Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

Изучая текстуру льда-прослойков вечномерзлых грунтов района Игарки (по данным А. М. Пчелинцева, 1964 г.) и учитывая резуль­ таты исследований механизмов деформирования льда в ледниках (по П. А. Шумскому, 1961 г.), можно прийти к следующим выво­ дам:

а) величина кристаллов льда-прослойков вечномерзлых грунтов больше, чем сезонномерзлых грунтов в 14—25 раз, а по площади до 500 раз;

б) форма кристаллов льда неправильная, часто причудливая с ориентацией главной оптической оси кристаллов параллельно про­ слойке льда;

в) следует различать по крайней мере три основных механиз­ ма деформирования льда: 1— течение льда при медленном сдвиге

базисными плоскостями параллельно сдвигающим усилиям, причем размер кристаллов во много раз уменьшается.

Таким образом, из изложенного вытекает, что наличие в мерз­ лых грунтах льда (льда-цемента и льда-прослойков), текучесть которого наблюдается уже при очень малых напряжениях сдвига, а также содержание вязкой незамерзшей пленочной воды (другой

которых зависит также и от величины контактных сил сцепления, и связности структурных агрегатов мерзлых грунтов.

§2. Зарождение и\ развитие реологических процессов

вмерзлых грунтах

Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах ледяных включе­ ний (льда-цемента и льда-прослойков), у которых как отмечено в предыдущем параграфе, нагрузка практически любой величины

вызывает пластические течения и переориентировку кристаллов, а также наличие в мерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей во­ ды, обусловливает при любой добавочной нагрузке зарождение и

протекание реологических процессов.

Следует отметить, что прочностные и деформативные свойства мерзлых и вечно-мерзлых грунтов отличаются от свойств других твердых тел и немерзлых грунтов, в первую очередь тем, что при действии внешней нагрузки в мерзлых грунтах всегда возникают необратимые перестройки структуры, вызывающие релаксацию на­ пряжений и деформацию ползучести даже при очень небольших нагрузках, т. е. изменения прочностных и дефор!мативных свойств

ill

в) реологические кривые при одноосном сжатии как для мерз­ лой глины, так и для мерзлого песка криволинейны, причем у пес­ ка при давлениях <у>3 кГ/см2 они становятся прямолинейными.

На основании данных, приведенных на рис. 51, и других мате­ риалов, приведенных в цитируемой ранее работе, было установ­ лено, что напряжение, соответствующее началу текучести для мерзлого песка (при 0= —1,6°С), равно около 2 кГ/см2, а для мерзлой глины (при 0= —1,9° С) примерно 1 кГ1см2.

Рассмотрим кривые ползучести мерзлых грунтов и их виды в свете новейших исследований по изучению изменений структуры мерзлых грунтов под нагрузкой.

Для установления ясности при дальнейшем анализе (физичес­ ком и аналитическом) ползучести мерзлых грунтов автор считает целесообразным рассматривать два отдельных класса ползучести

грунтов, стр. 149. Изд-во АН СССР, 1937.

В лияние скорости возрастания нагрузки на сопротивления м ерзлы х грунтов внеш ним силам

§ * а ^

щую ползучесть (рис. 53).

I класс — затухающая ползучесть имеет место лишь при напря­

дию прогрессирующего течения., заканчш*^^./

Таким образом, можно рассматривать два указанных выше класса (I и II) ползучести мерзлых грунтов, тем более, что анали­

тическое их описание будет различным.

Как вытекает из предыдущего изложения, а также и других ма­ териалов по изучению физической природы мерзлых грунтов, по­ следние обладают чрезвычайной неоднородностью своего строения, обусловленного сложностью взаимодействия минеральных частиц скелета грунта, различных видов грунтового льда, незамерзшей воды, паров, газов и пр. и сложностью процесса формирования мерзлых грунтов, что создает условия, благоприятные для возник­ новения различных местных дефектов структуры. В мерзлых грун­ тах, так же, как и в других твердых телах, но в значительно боль­

шей степени, вследствие их неод­ нородности структуры имеются полости, неустойчивые контакты между частицами и их агрегата­ ми, микротрещины и другие ос­ лабленные места, которые по тео­ рии дислокации акад. Ю. Н. Работнова могут считаться местами зарождения местных необрати­ мых сдвигов и местных нарушений СПЛОШНОСТИ, которые ПОД

действием внешней нагрузки мо-

р у Т раЗВИВЭТЬСЯ И о б р а зо в ы в ать

новые дефекты.

Как показано для мерзлых грунтов, по-видимому, впервые Е. П. Шушериной *, а для немерз­ лых грунтов М. Н. Гольдштейном, А. Я- Туровской и др. ** и в последнее время исследовалось С. С. Вяловым, Н. К. Пекар­ ской и Р. В. Максимяк ***, зарождение и развитие ползучести обусловливается развитием микротрещин, разрушением агрегатов частиц и ростом других дефектов структуры мерзлого грунта под нагрузкой.

В случае затухающей ползучести мерзлых грунтов преобладает процесс закрытия микротрещин, уменьшения свободных пустот и необратимые сдвиги частиц относительно друг друга. При этом происходит также «залечивание» микро- и макротрещин вследст­ вие процесса таяния льда в точках контакта минеральных частиц

новых дефектов, что и обусловливает постоянство скорости дефор­ мирования и, практически, неизменяемость объема мерзлых грун­ тов в этой стадии ползучести.

Из компонентов мерзлых грунтов ползучесть возникает прежде всего у льда, на что требуется -минимальное напряжение сдвигу, но пластично-вязкое течение у него протекает значительно мед­ леннее, чем у минеральных прослойков, так как вязкость льда больше вязкости мерзлых грунтов.

В третьей стадии ползучести — прогрессирующей наблюдается развитие микротрещин, все ускоряющееся возникновение новых микротрещин с переходом их в макротрещины, что обусловливает

разуплотнение мерзлого грунта; кроме того, ледяные включения к этому времени успевают перекристаллизоваться и переориентиро­ ваться базисными плоскостями параллельно направлению сдви­ гов, что значительно уменьшает сопротивление сдвигу ледяных включений, а следовательно, <и всего мерзлого грунта.

Из всех стадий незатухающей ползучести мерзлых грунтов наи­ большее практическое значение имеет стадия установившейся пол­ зучести, когда мерзлый грунт вязко течет без нарушения сплош­ ности, причем, если время перехода в прогрессирующее течение превосходит время, на которое рассчитывается существование со­ оружений (что обосновывается соответствующим прогнозом), то можно допускать возведение сооружений и на мерзлых грунтах, находящихся под действием нагрузки от сооружения в стадии пла­ стично-вязкого течения.

Однако условия перехода стадии установившейся ползучести в недопустимую стадию прогрессирующего течения, заканчивающую­ ся нарушением сплошности и устойчивости мерзлых грунтов, тре­ буют специального рассмотрения.

§ 3. Реологические уравнения напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов

Реологические уравнения напряженно-деформированного сос­ тояния грунтов устанавливают связь между напряжениями, дефор­ мациями и временем. Учет фактора времени является основным отличием реологических уравнений от обычных.

Основными зависимостями, подлежащими рассмотрению в на­ стоящем параграфе, являются изменения во времени деформаций мерзлых грунтов (их течения) при различном нагружении. Реоло­ гические течения мерзлых грунтов под нагрузкой являются глав­

сжатию.

Физическая сторона вопроса, а именно зарождение й развитие реологических процессов в мерзлых грунтах, описана в предыду­ щем параграфе, развитие же других видов деформаций мерзлых

грунтов, в том числе и обусловленных изменениями соотношения отдельных фаз (компонентов) в данном объеме грунта, будет рас­ смотрено в гл. IV, посвященной общим деформациям мерзлых грунтов. Здесь же мы ограничимся рассмотрением лишь уравнений реологического состояния мерзлых грунтов.

Если нагружать мерзлый грунт отдельными ступениями и вы­ держивать нагрузку ори каждой ее ступени до полного затухания деформаций или до достижения скорости деформаций практически постоянного значения, то изменение деформаций во времени мож­ но изобразить кривой (рис. 56).

Как показывают соответствующие опыты, чем больше дейст­ вующая нагрузка, тем скорее возникает пластично-вязкое течение с установившейся скоростью деформаций, величина которой воз­ растает с увеличением нагрузки *.

Наибольшее напряжение, при котором еще не возникает неза­ тухающей деформации мерзлых грунтов (пластично-вязких тече­ ний), определяет так называемое длительное сопротивление, или длительную прочность мерзлых грунтов. Точность определения дли­ тельной прочности зависит как от величины ступеней нагрузки, так и от точности измерения деформаций.

Однако, как будет показано в следующем параграфе, в настоя­ щее время разработаны методы непосредственного, достаточно точного определения .предельно длительной прочности мерзлых

грунтов, независимо от способа измерения деформаций ползу­ чести.

Кривую деформаций при ступенчатой нагрузке можно пере­ строить в семейство кривых, откладывая величины относительных

деформаций для различных ступеней нагрузки от одного начала координат (рис. 57). Тогда, верхние кривые (1, 2 по рис. 57, а) бу­ дут описывать изменение деформаций при затухающей ползучести, остальные — при незатухающей.

Кривые рис. 57, а дают возможность построить зависимость де­ формации е от величины действующего напряжения а, как это по­

грунтов можно принимать подобными * друг другу и описывать их

Рис. 57. Реологические зависимости для мерзлых грун­

тов при ступенчатом загружении:

а — кривые ползучести (/, 2 — затухающей; 3, 4 — незатухаю­

щей); б — зависимость между напряжением о и относительной деформацией е

одним уравнением (но с параметрами различной величины), на­ пример степенным уравнением (как это обычно и принято в меха­ нике грунтов):

С. Э. Городецкого) ** ни от температуры, ни от времени действия нагрузки; A ( t ) — переменный модуль деформации (кГ/см2), изме­ няющийся '(как показывают те же опыты) в зависимости от вре­ мени t действия нагрузки и температуры — 0 по степенному закону

* С. С. В я л о в и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледогрунтовых ограждений. Изд-во АН СССР, 1962.

** Там же, гл. V, а также С. С. В я л о в , Е. П. Ш у ш е р и на. Сопротивле­ ние мерзлых грунтов трехосному сжатию. Сб. МГУ «Мерзлотные исследования», вын. IV 1964.