Мерзлых и оттаивающих грунтов

Применяемые образцы. В тех случаях, когда мерзлые грунты.используются в естественном залегании (основания, тоннели, горные выработки, подземные емкости и др.), определения деформативных и прочностных характеристик, за исключением прочности смерзания, должны проводиться на мерзлых монолитах - об­разцах ненарушенного сложения природной криотекстуры, плот­ности, влажности и льдистости; при использовании мерзлых по­род с нарушением их естественного сложения (подсыпки, насыпи и др.) - на образцах нарушенного сложения. Характеристики прочности смерзания грунтов с материалами во всех случаях оп­ределяются на образцах нарушенного сложения. Диапазон сум­марной влажности (льдистости) и плотности для всех указанных образцов выбирается в соответствии с натурными условиями ра­боты грунта в сооружении (природными и прогнозными).

Для испытываемых образцов следует соблюдать необходимое соотношение между их размерами и структурно-текстурными осо­бенностями, а именно размеры самого крупного структурного эле­мента мерзлой породы должны быть не менее чем в 7—10 раз меньше размеров рабочего сечения образца.

Для подготовки образцов 'мерзлого грунта к лабораторным ме­ханическим испытаниям используется следующий комплект обо­рудования: пробоотборники (пробобратели), термометры (или другие устройства для измерения и автоматической записи тем­пературы), технические весы с комплектом разновесов, эксика­тор, штангенциркуль, пила (по дереву и металлу), нож из нержа­веющей стали с прямым лезвием, винтовой или гидравлический малогабаритный пресс, выталкиватель. Кроме того, необходимы технический вазелин, влагонепроницаемые оболочки (полиэтиле­новые или резиновые, изопаралента и др.), рукавицы или перчатки.

Пробоотборники (пробобратели) должны быть из нержавею­щей стали с режущим краем, заостренным снаружи. Для подго­товки образцов к испытаниям на сжатие, сдвиг, компрессию, вдавливание шарового штампа применяются пробоотборники в виде колец, для испытаний на растяжение - в виде вытянутой вось­мерки с прямоугольным сечением. Предварительно пробоотборники должны быть пронумерованы и протарированы (определе­на их масса с точностью до 0, 1 г и размеры с точностью до 0, 1 мм). Для колец определяются высота и внутренний диа­метр, для фигурных пробобрателей — поперечные внутренние размеры рабочей части, общий внутренний объем и высота. Тарировку пробобрателей следует периодически повторять. Термо­метры (или другие устройства дл'я измерения температуры) долж­ны обеспечивать измерения в диапазоне от +20 до —15—20° С с точностью до ±0, 5—1, 0° С. Термометры и технические весы не­обходимо периодически подвергать метрологической проверке.

Для приготовления образцов ненарушенного сложения исполь­зуется весь указанный комплект оборудования, для приготовле­ния образцов нарушенного — за исключением пробоотборников, В последнем случае применяются специальные формы для уплот­нения и замораживания образцов, которые, как и пробоотборники,, предварительно должны быть протарированы.

Для изготовления образцов мерзлого грунта ненарушенного сложения из мерзлого монолита сначала выпиливаются заготов­ки в виде прямоугольных параллелепипедов с размерами основа­ния и высоты, на 2—3 см превышающими заданные размеры об­разцов. Выпиленные заготовки группируются в серии с идентич­ной криотекстурой. Пробоотборник с внутренней стороны смазы­вают тонким слоем технического вазелина, устанавливают заост­ренным краем на зачищенную плоскую поверхность заготовки, прессам слегка вдавливают в мерзлый грунт. Постепенно с по­мощью пресса, срезая острым ножом грунт с наружной стороны пробоотборника (у режущего края), надвигают пробоотборник на образующийся цилиндрический или фигурный образец до пол­ного заполнения пробоотборника. Вырезание образцов ненару­шенного сложения должно проводиться тщательно: не допуска­ются выщербины на боковой поверхности, образование сколов и трещин, зазоры между образцом и пробоотборником. Образец грунта следует вырезать из монолита или керна таким образом,, чтобы при последующем испытании его ориентировка по отноше­нию к нагрузке соответствовала природному залеганию (или за­данной).

Для приготовления образцов нарушенного сложения измель­ченный заданным способом воздушно-сухой грунт доводят до за­данной влажности и уплотняют до заданной объемйой массы в специальной форме. Затем образец подвергается замораживанию в условиях, полнее воспроизводящих заданные криогенные струк­туру и текстуру.

В процессе подготовки всех образцов отбираются пробы (не менее двух) на влажность. Приготовленные таким образом об­разцы ненарушенного и нарушенного сложения зачищаются с торцов вровень с краями пробоотборника или формы, взвешива­ются, в необходимых случаях измеряется их высота.

Вырезание образцов мерзлого грунта из монолита, их зачист­ку, измерение и взвешивание необходимо выполнять в помещении с отрицательной температурой воздуха. Наиболее, удобно эти опе­рации проводить при температуре минус 2… 5° С, при этом во избе­жание оттаивания мерзлого грунта следует одевать теплые ру­кавицы или перчатки. Подготовленные образцы мерзлого грунта заворачиваются во влагонепроницаемую пленку и до испытания хранятся при отрицательной температуре в эксикаторе со снегом или льдом не более пяти суток [5].

Все предназначенные для механических испытаний образцы мерзлых пород должны быть охарактеризованы данными о типе мерзлой породы, генезисе, возрасте, месте и глубине отбора об­разцов, криогенной текстуре, влажности и плотности, а также о составе скелета (гранулометрический, минералогический и хими­ческий состав, водно-физические свойства и др.); в необходимых -случаях -- о фазовом составе воды в рассматриваемом диапазо­не температуры.

Приборы, и их подготовка. Установки для механических испы­таний образцов мерзлых и оттаивающих пород (как и различных строительных материалов и немерзлых грунтов) должны иметь на­гружающие устройства, измерительную и фиксирующую аппара­туру для определения (записи) прилагаемых к образцу нагрузок и возникающих в нем деформаций (продольных и поперечных).

Для мерзлых и оттаивающих грунтов нашли применение на­гружающие устройства различных конструкций: рычажные, гид­равлические, винтовые, электромеханические, пневматические и пневмогидравлические. При выборе нагружающих устройств сле­дует учитывать, что механическое сопротивление мерзлых грун­тов в зависимости от их состава и свойств и условий испытаний (температура, режим загружения) может изменяться в широком диапазоне: от сотен долей до десятков МПа. Кроме того, нагру­жающие устройства должны обеспечивать точность задания на­грузки не менее 5%. При испытаниях мерзлых пород на ползу­честь и длительную прочность необходимо сохранять постоянст­во напряжений в течение всего опыта. В связи с возможностью существенного изменения рабочей площади образцов в процессе деформирования величина действующей на образец нагрузки должна изменяться пропорционально рабочей площади образца. Для кратковременных испытаний наиболее удобными являются гидравлические, электромеханические и винтовые прессы, обес­печивающие быстрое увеличение нагрузки, деформации образца и его разрушение. Для длительных испытаний (на ползучесть и длительную прочность) наибольшее применение нашли рычажные прессы (настольные и настенные варианты). В случаях, когда целью длительных испытаний является получение лишь предель­но-длительной прочности, также используются винтовые прессы и электромеханические с заданной скоростью деформирования.

Для измерения напряжений при механических испытаниях об­разцов мерзлых грунтов преимущественно используются маномет­ры и динамометры. Деформации образцов измеряются главным образом индикаторами часового типа с ценой деления шкалы 0, 01; 0, 002 и 0, 001 мм. Эти приборы должны периодически под­вергаться метрологической проверке.