Деформационные свойства торфа и генезис болота

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Строительство линейных сооружений на болотах, прогнозирование проходимости болот, в т.ч. и при чрезвычайных ситуациях (например, пожары), невозможно без оценки деформационных свойств торфа и торфяных залежей. В ряде публикаций [2, 5, 7, 8, 9] показано влияние на механические характеристики, в том числе и на деформационные, особенностей структуры и свойств торфа, связанных с генезисом, т.е. ботанического состава и условий водно-минерального питания. Их применение становится возможным путем изучения и установления связи между ландшафтной структурой болот (получающей изображение на аэрофотоснимке) с его воднофизическими свойствами на основе гидроморфологических зависимостей, устанавливающих “связь между балансом водного питания болот (определяемого климатическими и гидрогеологическими условиями места залегания болота), закономерностями распределения растительного покрова, рельефом поверхности и физическими свойствами торфогенного слоя болот“ [4]. Применение аэрометодов в практике и теории изысканий при строительстве линейных сооружений на болотах [1] делает актуальным оценку влияния генезиса на деформационные свойства торфа на основе методов математической статистики.

Целью работы является достоверное обоснование методами математической статистики влияния ботанического состава торфа и условий водно-минерального питания болот на деформационные параметры торфа, определенные при компрессионных испытаниях.

Для исследования зависимостей компрессионных параметров ан и К от начального коэффициента пористости (e0) и степени разложения торфа (R) применена методика полного статистического анализа. Для каждой выборки аргумента определяют средние значения, среднеквадратические отклонения компрессионных параметров ан и К, проверяют гипотезу нормальности распределений. Для статистического анализа параметров ан и К использованы результаты экспериментальных данных в количестве около 900 компрессионных кривых торфа. Статистический анализ рядов распределения ан и К выполнен как в целом для торфа, так и по интервалам е0 = const, R = const. Результаты приведены в работах [10, 12].

В соответствии с генетической классификацией был проведен статистический анализ рядов распределений компрессионных характеристик ан и К по типам, группам, видам торфа, а также по группам внутри типов торфа, основные результаты которого приведены в работах [10, 11].

На основе сопоставления эмпирических и стандартных значений критериев согласия при вероятности равной 95% сделаны следующие выводы. Для торфа в целом распределения ан и К не подчиняются закону нормального распределения. При рассмотрении распределений по типам и группам получены аналогичные результаты. Эти распределения имеют правостороннюю асимметрию. Наиболее полно удовлетворяют таким эмпирическим распределениям теоретические распределения законов - логнормального, Грама-Шарлье и гамма-распределения. Из этих распределений наиболее общим можно признать закон Грама-Шарлье, которым имеется возможность учитывать асимметричность и эксцессивность.

По группам внутри типов торфа распределения ан и К подчиняются закону нормального распределения, кроме травяной группы низинного типа и моховой группы верхового типа, у которого наблюдается значительная правосторонняя асимметрия (tАs > 3). Асимметричность и эксцессивность распределений ан и К по группам можно объяснять наличием в одной выборке данных по разным типам торфа из-за изменения их средних значений. Для всех типов при переходе от древесной к моховой группе наблюдается рост средних значений компрессионных параметров ан и К, что указывает на различную сжимаемость торфа по группам. И это различие может быть объяснено или влиянием вида растений торфообразователей или различной степенью разложения (биохимического распада) по группам торфа или совместным их влиянием.

Для одних и тех же групп торфа, в основном, наблюдается тенденция увеличения ан и К от низинного типа к верховому, т.е. торф верхового типа имеет более высокую сжимаемость, чем низинного типа. Распределения ан и К по видам торфа подчиняются закону нормального распределения и Грама-Шарлье.

Распределения Р0 по группам и для торфа в целом, как правило, имеют правостороннюю (положительную) асимметрию и отрицательный эксцесс, что указывает на большую вероятность появления малых значений Р0 и на возможность наложения нескольких распределений друг на друга. В связи, с чем для торфа в целом эмпирическое распределение не подчиняется ни нормальному закону, ни закону Грама-Шарлье. По сопоставлению комплекса критериев согласия теоретическим распределениям эмпирические распределения Р0 по группам торфа не противоречит не только закону Грама-Шарлье, но и закону нормального распределения.

Таким образом, распределение Р0 для торфа в целом представляет собой совокупность наложения распределений Р0 по группам торфа. Средние величины распределений Р0 и моды по группам уменьшаются от древесной группы к моховой. Для торфа низинного и переходного типов моховой группы величина Р0 значительно выше, чем для торфа верхового типа.

Проверка нулевой гипотезы при уровне значимости 0,05 Н0 : P0 = 0 (о равенстве выборочных средних P0 нулю) при условии неизвестности дисперсии генеральной совокупности по критерию Стьюдента показала, что выборочные средние P0 значимо отличаются от 0.

Статистически установлено, что ан и К имеют линейную связь от e0 как для торфа в целом, так и по интервалам степени разложения R. Для выявления и подтверждения подобной связи между рассматриваемыми параметрами в генетической классификации проведен статистический анализ, результаты которого приведены в таблице 1.

Из сопоставления эмпирических и теоретических критериев Фишера достоверности с вероятностью 95% можно утверждать, что компрессионные параметры ан, К с коэффициентом пористости по типам и группам имеют достоверную корреляционную связь, а их зависимости прямолинейны. Анализ зависимостей компрессионных параметров ан,, К от коэффициента пористости при R=const для групп и типов торфа показал, что эти зависимости имеют достоверную прямолинейную связь при соблюдении однородности условных дисперсий для всех групп и типов торфа.

деформационный торфяной болото компрессионный

Таблица 1. Зависимости компрессионных параметров ан и К от коэффициента пористости по генетической классификации торфа

Выявление вида зависимости в группах каждого типа торфа показало на достоверную линейную связь с вероятностью 95% компрессионных параметров ан, К с коэффициентом пористости во всех группах, кроме групп: древесно-моховой всех типов, древесно-травяной верхового типа, моховой переходного типа. Видимо, это произошло из-за малого диапазона изменений имеющихся значений e0 в данных группах.

Поскольку достоверность и линейность зависимостей ан и К от e0 подтверждена почти во всех рассмотренных случаях, то влияние на компрессионные параметры особенностей структуры, связанной с генезисом, можно проанализировать статистически путем сравнения этих зависимостей. Для этой цели привлечена методика проверки гипотез параллельности и тождественности, основанная на методах дисперсионного анализа [3, 14].

Согласно этой методике линии регрессии параллельны, если эмпирические значения критерия Фишера отношения дисперсии рассеяния вокруг параллельных линий к дисперсии вокруг сравниваемых линий, не превосходит своего стандартного предела. Затем параллельные линии регрессии проверяются на тождественность, т.е. совпадение, по t - критерию путем сравнения их углового коэффициента с угловым коэффициентом линии регрессии, построенной по средним значениям сравниваемых выборок. Гипотеза тождественности принимается, если эмпирическое значение t - критерия не превышает своего табличного значения при заданной вероятности.

Результаты статистических расчетов по этой методике представлены в таблице 2 и таблице 3.

Анализ результатов статистических расчетов показывает, что для типов и групп торфа гипотеза параллельности и тождественности линий регрессии ан = f (e0), К = f (e0) не может быть принята.

Различие между зависимостями по типам и группам может быть связано или с водноминеральным питанием и видом растительности или со степенью биохимического распада, т.е. дисперсностью или степенью разложения. Поскольку однозначному количественному разделению подвергнуть типы и группы из-за многогранности водно-минерального питания и видов растительности и соединить их с биохимическим распадом представляется практически невозможным, то проведено сравнение линий регрессии по типам и группам для определенных интервалов степени разложения R=const.

По типам для интервалов степени разложения R = (15-25) %, R = (25-35) % линии регрессии этих зависимостей параллельны, а для R = (35-45) % - тождественны, т.е. в узких интервалах степени разложения для разных типов торфа зависимости имеют различные коэффициенты. При рассмотрении по узким интервалам степени разложения зависимостей параметров от коэффициента пористости для групп торфа оказалось, что они тождественны, т.е. определяющим при не учете водно-минерального питания является степень биологического распада остатков растений торфообразователей, а не их вид. В этом случае определение компрессионных параметров можно производить по зависимостям ан, К = f (e0, R).

Таблица 2. Результаты сравнения линий регрессии деформационных характеристик от коэффициента пористости для интервалов степени разложения по типам и группам торфа

Таблица 3. Результаты сравнения линий регрессии деформационных характеристик от коэффициента пористости для групп, типов торфа по интервалам степени разложения

Влияние степени биохимического распада по каждому типу торфа или группы в отдельности на компрессионные параметры можно выявить сравнением линий регрессий этих зависимостей в интервалах R = const, на которые разбит торф в каждом типе или группе.

Результаты статистических расчетов показывают, что зависимости для переходного и верхового типов торфа - тождественны, а низинного - параллельны.

Это значит, что определение компрессионных параметров ан и К для торфа верхового и переходного типов можно производить без учета степени разложения по влажности или коэффициенту пористости, а для низинного типа необходимо определение степени разложения.

Для каждой из групп по узким интервалам степени разложения зависимости компрессионных параметров от е0 можно принимать параллельными, а их определение производить с учетом степени разложения. Однако выше показано, что при R = const эти зависимости тождественны для всех групп торфа. Это значит, что для компрессионных характеристик можно не определять группу торфа, а пользоваться регрессионными уравнениями, полученными для торфа в целом [12].

Для торфа верхового и переходного типов прогноз компрессионных параметров следует производить по регрессионным уравнениям табл.1, а для торфа низинного типа при R > 35 % - по уравнению для торфа в целом [12], а при R < 35 % по уравнениям табл.1, которые получены для торфа низинного типа по узким интервалам степени разложения.

Определение компрессионных параметров для типа, группы, вида торфа дают возможность построения обобщенной компрессионной кривой торфяной залежи разной стратиграфии [13].

Таким образом, на основе статистического анализа компрессионных характеристик установлено надежное влияние на них, кроме естественного коэффициента пористости и степени разложения, также особенностей состава и структуры торфа по генетической классификации.

Доминирующее влияние на компрессионные параметры следует признать за такими характеристиками порового пространства, как коэффициент пористости. Полученные зависимости позволяют прогнозировать доверительные пределы изменения ан и К с заданной вероятностью.

Список литературы

1. Абрамов, В.Я. Использование аэрофотометодов для интерпретации физико-механических показателей грунтов при изысканиях автомобильных дорог на территории Среднего Приобья [Текст] / В.Я. Абрамов // Тр. СОЮЗДОРНИИ. М., 1976. Вып. 90. С. 17-21.

2. Амарян, Л.С. Структурно-механические свойства торфяных залежей: Автореф. дис. … докт. техн. наук [Текст] / Л.С. Амарян. Калинин, 1967. 51 с.

3. Браунли, К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике [Текст] / К.А. Браунли. М.: Наука, 1977. 407 с.

4. Иванов, К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах [Текст] / К.Е. Иванов. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.

5. Ивкина, Т.Н. Исследование закономерностей деформирования торфяных грунтов под насыпями: Автореф. дис.…канд. техн. наук [Текст] / Т.Н. Ивкина. Калинин, 1975. - 20 с.

6. Королев, А.С. Расчет коэффициента сжимаемости слабых грунтов [Текст] / А.С. Королев, Б.А. Федоров // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1981. № 12. С. 22-26.

7. Ларгин, И.Ф. О некоторых особенностях исследования торфяных залежей пенетрацией и зондированием [Текст] / И.Ф. Ларгин, Н.Д. Черкасов // В кн.: Материалы к 1 Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Калинин, 1972. Ч. 1. С. 40-43.

8. Лиштван, И.И. Основные свойства торфа и методы их определения [Текст] / И.И. Лиштван, Н.Т. Король. Минск: Наука и техника, 1975. 320 с.

9. Стрекалкин, Е.А. Исследование физико-механических свойств торфоместорождений различных торфяно-болотных зон страны: Автореф. дис. … канд. техн. наук. [Текст] / Е.А. Стрекалкин. Калинин, 1975. 31 с.

10. Федоров, Б.А. Вероятностная оценка закономерностей уплотнения торфа для проектирования дорог на торфяных месторождениях: Автореф. дис. … канд. техн. наук [Текст] / Б.А. Федоров. Калинин, 1986. 18 с.

11. Федоров, Б.А. Вероятностная оценка компрессионных параметров торфа по генетической классификации [Текст] / Б.А Федоров // Физико-химические и экологические проблемы наукоемких технологий добычи и переработки органогенных материалов: Материалы Научно-технической конференции с международным участием. Тверь: ТГТУ, 1999. С. 102-104.

12. Федоров, Б.А. Совершенствование расчета дорожных конструкций на торфяном основании [Текст] / Б.А. Федоров. Тверь: ТГТУ, 2004. - 184 с.

13. Федоров, Б.А. О параметрах обобщенной компрессионной кривой торфяной залежи под насыпями дорог [Текст] / Б.А Федоров // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук: Материалы XXV международной научно-практической конференции. Научно-информационный издательский центр "Институт стратегических исследований". 2015. С. 156-161.

14. Хальд, А. Математическая статистика с техническими приложениями [Текст] / А. Хальд. М.: Иностранная литература, 1969. - 395 с.

Размещено на Allbest.ru