Лабораторное моделирование газонасыщенных грунтов для выявления деградации прочности грунтов
Происходящее в настоящее время изменение климата, которое вызывает постепенное повышение температуры грунтов геокриолитозоны, приводит к закономерному изменению ее состояния и строения.
Последние исследования показывают, что свойства мерзлых грунтов, преимущественно арктического региона, практически повсеместно содержащие газовую компоненту в своем составе, изменяются неравномерно и зависят от температурных условий и напряженного состояния. Для получения более полной характеристики свойств грунтов и возможности прогноза их изменения необходим комплексный подход, включающий полевые наблюдения и лабораторные эксперименты, что не всегда возможно в необходимом объеме. В данной статье рассмотрен один из подходов к изучению - моделирование состояния и свойств мерзлых газонасыщенных грунтов в лабораторных условиях. Преимущества методики заключается в том, что эксперимент в лаборатории позволяет получать многократно характеристики грунтов, задавая и меняя исходные условия, в которых находится грунт.
Такие исследования проводятся сотрудниками лаборатории изучения состава и свойств грунтов ИГЭ РАН. Для этого были подготовлены тестовые образцы с различной водонасыщенностью. Далее получены и проанализированы прочностные свойства мерзлых грунтов методом трехосного сжатия и одноплоскостного среза в условиях изменения температурного режима и внешних нагрузок. С детальной методикой проведения исследований можно ознакомиться в работе [1].
В представленной статье приведены результаты экспериментов для мерзлых дисперсных грунтов, суглинков, супесей и пылеватых песков, наиболее типичных для Арктического региона. Особенностью данных грунтов является содержание газовых включений в количестве от долей процента до 10–15 %. Грунты исследовали в условиях температур и нагрузок, соответствующих реальным изменяющимся температурным условиям криолитозоны и внешних нагрузок, полученным в результате геокриологического мониторинга и по данным метеостанций.
Исследованные суглинки представлены тугопластичными и полутвердыми разновидностями, суммарная влажность изменяется от 19.0 до 30.3 %, плотность – от 1.90 до 2.13 г/см3, число пластичности – от 10.7 до 15.5 %, показатель текучести – от 0.06 до 0.33 д.е. Характерной особенностью грунтов является неполная водо-(льдо)насыщенность, коэффициент водонасыщения составляет 0.91–0.97, т.е. эти грунты содержат в своем составе газовую компоненту. Температура начала замерзания–оттаивания –1.4 °С.
Было отмечено следующее. Повышение температуры мерзлых грунтов в области отрицательных значений вызывает выделение содержащегося в них газа. Изменение строения грунтов, в свою очередь, вызывает закономерное изменение их прочностных свойств, показанное на рис. 1 на примере величины угла внутреннего трения.
Рис. 1 – Изменение величины угла внутреннего трения суглинков при изменении температуры и напряженного состояния грунта: 1 – прогнозное по нормативным методикам по Ⅰ и Ⅱ принципу; 2 – реальное при свободном газовыделении; 3 – реальное при объемном давлении 0.05 МПа; 4 – реальное при объемном давлении 0.1 МПа; 5 – реальное при объемном давлении 0.2 МПа.
В результате исследований было установлено, что изменение прочности мерзлых газосодержащих грунтов под действием температурного фактора происходит закономерно, в соответствии с характером газовыделения в них. При свободном газовыделении снижение прочности начинается уже при отрицательных температурах (–5 °С), а показатели прочности достигают своих минимальных значений при достижении температуры оттаивания. При этом чем больше прикладываемая нагрузка, тем быстрее грунт начинает реагировать и изменять свойства, теряя несущую способность.
Интересно отметить, что процесс газовыделения, с одной стороны, служит индикатором деградации прочности грунтов, с другой стороны, интенсивность снижения прочностных свойств грунтов зависит от количества газовых включений в них. Последнее утверждение подтверждается данными моделирования в лабораторных условиях исследований для мерзлого суглинка, результаты которых приведены в табл. 1 и показаны на рис. 2.
Из приведенных данных мы видим, что в одинаковых температурных условиях (температура грунта –5 °С) прочностные свойства одного и того же грунта зависят от содержания в них газов. Снижение прочности грунтов начинается уже при 2 %-ном содержании газовой компоненты, при его увеличении до 5 % интенсивность снижения прочности усиливается и при увеличении содержания газов до 8 – 10 % и выше протекает наиболее интенсивно.
Рис. 2 – Изменение прочностных свойств мерзлых суглинков при температуре –5 °С в зависимости от содержания в них газовой компоненты: 1 – газовая компонента отсутствует; 2 – содержание газов 2 %; 3 – содержание газов 5 %; 4 – содержание газов 8 %; 5 – содержание газов 10 %; 6 – содержание газов 15 %; 7 – содержание газов 20 %
В результате изменения геокриологических условий меняется внутреннее строение мерзлых грунтов, что закономерно приводит к изменению их свойств, а газовыделение увеличивает интенсивность таких изменений, которые усиливаются при увеличении напряженного состояния грунтов, возникающего в результате возрастания техногенной нагрузки. Газовыделение служит своего рода индикатором деградации прочности грунтов.
Проведение подобного моделирования в лабораторных условиях позволяет получить более полную характеристику изменения свойств грунтов, которые в свою очередь должны учитываться при расчете несущей способности при проектировании новых объектов и эксплуатации существующих. Сейчас такой подход используется только в научных интересах, а данные по состоянию и свойствам грунтов берутся из нормативных документов, которые не отражают полноты картины и сложности всех изменений.
Применение подобной методики позволит снизить затраты на ремонт существующих объектов. Одним из примеров практического применения приведённых исследований является утвержденная Федеральным дорожным агентством Росавтодор в 2021 году дорожная карта по организации мониторинга состояния участков федеральных автомобильных дорог, проходящих по территории распространения многолетних мерзлых грунтов. Этой картой предусмотрено создание системы контроля инженерно-геокриологических условий, которая должна включать мониторинговые стационарные посты и устройства, размещаемые на ключевых участках в различных инженерно-геокриологических условиях. Росавтодором совместно с подведомственными учреждениями, а также специалистами крупных отраслевых компаний и профильных научно-исследовательских институтов были определены и согласованы три измерительных комплекса – это комплексы «Автомобильная дорога и придорожная полоса», «Метеорологические параметры», «Система мониторинга напряженно-деформированного состояния и деформаций в слоях дорожной одежды и земляного полотна от известной нагрузки» – для оборудования стационарных постов, включающих 30 контролируемых параметров»[3]. Последний комплекс включает, в том числе, характеристики грунтов.
В настоящий момент проведен анализ собранных данных в зоне развития вечномерзлых грунтов и районирование исследуемых участков, а к сентябрю будут разработаны первые рекомендации по организации инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог. Новое методическое руководство, содержащее в своей основе комплексный подход, позволит обеспечить надежность сооружений, их долговечность, начиная с проектирования и заканчивая вводом объектов в эксплуатацию.
По словам Сергея Гошовца, заместителя начальника Управления научно-технических исследований Росавтодора, данная работа необходима для создания современной системы мониторинга и для накопления массива данных, анализ которых позволит перейти на новый уровень проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов в криолитозоне. Кроме того, в будущем полученные наработки будут учитываться при развитии Арктической зоны Российской Федерации.
2. Карпенко Ф.С., Кутергин В.Н., Фролов С.И., Собин Р.В. Влияние на свойства глинистых грунтов изменений свойств гидратных пленок при температурных воздействиях // Геоэкология. 2021. № 1. С. 69-78.
3. https://rosavtodor.gov.ru/press-center/news/506431
Последние исследования показывают, что свойства мерзлых грунтов, преимущественно арктического региона, практически повсеместно содержащие газовую компоненту в своем составе, изменяются неравномерно и зависят от температурных условий и напряженного состояния. Для получения более полной характеристики свойств грунтов и возможности прогноза их изменения необходим комплексный подход, включающий полевые наблюдения и лабораторные эксперименты, что не всегда возможно в необходимом объеме. В данной статье рассмотрен один из подходов к изучению - моделирование состояния и свойств мерзлых газонасыщенных грунтов в лабораторных условиях. Преимущества методики заключается в том, что эксперимент в лаборатории позволяет получать многократно характеристики грунтов, задавая и меняя исходные условия, в которых находится грунт.
Такие исследования проводятся сотрудниками лаборатории изучения состава и свойств грунтов ИГЭ РАН. Для этого были подготовлены тестовые образцы с различной водонасыщенностью. Далее получены и проанализированы прочностные свойства мерзлых грунтов методом трехосного сжатия и одноплоскостного среза в условиях изменения температурного режима и внешних нагрузок. С детальной методикой проведения исследований можно ознакомиться в работе [1].
В представленной статье приведены результаты экспериментов для мерзлых дисперсных грунтов, суглинков, супесей и пылеватых песков, наиболее типичных для Арктического региона. Особенностью данных грунтов является содержание газовых включений в количестве от долей процента до 10–15 %. Грунты исследовали в условиях температур и нагрузок, соответствующих реальным изменяющимся температурным условиям криолитозоны и внешних нагрузок, полученным в результате геокриологического мониторинга и по данным метеостанций.
Исследованные суглинки представлены тугопластичными и полутвердыми разновидностями, суммарная влажность изменяется от 19.0 до 30.3 %, плотность – от 1.90 до 2.13 г/см3, число пластичности – от 10.7 до 15.5 %, показатель текучести – от 0.06 до 0.33 д.е. Характерной особенностью грунтов является неполная водо-(льдо)насыщенность, коэффициент водонасыщения составляет 0.91–0.97, т.е. эти грунты содержат в своем составе газовую компоненту. Температура начала замерзания–оттаивания –1.4 °С.
Было отмечено следующее. Повышение температуры мерзлых грунтов в области отрицательных значений вызывает выделение содержащегося в них газа. Изменение строения грунтов, в свою очередь, вызывает закономерное изменение их прочностных свойств, показанное на рис. 1 на примере величины угла внутреннего трения.
Рис. 1 – Изменение величины угла внутреннего трения суглинков при изменении температуры и напряженного состояния грунта: 1 – прогнозное по нормативным методикам по Ⅰ и Ⅱ принципу; 2 – реальное при свободном газовыделении; 3 – реальное при объемном давлении 0.05 МПа; 4 – реальное при объемном давлении 0.1 МПа; 5 – реальное при объемном давлении 0.2 МПа.
В результате исследований было установлено, что изменение прочности мерзлых газосодержащих грунтов под действием температурного фактора происходит закономерно, в соответствии с характером газовыделения в них. При свободном газовыделении снижение прочности начинается уже при отрицательных температурах (–5 °С), а показатели прочности достигают своих минимальных значений при достижении температуры оттаивания. При этом чем больше прикладываемая нагрузка, тем быстрее грунт начинает реагировать и изменять свойства, теряя несущую способность.
Интересно отметить, что процесс газовыделения, с одной стороны, служит индикатором деградации прочности грунтов, с другой стороны, интенсивность снижения прочностных свойств грунтов зависит от количества газовых включений в них. Последнее утверждение подтверждается данными моделирования в лабораторных условиях исследований для мерзлого суглинка, результаты которых приведены в табл. 1 и показаны на рис. 2.
Из приведенных данных мы видим, что в одинаковых температурных условиях (температура грунта –5 °С) прочностные свойства одного и того же грунта зависят от содержания в них газов. Снижение прочности грунтов начинается уже при 2 %-ном содержании газовой компоненты, при его увеличении до 5 % интенсивность снижения прочности усиливается и при увеличении содержания газов до 8 – 10 % и выше протекает наиболее интенсивно.
Изменение прочностных свойств мерзлых суглинков при температуре –5 °С в зависимости от содержания в них газовой компоненты
Изменение свойств грунтов обусловлено изменением их строения, происходящим в результате газовыделения, развивающегося при высоких отрицательных температурах, что обусловлено изменением состояния и свойств диффузного слоя гидратных пленок глинистых частиц грунта (β–пленок) в этих условиях. Этот механизм был рассмотрен ранее авторами Карпенко Ф.С. и др. [2]. Он заключается в том, что при повышении отрицательной температуры, в грунтах происходит оттаивание β–пленок. В результате, при том, что в вода в порах грунта остается в мерзлом состоянии, между глинистыми частицами появляется прослойка воды (гидратные пленки), что оказывает непосредственное влияние на изменение прочностных свойств грунта в целом. Интенсивность этого процесса зависит от количества глинистых минеральных частиц в составе грунта.
Рис. 2 – Изменение прочностных свойств мерзлых суглинков при температуре –5 °С в зависимости от содержания в них газовой компоненты: 1 – газовая компонента отсутствует; 2 – содержание газов 2 %; 3 – содержание газов 5 %; 4 – содержание газов 8 %; 5 – содержание газов 10 %; 6 – содержание газов 15 %; 7 – содержание газов 20 %
В результате изменения геокриологических условий меняется внутреннее строение мерзлых грунтов, что закономерно приводит к изменению их свойств, а газовыделение увеличивает интенсивность таких изменений, которые усиливаются при увеличении напряженного состояния грунтов, возникающего в результате возрастания техногенной нагрузки. Газовыделение служит своего рода индикатором деградации прочности грунтов.
Проведение подобного моделирования в лабораторных условиях позволяет получить более полную характеристику изменения свойств грунтов, которые в свою очередь должны учитываться при расчете несущей способности при проектировании новых объектов и эксплуатации существующих. Сейчас такой подход используется только в научных интересах, а данные по состоянию и свойствам грунтов берутся из нормативных документов, которые не отражают полноты картины и сложности всех изменений.
Применение подобной методики позволит снизить затраты на ремонт существующих объектов. Одним из примеров практического применения приведённых исследований является утвержденная Федеральным дорожным агентством Росавтодор в 2021 году дорожная карта по организации мониторинга состояния участков федеральных автомобильных дорог, проходящих по территории распространения многолетних мерзлых грунтов. Этой картой предусмотрено создание системы контроля инженерно-геокриологических условий, которая должна включать мониторинговые стационарные посты и устройства, размещаемые на ключевых участках в различных инженерно-геокриологических условиях. Росавтодором совместно с подведомственными учреждениями, а также специалистами крупных отраслевых компаний и профильных научно-исследовательских институтов были определены и согласованы три измерительных комплекса – это комплексы «Автомобильная дорога и придорожная полоса», «Метеорологические параметры», «Система мониторинга напряженно-деформированного состояния и деформаций в слоях дорожной одежды и земляного полотна от известной нагрузки» – для оборудования стационарных постов, включающих 30 контролируемых параметров»[3]. Последний комплекс включает, в том числе, характеристики грунтов.
В настоящий момент проведен анализ собранных данных в зоне развития вечномерзлых грунтов и районирование исследуемых участков, а к сентябрю будут разработаны первые рекомендации по организации инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог. Новое методическое руководство, содержащее в своей основе комплексный подход, позволит обеспечить надежность сооружений, их долговечность, начиная с проектирования и заканчивая вводом объектов в эксплуатацию.
По словам Сергея Гошовца, заместителя начальника Управления научно-технических исследований Росавтодора, данная работа необходима для создания современной системы мониторинга и для накопления массива данных, анализ которых позволит перейти на новый уровень проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов в криолитозоне. Кроме того, в будущем полученные наработки будут учитываться при развитии Арктической зоны Российской Федерации.
Автор: Дернова Е.О.
Список литературы
1. Karpenko, F.S., Kutergin, V.N., Kotov, P.I., Sobin R.V. Investigation of the Dynamics of Gas Emission from Frozen Soils with Change in Temperature and Pressure. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2020, Vol. 57, no. 4., P. 305–311.2. Карпенко Ф.С., Кутергин В.Н., Фролов С.И., Собин Р.В. Влияние на свойства глинистых грунтов изменений свойств гидратных пленок при температурных воздействиях // Геоэкология. 2021. № 1. С. 69-78.
3. https://rosavtodor.gov.ru/press-center/news/506431