Лабораторные исследования морозного пучения грунтов

Испытания велись без нагрузки на образцы по открытой схеме, т.е. в процессе испытаний обеспечивался свободный приток воды к границе промерзания.

Перед заполнением грунтом, металлическая форма, размерами 100х150(h) обмазывалась фторопластовым лаком для исключения влияния сил трения и смерзания грунта со стенками.

Перемещения вследствие морозного пучения измерялись индикаторами часового типа с точностью 0.01 мм.

Результаты определения физико-механических характеристик испытываемых грунтов приведены в таблице 1.

Грунты(по ГОСТ 25100-95)	Влажность, %	Число пластичности, Ip	Показатель текучести, IL	Плотность грунта, г/см3			Пористость, %	Коэффициент пористости
				природная	сухого	частиц
Суглинок элювиальный(монолит)	0. 30	9.3	0.64	1.82	1.7	2.71	37	0.59
Суглинок элювиальный(нарушенной структуры)	0.28	0.28	0.64	1.95	1.7	2.70	37	0.77
Глина делювиальная твердая	0.2	19.8	-0.30	1. 78	1.47	2.60	43	0.77
Глина делювиальная полутвердая	0.27	18.1	0.149	1.87	1.48	2.50	40	0.69
Глина делювиальная мягкопластичная	0.31	21.1	0.67	1.9	1.5	2.74	45	0. 82

Таблица 1 — Физико-механические характеристики испытываемых грунтов

Классификация и оценка пучинистых свойств грунтов выполнялась по величине — относительной деформации морозного пучения согласно ГОСТ 28622-90.

, где — фактическая толщина промерзшего образца, — вертикальная деформация образца грунта в конце испытания (с точностью до 0.01 мм).

Результаты обработки лабораторных исследований морозного пучения делювиальной глины от консистенции (величине ) приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Кривые относительной деформации пучения: 1 – глины полутвердой, 2 – глины мягкопластичной, 3 – глины твердой консистенции.

Наибольшая величина пучения ( =0.73) наблюдалась у глины мягкопластичной консистенции. По степени пучинистости данный образец глины относится к сильнопучинистым грунтам.

Рисунок 2 — Экспериментальная зависимость деформаций морозного пучения от структуры грунта:

а – монолитная, б – нарушенная структура.

На рисунке 2 отображены кривые пучения суглинка элювиального.

Исследовалось два образца, первый – монолит, второй – нарушенной структуры.

По кривым пучения образцов видно, что наибольшая величина пучения достигается в образце монолитной структуры =0.72, грунт сильнопучинистый, относительная деформация морозного пучения второго образца =0.52, грунт среднепучинистый.

По степени пучинистости данные образцы суглинка – сильнопучинистые.

Также в процессе лабораторных исследований определяли миграционное водонакопление для этих грунтов. Результаты изменения влажности образцов приведены в таблице 2.

Образцы грунта	Суглинок (монолит)	Суглинок(нарушен. )	Глина твердая	Глина полутвердая	Глина мягкопластичная
Влажность до испытаний	0.28	0.30	0.20	0.27	0.31
Влажность после испытаний	0.34	0.35	0.23	0.44	0.38

Таблица 2 — Изменения влажности образцов 

Так, для мягкопластичной глины природная влажность до промораживания составила W =0,31 , после промерзания влажность составила W =0,38, т. е. его влажность увеличилась на 22,5 %, а для твердой глины влажность возросла на 15%.

В дальнейшем предполагается исследование зависимостей миграционного водонакопления и деформации пучения от давления на грунт.

Для образцов суглинка мороженной структуры были проведены компрессионные испытания при оттаивании в сравнении с испытаниями образцов суглинка в естественных условиях.

Результаты, полученные в ходе испытаний образцов суглинка приведены в таблице 3.

Характеристики	Мороженая структура	Естественная структура
Влажность	0.35	0.23
Коэффициент пористости е (до опыта)	0. 790	0.831
Коэффициент пористости е (после компрессии) при р=0.3МПа	0.674	0.694
Компрессионный модуль деформации Е, МПа	5.2	2.8

Таблица 3 — Результаты компрессионных испытаний образцов суглинка

Графическая интерпретация полученных результатов испытания грунтов на сжатие приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Графическая интерпретация результатов испытаний образцов суглинка элювиального на сжатие: 1 –  образец естественной структуры, 2 –  образец после промораживания, е –  коэффициент пористости,^–  относительная осадка образца

По графику изменения относительной осадки во времени видно, что при промораживании суглинка его осадка при оттаивании значительно превышает величину морозного пучения, а время оттаивания в несколько раз меньше, чем длительность морозного пучения. Это приводит к неравномерным деформациям системы «основание – здание» и повреждению сооружения.

Подобные исследования приведены в работах [8,10,11] и хорошо согласуются с нашими исследованиями в этой области.

что это такое и как с ними бороться

Пучинистые грунты — проблема номер один для строителей. Зимой, когда приходят холода, они увеличиваются в размерах, сжимая фундаменты и приподнимая их. Вследствие чего, на конструкции последних появляются трещины. Борются с этим явления по — разному, но чтобы начать борьбу, нужно понять, что это такое.

Типы

Что такое пучинистый и не пучинистый грунт — вопрос, ответ на который можно дать, если понимать, за счет чего внутри почвы происходят такие процессы. Все дело в том, что распирание (пучение) происходит за счет замерзших внутри почвы капель воды. А значит, она должна эти капли в себе задерживать.

Поэтому основные свойства грунта, которые приводят к пучению, это капиллярная активность и способность фильтровать воду. Если почва рыхлая, к примеру, с большим содержанием песка, то вода через нее легко проходит в нижние водные горизонты, не задерживаясь. Такие грунты не относятся к категории пучинистых.

А вот те типы почв, в которых вода задерживается, относятся к категории «пучащие». Это глина, суглинок и супеси. Но тут есть момент, связанный с капиллярной активность. У песчаных типов она ниже, потому что песок втягивает в себя атмосферные осадки на глубину 30 — 40 см. При этом глиняные типы постепенно всасывают влагу на глубину до 1,5 м. Поэтому в первом случае можно обойтись отмостками вокруг фундамента с шириною 1 м, во втором величину придется увеличить до 1,5 — 2,0 м. Это к вопросу, как бороться с пучинистостью.

При высоком уровне расположения грунтовых вод, даже непучинистые почвы могут дать расширение. Поэтому к вспучиванию грунта надо относиться с точки зрения наличия или отсутствие факторов, которые приводят к такому свойству земли. Сюда же можно добавить и расположение дома. Если он возводится на участке с уклоном, то велика вероятность, что такой рельеф приведет к пучению некоторых отрезков, особенно расположенных внизу.

Не забываем и о регионе, где строится дом. Если это юг, где уровень промерзания почвы невелик, то можно о пучении не говорить. Даже глиняные основы, покрытые стандартной отмосткой, легко противостоят низким температурам зимой. На севере это выражается ярче. В некоторых северных регионах земля промерзает до 2 — 2,5 м, а значит, пучение грунта имеет место быть в независимости от типа почвы.

Чем опасно морозное пучение

Совместное воздействие на грунт влаги и низких температур приводит к увеличению его объема. Для любого здания особую опасность представляют неравномерные деформации, которые характерны для морозного пучения. Это вызвано тем, что грунт под наружными стенами нагревается от здания слабо, а в середине дома температура выше ноля.

Трещина возникшая из-за пучения.

Наружные стены, а особенно углы, способны подниматься относительно начальной отметки на 15 см. При этом деформаций под внутренними стенами не происходит или они малы. Неравномерное поднятие приводит к появлению в стенах наклонных трещин.

Также морозное пучение оказывает негативное воздействие на боковую поверхность фундамента.

Классификация

Классификация грунтов по типу вспучивания делит виды на несколько подгрупп. К пучинистым относятся:

1. Чрезмерно или очень пучинистые.
2. Сильно пучинистые.
3. Средней степени.
4. Слабой степени.

И отдельно стоят непучинистые грунты.

Последнее определение можно назвать чисто условным, потому что нет такой земли, которая бы не промерзала и не взбухала. Все зависит от влажности почвы и от температуры ее охлаждения. Конечно, можно сказать, что чисто каменный грунт вспучиваться не будет. Но такая разновидность встречается в местах проживания людей крайне редко. Обычно это горы.

То есть, получается так, что тип земли не сильно влияет на морозное пучение. Главными причинами выступают влажность почвы и температура воздуха. Поэтому вопрос, как определить, какие грунты пучинистые, а какие нет, ставится неправильно. Все они в какой-то степени могут вспучиваться.

Мнение эксперта

Если в основании здания залегают грунты с пучинистыми свойствами, следует особенно тщательно подойти к выбору типа фундамента. Очень эффективной после многолетней практики применения зарекомендовала себя конструкция МзЛФ – об устройстве, армировании и расчете которого мы подробно рассказываем в статье«Мелкозаглубленный ленточный фундамент: расчёт глубины, подготовка основания, армирование своими руками и калькулятор расчётов».

Помимо выбора наиболее подходящего типа фундамента при строительстве на пучинистых основаниях, необходимо предусматривать дополнительные мероприятия, направленные на предотвращение замачивания и промерзания: устройство дренажа, утепление отмостки, заполнение пазух уплотненным сыпучим материалом.

Правила борьбы

Самый простой способ борьбы с пучением грунта — залить фундаментную конструкцию ниже глубины промерзания земли. Так как грунт давит на фундамент со всех сторон, то самое опасное давление — это вертикальное. Чтобы его избежать, надо залить конструкцию так, чтобы снизу на нее ничто не давило. А так как заглубленный фундамент заливается ниже уровня промерзания, соответственно в нижней его части морозное пучение грунтов отсутствует. Соответственно конструкция не будет приподниматься.

Есть и другие способы борьбы:

1. Гидроизоляция. Она не только защищает фундамент от негативного воздействия влаги, но и создает между грунтом и бетонной конструкцией промежуточный слой, который ухудшает сцепление. В этом случае грунт будет частично скользить по поверхности фундамента, а значит, снизится и давление на него.
2. Теплоизоляция. Это все тот же промежуточный слой.
3. Дренаж. Эффективный способ понизить уровень пролегания грунтовых вод, что снизит концентрацию влаги внутри грунта на глубине заливки фундаментной конструкции.
4. Отмостки. Здесь не только надо выдерживать их ширину, но и попробовать провести утепление. К примеру, засыпать под бетонный раствор слой керамзита толщиною не меньше 15 — 20 см. Отмостки выполняют функции отвода атмосферных осадков, утеплитель будет сдерживать проникновение низких температур.

На фундамент в процессе пучения действуют и горизонтальные нагрузки, которые создают давление на изгиб. Опасный фактор, который, если неправильно провести строительные операции, разорвет конструкцию. Избежать данной неприятности помогает армирующий каркас из металлической арматуры. Здесь важно провести точный расчет, учитывая размеры металлического профиля и габариты самого каркаса.

Проще, если под дом заливается мелкозаглубленный фундамент, который сооружается выше уровня промерзания грунта. Для его защиты от пучения надо всего лишь заложить отмостки с утеплением и провести теплоизоляцию цоколя. При высоком уровне грунтовых вод проводится и дренаж. Если здание сооружается в северных регионах, то фундамент надо утеплять весь: от подошвы до верхнего края цоколя.

Как уменьшить пучинистость грунта в основании фундамента

Часто бывает выгодно укрепить грунт, что позволит сделать простой и надежный фундамент. При сильно пучинистых грунтах имеет смысл сосредоточиться прежде всего на улучшении характеристик грунта

основания, а уже потом на расчёте толщины-ширины ленты фундамента и её армировании.

Для снижение деформаций пучения грунта обычно выполняют следующие мероприятия:

1. Хорошим вариантом решения проблемы стабилизации пучинистых грунтов может быть устройство насыпи из непучинистого грунта

и устройство фундамента уже на ней. В этом случае решаются две задачи — поднимается общий уровень придомовой территории (обычно это актуально для таких грунтов) и улучшаются параметры грунта.

2. Частичная или полная замена пучинистого слоя

на непучинистый путём создания подушек из крупного или среднего песка с высоким коэффициентом фильтрации.

3. Понижение влажности грунта

(путём использования геотекстиля для снижения капиллярного подсоса, устройства дренажа, глиняных замков и отмосток, понижение уровня подземных вод, отвод поверхностных вод от здания посредством устройства вертикальной планировки, водосборных канав, лотков, траншей, дренажных прослоев и т.п.).

4. Утепление грунтов,

например, устройство теплоизолированного фундамента мелкого заложения (ТФМЗ).

Сжимаемость

По сравнению с минеральными грунтами, торфяные обладают очень высокой способностью к сжиманию. Эта способность в значительной степени характеризуется происхождением, влажностью, степенью разложения торфа. Наиболее плотные торфы, например, аллювиально-болотного высокозольного типа, имеют наименьшую сжимаемость, причем увеличение показателя зольности и влажности способствуют уменьшению сжимаемости.

Слаборазложившиеся торфы обладают большей сжимаемостью, чем сильноразложившиеся за счет разницы в показателях плотности. При любом нарушении структуры торфа его сжимаемость увеличивается на 10-30% по сравнению с торфом, находящимся в естественных условиях.

Засоленные

Засоленные грунты в России распространены примерно на 10 процентах всей территории, преимущественно в Крыму, на Кавказе, а также Западно-Сибирской низменности.

Цитата из СП 22.13330.2011: «Степень засоленности грунта Dsal, % — отношение массы водорастворимых со лей в грунте к массе абсолютно сухого грунта.»

Засоленные грунты при фильтрации воды подвергаются выщелачиванию. Вода растворяет соли, способствуя увеличению пористости. Основания грунтов в конечном итоге подвержены суффозионной осадке. При увлажнении засоленных грунтов изменяются их физико-механические свойства: плотность, прочность, деформируемость и водопроницаемость. К тому же еще одна опасность засоленных грунтов — агрессивность воды с растворенными в ней солями к стройматериалам, бетону.

Засоленные грунты в замоченном состоянии могут быть набухающими или просадочными. Все расчеты по засоленным грунтам доверьте специалистам.

Каким бы сложным грунт ни был на вашем участке, современные технологии строительства могут обеспечить вам прочную постройку на любом основании. Но только при условии полноценного инженерно-геологического обследования, проведения всех необходимых расчетов на основании этого исследования. Обладая знанием о всех возможных нагрузках на основание и будущее сооружение, можно сделать экономически целесообразный выбор подходящего по всем параметрам фундамента, который не даст трещины и деформации.

Если вы уже знаете, какой грунт у вас на участке, мы предлагаем вам воспользоваться калькулятором фундамента для расчета количества материалов и допустимых параметров конструкции.

Органоминеральные и органические грунты — торфы, заторфованные, сапропели

Торфяники распространены в Подмосковье, на востоке и северо-востоке. Они относятся к слабым грунтам, с присущей низкой прочностью.

Заторфованный грунт отличается от торфа процентным соотношением содержанием органического вещества – содержание больше 50% органики говорит о торфе, а содержание от 10 до 50% орган.остатков говорит о том, что перед нами заторфованный грунт, на основе песчаного грунта или глинистого.

Какие характеристики присущи торфам и заторфованным грунтам?

• Высокая водонасыщенность
• Сильная сжимаемость
• Осадочность, медленно протекающая
• Изменяемость характеристик под нагрузками
• Подземные воды представляют собой весьма агрессивную среду по отношению к строительным конструкциям.

Помимо градации по количественному содержанию торфа органоминеральные и органические грунты делятся на:

• Открытые, находящиеся близ поверхности;
• Погребенные, располагающиеся в виде слоев или линз в глубине толщи;
• Искусственно погребенные

Также важно значение степени разложения торфяных грунтов – степень разложения слагаемых его растительных остатков – гумуса.

Очень важно оценить и характер залегания торфосодержащих пород:

Напластование, имеющее в составе торф и заторфованные грунты — одно из наихудших оснований, так как приводит к дальнейшим деформациям и просадкам.

Сапропель – илосодержащая и одновременно торфосодержащая порода, с процентным содержанием органических веществ больше 10%. Коэффициент пористости сапропеля — в районе е> 3, характерна текучепластичная или текучая консистенция.

Нельзя возводить фундамент с непосредственным опиранием его на сильнозаторфованные грунты, торфы, сапропели и ил.

Мероприятия по укреплению неустойчивых органических и органикоминеральных грунтов описаны в СП 22.13330.2011 разделе 6.4 «Органоминеральные и органические грунты».

В числе мероприятий замена нейстойчивого грунта средне- или крупнозернистым песком, гравием (что может быть очень дорого, например, в виду высокой мощности слоя торфа), а также можно прибегнуть к строительству свайного фундамента с опиранием свай на слой грунта с высокими прочностными характеристиками.

Нельзя забывать, что в органических грунтах очень агрессивная среда для бетона и металла, поэтому нежелательно использовать стальные сваи, нужно позаботиться об изоляции свай для продлевания срока использования строения.

Слабые водонасыщенные глинистые

Эта группа представлена илом, сапропелем, а также глинистыми грунтами в текучем или текучепластичном состоянии . Характерными свойствами такого типа сложных грунтов являются:

• большая водонасыщенность: влажность от 0,8, больше 80% заполненных водой пор;
• значение угла внутреннего трения 3°-14°, сцепления 0-0,02 МПа
• частая большая мощность водонасыщенного слоя — до 20 м;
• высокая сжимаемость грунта и малая прочность;
• расчетные осадки сооружений разнятся иногда значительно с реальными, фактическими посадками.
• неравномерная и очень большая осадка фундамента, построенного на водонасыщенном грунте.

Сапропель мы описывали и показывали чуть выше, приведем только его физические свойства:

Ил – органоминеральный грунт, с содержанием >3 % органики и >30% мелких частиц менее 0,01мм, с текучей консистенцией IL> 1, коэффициентом пористости е ≥ 0,9.

Какие варианты фундаментов используют в строительстве?

• свайные фундаменты из железобетонных свай,
• песчаные подушки,
• дрены (песчаные сваи),
• известковые сваи,
• дренажные прорези

Стоит отметить, что имеет место быть процесс кольматации песка (естественное попадание мелких частиц, особенно глинистых и пылеватых в поры и трещины оснований) при устройстве песчаных подушек, свай, что со временем снижает устойчивость и прочность фундаментов.

Пучение грунта что это, виды пучения,

Что такое пучение грунта

Перекошенные дверные коробы, трещины на стенах и щели в оконных коробах — следствие деформационных влияний, оказываемых грунтом на основание дома.

Деформационные нагрузки почвы на основание происходят в результате сезонного промерзания грунта — так называемого морозного пучения.

Рис 1.1: Трещины в цоколе — характерный признак воздействия сил пучения на фундамент дома
Пучение — это изменение объема почвы, происходящее в следствии замерзания грунтовых вод, которыми она пропитана.

Совет эксперта! Расширение объема почвы обуславливается тем, что номинальная плотность воды в жидком состоянии составляет 1000 килограмм на кубометр, тогда как плотность льда — 917 кг/м3.

При наступлении сезонных морозов происходит следующее: согласно законам физики масса жидкости после замерзания остается неизменной, однако ее объем расширяется почти на 9%, в результате это расширения влага оказывает давление на почву — поскольку движение почвы вниз невозможно, из-за высокой плотности нижерасположенных слоев грунта, грунт движется вверх и поднимает фундамент здания.

Рис. 1.2: Почва, увеличившаяся в объеме в результате морозного пучения

Выделяют два характера воздействий морозного пучения на основание дома:

• Вертикальное выталкивающее воздействие — происходит вследствие пучения слоев почвы, расположенных под основанием здания;
• Касательное пучение — это выталкивающее воздействие, которое происходит вследствие пучения грунта, контактирующего с боковыми стенками фундамента.

Как решить проблему пучинистых почв

Существует масса способов, которые позволят понизить уровень пучения почвы. Рассмотрим самые распространенные.

Замена грунта

Замена пучинистого грунта считается наиболее трудозатратным и дорогостоящим процессом, так как предполагается полное удаление почвы, находящейся на месте будущей постройки. После этого засыпается новая земля или крупнозернистый песок и гравий, и фундамент укладывается на непучинистую почву.

Утяжеление здания

Чем меньше вес постройки, тем больше вероятность того, что на нее будет оказывать давление земля, разбухающая в холодное время года. Чтобы этого не происходило, рекомендуется возводить более массивные постройки. Однако, это также ведет к серьезным финансовым затратам.

Возведение плитного фундамента

Придать дополнительный вес зданию и предотвратить давление грунта можно установив в качестве основания для дома плитный фундамент. Цельная монолитная плита высотой более 20 см, заглубленная в землю будет подвергаться силам морозного пучения, однако в этом случае она просто равномерно приподнимется зимой и займет исходное положение, когда температура воздуха повысится.

Технически построить плитный фундамент не сложно (трудности могут возникнуть только на этапе армирования), тем не менее, такая основа тоже обойдется недешево.

Установка свайного фундамента

Если вы хотите обойтись малой кровью, то дешевле всего будет установить свайный фундамент. Однако стоит учитывать, что подобные конструкции подходят только для домов небольшого веса (каркасных, сооружений из сип-панелей и так далее).

В качестве фундаментального основания подойдут:

• винтовые сваи, которые вкручиваются в почву чуть ниже уровня промерзания;
• армированные конструкции (в этом случае необходимо подготовить скважины и установить в них стержни, обмотанные рубероидом и металлическим каркасом).

После установки свай, элементы соединяются при помощи распределяющих нагрузку плит или балок (ростверка), которые укладываются по периметру будущей постройки и утепляются пенопластом или пенополистиролом.

Некоторые строители возводят на пучинистых почвах кирпичные столбчатые конструкции высотой до 60 см и заглубляют их примерно на 15 см, однако такие основания подходят только для беседок, летних кухонь и прочих сооружений, не предназначенных для проживания.

Постоянное отопление дома

Если сравнивать температуру почвы, расположенной под отапливаемым и неотапливаемым домом, то в первом случае она будет выше почти на 20%. Соответственно, если в здании круглогодично будут проживать люди и постройка будет отапливаемой, то сила пучения сведется к минимуму.

Дренаж грунта

Чтобы предотвратить распирание почвы, можно снизить содержание воды в земле. Для этого необходимо соорудить дренажный колодец, который будет находиться на некотором отдалении от постройки. Чтобы построить такую систему необходимо:

• Вырыть траншею вокруг дома.
• Заложить в нее трубы с небольшими отверстиями по бокам. Чтобы вода от дома отводилась самотеком, необходимо укладывать трубы под небольшим уклоном по направлению к дренажному колодцу. Соответственно, чем ближе к колодцу расположен трубопровод, тем глубже он закладывается.
• Обсыпать трубы гравием и покрыть геотекстилем.

Теплоизоляция грунта

Чтобы снизить пучинистость грунта, можно возвести отмостку. Обычно такая конструкция изготавливается по периметру постройки для того, чтобы защищать фундаментальное основание от дождевых вод. Но, если произвести более мощную теплоизоляцию отмостки, можно будет снизить уровень расширения земли в зимний период.

Чтобы изготовить утепленную отмостку, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

• Ширина отмостки должны быть на 1-1,5 м больше ширины промерзания грунта.
• В качестве основы для отмостки рекомендуется использовать песок, который тщательно трамбуется и проливается водой.
• На песок укладывается пенополистирол или любой другой утеплитель слоем около 10 см.
• Сверху укладывается гидроизоляция (рубероид).
• На гидроизоляционный слой укладывается щебень и все заливается бетоном.
• Перед бетонированием рекомендуется выполнить армирование стальной сеткой диаметром 4 мм и размером ячеек 15 х 15 мм.

Какие виды почвы подвергаются пучению

Пучение характерно для большинства видов почвы, особенно данной проблеме подвергаются следующие типы грунта:

• Песчаная почва;
• Суглинок;
• Супесь;
• Глиняный грунт.

Вышеуказанные виды почвы обладают одной общей чертой — в их составе содержатся мельчайшие пыльные частицы. Та же песчаная почва, не содержащая пылеватых частиц (гравелистая либо песок крупных фракций) практически не подвергается воздействиям сезонного пучения.

Совет эксперта! Наличие пылеватых частиц в грунте способствует тому, что почва приобретает свойство связывать и удерживать контактирующую с ней воду (это могут быть как впитавшиеся в землю атмосферные осадки, так и грунтовая влага).

Пропитанный водой пласт почвы, в процессе замерзания расширяется в объемах (до 9-12% от первоначального объема) и давит на основания зданий и построек, оказывая на них выталкивающую нагрузку.

Рис 1.3: Воздействие пучения грунта на плитный фундамент

Силы пучения почвы могут быть увеличены разнообразными сопутствующими факторами, основной из них — постоянные атмосферные осадки. Если осенью регулярно будут идти дожди, то пропитавшаяся осадками почва будет оказывать более сильную деформационную нагрузку на фундамент. Также к усиливающим пучение факторам можно отнести повышение уровня залегания грунтовых вод и их капиллярное поднятие.

Совет эксперта! Свыше 82% всех видов грунтов В Москве и области классифицируются как пучинистые.

При возведении построек на пучинистых грунтах нужно предпринимать дополнительные меры защиты фундамента от выталкивающих воздействий почвы, о которых более детально мы поговорим в соответствующем разделе статьи.

С классификацией пучинистости разных видов грунтов согласно ГОСТ № 25100 вы можете ознакомится в таблице 1.1.

Класс пучинистости, %	Виды грунта
Грунты, не подвергающиеся морозному пучению; Расширения объема менее 1%	Твердая глинистая почва; Гравелистые грунты не насыщенные водой; Пески крупных и средние; Грунты с большим содержанием горных пород.
Грунты, слабо подвергающиеся морозному пучению; Расширение объема от 1 до 3.5%	Глинистая почва средней плотности; Мелко-песчаные грунты; Пылеватая глинистая почва с вкраплением горных пород в пределах 10-30% от массы глины.
Грунты со средней склонностью к пучению; Расширение объема от 3.5 до 7%	Пластичная глинистая почва; Глинистая почва, суглинок и супесь с вкраплением горных пород свыше 30% от массы.
Грунты с высокой склонностью к пучению; Расширение объема от 7%	Мягкопластичная глининистая почва; Мелкие и пылеватые песчаные грунты с высоким уровнем грунтовых вод.

Таблица 1.1: Классификация пучинистости грунтов

Узнай почему свайный фундамент помогает избежать проблем с морозным пучением: узнать

Особенности пучинистых грунтов

Пучинистый грунт расширяется при замерзании
Морозное пучение — это деформация влагонасыщенных почв внутри объема. Криогенное вздутие нескальных грунтов происходит из-за кристаллизации капель и разуплотнения органических компонентов. Ледяные вкрапления в нескальных породах получают форму поликристаллов, прослойков, линз. Пылевато-глинистые слои набухают от подъема влаги из ниже лежащих пластов к области промерзания.

Варианты пучения:

• если влага распределяется равномерно по вертикали почвы, пучение проявляется на уровне 3%;
• движение потоков или неравномерное промерзание ведет к увеличению набухания до 10-25%.

Конструкции фундаментов поднимаются от вздутия грунта, но весной при оттаивании не могут осаживаться вместе с землей в обратном направлении, возникает эффект выпучивания опор (столбов, монолитных и сборных лент). В торфяниках возникают долговременные бугры вспучивания, которые образовываются разными способами.

При зимней оттепели мигрируют водяные потоки, которые впоследствии замерзают. Такое явление повторяется многократно и ведет к появлению объемных ледяных шаров. Бугры растут со скоростью до 10 – 20 см за год. Рыхлые грунты зимой смерзаются с телом вкопанного фундамента, а весной поднимают его. Полость под опорой наполняется жидкостью или разжиженным грунтом. Процесс повторяется несколько лет и ведет к обрушению дома.

К непучинистой категории относят обломочные породы и скальные почвы. Осколочные фрагменты получаются при разрушении горношахтных пород, в группу попадает щебень, гравий и другие материалы с крупными зернами в составе. Сюда же относят пески средней и крупной фракции.

Увеличение структурных частиц ведет к уменьшению степени пучения. Фундаменты в таких слоях заглубляют независимо от отметки промерзания и уровня стояния почвенной жидкости.

Как определить тип почвы

Измеритель степени пучинистости грунта
Полевые изыскания грунта включают инструментальные исследования и наблюдения за поведением закрепленных глубинных маркеров (реперов). Применяют приборы (пучиномеры), которые содержат в конструкции термоизоляционный контейнер для почвы с образцом опоры и датчики измерения сдвига.

Склонность земельного слоя к вздутию называют степенью морозной пучинистости. Ее находят по формуле F = (R – r) / r, где:

• F — степень пучения;
• R — высота набухшего слоя;
• r — высота образца до замерзания.

К пучинистым относят почвы, показатели которых больше 0,01, такие породы увеличивают объем больше чем на 1 см при глубине промерзания 1 м.

Оценка заключается в исследовании опытного фундамента с анкерными элементами для противодействия пучению. Измерительный прибор имеет пружинистый элемент, деформации которого показывают уровень вздутия. Линейные размеры сдвига фиксируют датчики и детекторы.

Есть методы определения степени пучинистости без нарушения целостности образцов под действием сил деформации. Информативные датчики не вводят в землю, приборы не контактируют со слоем почвы.

К таким исследованиям относят:

• гаммаскопию;
• ультразвуковой рентген;
• лазерный способ.

Такие приборы фиксируют сдвиги и перемещения минеральных частиц при деформации на расстоянии, но для считывания и работы с показателями требуются специальные технические знания и умения.

При возведении частного дома заказывают лабораторное изучение образца земельного слоя на участке. Анализ занимает некоторое время, но в результате выдается официальное заключение и сертификат о составе и свойствах грунта в месте строительства.

Есть грубая оценка, которая по гранулометрическому строению заведомо определит непучинистый грунт. Среднее тестирование проводят по формулам. Точный результат получают по итогам полевого изыскания или лабораторного исследования.

Чем пучение почвы опасно для фундамента

Для оснований любого вида — ленточных, плитных и свайных, опасным является не только сам процесс вспучивания почвы, но и последствия ее оттаивания.

При наступлении зимы, когда температура понижается ниже нуля и грунт промерзает на глубину одного-двух метров, почва расширяет и начинает выталкивать фундамент здания. Происходит вертикальная деформация основания. При наступлении оттепели, замершие грунтовые воды оттаивают, почва теряет свою плотность и под давлением массы здания уменьшается до объемов, на несколько процентов меньших ее первоначальных размеров — в результате этого происходит дополнительная усадка фундамента.

Совет эксперта! Наиболее опасным для фундаментов является неравномерное пучение грунта, которое может наблюдаться при разной толщине снежного покрова — чем он толще, тем выше поднимается граница промерзания почвы и тем больший ее пласт подвергается пучению.

Рис. 1.4: Результат морозного пучения грунта
Строительная практика показывает, что конкретный земельный участок может иметь крайне сложную схему промерзания и пучинистого поднятия почвы.

К примеру: грунт вокруг здания, расположенного на среднепучинистой почве, по внешнему периметру постройки может иметь глубину промерзания до полутора метров и при сезонном пучении подниматься до 10 см. вверх, тогда как грунт, расположенный под домом всегда будет более теплым и сухим, и пучению может не подвергаться вообще.

Только так можно решить проблему и не допустить разрушения здания в результате пучения: посмотреть

Неравномерное пучение также может стать следствием оттаиванием снежного покрова на южной стороне здания — почва, пропитанная влагой из оттаявшего снега, при наступлении следующих заморозков будет подвергаться увеличенным силам пучения, в сравнении с силами на северной стороне здания.

Совет эксперта! В результате неравномерного пучения почвы фундамент здания перекашивается, это же происходит и со стенами постройки — в результате перекоса по ним идут трещины, конструкция деформируется, теряет прочность и приходит в аварийное состояние.

Рис. 1.5: Недостроенное здание, пришедшее в аварийное состояние из-за пучения грунта

Самую высокую опасность сезонное пучение представляет для легких домов, возведенных из пенобетона, дерева либо каркасных панелей. Обуславливается это неспособностью компенсации давлением массы здания оказываемых на фундамент выталкивающих нагрузок.

Строение обладающее достаточно большой массой (к примеру, дом из кирпича), будет давить на фундамент, и если давление от тяжести конструкции превысит выталкивающее давление грунта, почва из-за невозможности расширения будет уплотняться и воздействия пучения ослабятся к минимуму.

Типы фундамента

Непучинистый грунт – отличный вариант при строительстве здания. При любом промерзании и влажности не нужна глубокая заливка. Неподвижная основа позволит возвести несущие конструкции с минимальными затратами сил и финансовых вложений.

Непучинистый грунт из габаритных скальных осколков или крупной гальки помогает создать крепкий и надежный фундамент. Снимают верхний растительный слой, вырывают неглубокую канавку (до 20 см), которую заливают строительным бетоном. После затвердения массы можно приступать к возведению строения.

Как обустроить основу Источник sdelai-lestnicu.ru

Заглубленный фундамент для непучинистого грунта подойдет для дачного дома. На участке создают траншею, глубиной в 70 см. Яму наполняют крупным песком, тщательно утрамбовывают. Рассыпчатое сырье укладывают слоями, каждый из которых обильно орошают водой. Основу заливают бетоном, после высыхания приступают к возведению цоколя и стен.

Если грунт пучинистый сухой или подземные источники расположены ниже 2 м, то можно уменьшить расход стройматериалов, используя в котловане песок или гальку. На поверхности почвы ставят опалубку, в траншею высыпают рассыпчатые компоненты, потом выливают бетон.

При близком прилегании подземных источников пучинистого грунта придется создавать надежную конструкцию. Часто используют сваи (железные, винтовые), которые вбивают на уровень промерзания почвы. Для хозяйственных построек применяют столбчатый метод, для домов – бетонный ленточный.

Способы уменьшения влияния пучения грунта на фундамент

Строительство ленточных и плитных фундаментов на пучинистых грунтах должно обязательно сопровождаться обустройством уплотняющей подсыпки.

Такая подсыпка состоит двух слоев — крупного песка и гравия либо щебня. Толщина слоев подсыпки должна быть одинаковой, при этом общая толщина уплотнения начинается с 20 сантиметров для слабопучинистых грунтов, и увеличивается до 35-40 сантиметров для сильнопучинистой почвы.

Рис. 1.6: Схема уплотняющей подсыпки под ленточный фундамент

Совет эксперта! Подсыпка для уменьшения вертикальных выталкивающих воздействий выполняется под основанием фундаментной ленты, на дне выкопанной под фундамент траншеи. Для уменьшения касательных сил пучения подсыпка делается по внешнему периметру стенок уже возведенного фундамента.

Однако данная мера является недолговечной ввиду того, что подсыпка, в период повышения уровня грунтовых вод, которое происходит осенью и во время оттаивания снежного покрова, полностью окружается водой. При пропитывании влагой в песок и гравий из грунта проникают пылеватые частицы. В результате этого со временем непучинистые материалы подсыпки приобретают склонность к пучению и теряют свою защитную функцию.

Уменьшить данный негативный фактор позволяет использование специальных противозаиливающих рулонных материалов, которыми покрываются стенки подсыпки. Такие материалы (оптимальный вариант — Стеклохолст) пропускают воду, однако фильтруют все находящиеся в ней мельчайшие частицы ила и пыли.

Рис. 1.7: Комплексная защита фундамента от пучения грунта

Также высокую эффективность демонстрирует практика обустройства дренажа. Такая система представлена дренажными трубами, расположенными по периметру фундамента в подсыпанном слое гравия, выполняющего функцию фильтра. Трубы располагаются под уклоном, что позволяет скопившимся в них грунтовым водам самотеком стекать в специально отведенный накопительный резервуар.

Как уменьшить пучинистость грунта в основании фундамента

Часто бывает выгодно укрепить грунт, что позволит сделать простой и надежный фундамент. При сильно пучинистых грунтах имеет смысл сосредоточиться прежде всего на улучшении характеристик грунта

основания, а уже потом на расчёте толщины-ширины ленты фундамента и её армировании.

Для снижение деформаций пучения грунта обычно выполняют следующие мероприятия:

1. Хорошим вариантом решения проблемы стабилизации пучинистых грунтов может быть устройство насыпи из непучинистого грунта

и устройство фундамента уже на ней. В этом случае решаются две задачи — поднимается общий уровень придомовой территории (обычно это актуально для таких грунтов) и улучшаются параметры грунта.

2. Частичная или полная замена пучинистого слоя

на непучинистый путём создания подушек из крупного или среднего песка с высоким коэффициентом фильтрации.

3. Понижение влажности грунта

(путём использования геотекстиля для снижения капиллярного подсоса, устройства дренажа, глиняных замков и отмосток, понижение уровня подземных вод, отвод поверхностных вод от здания посредством устройства вертикальной планировки, водосборных канав, лотков, траншей, дренажных прослоев и т.п.).

4. Утепление грунтов,

например, устройство теплоизолированного фундамента мелкого заложения (ТФМЗ).

Классификация грунта по степени пучинистости

Схема размещения песчаной подушки.

Перед тем как укладывать фундамент своими руками, необходимо знать тип грунта в зависимости от его способности увеличиваться в размере при низкой температуре. Выделяют 4 вида грунта: непучинистый, слабо-, средне- и сильнопучинистый. Классификация основана на величине таких показателей, как коэффициент водонасыщения и показатель текучести почвы. К непучинистым почвам относят те, степень пучения которых менее 0, 01. К слабопучинистым можно отнести глину с величиной текучести от 0 до 0,25, пески пылеватые и мелкие с коэффициентом водонасыщения от 0,6 до 0,8. В эту группу входят и крупнообломочные земли с наполнителем. В качестве последнего может быть песок мелкий и пылеватый.

При этом количество его должно находиться в пределах от 10 до 30% в массовом коэффициенте. В группу среднепучинистого грунта входят почвы со степенью пучения от 0,035 до 0,7. К ним относятся глина с текучестью от 0,25 до 0,5; пески мелкие и пылеватые с водонасыщением от 0,8 до 0,95; крупнообломочные почвы с наполнителем более 30% по массе. Наибольшую опасность представляет сильнопучинистый грунт. Он представлен следующими показателями: степень пучинистости более 0,07; текучесть глины больше 0,5; пески мелкие с водонасыщением более 0,95.

Геологическое исследование грунта под фундамент

Перед планировкой расположения фундамента и определения его типа, в первую очередь, необходимо произвести геологическое исследование грунта. Ведь фундаменты на разных грунтах

будут совершенно отличаться друг от друга. Что хорошо будет на песчаном грунте, то совершенно будет неприемлемо при пучинистом или глинистом. А если возвести дом, не учитывая все эти нюансы, то со временем здание может осесть или перекоситься, ломая при этом стены и крышу.

Инженерно-геологический анализ можно доверить специалистам, а можно и сэкономить, произведя его самостоятельно. Сделать это можно двумя методами: определением процентного отношения песка, глины и ила или с помощью визуально-тактильной оценки. Рассмотрим второй, наиболее простой, метод.

Лёссовые грунты, лёссы, лессовые суглинки

Нельзя сказать с точностью, каким образом появились такие грунты, ученые до сих пор об этом спорят. Лёссовые породы относятся к структурно-неустойчивым грунтам (но не все из них просадочные).

Такой тип очень распространен на протяжении больших территорий в России, Украине, Европе, причем лёссом занято более 80 % территории Украины. Залегание такого типа грунта обычно располагается сразу под почвенным покровом, в верхних слоях.

Лессовые грунты обычно светло-желтого или светло-коричневого цвета (его еще называют палевый цвет), или же даже буро-желтого.

Лессовые грунты содержат больше воздуха, чем твердых частиц, содержат множество макропор, пористость до 60%. Больше 60 процентов частиц – мелкие пылеватые, также содержится глина и в меньшей степени песок.

На изображениях ниже можно рассмотреть характерное для лёссовых пород наличие вертикальных «бороздок», прожилок или канальцев. Такие макропоры в виде трубочек доходят в диаметре до 3 мм.

Различают типичные лёссы и лессовые суглинки. Лёссовые суглинки содержат больше глины, чем типичные лёссы, им присущ более темный цвет, иногда красновато-бурый. Лёссовые суглинки менее пористые и, следовательно, более плотные, менее просадочные.

В обычном состоянии лессовые отложения весьма прочные, способны выдерживать большие нагрузки, но при увлажнении прочность теряется, возникают дополнительные просадочные деформации от нагрузки – как внешней, так и от собственного веса.

Чтобы определить степень просадки лёсса, его в лабораторных условиях уплотняют под давлением, а затем подвергают замачиванию.

прибор для определения касательной силы морозного пучения — НПП «Геотек»

В 2016 году в России вступил в силу новый ГОСТ 56726-2016, регламентирующий новые методы определения касательной силы морозного пучения. Эти методы призваны значительно увеличить точность расчетов при проектировании зданий и сооружений в регионах с пучинистыми грунтами, которые встречаются практически по всей территории России.

Грунт, расширяясь при промерзании, стремится “поднять” погруженную в него конструкцию: будь то бетонные, металлические, деревянные и любые другие материалы. Степень пучинистости грунта по периметру фундамента, чаще всего, отличается весьма существенно, что приводит к перекосам конструкции и даже частичному разрушению зданий и сооружений.

Сила, действующая при пучинистом расширении грунта на фундамент, прикладывается не только снизу, но и с боков — по касательной. Касательный компонент этой силы может составлять до 70 кН на квадратный метр фундамента в зависимости от свойств грунта, материала фундамента и способа его заложения.

Максимальные касательные усилия, возникающие на границе материала фундамента (сваи) и грунта важно учитывать на стадии проектирования зданий и сооружений, так как в зависимости от свойств конкретного грунта последствия этого явления могут быть весьма значительными. Именно поэтому в большинстве лабораторий при проведении лабораторных испытаний грунтов также проводят испытания пучинистых грунтов с целью определения касательных сил морозного пучения.

С введением нового ГОСТа лабораторная база многих изыскательских лабораторий устарела. И хотя это вызвало негативную реакцию со стороны многих изыскателей, объективные причины для обновления ГОСТа были достаточно серьезные. Согласно ГОСТ 12248-2010, который до недавнего времени регламентировал аналогичные испытания, площадь соприкосновения грунта с материалом фундамента в процессе испытания постоянно уменьшается, что является искажением реального процесса. В результате чего, зачастую влияние касательных сил морозного пучения недооценивалось при проектировании фундаментов. Как следствие таких ошибок — трещины в стенах, перекосы и тому подобное — вплоть до разрушения зданий.

В реальных условиях площадь соприкосновения грунта и фундамента (сваи) остается практически постоянной: мерзлый грунт постоянно сцеплен со всей боковой поверхностью материала фундамента.

Изменение требований стандарта к методике проведения испытаний в полной мере были учтены инженерами НПП “Геотек” при разработке новой модификации срезного прибора на базе автоматизированного испытательного комплекса АСИС:

• во-первых, была разработана новая оснастка;

• во-вторых, внедрен уточненный метод определения касательной силы морозного пучения

С помощью нашего прибора можно проводить измерение величины касательных сил морозного пучения грунтов со строительными материалами разных типов: бетоном, раствором, металлом, деревом и т. д.

Морозное пучение

Теория

    Морозное пучение – это увеличение объема влажного грунта вследствие его промерзания. Увеличение плотности воды при охлаждении объясняется тем, что молекулы воды замедляют свое движение, но это справедливо лишь до температуры 4° С, при которой вода имеет наибольшую плотность. В диапазоне температур от 4 до 0° С в молекуле воды происходит перестройка водородно-кислородных связей и возникает иная молекулярная структура. Новый вид межмолекулярной связи образует менее плотную упаковку молекул, так что объем воды увеличивается. Такой перестройкой молекулярной структуры и объясняется расширение воды при замерзании (кстати, кроме воды, таким свойством обладают сурьма, висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси). Плотность воды составляет 1000 кг/м.куб., плотность льда 916 кг/м.куб., это значит, что при одинаковой массе лед будет занимать больший объем, нежели вода примерно на 9%. Зимой вода, содержащаяся в грунте, превращается в лед, увеличиваясь в объеме, и тем самым создает давление на грунт. Под действием этого давления грунт начинает двигаться. Это давление не может продавить глубоко залегающие нижние плотные слои грунта, поэтому выдавливает грунт вверх, а вместе с ним и фундамент дома.

    Грунты по степени пучинистости подразделяют на следующие типы:

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

    Больше всего морозному пучению подвержены глинистые грунты (объем грунта может увеличиваться на 10-15%, то есть при глубине промерзания 1м поверхность грунта может подняться на 10-15 см). Песчаные грунты подвержены пучению гораздо меньше; каменистые и скальные – практически не подвержены. В глинах или мелких песках влага может достаточно высоко подниматься от уровня грунтовых вод за счёт капилярного эффекта. А между частицами крупнозернистого песка или гравия вода просачивается и уходит в нижележащие слои, а та влага, которая и содержится в песчаном грунте, распределяется в нем равномерно, поэтому пучение такого грунта происходит равномерно. Чем тоньше структура грунта, тем выше поднимается влага, тем более пучинистым будет грунт. Поднятие воды в грунте за счёт капилярного эффекта для суглинков может достигать 4 — 5м, в супесях — 1 — 1,5м, в пылеватых песках вода может подниматься на 0,5 — 1м. 

    Таким образом, степень пучинистости зависит не только от глубины промерзания грунта, но и от уровня грунтовых или паводковых вод, от зернового состава грунта. То есть, если у вас грунт — сплошная глина, но уровень грунтовых вод за 3 метра, глубина промерзания 1 метр и вы хорошо сделали дренаж — вы имеете в общем-то слабопучинистый грунт. Но если у вас та же глина в том же климате, но уровень грунтовых вод около 1 метра, да ещё и дренаж не сделали — грунт будет чрезмернопучинистым и нужно приложить максимум усилий для компенсации пучинистых явлений.

Воздействие сил морозного пучения на фундамент

     Зимой сила пучения достаточно велика, чтобы поднять фундамент вместе с домом, при этом нет никакой гарантии, что приподнятый дом весной вернется в исходное положение. Это было бы не так страшно, если бы дом поднимался и опускался равномерно, но это не так. В результате в доме возникают перекосы стен, дверных проемов и окон. В наибольшей степени это относится к каркасным или щитовым домам, в меньшей степени к домам сложенным из бруса, так как они сами по себе представляют жесткую конструкцию. Стены кирпичного дома при пучении могут потрескаться из-за того, что фундамент поднимается неравномерно — с одной стороны больше, с другой меньше. Например, под отапливаемым домом земля не промерзает и часть фундамента под внутренними стенами дома не испытывает действия пучения, в то время как вокруг дома за внешними стенами фундамента промерзание есть. Осенью с северной стороны дома земля начинает промерзать быстрее, чем с южной: с одной стороны дома есть пучение, с другой — нет.

    Силы морозного пучения действуют не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки, ведь грунт увеличивается в объеме не только под основанием фундамента, но и вокруг него. Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его стенкам и при движении тянет его за собой. Таким образом, всю силу пучения можно разложить на две составляющие: одна действует на основание (нормальная составляющая), вторая на стенки (касательная составляющая). Чем глубже закладывается фундамент, тем меньше сила пучения, которая действует на основание фундамента. Но, вместе с тем, боковая поверхность увеличивается и с ней увеличивается суммарная касательная сила, действующая на стенки фундамента. Воздействие касательного пучения может быть очень значительным – до 5-7 т/м.кв. Этого хватит, чтобы выдавить из грунта глубоко заглубленный фундамент, на котором возведен легкий каркасный дом, вес которого не способен уравновесить действие пучения. Поэтому заглубление фундамента на глубину ниже глубины промерзания совсем не гарантирует его устойчивость к пучению. Например, столбчатый фундамент деревянного каркасного дома, заглубленный на два метра, будет выталкиваться вверх касательными силами морозного пучения, основания столбиков фундамента будут отрываться от слоя грунта, на который они опирались, грунт будет сыпаться в образовавшийся зазор и заполнит его. Весной, когда земля оттает, столбику некуда будет опускаться, он так и останется в «приподнятом» состоянии, а на следующий год история повторится.

Существует две крайности:

• Глубоко заглубленный фундамент: на его основание не действуют силы пучения, зато на его боковую стенку их воздействие максимально. Заглубленные фундаменты применяются для строительства кирпичных, каменных и бетонных домов, вес которых должен уравновесить действие касательных сил пучения.

• Мелко заглубленный фундамент: на его основание силы пучения действуют в полной мере, но зато минимально их касательное воздействие на боковые стенки. Такие фундаменты применяются для строительства каркасных, щитовых и деревянных домов.

Как бороться с силами пучения?

      Для защиты от морозного пучения существует три основных способа:

• замена грунта на непучинистый;

• удаление влаги из грунта;

• утепление грунта;

• придание гладкой и ровной поверхности фундаменту.

      Замена грунта на непучинистый (т.е. на песчаный), пожалуй, самая распространённая практика при возведении фундамента. Под его основание укладывают подушку из  утрамбованного  песка  высотой  около  30 см  и  шириной  на 20 см больше, чем ширина фундамента. Смысл этой подушки в том, чтобы, во-первых, равномернее распределить нагрузку от фундамента, во-вторых, уменьшить действие нормальной составляющей сил пучения на мелкозаглубленный фундамент, в-третьих, равномерно распределить возможную влагу вокруг фундамента (если вокруг глина, она не пропускает воду и может создавать области по разному увлажнённые, из за чего морозное пучение будет по разному действовать в разных местах). Здесь надо понимать, что песчаная подушка снижает действие пучения не за счет того, что песок непучинистый грунт, а за счет уменьшения слоя пучинистого грунта. Если при глубине промерзания 1,5 м укладывать фундамент на глубину 1 м, то слой пучинистого грунта составит 50 см а его возможное увеличение до 5 см. Если под тот же фундамент делать песчаную подушку 30 см, то слой пучинистого грунта составит уже не 50 см а 30 см, и его возможное увеличение будет не больше 3 см. Непучинистый грунт также рекомендуется использовать для обратной засыпки после того, как фундамент залит и опалубка с него снята. Так в непосредственном контакте с фундаментом будет находиться непучинистый грунт, не содержащий влаги, который не будет примерзать к его стенкам. Со временем (через несколько лет) песок в обратной засыпке и в подушке может заилиться: частички глины из окружающего грунта будут попадать в него, и он потеряет свои непучинистые свойства. Для защиты от заиливания песчаную подушку и обратную засыпку нужно отделить от остального грунта пленкой или фильтрующей тканью. И ещё, эту подушку из песка, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку и паводковые воды из под фундамента.

    Другая мера по борьбе против пучения — это удаление влаги. В свою очередь эту меру можно разделить на две составляющих — защита от попадания влаги с атмосферными осадками и удаление уже имеющейся влаги. Чтобы оградить грунт вокруг фундамента от осадков в виде дождя и тающего снега по всему периметру дома нужно делать отмостку. Ее ширина должна быть больше ширины обратной засыпки, чтобы вода отводилась подальше от фундамента, а лучше продумать систему ливневой канализации. Если уровень грунтовых вод на участке высок, и глина не даёт ей уходить в землю — необходимо провести мелиорационные работы, прокопать дренажные каналы или уложить дренажные трубы (дрены).

   Утепление грунта вокруг дома позволяет уменьшить или вообще исключить промерзание земли. Благодаря утеплению грунта становится возможно строительство мелкозаглубленных фундаментов за счет искусственного уменьшения глубины промерзания. Однако это возможно только в областях, где среднегодовая температура положительная. Ширина полосы утеплителя должна соответствовать глубине промерзания: если земля промерзает на 1 м, то утеплять надо вокруг дома полосу шириной 1 м. Толщина утеплителя зависит от его теплоизоляционных свойств и от климатических условий. Обычно закладывают экструзионный пенопласт толщиной 3 — 5 см.

    Еще одна мера по защите фундамента от морозного пучения, применяемая при строительстве любых видов фундаментов, — это сделать его поверхность более гладкой. Сам по себе бетон — пористый материал, и с его поверхностью грунт хорошо смерзается и при пучении сильно воздействует на него. Самый простой способ устранить это — прокладывать рубероид между поверхностью фундамента и грунтом. Рубероид более гладкий материал, и движущийся грунт будет по нему скользить, и касательная составляющая силы пучения значительно снижается.

       Кстати, есть ещё один специфический способ — повышенное давление. Наличие давления от веса строения также сказывается на пучинистых явлениях. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то степень пучинистости его так-же уменьшится из за уменьшения капилярного эффекта. Причём, чем больше давление, тем меньше величина пучения.

Измеритель степени пучинистости грунта УПГ-МГ4.

01/Н Грунт

Измеритель степени пучинистости грунта УПГ-МГ4.01/Н Грунт предназначен для измерений температуры и перемещения поверхности образца грунта при его промораживании в заданном температурном режиме. Принцип действия измерителя основан на изменении сопротивления потенциометрического датчика перемещения в зависимости от вертикальной деформации образца грунта при его промораживании. Для измерения температуры образца грунта применяются терморезисторы, электрическое сопротивления которых изменяется в зависимости от их температуры. Сигналы с датчиков температуры и перемещения регистрируются блоком управления, обрабатываются, и результаты измерений в единицах длины и температуры отображаются на дисплее.

Конструктивно измеритель состоит из блока управления, регулятора холодильной камеры (РХ) и термоконтейнеров (от одного до шести), в состав которых входят:

• верхняя термостатированная плита с встроенным датчиком температуры;
• нижняя термостатированная плита с двумя встроенными датчиками температуры;
• датчик перемещения;
• термоизолирующий кожух;
• обойма для образца грунта;
• силовая рама.

Блок управления выполняет следующие функции: регулирование температуры в холодильной камере; преобразование сигналов с датчиков силы, температуры и перемещения и вывод результатов измерений в единицах силы, температуры и длины на дисплей.

Термоконтейнер состоит из верхней и нижней термостатированных плит, силовой рамы, термоизолирующего кожуха и обоймы для образца грунта, состоящей из пяти колец.

Регулятор холодильной камеры (РХ) обеспечивает включение и отключение компрессора холодильной камеры в зависимости от заданного температурного режима. Холодильная камера подключается к РХ, а вилка РХ подключается к сети переменного тока 220 В. На боковой стенке РХ имеется коаксиальный разъем для подключения РХ к блоку управления.

При испытаниях осуществляется промораживание образцов грунта в термоконтейнерах, помещённых в холодильную камеру, при температуре от -4°С до -9,5°С с поддержанием температуры от +1°С до +2°С на нижней термостатируемой плите. Поддержание постоянной температуры на верхней термоплите осуществляется с помощью регулятора холодильной камеры, а поддержание постоянной температуры на нижней термоплите — с помощью встроенного нагревателя. Температура на верхней и нижней термоплитах задается пользователем. В процессе испытаний обеспечивается автоматическое поддержание температуры верхней и нижней термостатируемых плит с погрешностью 0,2 °С, измерение температуры образца грунта, измерение силы нагружения и вертикальной деформации образца грунта. Прибор имеет режим непрерывной регистрации процесса испытаний всех образцов грунта одновременно, энергонезависимую память и связь с ПК по USB интерфейсу. Прибор УПГ-МГ4.01/Н Грунт по ГОСТ 28622-2012 дополнительно снабжается датчиками промораживания грунта и обеспечивает определения момента замерзания грунта на глубине 100 мм от верхней поверхности образца.

Измеритель степени пучинистости грунта УПГ-МГ4.01/Н Грунт сделан в России и внесен в Госреестр средств измерения РФ (№№67884-17). Гарантийный срок эксплуатации 18 месяцев. Обеспечивается сервисное и метрологическое обслуживание плотномера в течение всего срока эксплуатации. Полный средний срок службы – 10 лет. Сервисные центры находятся в Москве и Челябинске.

Технические характеристики измерителя степени пучинистости грунта приведены в следующей таблице.

Характеристики	Значения
Диапазон измерения перемещения, мм	0 … 15
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения перемещения, мм	± 0,1
Диапазон измерений температуры, °С	-4 … +1	-9,5 … +2
Погрешность измерения температуры, °С	± 0,2
Количество одновременно испытуемых образцов, шт	1…6
Напряжение питания	220 В (50 Гц)
Потребляемая мощность, Вт — блоком управления — термоконтейнером	18 15
Габаритные размеры, мм, не более — термоконтейнера — блока управления	230х230х430 270х220х100
Масса, кг, не более — блока управления — термоконтейнера	2 9

Комплект поставки: блок управления, термоконтейнер, регулятор холодильной камеры РХ, кабель для подключения регулятора холодильной камеры, блок вентиляторов для холодильной камеры с сетевым адаптером, кабель связи с ПК, CD с программным обеспечением, руководство по эксплуатации, упаковочная тара. Дополнительно для УПГ-МГ4.01/Н «Грунт» по ГОСТ 28622-2012 — датчики промораживания грунта (от 1 до 6).

Рекомендуемый тип морозильных камер — Frostor выпускаемые ЗАО «Ока-Фрост» г. Солнечногорск, Московской области.

Дополнительная информация:

Применение измерителя степени пучинистости грунта упг-мг4.01/н Грунт

Подпишитесь на наш канал YouTube

 

Купить измеритель степени пучинистости грунта УПГ-МГ4.01/Н Грунт можно с доставкой до двери или до терминалов транспортной компании в следующих городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов. Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и другие города, кроме того, в Республике Крым. А также Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.

Окружающая среда | Вашингтонская ассоциация асфальтовых покрытий

Тротуар должен функционировать в своей среде. Окружающая среда может сильно различаться по штату в любой момент времени, а также может сильно различаться во времени в любом месте. Изменения окружающей среды могут оказать значительное влияние на материалы дорожного покрытия и нижележащее грунтовое основание, что, в свою очередь, может существенно повлиять на эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Ключевыми параметрами окружающей среды, вызывающими озабоченность, обычно являются температура, воздействие мороза и влажность.

Температура

Температура воздействует на дорожное покрытие двумя основными способами. Во-первых, экстремальные температуры могут повлиять на реологию битумного вяжущего. Во-вторых, колебания температуры могут привести к расширению и сжатию дорожного покрытия.

Экстремальные температуры

Реология битумного вяжущего зависит от температуры. Таким образом, предполагаемые экстремальные температуры и их последствия являются основным фактором при выборе подходящего битумного вяжущего. Для нежестких дорожных одежд старые системы сортировки битумного вяжущего не учитывали напрямую влияние температуры, поэтому были разработаны различные эмпирические системы и эмпирические правила.Система классификации вяжущего Superpave PG исправляет этот недостаток, классифицируя битумное вяжущее на основе его температурных характеристик.

Расширение и сжатие

Тротуары, как и все другие материалы, будут расширяться при повышении температуры и сужаться при понижении температуры. Небольшие степени расширения и сжатия обычно выдерживают без чрезмерных повреждений, однако экстремальные колебания температуры могут привести к катастрофическим отказам. Гибкие покрытия могут страдать от продольных трещин в результате чрезмерной усадки в холодную погоду.

Рисунок 1: Трещины из-за чрезмерной усадки дорожного покрытия

Рисунок 2: Трещины из-за чрезмерной усадки дорожного покрытия

Морозное действие

Морозное воздействие, которое может быть очень вредным для покрытий из-за его воздействия на нижележащее земляное полотно, можно разделить на «морозное пучение» и «ослабление оттаивания». «Морозное пучение» — это движение грунтового основания вверх в результате расширения накопленной почвенной влаги при его замерзании, а «ослабление оттаивания» — ослабленное состояние грунтового основания в результате насыщения грунта по мере таяния льда в грунте.

WAPA Тротуар Примечание о морозе

Мороз к западу от Каскадных гор обычно не вызывает беспокойства.

Морозный подъем

Морозное пучение почвы вызывается кристаллизацией льда в более крупных пустотах почвы и, как правило, последующим расширением этого льда с образованием сплошных ледяных линз, слоев, прожилок или других ледяных масс. Как показано на рисунке 3, ледяная линза растет и утолщается в направлении теплопередачи до тех пор, пока запасы воды не истощатся или пока условия замерзания на границе замерзания больше не будут поддерживать дальнейшую кристаллизацию.По мере роста ледяной линзы вышележащий грунт и дорожное покрытие будут «вздыматься», что может привести к образованию шероховатого покрытия с трещинами (рис. 4).

Морозное пучение происходит в основном в почвах, содержащих мелкие частицы (часто называемых «чувствительными к морозу» почвами), в то время как чистые пески и гравий (небольшое количество мелких частиц) невосприимчивы к морозу (NFS). Таким образом, степень восприимчивости к заморозкам в основном зависит от процентного содержания мелких частиц в почве. Многие агентства классифицируют материалы как чувствительные к морозу, если 10 или более процентов соответствуют требованиям No.200, или 3 процента или более проходит через сито № 635.

Рисунок 4: Морозное пучение

Тротуар Примечание: критерий Касагранде

В 1932 году д-р Артур Касагранде предложил следующий широко известный эмпирический критерий для выявления потенциально восприимчивых к морозу почв: «В условиях естественного промерзания и при достаточном водоснабжении следует ожидать значительной сегрегации льда в неоднородных 3% зерен меньше 0.02 мм, а в очень однородных почвах, содержащих более 10 процентов частиц размером менее 0,02 мм. В почвах, содержащих менее 1 процента зерен размером менее 0,02 мм, сегрегации льда не наблюдалось, даже если уровень грунтовых вод находится на уровне линии промерзания». Примечание: 0,02 мм = сито № 635. Применение критерия Касагранде требует ареометрического испытания почвенной суспензии (в воде) для определения распределения частиц, проходящих через сито № 200, и для расчета процентного содержания частиц мельче 0.02 мм.

Ослабление оттепели

Ослабление оттаивания происходит, когда лед, содержащийся в земляном полотне, тает. Когда лед тает и превращается в жидкость, он не может достаточно быстро вытекать из грунта, поэтому земляное полотно становится значительно слабее (менее жестким) и теряет несущую способность. Таким образом, нагрузки, которые обычно не повреждают данное дорожное покрытие, могут нанести значительный ущерб во время весенней оттепели.

Оттаивание может происходить сверху вниз, снизу вверх или обоими способами.Как это происходит, зависит главным образом от температуры поверхности дорожного покрытия. Во время внезапной весенней оттепели таяние будет происходить почти полностью с поверхности вниз. Этот тип оттаивания приводит к крайне плохим дренажным условиям. Мерзлая почва под талым слоем может удерживать воду, высвобождаемую линзами таяния льда, так что боковой и поверхностный дренаж являются единственными путями, по которым вода может идти.

Защита от мороза

Смягчение воздействия мороза, как правило, включает рассмотрение конструкции конструкции, а также другие методы, применяемые к основанию и земляному полотну для ограничения его воздействия.Основные используемые методы можно разделить на следующие категории:

Морозный пучок

• Ограничение глубины промерзания грунта земляного полотна . Обычно это достигается путем определения толщины дорожного покрытия, равной некоторому минимальному проценту от глубины промерзания. За счет удлинения участка дорожного покрытия до глубины промерзания глубина подверженного промерзанию земляного полотна под покрытием (между нижней частью конструкции покрытия и глубиной промерзания) уменьшается. Предполагается, что уменьшенная глубина почвы под воздействием мороза вызовет соответственно меньший ущерб.
• Снимите и замените чувствительное к морозу основание . В идеале земляное полотно должно быть удалено, по крайней мере, до типичной глубины промерзания. Удаление восприимчивых к морозу почв устраняет действие мороза.
• Обеспечить разрыв капилляра . При нарушении пути капиллярного потока действие мороза будет менее сильным, поскольку для морозного пучения требуется значительно больше воды, чем естественным образом доступно в порах почвы.

WAPA Тротуарная записка о предотвращении пучения от мороза

WSDOT уменьшает морозное пучение, указывая, что общая толщина конструкции дорожного покрытия должна равняться половине ожидаемой глубины промерзания.

Ослабление оттепели

• Расчет конструкции дорожного покрытия на основе уменьшенной опоры земляного полотна . Этот метод просто увеличивает толщину дорожного покрытия, чтобы учесть ущерб и потерю опоры, вызванные воздействием мороза.
• Ограничение нагрузки на дорожное покрытие в условиях оттепели . Необратимое повреждение дорожного покрытия может быть ограничено за счет ограничения нагрузки на дорожное покрытие при слабом основании земляного полотна. Как правило, снижение нагрузки в диапазоне от 40 до 50 процентов должно соответствовать широкому диапазону условий дорожного покрытия.

Влага

Влага (в виде скопившейся воды или дождя) может повлиять на конструкцию и конструкцию дорожного покрытия, а также на основные условия вождения.

• Дизайн .Некоторые типы почв могут сильно расширяться во влажном состоянии. Структурный дизайн должен учитывать эту экспансивность.
• Строительство .
  • Основание должно быть уплотнено при оптимальной влажности. Чрезмерное количество осадков может поднять влажность грунтового основания намного выше этого значения и сделать уплотнение практически невозможным.
  • HMA не следует размещать во влажных условиях, поскольку чрезмерное количество воды может повредить горячую свежую HMA.
• Условия вождения .Дождь снижает сопротивление скольжению и видимость, а также может вызвать аквапланирование на участках с сильной колеей.

zp8497586rq

Границы | Исследования характеристик морозного пучения и предотвращения образования полотна высокоскоростной железной дороги в водно-болотных угодьях Зойге, Китай

Введение

В последние годы в Китае были построены высокоскоростные железные дороги (ВСМ) для уменьшения загруженности дорог и развития местной экономики. Сообщается, что к 2025 году общая протяженность ВСМ в Китае достигнет 38 000 км.На северо-западе Китая, особенно на Цинхай-Тибетском нагорье и вокруг него, неразвитая транспортная инфраструктура серьезно ограничивает местное экономическое развитие. Поэтому строительство ВСМ необходимо и необходимо. Железная дорога дальнего следования и сложные инженерно-геологические условия делают строительство ВСМ чрезвычайно сложным. Среди трудностей особое внимание следует уделить оседанию проталин в районах вечной мерзлоты и морозному пучению в сезонномерзлых грунтах, поскольку эти регионы в основном состоят из вечной мерзлоты и сезонномерзлых грунтов (Jin, 2007; Yue et al., 2007; Ли и др., 2008 г.; Сонг и др., 2014; Ван и др., 2020). Холодный климат и морозное пучение земляного полотна существенно влияют на безопасность и устойчивость железнодорожных путей. Строительство новой высокоскоростной железной дороги между Синином (столицей провинции Цинхай) и Чэнду (столицей провинции Сычуань) началось в 2020 году и должно быть завершено в 2027 году. Вся линия проходит через обширные участки сезонномерзлых грунтов, особенно участок Зойге болотного угодья, расположенный в северо-восточной части Цинхай-Тибетского нагорья и в верховьях реки Хуанхэ (рис. 1).Влажные почвы, неглубокие грунтовые воды и более низкие температуры в этом районе серьезно угрожают устойчивости железной дороги из-за морозного пучения.

РИСУНОК 1 . Распространение мерзлых грунтов в Китае и участок мониторинга вдоль ВСМ Синин-Чэнду.

Морозное пучение было впервые исследовано Taber (1929) и широко изучалось с помощью испытаний на замораживание в помещении и числового анализа (Everett, 1961; Gilpin, 1980; Konrad, 2008; Thomas et al., 2009; Jin et al., 2019). ; Сюй и др., 2020).Для прогнозирования деформации морозного пучения было разработано множество моделей, включая гидродинамическую модель (Harlan, 1973), модель жесткого льда (O’Neill и Miller, 1985), модель сегрегационного потенциала (Konrad and Morgenstern, 1981) и дискретную модель. модель ледяной линзы (Никсон, 1991). Общепризнано, что линзы льда, вызванные переносом воды, преобладают в деформациях почвы. Поэтому ликвидация ледяных линз является наиболее эффективной мерой предотвращения морозного пучения. Образование ледяных линз тесно связано с типом почвы, водностью и условиями миграции воды, температурой и температурными перепадами, скоростью промерзания и нагрузкой (Taber, 1929; Miller, 1972; Gilpin, 1980; Konrad, Morgenstern, 1982; Peppin и др. ). Стиль, 2012; Мао и др., 2014).

Обычной отсыпкой насыпи ВСМ является крупнозернистый грунт (КГС), который состоит из крупнозернистого и определенного содержания мелкозернистого грунта. Размер частиц мелкого зерна составляет менее 0,075 мм. Для замерзающих ХГС низкое содержание незамерзшей воды и большой объем пустот затрудняют образование ледяных линз. Однако, судя по полевым наблюдениям вдоль ВСМ Харбин-Далянь (HDHR) и ВСМ Ланьчжоу-Синьцзян, морозное пучение все же имело место (Liu et al., 2016; Lin et al., 2018). Ниу и др.(2017) сообщили об измерении влажности почвы, температуры грунта и изменениях деформации насыпей и выемок в HDHR. Несоответствие деформации морозного пучения между двумя разными типами грунтового основания указывает на то, что влажность почвы была основным фактором, контролирующим величину морозного пучения, тогда как глубина промерзания была второстепенным фактором. Чжан и др. (2016) и Sheng et al. (2014) предложили три наиболее вероятных механизма морозного пучения в основании ВСМ: высокое содержание мелкой фракции, вызванное плохим контролем качества крупнозернистой засыпки, механизм подачи воды «сверху вниз» в результате стока дождевой воды и других поверхностных вод и механизм подачи воды «снизу вверх» за счет откачки бурового раствора при циклических нагрузках поезда. Для проверки этих механизмов была разработана соответствующая одномерная модель морозного пучения (Sheng et al., 1995; Sheng et al., 2013). Сделан вывод о том, что все три механизма взаимодействуют друг с другом, и их синергетическое действие вызывает наблюдаемую деформацию морозного пучения насыпи ВСМ. Ван и др. (2016) продемонстрировали, что содержание влаги было наиболее значительным фактором, влияющим на коэффициент морозного пучения CGS. Если бы влажность поддерживалась на уровне менее 5%, можно было бы предотвратить развитие морозного пучения ХГС.На основании этих исследований общепризнано, что содержание мелких частиц, содержание воды и тип наполнителя оказывают существенное влияние на морозостойкость ХГС. Однако предыдущие исследования в основном были сосредоточены на взаимосвязи между деформацией морозного пучения и содержанием мелкого зерна и игнорировали важную роль гранулометрического состава в ХГС. Поэтому влияние градации почвы следует исследовать дополнительно.

Целью данного исследования было изучение характеристик морозного пучения дорожного полотна ВСМ в водно-болотных угодьях Зойге и соответствующее предотвращение. Для этого была установлена ​​комплексная система полевого мониторинга для отслеживания изменений температуры грунта, деформации грунта, влажности почвы и уровня грунтовых вод. На основании данных мониторинга и местных экологических условий предложен способ замены грунта на ХГС для уменьшения деформации морозного пучения насыпи. Затем эффективность этого метода была проверена с точки зрения величины морозного пучения и коэффициента морозного пучения с использованием экспериментов в помещении. Кроме того, были проведены дальнейшие эксперименты по изучению влияния различных типичных факторов на противоморозный эффект метода замещения, включая содержание мелкой фракции, исходное содержание воды и гранулометрический состав крупных частиц.Наконец, были изучены характеристики морозного пучения насыпи, чтобы обеспечить возможные инженерные решения для насыпей ВСМ в холодных регионах. Полученные результаты могут дать полезные рекомендации по предотвращению морозного пучения при строительстве дорог в сезонномерзлых грунтах.

Полевой мониторинг естественного грунта

Состояние участка исследования

Строительство ВСМ Синин-Чэнду началось в марте 2020 года, запланированный срок строительства 7,5 лет. Для наблюдения за морозным пучением грунтов под железнодорожной линией были установлены две системы мониторинга в деревнях Цюцзилангва и Дуома, недалеко от города Зойге, провинция Сычуань (рис. 1).Участок мониторинга деревни Цюцзилангва расположен на равнине примерно в 48 км к юго-востоку от города Зойге. Участок мониторинга села Дуома расположен на склоне холма примерно в 11 км к юго-востоку от города Зойге. Полевые исследования показали, что естественные мелководные толщи этих двух участков мониторинга были одинаковыми. Пласты сложены черной глиной с корнями трав и органическим веществом на глубине 0–0,3 м, коричневой глиной с песком на глубине 0,3–0,5 м, желтовато-коричневой алевритовой глиной с мелким гравием на глубине 0.5–0,7 м и желтовато-коричневый алевритовый песок с галькой на глубинах менее 0,7 м. Соответствующие полевые фотографии образцов показаны на рисунке 2А.

РИСУНОК 2 . Геотехническое состояние и система полевого мониторинга на исследуемых участках. (А) Геотехническое состояние; (B) принципиальная схема системы мониторинга.

Система мониторинга

Полевой мониторинг проводился под естественной поверхностью. Система мониторинга состояла из автоматического коллектора данных, системы электропитания, датчиков температуры, влажности, датчиков деформации и датчика уровня воды (рис. 2Б).Были собраны колебания температуры почвы, содержания влаги, уровня грунтовых вод и деформации, вызванные замерзанием и оттаиванием. Датчики температуры были разработаны и изготовлены Государственной ключевой лабораторией инженерии мерзлых грунтов, а нормальный диапазон измерения датчика составлял от -25 до +80°С. Всего в скважине глубиной 5 м с термисторной гирляндой было установлено 16 датчиков температуры с точностью ±0,02°C (Wu et al. , 2018; Miao et al., 2020). Расстояние между датчиками температуры равно 0.2 м в кровле, 1,0 м, 0,25 м от 1,0 до 2,0 м в глубину и 0,5 м от 2,0 до 5,0 м в глубину.

Объемное содержание воды в почве измеряли с помощью четырех датчиков влажности почвы QSY8909A (Sichuan Stone Edge Science and Technology Co., Ltd.) на глубине 0,2, 0,5, 1,0 и 1,5 м. Датчики влажности имели диапазон измерения 0–100 % и точность 3 % (Lin et al., 2018). Кроме того, для измерения величины морозного пучения использовался датчик морозного пучения QSY8907C-200 (производства Sichuan Stone Edge Science and Technology Co., Ltd).Максимальная глубина промерзания естественного грунта составляет менее 1,0 м (Группа по составлению национальных стандартов Китайской Народной Республики, 2011 г.). Слои грунта глубиной более 3,2 м находятся далеко от фронта промерзания, и соответствующие деформации могут быть незначительными. Таким образом, за ориентир можно взять глубину 3,2 м. Датчик морозного пучения был заделан в почву через пластиковую трубу. Этот датчик измерял относительные деформации между верхней и нижней пластинами, как показано на рисунке 2B. Нижняя пластина была закреплена на заданной глубине 3.2 м бетоном, а верхняя плита была закреплена на естественной поверхности грунта. В сезон заморозков верхняя пластина поднимается вверх, когда происходит морозное пучение. Морозное пучение естественного грунта можно определить путем измерения смещения верхней плиты. Точность измерения и диапазон измерения датчика качки составляют 0,01 мм и от −100 мм до +100 мм соответственно. Наконец, в скважине глубиной 3,0 м был установлен датчик уровня воды HOBO U20-001-01 для автоматической регистрации изменений уровня грунтовых вод.Все датчики были подключены к автоматическому коллектору данных QSY300Z-64CH. Данные мониторинга автоматически собирались и передавались по беспроводной сети. Все инструменты в этой системе мониторинга питались от комбинации солнечных батарей и аккумуляторных батарей. Данные мониторинга регистрировались каждые 4 часа с июня 2018 г. по май 2019 г.

Температура почвы и количество мороза

Участок мониторинга деревни Цюцзилангва расположен на ровной поверхности. По данным мониторинга, температура поверхности земли достигла максимального значения 19.4°C в конце июля 2018 г. и самое низкое значение -4,1°C в конце января 2019 г., как показано на рисунке 3A. Годовой ход приземной температуры и среднегодовая приземная температура составили 23,5 и 6,6°С соответственно. Температура поверхности упала ниже 0°С 26 ноября и сохранялась до 13 марта. Период промерзания грунта составил примерно 107 дней. В это время развивалось бурное морозное пучение, которое достигло максимального значения 25,64 мм 13 февраля 2019 г. После этого периода бурного пучения смещение уменьшилось с 13 февраля по 13 марта до стабильного значения 22.44 мм с приближением изотермы 0°С. По мере дальнейшего повышения температуры и продолжающегося оттаивания почвы смещение быстро уменьшилось до 2,28 мм в течение 20 дней. Окончательная величина деформации составила примерно 1,66 мм во время следующего периода оттаивания. Величина таяния была меньше величины морозного пучения после действия замораживания-оттаивания. Мы делаем вывод, что это было связано с тем, что грунт сопротивлялся оседанию оттепели благодаря своей связности. Если количество циклов замораживания-оттаивания увеличивается, прочность сцепления грунта снижается из-за миграции воды.В конечном итоге величина осадки от оттаивания будет близка к величине морозного пучения.

РИСУНОК 3 . Колебания температуры поверхности земли и величины морозного пучения. (A) Данные с участка мониторинга деревни Цюцзилангва; (B) данные с участка мониторинга поселка Дуома.

Коэффициент морозного пучения определяется как отношение количества пучения к глубине промерзания:

где η — коэффициент пучения, Δh — величина пучения (мм), а Hf — глубина промерзания (мм).

На контурных графиках подповерхностной температуры показано распределение температуры по оси X по времени, по оси Y по глубине пласта (рис. 4). Неизмеренные температуры были получены на основе метода наименьших квадратов по измеренным температурам. В соответствии с действующими правилами инженерно-геологических исследований мерзлых грунтов в Китае (Группа по составлению национальных стандартов Китайской Народной Республики, 2014 г.) марки морозостойких пылеватых глин могут быть отнесены к категории Ⅰ немерзлых грунтов с морозопучинистость менее 1 %, 2-й класс слабоморозостойкий грунт с морозостойкостью более 1 % и менее 3.5 %, Ⅲ морозостойкий грунт с коэффициентом пучения более 3,5 % и менее 6 %, Ⅳ сильноморозостойкий грунт с коэффициентом пучения более 6 % и менее 12 %, Ⅴ сорт экстра сильно морозоустойчивые почвы с коэффициентом морозного пучения более 12%. Глубина промерзания на участке наблюдения в деревне Цюцзилангва составляла 0,42 м, когда величина пучения льда достигла максимума, согласно контурному графику подповерхностной температуры, показанному на рисунке 4А. В этот момент коэффициент морозного пучения был равен 6. 10%, что свидетельствует о том, что почву можно отнести к категории Ⅳ сильноморозостойкой. Кроме того, максимальная глубина промерзания (0,54 м) пришлась на 23 января 2019 г., но величина пучения увеличивалась до 23 февраля 2019 г. Это указывает на то, что величина пучения льда была гистерезисной по отношению к промерзанию. Из-за относительно небольшого промерзания и резкого повышения температуры поверхности земли после 13 марта глубина промерзания снизилась до нуля за четыре дня.

РИСУНОК 4 .Контурный график подземной температуры. (A) Данные с участка мониторинга деревни Цюцзилангва; (B) данные с участка мониторинга поселка Дуома.

Участок наблюдения села Дуома расположен на пологом склоне холма. Температура поверхности земли также начала снижаться до минусовых температур 10 декабря (рис. 3Б). Быстрое пучение фиксировалось сразу же, сопровождавшееся промерзанием грунта. Однако величина морозного пучения не имела тенденции к последовательному увеличению, а быстро достигла максимального значения 3. 17 мм 31 декабря, а затем оставался стабильным до начала оттепели 16 марта. Глубина промерзания 31 декабря составила 0,22 м, соответствующий коэффициент морозного пучения 1,45% (рис. 4Б). Грунтовую почву можно отнести к категории Ⅱ слабоморозостойкой. Максимальная глубина промерзания (0,33 м) также пришлась на 23 января 2019 г. При этом наибольшее протаивание происходило за 27 дней (с 16 марта по 12 апреля) и достигало 0,34 мм. Самая высокая и самая низкая температура поверхности земли на участке мониторинга поселка Дуома составила 18°С.5°C и -3,6°C соответственно, что аналогично значениям на участке мониторинга деревни Qiujilangwa (19,4°C и -4,1°C). Однако смещение морозного пучения на участке наблюдения в деревне Дуома было намного меньше, чем на участке наблюдения в деревне Цюцзилангва.

Содержание влаги в почве

Изменение содержания влаги в почве во времени на разных глубинах для участка мониторинга деревни Цюцзилангва показано на рисунке 5А. С июля по начало сентября влажность на глубине 0. 2 м постепенно снижалась до 28,0%, что объяснялось испарением. Это связано с тем, что изменение влажности почвы на мелководье связано с испарением, осадками, условиями растительности, температурой и деятельностью человека. В период с июля 2018 г. по начало сентября 2018 г. на участке мониторинга села Цюцзилангва особых или больших колебаний состояния растительности и деятельности человека не наблюдалось. В то же время количество осадков было небольшим. Подповерхностная температура в период с июля по начало сентября была высокой (рис. 4), что способствовало испарению воды.После этого процесса содержание воды быстро увеличивалось с 3 по 26 сентября до почти стабильного уровня примерно 39,2% из-за снижения подповерхностной температуры и увеличения количества осадков. Когда температура поверхности опускалась ниже 0°C, содержание воды не уменьшалось быстро до 9.8% до 18 декабря. Это могло быть связано с фазовым переходом жидкой воды в лед. Датчик почвенной воды измерял только содержание незамерзшей жидкой воды. В последующий ледовый период содержание незамерзшей воды при 0.На глубине 2 м сохранялось стабильное значение 8%. После 13 марта влажность почвы быстро увеличивалась по мере повышения температуры поверхности, а в период оттаивания почвы оттаивали.

РИСУНОК 5 . Глубина залегания грунтовых вод и влажность почвы на разных глубинах. (A) Данные с участка мониторинга деревни Цюцзилангва; (B) данные с участка мониторинга поселка Дуома.

На участке мониторинга деревни Цюцзилангва изменение содержания влаги на уровне 0.Глубина 5 м была аналогична глубине 0,2 м зимой. Однако 6 января он показал тенденцию к быстрому падению и 24 февраля к медленному росту, что указывает на то, что соответствующий период замерзания был меньше, чем на глубине 0,2 м. Стабильное содержание незамерзшей воды в период ледостава составляло примерно 11,5%. Влажность приповерхностной почвы резко колебалась при замерзании и оттаивании. Кроме того, позиция на глубине 1,0 м была далека от глубины замерзания, но все же показывала медленно изменяющийся тренд водности с декабря 2018 г. по март 2019 г.Изменения водности были вызваны миграцией влаги в мерзлую зону и таянием льда из верхнего слоя мерзлого грунта соответственно. В результате приближения уровня грунтовых вод (рис. 5А) водность на глубине 1,5 м сохраняла стабильное значение 47,0 % в течение всего периода наблюдения. Уровень грунтовых вод показал тенденцию к резкому снижению в начальный период наблюдения и тенденцию к медленному росту в течение следующей фазы. Уровень грунтовых вод также варьировался на глубине около 1.5 м в морозный сезон.

Почвенные воды на участке наблюдения в деревне Дуома следовали почти той же схеме, что и на участке наблюдения в деревне Цюцзилангва, как показано на рисунке 5B. Данные об изменении уровня грунтовых вод на участке мониторинга села Дуома не были получены из-за глубокого залегания грунтовых вод, что указывает на то, что уровень грунтовых вод находился ниже глубины 3 м. Максимальная глубина промерзания на участке мониторинга д. Дуома составила около 0,54 м. Грунтовые воды в ледостав находились далеко от верхнего слоя мерзлоты. Иными словами, внешняя вода в приповерхностный промерзающий грунт в период мерзлоты не подавалась. Почва в основном промерзала по схеме пучения на месте . В результате смещение морозного пучения на участке наблюдения в деревне Дуома было значительно меньше, чем на участке наблюдения в деревне Цюцзилангва, и в течение морозного сезона демонстрировало стабильное значение. Таким образом, состояние подземных вод явилось основным лимитирующим фактором морозного пучения на водно-болотных угодьях Зойге.

Основываясь на вышеупомянутых данных измерений, можно предположить, что в деревне Цюцзилангва была небольшая глубина промерзания, но большой коэффициент морозного пучения. Деревня Дуома имела более низкий коэффициент морозного пучения из-за глубокого залегания грунтовых вод. Поэтому для обеспечения безопасности эксплуатации должны быть приняты соответствующие меры по предотвращению морозного пучения насыпей ВСМ на участках, аналогичных участку поселка Цюцзилангва. Грунтовые воды, отрицательная температура и морозоустойчивость почвы являются необходимыми условиями для развития морозного пучения. Морозное пучение можно смягчить или предотвратить, контролируя любой из трех факторов. Водно-болотное угодье Зойге было определено в качестве национального природного заповедника в 1998 г. (Zuo et al., 2019). Для защиты местной экологической среды и источника подземных вод не допускается способ понижения или отсечения грунтовых вод для предотвращения морозного пучения. Если изоляционная плита установлена ​​в фундаменте насыпи, возможные повреждения при длительной динамической нагрузке поезда труднодоступны. Метод замены природного грунта на ХГС представляется наиболее надежным выбором.Поэтому было разработано и проведено соответствующее испытание в помещении, чтобы отличить способность естественного грунта фундамента от морозного пучения и CSG.

Морозоустойчивость грунта основания и крупнозернистого грунта

Описание испытаний

Материалы и экспериментальная схема

Естественный грунт был взят из водно-болотного угодья Зойге, и определены предел пластичности, предел текучести, оптимальное содержание воды и максимальная плотность в сухом состоянии составляли 16,1, 32,5, 17,2% и 1,98 г/см ³ соответственно. После сушки, измельчения и фильтрации через сито 0,075 мм был приготовлен образец глины с исходным содержанием воды 25,0% и плотностью в сухом состоянии 1,58 г/см ³ . Плотность мелких частиц глины составляла 2,74 г/см ³ . Образцы ХГС состояли из определенного количества просеянной выше тонкой глины и крупных частиц (размером >0,075 мм). Плотность крупных частиц составляла 2,55 г/см ³ . Образец почвы помещали в цилиндрическую ячейку для образцов. Образец почвы был 10 см в высоту и 6 см в диаметре, а соответствующий общий объем составлял примерно 282.73 см ³ . Объем тонкой глины можно узнать, разделив ее массу на плотность. Содержание мелочи представляло собой объем тонкой глины в процентах от общего объема образца. Исходная обводненность и содержание взвешенных частиц в ХГС составляли 10 и 5,9 % соответственно. Сухая плотность ХГС составила 1,95 г/см ³ . Распределение размера зерен CSG и глины показано на рисунке 6C.

РИСУНОК 6 . | Аппаратура и образцы для испытаний на морозное пучение. (А) Принципиальная схема; (B) реальных испытательных устройств в холодильной камере; и (C) кривые гранулометрического состава образцов.

Аппаратура для испытаний и технологический процесс

Аппарат для испытаний на морозное пучение состоял из шести частей: ячейки для образцов, верхней и нижней опор, двух охлаждающих ванн для термоконтроля, источника воды, устройства для измерения морозного пучения и системы сбора данных. (Рисунок 6). Ячейка для испытуемого образца была изготовлена ​​из органического стекла с внутренним диаметром 6 см, высотой 18,5 см и толщиной 0,75 см и использовалась для размещения образца почвы. Каждый образец грунта был разделен на пять равных частей, и каждая часть утрамбовывалась в ячейку для образцов с помощью молотка до заданной высоты с заданной плотностью в сухом состоянии.При этом в образец почвы были вставлены шесть термисторов Pt 100 с интервалом 2 см по высоте образца для регистрации изменения температуры на разных глубинах. Ячейка с образцом помещалась между неподвижным нижним основанием и вертикально перемещаемым верхним основанием. Две прохладные ванны были соединены с верхней и нижней опорами для контроля температуры почвы. Кроме того, изолированный акриловый цилиндр большего диаметра был помещен снаружи ячейки для образца, чтобы уменьшить тепловую турбулентность из окружающей среды.Колба Мариотта была соединена с нижней подставкой пластиковой трубкой, а уровень воды в колбе Мариотта был установлен на той же высоте, что и дно образца почвы, чтобы обеспечить подачу воды без давления. Величину морозного пучения контролировали с помощью лазерного датчика перемещения. Инструменты для морозного пучения помещали в холодную комнату, где комнатная температура поддерживалась на уровне 1°C для поддержания термостабильности образца. Система сбора данных состояла из регистратора данных, расположенного за пределами холодильной камеры, и персонального компьютера.Данные о смещении и температуре автоматически собирались каждые 5 мин.

Сначала верхнюю и нижнюю температуру образца почвы поддерживали на уровне +2°C в течение 12 ч, чтобы убедиться, что начальная температура образца почвы была однородной. Затем верхнюю и нижнюю температуры образца почвы устанавливали постоянными на уровне -6°С и +2°С соответственно в течение всего процесса замораживания. Колбу Мариотта одновременно открывали для обеспечения источника влаги. Процесс морозного пучения длился 96 ч для глины и 144 ч для КСГ.Из-за невнимательности в начале испытаний температуру почвы в промерзающей глине не измеряли, но регистрировали верхний холодный пьедестал и нижний пьедестал. Поскольку целью было определить способность мерзлой глины к морозному пучению, неизмеряемая температура почвы не оказала влияния на эту задачу.

Результаты испытаний и анализ

Характеристики морозного пучения природной глины

Изменения температуры, морозного пучения и водопоглощения глинистого грунта в процессе замораживания показаны на рисунке 7. Температура на холодном пьедестале испытала быстрое снижение на начальной стадии замораживания, за которым последовало постепенное снижение и окончательное стабильное состояние через определенный период времени (рис. 7А). Процесс охлаждения был разделен на три стадии: стадию быстрого охлаждения (QCS), стадию переходного охлаждения (TCS) и стабильную стадию (SS). Скорость изменения температуры на холодном пьедестале быстро уменьшалась почти до нуля от QCS к SS, где отрицательный знак указывал на снижение температуры. В QCS и TCS глубина промерзания увеличивалась по мере движения вниз фронта промерзания.Объем миграции жидкой воды был меньше (рис. 7В), а ледяная линза не образовалась из-за короткой продолжительности. Величину морозного пучения на этих двух стадиях можно рассматривать как величину на месте морозного пучения. Пучение с высокой скоростью морозного пучения в основном было вызвано переходом внутренней поровой водной фазы в лед. Стационарная стадия начиналась, когда температура снижалась до минимального значения, и после этого момента температура оставалась в стабильном состоянии. Морозный фронт на этом этапе оставался практически на фиксированной высоте.Между тем миграция жидкой воды в мерзлую зону привела к образованию сегрегированного льда. Величина морозного пучения на этом этапе рассматривалась как величина сегрегированного морозного пучения. Окончательные объемы морозного пучения и подачи воды составили 19,3 мм и 60,5 мл соответственно.

РИСУНОК 7 . Результаты замораживания образца глины. (A) Колебания температуры и скорость изменения температуры; (B) вариации количества забора воды и количества качки.

По мере водно-ледяной фазы в мерзлой зоне формировалось отрицательное поровое давление воды, что приводило к последовательным переходам жидкой воды из незамерзшей зоны в мерзлую.Между тем, уменьшение воды в незамерзшей зоне также привело к формированию отрицательного порового давления воды, и жидкая вода поглощалась из внешнего источника воды. Между мерзлой и незамерзшей зонами существовала мерзлая переходная полоса, где происходил фазовый переход поровой воды. Замерзшая оторочка временно аккумулировала воду, переносимую из незамерзшей зоны, и служила источником воды для восходящей миграции вод. Пустоты в глине были небольшими и легко заполнялись пористым льдом.Когда поровое давление превышало сумму давления вскрыши и давления разделения, поровые льды объединялись в единое целое и образовывали ледяную линзу (Nixon, 1991; Thomas et al., 2009). Из-за блокирующего действия ледяной линзы на миграцию незамерзшей воды вода, мигрировавшая из незамерзшей зоны, скапливалась на дне ледяной линзы. В результате вода, поглощаемая из внешнего источника воды, далее превращалась в ледяную линзу, и величина морозного пучения постепенно увеличивалась с ростом ледяной линзы.На Фигуре 8А показано типичное образование ледяной линзы замерзающей глины через 96 ч.

РИСУНОК 8 . Фазовый переход мигрирующей воды. (A) Образование линз льда в глине; (B) крупнопористый кристалл льда и небольшие пустые пустоты в ХГС.

Характеристики морозного пучения крупнозернистого грунта

Результаты экспериментов для образца ХГС представлены на рис. 9. Как и в случае с промерзающим образцом глины, процесс охлаждения образца ХГС также можно разделить на три этапа: QCS, TCS и SS (рис. 9А).Температуру нижнего слоя почвы поддерживали на уровне +2°С, а температуру почвы на других высотах снижали по мере снижения температуры верхнего слоя почвы. Чем ближе к вершине, тем больше скорость охлаждения. Непосредственно во время замерзания наблюдалось увеличение морозного пучения и скорости водозабора. В СС температура почвы мерзлой зоны на разных высотах колебалась незначительно, а затем оставалась стабильной. Глубина промерзания, скорость пучения и водозабора также постепенно стабилизировались.Окончательная глубина промерзания и величина вздутия составляли 75,5 и 1,2 мм соответственно. Окончательный водозабор и коэффициент морозного пучения составили 59,4 мл и 1,60% соответственно.

РИСУНОК 9 . Замораживание результатов выборки CGS. (A) Колебания температуры почвы и скорость изменения температуры; (Б) варианты морозного пучения и водозабора.

Состояние колонки ХГС при замораживании показано на рис. 10. В начале замораживания на внутренней поверхности ячейки с образцом было обнаружено небольшое количество капли воды, образовавшейся путем конденсации паров при постоянной температуре. сцена.Незамерзшая и замороженная зоны не показали отчетливой разницы через 10 ч из-за короткой продолжительности замораживания (рис. 10В). Жидкая вода мигрировала в мерзлую зону под действием температурных градиентов, что привело к образованию мельчайших пористых кристаллов льда между частицами почвы в мерзлой зоне. Через 96 и 144 ч размер кристаллов льда еще больше увеличился при замерзании мигрирующей жидкой воды (рис. 10C, D). Полость почвы была заполнена кристаллами льда, которые изменились из-за мигрирующей воды (рис. 8В).Объем порового льда был намного меньше объема частиц ХГС, что приводило к тому, что поровое давление было недостаточным для сопротивления сумме давления вскрыши и давления разделения. Несмотря на то, что большие пустоты были заполнены пористым льдом, частичные небольшие пустоты все еще были пустыми без каких-либо ледяных кристаллов и были соединены между собой (рис. 8B). В конечном итоге видимых ледяных линз внутри мерзлой каймы обнаружено не было.

РИСУНОК 10 . Состояния выборки CGS на (A) 0 ч; (Б) 10 ч; (К) 96 ч; и (Г) 144 ч.

Сравнивая различия характеристик морозного пучения между глинистым грунтом и ХГС, было показано, что вода, поглощаемая из внешнего источника воды, в основном превращалась в пористый лед для ХГС, а в линзу льда для глинистого грунта. Пористый лед в ХГС был рассредоточен и не объединен в единое целое, что мешало формированию ледяной линзы. Таким образом, величина морозного пучения ХГС была значительно меньше, чем у глинистого грунта.

На основании теплового граничного условия образца ХГС можно сделать вывод, что распределение температуры по глубине толщи грунта в СС было почти линейным. Распределение температуры образца глины было таким же, как и у образца CGS. Можно сделать вывод, что окончательная глубина промерзания столба глинистого грунта составила примерно 75,0 мм, а соответствующий коэффициент пучения мерзлой породы составил 25,73%. В тех же температурных условиях, даже при очень близких объемах водозабора, величина морозного пучения и коэффициент морозного пучения ХГС были значительно ниже, чем у природного глинистого грунта. Этот экспериментальный результат показывает, что замена природного грунта CGS возможна для строительства железных дорог.Для оптимизации противоморозного эффекта ХГС в насыпях ВСМ было исследовано влияние содержания мелких частиц, начального содержания воды и гранулометрического состава крупных частиц на морозную пучинистость ХГС, как обсуждалось в «Вариации морозного пучения с Состав почвы .

Изменения морозного пучения в зависимости от состава почвы

Испытательные образцы, аппараты и процедуры были такими же, как и при испытании на морозное пучение CGS, как описано в Описание испытаний . Схема испытаний приведена в табл. 1. Для изучения влияния содержания мелочи на морозостойкость РГС были приготовлены образцы S1–S5, для изучения влияния исходной влажности – образцы S6, S2, S7 и образцы S5. и S8-S10 были подготовлены для изучения влияния гранулометрического состава крупных частиц. Массовые доли зерен определенных размеров образцов S5 и S8–S10 представлены в табл. 2. Гранулометрический состав крупных частиц образцов S1–S7 одинаков.Градация зернистости других образцов с различным содержанием мелких частиц также может быть определена путем объединения с градацией зернистости образца S5. Образец S7 представляет собой образец CGS, описанный в документе «Характеристики морозного пучения крупнозернистого грунта» . Коэффициент однородности и коэффициент кривизны для образцов S5 и S8–S10 приведены в табл. 2.

ТАБЛИЦА 1 . Схемы испытаний на морозное пучение закладок из ХГС.

ТАБЛИЦА 2 . Массовая доля зерен определенного размера.

Влияние содержания мелких частиц и начального содержания воды

Три модели распределения ХГС с заданным содержанием мелочи представлены на рис. 11. ХГС без мелких зерен (рис. удерживающая способность и низкое всасывание матрицы; таким образом, миграция воды по крупнозернистой поверхности затруднена. В этом случае деформация морозного пучения невелика и в основном имеет форму морозного пучения внутрипластового морозного пучения. Для CGS с частичными мелкими частицами (рис. 11B) размер пустот между крупными зернами уменьшается, а всасывание матрицы соответственно увеличивается.Внешняя вода поглощается мерзлым грунтом, что приводит к образованию пористого льда. Когда размер порового льда увеличивается до определенной степени, он начинает выталкивать агрегат грунта и поддерживать покрывающие породы, вызывая макроскопическое пучение ХГС. Кроме того, размер пустот еще больше уменьшается, а всасывающая и водофильтрационная способность матрицы еще больше увеличиваются с увеличением содержания мелких частиц, что приводит к увеличению количества водозабора и содержания порового льда (таблица 3). Экспериментальные результаты, основанные на трех моделях, показаны на рисунке 12А.Коэффициент морозного пучения ХГС в экспериментах увеличивался почти линейно с увеличением содержания мелочи. В соответствии с функцией подгонки коэффициент морозного пучения CSG был менее 1% при содержании мелких частиц менее 5,3%. На этом этапе РГС можно было бы считать незамерзающей начинкой. В случае CGS с насыщенной мелочью (Рисунок 11C), где крупные зерна плавали в мелком зерне, происходило значительное морозное пучение. Когда содержание мелких фракций намного превышало содержание крупных зерен, в водонасыщенном замерзающем ХГС образовывалась ледяная линза (Li et al., 2017).

РИСУНОК 11 . Модели распространения CGS. (А) ЦГС без штрафов; (B) CGS без частичных штрафов; и (C) CGS с насыщенными мелочами.

ТАБЛИЦА 3 . Результаты испытаний на морозное пучение образцов S1−S7 после замораживания в течение 144 ч.

РИСУНОК 12 . Влияние содержания мелочи и исходной обводненности. (A) Взаимосвязь коэффициента морозного пучения и содержания мелких частиц; (B) Зависимость коэффициента морозного пучения от начального содержания воды.

Можно сделать вывод, что содержание мелочи сильно влияло на миграцию воды, образование порового льда и коэффициент морозного пучения ХГС, т.е. содержание мелочи улучшало морозостойкость ХГС, даже когда он был ненасыщен водой.

Согласно результатам испытаний образцов S6, S2 и S7 коэффициент морозного пучения увеличивался с начальным содержанием воды, как показано на рисунке 12B. Гидравлическая проводимость ненасыщенного ХГС составляет (Babu and Srivastava, 2007):

, где К – гидравлическая проводимость ХГС; C — константа, зависящая от метода уплотнения; D — эффективный размер частиц, который можно принять равным d10; γw и η – удельный вес и коэффициент вязкости воды соответственно; e – коэффициент пустотности; Gs – удельный вес почвенных зерен; р — плотность грунта; w – влажность почвы.

Согласно уравнению. 2 и уравнение 3 гидравлическая проводимость ХГС увеличивается с увеличением содержания воды. В результате увеличивается скорость миграции воды, что приводит к увеличению скорости образования порового льда и скорости пучения. Поэтому ожидается, что общее количество пучения будет увеличиваться с увеличением содержания воды, как показано в таблице 3. Между тем, увеличение скорости миграции воды приносит больше скрытой теплоты фазового перехода, который происходит в мерзлой оторочке. Повышенное содержание воды свидетельствует о большем выделении скрытой теплоты, которая тормозит продвижение фронта мороза.Поэтому ожидается, что толщина промерзания ХГС будет уменьшаться по мере увеличения водности (табл. 3).

Влияние гранулометрического состава крупных частиц

На рис. 13 показаны изменения величины морозного пучения для четырех образцов с различным гранулометрическим составом крупных частиц в процессе замораживания. В тех же контрольных условиях скорость морозного пучения образца S9 была ниже, чем у других образцов на ранней стадии промерзания. Это произошло главным образом потому, что образец S9 имел самое высокое содержание песка, особенно среднего и мелкого песка.Содержание связанной воды было самым высоким, в то время как содержание свободной воды было самым низким. Морозное пучение в основном происходило по схеме in-situ морозного пучения на ранней стадии. Напротив, скорость пучения образцов S5 и S9 была выше, чем у образцов S8 и S10 на стабильной стадии. Это можно объяснить более низким коэффициентом однородности и меньшей разницей в содержании соседних групп гранул в образцах S5 и S9 (табл. 2). Всасывание матрицы увеличивалось с уменьшением размера пустот.В результате для пористых образцов S5 и S9 вода в основном мигрировала в жидкостном режиме на стабильной стадии, а величины морозного пучения были больше, чем у образцов S8 и S10.

РИСУНОК 13 . Морозное пучение для образцов с различным гранулометрическим составом крупных частиц.

Содержание среднего и мелкого песка в образце S10 было на 8% меньше, чем в образце S5. В соответствии с этим коэффициент морозного пучения образца S10 был на 0,43 % меньше, чем у образца S5 (табл. 4).Отсюда следует, что еще одним лимитирующим фактором морозостойкости ХГС, помимо содержания мелочи, было содержание песка.

ТАБЛИЦА 4 . Результаты испытаний образцов S5 и S8−S10 после замораживания в течение 144 ч.

Обсуждение предотвращения пучения насыпи

Как обсуждалось в разделе «Результаты испытаний и анализ» , коэффициент пучения при промерзании естественного плоского грунта был намного ниже, чем у экспериментальной промерзающей глины. Это произошло потому, что уплотненная глинистая почва в тесте в помещении имела меньше пустот и относительно более высокую теплопроводность, что способствовало перемещению фронта промерзания.Кроме того, расстояние между мерзлым грунтом и водопроводом в тесте в помещении было намного меньше, чем в естественном грунте, а это означало, что внешняя вода легче поглощалась в мерзлую зону и превращалась в лед. Тем не менее, разница коэффициентов морозной пучения между полевыми наблюдениями и испытаниями в помещении не повлияла на результаты испытаний по измерению морозостойкости грунта основания и засыпки ХГС.

По данным полевого мониторинга, при одинаковых температурных условиях и типе грунта основным фактором разности морозного пучения равнинного и склонового участков является подпитка грунтовыми водами.Кроме того, инфильтрация осадков является еще одним способом подачи воды для сегрегации почвы при морозном пучении. При скоплении дождевой и талой воды в насыпи насыпи даже хорошо профилированный слой группы А/В может вызвать явное морозное пучение при отрицательных температурах. Это было подтверждено испытанием на морозное пучение. При подходящих водных условиях образец S5 показал значительный коэффициент морозного пучения 1,88%, что выше критерия невосприимчивости к морозу, равного 1% (Konrad and Lemieux, 2005).Одной из возможных причин скопления воды является то, что вода стекает с верхней поверхности в наполнительный слой, когда герметизация гусеничной плиты выходит из строя. Во-вторых, сильно уплотненный слой наполнителя из ХГС с высоким содержанием мелких частиц и песка обладает сильной водоудерживающей способностью и относительно низкой способностью к просачиванию воды. Этот слой обеспечивает идеальное место для скопления воды. В-третьих, широко используемая составная геомембрана в насыпи ВСМ, которая используется для предотвращения инфильтрации грунтовых вод, блокирует путь просачивания дождевой воды.В результате может происходить накопление воды над верхней поверхностью геомембраны (Miao et al., 2020). Соответственно, было предложено два метода нарушения локального накопления воды. Один из них заключается в том, чтобы строго закрыть поверхность и борт насыпи, чтобы предотвратить просачивание внешней воды в насыпь. Второй – установка дренажных отверстий в насыпи для отвода скопившейся воды из слоев насыпи.

При применении метода замещения почвы содержание мелких частиц и содержание воды считаются двумя основными факторами, влияющими на морозоустойчивость CGS. Конрад и Лемье (2005), Akagawa et al. (2017) и Gao et al. (2018) сообщили, что восприимчивость ХГС к морозному пучению увеличивалась с увеличением содержания мелких частиц и содержания воды. Этот вывод был также подтвержден в вышеупомянутом тесте. Полученные результаты свидетельствуют о том, что заполнение ХГС должно строго контролировать содержание мелочи и содержание воды. Когда распределение зерен по размерам было разным, величина морозного пучения и коэффициент морозного пучения образца S5 были наибольшими, а образца S10 – наименьшими (табл. 4).Эффект смягчения морозного пучения низкосортного ХГС был лучше, чем у хорошо-градиентного ХГС в тех же условиях.

Однако при прохождении фронта промерзания через засыпку ХГС и инфильтрации морозостойкой глины морозное пучение насыпи все же возможно при неглубоком залегании грунтовых вод. Кроме того, повышение уровня грунтовых вод, вызванное дождями, еще больше сокращает расстояние миграции воды, если увеличивается количество осадков. Поэтому для снижения водомиграционной способности глубина замещения грунта должна не только превышать максимальную глубину промерзания слоя засыпки ХГС, но и включать частичную природную глину за пределы глубины промерзания.

Вкратце, противоморозное пучение насыпи ВСМ должно состоять из трех частей: 1) замена природной глины слабоморозостойкой засыпкой из ХГС; 2) устранение локального скопления воды в слое засыпки; 3) максимальное снижение водомиграционной способности почвы между промерзающим слоем и грунтовыми водами.

Заключение

В этом исследовании для анализа характеристик морозного пучения грунта основания насыпи на участке водно-болотных угодий Зойгэ линии ВСМ Синин–Чэнду проводился мониторинг изменений температуры грунта, деформации, влажности грунта и уровня грунтовых вод.На основании этих наблюдений и данных о местных геологических условиях был предложен метод замены грунта земляного полотна для смягчения деформаций морозного пучения железнодорожных насыпей. Были проведены два контрастных испытания на морозное пучение на глинистой почве и ХГС, чтобы доказать осуществимость и достоверность этого метода. Дальнейшие эксперименты были проведены для оптимизации противоморозных эффектов метода замещения. Можно сделать следующие выводы:

• Для естественных равнин и склонов холмов водно-болотных угодий Зойге максимальный коэффициент морозного пучения достиг 6.10 и 1,45% соответственно. Состояние грунтовых вод явилось основным фактором разного морозного пучения на этих двух участках.

• В тех же условиях, даже при очень близком водозаборе, коэффициент морозного пучения CGS был намного меньше, чем у природного, богатого глиной грунта. В сочетании с местными геологическими условиями и инженерно-строительными условиями метод замены грунта доказал свою эффективность в уменьшении деформации морозного пучения насыпи.

• Морозостойкость ХГС была пропорциональна содержанию мелких частиц и начальному содержанию воды. Эффект смягчения морозного пучения низкосортного ХГС был лучше, чем у хорошо-градиентного ХГС в тех же условиях. Предлагается, чтобы метод замены строго контролировал содержание мелких частиц и воды, а также предпочтительно использовал низкосортный наполнитель CGS.

• Замена слоя насыпи ХГС должна включать и другие меры по нарушению локального накопления дождевой воды и уменьшению водомиграционной способности грунта между промерзающим слоем насыпи и грунтовыми водами.

Заявление о доступности данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Вклад авторов

FN: Концептуализация, методология, проверка, обработка данных, формальный анализ, написание — первоначальный проект. HH: Концептуализация, методология, проверка, написание — обзор и редактирование. МЛ: Написание — обзор и редактирование. QM: Написание — обзор и редактирование.WS: Написание — обзор и редактирование.

Финансирование

Это исследование было поддержано Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (грант № XDA1

04), Инициативой сети научно-технических услуг CAS (№ KFJ-STS-ZDTP-037), Национальным природным Научный фонд Китая (414).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Рецензент QW объявил об общей связи с одним из авторов, М.Л., редактору во время рецензирования.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.678655/full#supplementary-material

Ссылки

Akagawa, S. , Хори, М., и Сугавара, Дж. (2017). Морозное пучение балластных железнодорожных путей. Процесс. англ. 189, 547–553. doi:10.1016/j.proeng.2017.05.087

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Бабу Г.Л.С. и Шривастава А.(2007). Процедура проектирования защитных фильтров. Кан. Геотех. J. 44 (4), 490–495. doi:10.1139/t07-005

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Эверетт, Д. Х. (1961). Термодинамика морозостойкости пористых тел. Пер. Фарадей Сок. 57, 1541–1551. doi:10.1039/tf9615701541

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гао Дж., Лай Ю., Чжан М. и Фэн З. (2018). Экспериментальное исследование водно-теплопарового поведения в промерзающем крупнозернистом грунте. Заяв. Терм. англ. 128, 956–965. doi:10.1016/j.applthermaleng.2017.09.080

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гилпин, Р. Р. (1980). Модель для прогнозирования линзообразования льда и морозного пучения грунтов. Водный ресурс. Рез. 16 (5), 918–930. doi:10.1029/wr016i005p00918

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Harlan, RL (1973). Анализ сопряженного переноса тепла и жидкости в частично мерзлых грунтах. Водный ресурс. Рез. 9 (5), 1314–1323.doi:10.1029/wr009i005p01314

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Джин Х.В., Ли Дж., Рю Б.Х., Шин Ю. и Джанг Ю.Э. (2019). Экспериментальная оценка влияния толщины мерзлой оторочки на морозное пучение. Геомеханик Инж. 19 (2), 193–199. doi:10.12989/gae.2019.19.2.193

Google Scholar

Jin, Y. (2007). Теория и применение для поиска и объединения пространственной и временной количественной информации из сложной природной среды. Фронт. наук о Земле. Китай 1 (3), 284–298. doi:10.1007/s11707-007-0035-0

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Конрад Ж.-М. (2008). Миграция воды, вызванная замерзанием, в уплотненных материалах основания. Кан. Геотех. J. 45, 895–909. doi:10.1139/t08-024

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Конрад Ж.-М. и Лемье Н. (2005). Влияние мелких частиц на характеристики морозного пучения хорошо отсортированного материала базового слоя. Кан.Геотех. J. 42 (2), 515–527. doi:10.1139/t04-115

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Конрад Дж.-М. и Моргенштерн Н.Р. (1982). Прогноз морозного пучения в лаборатории при кратковременном замерзании. Кан. Геотех. J. 19 (3), 250–259. doi:10.1139/t82-032

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Конрад Дж.-М. и Моргенштерн Н.Р. (1981). Сегрегационный потенциал промерзающей почвы. Кан. Геотех. J. 18 (4), 482–491.doi:10.1139/t81-059

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ли А., Ниу Ф., Чжэн Х., Акагава С., Лин З. и Луо Дж. (2017). Экспериментальное измерение и численное моделирование морозного пучения в насыщенном крупнозернистом грунте. Холодные регионы Науч. Техн. 137, 68–74. doi:10.1016/j.coldregions.2017.02.008

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Li, X., Cheng, G., Jin, H., Kang, E., Che, T., Jin, R., et al. (2008). Криосферные изменения в Китае. Глоб. Планета. Изменение 62 (3), 210–218. doi:10.1016/j.gloplacha.2008.02.001

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Лин З., Ню Ф., Ли Х., Ли А., Лю М., Луо Дж. и др. (2018). Характеристики и управляющие факторы морозного пучения в земляном полотне высокоскоростной железной дороги, Северо-Западный Китай. Холодные регионы Науч. Техн. 153, 33–44. doi:10.1016/j.coldregions.2018.05.001

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Лю Х., Ню Ф., Ню Ю., Сюй Дж.и Ван, Т. (2016). Влияние сооружений и солнечно-тенистых склонов на тепловые характеристики земляного полотна на выделенной пассажирской линии Харбин-Далянь на северо-востоке Китая. Холодные регионы Науч. Техн. 123, 14–21. doi:10.1016/j.coldregions.2015.11.007

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Мао Х., Миллер К., Хоу З. и Кхандкер А. (2014). Экспериментальное изучение миграции почвенных вод в процессе промерзания. Геотехнический тест. J. 37 (3), 436–446. doi:10.1520/gtj20130119

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Мяо, К. , Ниу Ф., Лин З., Луо Дж. и Лю М. (2020). Сравнение характеристик морозного пучения на участках выемки и насыпи вдоль высокоскоростной железной дороги в сезонномерзлых грунтах Северо-Восточного Китая. Холодные регионы Науч. Техн. 170, 102921. doi:10.1016/j.coldregions.2019.102921

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллер, Р. Д. (1972). Промерзание и пучение насыщенных и ненасыщенных грунтов. Шоссе. Рез. Рек. 393, 1–11.

Google Scholar

Ниу, Ф., Li, A., Luo, J., Lin, Z., Yin, G., Liu, M., et al. (2017). Влажность почвы, температура грунта и деформация насыпи высокоскоростной железной дороги на северо-востоке Китая. Холодные регионы Науч. Техн. 133, 7–14. doi:10.1016/j.coldregions.2016.10.007

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Никсон, Дж. Ф. (1991). Теория дискретной ледяной линзы для морозного пучения грунтов. Кан. Геотех. J. 28 (6), 843–859. doi:10.1139/t91-102

Полный текст CrossRef | Google Scholar

О’Нил, К. и Миллер, Р. Д. (1985). Исследование жесткой ледяной модели морозного пучения. Водный ресурс. Рез. 21 (3), 281–296.

Google Scholar

Пеппин С. С. Л. и Стайл Р. В. (2012). Физика морозного пучения и роста ледяных линз. Зона Вадозе J. 12 (1), 1–12. doi:10.2136/vzj2012.0049

Google Scholar

Шэн Д., Аксельссон К. и Кнутссон С. (1995). Морозное пучение вследствие образования ледяных линз в промерзающих грунтах. Нордик Гидрол. 26 (2), 125–146.doi:10.2166/nh.1995.0008

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Шэн Д., Чжан С., Ниу Ф. и Ченг Г. (2014). Возможный новый механизм морозного пучения насыпей высокоскоростных железных дорог. Геотехника 64 (2), 144–154. doi:10.1680/geot.13.p.042

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Шэн Д., Чжан С., Ю З. и Чжан Дж. (2013). Оценка морозоустойчивости почв с помощью PCHeave. Холодные регионы Науч. Техн. 95, 27–38.doi:10.1016/j.coldregions. 2013.08.003

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Сонг Л., Ли Х., Ван К., Ву Д. и Ву Х. (2014). Экология раковинных амеб и их потенциальное использование в качестве палеогидрологических индикаторов из торфяников на равнине Саньцзян, Северо-Восточный Китай. Фронт. наук о Земле. 8 (4), 564–572. doi:10.1007/s11707-014-0435-x

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Группа по составлению национальных стандартов Китайской Народной Республики (2014 г.). ГБ 50324—2014 Правила инженерно-геологического изучения мерзлых грунтов . Пекин, Китай: China Planning Press. (на китайском языке).

Группа по составлению национальных стандартов Китайской Народной Республики (2011 г.). JGJ 118—2011 Нормы проектирования грунтов и фундаментов зданий в мерзлых грунтах . Пекин, Китай: Издательство China Architecture Publishing. (на китайском языке).

Томас, Х. Р., Клиалл, П., Ли, Ю.-К., Харрис, К., и Керн-Лючг, М. (2009). Моделирование криогенных процессов в многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтах. Геотехника 59 (3), 173–184. doi:10.1680/geot.2009.59.3.173

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ван, К., Лю, Дж., Чжу, X., Лю, Дж., и Лю, З. (2016). Эксперимент «Изучение характеристик морозного пучения и корреляционный анализ серого фракционированного щебня». Холодные регионы Науч. Техн. 126, 44–50. doi:10.1016/j.coldregions.2016.03.003

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ван Т., Чжоу Г., Ван Дж. и Ван Д. (2020).Влияние пространственной изменчивости геотехнических свойств на неопределенную осадку мерзлого грунтового основания вокруг нефтепровода. Геомеханик Инж. 20 (1), 19–28. doi:10.12989/gae.2020.20.1.019

Google Scholar

Wu, X.Y., Niu, FJ, Lin, Z.J., Luo, J., Zheng, H., and Shao, Z.J. (2018). Морозное пучение расслоения в насыпи высокоскоростной железной дороги в условиях высокогорья и сезонной мерзлоты. Холодные регионы Науч. Техн. 153, 25–32. doi:10.1016/j.coldregions.2018.04.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй X. , Бай Р., Лай Ю., Чжан М. и Рен Дж. (2020). Работа сопряженных переменных напряжений и деформаций для ненасыщенных мерзлых грунтов. Дж. Гидрол. 582, 124537. doi:10.1016/j.jhydrol.2019.124537

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юэ З., Ге Дж., Ли З. и Лю Ю. (2007). Исследование осадки незащищенной железнодорожной насыпи в условиях вечной мерзлоты. Холодные регионы Науч. Техн. 48 (1), 24–33.doi:10.1016/j.coldregions.2006.09.003

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжан С., Шэн Д., Чжао Г., Ню Ф. и Хэ З. (2016). Анализ механизмов морозного пучения насыпи высокоскоростной железной дороги. Кан. Геотех. J. 53 (3), 520–529. doi:10.1139/cgj-2014-0456

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Zuo, D., Luo, P., Yang, H., Mou, C., Li, Y., Mo, L., et al. (2019). Оценка воздействия космического соседства и эффективности защиты охраняемой территории — тематическое исследование национального природного заповедника водно-болотных угодий Зойдж. Чин. Дж. Заявл. Окружающая среда. биол. 25 (4), 0854–0861. (на китайском языке).

Академия Google

%PDF-1.2 % 1218 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 1218 107 0000000016 00000 н 0000002496 00000 н 0000002577 00000 н 0000003271 00000 н 0000003567 00000 н 0000003691 00000 н 0000004284 00000 н 0000005397 00000 н 0000005692 00000 н 0000005986 00000 н 0000007100 00000 н 0000008209 00000 н 0000009320 00000 н 0000009611 00000 н 0000009900 00000 н 0000009924 00000 н 0000011770 00000 н 0000012049 00000 н 0000013151 00000 н 0000013175 00000 н 0000014914 00000 н 0000014938 00000 н 0000016603 00000 н 0000016896 00000 н 0000018009 00000 н 0000018033 00000 н 0000019703 00000 н 0000019727 00000 н 0000021437 00000 н 0000021461 00000 н 0000023109 00000 н 0000023382 00000 н 0000024478 00000 н 0000024502 ​​00000 н 0000026169 00000 н 0000026454 00000 н 0000026478 00000 н 0000028170 00000 н 0000028192 00000 н 0000028214 00000 н 0000028504 00000 н 0000028526 00000 н 0000028815 00000 н 0000028839 00000 н 0000031183 00000 н 0000031207 00000 н 0000033334 00000 н 0000033358 00000 н 0000034857 00000 н 0000034881 00000 н 0000037936 00000 н 0000037960 00000 н 0000041409 00000 н 0000041433 00000 н 0000042938 00000 н 0000042962 00000 н 0000046600 00000 н 0000046624 00000 н 0000050624 00000 н 0000050648 00000 н 0000053347 00000 н 0000053371 00000 н 0000057367 00000 н 0000057391 00000 н 0000060738 00000 н 0000060762 00000 н 0000065132 00000 н 0000065156 00000 н 0000067850 00000 н 0000067874 00000 н 0000072426 00000 н 0000072450 00000 н 0000075334 00000 н 0000075358 00000 н 0000079688 00000 н 0000079712 00000 н 0000083210 00000 н 0000083234 00000 н 0000086888 00000 н 0000086912 00000 н 00000 00000 н 00000 00000 н 0000093326 00000 н 0000093350 00000 н 0000097121 00000 н 0000097145 00000 н 0000100569 00000 н 0000100593 00000 н 0000104622 00000 н 0000104646 00000 н 0000107866 00000 н 0000107890 00000 н 0000112423 00000 н 0000112447 00000 н 0000114886 00000 н 0000114910 00000 н 0000117803 00000 н 0000117827 00000 н 0000120600 00000 н 0000120624 00000 н 0000125093 00000 н 0000125117 00000 н 0000127653 00000 н 0000127676 00000 н 0000128056 00000 н 0000002643 00000 н 0000003248 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 1219 0 объект > эндообъект 1220 0 объект > эндообъект 1323 0 объект > ручей HeQMhA}Mvtc1$m»(TV=’%ImLj2֠1. +5dٜek({G92K٬\>02B7Ycԣ5 xn7 SqCs+DjV[dyT&G:Zr+F 6` X!>:ːT$V!Ltw`NJObaJ’xM ,# 7;RT7q8OahRbڝ~4*u2UU6ؚQP,m K5y!;} ˆr

(PDF) Пучение и давление пучения в промерзающих грунтах: объединяющая теория

www.VadoseZoneJournal.org с. 11 из 11

механика. Геофиз. Моногр.129. Американский геофизический союз,

Вашингтон, округ Колумбия. п. 95–105.

Groenevelt, P.H., and B.D. Кей. 1974. О взаимодействии воды и тепла

транспорта в мерзлых и немерзлых грунтах: II Жидкая фаза.Почвовед. соц. Являюсь.

Проц. 38:400–404. doi:10.2136/sssaj1974.03615995003800030012x

Groenevelt, P.H., and B.D. Кей. 1980. Распределение давления и эффективные напряжения

в мерзлых грунтах. В: Proceedations 2nd International Symposium on Ground

Freezing, Norwegian Inst. Технология, Тронхейм. п. 597–610.

Hoekstra, P. 1966. Движение влаги в почвах при температурных градиентах

при температуре холодной стороны ниже точки замерзания. Водный ресурс. Рез. 2:241–

250. doi:10.1029/WR002i002p00241

Hoekstra, P., and RD Miller. 1967. О подвижности молекул воды в

переходном слое между льдом и твердой поверхностью. J. Коллоидный интерфейс Sci.

25:166–173. doi:10.1016/0021-9797(67)

-3

Ито, Ю., Т.С. Винсон, Дж. Ф. Никсон и Д. Стюарт. 1998. Усовершенствованный тест ступенчатого замораживания

для определения сегрегационного потенциала. В: Proceedings 7th International

Conference on Permafrost, Collec on Nordicana, Yellowknife, Canada.п.

509–516.

Кей, Б.Д. и П.Х. Гроенвельт. 1974. О взаимодействии воды и теплопереноса в мерзлых и немерзлых грунтах: I. Основы теории: Паровая фаза. Почвовед. соц.

Ам. проц. 38:395–400. doi:10.2136/sssaj1974.03615995003800030011x

Кей, Б.Д. и Э. Перфект. 1988. Современное состояние: Тепломассоперенос в промерзающих грунтах

. В: Труды 5-го Международного симпозиума по замораживанию грунтов,

Balkema, Roördam, Vol. 1. с. 3–21.

Конрад, Ж.-М. 1987. Методика определения сегрегативного потенциала

промерзающих почв. Геотех. Контрольная работа. Дж. 10:51–58. doi:10.1520/GTJ10933J

Конрад, Ж.-М. 1993. Потенциал морозного пучения. В: М. Р. Картер, редактор, Отбор проб почвы

и методы анализа. Канадское общество почвоведов, издательство Lewis,

Бока-Ратон, Флорида. п. 797–806.

Конрад, Дж.-М. и Н.Р. Моргенштерн. 1980. Механическая теория образования ледяных линз

в мелкозернистых грунтах.Может. Геотех. Дж. 17:473–486. doi:10.1139/

t80-056

Конрад, Дж.-М., и Н.Р. Моргенштерн. 1981. Сегрегативный потенциал

промерзающей почвы. Может. Геотех. Дж. 18:482–491. doi:10.1139/t81-059

Конрад Дж.-М. и Н.Р. Моргенштерн. 1982. Прогнозирование морозного пучения в

лаборатории при переходных заморозках. Может. Геотех. Дж. 19:250–259.

doi:10.1139/t82-032

Купманс, Р.В.Р. и Р.Д. Миллер. 1966. Характеристические кривые промерзания почвы и воды в почве. Почвовед. соц. Являюсь. проц. 30:680–685. doi:10.2136/

sssaj1966.03615995003000060011x

Loch, J.P.G. и B.D. Кей. 1978. Перераспределение воды в частично мерзлых, насыщенных

илах при нескольких температурных градиентах и ​​вскрышных нагрузках. Почвовед. соц.

Ам. проц. 42:400–406. doi:10.2136/sssaj1978.03615995004200030005x

Лох, Дж. П. Г. и Р. Д. Миллер. 1975. Испытание концепции вторичного

морозного пучения. Почвовед. соц. Являюсь. проц.39:1036–1041. doi:10.2136/

sssaj1975.03615995003

0012x

Миллер Р.Д. 1972. Промерзание и пучение насыщенных и ненасыщенных грунтов.

Выс. Рез. Рек. 393:1–11.

Miller, R.D. 1973. Промерзание почвы в зависимости от порового давления воды и температуры. В кн.: Вечная мерзлота, 2-я Международная конференция. Национальная академия

Press, Вашингтон, округ Колумбия. п. 344–352.

Миллер Р.Д. 1978. Морозное пучение в неколлоидных грунтах. В: Труды 3-й

Международной конференции по вечной мерзлоте. Эдмонтон, Альберта. Национальный

Исследовательский совет Канады. п. 708–713.

Миллер Р.Д., Дж.Х. Бейкер и Дж.Х. Колаян. 1960. Размер частиц, давление вскрыши

, поровое давление воды и температура замерзания линз льда в грунте.

Труды 7-го Международного конгресса почвоведов, Vol. 1. с. 122–129.

Перфект, Э., П.Х. Гроенвельт и Б.Д. Кей. 1991. Явления переноса в мерзлых

пористых средах. В: Дж. Беар и М.Ю. Корапчиоглу, редакторы, Транспортные процессы

в пористых средах.Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды.

стр. 243–270.

Перфект, Э. и Б.Д. Кей. 1993. Гидрологические свойства мерзлых грунтов. В: MR

Картер, редактор, Отбор проб почвы и методы анализа. Канадское общество

Почвоведение, издательство Lewis Publishers, Бока-Ратон, Флорида. п. 767–781.

Перфект, Э., В.К.П. Ван Лун, П.Х. Гроенвельт и Б.Д. Кей. 1990. Влияние

сегрегации льда и растворенных веществ на структурную устойчивость почвы. Может. J. Почвоведение.

70:571–581. doi:10.4141/cjss90-060

Philip, J.R. 1969. Равновесие влаги по вертикали в набухающих почвах. 1 Базовый

Теория. Ауст. Дж. Рез. почвы. 7:99–120. doi:10.1071/SR96

Ремпель, А.В. 2012. Гидромеханические процессы в промерзающих грунтах. Зона Вадосе

J. 11. doi:10.2136/vzj2012.0045.

Снайдер, В. А. и Р. Д. Миллер. 1985. Прочность на растяжение ненасыщенных грунтов. Почвовед.

Соц. Являюсь. Дж. 49:58–65.

Табер, С. 1929. Морозное пучение. Дж. Геол. 37:428–461. doi:10.1086/623637

Taber, S. 1930. Механика морозного пучения. Дж. Геол. 38:303–317.

doi:10.1086/623720

Taber, S. 1991a. Морозное пучение. В: CRREL Special Rep. 91-23. Холодные регионы

Исследовательская и инженерная лаборатория, Ганновер, Нью-Хэмпшир. Опубликовано ASTM,

Филадельфия, Пенсильвания. п. 9–26.

Табер, С. 1991б. Механика морозного пучения. В: CRREL Special Rep. 91-23.

Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов, Ганновер, Нью-Хэмпшир. Опубликовано

ASTM, Филадельфия, Пенсильвания. п. 27–35.

Ван Лун, В.К.П. 1991. Тепломассоперенос в мерзлых пористых средах. Кандидат наук.

дисс. Университет Вагенинген, Нидерланды.

Ван Лун, В.К.П., И.А. ван Ханегем, Э. Перфект и Б.Д. Кей. 1993. Тепловые

свойства мерзлых грунтов. В: М. Р. Картер, редактор, Отбор проб почвы и методы анализа

.Канадское общество почвоведов, издательство Lewis Publishers, Бока-Ратон,

, Флорида. п. 783–795.

Фольгер, Г.Х.О. 1854. Über die Volumveränderungen, welche durch die

Krystallisa on hervorgerufen werden. Annalen der Physik und Chemie,

Vierte Reihe. Опубликовано Poggendorff, Berlin XCIII: 232–237.

Ватанабэ К. и М. Флури. 2008. Капиллярно-пучковая модель гидропроводности

мерзлого грунта. Водный ресурс. Рез. 44:W12402.

дои:10.1029/2008WR007012

Стандартные методы испытаний на восприимчивость почв к морозному пучению и оттаиванию

Лицензионное соглашение ASTM

ВАЖНО — ВНИМАТЕЛЬНО ПРОЧИТАЙТЕ ЭТИ УСЛОВИЯ ПЕРЕД ВХОДОМ В ЭТОТ ПРОДУКТ ASTM.
Приобретая подписку и нажимая на это соглашение, вы вступаете в контракт, и подтверждаете, что прочитали настоящее Лицензионное соглашение, что вы понимаете его и соглашаетесь соблюдать его условия.Если вы не согласны с условиями настоящего Лицензионного соглашения, немедленно покиньте эту страницу, не входя в продукт ASTM.

1. Право собственности:
Этот продукт защищен авторским правом как компиляции и в виде отдельных стандартов, статей и/или документов («Документы») ASTM («ASTM»), 100 Barr Harbour Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959 USA, за исключением случаев, когда прямо указано в тексте отдельных документов.Все права защищены. Ты (Лицензиат) не имеет прав собственности или иных прав на Продукт ASTM или Документы. Это не продажа; все права, право собственности и интерес к продукту или документам ASTM (как в электронном, так и в печатном виде) принадлежат ASTM. Вы не можете удалять или скрывать уведомление об авторских правах или другое уведомление, содержащееся в Продукте или Документах ASTM.

2.Определения.

A. Типы лицензиатов:

(i) Индивидуальный пользователь:
один уникальный компьютер с индивидуальным IP-адресом;

(ii) Одноместный:
одно географическое местоположение или несколько объекты в пределах одного города, входящие в состав единой организационной единицы, управляемой централизованно; например, разные кампусы одного и того же университета в одном городе управляются централизованно.

(iii) Multi-Site:
организация или компания с независимое управление несколькими точками в одном городе; или организация или компания, расположенная более чем в одном городе, штате или стране, с центральным управлением для всех местоположений.

B. Авторизованные пользователи:
любое лицо, подписавшееся к этому Продукту; если Site License также включает зарегистрированных студентов, преподавателей или сотрудников, или сотрудник Лицензиата на Одном или Множественном Сайте.

3. Ограниченная лицензия.
ASTM предоставляет Лицензиату ограниченное, отзывная, неисключительная, непередаваемая лицензия на доступ посредством одного или нескольких авторизованные IP-адреса и в соответствии с условиями настоящего Соглашения использовать разрешенных и описанных ниже, каждого Продукта ASTM, на который Лицензиат подписался.

А.Специальные лицензии:

(i) Индивидуальный пользователь:

(a) право просматривать, искать, извлекать, отображать и просматривать Продукт;

(b) право скачивать, хранить или распечатывать отдельные копии отдельных Документов или частей таких Документов исключительно для собственного использования Лицензиатом. То есть Лицензиат может получить доступ к электронному файлу Документа (или его части) и загрузить его. Документа) для временного хранения на одном компьютере в целях просмотра и/или печать одной копии документа для личного пользования.Ни электронный файл, ни единственный печатный отпечаток может быть воспроизведен в любом случае. Кроме того, электронный файл не может распространяться где-либо еще по компьютерным сетям или иным образом. Это электронный файл нельзя отправить по электронной почте, загрузить на диск, скопировать на другой жесткий диск или в противном случае разделены. Одна печатная копия может быть распространена среди других только для их внутреннее использование в вашей организации; его нельзя копировать.Индивидуальный загруженный документ иным образом не может быть продана или перепродана, сдана в аренду, сдана в аренду, одолжена или сублицензирована.

(ii) Односайтовые и многосайтовые лицензии:

(a) право просматривать, искать, извлекать, отображать и просматривать Продукт;

(b) право скачивать, хранить или распечатывать отдельные копии отдельных Документов или частей таких Документов для личных целей Авторизованного пользователя. использовать и передавать такие копии другим Авторизованным пользователям Лицензиата в компьютерной сети Лицензиата;

(c) если образовательное учреждение, Лицензиату разрешается предоставлять печатная копия отдельных Документов отдельным учащимся (Авторизованные пользователи) в классе по месту нахождения Лицензиата;

(d) право отображать, загружать и распространять печатные копии Документов для обучения Авторизованных пользователей или групп Авторизованных пользователей.

(e) Лицензиат проведет всю необходимую аутентификацию и процессы проверки, чтобы гарантировать, что только авторизованные пользователи могут получить доступ к продукту ASTM.

(f) Лицензиат предоставит ASTM список авторизованных IP-адреса (числовые IP-адреса домена) и, если многосайтовый, список авторизованных сайтов.

Б.Запрещенное использование.

(i) Настоящая Лицензия описывает все разрешенные виды использования. Любой другой использование запрещено, является нарушением настоящего Соглашения и может привести к немедленному прекращению действия настоящей Лицензии.

(ii) Авторизованный пользователь не может производить этот Продукт, или Документы, доступные любому, кроме другого Авторизованного Пользователя, будь то по интернет-ссылке, или разрешив доступ через его или ее терминал или компьютер; или другими подобными или отличными средствами или договоренностями.

(iii) В частности, никто не имеет права передавать, копировать, или распространять любой Документ любым способом и с любой целью, за исключением случаев, описанных в Разделе 3 настоящей Лицензии без предварительного письменного разрешения ASTM. Особенно, за исключением случаев, описанных в Разделе 3, никто не может без предварительного письменного разрешения ASTM: (a) распространять или пересылать копию (электронную или иную) любой статьи, файла, или материал, полученный из любого продукта или документа ASTM; (b) воспроизводить или фотокопировать любые стандарт, статья, файл или материал из любого продукта ASTM; в) изменять, видоизменять, приспосабливать, или переводить любой стандарт, статью, файл или материал, полученный из любого продукта ASTM; (d) включать любой стандарт, статью, файл или материал, полученный из любого продукта ASTM или Документировать в других произведениях или иным образом создавать любые производные работы на основе любых материалов. получено из любого продукта или документа ASTM; (e) взимать плату за копию (электронную или иным образом) любого стандарта, статьи, файла или материала, полученного из любого продукта ASTM или Документ, за исключением обычных расходов на печать/копирование, если такое воспроизведение разрешено по разделу 3; или (f) систематически загружать, архивировать или централизованно хранить существенные части стандартов, статей, файлов или материалов, полученных из любого продукта ASTM или Документ. Включение печатных или электронных копий в пакеты курсов или электронные резервы, или для использования в дистанционном обучении, не разрешено настоящей Лицензией и запрещено без Предварительное письменное разрешение ASTM.

(iv) Лицензиат не может использовать Продукт или доступ к Продукт в коммерческих целях, включая, помимо прочего, продажу Документов, материалы, платное использование Продукта или массовое воспроизведение или распространение Документов в любой форме; а также Лицензиат не может взимать с Авторизованных пользователей специальные сборы за использование Продукт сверх разумных расходов на печать или административные расходы.

C. Уведомление об авторских правах . Все копии материала из ASTM Продукт должен иметь надлежащее уведомление об авторских правах от имени ASTM, как показано на начальной странице. каждого стандарта, статьи, файла или материала. Сокрытие, удаление или изменение уведомление об авторских правах не допускается.

4. Обнаружение запрещенного использования.

A. Лицензиат несет ответственность за принятие разумных мер для предотвращения запрещенного использования и незамедлительного уведомления ASTM о любых нарушениях авторских прав или запрещенное использование, о котором Лицензиату стало известно. Лицензиат будет сотрудничать с ASTM при расследовании любого такого запрещенного использования и предпримет разумные шаги для обеспечения прекращение такой деятельности и предотвращение ее повторения.

B. Лицензиат должен прилагать все разумные усилия для защиты Продукт от любого использования, не разрешенного настоящим Соглашением, и уведомляет ASTM о любом использовании, о котором стало известно или о котором было сообщено.

5. Постоянный доступ к продукту.
ASTM резервирует право прекратить действие настоящей Лицензии после письменного уведомления, если Лицензиат существенно нарушит условия настоящего Соглашения.Если Лицензиат не оплачивает ASTM какую-либо лицензию или абонентской платы в установленный срок, ASTM предоставит Лицензиату 30-дневный период в течение что бы вылечить такое нарушение. Для существенных нарушений период устранения не предоставляется связанные с нарушениями Раздела 3 или любыми другими нарушениями, которые могут привести к непоправимым последствиям ASTM. вред. Если подписка Лицензиата на Продукт ASTM прекращается, дальнейший доступ к онлайн-база данных будет отклонена.Если Лицензиат или Авторизованные пользователи существенно нарушают настоящую Лицензию или запрещать использование материалов в любом продукте ASTM, ASTM оставляет за собой право право отказать Лицензиату в любом доступе к Продукту ASTM по собственному усмотрению ASTM.

6. Форматы доставки и услуги.

A. Некоторые продукты ASTM используют стандартный интернет-формат HTML. ASTM оставляет за собой право изменить такой формат с уведомлением Лицензиата за три [3] месяца, хотя ASTM приложит разумные усилия для использования общедоступных форматов. Лицензиат и Авторизованные пользователи несут ответственность за получение за свой счет подходящие подключения к Интернету, веб-браузеры и лицензии на любое необходимое программное обеспечение для просмотра продуктов ASTM.

B. Продукты ASTM также доступны в Adobe Acrobat (PDF) Лицензиату и его Авторизованным пользователям, которые несут единоличную ответственность за установку и настройка соответствующего программного обеспечения Adobe Acrobat Reader.

C. ASTM приложит разумные усилия для обеспечения онлайн-доступа доступны на постоянной основе. Доступность будет зависеть от периодического перерывы и простои для обслуживания сервера, установки или тестирования программного обеспечения, загрузка новых файлов и причины, не зависящие от ASTM. ASTM не гарантирует доступ, и не несет ответственности за ущерб или возврат средств, если Продукт временно недоступен, или если доступ становится медленным или неполным из-за процедур резервного копирования системы, объем трафика, апгрейды, перегрузка запросов к серверам, общие сбои сети или задержки, или любая другая причина, которая может время от времени делать продукт недоступным для Лицензиата или Авторизованных пользователей Лицензиата.

7. Условия и стоимость.

A. Срок действия настоящего Соглашения _____________ («Период подписки»). Доступ к Продукту предоставляется только на Период Подписки. Настоящее Соглашение останется в силе после этого для последовательных Периодов подписки при условии, что ежегодная абонентская плата, как таковая, может меняются время от времени, оплачиваются.Лицензиат и/или ASTM имеют право расторгнуть настоящее Соглашение. в конце Периода подписки путем письменного уведомления, направленного не менее чем за 30 дней.

B. Сборы:

8. Проверка.
ASTM имеет право проверять соответствие с настоящим Соглашением, за свой счет и в любое время в ходе обычной деятельности часы.Для этого ASTM привлечет независимого консультанта при соблюдении конфиденциальности. соглашение, для проверки использования Лицензиатом Продукта и/или Документов ASTM. Лицензиат соглашается разрешить доступ к своей информации и компьютерным системам для этой цели. Проверка состоится после уведомления не менее чем за 15 дней, в обычные рабочие часы и в таким образом, чтобы не создавать необоснованного вмешательства в деятельность Лицензиата.Если проверка выявляет нелицензионное или запрещенное использование продуктов или документов ASTM, Лицензиат соглашается возместить ASTM расходы, понесенные при проверке и возмещении ASTM для любого нелицензированного/запрещенного использования. Применяя эту процедуру, ASTM не отказывается от любое из своих прав на обеспечение соблюдения настоящего Соглашения или на защиту своей интеллектуальной собственности путем любым другим способом, разрешенным законом.Лицензиат признает и соглашается с тем, что ASTM может внедрять определенная идентифицирующая или отслеживающая информация в продуктах ASTM, доступных на Портале.

9. Пароли:
Лицензиат должен немедленно уведомить ASTM о любом известном или предполагаемом несанкционированном использовании(ях) своего пароля(ей) или о любом известном или предполагаемом нарушение безопасности, включая утерю, кражу, несанкционированное раскрытие такого пароля или любой несанкционированный доступ или использование Продукта ASTM.Лицензиат несет исключительную ответственность для сохранения конфиденциальности своего пароля (паролей) и для обеспечения авторизованного доступ и использование Продукта ASTM. Личные учетные записи/пароли не могут быть переданы.

10. Отказ от гарантии:
Если не указано иное в настоящем Соглашении, все явные или подразумеваемые условия, заверения и гарантии, включая любые подразумеваемые гарантия товарного состояния, пригодности для определенной цели или ненарушения прав отказываются от ответственности, за исключением случаев, когда такие отказы признаются юридически недействительными.

11. Ограничение ответственности:
В пределах, не запрещенных законом, ни при каких обстоятельствах ASTM не несет ответственности за любые потери, повреждения, потерю данных или за особые, косвенные, косвенные или штрафные убытки, независимо от теории ответственности, возникающие в результате или в связи с использованием продукта ASTM или загрузкой документов ASTM. Ни при каких обстоятельствах ответственность ASTM не будет превышать сумму, уплаченную Лицензиатом по настоящему Лицензионному соглашению.

12. Общие.

A. Прекращение действия:
Настоящее Соглашение действует до прекращено. Лицензиат может расторгнуть настоящее Соглашение в любое время, уничтожив все копии (на бумажном, цифровом или любом носителе) Документов ASTM и прекращении любого доступа к Продукту ASTM.

B. Применимое право, место проведения и юрисдикция:
Это Соглашение должно толковаться и толковаться в соответствии с законодательством Содружество Пенсильвании.Лицензиат соглашается подчиняться юрисдикции и месту проведения в суды штата и федеральные суды Пенсильвании по любому спору, который может возникнуть в соответствии с настоящим Соглашение. Лицензиат также соглашается отказаться от любых претензий на неприкосновенность, которыми он может обладать.

C. Интеграция:
Настоящее Соглашение представляет собой полное соглашение между Лицензиатом и ASTM в отношении его предмета. Он заменяет все предыдущие или одновременные устные или письменные сообщения, предложения, заверения и гарантии и имеет преимущественную силу над любыми противоречащими или дополнительными условиями любой цитаты, заказа, подтверждения, или другое сообщение между сторонами, относящееся к его предмету в течение срока действия настоящего Соглашения.Никакие изменения настоящего Соглашения не будут иметь обязательной силы, если они не будут в письменной форме и подписан уполномоченным представителем каждой стороны.

D. Переуступка:
Лицензиат не может уступать или передавать свои права по настоящему Соглашению без предварительного письменного разрешения ASTM.

E. Налоги.
Лицензиат должен уплатить все применимые налоги, за исключением налогов на чистый доход ASTM, возникающий в результате использования Лицензиатом Продукта ASTM. и/или права, предоставленные по настоящему Соглашению.

Пучение и расклинивание льда | Encyclopedia.com

Около 35% суши Земли области регулярно подвергаются замораживанию и оттаиванию. Лед вздымание и расклинивание льда — это два механизма, с помощью которых вода в почве поднимает, проникает и сортирует почвы и горные породы при многократном таянии и замерзании. Ледяное пучение — подъем грунта горизонтальными пластами льда; Вклинивание льда — это врастание в почву вертикальных жил льда сверху вниз.

Пучение льда обусловлено сложными молекулярными взаимодействиями между водой и почвой. Простой результат этих сложных взаимодействий заключается в том, что лед, образующийся в почве, притягивает к себе воду за счет капиллярного действия. Всасывание, оказываемое льдом на воду в почве, называется криовсасыванием. Так как промерзание в норме идет с поверхности вниз, пучение льда начинается с образования у поверхности слоя льда. По мере своего роста этот слой подтягивает к себе воду снизу за счет криовсасывания. Эта вода замерзает на нижней стороне растущего слоя.Образующийся таким образом лед называется сегрегационным льдом, потому что он растет за счет разделения предварительно смешанной почвы и воды. Сегрегационный лед образуется из воды, переносимой криовсасыванием в верхний слой почвы; этот импортированный материал, которому немного способствует расширение воды на 9% при замерзании, поднимает вышележащую поверхность земли по мере образования сегрегационного льда, вызывая пучение льда.

Сегрегационный лед часто образует регулярно расположенные слои. По мере формирования каждого слоя он имеет тенденцию высасывать почву под собой. Когда сила криовсасывания уже не в состоянии поднять воду снизу, утолщение текущего слоя прекращается и охлаждение продолжается вниз до тех пор, пока новый слой льда не начнет формироваться на большей глубине.

Ледяные клинья образуются более простым процессом. Когда почва остывает, она сжимается; это сокращение производит трещины. Вода просачивается в трещины и замерзает, образуя зарождающийся ледяной клин. Последующие циклы температурного расширения и усадки заставляют клин многократно открываться, каждый раз пропуская дополнительную воду. Клиновой лед называется интрузивным льдом, потому что его вода не берется из окружающего грунта, а проникает в него.

Любое плоское гладкое покрытие из частиц и жидкости (например,например, грязь, краска или почва) имеет тенденцию растрескиваться в форме многоугольников при усадке, будь то при охлаждении или высыхании. Следовательно, большие площади далекой северной суши покрыты многоугольниками жил-ледяных льдов, часто многометровых в поперечнике. Эти многоугольники являются примером узорчатой ​​земли, то есть местности, отмеченной естественными повторяющимися геометрическими формами. Большая часть узорчатой ​​почвы образуется в результате циклического замораживания и оттаивания, будь то вспучивание, расклинивание или другие механизмы.

Расклинивание льда ограничено крайним севером и высокогорными районами.Пучение льда происходит везде, где влажный грунт промерзает даже поверхностно. Пипкракес — хрустящие кристаллы льда с вертикальными волокнами , которые вырастают во влажной почве морозными ночами, — это небольшой пример пучения льда.

См. также Изменение фазового состояния

Моделирование трансверсально-изотропного морозного пучения с тепловлажностно-деформационной связью

Модули упругости и коэффициенты Пуассона могут быть использованы для определения характерных особенностей процессов промерзания морозостойких грунтов .Лед обеспечивает механические связи на границе между частицей грунта и плоскостями напластования. Предполагается, что ледяные линзы и слои грунта в представительном элементе объема (ЭОП) обладают деформируемостью. Кроме того, грунт с линзовидной структурой можно рассматривать как однослойный композит, когда REV достаточно велик. В локальной декартовой системе координат анизотропия материала возникает в направлении 2, то есть в направлении линий теплового потока (рис. 2). Главные оси материала совмещены с осями координат соответственно.Материал в плоскостях 1–3 демонстрирует изотропное (ISO) поведение. Вектор деформации определяется как ε = [ ε , _{11 22 , ε 33 , γ 12 , γ 23 , γ 31 ] ^T , а вектор стресса определяется как Σ = [ Σ 1 , Σ 2 , Σ 3 , Σ 11 , τ 12 , τ 23 , τ 31 ] ^T . ε ii и σ i представляют нормальную деформацию и напряжение в направлении i соответственно. γ ij и τ ij представляют сдвиговую деформацию и напряжение соответственно.}

Рис. 2

RVE-схема однослойной композитной модели мерзлого грунта. a Серийная модель для оценки констант упругости E ₂ и υ ₂₁ (=  υ ₂₃ ). b Параллельная модель для оценки констант упругости E ₁ , υ _12, и υ ₁₃ . RVE элемент репрезентативного объема

Анизотропный характер пучения

Морозное пучение мерзлых мелкозернистых грунтов имеет зависимость от температуры за счет образования линзы льда [22, 37]. Следовательно, безразмерная величина ξ (коэффициент распределения морозного пучения) используется для иллюстрации анизотропии объемного роста.Прирост пластической деформации можно определить следующим образом:

$${\varvec{\upvarepsilon}}_{{{\text{vh}},123}} = \left( {\theta_{\text{w}} + \theta_{\text{i}} — n_{0}} \right)\left[ {\begin{array}{*{20}c} {\left({1 — \xi} \right)/2 } & 0 & 0 \\ 0 & \xi & 0 \\ 0 & 0 & {\left( {1 — \xi } \right)/2} \\ \end{array} } \right],$$

(1)

где ε _vh,123 — тензор пластической деформации всего замороженного композита за счет объемного роста в локальной системе.Объемное содержание незамерзшей воды и льда и начальная пористость представлены как θ _w , θ _i и θ ₀ соответственно. Значение ξ колеблется от 0,33 до 1,0 для роста ISO и однонаправленного роста ледяных линз.

Матрица жесткости мерзлого грунта

Условно пятью независимыми упругими постоянными в конститутивной модели TISO являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона в плоскостях 1–3 ( E ₁ и υ _{13 , 911 соответственно) , модуль Юнга и коэффициент Пуассона во 2-м направлении ( E 2 и υ 12 соответственно) и модуль сдвига во 2-м направлении ( G 12 ).Матрица жесткости выглядит следующим образом:}

$${\mathbf{D}}_{123} = \left[ {\begin{array}{*{20}l} {d_{11}} \hfill & {d_{12} } } \hfill & {d_{13} } \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {} \hfill \\ {} \hfill & {d_{22}} \hfill & {d_{12} } \hfill & {} \hfill & 0 \hfill & {} \hfill \\ {} \hfill & {} \hfill & {d_{11} } \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {} \ hfill \\ {} \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {d_{44}} \hfill & {} \hfill & {} \hfill \\ {} \hfill & {{\mathbf{sym} }} \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {\left( {d_{11} — d_{13} } \right)/2} \hfill & {} \hfill \\ {} \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {} \hfill & {d_{44} } \hfill \\ \end{массив} } \right],$$

(2)

, где

$$\begin{aligned} & d_{11} = \frac{{1 — \upsilon_{12} \upsilon_{21} }}{{\left( {1 — \upsilon_{13} — 2\upsilon_{21} \upsilon_{12} } \right)\left( {1 + \upsilon_{13} } \right)}}E_{1} , \\ & d_{22} = \frac{{1 — \upsilon_{13} }}{{1 — \upsilon_{13} — 2\upsilon_{21} \upsilon_{12} }}E_{2} , \\ & d_{12} = \frac{{\upsilon_ {21} + \upsilon_{13} \upsilon_{21} }}{{\left( {1 — \upsilon_{13} — 2\upsilon_{21} \upsilon_{12}} \right)\left( {1 + \upsilon_{13} } \right)}}E_{1} , \\ & d_{13} = \frac{{\upsilon_{13} + \upsilon_{21} \upsilon_{12}}}{{\ влево( {1 — \upsilon_{13} — 2\upsilon_{21} \upsilon_{12} } \right)\left( {1 + \upsilon_{13} } \right)}}E_{1} , \\ & d_{44} = G_{12} , \\ & \upsilon_{12} /E_{1} = \upsilon_{21} /E_{2} .\\ \end{aligned}$$

Предполагая деформируемость, серийную модель и параллельную модель [45] можно использовать для оценки констант упругости и неуравновешенной силы сдвига между слоями льда и грунта из-за различных коэффициентов Пуассона содержаний . Модуль упругости и коэффициент Пуассона для матрицы льда и грунта представлены как E _i , υ _i , E _m и υ 09, 79 m , и υ 09, 79 m соответственно. Объем ледяных линз и грунта в РВЭ представлен как θ _i и θ _м  = 1 −  θ _i соответственно.Напряжения на границе раздела представлены в виде σ _{j и} и σ _{j m} ( j  = 1, на рис. 2, 3 – главные оси материала).

Серийная модель

Модифицированная серийная модель, учитывающая деформируемость и межслоевое взаимодействие, используется для оценки констант упругости мерзлого грунта в направлении 2 (рис. 2а). Предполагается, что RVE подвергается осевой нагрузке σ ₂ вдоль 2-го направления.Равновесие по 2-му направлению предполагает σ _2i  =  σ _2m . Сила трения между слоями отсутствует, если деформация отдельного слоя либо независима, либо слои имеют одинаковые модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Тогда эффективные упругие константы ЭСО можно получить, используя общее правило смесей. Для последовательной боковой деформации двух слоев взаимодействия параллельно интерфейсу ( Σ _1i , σ _3i , Σ _1m , и σ _3m ) являются ненулевыми из-за межфазное сцепление и различия между коэффициентами Пуассона для льда и грунта.Учитывая симметрию в плоскостях 1–3, тогда:

$$\begin{aligned} \sigma_{{1{\text{m}}}} & = \sigma_{{3{\text{m}}}} = \sigma_{\text{m}} \\ \sigma_{{1{\text{i}}}} & = \sigma_{{3{\text{i}}}} = \sigma_{\text{i }} . \\ \end{выровнено}$$

(3)

Уравнения равновесия и деформируемость вдоль главных осей дают:

$$\begin{aligned} & \sigma_{{2{\text{i}}}} = \sigma_{{ 2 {\text{m}} }} = \sigma_{2} \\ & \sigma_{\text{m}} \left( {1 — \theta_{\text{i}} } \right) + \sigma_{\text{i}} \ theta_{\text{i}} = 0, \\ \end{align}$$

(4)

$$\begin{align} \varepsilon_{1} & = \varepsilon_{3} = \frac{1}{{E_{\text{i}}}}\left( {\sigma_{\text{i }} — \nu_{\text{i}} \sigma_{\text{i}} — \nu_{\text{i}} \sigma_{2} } \right) \\ & = \frac{1}{ {E_{\text{m}}}}\left( {\sigma_{\text{m}} — \nu_{\text{m}} \sigma_{\text{m}} — \nu_{\text{ m}} \sigma_{2} } \right).\\ \end{выровнено}$$

(5)

Следовательно,

$$\sigma_{\text{m}} = \frac{{\left( {\nu_{\text{m}} — \nu_{\text{i}} \frac{{E_ {\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)\sigma_{2} }}{{1 — \upsilon_{\text{m}} + \left( { 1 — \upsilon_{\text{i}} } \right)\frac{{1 — \theta_{\text{i}} }}{{\theta_{i}}}\frac{{E_{\text{ м}} }}{{E_{\text{i}} }}}},$$

(6)

$$\sigma_{\text{i}} = — \frac{{1 — \theta_{\text{i}} }}{{\theta_{\text{i}}}}\sigma_{\text {m}} = — \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}}}}\frac{{\left( {\nu_{\text{ m}} — \nu_{\text{i}} \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)\sigma_{2} }} {{1 — \upsilon_{\text{m}} + \left( {1 — \upsilon_{\text{i}} } \right)\frac{{1 — \theta_{\text{i}}}} {{\theta_{\text{i}}}}\frac{{E_{\text{m}}}}{{E_{\text{i}} }}}}.$$

(7)

Для кубического элемента в расчетной области закон Гука гласит:

$$\varepsilon_{2} = \frac{1}{{E_{\text{i}} }}\left( {\sigma_{2 } — 2\upsilon_{\text{i}} \sigma_{\text{i}} } \right)\theta_{\text{i}} + \frac{1}{{E_{\text{m}} }}\left( {\sigma_{2} — 2\upsilon_{\text{m}} \sigma_{\text{m}} } \right)\left( {1 — \theta_{\text{i}} } \справа).$$

(8)

Подставляя уравнения.6 и 7 в уравнения. 5 и 8 компоненты деформации ЭСО вдоль главных осей могут быть представлены с помощью упругих констант грунта и льда. Отсюда:

$$\varepsilon_{1} = \varepsilon_{3} = \frac{{ — \sigma_{2} }}{{E_{\text{i}} }}\frac{{\left( { 1 — \nu_{\text{m}} } \right)\nu_{\text{i}} + \nu_{\text{m}} \left( {1 — \nu_{\text{i}} } \right)\frac{{1 — \theta_{\text{i}} }}{{\theta_{\text{i}} }}}}{{\left( {1 — \nu_{\text{m }} } \right) + \left( {1 — \nu_{\text{i}} } \right)\frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text {i}} }} \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}}},$$

(9)

$$\varepsilon_{2} = \frac{{\sigma_{2}}}{{E_{\text{m}}}}\left[ {\left( {1 — \theta_{\text{i }} + \theta_{\text{i}} \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right) — \frac{{2\left ( {1 — \theta_{\text{i}}} \right)\left( {\nu_{\text{m}} — \nu_{\text{i}} \frac{{E_{\text{m }} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)^{2} }}{{\left( {1 — \nu_{\text{m}} } \right) + \left ( {1 — \nu_{\text{i}} } \right)\frac{{1 — \theta_{\text{i}} }}{{\theta_{\text{i}} }} \frac{ {E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}}}} \right],$$

(10)

и две упругие константы элемента, E ₂ и υ ₂₁ , могут быть получены.{ — 1} } \\ \end{массив} ,$$

(11)

$$\begin{array}{l} {\nu _{{21}} = \nu _{{23}} = — \varepsilon _{3} /\varepsilon _{2}} \hfill \\ { = \frac{{E_{{\text{m}}} }}{{E_{{\text{i}}} }}\left[ {\nu _{{\text{i}}} \left ( {1 — \nu _{{\text{m}}} } \right) + \nu _{{\text{m}}} \left( {1 — \nu _{{\text{i}} } } \right)\frac{{1 — \theta _{{\text{i}}} }}{{\theta _{{\text{i}}} }}} \right]} \hfill \\ {\left\{ {\left( {1 — \theta _{{\text{i}}} + \theta _{{\text{i}}} \frac{{E_{{\text{m}} } }}{{E_{{\text{i}}} }}} \right)} \right.{{ — 1}} }.\end{массив}$$

(12)

Параллельная модель

Параллельная модель учитывает деформируемость и пригодна для прогнозирования линейной упругости мерзлого грунта в симметричной плоскости (плоскости 1–3 на рис. 2б). Предполагается, что RVE подвергается осевой нагрузке σ ₁ вдоль 1-го направления. Уравнения равновесия и деформируемости вдоль главных осей удовлетворяют следующему:

$$\begin{aligned} & \sigma_{{1{\text{i}}}} \theta_{\text{i}} + \sigma_{ {1{\text{m}}}} \left( {1 — \theta_{\text{i}} } \right) = \sigma_{1} \cdot 1 \\ & \sigma_{{3{\text {i}}}} \theta_{\text{i}} + \sigma_{{3{\text{m}}}} \left( {1 — \theta_{\text{i}} } \right) = 0 \\ \end{выровнено}$$

(13)

$$\begin{aligned} \varepsilon_{1} & = \frac{{\sigma_{{1{\text{i}}}} — \nu_{\text{i}} \sigma_{{3{ \text{i}}}} }}{{E_{\text{i}} }} = \frac{{\sigma_{{1{\text{m}}}} — \nu_{\text{m} } \sigma_{{3{\text{m}}}} }}{{E_{\text{m}} }} \\ \varepsilon_{3} & = \frac{{\sigma_{{3{\text {i}}}} — \nu_{\text{i}} \sigma_{{1{\text{i}}}} }}{{E_{\text{i}} }} = \frac{{\ sigma_{{3{\text{m}}}} — \nu_{\text{m}} \sigma_{{1{\text{m}}}}}}{{E_{\text{m}}}} }.\\ \end{выровнено}$$

(14)

Закон Гука может быть выражен как:

$$\varepsilon_{2} = — \frac{{\nu_{\text{i}} \theta_{\text{i}} \left( {\sigma_{{ 1{\text{i}}}} + \sigma_{{3{\text{i}}}} } \right)}}{{E_{\text{i}} }} — \frac{{\nu_ {\text{m}} \left( {1 — \theta_{\text{i}} } \right)\left( {\sigma_{{1{\text{m}}}} + \sigma_{{3 {\text{m}}}} } \right)}}{{E_{\text{m}} }}.$$

(15)

Комбинируя уравнения.13–15 имеем:

$$\sigma_{{1{\text{i}}}} = \frac{{\sigma_{1} }}{{\theta_{\text{i}} }} \left[ {1 — \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}} }}\frac{{E_{\text{m}}}} {{E_{\text{i}}}}\frac{{1 + \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}}}} \frac {{E_{\text{m}}}}{{E_{\text{i}}}} — \nu_{i} \left( {\nu_{\text{m}} + \nu_{\text{ i}} \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}} }} \frac{{E_{\text{m}}}}{{E_ {\text{i}} }}} \right)}}{{\left( {1 + \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i} } }} \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)^{2} — \left( {\nu_{\text{m} } + \nu_{\text{i}} \frac{{1 — \theta_{\text{i}} }}{{\theta_{\text{i}} }} \frac{{E_{\text{ m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)^{2} }}} \right],$$

(16)

$$\sigma_{{1{\text{m}}}} = \left( {\sigma_{1} \cdot 1 — \sigma_{{1{\text{i}}}} \theta_{i } } \right)/\left( {1 — \theta_{\text{i}} } \right),$$

(17)

$$\sigma_{{3{\text{i}}}} = — \frac{{\sigma_{1}}}{{\theta_{\text{i}} }}\frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}}}}\frac{{E_{\text{m}}}}{{E_{\text{i}}}} \frac{{\nu_{\text{m}} — \nu_{\text{i}}}}{{\left( {1 + \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}} {{\theta_{\text{i}} }} \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)^{2} — \left ( {\nu_{\text{m}} + \nu_{\text{i}} \frac{{1 — \theta_{\text{i}}}}{{\theta_{\text{i}}} } \frac{{E_{\text{m}} }}{{E_{\text{i}} }}} \right)^{2} }},$$

(18)

$$\sigma_{3m} = — \sigma_{3i} \theta_{i} /\left( {1 — \theta_{i} } \right).{2} } \right)\left( {1 — \theta_{\rm i} } \right)\frac {{E_{\rm m} }}{{E_{\rm i} }}}}.\\ \end{выровнено}$$

(25)

Модуль сдвига

Предполагается, что слои не разделяются при деформации сдвига, если между ними существует идеальная связь. Таким образом, оба слоя имеют одинаковую деформацию сдвига. Следовательно, уравнение равновесия и закон Гука можно записать так:

$$\tau_{12} = \tau_{\text{i}} \theta_{\text{i}} + \tau_{\text{m} } \тета_{\текст{м}} ,$$

(26)

$$\tau_{12} = G_{12} \gamma_{12} ,\quad \tau_{\text{i}} = G_{\text{i}} \gamma_{\text{i}} , \quad \tau_{\text{m}} = G_{\text{m}} \gamma_{\text{m}} ,$$

(27)

, где τ ₁₂ , γ ₁₂ и G ₁₂ — напряжение сдвига, инженерная деформация сдвига и эффективный модуль сдвига соответственно в плоскостях 1–2.Подставляя γ _i  =  γ _m  =  γ ₁₂ в уравнения. 26 и 27, G ₁₂ считывает:

$$G_{12} = G_{\text{i}} \theta_{\text{i}} + G_{\text{m}} \theta_{ \текст{м}} .$$

(28)

В большинстве расчетов проектирования мерзлых грунтов используется модель плоской деформации. Расчет будет производиться в произвольной глобальной системе координат x – y .{2} \beta} & 0 & 0 \\ 0 & {\cos \beta} & { — \sin\beta} \\ 0 & {\sin\beta} & {\cos\beta} \\ \end{ массив} } \right] \\ \end{aligned}$$

(29)

где \(\beta\) — угол между осью y и местным 2-направлением (направлением теплового потока). Он будет синхронно обновляться по мере изменения поля температуры.

Идеальная пластическая модель поперечно-изотропного мерзлого грунта

В этом исследовании ортотропная пластичность Хилла применялась для описания упругопластического поведения поперечно-изотропного мерзлого грунта.В сложном напряженном состоянии скорость пластической деформации обычно выражается как [29]:

частичное Q_{\text{p}}}}{{\partial {\varvec{\upsigma}}}}.