Эффективные способы оттаивания грунта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие данные

Оттаивание грунта (породы) -- процесс перехода грунта из мёрзлого состояния в талое в связи с фазовым переходом лёд -- вода при нагревании до температуры оттаивания (около 0°С). При фазовом переходе подземного льда в воду поглощается тепло и существенно изменяются механические, физико-химические, теплофизические, электрические свойства водной компоненты и самого грунта. Вследствие этих изменений происходят перестройка структуры грунта и резкое снижение прочностных и деформационных характеристик, что диктует необходимость изучения оттаивания как в естественных, так и техногенных условиях. В естественных условиях оттаивание происходит вследствие воздействия природных источников тепла (солнечной радиации, воздушных масс и атмосферных процессов, поверхностных, грунтовых и термальных вод). В этих условиях различают сезонное и многолетнее оттаивание. Оттаивание сезонномёрзлого слоя вне области распространения многолетнемёрзлых пород и в таликах происходит сверху под действием тепла, поступающего через дневную поверхность грунта, и снизу под действием тепла нижележащих талых пород; образование сезонно-талого слоя над многолетнемёрзлыми породами происходит под действием только поверхностных источников тепла. Многолетнее оттаивание захватывает толщу многолетнемёрзлых пород. Оно происходит сверху под действием поверхностных источников тепла и снизу под действием глубинных источников тепла и подземных вод, что приводит к уменьшению мощности мёрзлых толщ или к их полному исчезновению. Известны случаи сезонных колебаний положения подошвы многолетнемёрзлых пород (их оттаивание -- промерзание) в связи с колебаниями температуры грунтовых вод. Продолжительность многолетнего оттаивания может составлять от нескольких лет до сотен тысяч лет, в зависимости от мощности толщи мёрзлых пород, их льдистости и интенсивности потоков тепла. При техногенных воздействиях (см. также Водно-тепловая мелиорация) различают оттаивание: под влиянием естественных источников тепла в техногенно-изменённых условиях теплообмена на поверхности грунтов (например, при удалении растительности, торфяного слоя, затоплении площадки) и под воздействием техногенных (искусственных) источников тепла (тепловыделяющих сооружений, сброса промстоков и др.). В этих случаях оттаивание может проявляться как побочный (неблагоприятный) процесс или как регулируемый, входящий в технологическую схему (искусственное оттаивание). Неблагоприятные последствия оттаивания в техногенных условиях связаны со снижением прочности и просадкой оттаивающего грунта, а также осадкой его под сжимающей нагрузкой, что определяет сложные условия работы грунтов в основаниях сооружений, насыпях, откосах при оттаивании. Для предупреждения неблагоприятных последствий оттаивания в практике строительства и эксплуатации сооружений применяются: метод сохранения мёрзлого состояния грунтов -- изоляция источников тепла или поверхности грунта, устройство охлаждающих грунт конструкций; метод предпостроечного оттаивания и уплотнения оснований; конструктивный метод учёта предельных деформаций оттаивающих оснований при расчёте сооружений. В практике горного дела оттаивание учитывается при расчёте бортов карьеров и выемок, откосов насыпей, отвалов, дамб. Для борьбы с негативными последствиями оттаивания на искусственных склонах иногда используются изолирующие покрытия (пенопластовые, дощатые щиты и т.п.), препятствующие прогреву и оттаивание теплом естественных источников. Чаще применяется "конструктивный" метод борьбы путём учёта негативных последствий оттаивание откосов при организации и планировании технологии горных работ. Искусственное оттаивание широко используется в практике строительства и добычи полезных ископаемых в криолитозоне. Существует несколько способов такого оттаивания, различающихся в зависимости от источников тепла и способов теплопередачи. Радиационный способ -- оттаивание теплом естественных источников при сохранении естественных механизмов теплопередачи в грунтах и направленном изменении условий на их поверхности для увеличения поступления летнего тепла в грунт путем удаления растительного и торфяного покровов; то же с зачернением поверхности с целью уменьшения альбедо, применения плёночных покрытий и др. Наиболее эффективен и широко используется при горном производстве метод послойного удаления оттаивающего грунта, позволяющий за один летний сезон разработать толщу многолетнемёрзлых пород мощностью до 10-15 м. Эффективность гидрооттайки повышается с увеличением температуры воды, поэтому применяется её предварительный прогрев (искусственный или в прудах-отстойниках). Наиболее технологичен и широко распространён в практике подготовкироссыпей к разработке гидроигловой способ (на оттаивание используется до 85% тепла подогретой воды), а для предпостроечного оттаивания при строительстве применяются оттаивание паром (паровыми иглами), электропрогрев и оттаивание переменным током, пропущенным между погружёнными в мёрзлый грунт электродами, пламенные и беспламенные источники высокой температуры, погружаемые в грунт по мере его оттаивания или устанавливаемые в скважины. Эффективность использования способов искусственного оттаивания определяется свойствами грунтов: для хорошо водопроницаемых после оттаивания применяется гидро- и парооттайка, для глинистых и торфяных пород предпочтительно оттаивание теплом искусственных источников, а для пластов, подлежащих разработке, -- послойное оттаивание. Особый случай искусственного оттаивания -- термодинамическая очистка рабочих поверхностей оборудования высокоскоростной газовой струёй от примёрзшей горной массы.

При замерзании грунтов, кроме повышения их влагосодержания, происходит еще дифференциация минеральной части и воды, в результате которой минеральная часть обезвоживается и уплотняется. Обезвоживание происходит вследствие миграции воды к ледяным кристаллам и последующего перехода ее в лед. При этом мигрирует не только свободная, но и определенная часть связанной воды. В итоге происходит образование уплотненных агрегатов грунта, разделенных между собой прослойками льда. Деформация, наблюдаемая при оттаивании грунта, представляет собой следствие сложных процессов -- набухания агрегатов грунта и уменьшения объема в результате оттаивания ледяных включений, а затем ликвидации пустот и отжатая избыточной воды под нагрузкой. Оттаивание грунта связано с появлением деформации консолидации, которая, однако» протекает медленно и более сложно, чем рассмотренная выше консолидация талого грунта. Различают первичную -- фильтрационную и вторичную консолидацию, связанную с ползучестью грунта. Фильтрационная консолидация протекает в процессе оттаивания грунта, и интенсивность ее практически зависит от фильтрационных свойств оттаивающего грунта и льда. Вторичная консолидация сходна с тем процессом, который наблюдается и в грунтах, не подвергавшихся замораживанию, однако во время оттаивания она, как правило, протекает при высокой влажности и при наличии довольно плотных агрегатов грунта. Непосредственно после оттаивания, когда процесс консолидации еще только начался, связный грунт представляет собой относительно пористое тело, состоящее из отдельных слабо связанных между собой агрегатов, которое тем не менее способно сопротивляться деформированию. Структуру, характерную для грунта непосредственно после оттаивания содержащегося в нем льда, принято называть «морозной». В связи с тем что эта структура обладает определенной прочностью, процесс консолидации, который в итоге приводит к уплотнению, происходит лишь под нагрузкой и протекает длительное время. По результатам наблюдений как наших, так и других исследователей морозная структура грунта земляного полотна сохраняется в течение нескольких месяцев после оттаивания. Этот срок может достигать двух, а иногда и семи месяцев. Особенно долго процесс преобразования этой структуры протекает под обочинами, что объясняется меньшими значениями нагрузок. Опыты позволяют заключить, что, независимо от начальной плотности, грунты после оттаивания приходят к одному и тому же состоянию, характеризующемуся определенными значениями плотности и влажности. Эта плотность названа минимальной плотностью оттаивания, а влажность -- максимальной влажностью оттаивания. Положение справедливо, когда начальная плотность грунта была ниже минимальной плотности оттаивания. Если начальная плотность была выше, то она практически не изменяется, а лишь в некоторых случаях несколько увеличивается влажность. Таким образом, грунт, имевший начальную плотность выше минимальной плотности оттаивания, после некоторого изменения объема в результате морозного пучения снова приобретает ту плотность, которую он имел до замораживания. В таких грунтах часто отсутствует подтягивание влаги из нижних слоев, а происходит лишь ее перераспределение в пределах того объема, который подвергался замерзанию. Под действием нагрузки происходит отжатие воды из грунта, в итоге чего и достигается равновесное стабильное состояние, поэтому минимальная плотность и максимальная влажность оттаивания зависят от действующей нагрузки. Развивающаяся при этом деформация грунта есть деформация осадки, которая тем больше, чем меньше была начальная плотность грунта. Продолжительность процесса фильтрационной консолидации грунта при оттаивании определяется в основном скоростью отжатая избыточной воды, освобождающейся при таянии прослоек льда. Вода отжимается как в нижние слои, так и в подстилающие слои дорожной одежды. В обоих направлениях мигрирующая вода встречает сопротивление, на преодоление которого затрачивается определенное время. Наблюдениями установлено, что, как правило, основной объем избыточной воды мигрирует в нижние слои земляного полотна. Миграция влаги особенно интенсивна в процессе оттаивания грунта н непосредственно после него, что объясняется наличием морозной структуры и разуплотнением грунта при замерзании. По некоторым измерениям (А. М. Пчелинцева и авторов) коэффициент фильтрации имеющего морозную структуру суглинка в 10в3--10в4 раз превышает те значения, которые имел тот же суглинок до замораживания. При температуре, близкой к нулевой, т. е. при температуре оттаивания кристаллы льда имеют губчатую структуру, что делает возможным миграцию воды через еще не вполне оттаявший грунт. Все это способствует миграции влаги в нижние слои грунта. Для практических целей важно установить, насколько грунт после замораживания и оттаивания теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам. Сам факт снижения сопротивляемости грунта известен давно, однако количественная сторона этого вопроса исследована лишь в недавнее время. Снижение обычно оценивается по результатам испытания грунта непосредственно в полевых условиях жестким круглым штампом или колесом. В США такая оценка производилась по увеличению прогиба дорожного покрытия под нагрузкой. Известны также и результаты лабораторных исследований, при которых оценивалось снижение сопротивляемости грунтов сжатию и сдвигу. Установлено, что непосредственно после оттаивания сопротивляемость связных грунтов E'0 внешним нагрузкам снижается до 25--50% величины, характерной для этих грунтов в летнее время E0. Для несвязных грунтов отмечена несколько меньшая потеря сопротивляемости, которая позволяет полагать, что эти грунты сохраняют 50 и даже 85% первоначальной сопротивляемости. Критерием, с помощью которого оценивается сопротивляемость грунтов внешним нагрузкам, при таких исследованиях обычно служил модуль деформации. Понижение сопротивляемости грунтов нельзя объяснить только увеличением их влажности. Так, при некоторых опытах с плотными грунтами влажность не изменялась, а плотность под влиянием нагрузки даже несколько возрастала, но, несмотря на это, модуль деформации уменьшался на 35--40%. Уменьшение модуля деформации наблюдается и у грунтов, замерзание которых происходит в условиях закрытой системы, т. е. без подтока воды извне (табл. 12). Снижение сопротивления здесь оценено отношением модулей деформации грунтов после оттаивания к их значениям до замерзания. Из таблицы видно, что и в условиях закрытой системы замерзание и последующее оттаивание грунтов приводят к потере сопротивляемости внешним нагрузкам тем в большей мере, чем выше была влажность грунта.

грунт оттаивание искусственный

Если влажность грунтов превосходит оптимальные значения при их замерзании даже в условиях закрытой системы, снижается также и плотность, причем тем больше, чем выше была влажность. Морозное пучение грунтов пропорционально тому количеству влаги, которое успело накопиться в грунте в период его замерзания, и вместе с тем снижение сопротивляемости грунта внешним нагрузкам тем больше, чем выше влажность грунта. Поэтому чем выше склонность грунта к морозному пучению, тем меньше его сопротивляемость внешним нагрузкам. Таким образом, на снижение сопротивляемости оказывают влияние те же факторы, что и на морозное пучение, и в частности природа и состояние грунта. В табл. 13 морозное пучение сопоставлено со снижением сопротивляемости грунтов разных видов после оттаивания внешним нагрузкам. Снижение сопротивляемости оценено так же, как и при составлении предыдущей таблицы. Грунты до замерзания имели оптимальную влажность и были уплотнены до максимальной стандартной плотности. По каждому виду грунта опыт повторялся 10--15 раз. Из таблицы видно, что снижение сопротивляемости грунтов внешним нагрузкам можно полагать пропорциональным величине морозного пучения.

В результате замораживания снижается не только модуль деформации грунтов, но и их прочность и, в частности, сопротивляемость сдвигу. Опыты позволили заключить, что при замерзании грунтов оптимальной влажности в условиях закрытой системы их сопротивление сдвигу после оттаивания в зависимости от природы и, в частности, от гранулометрического состава снижается на 10--40%. При возможности подтока влаги в период замерзания грунтов их сопротивление сдвигу после оттаивания может снизиться в 4 раза.

По завершении процесса оттаивания под влиянием нагрузки происходит повышение не только плотности, но и сопротивляемости грунта внешним нагрузкам (рис. 39). Наблюдения проводились на одной из дорог Ленинградской обл. Насыпь была возведена из пылеватого суглинка. Недостаточная высота насыпи по отношению к уровню грунтовых вод позволяет ее отнести к третьему типу местности. Модуль деформации измеряли модулемером конструкции Н. Я. Хархута. Из графика видно, что после оттаивания происходит постепенное уменьшение влажности грунта, сопровождающееся нарастанием плотности и модуля деформации. Влажность и плотность грунта к летнему периоду стабилизируются. При неглубоком залегании грунтовых вод влажность устанавливается несколько большей, чем ее оптимальная величина, а плотность в условиях II дорожно-климатической зоны стремится к максимальному стандартному значению. Плотность, близкая к этому значению, устанавливается через один-два месяца после оттаивания. Модуль деформации грунта непрерывно возрастает в течение всего летнего периода вплоть до увлажнения грунта в осеннее время. Рост модуля деформации является следствием уменьшения влажности и упрочнения структуры. Установлено, что наименьшая сопротивляемость грунта внешним нагрузкам, которая при особенно неблагоприятных условиях может составлять лишь 10--15% от значений, соответствующих летнему времени, наблюдается при неполном оттаивании грунта. Обычно сопротивляемость достигает минимума, когда грунт оттаял сверху на глубину 0,4--0,6 м. При дальнейшем оттаивании, которое идет сверху и снизу, способность грунта сопротивляться внешним нагрузкам начинает возрастать и к моменту полного оттаивания при тех же неблагоприятных условиях обычно уже не ниже 30--35% летних значений определяющих ее параметров. К этому времени уменьшается влажность грунта, что и служит причиной повышения его сопротивляемости. Периодические снижения сопротивляемости грунтов внешним нагрузкам, особенно в период их оттаивания, служат причиной ограничения или даже полного закрытия автомобильного движения по дорогам. Чтобы избежать этих крайних мер при проектировании дорог и, в частности, при расчете дорожных одежд, необходимо учитывать наличие периода временного снижения сопротивляемости грунтов внешним нагрузкам. Кроме того, должны быть приняты меры, направленные к тому, чтобы такие снижения были минимальны.

Размещено на Allbest.ru