Физико-механические свойства мёрзлых грунтов.

Таблица 1.4                                                  

Классификация грунтов по содержанию органического вещества.

         Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает. При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств льда. Разработана классификация мёрзлых грунтов по температурно-прочностным свойствам.(табл.1.5)

Таблица 1.5

Характер изменения механических свойств грунтов различного состава зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.

                  1.2 Грунты как многокомпонентная система.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.

Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей:твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда(лёд-цемент и лёд прослойков);воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.

Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.

  Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.

Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме- может достигать огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м²/г.

      Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na₂Co₃,хлористый магний MgCl₂. Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния. Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3,аморфную модификацию, образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах. В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до –100°С и при обычных давлениях),он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов. Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законам реологической механики, в параллельном же направлении–напротив, после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. Кроме того, электро- молекулярные связи льда значительно превосходят электро- молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.

        Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе(лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.

       Классификация генетических типов подземных льдов приведена в табл.1.6.                                                                                                 Таблица 1.6

Генетические типы подземных льдов.

В зависимости от заполнения пор льдом различают (Шумский,1957) следующие виды льда цемента: контактный, находящийся в местах контакта частиц скелета; плёночный, обволакивающий поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненными; поровый, заполняющий поры целиком; и базальный, образующий основную массу породы и разобщающий частицы минерального скелета.

    Вода в жидкой фазе в мёрзлых грунтах, по крайней мере до температуры –70°С содержится в том или ином количестве. Вода бывает в двух состояниях: прочносвязанная поверхностью минеральных частиц, когда в следствие огромных электро- молекулярных сил, вода не в состоянии перейти в гексагональную кристаллическую решётку льда, даже при очень низких температурах..

Рыхлосвязанная вода переменного фазового состава, замерзающая при температурах ниже 0°С. Понижение температуры замерзания воды происходит в следствие того, что между слоем прочносвязанной и более «тёплой воды»существует энергетическая связь, что обусловливает более низкую температуру её кристаллизации.

 Газообразные компоненты в мёрзлых грунтах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью, и в водо-насыщенных грунтах могут явиться причиной перераспределения влажности. Кроме того, газообразные компоненты претерпевают значительное сокращение в процессе понижения температуры, образуя вакуум обуславливающий миграцию влаги.

          1.3 Характеристики физических свойств

При оценке многолетнемёрзлых пород используются те же характеристики физико-механических свойств, что и для талых пород, а также, необходимы дополнительные характеристики, которые выражают специфику состава мёрзлых пород и особенностей их поведения под нагрузками. Общими характеристиками талых и мёрзлых грунтов являются:

Плотность скелета грунта

                              rd; [г/см³] 

определяемая, как масса частиц грунта в объёме ненарушенной структуры;

4. Пористость грунта,характеризуемая коэффициентом пористости:

     e=(rs -rd)/ rd;

5.Суммарная относительная влажность:

Отношение массы воды к массе сухого грунта в единице объёма

                 Wс=mводы /m сух.гр.

6.Влажность на пределе раскатывания и на пределе текучести соответсвенно:

Wрас%, Wтек%

7. Число пластичности:

Jчисло пласт = Wтек% -Wрас%:

8.Степень водонасыщения:

Sr=W с/Wп

Где Wп - полная влагоёмкость, равная влажности грунта, при полном заполнении пор водой.

   К дополнителным характеристикам относятся:

1.Влажность за счёт незамёрзшей воды W н (в долях единицы);

2.Льдистость мёрзлого грунта i, равная отношению массы льда к массе всей воды, содержащийся в мёрзлом    грунте:

 i = (Wc-Wн)/Wc;              

3.Температура начала замерзания грунтовой влаги q bf;

4.Засолённость грунта (Dsol) ,либо концентрация порового раствора C р:

                            Dsol=mсоли/mсух.грунта;

                            Ср=Dsol%/(Dsol% +Wc%);     

5. Заторфованность:

характеристика, равна отношению массы органического вещества к массе грунта в сухой навеске.

        Im = mторфа/mсух.грунта

6.Относителная влажность W с в мёрзлых грунтах рассматривается как сумма влажности за счёт включений льда (Wв), влажность минеральных прослоек грунта (Wг), равная сумме влажности за счёт льда цементирующего минеральные частицы(Wц) и влажности за счёт незамёрзшей воды(Wн).

Wc=Wв+Wг=Wв+(Wц+Wн);

    Важными характеристиками мёрзлых грунтов являются текстура и структура. В заваисимости от интенсивности промораживания, наличия подтока воды и задержек в промораживании формируется текстура мёрзлых грунтов. Основными видами стуктуры грунтов являются слитная(массивная),слоистая и ячеистая(сетчатая).Также выделяют другие дополнительные виды структур.

                    1.4 Теплофизические характеристики.

Теплоперенос в горных породах в общем случае осуществляется тремя механизмами: излучением, конвекцией и кондуктивностью (теплопроводностью).

Теплофизические характеристики оценивают количественную долю тепла:

- коэффициент теплопроводности -l,(Вт/м*К)-выражает количество тепла проходящее в единицу времени через единицу площади и единичную толщину слоя грунта.

-удельная теплоёмкость - С,(Дж /кг*К)- выражает количество тепла,необходимое для нагревания или охлаждения единицы массы грунта на один градус.

-объёмная теплоёмкость Соб (Дж/м3*К) выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёма грунта на один градус.

-коэффициент температуропроводности а (м2/с)– выражает способность грунта изменят свою температуру,под воздействием изменившегося градиента температуры.

Между этими характеристиками существует зависимость:

                                      l=Соб *а;

 Доля тепла переносимого в породе излучением, обычно, не превышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносом пренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь при влагопереносе под действием гидростатических сил.

    Значения всех теплофизических характеристик зависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так и гранулометрического состава и основных физических свойств: плотности и влажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого.Обычно коэффициент теплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводности грунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, по сравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзании стремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовые переходы влаги.

                                 1.5 Массообменные характеристики.

  Перемещение влаги и пара в дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода, вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамических параметров. В случае нарушения равновесных условий в грунтовой системе влага может находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение в виде молярного переноса пара, объёмно протекать по капиллярам, подчиняясь капиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождая комбинированный перенос влаги.

Влагоперенос зависит от гранулометрического состава породы. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, но уменьшается поток её миграции.

Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.

В равновесном состоянии каждому значению отрицательной температуры образца мёрзлой породы соответствует строго определённое содержание незамёрзшей воды, поэтому возникновение и поддержание в мёрзлой породе градиента температуры приводят к возникновению градиента потенциала влаги  по жидкой и парообразной фазам.

Характеристикой влагопереноса является коэффициент потенциалопроводности

                              a¢=l¢/(C¢g _ск) м² /ч

l¢-коэффициент влагопроводности кг/м´ч´град;

C¢-удельная влагоёмкость грунта.

Знание коэффициента потенциалпроводности позволяет расчитывать миграцию влаги при промерзании.

1.6Механические характеристики.

Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаются для назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получения зависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками, при изменении температуры, воздействии криогенных процессов и др.

Мёрзлые грунты по агрегатному состоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды и льда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления, развивающиеся на основе теории упругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётся подход к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методов их определения.

К основным характеристикам прочностных свойств мёрзлых грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.

Различают простое и сложное напряжённые состояния в мёрзлом грунте.

Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.

Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:

Одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.

Испытания, с помощью которых оцениваются деформационные свойства: вдавливание сферического штампа;. сдвиг на срезном приборе; сдвиг на клиновидном приборе; сдвиг по поверхности смерзания; сдвиг мёрзлого грунта по поверхности модели сваи; раздавливание образца.

     Глава 2.Реологические аспекты механики мёрзлых грунтов.

По классическим теориям пластичности и упругости напряжённо-деформированное состояние тела вполне определяется величиной нагрузки и способом её приложения; если эта нагрузка не меняется,то остаются неизменными и возникшие в теле напряжения и деформации. В реальных телах напряжённо-деформированное состояние меняется со временем и зависит от истории предшествующего загружения. Соответственно, соотношение между напряжением и деформацией не является однозначным, а изменяется, даже если одна из этих величин –напряжение или деформация –остаётся постоянной, другая будет изменяться во времени. Изучением закономерностей напряжённо-деформированного состояния занимается наука, называемая реологией.

Исследованиями Н.А.Цытовича и его сотрудников в 30-х годах, а несколько позже М.Н.Гольдштейном было обнаружено наличие у мёрзлых грунтов свойства текучести. Затем, в 50-х годах 20-го века С.С Вяловым был выполнен большой объём экспериментов в Игарской подземной лаборатории по определению деформируемости и прочности мёрзлых грунтов. Их результаты позволили выявить основные закономерности поведения мёрзлых грунтов под нагрузками: проявление ползучести, снижение прочности во времени, релаксацию напряжений. Данные исследований обобщены в монографии(Вялов,1959).В дальнейшем, под его руководством создано реологическое направление в механике мёрзлых грунтов, которое завоевало мировое признание и получило развитие в трудах отечественных и зарубежных учёных.: Ю.К.Зарецкого, С.Э.Городецкого, Н.К.Пекарской, Р.В.Максимяк, Ю.С.Миренбурга, Е.П.Шушериной, A.M.Fish, O.B.Anderslaud, D.M.Anderson, J.F.Nixon, R.Pusch, F.M.Sayles, B.Ladanyi, E.Penner и др.

На основании полученных закономерностей проявления реологических свойств мёрзлых грунтов разработаны решения, позволяющие по данным испытаний прогнозировать длительную прочность и деформации мёрзлых грунтов на основе теорий ползучести. Показана также применимость для этих целей методов временных аналогий. Их суть основана на интенсификации процесса разрушения, влияющими на него факторами(повышением температуры, увеличением нагрузки, льдистости, засолённости, заторфованности и т.д.) и на идентичности влияния времени и перечисленных факторов на прочность и ползучесть, что позволяет осуществлять прогнозы деформации и прочности на длительное время.(Роман,1987)

В целом реология мёрзлых грунтов рассматривает проявление ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности тел при длительном воздействии нагрузок.

Ползучесть - процесс деформирования, развивающийся во времени, даже при постоянной нагрузке. Обычно в процессе испытаний мёрзлых грунтов при всех напряжённых состояниях определяют семейство кривых ползучести. В зависимости от напряжения проявляются затухающая, либо незатухающая ползучесть. Выделяют три стадии ползучести, показанные на (рис.2.1)При инженерных изысканиях важно учитывать, что третья стадия ползучести не допускается при использовании грунтов в качестве оснований.

e                

                                                                s ₂

                                                                    s ₁

                                                                    t

       I                  II                             III           

        Рис.2.1 Зависимость деформации (e) от времени (t) с проявлением затухающей ползучести при напряжёнии(s ₁)и незатухающей ползучести при напряжении(s ₂).Стадии незатухающей ползучести: I-неустановившаяся ползучесть; II-ползучесть с постоянной скоростью; III-прогрессирующее течение.                         

Виды кривых ползучести зависят от величины нагрузки. Для нагрузок: s₁ >s₂ >s₃ >… >sn кривые ползучести образуют семейство кривых для определённого вида грунта(рис.2.2). Представленный на рис. 2.2а характер развития деформаций при разных нагрузках во времени является идентичным для всех способов нагружения: одноосного сжатия; растяжения; сдвига грунта по грунту или по поверхности смерзания; при сложном напряжённом состоянии. По результатам испытаний на ползучесть определяется кривая длительной прочности(рис2.2-б), с помощью которой прогнозируется время до разрушения при данной нагрузке, что очень важно для решения инженерных задач, касающихся вопросов длительной прочности и длительной деформации. Для получения кривой длительной прочности строится график зависимости напряжений от соответствующего времени перехода ползучести в третью стадию.

 Способы прогноза длительной деформации мёрзлых грунтов разработаны на основе технических теорий ползучести; теории старения; упрочнения; течения; наследственной ползучести.Общий закон развития деформаций, по которому производится прогноз, имеет вид(Вялов,1978):

                                    e t =(s /A(t, q) ^1/m                          (2.1)

где e t – деформация за период времени t при напряжении; s, A (t, q) и m –опытные параметры; q - температура грунта.

На основании уравнения (2.1) длительная прочность грунта за период времени t

 определится:

                   s _t = A (t, q) e _t ^m,                                        (2.2)

Читайте также:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности