ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Лабораторная работа 2.1. Определение текстуры мерзлых грунтов Цель работы: Научиться определять текстуры мерзлых грунтов. Задание: Дать полное название криогенной текстуры и описание 14 образцов мерзлых грунтов. Исходные данные: Образцы-монолиты мерзлых пород, подготовленные промораживанием в морозильной камере. Ход работы: 1. Зарисовать расположение основных элементов текстуры. 2. Дать детальное описание образца (название, цвет, включения льда, их форма, размеры, ориентация, распределение, количественное содержание в объеме породы). 3. Дать полное название криогенной текстуры. Например, полное название криогенной текстуры будет: микрослоистая, полосчатая криогенная, горизонтальная, равномерная. Это означает, что в образце мерзлого грунта наблюдаются выдержанные по горизонтальному простиранию, равномерно распределенные и параллельные друг другу прослойки льда толщиной от 0,1 до 0,5 см. Расстояние между прослойками льда или толщина минеральных прослоек изменяется от 0,2 до 1,0 см. 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКИХ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ 3.1. Характеристики физических свойств мерзлых грунтов В состав физических характеристик, определяемых для мерзлых грунтов, входят [9]: − суммарная влажность мерзлого грунта w tot ; − влажность мерзлого грунта между включениями льда w m ; − влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды w w ; − влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w i ); − влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w ic ; − суммарная льдистость мерзлого грунта i tot и льдистость мерзлого грунта за счет включений льда i i ; − степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S r ; Суммарной влажностью (w tot ) называется отношение массы всех видов воды к мерзлом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180–84. Состоит из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w i ) и влажности мерзлых минеральных прослоек (w m ), которая в свою очередь слагается из 15 влажности мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w ic , и влажности за счет не замерзшей воды (w w ): w tot = w i + w m = w i + (w iс + w w ) (3.1) Обычно все входящие в выражение параметры влажности должны определяться в ходе полевых и лабораторных работ опытных путем. При затруднениях, связанных с определением, строительными нормами и правилами (СНИП) допускается вычисление части показателей. Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с ГОСТ 5180–84, в случае если w m нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается w m ≈ w p ; где w p – влажность, соответствующая нижнему пределу пластичности (влажность на границе раскатывания), доли единицы. Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, w w , определяется опытным путем. Для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять по формуле: w w = k w w p , (3.2) где k w – коэффициент, принимаемый по табл. 3.1 [8] в зависимости от температуры грунта Т, ° С и числа пластичности I p : I p =w l – w p , (3.3) где w l – влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести). Таблица 3.1 Коэффициенты k w [8] Грунты Число пластичности I p , доля единицы Коэффициент k w при температуре грунта T, ° C –0,3 –0,5 –1 –2 –3 –4 –6 –8 –10 Пески и супеси I p ≤ 0,02 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Супеси 0,02 < I p ≤ 0,07 0.6 0,50 0,40 0,35 0,33 0,30 0,28 0,26 0,25 Суглинки 0,07 < I p ≤ 0,13 0,7 0,65 0,60 0,50 0,48 0,45 0,43 0,41 0,40 Суглинки 0,13 < I p ≤ 0,17 * 0,75 0,65 0,55 0,53 0,50 0,48 0,46 0,45 Глины I p > 0,17 * 0,95 0,90 0,65 0,63 0,60 0,58 0,56 0,55 16 Примечание. В таблице знак “*” означает, что вся вода в порах не замерзшая. Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемен- та), w ic , обычно вычисляется по зависимости: w ic = w m – w w . (3.4) Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w i : w i = w tot –w m . (3.5) Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в широких пределах и может намного превышать их полную влагоемкость в талом состоянии. Например, влажность мелкозернистых пылеватых песков с включением органического вещества может достигать 60 %, заторфованных суглинков – 150–200 %, а торфа – 400– 800 % и более. Неоднородность криогенного строения мерзлых пород по вертикальному профилю, неоднородность их механического состава предопределяют необходимость обязательного послойного определения влажности и льдистости с предварительным подразделением на неоднородные по составу и криогенной текстуре слои в каждом генетическом горизонте отложений. Определение влажности и льдистости производится с таким расчетом, чтобы учесть изменение этих величин во времени и по глубине разреза. Методы определения влажности мерзлой породы [6]. Выбор мето- дики определения влажности при изучении мерзлых грунтов в полевых и лабораторных условиях обусловливается составом грунтов и их криогенной текстурой. Существуют различные методы определения влажности, которые в первом приближении могут быть подразделены на экспериментальные и расчетные. Среди экспериментальных методов наиболее широкое применение получили весовые (или прямые) методы, включающие непосредственное нахождение величины влажности мерзлого образца, извлеченного с определенной глубины, взвешиванием этого образца до и после удаления из него влаги. В последнее время для оценки влажности мерзлых грунтов используются также радиоизотопные методы, в частности нейтрон- нейтронный. Этот метод наиболее перспективен, поскольку позволяет определить влажность мерзлого грунта не только в момент измерения, но и проследить за изменением ее во времени. Однако применительно к мерзлым грунтам со шлировыми криогенными текстурами радиоизотопные методы находятся в стадии разработки. В расчетных методах для определения влажности мерзлых грунтов используются 17 различные показатели. В зависимости от состава и криогенной текстуры мерзлого грунта применяются следующие методы определения суммарной влажности мерзлых грунтов: для тонкодисперсных и песчаных грунтов – точечный, метод бороздки, средней пробы и расчетный; для крупнообломочных пород – весовой и метод Ведерникова; для грунтов различного состава – совмещенный метод, предложенный Г.П. Мазуровым (1975). Точечный метод применяется для определения суммарной влажности мерзлых глин, суглинков, супесей, песков, характеризующихся массивной криогенной текстурой, и для определения влажности минеральных прослоек (или минеральных агрегатов) w m , заключенных между ледяными слоями или ограниченных перемычками льда. Точечный метод включает определение влажности в некоторой «точке» слоя грунта. Имеется в виду некоторый малый объем грунта, не превышающий нескольких сантиметров в любом направлении. Пробы грунта с массивной криогенной текстурой отбираются по глубине через определенные интервалы и помешаются в тарированные металлические бюксы. Пробу грунта высушивают до постоянной массы. Взвешивание производят с точностью до 0,01 г. После отбора пробы грунта бюкс обматывается изолентой, которую снимают при его взвешивании. Взвешивать необходимо в тот же день, когда производится отбор пробы грунта. Минимальная навеска для определения суммарной влажности тонкодисперсных или песчаных грунтов должна быть не менее 30 г. Количество проб и частота их отбора по глубине разреза определяются задачами исследования. Обычно в однородных по составу грунтах с массивной криогенной текстурой с каждого метра разреза отбираются 3–4 пробы грунта. При содержании в грунтах органических остатков менее 10 % от массы сухого грунта допускается ускоренное высушивание мерзлого грунта при температуре 200–250 градусов (первичное – в течение 1 ч, повторное – 30 мин) [6]. Метод бороздки применяется для тонкодисперсных и песчаных грунтов с тонкослоистой или мелкосетчатой криогенными текстурами, где толщина включений льда не превышает 0,5 см, а расстояние между ними не более 1 см. На стенке выработки или по высоте образца прочерчиваются две параллельные линии. Из ограниченной линиями «бороздки» грунт тонким и ровным по толщине слоем соскабливается в бюксы. Отбор проб методом бороздки проводят непрерывно по всему массиву грунта. Каждая проба характеризует собой среднюю влажность слоя грунта (мощностью 10– 15 см) с однотипной криогенной текстурой. Определение производят с трехкратной повторностью[6]. 18 Метод средней пробы применяется для сильно льдо-насыщенных грунтов с различными типами криогенных текстур, где толщина прослоек льда может изменяться в широких пределах. Пробы грунта массой от 0,2 до 2,0 кг и более помешают в полиэтиленовые мешки. При этом необходимо, чтобы грунт из массива отбирался ровным по толщине слоем. После отбора пробы грунт переносят в тарированную чашку, оттаявший грунт перемешивают металлическим шпателем и до- водят до состояния однородной массы с влажностью, близкой к границе текучести, добавляя к образцу дистиллированную воду или сливая избыток воды, исключая потерю грунта. Из грунтовой смеси отбирают в бюксы три параллельные пробы массой не менее 50 г для определения влажности средней пробы грунтовой массы Для определения влажности крупнообломочных отложений применяются два метода [6]: весовой и метод Ведерникова. Весовой метод. Влажность крупнообломочных пород устанавливается высушиванием образцов массой не менее 3 кг до постоянной массы при температуре 100–105 °С. Высушивание производится на металлических противнях. Перед высушиванием и после образец взвешивают на чашечных весах с точностью до 1 г. В некоторых случаях важно установить не только общую суммарную влажность крупнообломочных пород, но отдельно и влажность крупнообломочных частиц и влажность заполнителя. Влажность крупнообломочной части грунта (частиц размером более 2 мм) принимают равной величине их водоудерживаюшей способности, которую определяют следующим образом. Образец грунта после его высушивания на противнях рассеивают на ситах известной массы с отверстиями диаметром 2 мм. Сито с крупными частицами взвешивают на чашечных весах с точностью до 1 г и помешают в сосуд с водой на 1 ч. Дав стечь избытку воды, сито вновь взвешивают и рассчитывают влажность. Метод Ведерникова. Этим методом определяют суммарную влажность гравийно-галечниковых или крупнообломочных отложений, сцементированных льдом. Глыбу мерзлого грунта массой не менее 2– 3 кг взвешивают и опускают в сосуд с водой и полностью оттаивают. Затем перемешивают грунт для удаления пузырьков воздуха и доливают водой до тех пор, пока ее излишек не перельется через водослив, после чего сосуд с водой и грунтом взвешивают. Зная массу сосуда, наполненного водой, рассчитывают суммарную влажность грунта. Использован принцип пикнометрического способа определения суммарной влажности, что освобождает от необходимости высушивания грунта. Объем грунта определяется по объему вы- 19 тесненной им воды, льдистость – по изменению объема системы скелет–вода после оттаивания в грунте льда. Прибор для выполнения опыта представляет собой сосуд объемом от 3 до 10 л и более со сливным устройством (шланг с зажимом), установленный на чашечные или автоматические весы. Весы устанавливают на горизонтальную плоскость, на чашку весов помешают сосуд при закрытом зажиме на сливном шланге. В сосуд наливают воду выше сливного отверстия, избыток воды сливают через шланг, затем зажим закрывают и определяют массу сосуда с водой. Все последующие операции проводят с зафиксированным положением сосуда. В сосуд с водой при закрытом зажиме помешают образец мерзлого грунта массой более 1 кг и взвешивают, получают массу сосуда с водой и грунтом-монолитом. После взвешивания открывают зажим, сливая избыток воды выше сливного устройства, затем закрывают зажим, а сосуд с водой и грунтом снова взвешивают и получают массу сосуда с грунтом-монолитом после слива воды. После оттаивания мерзлого грунта в сосуде с водой и его размокания уровень волы в сосуде опустится ниже сливного отверстия, поэтому следует долить воды несколько выше сливного отверстия, избыток ее слить через шланг, а сосуд с водой и размокшим грунтом взвесить. Получают массу сосуда с водой и размокшим грунтом. Для ускорения оттаивания образец можно разбить ножом. Затем проводится расчет физических характеристик. Метод совмещенного определения основных физических характеристик мерзлых грунтов, предложенный Г.П. Мазуровым, разработан для мерзлых песчаных и тонкодисперсных грунтов с различными типами криогенных текстур. Он позволяет на одном образце мерзлого грунта определять плотность, суммарную влажность и суммарную льдистость, а на образце талого связного медленно размокающего грунта – плотность и естественную влажность. Расчетный метод определения суммарной влажности применяется для грунтов со слоистой и сетчатой криогенными текстурами, когда включения льда имеют четкие прямолинейные границы, толщина их превышает 2 мм, а расстояние между соседними включениями составляет более 10 мм. При изучении криотекстуры мерзлого грунта в стенках выработок или естественных обнажениях измеряют толщину включений льда в определенном интервале глубин или в горизонте. Для грунта слоистой криогенной текстуры суммарную толщину включений льда подсчитывают по глубине разреза, для грунта сетчатой криогенной текстуры – по глубине и по простиранию. Измерения производят с трехкратной повторностью, а за величину суммарной толщины включений льда принимают среднее арифметическое значение 20 результатов параллельных измерений. Суммарная толщина включений льда, приходящаяся на единицу глубины разреза (в случае слоистой криогенной текстуры), или суммарная площадь ледяных включений на единицу площади разреза (для сетчатой криогенной текстуры), даст величину объемной льдистости мерзлого грунта за счет ледяных включений. Суммарную влажность слоев мерзлого грунта, расположенных между измеренными включениями льда, определяют в зависимости от их криогенной текстуры точечным методом или методом бороздки. При мощности слоев 0,5 м и более влажность определяют для каждого из них, при меньшей мощности – в случае постоянства их криогенной текстуры – через каждые 0,5 м по глубине, а при изменении криогенной текстуры слоев в разрезе – для каждого слоя. В последующих расчетах используют среднее значение суммарной влажности слоев. При определении влажности мерзлого грунта крупноредко- сетчатой криогенной текстуры по кернам расчетный способ дает лишь приближенное значение суммарной влажности, как правило, заниженное, так как при этом невозможно учесть крупные вертикальные включения льда. Графическое выражение влажности осуществляется путем построения профиля влажности по глубине разреза, где на одной оси координат откладывается среднее значение влажности для каждого слоя определенной мощности, а на другой – глубина отбора пробы. Используется также метод построения хроноизоплет влажности, который позволяет охарактеризовать особенности изменения влажности в грунтовом массиве любой мощности за определенный промежуток времени. Метод заключается в том, что в обычной сетке прямоугольных координат по оси абсцисс откладывают даты, а по оси ординат – глубину от поверхности. Для каждого срока наблюдений на соответствующей ему ординате выписывают величину влажности грунта. Затем на этих ординатах путем интерполяции обыскиваются точки, отвечающие величинам влажности с выбранным интервалом значений. Точки с одинаковыми влажностями соединяют линиями, которые и являются линиями с одинаковой во времени влажностью [6]. Весовая льдистость – i, д. е., отношение веса воды к весу всего грунта, определяется по формуле: 1 tot w tot w w w i + − = 21 w tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.; w w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е. Суммарная льдистость мерзлого грунта i tot , д. е., – отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле: ) 1 ( ) ( tot i w tot i tot w w w i i + − = ⋅ = ρ ρ ρ ρ (3.6) где ρ i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см 3 ; ρ – плотность мерзлого грунта, г/см 3 , i – весовая льдистость, д. е. Формула применима для мерзлых грунтов с различными видами криогенных текстур, где толщина включений льда не превышает 0,5 см. |