В практике инженерных изысканий допускаются нарушения при отборе и хранении образов, в том числе связанные с отсутствием необходимого оборудования и материалов. Редко контролируются целостность образцов и потеря влажности (льдистости), что приводит к неточным результатам. В отношении деформирования и разрушения мерзлые дисперсные грунты, в частности засоленные и сильнольдистые, изучение которых сегодня особенно актуально, обладают рядом особенностей: затухающим характером деформирования, увеличением объема при одноосном сжатии с началом деформирования, наличием переломов на логарифмических кривых деформаций и изменением кривизны реологических кривых, (обусловленных изменением характера деформирования), значительным снижением прочности во времени.
В понятие «прочность мерзлых грунтов» вкладывают различный смысл в зависимости от решаемой задачи. Может использоваться как критерий собственно разрушения, так и критерий избыточной деформации, что связано с особенностями поведения мерзлых грунтов под нагрузкой. Принято считать, что мерзлые породы при больших напряжениях в большинстве случаев разрушаются, что фиксируется увеличением скоростей деформирования при постоянной нагрузке. Однако для многих из них характерно вязкое и (или) пластичное «разрушение» с большими деформациями и сплющиванием образца без нарушения его сплошности. Причем длительность стадии неустановившейся ползучести для мерзлых пород может составлять сотни и даже тысячи часов. Поэтому в понятие прочности приходится вкладывать и избыточную деформацию, например значение 0,2.
Учитывая затухающий характер деформирования, основной характеристикой для оценки устойчивости сооружений можно считать предел допустимой ползучести (предел ползучести), определяемый либо по равномерной скорости ползучести, либо по суммарной деформации, которая допустима для данного сооружения. При использовании этой характеристики следует учитывать, однако, что она зависит от конкретного сооружения. Необходимо иметь в виду, что, по мнению многих исследователей, потери прочности грунта на стадии затухающей ползучести все-таки не происходит. Поэтому целесообразно проводить сравнение полученной таким образом условной прочности с ее значениями, определенными по другим критериям, таким как изменение характера деформирования, а также по данным других испытаний (например, сдвиговых), в которых разрушение более очевидно.
Определение момента потери прочности возможно и на основании некоторых других признаков. Так, изохронные кривые деформирования в логарифмических координатах для мерзлых пород могут иметь переломы, которые связаны с изменением характера деформируемости грунта. Предел затухающей ползучести может быть определен и по реологическим кривым, если их удается построить для установившихся скоростей деформирования.
Использование новых представлений о разрушении, например кинетической теории прочности, полезно для объяснения экспериментальных данных по мерзлым породам. На первый взгляд, уравнение кинетической теории более приемлемо по физическому смыслу, чем, например, уравнение С.С. Вялова. Известны довольно резкие оценки относительно использования уравнения кинетической теории для практических расчетов. В частности, Г.П. Черепанов и другие, признавая, что кинетические формулы позволяют объяснить большинство экспериментальных данных, отмечал, что они требуют слишком высокой точности определения эмпирических постоянных. Для мерзлых грунтов, однако, нельзя не отметить физическую простоту исходных предпосылок кинетической теории и некоторые заслуживающие внимания закономерности, выявляющиеся при анализе ее с позиций экспериментального материала по механике мерзлых грунтов. Кратко остановимся на некоторых широко распространенных методах испытаний.
Метод шарикового штампа считается применимым для всех разновидностей мерзлых пород с массивной, мелкосетчатой и тонкослоистой криогенной текстурой в диапазоне температур от минус 1 до минус 10 °С. При этом используется наиболее подходящий для мерзлых пород диаметр штампа, равный 2,6 см. Данный метод получил сравнительно широкое распространение из-за его простоты и дешевизны используемого оборудования, однако он отличается недостаточной точностью, особенно при испытаниях образцов с выраженными криогенными текстурами. Важно соблюдать соотношения осадок штампа для различных видов грунтов. Часто для расчетов эквивалентного сцепления по данным 8-часовых испытаний используется переходный коэффициент, величину которого необходимо уточнять при исследованиях в различных районах. Длительность испытаний для получения достоверной конечной осадки штампа иногда достигает 15-40 и более суток.
Одноосное сжатие является важным видом испытаний мерзлых грунтов, но применяется недостаточно широко из-за его трудоемкости. Здесь предъявляются строгие требования к оборудованию, которое должно обеспечивать нагрузку на образец. Преимущество этого метода заключается в том, что испытание грунта происходит в условиях, близких к обстановке в основании здания или сооружения. Нагрузки не возрастают ступенями после условной стабилизации, а остаются постоянными в течение всего времени опыта. При этом вместо 3-6 образцов-близнецов, используемых для соблюдения условия повторности и правильности статистической обработки результатов, испытывается серия образцов в количестве 10-20 штук.
Достоинство этого метода для мерзлых грунтов заключается еще и в том, что для многих их разновидностей, например засоленных и высокольдистых, может быть нехарактерно течение под нагрузкой с постоянной или прогрессирующей скоростью, по крайней мере, до достижения ими деформаций размером 20%. В связи с этим результат испытаний ступенчатыми нагрузками может зависеть от величины ступени, поскольку в качестве критерия разрушения в этом случае приходится использовать величину деформации 20% (или другую). Испытания продолжаются до нескольких суток или недель, а в некоторых случаях более двух месяцев. Для сохранения постоянства напряжения в течение всего процесса тестирования нагрузка увеличивается пропорционально росту поперечного сечения образца грунта по мере его деформирования. При этом редко учитывается дилатансия.
Метод определения величины сопротивления сдвигу по поверхности смерзания достаточно трудоемок и сложен в проведении. В данном случае применяется ступенчатое нагружение. Ступени выдерживаются или в течение суток, или до затухания деформаций. Интересно, что тип прибора и даже приложение нормальной нагрузки из-за слабого уплотнения мерзлых грунтов в некоторых случаях слабо влияют на результаты. Сопротивление сдвигу при смерзании, получаемое на лабораторных приборах, обычно является несколько завышенным по сравнению с результатами испытаний натурных свай. Возможно, это вызвано влиянием сил бокового обжатия при вмораживании моделей свай на лабораторных приборах. Определение прочности на сдвиг до сих пор выполняется на приборах конструкции Гидропроекта или аналогичных им. Для исключения перекосов образцов по мере их деформирования применяется сдвиг нижней части образца при приложении сверху нормальной к поверхности нагрузки, задаваемой динамометром.
Компрессионный метод применим для испытаний мерзлых грунтов на сжимаемость. При этом необходимо учитывать некоторые особенности этих грунтов. Из-за повышенной пластичности и сжимаемости некоторых их типов продолжительность опытов может достигать четырех и более месяцев, а это, в свою очередь, предъявляет особые требования к коррозионной защите деталей прибора и к поддержанию температуры.
Испытания свай являются крайне необходимыми из-за недостаточной точности лабораторных испытаний и важности определения несущей способности фундаментов. Предварительно площадка испытаний должна разбуриваться скважинами до глубины не менее 10 м с документацией и опробованием грунтов. Продолжительность каждой ступени нагружения может составлять 24 часа. Или же ступень выдерживается до условной стабилизации осадки.
Трехосные испытания являются наиболее предпочтительными, однако они до сих пор не получили должного практического развития, в том числе и при инженерных изысканиях, по крайней мере в России.
Исследования особенностей деформирования мерзлых грунтов и влияния различных факторов на их прочность в последнее время позволили выработать ряд частных рекомендаций для проведения механических испытаний и оценки несущей способности этих грунтов. В их числе:
- рекомендованный ГОСТ метод испытаний на одноосное сжатие ступенчатыми нагрузками не позволяет определить несущую способность глинистых засоленных пород из-за затухающего характера деформаций – в этом случае необходимо проведение испытаний на ползучесть постоянными нагрузками;
- для оценки деформационных характеристик продолжительность испытаний должна составлять не менее 3 суток – только в этом случае параметры аппроксимации можно использовать для прогноза длительных деформаций;
- из-за высокой сжимаемости и деформируемости засоленные и сильнольдистые мерзлые породы в большинстве случаев относятся к категории пластичномерзлых, что предполагает проведение расчета по деформациям при проектировании сооружений на таких основаниях.
В заключение хотелось бы ещё раз подчеркнуть, что в целом механические испытания мерзлых грунтов в сегодняшней практике инженерно-геологических изысканий проводятся в недостаточном объеме, что является одной из основных причин деформаций сооружений, возводимых в криолитозоне.