Статья: Деформирование морских мерзлых грунтов

Деформирование морских мерзлых грунтов

В статье рассматривается вопрос формирования мерзлых пород шельфа, приводятся основные факторы, от которых зависит деформирование оттаивающих грунтов, два основных подхода к расчету осадок мерзлых грунтов, методы изучения динамики и состояния подводной криолитозоны шельфа.

Широкое освоение арктического шельфа России осложняется природными условиями этого района. Вечная мерзлота охватывает большую часть донного основания морей Северного Ледовитого океана. Для оценки динамики и степени устойчивости оснований необходимы данные о происхождении, состоянии и развитии субаквальных мёрзлых пород. Многие исследователи отмечают, что мерзлые породы шельфа неоднородны по своему формированию. Часть пород относится к реликтовой - мерзлые породы сформировались на суше в холодное время, когда море отступило от берегов, а после снова затопило уже промерзшую землю. Другая часть - современное образование льдистых донных отложений. Помимо мерзлых пород на некоторых участках встречаются ледовые линзы.

Глубина моря так же сказывается на неоднородности мерзлых пород. В мелководных зонах, где море промерзает до дна, формируется вечная мерзлота мощностью 6 - 20 м. В глубоководных зонах, где между морским льдом и донным грунтом остается слой воды, формирование вечной мерзлоты становится невозможным. Поэтому мерзлые породы, обнаруженные в таких зонах, свидетельствует о их реликтовом происхождении.

Однако остались и такие глубоководные зоны, которые во времена регрессии не осушивались, следовательно, найденные мерзлые породы в таких зонах формировались и формируются в настоящий момент уже в субмаринных условиях. Н.А. Шполянская исследовала механизм промерзания донных осадков при больших глубинах и выявила условия, которые определяются соотношением между соленостью и температурой поровых вод [6].

Целью работы является анализ методик расчета деформаций оснований сооружений при наличии мерзлоты.

Обзор исследований осадок сооружений при наличии мерзлоты

Субмаринная мерзлота распространяется при глубинах моря менее 3 м и более 40 м, при температуре грунта -1 до -2 єС при мощности до 100 м. Реликтовая мерзлота на мелководных участках континентального арктического шельфа постепенно деградирует из-за влияния моря, а образование субмаринной мерзлоты на глубоководных участках прогрессирует.

Многими исследователями установлено, что осадка грунта зависит от влажности, плотности, минерального состава, скорости оттаивания, коэффициента фильтрации, оттока влаги, условия проведения испытаний, размеров образца, вида грунта. С помощью компрессионных приборов можно установить зависимость между свойствами грунта и его деформацией.

Деформации, возникающие при оттаивании мерзлых грунтов, зависят от следующих факторов. Внутренние факторы - это строение, физические свойства грунтов, внешние - скорость оттаивания, нагрузка, условия дренажа. Осадки уменьшаются с увеличением плотности грунта и увеличиваются с увеличением влажности. Получена линейная зависимость коэффициента оттаивания от влажности [7].

Получены соотношения между деформационными показателями и плотностью, влажностью [3]. Исследователями были предложены различные расчетные формулы для определения осадки, так, например, А.Е. Федосовым была выведена следующая зависимость [4]:

где ps - плотность частиц грунта г/см³; k1- эмпирический коэффициент; h - мощность оттаянного слоя, см; W-влажность, доли ед.

Деформирование оттаивающих грунтов зависит от типа и вида криогенной текстуры [1]. При оттаивании формируются посткриогенные текстуры, они определяют значения осадки грунта. Изменяется поровое давление, которое входит в состав уравнения для расчета осадок грунта по теории фильтрационной консолидации [3].

Температура и скорость оттаивания мерзлых пород являются важными внешними факторами [1]. При стремительном оттаивании посткриогенная текстура сохраняется, а при медленном - разрушается. При оттаивании грунта максимальная осадка возникает под действием нагрузки, с условием, что грунт не набухает под действием оттаявшей воды [5].

Существует 2 подхода к расчету осадок:

- расчетный зависимость осадки оттаивающих грунтов от их физических свойств;

- экспериментальный определение коэффициентов оттаивания и сжимаемости в полевых и лабораторных условиях.

Для достижения необходимой надежности сооружений в условиях мерзлых грунтов важно получить достоверные характеристики прочности и деформации грунтов, т.к. прочность снижается со временем. Для этого используют математическое моделирование для оценки при оттаивании и уплотнении деформаций в условиях компрессии (параметрические уравнения), в частности, экспресс метод прогноза осадок.

Оптимальный алгоритм расчета осадок

На первом этапе решается задача определения температурных полей, на втором - расчет осадок в процессе оттаивания. Используются результаты лабораторных исследований по ГОСТ 12248-2010 и формула М.Ф. Киселева [2]:

где Kd - коэффициент уплотняемости; Ip - число пластичности; сw -плотность воды; сs - плотность частиц грунта.

Результат скорость и период оттаивания при одностороннем и всестороннем оттаивании. Для расчета теплового поля в осадочном слое и определения нижней границы криолитозоны на шельфе исследователями использовалась модель теплопереноса в грунте. Математическая модель основана на постановке задачи Стефана со смешанными граничными условиями в одномерной формулировке. На верхней границе расчетной зоны были заданы изменения температуры воздуха или воды. На нижней границе был задан постоянный тепловой поток. Ретроспективный подход к изучению криолитозоны направлен на прогнозирование изменения характеристик вечной

мерзлоты верхних слоев литосферы за период в первые десятилетия. При таком подходе изучается текущее состояние криолитозоны на основе восстановления и отслеживания истории развития природной среды и криолитозоны с начала периода исследования до настоящего времени.

Предлагается следующая последовательность при проведении исследования:

- сбор региональных данных и данных о глобальной цикличности климата и уровня моря;

- создание геолого-тектонической модели шельфа, сценария динамики температуры воздуха и горных пород;

- моделирование, сравнение результатов модели и полевых данных.

Выводы

шельф деформирование грунт

Трудности в применении этого метода заключаются в следующем: отсутствует запись изменений климата и ландшафта в Арктике. Свойства пород и отложений, теплофизические характеристики пород должны определяться путем проведения изысканий. Усовершенствование методов оценки формирования напряженно-деформированного состояния оттаивающих грунтов предполагается выполнить комплексно, сочетая полевые и лабораторные испытания, теоретические разработки. Предлагается применять универсальные методы испытаний, в частности, трехосные испытания. В практике изысканий преобладают определения физических характеристик мерзлых грунтов.

Список литературы

1.Ершов Э.Д. Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах М.: Изд-во МГУ, 1985. C. 167.

2.Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением//Стройиздат. 1978. С.176.

3.Котов П.И. Обобщение деформационных характеристик оттаивающих грунтов// Основания, фундаменты и механика грунтов. 2013. № 3.C.23-26.

4.Федосов А.Е. Физико-механические процессы в грунтах при их промерзании и оттаивании // - М.: Трансжелдориздат, 1935. - С.48.

5.Цытович Н.А. Исследования консолидации оттаивающих льдонасыщенных грунтов// Труды ВНИИОСП. 1966.№ 56. С. 34-52.