Реферат: Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

МГУ им.М.В.Ломоносова геологический факультет кафедра геокриологии

Кудашов Владимир(1курс 2001-2002)

Введение.

          Площадь распространениямноголетнемёрзлых пород составляет  до 25%  всей суши  земного шара и более 65%площади Российской Федерации. Сплошное распространение многолетнемёрзлых породнаблюдается в Антарктиде и на  прилегающих  к ней островах, в Гренландии, атакже на высокогорных участках в Южной Америке  и в Африке. На территорииРоссии многолетнемёрзлые породы распространены на побережье европейской части изанимают значительную территорию на Северо-Востоке страны. Австралия являетсяединственным континентом, где не наблюдается  распространения многолетнемёрзлыхтолщ.Распространениемёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовымтемпературам, характеру распространения  и мощности  на многлетнемёрзлых породвыделяются пять зон. Географическая граница  распространения мёрзлых пород натерритории России указана на карте (рис1).           Непрерывность мёрзлых толщ попростиранию наблюдается только  в самых северных районах. Но и там под крупнымиводоёмами  и в местах усиленной циркуляции подземных вод можно встретитьучастки со сквозным протаиванием. Такие участки называются «таликами», при этомразличают «сквозные талики» и «несквозные», или «ложные» талики. Количество иплощадь таликов возрастают в направлении от северных областей распространениямёрзлых пород к их «южной границе», или, точнее, в направлении, перпендикулярном геоизотермам в этой области.Географическая южная граница распространениямноголетнемёрзлых пород представляет собой линию, оконтуривающию с юга областьраспространения мёрзлых толщ, за исключением отдельных высокогорных участков мёрзлых пород в субтропических и тропических зонах. Кратковременное промерзаниепочвы связано с ночными заморозками; сезонное промерзание пород вызываетсяналичием среднесуточных отрицательных температур почвы  зимой в связи ссезонными колебаниями климата, а причиной существования многолетнемёрзлых породявляется продолжительное существование  отрицательных среднегодовых температурпород вследствие многолетних колебаний теплообмена на поверхности Земли,периодически  создающих отрицательные температуры в верхнем слое литосферы.            По глубине мёрзлые породымогут распространяться неоднородно (рис.2).

/>Ю                                  1                                    С

/> /> /> /> /> /> /> /> <td/> />

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>                         2    

/>                                3                               2    

/>                       4         

/>                                                         

/>                      5


Рис.2 Схема вертикального разреза мёрзлых толщ придвижении с юга на север:

1-слойсезонного промерзания (протаивания); 2-современные сливающиеся; 3-современныенесливающиеся толщи;4-древние сливающиеся и несливающиеся толщи.

Вчастности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлые толщи представляют собойобычно непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность  которых совпадает сдневной  поверхностью, а нижняя поверхность  находится на некоторой небольшой(отсантиметров до единиц метров) глубине.

Залеганиемноголетнемёрзлых толщ более сложно. Их верхняя поверхность залегает наразличных глубинах ниже дневной поверхности  вследствие процессов сезонного илимноголетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются «сливающимися»,если  их верхняя поверхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания;если же их верхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя  сезонногопротаивания  или промерзания, они называются «несливающимися».Наблюдаются такжезалегания двух и более слоёв многолетнемёрзлых пород друг над другом,разделённых талыми прослоями их называют «многослойными или слоистыми».Такиеглубоко залегающие несливающиеся древние мёрзлые толщи могут встречатьсязначительно южнее южной границы распространения современных или сравнительномолодых мёрзлых толщ.

Зона сплошной мерзлоты характеризуется мощностями  мёрзлых толщ от 500  и более до 300 м и самыминизкими температурами от-10°С и ниже.Островная мерзлота характеризуется  малыми мощностями вечномёрзлых пород  отнескольких десятков метров до нескольких метров  и температурами, близкими к 0°С.  распределение температурмноголетнемёрзлых грунов по глубине показано на рис.3.

                                             

/>/>/>/>                        1                        q0                           qп

/>/>                  - q °С                                 0                                  +q°С 

/>/>/>/>/>/>/> 

/>                                                                                        hот

/>/>                                                                          h0            2     

                                                                  h, м

                                                                     

 

 Рис.3 Распределение температуры грунтов (q) в криолитозоне по глубине(h).

1-поверхность грунта;2-огибающие температуры; qп — температура на поверхности;q0–температурана уровне нулевых годовых амплитуд(среднегодовая температура грунта); hот–глубина сезонного оттаивания; h0–глубина уровня нулевых амплитуд.

  

Похарактеру промерзания многолетнемёрзлые породы разделяются на два типа:1)сингенетически промёрзшие породы, т.е. накапливающиеся и промерзающие вгеологическом смысле одновременно, и

2)эпигенетические промёрзшиепороды, т.е. те, которые перешли в многолетнемёрзлое состояние после  того, какпроцесс их накопления завершился  и они претерпели диагенетические изменения,превратясь из осадка в породу.

                 В криолитозоне наблюдается рядгеокриологических процессов.

           Термокарст -представляет собойобразование просадочных и провальных форм  рельефа вследствие вытаивания подземныхльдов или оттаивания  мёрзлого грунта. Механизм процесса заключается вуплотнении  оттаявших сильнольдистых  пород  или пород, содержащихмономинеральные залежи льда. Причиной возникновения  термокарста является такоеизменение теплообмена  на поверхности  почвы, при котором глубина сезонногооттаивания начинает превышать глубину залегания подземного люда илисильнольдистого многолетнемёрзлого грунта, либо происходит  смена знака среднегодовой температуры  и начинается  оттаивание мёрзлых толщ.При развитиитермокарста по повторно-жильным льдам образуются положителные формы рельефа:байджерахи и бугристые полигоны.

           Морозобойное растрескивание.Механизм  процесса заключается в том, что при охлаждении в соот ветствии сраспределением температур по глубине в мёрзлых породах возникают сжимающие ирастягивающие напряжения, накопление которых приводит к разрыву пород иобразованию трещин.

Морозное пучение-дисперсных пород  это поднятие поверхности земли, обусловленноеувеличением объёма замёрзшей влаги  и льдообразованием(вследствие миграцииводы) при промерзании. В услових развития отложений, содержащих какмелкозём, так и крупнообломочные грунты, происходит выпучиваниекрупнообломочного материала и образование  на поверхности  каменных полей(курумов), или сортировка грунтов с образованием каменных полигонов или полосна склонах.

Для прогноза возможности возникновениягеокриологических процессов, периода их протекания, а также для оценки мёрзлыхгрунтов, как оснований сооружений необходимо знание физических, механических  итепло- массообменных характеристик, основные из которых рассматриваются внастоящей работе.

  

/>
Рис.1 Картараспространения многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева,1976).

1-Зона редкоостровного имассивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами(tср)от +3 до –1С и мощностью мёрзлой толщи(М) от 0 до 100 м;2-5 зона сплошногораспространения ММП:  2- tср от –1до –3, М от 50 до 300 м; 3- tср от –5 до –9 Ю, М от 200 до 600 м; 5- tср от ниже   -9С, М от 400 до 900 м иболее ;6- граница зон ММП;7 южная граница криолитозоны

Глава 1. Основныефизические  характеристики мёрзлых грунтов.

 

                                  1.1Вводные понятия.

             Термин грунт вошёл в терминологию грунтоведческих наук в 18 веке. Всовременном определении(Сергеев, Голодовская и др.1973) грунт-это любыегорные породы, почвы и техногенные образования, обладающие определённымигенетическими признаками и рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы,находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.

Порода – естественный минеральный агрегат определённогосостава  и строения, сформировавшийся в результате геологических процессов, всоответствии с которыми их подразделяют на осадочные, магматические иметаморфические.

Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсныематериалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бычасть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы.Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своёмсоставе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаныегрунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и необладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухаямерзлота»).Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температурулёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.

        Классификация  мёрзлых грунтов по гранулометрическому составу определяется каки для немёрзлых грунтов. Выделяют классификации по Охотину, Сергееву. Крометого, мёрзлые грунты дополнительно классифицируют по ГОСТ 25100-95, также по:времени нахождения в мёрзлом состоянии(табл.1.1); по льдистости(табл.1.2); позасолённости(табл.1.3); по заторфованности(табл.1.4)

Таблица 1.1

Классификация грунтов по времени нахождения в мёрзлом состоянии поданным различных источников.

Наименования мёрзлых грунтов Время существования в мёрзлом состоянии Источники

Многолетнемёрзлые

Сезонномёрзлые

Кратковременно мёрзлые

Годы, сотни, тысячи лет

Месяцы

Сутки

В.А Кудрявцев

Б.А, Достовалов, 1978

Э.Д.Ершов,1990

Вечномёрзлые

Многолетнемёрзлые

Сезонномёрзлые

Кратковременно мёрзлые

Века, тысячелетия

От нескольких лет до нескольких десятилетий

От 1 до 2 сезонов

От нескольких часов до нескольких суток

Н.А.Цытович,1973

Вечномёрзлые

Перелетки

Сезонномёрзлые

Три  и более года

От 1 года до трёх лет

1-й холодный сезон года

Нормативные документы по строительству и инженерным изысканиям

                                                                                                                   Таблица 1.2

 Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяныхвключений. Разновидность грунтов Льдистость за счёт видимых ледяных включений               

                                                 i, д.е.

Скальные и полускальные           грунты Дисперсные грунты Слабольдистый

Льдистый

Сильнольдистый

Очень сильнольдистый

             <0.01

            0.01-0.05

              >0.05

                -

                 <0.20

             0.20-0.40

             0.40-0.60

             0.60-0.90

 

                   Таблица 1.3

Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости Dsol%

(для морского типа засоления)

    

Разновидность

      

Суммарное содержание  легкорастворимых солей,% массы сухого грунта            Песок  Глинистый грунт

Слабозасолённый

Среднезасолённый

Сильнозасолённый

         0.05-0.10

         0.10-0.20

              >0.20

           0.20-0.50

           0.50-1.00

                >1.00

Таблица 1.4                                                  

Классификация грунтов по содержанию органического вещества.

Название Содержание органического вещества     (%) в глинистых песках Сильнозаторфованные 50-40 - Среднезаторфованные 40-25 - Слабозаторфованные 25-10 - С примесью орг.веществ 10-3 10-3               Мёрзлые грунты  взависимости от их температуры, величины и времени  внешнего воздействия  могутвести себя  как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнеевоздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства.Образование льда при промерзании грунта приводит к  повышению прочности исопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей междуминеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости итемпературы прочность структурных связей возрастает. При длительном временидействия нагрузки роль льдоцементационного  сцепления снижается, чтообусловлено проявлением реологических свойств льда. Разработана классификациямёрзлых грунтов по температурно-прочностным свойствам.(табл.1.5)Таблица 1.5Классификация потемпературно-прочностным свойствамВид грунтов Разновидность грунтов

Твёрдомёрзлый

dp£0.1 кПа-1

при t<Th°C

Пластичномёрзлый             dp>0.1 кПа-1    

при t, °C

Сыпучемёрзлый при t<0°С Все виды скальных и полускальных грунтов

Th   =0

       

        ----

      

      --------

Крупнообломочный грунт

 Th =0

     Th  <t< Tbf

        при Sr<0.8 

         Sr£0.15

Песок гравелистый крупный и средней крупности

Th = -0.1

Глинистый

 грунт

Супесь

 Th =-0.6

   

       Th <t< Tbf

Суглинок

 Th =-1.0

Глина

 Th =-1.5

Заторфованный грунт

 Th =-0.7(Jr+|Th|)

Th <t< Tbf

----- Торф - t<0 -------

 Th-температурнаяграница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;

 Tbf-то же для заторфованных грунтов.

Характеризменения механических свойств грунтов различного состава зависит от виданапряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. Приинженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так идеформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости исжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.

                      1.2 Грунты как многокомпонентная система.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природнымимногофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствамкомпонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об иходнокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия  в данном объёме грунтаперераспределения  во времени отдельных фаз грунта.

Такимобразом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы,содержащей: твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включенияльда(лёд-цемент и лёд прослойков); воду в связанном и жидком состояниях; газовыекомпоненты: пары и газы.

Всеперечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическомвзаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.

 Твёрдые минеральные частицы оказываютсущественное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которыхзависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы ихповерхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённыхкатионов.

Существенновлияет на свойства грунтов  форма частиц. Например, при плоской форме зёрендавление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению отнагрузки, тогда как  при остроугольной форме- может достигать огромнойвеличины. И интенсивность протекания физико-химических  поверхностных явленийзависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать вглинистых грунтах  80 и более м2/г.

          Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов впротивоположность твёрдым минеральным частицам представляет собоймономинеральную криогидратную  породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах  могут содержаться идругие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2Co3, хлористый  магний MgCl2. Льдом называют все твёрдые модификации воды,независимо от их кристаллического или аморфного состояния. Различают несколькомодификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующихдавлениях: три  кристаллических модификации: 1,2,3, аморфную модификацию,образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах. В мёрзлых грунтахсодержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до –100°С и при обычных давлениях), он является важнейшей компонентой мёрзлыхгрунтов. Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойстваего кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической осиподчиняются 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 свободнойводы поверхностью льда.

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

            Классификациягенетических типов подземных льдов приведена в табл.1.6.                                                                                                     Таблица1.6

Генетические типыподземных льдов.

типы подтипы /> Конституционные льды /> Пещерно- жильные льды Жильные льды /> Пещерные льды /> Погребённые льды Конжеляционные льды /> /> Осадочно-метаморфические />

      В зависимости отзаполнения пор льдом различают (Шумский,1957) следующие виды льда цемента: контактный,находящийся в местах контакта частиц скелета; плёночный, обволакивающийповерхность частиц, оставляя часть пор незаполненными; поровый,заполняющий поры целиком; и базальный, образующий основную массу породыи 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 огромныхэлектро- молекулярных  сил, вода не в состоянии перейти в гексагональнуюкристаллическую решётку льда, даже при очень низких температурах..

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

     Газообразные компоненты в мёрзлых грунтах могут играть в отдельныхслучаях существенную роль, так как они перемещаются  от мест с большейупругостью  к местам с меньшей упругостью, и в водо-насыщенных грунтах могутявиться причиной перераспределения влажности. Кроме того, газообразныекомпоненты претерпевают значительное сокращение в процессе понижениятемпературы, образуя вакуум обуславливающий миграцию влаги.

               1.3 Характеристики физических свойств

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

1.    Плотность-  масса грунта  в единице объёма

                                   r= m/V;  [г/см3]                                                 

   m-масса  образца ненарушенной структуры;

   V -объём  грунта;

2.Плотностьчастиц грунта  в единице объёма при плотной упаковке :

               rs    [г/см3],  определяемая с помощью пикнометра. 

3.Плотностьскелета грунта

                                  rd; [г/см3] 

определяемая,как масса частиц грунта   в объёме   ненарушенной структуры;

4.Пористость грунта, характеризуемаякоэффициентом 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 пределетекучести соответсвенно:

Wрас%, Wтек%

7.Число пластичности :

Jчисло пласт   = Wтек% -Wрас%:

8.Степеньводонасыщения :

  Sr=W с/Wп

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

        К дополнителным характеристикам относятся :

  1.Влажностьза счёт незамёрзшей воды Wн(в доляхединицы);

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

 i = (Wc-Wн)/Wc;              

   3.Температураначала замерзания грунтовой влаги  qbf ;

  4.Засолённость грунта (Dsol), либо концентрация  порового раствораCр:

                                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 Wсв мёрзлых грунтах рассматривается как сумма влажности за счёт включений льда (Wв),влажность минеральных прослоек грунта (Wг), равнаясумме  влажности за счёт льда цементирующего минеральные частицы(Wц) ивлажности за счёт незамёрзшей воды(Wн).

    Wc=Wв+Wг=Wв+(Wц+Wн);

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

               

                         1.4Теплофизические характеристики.

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

Теплофизические характеристики оценивают количественнуюдолю тепла:

-коэффициент теплопроводности -l,(Вт/м*К)-выражает количество теплапроходящее в единицу времени через единицу площади и единичную толщину слоягрунта.

-удельная теплоёмкость — С,(Дж /кг*К)- выражаетколичество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы массыгрунта на один градус.

-объёмная теплоёмкость Соб (Дж/м3*К) выражаетколичество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёмагрунта на один градус.

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

    Между этими характеристиками существует зависимость:

                                           l=Соб *а ;

 Доля тепла переносимого в породе излучением, обычно, непревышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносомпренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь привлагопереносе под действием гидростатических сил.

         Значения всех теплофизических характеристикзависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так игранулометрического состава и основных физических свойств: плотности ивлажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого.Обычно  коэффициенттеплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводностигрунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, посравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзаниистремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовыепереходы влаги.

                                      1.5 Массообменныехарактеристики.

       Перемещение влаги и пара в  дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода,вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамическихпараметров. В случае нарушения равновесных условий  в грунтовой системе влагаможет находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение ввиде молярного переноса пара, объёмно протекать  по капиллярам, подчиняяськапиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождаякомбинированный перенос влаги.

Влагоперенос зависит от гранулометрического составапороды. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, ноуменьшается поток её миграции.

Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.

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

Характеристикой влагопереноса является коэффициентпотенциалопроводности

                                   a¢=l¢/(C¢gск)      м2 /ч

l¢-коэффициентвлагопроводности кг/м´ч´град;

C¢-удельная влагоёмкость грунта.

Знание коэффициента потенциалпроводности позволяетрасчитывать миграцию влаги при промерзании.

                                               

                       

1.6Механическиехарактеристики.

     Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаютсядля назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получениязависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками, при изменениитемпературы, воздействии криогенных процессов и др.

Мёрзлые грунты по агрегатномусостоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды ильда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления, развивающиеся на основе теорииупругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётсяподход  к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методових определения.

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

Различают простое и сложноенапряжённые состояния в мёрзлом грунте.

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

Определение прочностных идеформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевыхусловиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видамииспытаний являются:

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

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

 

           Глава2.Реологические аспекты механики  мёрзлых грунтов.

 

По классическим теориямпластичности и упругости  напряжённо-деформированное состояние тела вполнеопределяется  величиной  нагрузки  и способом её приложения; если эта нагрузкане меняется, то остаются неизменными и  возникшие в теле напряжения идеформации. В реальных телах напряжённо-деформированное состояние меняется современем и зависит от  истории предшествующего загружения. Соответственно,соотношение между напряжением и деформацией  не  является однозначным, аизменяется, даже если одна из этих величин –напряжение или деформация –остаётсяпостоянной, другая будет изменяться во времени. Изучением закономерностейнапряжённо-деформированного состояния занимается наука, называемая  реологией.

Исследованиями Н.А.Цытовича иего сотрудников в 30-х годах, а несколько позже М.Н.Гольдштейном было обнаруженоналичие  у мёрзлых грунтов свойства текучести. Затем, в 50-х годах  20-го векаС.С Вяловым был выполнен большой объём  экспериментов в Игарской подземнойлаборатории по определению деформируемости и прочности мёрзлых грунтов. Ихрезультаты позволили выявить основные закономерности поведения мёрзлых грунтовпод нагрузками: проявление ползучести, снижение прочности  во времени,релаксацию напряжений. Данные  исследований  обобщены вмонографии(Вялов,1959).В дальнейшем, под его руководством создано реологическоенаправление в механике мёрзлых грунтов, которое завоевало мировое признание иполучило 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.Pennerи др.

На основании полученныхзакономерностей проявления  реологических  свойств мёрзлых грунтов разработаны решения, позволяющие  по данным испытаний  прогнозировать длительную прочность и деформации мёрзлых грунтов на основе теорий ползучести. Показана такжеприменимость для этих целей методов временных аналогий. Их суть основана наинтенсификации процесса разрушения, влияющими на него факторами(повышениемтемпературы, увеличением нагрузки, льдистости, засолённости, заторфованности ит.д.) и на идентичности влияния времени и перечисленных факторов на прочность иползучесть, что позволяет осуществлять прогнозы деформации и прочности надлительное время.(Роман,1987)

/>Вцелом реология мёрзлых  грунтов рассматривает проявление ползучести, релаксациинапряжений и снижения прочности тел при длительном воздействии нагрузок.

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

/>  e                    

                                  

/>                                                                   s2

/>


/>/>                                                                        s1

          

/>


                                                                        t

            I                    II                                    III                 

             Рис.2.1Зависимость  деформации (e) от времени (t) спроявлением затухающей ползучести при напряжёнии(s1)инезатухающей ползучести при напряжении(s2).Стадиинезатухающей ползучести: I-неустановившаяся ползучесть; II-ползучесть спостоянной скоростью; III-прогрессирующее течение.                          

 

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

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

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

  где     et –деформация за период времени tпринапряжении; s, A(t,q) и m–опытныепараметры;q-температура грунта.

   

Наосновании уравнения (2.1) длительная прочность грунта за период времени t

 определится:

                           st= A(t,q)etm,                                            (2.2)

Релаксация.При нагружении постоянной силой Fвозникают деформации, развивающиеся  во времени. Для прекращения развития этихдеформаций необходимо уменьшать силу  по некоторому закону F(t).Уменьшениево времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением) напряжений. С позициистатистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установлениястатистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины,характеризующие состояние системы (напряжения), ассимптотически приближаются ксвоим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряженийявляется время релаксации, равное времени за которое напряжениеуменьшается в eраз,которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е.определяет подвижность материала. Например, горные породы, формирующие земнуюкору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями, у стекла этахарактеристика порядка столетий, у  воздуха10-10, у воды10-11,у льда сотни секунд. Таким образом,  в  пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себякак упругое тело( например, хрупко разрушается при ударе в условия большойнагрузки).При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение-хрупкоеразрушение при  быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительномвоздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.(Вялов,1978)

                                                                                  

/>                   e                             

/>/>/>/>                           s1            s2            s3      s4                               

/>                                                                                     s5   

/>/>                  

/>               

/>                     

/>                                                                                             si   

/>


/>                  s      t1           t2           t3      t4     t5                        t

/>                  s

                                                                               st                                                                       

/>/> 

/>                 s¥  

/>                  

                          t1           t2           t3      t4     t5                         t

        Рис.2.2Семейство кривых ползучести (а); кривая длительной прочности (б).

     s — условно-мгновенная прочность;st–длительная прочность;s¥-предельно-длительная прочность.

Глава 3.Влияние температуры и  основных физическиххарактеристик на проявление  реологических свойств мёрзлых грунтов.

     

 

                3.1Влияние минерального и гранулометрического состава.

Припрочих равных условиях длительные деформации  мёрзлых пород уменьшаются, апрочность увеличивается  в ряду: лёд> глина> суглинок> супесь>песок. Увеличение деформируемости грунтов с ростом дисперсности вызвано,прежде всего, увеличением содержания незамёрзшей воды, а большие деформациильда связаны с особенностями его структурной решётки, которые придают свойстваидеального реологического тела.

Деформируемость  и прочность крупнообломочныхмёрзлых грунтов обусловлена мелкодисперсными минеральными заполнителями, либоледяными включениями. При этом необходимо учитывать вид напряжённого состояния.Если при плотной упаковке минеральных частиц сопротивление сжатию мёрзлыхкрупнообломочных грунтов может превышать прочность мелкодисперсных грунтов засчёт жёсткости скелета, то сопротивление растяжению, либо сдвигу может бытьвесьма незначительным в связи с низкими  цементационными связями междуотдельными обломками.

3.2 Влияние льдистости.

В целом, мёрзлые грунтыобладают более высокой прочностью (в несколько раз, порой даже в несколькодесятков) по сравнению с талыми.Это обусловлено цементацией льдом частицгрунта, превращение его по агрегатному состоянию в твёрдое тело.

В зависимости от интенсивности промораживания(величины температурного градиента) и граничных условий(одностороннегопромораживания или промораживания  с нескольких сторон), наличия подтока воды изадержек в продвижении границы промораживания, в процессе промерзания грунтов формируется своеобразная  криогенная текстура, существенно определяющая исвойства (рис 3.1)

/>

Рис3.1 Основные виды криогенной текстуры в  мёрзлых грунтах.

(Цытович,1973)

            а-слитная(массивная); б-слоистая; в-ячеистая.

            Увлажнениедисперсных грунтов до влажности соответствующей примерно 0.8-0.9 от полнойвлагоёмкости увеличивает их прочность при промерзании. Это обусловленовозрастанием количества цементационных связей  льда с частицами грунта, вместес тем формируется монолитная криогенная текстура. Однако, показано, чтопрочность льдистых грунтов зависит не только от общей льдистости, но и отколичества и толщины ледяных шлиров,  а также влажности грунтовых прослоев, апоскольку дальнейшее увлажнение приводит к распучиванию, образованию ледяныхпрослоек и включений, то  увеличение льдистости за счёт включений приводит куменьшению прочности. В свою очередь, расположение прослоев льда имеет влияниена предельно длительную прочность. Противоречивые результаты получались уразных авторов при исследовании зависимости площади контакта минеральных частицгрунта  и льда: в одних случаях большая площадь, достигаемая большимколичеством ледяных прослоев, обусловливала большую прочность, в сравнении собразцами грунта имеющими меньшее количество ледяных прослоев большей величины,при одинаковой льдистости. Тем не менее незатухающая ползучесть льда  внезависимости от расположения  шлиров и их размеров приводит к длительнымдеформациям, протекающим в процессе всего срока эксплуатации мёрзлого грунта.

 Однако, характер влияния влажности-льдистости напрочность грунта  тесно связан с дисперсностью грунта, его минеральнымсоставом, температурой.

             

           

3.3 Влияние засолённости.

Присутствие легкорастворимых солей в грунтовой влагесущественно влияет на механические свойства грунтов. В засолённом грунтенаблюдаются снижение прочности и увеличение деформируемости(Ю.Я.Велли1990, В.И.Аксёнов,1978и др.).  Это обусловлено, в основном, изменением состава порового раствора, чтообусловливает понижение температуры его замерзания и увеличение количестванезамёрзшей воды. Экспериментально установлено влияние на механические свойствамёрзлых засолённых грунтов не только количества солей, но и их химическогосостава.(Роман,1994; Роман, Свинтицкая,1996).

            Засоление мёрзлых пород обусловлено ихгенезисом, специфической геохимической обстановкой, различной дляэпигенетического и сингенетического способов промерзания пород. Однако, длявсех типов пород будут присущи все типы элементарных реакций: растворение,гидратация, гидролиз, замещение, окисление –восстановление. Различают морской,континентальный и техногенный типы засоления.

             Морской тип засоления наблюдается в мёрзлыхгрунтах самых северных территорий- вдоль арктического побережья России и наостровах. Для морского типа засоления характерно наличие хлоридов, в частности NaCl.Наименьшее значение Dsal<sub/>=0.2-0.5% отмечается в песках; в супесях, суглинках иглинах засолённость колеблется от 0.4 до 2.1 %.

Континентальный тип засоления наблюдается в областях, где сочетание высоких летних температур воздуха сотрицательным балансом влаги способствовало соленакоплению в почвах иподстилающих грунтах. В  солевом составе грунтов континентального типазасоления присутствуют ионы:SO42-Cl-, HCO3-,Na2+,Ca2+, Mg2+.

При промерзании рыхлых отложений в первую очередьпроисходит образование твёрдой фазы воды -льда. Морские воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются при температурах, близких  к –1.5….-2°С, а рассолымогут не замерзать при температурах –20°С и ниже., образуя криопэги. Процесс  замерзания водысопровождается сильной дифференциацией солей между твёрдой и жидкой фазамиводы. Часть солей, растворённых  в воде, оказывается вовлечённой в лёд, частьменее растворимых в  воде солей выпадают в осадок, а часть отжимается внижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.

Постепенное промерзание приводит к образованиюслабоминерализованных льдов, а ниже границы промерзания- высококонцентрированных вод порядка 200 г/л и более, что обеспечиваетсуществование горизонтов воды при  отрицательной температуре. Процесс засоленияпороды характеризуется возникновением особенностей   физико-механическихсвойств.

Следует отметить, что степень влияния растворённыхсолей обусловлена не характеристикой засолённости Dsal,а концентрацией порового раствора Кпр, формирующегося в процессепромерзания.

Приодной и той же засолённости концентрация порового раствора будет снижаться  сувеличением влажности. А, значит, и влияние засолённости  на сопротивлениемёрзлых грунтов нагрузкам будет снижаться  с увеличением суммарной влажности.Поскольку  в природных грунтах очень часто  влажность  грунта близка к полнойвлагоёмкости, то в ряду, в котором увеличивается влагоёмкость: песок <супесь<суглинок <глина< торф  наблюдается уменьшение влияния засолённости наползучесть и прочность.

            В засолённых грунтах отмечаются все тристадии ползучести. Однако, стадии незатухающей ползучести и прогрессирующеготечения наступают при меньших напряжениях.

3.4 Влияние заторфованности.

Наличие биогенных остатков в мёрзлых грунтах влияетна  течение деформаций во время нагружения. В целом, анализ результатов исследованийпоказывает, что для торфа, минеральных заторфованных грунтов призаторфованности более 30% и влажности, близкой к полной влагоёмкости,деформации носят вязкий характер с преобладанием стадии установившегосятечения. Причём, если напряжение не превышает предела длительной ползучести, тостадия установившегося вязкого течения длится неограниченно долго. Приувеличении нагрузки больше предела длительной ползучести установившаяся стадияпереходит в стадию прогрессирующего течения  с возрастающей скоростью. Характердеформирования слабозаторфоованных грунтов  сходен с характером деформированиямёрзлых незаторфованных  минеральных грунтов с выраженными стадиями ползучести.При напряжении меньшем предела длительной прочности для них отмечается затухающаяползучесть,  а при напряжении, превышающем указанный предел –незатухающая.

Важно отметить, что для мёрзлых торфяных грунтов, каки для льда отмечены более высокие значения условно мгновенной прочности посравнению таковой для минеральных грунтов. Длительная же прочность уменьшаетсябыстрее и ее предельно-длительное значение меньше.

Оченьважно учитывать степень разложения торфа.Менее разложившийся торф болеегидрофильный, поэтому удерживает большое количество внутриклеточной влаги,основной объём которой находится в свободном   рыхлосвязанном состоянии. Сувеличением  степени разложения повышается гидрофобность, но и вместе с темувеличивается площадь удельной поверхности частиц. Количество связанной и,соответственно, незамёрзшей воды увеличивается, что приводит к снижениюпрочности.

3.5 Влияниетемпературы.

При использованиимноголетнемёрзлых грунтов в качестве оснований или среды для сооружений инженервстречается с совершенно своеобразным природным материалом, не похожим по своимсвойствам на другие материалы, настолько чувствительным к внешним воздействиям,что даже незначительное изменение их величины, характера и времени действиясказывается на его механических свойствах. Одним из основных факторовобуславливающих нестабильность механических свойств промерзающих ипротаивающих  мёрзлых грунтов является температура. Распределение температурыпо глубине показано на рис.3 введения.                                    

Влияние температуры на физико-механические свойствамёрзлых грунтов зависит от диапазона её изменения, который обусловливаетинтенсивность фазовых превращений, происходящих при данной температуре.Согласнопринципу динамического равновесия(Цытович,1973), в мёрзлых грунтах всегдасодержится определённое количество незамёрзшей воды, зависящее от внешнихфакторов.

Влажность за счёт незамёрзшей воды  зависит отзначения температуры и вида грунта.(Рис.3.2)

/>


/>      Wн  % 

        30    

/>


        20 

/>/>/>                                                                              

                                                                             5

/>       10

/>/>                                                                            4

/>                                                                            3

/>                                                                            2

/>/>/>/>/>/>                            1

             0         -2         -4        -6        -8      -10                q°С

Рис.3.2 Кривые содержания незамёрзшей влаги в мёрзлыхгрунтах  в зависимости от величины отрицательной температуры:

1-кварцевыйпесок;2-супесь;3-суглинок;4-глина;5-глина, содержащая монтмориллонит.   (Цытович,1973)

    Выделяют три области интенсивных фазовыхпревращений:

1)Областьзначительных фазовых превращений, в которой изменение количества незамёрзшейводы  Wн на 1°С составляет 1% и более( по отношению к массе высушенного грунта);

2)Переходнаяобласть, где изменения содержания  незамёрзшей воды  менее !%, но более 0.1%;

3)Областьпрактически замёрзшего состояния, где фазовые переходы  превращения воды в лёдна 1°С не превышают 0.1%.

В  области значительных фазовых превращений (для песчаных грунтов от 0°С до   –0.5°С и для глинистых  от 0°С до -5°С) факторами определяющими прочность являются содержание незамёрзшейводы и количественное содержание льда. Например, при понижении температуры от–1 до –2°С предельно-длительная прочность песка при простомсжатии увеличивается  на 15%, тогда как для мёрзлой  глины эта величинаувеличивается  примерно на 50%, поскольку содержание незамёрзшей водыуменьшилось в песке на 0.1%, тогда как у глины на 5%.(Основы геокриологии, п\рЭ.Д.Ершова,1995)

При понижении температуры мёрзлых пород их прочностьповышается, а скорость ползучести снижается, уменьшается вязкость, в большейстепени проявляется хрупкое разрушение. Указанное влияние обусловлено тремяосновными процессами, протекающими в мёрзлых породах: уменьшением количестванезамёрзшей влаги и увеличением содержания льда цемента; упрочнениемкристаллической решётки льда и всех твёрдых компонентов; структурнымуплотнением, вызванным температурным сокращением компонентов мёрзлого грунта.Однако, увеличение  прочности мёрзлых пород происходит до температур, близких к -70°С. При температурах ниже –60  -70 С установленоснижение прочности мёрзлых грунтов  за счёт того, что напряжения оттемпературных сокращений всех компонентов грунта становятся выше прочностиобусловленной цементацией льдом частиц грунта. При этом наблюдается развитиетрещин, разуплотнение грунтов (Шушерина,1974)


Глава 4.Деформационные характеристики оттаивающихгрунтов.

 

Если осадки, возникающие при оттаиваниимноголетнемёрзых грунтов  в основаниях сооружений превышаютпредельно-допустимые значения для данного сооружения, то неизбежно появятсянедопустимые деформации и разрушения фундаментов и надфундаментных строений.Мёрзлые грунты, при оттаивании (особенно сильнольдистые) часто превращаются вразжиженные массы, не способные нести нагрузку от сооружений.

Если деформации мёрзлых грунтов при оттаивании,обусловленные резким (лавинным) изменением их структурных льдоцементных связей,имеют местный провальный характер(например, при действии  локальных источниковтепла) и протекают быстро, сопровождаясь в большинстве случаев выдавливаниемоттаявших гунтов, то они называются просадками.

Если же при оттаивании многолетнемёрзлых грунтовимеют место общие деформации  уплотнения, то такие деформации называются осадками.

 Строение мёрзлых грунтов (их структура и текстура)существенно сказывается на свойствах мёрзлых грунтов при оттаивании иуплотнении. Лёд в порах грунта начинает таять при любом повышении температуры.Уменьшаются льдоцементационные связи. При температуре, равной температуреоттаивания грунтовой влаги, сцепление между частицами резко скачкообразнопадает до совершенно незначительных величин. При оттаивании мёрзлых грунтовпроисходят два противоположных процесса: уплотнение, за счёт уменьшенияпористости при отжатии оттаявшей влаги, и набухание частиц и агрегатов внабухающих глинистых и торфяных грунтах. В результате оттаивания в грунтахможет частично сохраняться посткриогенная структура: поры образованныеформированием ледяных включений полностью не смыкаются  даже при приложениивнешней нагрузки. Это обстоятельство необходимо учитывать при дальнейшемдинамическом воздействии на оттаявшие грунты- прочность уплотнённых агрегатовгрунта может снизиться, что приведёт к дополнительным осадкам. В большинствеслучаев  при оттаивании грунтов наблюдаются просадки. Это наглядно видно изрис.4.1 на котором приведена зависимость изменения коэффициента пористости грунта  (е) при оттаивании и дальнейшем уплотнении, в процессе  которых происходит резкое уменьшение коэффициента пористости.

Очень важно выяснить зависимость возможных осадокмёрзлых грунтов от их физических характеристик. Этим занималось множествоучёных, предлагавших свои расчётные формулы осадок мёрзлых грунтов приоттаивании, среди них: М.Ф.Киселёв, В.П.Ушкалов, И.Н.Вотяков,  Crory F.E.

Некоторые из формул, определяющих  зависимость осадки(S)  при оттаивании от физических свойств грунтоввозможных осадок приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Автор Формула

Киселёв М.Ф.(1952)

Crory F.E.(1973)

S=(Pdth-Pdf)h/ Pdth

Ушкалов В.П.(1962)

S=(mefK4+b)h

Вотяков И.Н.(1975)

S=K5Wtoth/(2.7Wtot+0/92)

Примечание:

Pdth–плотность скелета грунта после оттаивания под  давлением    0.2-0.5МПа; Pdf<sub/>–плотностьскелета мёрзлого грунта; ef<sub/>–коэффициент пористости мёрзлого грунта; K4  - поправочный  эмпирический коэффициент,учитывающий отклонения одельных значений  осадок от средних значений, равный0.95 для суглинков  и 1.3 для песчаных грунтов; m,b –параметры, зависящие от вида грунта  и давления; Wtot<sub/>–влажностьмёрзлого грунта; K5-эмпирическийкоэффициент, зависящий от вида грунта, влажности и уплотняющего давления. 

           

Как можно видеть из приведённых формул, осадка приоттаивании зависит от показателей плотности(плотности мёрзлого грунта rf,скелета грунта rd,частиц грунта rc),от показателей влажности (суммарная влажность мёрзлого грунта, льдистость,влажность за счёт незамёрзшей воды).С увеличением плотности осадки приоттаивании уменьшаются, а  с увеличением влажности и льдистости- увеличиваются.Прогнозные формулы определяют величину осадки при оттаивании весьмаприближённо  т.к. они не учитывают влияния структуры и текстуры грунта,фильтрационной консолидации оттаявшего массива и др. Поэтому прогноз осадокоттаивающих грунтов должен осуществляться на основе опытных определенийдеформационных характеристик оттаивающих  грунтов. Основными из них являются:

-     коэффициент оттаивания A(д.е.), равный относительнойосадке грунта при оттаивании  в условиях отсутствия внешней нагрузки;

-     коэффициент сжимаемости a  (МПа-1), равный отношению приращенияотносительной деформации (Dd) к приращению напряжения отвнешней нагрузки (Ds, МПа).                  

                                                 а=Dd/Ds.

Суммарная осадка (S) оттаивающего  грунта  с мощностью слоя, равной  h записывается:

                                         S=(A+as)h.

 

Для инженерных расчётов иногда бывает необходимознать характер протекания процесса осадки  грунта при оттаивании во времени,поскольку он не прекращается  после оттаивания.

Осадка оттаивающего грунта (St)пропорциональна  корню квадратному из величины времени.

                                                            St=aÖt

 

Эта закономерностьподтверждается опытными данными как для песчаных, так и для глинистых грунтов.

Указанныехарактеристики определяются компрессионным испытанием оттаивающих грунтов пографику, выражающему зависимость относительной осадки   оттаивания  (d) под природным давлением (sg) и придальнейшем уплотнении. (ГОСТ 12248-96) Рис.4.2

/>                                                          е

/>/>е                                              1,900

/>


/>/>/>            

/>/>   0.640                                                 1,500

/>


/>   0.620

/>                                        2

/>/>/>                                                              1.000                                       2

/>   0.600                                        1

                                                                                                  1

0.580                                                     />/>/>/>/>/>/>/>/>0.70

   0          1          2          3 p, кг/см3       0          1          2          3 p, кг/см3

                     а                                                             б

              Рис.4.1 компрессионные кривые для  песка (а)  и глины (б).

 1-мёрзлыхпри оттаивании;2- немёрзлых (при положительной температуре.

                                                                                       (Цытович,1973).

/>


      d

/>/>/>/>     di

/>/>     d1

/>/>/>/>     dg                            а=arctg a

/>   

    А

/>


          0         sg     s1          si                          s, МПа

Рис.4.2  Зависимость осадкиоттаивающих грунтов от давления. (ГОСТ 12248-96.)

Литература.

Вялов С.С. Реологическиеосновы механики мёрзлых грунтов.М.: Высш.школа,1978. 447 с.

ГОСТ 25100-95 Классификация.

ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности идеформируемости.

Ершов Э.Д., Хрусталёв Л.Н.,Дубиков Г.И, Пармузин С.Ю. Инженерная геокриология.М.: Недра,1991.439 с.

Инженерная геокриология. Подред. Э.Д.Ершова-М.: Недра,1991.,439 с.

Основы геокриологии. Под ред.Э.Д.Ершова, Ч.1., М.: Изд-во

МГУ,1995.368 с.

 

Кудрявцев В.А., ДостоваловВ.Н., РомановскийН.Н., КондратьеваК.А., Меламед В.Г  Общее мерзлотоведение.М.: Изд-во МГУ,1978.,464 с.

ЦытовичН.А. Механика мёрзлых грунтов. М.:Высш. школа,1973. 448 с.

ШушеринаЕ.П. Сопротивление мёрзлых дисперсныхпород  разрыву в области низких температур(до –60°С)-Мерзлотныеисследования,1974, вып 14, с179-189.

еще рефераты
Еще работы по остальным рефератам