3. Физико-механические свойства мерзлых пород. Методы изучения физико-механических свойств мерзлых пород.

Мерзлые горные породы, являясь сложными природными системами, обладают постоянно изменяющимися термодинамическими параметрами (температура, плотность, теплоемкость и т.д.).

При изменении температуры пород, изменяется содержание в них незамерзшей воды. С этим связано изменение ихфизико–механических свойств.

Повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводит к изменениям их дисперсности и строения.

При изменении внешнего давления нарушается динамическое равновесие между незамерзшей водой и льдом. Избыточная влага при этом отжимается в менее напряженные места, где вновь промерзает. Эти качественные изменения являются положительными, поскольку мерзлые породы способны нести большую нагрузку как основания сооружений, но при этом они трудно поддаются механической разработке.

При оттаивании мерзлых пород, вследствие разрушения льдоцементныхсвязей породы теряют свою несущую способность. Прочность оттаявших пород оказывается ниже, чем пород, не повергшихся процессу промерзания.

Основные физико-механических свойств мерзлых горных пород мы изучали в курсе «Общее мерзлотоведение». Основные показатели этих свойств, физических, теплофизических и механических приведены в файле «ФМС мерзлых горных пород».

Физико-механическими, называют такие свойства горных пород, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и поведение под нагрузками. Соответственно выделяют свойства физические, водные и механические. Для мерзлых горных пород важнейшее значение имеют тепловые (теплофизические) свойства, характеризующие процессы переноса тепла при их промерзании и оттаивании. Обычно их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.

Как было отмечено выше, мерзлые горные породы характеризуются наличием в них льда, образование которого вызывает особенности формирования и изменения физико-механических свойств. Так с формированием льдоцементных связей в промерзающих тонкодисперсных породах повышается их прочность и устойчивость, уменьшается деформируемость и водопроницаемость, изменяются тепловые свойства. Для скальных и полускальных пород, такие изменения происходят за счет льда заполняющего их поры, пустоты и трещины. Формирование ледяных образований в массивах скальных и полускальных пород обычно вызывает незначительное изменение их свойств.

Промерзание же песчаных и глинистых пород, сопровождающееся перераспределением в них влаги, подтоком воды из вне и ее кристаллизацией приводит к значительному изменению их состава, строения и свойств.

Физико-механические свойства мерзлых пород в значительной мере зависят от значения их отрицательной температуры и резко изменяются с нарушением их теплового режима. Мерзлые горные породы обычно водонепроницаемы и всегда являются водоупорами. Поэтому изучение их водных свойств, как правило, не проводится.

Мерзлые горные породы обладают резко выраженными реологическими свойствами и обладают упруго-вязкими и вязкопластическими деформациями. Поэтому, при определении прочностных и деформационных показателей необходимо учитывать времяприложения внешних усилий (нагрузок).

Физико-механическими, называют такие свойства горных пород, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и поведение под нагрузками. Соответственно выделяют свойства физические, водные и механические. Для мерзлых горных пород важнейшее значение имеют тепловые (теплофизические) свойства, характеризующие процессы переноса тепла при их промерзании и оттаивании. Обычно их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.

Важнейшими показателями физических свойств мерзлых горных пород являются

влажность,

льдистость,

плотность породы в целом

, пористость и с

одержание незамерзшей воды.

Эти свойства определяют физическое состояние пород при данном интервале отрицательных температур. В первую очередь, физическое состояние оценивается по количественному содержанию всех видов влаги, а это позволяет, в свою очередь, косвенно оценивать их прочность, деформируемость и устойчивость

Механические свойства мерзлых горных пород определяют их поведение под воздействием внешних усилий – нагрузок. Они выражаются и оцениваются с помощью прочностных и деформационных показателей.

Механические (деформационные и прочностные) свойства мерзлых пород выражаются обычно через количественные по­казатели, которые устанавливают функциональную связь между величиной и видом механического воздействия и реакцией поро­ды на это воздействие.

К деформационным характеристикам мерлых пород относятся

- модули общей и упругой деформации,

-коэффициент Пуассона,

-показатели реологических кривых течения и кривых ползучести,

-коэффициенты вязкости и сжимаемости; к прочностным

: -кратковременные и длительные значения прочно­сти породы на сдвиг (коэффициент трения и сцепления),

-сжатие,

-растяжение и

-эквивалентное сцепление.

Модуль общей деформации имеет определенный физи­ческий смысл, непосредственно отражая сопротивление мерзлой породы развитию деформации. Он уменьшается с увеличением на­пряжения и времени действия нагрузки. Увеличение дисперсности и повышение температуры мерзлой породы также приводят к снижению модуля общей деформации. На формирова­ние модуля общей деформации мерзлых пород существенное влияние оказывают также физико-минеральный состав, влажность, степень льдонасыщения и другие факторы.

Модуль нормальной упругости (E=σ/ε) Модуль нормальной упругости увеличивается при уменьшении дисперсности мерзлых пород.

Модуль упругости льда меньше модуля упругости грунтов с жестким минеральным ске­летом (песок), но значительно превосходит модуль упругости мерз­лых глин, что связано с большим количеством незамерзшей воды в них.

коэффициент Пуассона, является второй основной характеристикой упругого материала. Значительно влияние температуры на коэффициент Пуассона для мерзлых по­род, который при повышении температуры стремится к мак­симальной величине 0,5 (как для идеально пластичных тел), а при понижении температуры — к величинам, характерным для твер­дых тел.

Вязкость представляет собой одно из основных реологических свойств мерзлых пород..

Мерзлые тонкодисперсные породы, находясь под давлением вышележащих толщ или инженерных сооружений, уплотняются в результате развития в них сложных физико-механических и физико- химических процессов. Породы обладают значительной сжимаемостью под нагрузкой.

Метод одноосного сжатия (установка) для определения прочности и деформируемости: предел прочности, линейная деформация, коэф поперечного расширения, коэф нелинейной деформации.

Метод Компрессионного сжатия определяет коэф сжимаемости пластчномёрзлых грунтов, коэф оттаивания, коэф сжимаемости при оттаивании.

Метод совмещённого определения плотности, льдистости и влажности (физ.с-ва): Прибор – сосуд со сливным устройством. Сосуд устанавливается на весы, наливается вода-выше сливного отверстия, избыток воды сливают ч/з шланг, сосуд взвешивают, определяют массу сосуда с водой – G1. В сосуд помещают образец и быстро взвешивают-G2. Грунт оттаивает, размокает. Масса грунта монолита G=G2-G1.

Структура льда характеризуется размерами, формой и ориентировкой кристаллов.