Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

  e                    

                                                                    s2

                                                                         s1

                                                                         t

            I                    II                                    III                 

             Рис.2.1 Зависимость  деформации (e) от времени (t) с проявлением затухающей ползучести при напряжёнии(s1)и незатухающей ползучести при напряжении(s2).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):

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

  где     et – 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:

                            st= A(t, q)et 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                             

                           s1            s2            s3      s4                               

                                                                                      s5   

                                                                                              si   

                  s      t1           t2            t3      t4     t5                         t

                  s0

                                                                                st                                                                       

                 s¥  

                           t1           t2            t3      t4     t5                          t

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

      s0- условно-мгновенная прочность;st–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:SO42-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

        10

                                                                             4

                                                                             3

                                                                             2

                             1

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

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

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

    Выделяют три области интенсивных фазовых превращений:

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

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

3)Область практически замёрзшего состояния, где фазовые переходы  превращения воды в лёд на 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 незамёрзшей воды и количественное содержание льда. Например, при понижении температуры от –1 до –2°С предельно-длительная прочность песка при простом сжатии увеличивается  на 15%, тогда как для мёрзлой  глины эта величина увеличивается  примерно на 50%, поскольку содержание незамёрзшей воды уменьшилось в песке на 0.1%, тогда как у глины на 5%.(Основы геокриологии, п\р Э.Д.Ершова,1995)

При понижении температуры мёрзлых пород их прочность повышается, а скорость ползучести снижается, уменьшается вязкость, в большей степени проявляется хрупкое разрушение. Указанное влияние обусловлено тремя основными процессами, протекающими в мёрзлых породах: уменьшением количества незамёрзшей влаги и увеличением содержания льда цемента; упрочнением кристаллической решётки льда и всех твёрдых компонентов; структурным уплотнением, вызванным температурным сокращением компонентов мёрзлого грунта. Однако, увеличение  прочности мёрзлых пород происходит до температур, близких  к -70°С. При температурах ниже –60  -70 С установлено снижение прочности мёрзлых грунтов  за счёт того, что напряжения от температурных сокращений всех компонентов грунта становятся выше прочности обусловленной цементацией льдом частиц грунта. При этом наблюдается развитие трещин, разуплотнение грунтов (Шушерина,1974)

Глава 4.Деформационные характеристики оттаивающих грунтов.

Если осадки, возникающие при оттаивании многолетнемёрзых грунтов  в основаниях сооружений превышают предельно-допустимые значения для данного сооружения, то неизбежно появятся недопустимые деформации и разрушения фундаментов и надфундаментных строений. Мёрзлые грунты, при оттаивании (особенно сильнольдистые) часто превращаются в разжиженные 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 источников тепла) и протекают быстро, сопровождаясь в большинстве случаев выдавливанием оттаявших гунтов, то они называются просадками.

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

 Строение мёрзлых грунтов (их структура и текстура) существенно сказывается на свойствах мёрзлых грунтов при оттаивании и уплотнении. Лёд в порах грунта начинает таять при любом повышении температуры. Уменьшаются льдоцементационные связи. При температуре, равной температуре оттаивания грунтовой влаги, сцепление между частицами резко скачкообразно падает до совершенно незначительных величин. При оттаивании мёрзлых грунтов происходят два противоположных процесса: уплотнение, за счёт уменьшения пористости при отжатии оттаявшей влаги, и набухание частиц и агрегатов в набухающих глинистых и торфяных грунтах. В результате оттаивания в грунтах может частично сохраняться посткриогенная структура: поры образованные формированием ледяных включений полностью не смыкаются  даже при приложении внешней нагрузки. Это обстоятельство необходимо учитывать при дальнейшем динамическом воздействии на оттаявшие грунты- прочность уплотнённых агрегатов грунта может снизиться, что приведёт к дополнительным осадкам. В большинстве случаев  при оттаивании грунтов наблюдаются просадки. Это наглядно видно из рис.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 осадок мёрзлых грунтов от их физических характеристик. Этим занималось множество учёных, предлагавших свои расчётные формулы осадок мёрзлых грунтов при оттаивании, 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 грунтов возможных 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)