Реферат: Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

Физико-механическиесвойства мёрзлых грунтов.

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

Кудашов Владимир(1 курс 2001-2002)

Введение.

Площадь распространения многолетнемёрзлых пород составляет до 25% всей суши земного шара и более65% площади Российской Федерации. Сплошное распространение многолетнемёрзлыхпород наблюдается в Антарктиде и на прилегающих к ней островах, вГренландии, а также на высокогорных участках в Южной Америке и в Африке. На территории России многолетнемёрзлыепороды распространены на побережье европейской части и занимают значительнуютерриторию на Северо-Востоке страны. Австралия является единственнымконтинентом, где не наблюдается распространения многолетнемёрзлых толщ.Распространениемёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовымтемпературам, характеру распространения и мощности на многлетнемёрзлыхпород выделяются пять зон. Географическая граница распространения мёрзлых пород на территорииРоссии указана на карте (рис1). Непрерывность мёрзлых толщ по простиранию наблюдается только в самых северных районах. Но и там подкрупными водоёмами и в местах усиленнойциркуляции подземных вод можно встретить участки со сквозным протаиванием.Такие участки называются «таликами», при этом различают «сквозные талики» и«несквозные», или «ложные» талики. Количество и площадь таликов возрастают внаправлении от северных областей распространения мёрзлых пород к их «южнойгранице», 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 высокогорныхучастков мёрзлых пород в субтропическихи тропических зонах. Кратковременное промерзание почвы связано с ночнымизаморозками; сезонное промерзание пород вызывается наличием среднесуточныхотрицательных температур почвы зимой всвязи с сезонными колебаниями климата, а причиной существованиямноголетнемёрзлых пород является продолжительное существование отрицательных среднегодовых температур породвследствие многолетних колебаний теплообмена на поверхности Земли, периодически создающих отрицательные температуры в верхнемслое литосферы. По глубине мёрзлые породы могутраспространяться неоднородно (рис.2).

<img src="/cache/referats/14109/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1128">Ю 1 С

<img src="/cache/referats/14109/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1146"><img src="/cache/referats/14109/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1131"><img src="/cache/referats/14109/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1129"><img src="/cache/referats/14109/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1127"><img src="/cache/referats/14109/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1125"><img src="/cache/referats/14109/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1124"><img src="/cache/referats/14109/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1123"><img src="/cache/referats/14109/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1122"><img src="/cache/referats/14109/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1121"><img src="/cache/referats/14109/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1120"><img src="/cache/referats/14109/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1119"><img src="/cache/referats/14109/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1117"><img src="/cache/referats/14109/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1115"> 2

<img src="/cache/referats/14109/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1148"> 3 2

<img src="/cache/referats/14109/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1150"> 4

<img src="/cache/referats/14109/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1140"> 5

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

1-слой сезонного промерзания (протаивания);2-современные сливающиеся; 3-современные несливающиеся толщи;4-древниесливающиеся и несливающиеся толщи.

В частности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлыетолщи представляют собой обычно непрерывные по вертикали слои, верхняяповерхность которых совпадает сдневной поверхностью, а нижняяповерхность находится на некоторой небольшой(отсантиметров до единиц метров) глубине.

Залегание многолетнемёрзлых толщ более сложно. Ихверхняя поверхность залегает на различных глубинах ниже дневнойповерхности вследствие процессовсезонного или многолетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются«сливающимися», если их верхняяповерхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания; если же ихверхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя сезонного протаивания или промерзания, они называются«несливающимися».Наблюдаются также залегания двух и более слоёвмноголетнемёрзлых пород друг над другом, разделённых талыми прослоями ихназывают «многослойными или слоистыми».Такие глубоко залегающие несливающиесядревние мёрзлые толщи могут встречаться значительно южнее южной границыраспространения современных или сравнительно молодых мёрзлых толщ.

Зона сплошной мерзлоты характеризуется мощностями мёрзлых толщ от 500 и более до 300 м и самыми низкимитемпературами от-10°

Си ниже. Островная мерзлота характеризуется малыми мощностями вечномёрзлых пород от нескольких десятков метров до нескольких метров и температурами, близкими к 0°С. распределение температур многолетнемёрзлыхгрунов по глубине показано на рис.3.

<img src="/cache/referats/14109/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1113"><img src="/cache/referats/14109/image015.gif" v:shapes="_x0000_s1107"><img src="/cache/referats/14109/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1103"><img src="/cache/referats/14109/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1086"> 1 q

0 qп

<img src="/cache/referats/14109/image018.gif" v:shapes="_x0000_s1075"><img src="/cache/referats/14109/image019.gif" v:shapes="_x0000_s1074"> — q

°С 0 +q°С

<img src="/cache/referats/14109/image027.gif" v:shapes="_x0000_s1104"> hот

<img src="/cache/referats/14109/image028.gif" v:shapes="_x0000_s1106"><img src="/cache/referats/14109/image029.gif" v:shapes="_x0000_s1071"> h0 2

h, м

Рис.3Распределение температуры грунтов (q

) в криолитозоне по глубине(h).

1-поверхностьгрунта;2-огибающие температуры;q

п — температура на поверхности;q0–температура на уровненулевых годовых амплитуд(среднегодовая температура грунта);hот–глубина сезонногооттаивания;h0–глубина уровня нулевыхамплитуд.

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, как процесс их накоплениязавершился и они претерпелидиагенетические изменения, превратясь из осадка в породу.

Вкриолитозоне наблюдается ряд геокриологических процессов.

Термокарст-представляетсобой образование просадочных и провальных форм рельефа вследствие вытаивания подземных льдов или оттаивания мёрзлого грунта. Механизм процессазаключается в уплотнении оттаявшихсильнольдистых пород или пород, содержащих мономинеральные залежильда. Причиной возникновения термокарстаявляется такое изменение теплообмена наповерхности почвы, при котором глубинасезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного люда илисильнольдистого многолетнемёрзлого грунта, либо происходит смена знака среднегодовой температуры иначинается оттаивание мёрзлых толщ.Приразвитии термокарста по повторно-жильным льдам образуются положителные формырельефа: байджерахи и бугристые полигоны.

Морозобойноерастрескивание.Механизм процесса заключается в том, чтопри охлаждении в соот ветствии с распределением температур по глубине в мёрзлыхпородах возникают сжимающие и растягивающие напряжения, накопление которыхприводит к разрыву пород и образованию трещин.

Морозное пучение-дисперсных пород это поднятиеповерхности земли, обусловленное увеличением объёма замёрзшей влаги и льдообразованием(вследствие миграции воды)при промерзании. В услових развития отложений, содержащих как мелкозём, так икрупнообломочные грунты, происходит выпучивание крупнообломочного материала иобразование на поверхности каменных полей (курумов), или сортировкагрунтов с образованием каменных полигонов или полос на склонах.

Для прогноза возможностивозникновения геокриологических процессов, периода их протекания, а также дляоценки мёрзлых грунтов, как оснований сооружений необходимо знание физических,механических и тепло- массообменныххарактеристик, основные из которых рассматриваются в настоящей работе.

<img src="/cache/referats/14109/image031.jpg" v:shapes="_x0000_s1151">
Рис.1 Картараспространения многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева,1976).

1-Зонаредкоостровного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовымитемпературами(tср) от +3 до –1С и мощностью мёрзлой толщи(М) от 0до 100 м;2-5 зона сплошного распространения ММП: 2- tсрот –1 до –3, М от 50 до 300м; 3- tср от –5 до –9 Ю, М от 200 до 600 м; 5- tср от ниже -9С, М от 400 до 900 м и более ;6- граница зон ММП;7 южная границакриолитозоны

Глава 1.Основные физические характеристики мёрзлых грунтов.

1.1Вводные понятия.

Термин грунт вошёл втерминологию грунтоведческих наук в 18 веке. В современном определении(Сергеев,Голодовская и др.1973) грунт-этолюбые горные 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 врезультате геологических процессов, в соответствии с которыми их подразделяютна осадочные, магматические и метаморфические.

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 погранулометрическому составу определяется как и для немёрзлых грунтов. Выделяютклассификации по Охотину, Сергееву. Кроме того, мёрзлые грунты дополнительноклассифицируют по ГОСТ 25100-95, также по: времени нахождения в мёрзломсостоянии(табл.1.1); по льдистости(табл.1.2); по засолённости(табл.1.3); позаторфованности(табл.1.4)

Таблица1.1

Классификация грунтов по времени нахождения вмёрзлом состоянии по данным 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 польдистости за счёт видимых ледяных включений.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 степенизасолённости 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 содержаниюорганического вещества.

Название

Содержание органического вещества (%) в

глинистых

песках

Сильнозаторфованные

50-40

Среднезаторфованные

40-25

Слабозаторфованные

25-10

С примесью орг.веществ

10-3

Мёрзлые грунты в зависимости отих температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вестисебя как твёрдые или пластичные. Чемменьше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляетпластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивлениядеформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральнымичастицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температурыпрочность структурных связей возрастает. При длительном времени действиянагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойствльда. Разработана классификация мёрзлых грунтов по температурно-прочностнымсвойствам.(табл.1.5)Таблица1.5Классификация потемпературно-прочностным свойствам

Вид грунтов

Разновидность грунтов

Твёрдомёрзлый

d

p£0.1 кПа-1

приt<Th°

Пластичномёрзлый d

p>0.1 кПа-1

при t, °

Сыпучемёрзлый при t<0°

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-температурная границатвёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;

Tbf — то же для заторфованныхгрунтов.

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 многокомпонентнаясистема.

Мёрзлые и вечномёрзлыегрунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различныхпо своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии,поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случаеотсутствия в данном объёме грунтаперераспределения во времени отдельныхфаз грунта.

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

Все перечисленные компоненты находятся вфизико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которогозависят 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.

Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской формезёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению отнагрузки, тогда как при остроугольнойформе- может достигать огромной величины. И интенсивность протеканияфизико-химических поверхностных явленийзависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать вглинистых грунтах 80 и более м2/г.

Лёд,являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдымминеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда вгрунтах могут содержаться и другиекриогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2Co3, хлористый магний MgCl2. Льдом называют все твёрдыемодификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния.Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательныхтемпературах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3, аморфную модификацию, образующуюсяпри «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительныхтемпературах. В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующийпри температурах до –100°

С и при обычныхдавлениях), он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов. Он имеет высокуюанизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов внаправлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законамреологической механики, в параллельном же направлении–напротив, после упругих деформаций наступает хрупкоеразрушение. Кроме того, электро-молекулярные связи льда значительно превосходят электро- молекулярные связисвободной воды, что и обусловливаетадсорбцию свободной воды поверхностью льда.

Льдонасыщенность и характерраспределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяютсяусловиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различныхпо величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз,пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе(лёд-цемент), определяеткриогенную текстуру.

Классификация генетических типовподземных льдов приведена в табл.1.6. Таблица 1.6

Генетические типыподземных льдов.

типы

подтипы

Конституционные льды

Пещерно- жильные льды

Жильные льды

Пещерные льды

Погребённые льды

Конжеляционные льды

Осадочно-метаморфические

В зависимости от заполнения пор льдомразличают (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.

Водав жидкой фазе в мёрзлых грунтах, по крайней мере до температуры –70°

С содержится в том или ином количестве. Водабывает в двух состояниях: прочносвязанная поверхностью минеральных частиц,когда в следствие огромных электро- молекулярных сил, вода не в состоянии перейти вгексагональную кристаллическую решётку льда, даже при очень низкихтемпературах..

Рыхлосвязанная водапеременного фазового состава, замерзающая при температурах ниже 0°

С. Понижение температурызамерзания воды происходит в следствие того, что между слоем прочносвязанной иболее «тёплой воды»существует энергетическая связь, что обусловливает болеенизкую температуру её кристаллизации.

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

1.3Характеристики 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 состава мёрзлых 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 приплотной упаковке:

r

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

3.Плотностьскелета грунта

r

d; [г/см3]