грунтов обусловливает более яркое проявление их реологических свойств и усложняет задачи проектирования и строительства инженерных сооружений. Имеющиеся данные по физико-механическим свойствам грунтов получены в основном на стадии инженерно-геокриологических изысканий, при этом методы прогноза прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов производятся согласно действующим нормативным документам, разработанным, как правило, для грунтов Западной и Восточной Сибири и Якутии. Имеются лишь единичные публикации, касающиеся механических свойств мерзлых грунтов Европейского Севера. Объем опубликованных материалов не позволяет установить закономерности зависимости прочностных и деформационных характеристик основных видов грунтов от физических свойств и температуры.

Цель настоящей работы: на основе экспериментальных и теоретических исследований обосновать выбор методов определения длительной прочности и деформируемости мерзлых засоленных грунтов исследуемого района в зависимости от физических свойств и температуры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов прогноза длительной деформации и прочности мерзлых грунтов.

2. Провести анализ и обобщение мерзлотно-грунтовых условий по данным литературных источников, архивных материалов и результатов инженерно-геокриологических изысканий, в которых автор принимал участие.

3. Выбрать и обосновать методики лабораторных исследований и получить параметры прогнозных уравнений.

4. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования длительной прочности и деформируемости основных видов мерзлых грунтов исследуемого района в диапазоне изменения характеристик их физических свойств и температуры.

5. Установить закономерность зависимости длительной прочности и деформируемости от времени воздействия внешних нагрузок как единого термофлуктуационного процесса.

6. Разработать предложения по определению длительной прочности и деформации, получить параметры прогнозных уравнений для мерзлых грунтов исследуемого района.

Научная новизна работы

1. На основе экспериментальных данных выполнен анализ феноменологических уравнений длительной прочности и выбор наиболее достоверных из них для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых грунтов, в том числе засоленных.

2. Разработана и опробована методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, основанная на представлениях о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность и деформацию мерзлого грунта на период времени, сопоставимого с периодом эксплуатации сооружений.

3. Показана аналогия между влиянием концентрации лсгкорастворимых солей в поровом растворе и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов и получены параметры уравнения, основанного на представлении о термофлуктуационном процессе разрушения.

4. Установлены зависимости параметров феноменологических уравнений, рекомендованных для прогноза длительной прочности мерзлых грунтов в пределах выделенных РГЭ (расчетно-грунтовых элементов), от физических свойств и температуры.

Практическая значимость работы

1. Предложения по выбору феноменологического уравнения для прогноза длительной прочности в зависимости от вида грунта могут быть использованы на всех стадиях изысканий и проектирования инженерных сооружений.

2. Разработанная методика определения длительной прочности и деформации по данным испытаний на одноосное сжатие позволяет определить их значения на длительный период времени при расчете несущей способности мерзлых грунтов как оснований сооружений.

3. Полученные параметры прогнозных уравнений длительной прочности дают возможность выполнить предварительную оценку несущей способности мерзлых грунтов выделенных РГЭ без проведения испытаний в пределах температуры естественного залегания.

Личный вклад автора

В ходе выполнения диссертационной работы автор принимал участие в четырех экспедициях в районы Европейского Севера, где были проведены работы по изучению геокриологических условий.

Выполнено обобщение и анализ результатов экспериментов, полученных при личном участии автора, а также опубликованных в литературе, на основе которых проведен анализ точности прогноза основных феноменологических уравнений длительной прочности, а также установлены зависимости, позволяющие оценить прочность и деформацию мерзлых засоленных грунтов изучаемого района. Результаты базируются более чем на 1200 экспериментальных определений механических характеристик мерзлых грунтов.

Разработана и опробована методика обработки опытных данных одноосного сжатия мерзлых грунтов при ступенчатом нагружении.

Установлена аналогия влияния содержания легкорастворимых солей и температуры на характер зависимости длительной прочности от времени воздействия нагрузки.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на отечественных и международных конференциях: Ломоносовские чтения (Москва, геологический факультет МГУ, 2008), «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (Пущено, 2002), "Asian Conference of Permofrost" (Lanzhou, China, 2006), «Ломоносов» (Москва, геологический факультет МГУ, 2003, 2005).

Основные положения работы опубликованы в 3 статьях: «Влияние засоленности на разрушение мерзлых грунтов» (рекомендованный ВАКом журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов»), «Исследования прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов» (журнал «Промышленное и гражданское строительство»), «Определение температуры начала замерзания засоленных мерзлых грунтов» (журнал «Промышленное и гражданское строительство»).

Структура и объем работы:

Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержащего 102 наименования. Работа изложена на 153 станицах, включает 91 рисунок и 27 таблиц.

Защищаемые положения:

1. Рекомендации по выбору наиболее достоверных феноменологических уравнений, которые могут быть использованы для прогноза длительной прочности основных видов мерзлых засоленных грунтов.

2. Разработанная методика обработки опытных данных испытания мерзлых грунтов одноосным сжатием при ступенчатом нагружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения, которая позволяет определить прочность мерзлого грунта на период времени сопоставимый с периодом эксплуатации сооружения.

3. Аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температуры мерзлого засоленного грунта на длительную прочность, установленная на основе термофлуктуационпого представления о процессе разрушения.

4. Параметры феноменологических уравнений, которые позволяют оценить длительную прочность мерзлых засоленных грунтов в пределах выделенных РГЭ в зависимости от физических свойств и температуры.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору геолого - минералогических наук, профессору кафедры геокриологии геологического факультета МГУ Лидии Тарасовне Роман за руководство и помощь в выполнении данной работы, заведующему сектором исследования мерзлых грунтов (СИМГ) института «Фундаментпроект» к.т.н. В.И. Аксенову, сотрудникам сектора (СИМГ), A.B. Иоспе, к.ф-м.н. С.Г. Геворкяну, Г.И. Клиновой, начальнику отдела ОИГС «Фундаментпроекта» д.г.-м.н. Ф.М. Ривкину, сотрудникам отдела ОИГС Ю.В. Власовой, А. А. Поповой за предоставленные материалы, неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ за внимание к работе и критические замечания.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Кривов, Денис Николаевич

Выводы

1. Для исследуемого района характерно залегание до глубины 15 м песков, супесей, суглинков и глин четвертичного возраста со среднегодовой температурой минус 0,5 - минус 4,0°С, засоленностью до 2,5% . Выделенные расчетно - грунтовые элементы (РГЭ) позволяют обобщить грунтовые разновидности по диапазонам изменения гранулометрического состава, засоленности, льдистости, темнературно-прочностного состояния.

2. Опытные значения содержания незамерзшей воды (\\\у) для всех видов грунтов и рассчитанного по обобщенной зависимости симплексного типа - 8/0м отличаются не более чем на 2%, что позволяет использовать расчетный способ определения \Улу для грунтов исследуемого района.

3. Опытными данными подтверждено, что для грунтов с хлоридно -натриевым типом засоления при Dsai<2% температура начала замерзания может быть рассчитана в зависимости от молялыюстн порового раствора и изотонического коэффициента. При засолении комплексом солей более достоверным является расчет температуры начала фазовых переходов по программе FREEZBRINE, разработанной, И.А.Комаровым и М.В.Мироненко.

4. На основании экспериментальных и рассчитанных значений длительной прочности и выполненной оценки достоверности прогнозных уравнений установлено: для незаселенных мерзлых грунтов применимо логарифмическое уравнение (2), для льдистых грунтов степенное уравнение (3), стсненнос уравнение, включающее кинетический параметр (5), применимо для всех перечисленных видов грунтов (номера уравнений см. табл.2).

5. Методика обработки опытных данных испытаний одноосным сжатием при ступенчатом загружении, полученная на основе представлений о термофлуктуационном процессе разрушения и взаимосвязи между длительной прочностью и скоростью деформации, позволяет определить прочность и деформацию мерзлых грунтов на срок, сопоставимый со сроками эксплуатации сооружений.

6. Экспериментально установленная аналогия между влиянием концентрации порового раствора и температурой грунта на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов обусловлена динамикой содержания незамерзшей воды, вызываемой обоими факторами.

7. Определенные на основе большого объема экспериментальных данных параметры прогнозных уравнений в зависимости от физических свойств грунтов и температуры, являются достоверными для оценки несущей способности мерзлых грунтов в пределах выделенных РГЭ изучаемого района.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Кривов, Денис Николаевич, 2009 год

1. Аксенов В.И. Засоленные мерзлые грунты Арктического побережья как основание сооружения. М. «Все о мире строительства», 2008. 351с.

2. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М. Логос. 2000. 315с.

3. Анализ химического состава подземных вод, загрязненных промышленными стоками. Под.ред.Тюгюиовой Ф.И. М.: Стройиздат. 1974. 237с

4. Андрианов П.И. Связанная вода почв и грунтов. Труды Ин-та мерзлотоведения, т.III. Изд. АН СССР, 1946. 364с.

5. Анисимова H.H. Криогидрохимические особенности мерзлой зоны. Новосибирск: Наука, 1981. 248с.

6. Баженова А.П. Инструктивные указания по лабораторным методам определения температуры переохлаждения и начала замерзания грунтов. Сб.2, Изд. АН СССР, 1954. 145с.

7. Брушков A.B. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. М.: Изд-во МГУ, 1998. 330 с.

8. Велли Ю.Я. Устойчивость зданий и сооружений в Арктике. JL: Стройиздат, 1973. 152 с.

9. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 188 с.

10. Вялов С. С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 2000. 463 с.

11. Вялов С.С., Гмошинский В.Г., Городецкий С.Э. Григорьева В.Г., Зарецкий Ю.К.,

12. Пекарская Н.К., Шушерина Е.П. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов ирасчеты ледогрунтовых ограждений. М.:: Изд-во АН СССР, 1962. 254с.

13. Вялов С.С., Городецкий С.Э., Пекарская Н.К. Методика определения характеристикползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М.: Наука,1966. 87 с.

14. ГОСТ 19912-81 Грунты. Метод полевого испытания динамическим зондированием. Госком СССР по делам строительства, Москва 1980.

15. ГОСТ 20522-96 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. МНТКС,1996

16. ГОСТ 23740-79 Грунты. Методы лабораторного определения содержанияорганических веществ. Госком СССР по делам строительства, Москва 1980 ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация. МНТКС,1996

17. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.: МНТКС, 1996. 29 с.

18. ГОСТ 25358-82. Грунты. Метод полевого определения температуры. Госком СССРпо делам строительства, Москва 1982.

19. ГОСТ 4151-72. Вода питьевая. Метод определения общей жесткости. Госстандарт СССР, 1974

20. ГОСТ 4245-72 Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов. Госстандарт СССР, 1974

21. ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы определения физических характеристик. Москва, 1985.

22. ГОСТ 9.602-89 Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. Госком СССР по стандартам. Москва, 1991.

23. ГОСТ 12071-72 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. Госком СССР по делам строительства. Москва, 1973

24. Гречищев С.Е. Разрушение мерзлых грунтов в условиях ползучести при переменных напряжениях // Тр. ВНИИ гидрогеологии и геологии, 1972. Вып. 142. с. 4-19

25. Грунтоведение, под ред.Сергеева Е.М. М.:изд-во МГУ, 1983. 476с

26. Коновалов A.A. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре. Новосибирск: Наука, 1991. 91 с.

27. Коновалов A.A. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре. Новосибирск: Наука, 1991. 91 с.

28. Коновалов A.A., Роман JI.T. Особенности проектирования фундаментов в нефтепромысловых районах Западной Сибири. JL: Стройиздат, 1981. 168 с. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах, М., Научный мир,2003, 567с.

29. Мазуров Т.П. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Стройиздат, 1964.353с

30. Огородникова E.H., Комиссарова II.H. Химический анализ грунтов. М.: изд.МГУ, 1990, 237с.

31. Основы геокриологии (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, Том 1,4. 1, 1995. 368 с.

32. Основы геокриологии. Т. .5 Инженерная геокриология (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1999. 526 с.

33. Основы геокриологии. Ч. 1. Физико-химические основы геокриологии (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1995. 368 с.

34. Основы геокриологии. Ч. 2. Литогенетическая геокриология (под ред. Э.Д.Ершова). М.: Изд-во МГУ, 1996. 399 с.

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

36. Пекарская Н.К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от температуры. М.: АН СССР, 1963. 108 с.

37. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. М.: Наука, 1964. 158 с.

38. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966 Растительность Европейской части СССР. JL, Наука, 1980

39. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

40. Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления. ФГУП ПНИИИС, М„ 2001

41. Отчет по теме Провести инженерно-геокриологическую съемку, лабораторные исследования мерзлых грунтов и выполнить методическое сопровождениеинженерных изысканий ВЛ-220 кВ ЦПС Юж. Хыльчую БРП "Варандей", ФГУП «Фундаментпроект», М., 2005

42. Отчет по теме Инженерно-геокриологическая съемка, лабораторные исследования мерзлых грунтов и методическое сопровождение инженерно-геологических изысканий. ", ФГУП «Фундаментпроект», М., 2006

43. Отчет по теме «Инженерно-геокриологические исследования и методическое обеспечение изысканий трассы ЦПС Юж.-Хыльчуюское месторождение БРП Варандей». ФГУП ПНИИИС, М., 2003

44. Отчет по теме «Инженерно-геокриологические исследования и методическое обеспечение изысканий трассы ЦПС Юж.-Хыльчуюское месторождение БРП Варандей». ФГУП ПНИИИС, М., 2004

45. Роман Л.Т. Влияние засоленности на прочность и деформируемость мерзлых грунтов.// Проблемы строительства на засоленных мерзлых грунтах. Тюменью Изд-во /'Эпоха", 2007, С. 126-145.

46. Роман Л.Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. Новосибирск: Наука, 1987. 222 с.

47. Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. 426 с.

48. Роман Л.Т. Физико-механические свойства мерзлых торфяных грунтов. Новосибирск: Наука, 1981. 134 с.

49. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М., Стройиздат, 1973 (ПНИИИС, НИИОСП).

50. Савельев Б.А. Физика, химия, строение природных льдов и мерзлых горных пород. М.: Изд-во МГУ, 1991.288 с.

51. СНиП 2.02.01 *-83 Основания зданий и сооружений. Госстрой России, Москва, 1985.

52. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Госстрой СССР, 1990

53. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Госстрой СССР, 1989.

54. СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. Госстрой России,1. Москва, 1986

55. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. М.: Госстрой России, 2000

56. СП 11-102-97 Инженерно-экологические изыскания для строительства. М.: ПНИИИС Госстроя России, 1997

57. СП 11-105-97 Часть I. Общие правила производства работ. Госстрой России, Москва, 1997.

58. СП 11-105-97 Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов. Госстрой России, Москва, 2000

59. СП 11-105-97 Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетпсмерзлых грунтов. Госстрой России, Москва, 1999

60. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973. 446 с. Цытович Н.А. Принципы механики мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1952. 168 с. Цытович Н.А., Сумгин Н.И. Основания механики мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1937. 432 с.

61. Шушерина И.П. Сопротивления мерзлых дисперсных пород и льда разрыву в области низких температур //Мерзлотные исследования., М.: Изд-во МГУ, 1974. Вып. 14. С. 179-189.

62. Andersland O.Ladany В. An introduction to frozen ground engineering. N.Y.Chapman and Hall. 1994. 180 p.

63. Andesland O.B., AINouri I. Time-dependent strength behavior of Frozen soil // J. Soil, Mech. Found. Div. Am. Soc. Civ. 96(SM4).1970.P. 1249-1265

64. Fish A.M. Determination of failure activation energy of frozen soils // USA CRREL, Technical Note. Hanover. N.H. 11, 1978

65. Fish A.M. Strength of frozen soil under a combined stress state // Proc. 6-th Intern. Symp. On Ground Freezing, Beijing. China, 1991. Vol. l.P. 135-145

66. Geotechnical engineering for cold Regions / Edit by O.Andersland, D.Anderson, N.Y.McCraw-Hill, Book Campany, 1983. 560 p.

67. Hult A.H. Creep in engineering structures. Massachusetts: Blasdell Publ. Co. Waltham. 1966. 115 p.1.danyi B. An engineering theory of creep of frozen soils // Canad. Geotech. J. 1972. N 991). P. 63-80

68. Odgvist F.K. Mathematical theory of creep and creep rupture // Oxford. Mathem. Monograph. London: Oxf. Univ.press 1966

69. Permafrost Engineering Design and Construction / Edit. G.Johnston, I.Willy and Sons N.Y. 1981. 540 p.

70. Zhang J. Hou Z., Chao F. Adfreezing strength of soils to foundation materials // Prof, papers on permafrost studies of Qianghai-Xizang plateu. Lanzhou. Academia Sinica/ Chine, 1983. P. 98-105

71. Zhu Y.Carbee D.L. Creep and strength behavior of frozen silt in uniaxial compression. USA CRREL. 1987, 67 p.