Физико-механические свойства мерзлых грунтов

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 – масса грунта в единице объёма:

; [г/см³] (1)

где m – масса образца ненарушенной структуры, г;

V – объём грунта, см³;

– плотность частиц грунта в единице объёма при плотной упаковке:

, г/см³; определяется с помощью пикнометра.

– плотность скелета грунта:

, г/см³, определяемая, как масса частиц грунта в объёме ненарушенной структуры;

– пористость грунта, характеризуемая коэффициентом пористости:

; (2)

– суммарная относительная влажность:

Отношение массы воды к массе сухого грунта в единице объёма

; (3)

– влажность на пределе раскатывания и на пределе текучести соответсвенно:

W_рас, %, W_тек, %;

– число пластичности:

; (4)

­– степень водонасыщения:

; (5)

где W _п – полная влагоемкость, равная влажности грунта, при полном заполнении пор водой.

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 – С_об, (Дж/м³·К) – выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёма грунта на один градус.

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

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.

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.