Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 [ 74 ] 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

соответствующих влажности и давлении - просадки, тогда как переуплотненные грунты массивной текстуры или отдельные минеральные прослойки между сжатыми ледяными прослойками (например, в прошлом находящиеся под давлением глетчеров и замерзшие в уплотненном состоянии - под давлением) могут набухать, т. е. увеличиваться в объеме, а не уплотняться, особенно при первых ступенях нагрузки. При некотором же давлении (большем «давления набухания») при оттаивании они также будут уплотняться и давать осадки.

При оттаивании резко меняется текстура грунтов, что сказывается не только на их сжимаемости, но, в первую очередь, и на водопроницаемости. Так, по опытам Е. П. Шушериной, для покровного суглинка при первых ступенях нагрузки после промерзания - оттаивания скорость уплотнения (зависящая от фильтрационной способности грунтов и их сжим1аемости) возрастает от 7 до 10 раз. По натурным наблюдениям Воркутской научно-исследовательской станции НИИОСП коэффициент фильтрации оттаявших грунтов во много раз больше коэффициента фильтрации грунтов немерзлых того же состава.

Результаты лабораторных и полевых исследований консолидации оттаивающих грунтов, произведенные за последнее десятилетие (1960-1970 гг.) автором с сотрудниками*, показали, что весьма существенным показателем для оценки процесса протекания осадок оттаивающих грунтов во времени является их льдонасыщенность: будут ли грунты сильнольдистыми (io60,5), а при оттаивании текуче- или текуче-пластичными, или слабольдистыми (io60,25), а при оттаивании полутвердыми или твердыми, процесс консолидации их будет происходить совершенно по-разному. Если для грунтов сильнольдистых будет применима теория фильтрационной консолидации (в специальной разработке, учитывающей особенности оттаивающих грунтов), то для слабольдистых преимущественное применение будут иметь теории ползучести.

Кроме того, при промерзании глинистых грунтов текучей и текуче-пластичной консистенции формируется сетчатая и слоистая текстуры мерзлых грунтов, что обусловливает их особые свойства при оттаивании, главнейшими из которых (на основании произведенных испытаний) можно считать следующие:

а) изменение коэффициента пористости этого вида мерзлых грунтов при уплотнении под нагрузкой намного больше, чем грунтов немерзлых;

б) водопроницаемость оттаивающих сильнольдистых грунтов в десятки и сотни раз больше водопроницаемости тех же грунтов после оттаивания, но уменьшается с течением времени, завися от компрессионного изменения коэффициента пористости грунта;

* 1. Н. А. Цытович, В. Г. Григорьева, Ю. К. За редкий. Исследование консолидации оттаивающих льдонасыщенных грунтов. Сб. НИИоснований, № 56. Госстройиздат, 1966; 2. В. Д. Пономарев. Экспериментальные исследования особенностей деформирования оттаивающих глинистых грунтов. Кандидатская диссертация под рук. Н. А. Цытовича. ПНИИИС, Москва, 1967.

8* 227

в) поровое давление в оттаивающих сильнольдистых грунтах в течение всего процесса оттаивания остается неизменным;

г) грунты плотные (полутвердой и твердой консистенции) при оттаивании обладают определенной структурной прочностью, а коэффициент порового давления на границе оттаивания всегда намного меньше единицы.

В дальнейшем будут более подробно рассмотрены осадки мерзлых грунтов при оттаивании, их величина и протекание во времени на основе результатов непосредственных опытов по исследованию компрессии мерзлых грунтов при оттаивании и их осадок в условиях невозможности бокового расширения при действии местной нагрузки. Анализируя результаты непосредственных опытов по исследованию осадок мерзлых грунтов при оттаивании, необходимо иметь в виду качественные изменения грунтов при промерзании и оттаивании, описанные в настоящем параграфе, и основные физические предпосылки, как вытекающие из изложенных материалов, так и устанавливаемые на основе специальных опытов, описанных ниже.

§ 3. О компрессии мерзлых грунтов при оттаивании

Методика испытания мерзлых грунтов при их оттаивании на компрессию (уплотнение под равномерной нагрузкой без возможности бокового расширения грунта) разрабатывалась еще в 30-х

годах. Автором был предложен специальный прибор - не-теплопроводный одометр (рис. 106), обеспечивающий плоскопараллельное оттаивание образцов мерзлых грунтов во времени от тепла нагревателя с фильтрующим дном как без нагрузки на грунт, так и при равномерной уплотняющей нагрузке до 7-8 кГ/см. Этот прибор в настоящее время широко применяется на практике.

Следует отметить, что соблюдение плоскопараллельного оттаивания является обязательным, так как в противном случае не будут соблюдаться условия одномерной задачи (равномерного сжатия без возможности бокового расширения грунта). Это, к сожалению, не учитывают некоторые специалисты, испытывающие мерзлые грунты на осадку при оттаивании в металлических кольцах, что конечно, создает условия, не соответствующие поставленной одномерной задаче, и приводит к результатам, зависящим от неравномерности оттаивания с боков и сверху образца, т. е. к пространственному случаю оттаивания, трудно поддающемуся анализу.

Рис. 106. Одометр системы Н. А. Цытовича для испытания мерзлых грунтов на осадку при оттаивании: / - нетеплопроводная пластмасса; 2 - термопара или 5 - термометр

Первые опыты автора (1933 г.), как отмечалось ранее, ставили своей целью определить лишь полную стабилизированную осадку оттаивающих грунтов в условиях невозможности бокового их расширения. Естественно, что величина ее в случае компрессионного сжатия мерзлых грунтов при оттаивании с одновременным уплотнением при соблюдении вышеописанных граничных условий точно соответствовала известной из общей механики грунтов зависимости для одномерной задачи:

где Л -полная глубина оттаивания (всего слоя испытываемого грунта), см\ ео - начальный коэффициент пористости мерзлого грунта; (Ае) - компрессионное изменение коэффициента пористости при равномерном давлении на грунт интенсивностью сГ/сж.

При полном оттаивании испытываемого слоя грунта величины /i и 8о будут постоянными; остается переменной, от которой зависит полная стабилизированная осадка оттаивающего грунта, величина (Ае)р, являющаяся функцией не только свойств грунта, но и внешнего уплотняющего давления р.

В дальнейших опытах по изучению изменений коэффициента пористости {Аг)р при оттаивании мерзлых грунтов без нагрузки и при различной ее величине и было уделено особое внимание.

Опыты по детальному испытанию оттаивающих грунтов на компрессию выполнялись во втором этане исследований (1937- 1940 гг.) и включали определение деформаций уплотнения (а по ним и изменение коэффициента пористости грунтов) как в мерзлом состоянии, так главным образом, в процессе оттаивания и далее - при последующем нагружении оттаявшего грунта.

Кроме того, впервые были поставлены специальные исследования процесса нарастания осадок оттаивающих грунтов (песчаных и глинистых) во времени до достижения грунтами стабилизированного состояния, что будет рассмотрено несколько ниже.

В подтверждение сказанному о важности исследований изменений коэффициента пористости Ае грунтов при компрессии на рис. 107 показаны полученные в наших опытах компрессионные кривые при положительной температуре грунтов (немерзлых) и при оттаивании тех же грунтов, но мерзлых при одной и той же уплотняющей нагрузке (на оттаивающие и немерзлые грунты) интенсивностью в 1 кГ/см.

Из сопоставления компрессионных кривых для немерзлых грунтов с мерзлыми при оттаивании с очевидностью вытекает, что наибольшие изменения коэффициента пористости имеют место в процессе оттаивания, и величиной, определяющей осадки оттаивающих грунтов, будет изменение коэффициента пористости Ае в процессе оттаивания.

Полные исследования компрессии оттаивающих грунтов прово--дились как автором с сотрудниками на целом ряде характерных мерзлых и вечномерзлых (с ненарушенным строением) грунтов,