Между этими характеристиками существует зависимость:
l=Соб *а ;
Доля тепла переносимого в породе излучением , обычно , не превышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносом пренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь при влагопереносе под действием гидростатических сил.
Значения всех теплофизических характеристик зависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так и гранулометрического состава и основных физических свойств: плотности и влажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого .Обычно коэффициент теплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводности грунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, по сравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзании стремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовые переходы влаги.
1.5 Массообменные характеристики.
Перемещение влаги и пара в дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода, вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамических параметров. В случае нарушения равновесных условий в грунтовой системе влага может находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение в виде молярного переноса пара, объёмно протекать по капиллярам, подчиняясь капиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождая комбинированный перенос влаги.
Влагоперенос зависит от гранулометрического состава породы. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, но уменьшается поток её миграции.
Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.
В равновесном состоянии каждому значению отрицательной температуры образца мёрзлой породы соответствует строго определённое содержание незамёрзшей воды, поэтому возникновение и поддержание в мёрзлой породе градиента температуры приводят к возникновению градиента потенциала влаги по жидкой и парообразной фазам.
Характеристикой влагопереноса является коэффициент потенциалопроводности
a¢=l¢/(C¢gск )м2 /ч
l¢-коэффициент влагопроводности кг/м´ч´град;
C¢-удельная влагоёмкость грунта.
Знание коэффициента потенциалпроводности позволяет расчитывать миграцию влаги при промерзании.
1.6Механические характеристики .
Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаются для назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получения зависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками , при изменении температуры, воздействии криогенных процессов и др.
Мёрзлые грунты по агрегатному состоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды и льда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления , развивающиеся на основе теории упругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётся подход к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методов их определения.
К основным характеристикам прочностных свойств мёрзлых грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.
Различают простое и сложное напряжённые состояния в мёрзлом грунте.
Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.
Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:
Одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.
Испытания, с помощью которых оцениваются деформационные свойства: вдавливание сферического штампа;. сдвиг на срезном приборе; сдвиг на клиновидном приборе; сдвиг по поверхности смерзания; сдвиг мёрзлого грунта по поверхности модели сваи; раздавливание образца.
Глава 2.Реологические аспекты механики мёрзлых грунтов .
По классическим теориям пластичности и упругости напряжённо-деформированное состояние тела вполне определяется величиной нагрузки и способом её приложения; если эта нагрузка не меняется ,то остаются неизменными и возникшие в теле напряжения и деформации. В реальных телах напряжённо-деформированное состояние меняется со временем и зависит от истории предшествующего загружения. Соответственно, соотношение между напряжением и деформацией не является однозначным, а изменяется, даже если одна из этих величин –напряжение или деформация –остаётся постоянной, другая будет изменяться во времени. Изучением закономерностей напряжённо-деформированного состояния занимается наука, называемая реологией.
Исследованиями Н.А.Цытовича и его сотрудников в 30-х годах, а несколько позже М.Н.Гольдштейном было обнаружено наличие у мёрзлых грунтов свойства текучести. Затем, в 50-х годах 20-го века С.С Вяловым был выполнен большой объём экспериментов в Игарской подземной лаборатории по определению деформируемости и прочности мёрзлых грунтов. Их результаты позволили выявить основные закономерности поведения мёрзлых грунтов под нагрузками: проявление ползучести, снижение прочности во времени , релаксацию напряжений. Данные исследований обобщены в монографии(Вялов,1959).В дальнейшем, под его руководством создано реологическое направление в механике мёрзлых грунтов, которое завоевало мировое признание и получило развитие в трудах отечественных и зарубежных учёных.: Ю.К.Зарецкого, С.Э.Городецкого, Н.К.Пекарской, Р.В.Максимяк, Ю.С.Миренбурга, Е.П.Шушериной, A.M.Fish, O.B.Anderslaud, D.M.Anderson, J.F.Nixon, R.Pusch, F.M.Sayles, B.Ladanyi, E.Penner и др.
На основании полученных закономерностей проявления реологических свойств мёрзлых грунтов разработаны решения, позволяющие по данным испытаний прогнозировать длительную прочность и деформации мёрзлых грунтов на основе теорий ползучести. Показана также применимость для этих целей методов временных аналогий. Их суть основана на интенсификации процесса разрушения, влияющими на него факторами(повышением температуры, увеличением нагрузки, льдистости, засолённости, заторфованности и т.д.) и на идентичности влияния времени и перечисленных факторов на прочность и ползучесть, что позволяет осуществлять прогнозы деформации и прочности на длительное время.(Роман,1987)
В целом реология мёрзлых грунтов рассматривает проявление ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности тел при длительном воздействии нагрузок.
Ползучесть - процесс деформирования, развивающийся во времени, даже при постоянной нагрузке. Обычно в процессе испытаний мёрзлых грунтов при всех напряжённых состояниях определяют семейство кривых ползучести. В зависимости от напряжения проявляются затухающая, либо незатухающая ползучесть. Выделяют три стадии ползучести, показанные на (рис.2.1)При инженерных изысканиях важно учитывать, что третья стадия ползучести не допускается при использовании грунтов в качестве оснований.
e
s
2
 |
s
1
 |
t
I II III
Рис.2.1 Зависимость деформации (e ) от времени (t ) с проявлением затухающей ползучести при напряжёнии(s 1 )и незатухающей ползучести при напряжении(s 2 ).Стадии незатухающей ползучести: I-неустановившаяся ползучесть; II-ползучесть с постоянной скоростью; III-прогрессирующее течение.
Виды кривых ползучести зависят от величины нагрузки. Для нагрузок: s1 >s2 >s3 >… >sn кривые ползучести образуют семейство кривых для определённого вида грунта(рис.2.2). Представленный на рис. 2.2а характер развития деформаций при разных нагрузках во времени является идентичным для всех способов нагружения: одноосного сжатия; растяжения; сдвига грунта по грунту или по поверхности смерзания; при сложном напряжённом состоянии.По результатам испытаний на ползучесть определяется кривая длительной прочности(рис2.2-б), с помощью которой прогнозируется время до разрушения при данной нагрузке, что очень важно для решения инженерных задач, касающихся вопросов длительной прочности и длительной деформации. Для получения кривой длительной прочности строится график зависимости напряжений от соответствующего времени перехода ползучести в третью стадию.
Способы прогноза длительной деформации мёрзлых грунтов разработаны на основе технических теорий ползучести; теории старения; упрочнения; течения; наследственной ползучести.Общий закон развития деформаций, по которому производится прогноз, имеет вид(Вялов,1978):
e t=( s /A(t, q ) 1/m (2.1)
где e t – деформация за период времени t при напряжении; s , A ( t , q ) и m –опытные параметры;q - температура грунта.
На основании уравнения (2.1) длительная прочность грунта за период времени t
определится:
s t = A ( t , q ) e t m , (2.2)
Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают деформации, развивающиеся во времени . Для прекращения развития этих деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией (расслаблением) напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установления статистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины, характеризующие состояние системы (напряжения), ассимптотически приближаются к своим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряжений является время релаксации, равное времени за которое напряжение уменьшается в e раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е. определяет подвижность материала. Например, горные породы, формирующие земную кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями , у стекла эта характеристика порядка столетий, у воздуха10-10 , у воды10-11 , у льда сотни секунд. Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое тело( например, хрупко разрушается при ударе в условия большой нагрузки).При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение-хрупкое разрушение при быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.(Вялов,1978)
e
s
1
s
2
s
3
s
4
s
5
s
i
 |
s
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
s
0
s t
s
¥
t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t
Рис.2.2 Семейство кривых ползучести (а);кривая длительной прочности (б).
s 0 - условно-мгновенная прочность;s t –длительная прочность;s ¥ -предельно-длительная прочность.
Глава 3.Влияние температуры и основных физических характеристик на проявление реологических свойств мёрзлых грунтов.
3.1 Влияние минерального и гранулометрического состава.
При прочих равных условиях длительные деформации мёрзлых пород уменьшаются , а прочность увеличивается в ряду: лёд> глина> суглинок> супесь> песок . Увеличение деформируемости грунтов с ростом дисперсности вызвано, прежде всего, увеличением содержания незамёрзшей воды, а большие деформации льда связаны с особенностями его структурной решётки, которые придают свойства идеального реологического тела.
Деформируемость и прочность крупнообломочных мёрзлых грунтов обусловлена мелкодисперсными минеральными заполнителями, либо ледяными включениями. При этом необходимо учитывать вид напряжённого состояния. Если при плотной упаковке минеральных частиц сопротивление сжатию мёрзлых крупнообломочных грунтов может превышать прочность мелкодисперсных грунтов за счёт жёсткости скелета, то сопротивление растяжению, либо сдвигу может быть весьма незначительным в связи с низкими цементационными связями между отдельными обломками.
3.2 Влияние льдистости.
В целом, мёрзлые грунты обладают более высокой прочностью (в несколько раз, порой даже в несколько десятков) по сравнению с талыми .Это обусловлено цементацией льдом частиц грунта, превращение его по агрегатному состоянию в твёрдое тело.
В зависимости от интенсивности промораживания (величины температурного градиента) и граничных условий(одностороннего промораживания или промораживания с нескольких сторон), наличия подтока воды и задержек в продвижении границы промораживания, в процессе промерзания грунтов формируется своеобразная криогенная текстура, существенно определяющая и свойства (рис 3.1)
Рис 3.1 Основные виды криогенной текстуры в мёрзлых грунтах.
(Цытович,1973)
а- слитная(массивная); б-слоистая; в-ячеистая.
Увлажнение дисперсных грунтов до влажности соответствующей примерно 0.8-0.9 от полной влагоёмкости увеличивает их прочность при промерзании. Это обусловлено возрастанием количества цементационных связей льда с частицами грунта, вместе с тем формируется монолитная криогенная текстура. Однако, показано, что прочность льдистых грунтов зависит не только от общей льдистости, но и от количества и толщины ледяных шлиров, а также влажности грунтовых прослоев, а поскольку дальнейшее увлажнение приводит к распучиванию, образованию ледяных прослоек и включений, то увеличение льдистости за счёт включений приводит к уменьшению прочности. В свою очередь, расположение прослоев льда имеет влияние на предельно длительную прочность. Противоречивые результаты получались у разных авторов при исследовании зависимости площади контакта минеральных частиц грунта и льда: в одних случаях большая площадь, достигаемая большим количеством ледяных прослоев, обусловливала большую прочность, в сравнении с образцами грунта имеющими меньшее количество ледяных прослоев большей величины, при одинаковой льдистости. Тем не менее незатухающая ползучесть льда вне зависимости от расположения шлиров и их размеров приводит к длительным деформациям, протекающим в процессе всего срока эксплуатации мёрзлого грунта.
Однако, характер влияния влажности-льдистости на прочность грунта тесно связан с дисперсностью грунта, его минеральным составом, температурой.
3.3 Влияние засолённости.
Присутствие легкорастворимых солей в грунтовой влаге существенно влияет на механические свойства грунтов. В засолённом грунте наблюдаются снижение прочности и увеличение деформируемости(Ю.Я.Велли1990,В.И.Аксёнов,1978 и др.). Это обусловлено, в основном, изменением состава порового раствора, что обусловливает понижение температуры его замерзания и увеличение количества незамёрзшей воды. Экспериментально установлено влияние на механические свойства мёрзлых засолённых грунтов не только количества солей, но и их химического состава.(Роман,1994;Роман,Свинтицкая,1996).
Засоление мёрзлых пород обусловлено их генезисом, специфической геохимической обстановкой, различной для эпигенетического и сингенетического способов промерзания пород. Однако , для всех 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 мёрзлых грунтах самых северных территорий- вдоль арктического побережья России и на островах. Для морского типа засоления характерно наличие хлоридов, в частности NaCl.Наименьшее значение Dsal =0.2-0.5% отмечается в песках; в супесях, суглинках и глинах засолённость колеблется от 0.4 до 2.1 %.
Континентальный тип засоления наблюдается в областях, где сочетание высоких летних температур воздуха с отрицательным балансом влаги способствовало соленакоплению в почвах и подстилающих грунтах. В солевом составе грунтов континентального типа засоления присутствуют ионы:SO4 2- Cl- , HCO3 - ,Na2+ ,Ca2+, Mg2+ .
При промерзании рыхлых отложений в первую очередь происходит образование твёрдой фазы воды -льда. Морские воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются при температурах, близких к –1.5….-2°С, а рассолы могут не замерзать при температурах –20°С и ниже., образуя криопэги. Процесс замерзания воды сопровождается сильной дифференциацией солей между твёрдой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворённых в воде, оказывается вовлечённой в лёд, часть менее растворимых в воде солей выпадают в осадок, а часть отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.
Постепенное промерзание приводит к образованию слабоминерализованных льдов, а ниже границы промерзания- высококонцентрированных вод порядка 200 г/л и более, что обеспечивает существование горизонтов воды при отрицательной температуре. Процесс засоления породы характеризуется возникновением особенностей физико-механических свойств.
Следует отметить, что степень влияния растворённых солей обусловлена не характеристикой засолённости Dsal , а концентрацией порового раствора Кпр , формирующегося в процессе промерзания.
При одной и той же засолённости концентрация порового раствора будет снижаться с увеличением влажности. А, значит, и влияние засолённости на сопротивление мёрзлых грунтов нагрузкам будет снижаться с увеличением суммарной влажности. Поскольку в природных грунтах очень часто влажность грунта близка к полной влагоёмкости, то в ряду, в котором увеличивается влагоёмкость: песок <супесь <суглинок <глина< торф наблюдается уменьшение влияния засолённости на ползучесть и прочность.
В засолённых грунтах отмечаются все три стадии ползучести. Однако, стадии незатухающей ползучести и прогрессирующего течения наступают при меньших напряжениях.
3.4 Влияние заторфованности.
Наличие биогенных остатков в мёрзлых грунтах влияет на течение деформаций во время нагружения. В целом, анализ результатов исследований показывает, что для торфа, минеральных заторфованных грунтов при заторфованности более 30% и влажности, близкой к полной влагоёмкости, деформации носят вязкий характер с преобладанием стадии установившегося течения. Причём, если напряжение не превышает предела длительной ползучести, то стадия установившегося вязкого течения длится неограниченно долго. При увеличении нагрузки больше предела длительной ползучести установившаяся стадия переходит в стадию прогрессирующего течения с возрастающей скоростью. Характер деформирования слабозаторфоованных грунтов сходен с характером деформирования мёрзлых незаторфованных минеральных грунтов с выраженными стадиями ползучести. При напряжении меньшем предела длительной прочности для них отмечается затухающая ползучесть, а при напряжении, превышающем указанный предел –незатухающая.
Важно отметить, что для мёрзлых торфяных грунтов , как и для льда отмечены более высокие значения условно мгновенной прочности по сравнению таковой для минеральных грунтов. Длительная же прочность уменьшается быстрее и ее предельно-длительное значение меньше.
Очень важно учитывать степень разложения торфа .Менее разложившийся торф более гидрофильный, поэтому удерживает большое количество внутриклеточной влаги, основной объём которой находится в свободном рыхлосвязанном состоянии. С увеличением степени разложения повышается гидрофобность, но и вместе с тем увеличивается площадь удельной поверхности частиц. Количество связанной и, соответственно, незамёрзшей воды увеличивается, что приводит к снижению прочности.
3.5 Влияние температуры.
При использовании многолетнемёрзлых грунтов в качестве оснований или среды для сооружений инженер встречается с совершенно своеобразным природным материалом, не похожим по своим свойствам на другие материалы, настолько чувствительным к внешним воздействиям, что даже незначительное изменение их величины, характера и времени действия сказывается на его механических свойствах. Одним из основных факторов обуславливающих нестабильность механических свойств промерзающих и протаивающих мёрзлых грунтов является температура. Распределение температуры по глубине показано на рис.3 введения.
Влияние температуры на физико-механические свойства мёрзлых грунтов зависит от диапазона её изменения, который обусловливает интенсивность фазовых превращений, происходящих при данной температуре.Согласно принципу динамического равновесия(Цытович,1973),в мёрзлых грунтах всегда содержится определённое количество незамёрзшей воды,зависящее от внешних факторов.
Влажность за счёт незамёрзшей воды зависит от значения температуры и вида грунта.(Рис.3.2)
 |
Wн %
30
 |
20
5
29-04-2015, 00:28