Физико-механические свойства многолетне мёрзлых грунтов

 

 

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  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

 

Вид 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	-------

 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 Na₂Co₃,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.

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

      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 /m сух.гр.

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

Wрас% , Wтек%

7. Число пластичности :

Jчисло пласт   = Wтек% -Wрас%:

8.Степень водонасыщения :

  Sr=W с/Wп

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

 

        К дополнителным характеристикам  относятся :

  1.Влажность за счёт незамёрзшей воды Wн(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 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 Wс 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 (м2/с)– выражает способность грунта изменят свою температуру ,под воздействием изменившегося  градиента температуры.

    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.