Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

.

Введение.

Площадь распространения многолетнемёрзлых пород составляет до 25% всей суши земного шара и более 65% площади Российской Федерации. Сплошное распространение многолетнемёрзлых пород наблюдается в Антарктиде и на прилегающих к ней островах, в Гренландии, а также на высокогорных участках в Южной Америке и в Африке. На территории России многолетнемёрзлые породы распространены на побережье европейской части и занимают значительную территорию на Северо-Востоке страны. Австралия является единственным континентом, где не наблюдается распространения многолетнемёрзлых толщ.

Распространение мёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовым температурам, характеру распространения и мощности на многлетнемёрзлых пород выделяются пять зон. Географическая граница распространения мёрзлых пород на территории России указана на карте (рис1).

Непрерывность мёрзлых толщ по простиранию наблюдается только в самых северных районах. Но и там под крупными водоёмами и в местах усиленной циркуляции 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 в направлении от северных областей распространения мёрзлых пород к их «южной границе», или, точнее, в направлении, перпендикулярном геоизотермам в этой области.

Географическая южная граница распространения многолетнемёрзлых пород представляет собой линию, оконтуривающию с юга область распространения мёрзлых толщ, за исключением отдельных высокогорных участков мёрзлых пород в субтропических и тропических зонах. Кратковременное промерзание почвы связано с ночными заморозками; сезонное промерзание пород вызывается наличием среднесуточных отрицательных температур почвы зимой в связи с сезонными колебаниями климата, а причиной существования многолетнемёрзлых пород является продолжительное существование отрицательных среднегодовых температур пород вследствие многолетних колебаний теплообмена на поверхности Земли, периодически создающих отрицательные температуры в верхнем слое литосферы.

По глубине мёрзлые породы могут распространяться неоднородно (рис.2).

Ю 1 С

2

3 2

4

5

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

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

В частности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлые толщи представляют собой обычно непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с дневной поверхностью, а нижняя поверхность находится на некоторой небольшой(от сантиметров до единиц метров) глубине.

Залегание многолетнемёрзлых толщ более сложно. Их верхняя поверхность залегает на различных глубинах ниже дневной поверхности вследствие процессов сезонного или многолетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются «сливающимися», если их верхняя поверхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания; если же их верхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя сезонного протаивания или промерзания ,они называются «несливающимися».Наблюдаются также залегания двух и более слоёв многолетнемёрзлых пород друг над другом, разделённых талыми прослоями их называют «многослойными или слоистыми».Такие глубоко залегающие несливающиеся древние мёрзлые толщи могут встречаться значительно южнее южной границы распространения современных или сравнительно молодых мёрзлых толщ.

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

1 q₀ q_п

- q°С 0 +q°С

h_от

h₀ 2

h, м

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

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

По характеру промерзания многолетнемёрзлые породы разделяются на два типа: 1)сингенетически промёрзшие породы, т.е. накапливающиеся и промерзающие в геологическом смысле одновременно, и

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

В криолитозоне наблюдается ряд геокриологических процессов.

Термокарст -представляет собой образование просадочных и провальных форм рельефа вследствие вытаивания подземных льдов или оттаивания мёрзлого грунта. Механизм процесса заключается в уплотнении оттаявших сильнольдистых пород или пород, содержащих мономинеральные залежи льда. Причиной возникновения термокарста является такое изменение теплообмена на поверхности почвы ,при котором глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного люда или сильнольдистого многолетнемёрзлого грунта ,либо происходит смена знака среднегодовой температуры и начинается оттаивание мёрзлых толщ.При развитии термокарста 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 с распределением температур по глубине в мёрзлых породах возникают сжимающие и растягивающие напряжения, накопление которых приводит к разрыву пород и образованию трещин.

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

Для прогноза возможности возникновения геокриологических процессов, периода их протекания, а также для оценки мёрзлых грунтов, как оснований сооружений необходимо знание физических, механических и тепло- массообменных характеристик, основные из которых рассматриваются в настоящей работе.

Рис.1 Карта распространения многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева,1976).

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

Глава 1. Основные физические характеристики мёрзлых грунтов.

1.1Вводные понятия.

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

Порода – естественный минеральный агрегат определённого состава и строения, сформировавшийся в результате геологических процессов, в соответствии с которыми их подразделяют на осадочные, магматические и метаморфические.

Мёрзлыми грунтами , породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»).Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.

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

Таблица 1.1

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

Таблица 1.2

Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.

Таблица 1.3

Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости D_sol %

(для морского типа засоления)

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

Классификация по температурно-прочностным свойствам

T_h -температурная граница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;

T_bf - то же для заторфованных грунтов.

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 Na₂ Co₃ ,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:

1. Плотность - масса грунта в единице объёма

r= m/V; [г/см³ ]

m-масса образца ненарушенной структуры;

V-объём грунта;

2.Плотность частиц грунта в единице объёма при плотной упаковке :

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

3.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 /mсух.гр.

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

Wрас% , Wтек%

7. Число пластичности :

Jчисло пласт = Wтек% -Wрас%:

8.Степень водонасыщения :

Sr=Wс/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


29-04-2015, 00:28