Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

Влияние внешнего давления на свойства мерзлых грунтов про­ является различно: во-первых, с увеличением давления в мерзлых грунтах увеличивается содержание незамерзшей воды и, во-вторых, значительно возрастают местные давления в точках контакта мине­ ральных частиц.

Так, согласно опытам автора*, глинистый грунт при темпера­ туре —1,7° С содержал 42% незамерзшей воды, а будучи подверг­ нут внешнему давлению в 2 кГ/см2 при той же температуре он со­ держал 58% незамерзшей воды. Такое значительное изменение со­ держания незамерзшей воды сказалось как на уменьшении пре­ дельной прочности, так и на уменьшении модуля деформируемости

в;с

-16-

-1 2 -

-8 ■

-4 ■

О-

Рис. 75. Изменение давлений в мерзлом грунте в процес­ се его промерзания и охлаждения:

1 и 2 — давление на глубине 0,4 и 1 м\ 3 и 4 — температура на глубине 0,5 и 1 м

мерзлого грунта. Например, опытами автора получено, что модуль нормальной упругости Е супесчаного вечномерзлого грунта нена­ рушенной структуры, содержащего 8% глины, при влажности Н% = = 40% и температуре 0= —4°С, при давлении в 1 кГ/см2 был ра­ вен £i = 100* 103 кГ/см2, при давлении в 2 кГ/см2 £ 2 = 60 • 103 кГ/см2 и при давлении в 3 кГ/см2 £ 3 = 47 • 103 кГ/см2.

Влияние внешнего давления на содержание незамерзшей воды в очень плотных грунтах, а следовательно, и на их деформируе­ мость меньше, чем в грунтах неплотных, что объясняется большей связанностью поровой воды в плотных грунтах.

Причина влияния внешнего давления на механические свойства мерзлых грунтов, как указывалось ранее, заключается в трансфор­ мации внешнего давления в точках и областях контакта минераль­ ных частиц в огромные местные напряжения, обусловливающие таяние льда, его течение и перемещение воды в менее напряжен­ ные области.

Кроме того, в прослойках льда под действием напряженного по­ ля наблюдаются перекристаллизация льда, уменьшение крупности кристаллов льда и изменение их ориентировки в соответствии с на­ правлением действующих напряжений. Эти изменения происходят, как показывают специально поставленные опыты, достаточно мед­ ленно.

Таким образом, под влиянием напряжений изменяется количе­ ство незамерзшей воды в мерзлых грунтах, а следовательно, и сцемсптированность их льдом.

Время действия нагрузки является одним из первостепенных факторов, влияющих на нестабильность механических свойств мерз­ лых грунтов.

При мгновенном приложении нагрузки и неизменной темпера­ туре механические свойства мерзлых грунтов меняются незначи­ тельно, так как процесс таяния порового льда в точках контакта под нагрузкой и последующее замерзание воды в менее напряжен­ ных точках происходят не мгновенно, а требуют некоторого време­ ни для своего развития.

При длительном же действии внешней нагрузки, как было по­ казано в предыдущей главе, возникает релаксация (расслабление) напряжений и при определенных условиях — затухающая и незату­ хающая ползучесть. Эти процессы, конечно, изменяют и свойства мерзлых грунтов, так как происходит постепенное нарушение кон­ тактных связей, формирование микро- и макротрещин, их разви­ тие, переориентировка частиц с перекристаллизацией льда, а таюже некоторая более компактная упаковка минеральных частиц (уменьшение пористости грунта), причем, чем больше время дейст­ вия нагрузки, тем влияние ее на свойства мерзлых грунтов будет большее. Однако перестройка структуры мерзлых грунтов (приспо­ собление ее к направлению действующих усилий) не будет проис­ ходить неопределенно долгое время, так как и релаксация напря­ жений и ползучесть при давлениях, меньших определенного пре­ дела для данного состояния грунта, имеют затухающий характер, а при пластично-вязком течении (установившейся ползучести) воз­ никает некоторое равновесие между нарушениями структуры и ее упрочнениями.

Нестабильность механических свойств мерзлых грунтов и чув­ ствительность их к внешним воздействиям обусловливают неодно­ родность мерзлых и оттаивающих грунтов по глубине, что наряду с нелинейностью для них зависимости между деформациями и на­ пряжениями и свойством ползучести обусловливает сложность рас­ четов мерзлых грунтов как оснований и среды для сооружений. Од­ нако в некоторых случаях учет отмеченных зависимостей позволяет более экономично рассчитывать фундаменты сооружений, возводи­ мых на вечномерзлых и оттаивающих грунтах, и с достаточной точ­ ностью прогнозировать поведение вечномерзлых и оттаивающих грунтов в природных условиях и в основаниях сооружений.

Учет нелинейной ползучести и переменности модуля деформа­ ции мерзлых грунтов по глубине ниже подошвы фундаментов (его

1929 гг. и опубликованы в 1930* г. Дальнейшее развитие экспери­ ментальных исследований прочностных свойств мерзлых грунтоа получило как в последующих работах автора, так и в цитирован­ ных ранее работах М. Н. Гольдштейна, С. С. Вялова, Е. П. Шушериной, Н. К. Пекарской, С. Е. Гречищева, С. Э. Городецкого,.

Ю.К. Зарецкого и др.

Вработе автора (1930 г.) была показана зависимость сопротив­ ления сжатию мерзлых грунтов от их состава, величины отрица­ тельной температуры, влажности и структуры (по результатам ис­

пытания искусственно изготовленных образцов мерзлых грунтов и образцов вечномерзлых грунтов ненарушенной структуры). Полу­ ченные первоначально зависимости сопротивления сжатию от ряда факторов в дальнейшем были уточнены.

Особо важное значение для оценки сопротивления мерзлых

приравниваемая к величине так называемого временного сопротив­ ления (или, по предложению Е. П. Шушериной, кратковременного сопротивления, что точнее) и 2) предельно-длительная прочность,

т. е. сопротивление, при котором деформации всегда имеют зату­ хающий характер и не переходят еще в пластично-вязкое течение, заканчивающееся прогрессивным разрушением грунта.

Отметим, что величина временного сопротивления мерзлых грун­

тов сжатию сгв£ , определяемая при стандартной скорости воз­ растания нагрузки (в 15—20 кГ/см2 в 1 мин), может лишь прибли­ женно (или условно) приниматься за мгновенное сопротивление. Кроме того, исследования последних лет (Н. К. Пекарской, испы­ тывавшей мерзлые грунты при скорости возрастания нагрузки от 1 до 900 кГ/см2 в 1 мин) указали на условность временного сопро­ тивления сжатию, так как мерзлые грунты различного состава (пески, глины) деформируются при разрушении по-разному (хруп­ ко или пластически), причем при пластическом деформировании разрушающую нагрузку установить точно не удается **, и для таких грунтов определяют предел механической текучести по излому гра­ фика In а — In Я, где о — сопротивление сжатию; Л — продольная деформация (рис. 76). Опыты также показали, что предел механи­

ческой текучести <т£ж не является величиной постоянной, а зависит от скорости приложения нагрузки, возрастая с ее увеличением (рис. 77). По графику рис. 77 можно установить и предельно-дли­ тельное сопротивление сжатию мерзлых грунтов (экстраполируя кривые o= f(v) до пересечения с осью а).

Однако, как было показано в предыдущей главе, предел дли­

тельной прочности при сжатии о™ может быть установлен зна­ чительно проще путем непосредственного испытания образцов мерз-

* Н. А. Ц ы т о в и ч . Вечная мерзлота как основание сооружений. Материа­ лы КЕПС. № 80. Сб. «Вечная мерзлота». Изд-во АН СССР, 1930.

** Н. К. П е к а р с к а я . К вопросу о временном сопротивлении мерзлых грунтов одноосному сжатию и растяжению. «Материалы VIII Всесоюзного сове­ щания по геокриологии», вып. 5, 1966.

давления, при котором еще не возникает прогрессирующего тече­ ния, может быть определено и не дожидаясь полного затухания де­ формаций образца мерзлого грунта при различных ступенях на­ грузки, если известен параметр Т гиперболического ядра ползуче­ сти (уравнение III — 6").

§ 5), будем иметь два уравнения с двумя неизвестными (Т0 и апр), решая их совместно, определим искомое значение апр.

Приведем теперь некоторые численные значения временного со­

противления мерзлых грунтов сжатию Звр и рассмотрим зависи­ мость его от величины отрицательной температуры —0°С и суммар­ ной влажности мерзлого грунта WCt сопоставив их с величинами предельно-длительного сопротивления мерзлых грунтов сжатию.

В табл. 14 приведены некоторые данные о величине временного

ко. Для иллюстрации сказанного, как пример на рис. 78, приведе­

ны кривые ов* = /( —0°) для трех мерзлых грунтов:/ — песка; 2 — супеси и 3 — глины. Подобные же кривые получены были ранее как автором, так позднее и другими исследователями.

Как показал анализ приведенных и подобных им кривых, они

где а, b и п — параметры; 0 — абсолютное значение отрицательной температуры.

Е. П. Шушериной и С. С. Вялова **, связанные с оценкой прочности мерзлых грунтов при проходке шахт методом искусственного про­ мораживания грунтов, показывают, что с достаточной для практи­ ческих целей точностью для природно уплотненных грунтов (супе­ си и глины) можно принимать л«1, т. е. линейную связь между сопротивлением сжатию и величиной отрицательной температуры —0°С, причем параметры а и b переменные и зависят от времени действия нагрузки, уменьшаясь с его увеличением.

Отметим, что наибольшая интенсивность возрастания сопротив­ ления сжатию мерзлых грунтов с понижением отрицательной тем­ пературы наблюдается в области значительных фазовых переходов воды (для песков примерно от 0 до —Г С; для глин от —0,5 до 5°С), когда наиболее интенсивно происходит замерзание*поровой воды; но возрастание сопротивления сжатию происходит и при бо­ лее низких температурах, что нельзя уже объяснить только увели­ чением льдистости грунтов, причем интенсивность возрастания со­ противлений меняется по более сложному закону.

Последнее, как показано Е. П. Шушериной и Ю. П. Бобко­ вым ***, зависит от того, что при общем увеличении прочности льда интенсивность роста его прочности с понижением температуры до —20° уменьшается, а при дальнейшем понижении возрастает, что можно объяснить различным действием эффекта уменьшения трансляционного движения атомов водорода в структурной решет­ ке льда (с одновременным уменьшением размеров самой структур­

держание льда и незамерзшей воды) существенно влияет на сопро­ тивление мерзлых грунтов сжатию. Ограничимся здесь приведени­

ности замороженных грунтов при одноосном сжатии. МГУ. Сб. «Мерзлотные ис­ следования», вып. III. Изд-во МГУ, 1963.

*** Е. П. Ш у ш е р и н а , Ю. П. Б о б к о в . Зависимость прочности мерз­ лых грунтов и льда от температуры. «Труды V Всесоюзного совещания по строи­ тельству», т. VI, Красноярск, 1968.

нейшем увеличении влажности приближается постепенно к сопро­ тивлению сжатию чистого льда (точка Е на кривой рис. 80).

Предельно-длительное сопротивление мерзлых грунтов сжатию имеет особо важное значение для оценки прочности мерзлых грун­ тов в основаниях сооружений, возводимых на вечномерзлых грун­ тах. Как показывают соответствующие опыты, оно в несколько (иногда в 5— 10) раз меньше временного сопротивления сжатию,

а тем более мгновенного их сопротивления Ом™.

Так, по тщательно поставленным опытам С. Е. Гречищева* в подземной лаборатории со строгим соблюдением отрицательной температуры (0= —3°С) и выдерживания ступенчатых нагрузок

Зависимость длительного сопротивления сжатию а'* от вели­

чины отрицательной температуры —0, как показали исследования Института мерзлотоведения Сиб. отд. АН СССР **, хорошо описы­ вается уравнением (IV.2), при этом значения параметров адл, Ьдл могут приниматься по данным табл. 15, а параметр п= 1/2.

Отметим, что опыты по определению сопротивления сжатию

мерзлых грунтов при длительном действии нагрузки показали, что чем больше ступень «нагрузки, тем медленнее происходит затухание деформации: например, при ас,к=2,5 кГ/см2 затухание деформаций •суглинка наблюдалось через 3 суток, а при сгс,к= 5 кГ/см2 только на 10-е сутки.

ний на мерзлых грунтах в Якутии. Сиб. отд. АН СССР. Изд-во «Наука», 1968.