1400

Результаты опытов* Института мерзлотоведения Сибирского отделения АН СССР в обобщенном виде приведены в табл. 12.

Данные табл. 12 показывают, что как предел длительной проч­ ности мерзлых грунтов, так и величина их коэффициента вязкости различны для различных видов напряженного состояния мерзлых грунтов, причем (согласно опы­ там С. Ё. Гречищева) для мерзлых песков во всех случа­ ях зависимость скорости плас­ тично-вязкого течения от ве­ личины действующего напря­ жения (избытка напряжения сверх длительной прочности)

линейна (рис. 72), а для гли­ нистых грунтов нелинейна, хо­ тя при некоторой достаточно значительной величине напря-

жений кривая скоростей относительных деформаций выравнивается (рис. 73), т. е. при достаточно больших напряжениях (примерно в полтора раза больших предела длительной прочности) можно приближенно принимать коэффициент вязкости и для мерзлых глинистых грунтов величиной постоянной.

Наконец приведем экспериментальные данные, характеризую­ щие зависимость коэффициента вязкости мерзлых грунтов от их отрицательной температуры и величины действующего напряжения

* С. Е. Г р е ч и щ е в. Ползучесть мерзлых грунтов при сложном напряжен-

1т^^^9.СТ0?НИИСб. «Прочность и ползучесть мерзлых грунтов». Сиб. отд. АН СССР. Изд-во АН СССР. 1963.

лишь литературными данными о величине коэффициента вязкости, его следует непосредственно определять для данного вида грун­ та при заданной температуре и величине действующих напря­ жений.

§ 7. Некоторые общие выводы о текучести мерзлых грунтов под нагрузкой

Изложенные в предыдущих параграфах настоящей главы об­ щие методы исследования реологических процессов в мерзлых грунтах, возникающих под длительным действием постоянной на­ грузки, позволяют количественно оценить процессы текучести мер­ злых грунтов как общего характера (природные), так и местного — от действия веса сооружений.

Эти процессы могут существенно влиять на устойчивость при­ родных массивов вечномерзлых грунтов, а при определенных усло­ виях вызвать совершенно недопустимые деформации оснований со­ оружений, возводимых на них.

Как было показано ранее, пластично-вязкие течения мерзлых грунтов обусловливаются, главным образом, текучестью льда и на­ личием в мерзлых грунтах незамерзшей, связанной с минеральны­ ми частицами, пленочной воды.

Лед, как отмечалось нами ранее, даже при очень малой вели­ чине постоянно действующих напряжений течет, т. е. в нем возни­ кают неупругие пластично-вязкие деформации (течения). Конечно, для включений льда, содержащегося в мерзлых грунтах, условия возникновения пластично-вязких течений 'будут несколько иными, чем для сплошного льда (например, в глетчерах), так как в ряде случаев лед в мерзлых грунтах будет находиться в «обойме» ми­ неральных масс грунта, и развитию течений отдельных линз, про­ слойков и т. и. включений льда будут противодействовать силы трения по поверхности соприкасания льда с минеральными слоями грунта.

Однако сравнение значений величин коэффициентов вязкости мерзлых грунтов, например, приведенных в табл. 11 и 13, с величи­ ной коэффициента вязкости сплошного льда, который, по Б. П. Вейнбергу, при 0 = —0°С равен 1,2* 1013 пз*, а по К. Ф. Войтковскому (по наблюдениям за ледяными складами), при темпера­ туре 0= —ГС — около 3• 1014 пз**, дает возможность считать, как установлено нами ранее, что вязкость мерзлых грунтов (особенно, глинистых) меньше вязкости льда.

Последнее позволяет предположить, что и в массивах вечномерз­ лых грунтов, расположенных на горных склонах, возможны плас­ тично-вязкие течения, подобно ледниковым.

* См. сноску ***на стр. 84.

** К. Ф. В о й т к о в с к и й. Расчет сооружений из льда и снега. Изд-во АН СССР, 1959.

Следует все же иметь в виду и отличие течений мерзлых грун­ тов от течений льда, так как мерзлые грунты обладают пределом длительной прочности (т. е. предельным напряжением, до дости­ жения которого еще не возникает пластично-вязкого течения), тог­ да как лед длительной прочностью не обладает.

Весьма существенное влияние реологические процессы -могут иметь и на рост общей неупругой деформации оснований сооруже­ ний, возводимых на вечномерзлых грунтах при сохранении их от­ рицательной температуры (особенно, если мерзлые трунты силь­ нольдистые и высокотемпературные), даже при давлениях, не пре­ восходящих длительной прочности мерзлых грунтов.

Пр'и давлениях же больших длительной прочности, будет иметь место пластично-вязкое течение мерзлых грунтов, которое со вре­ менем приведет основание сооружений к прогрессирующему тече­ нию, т. е. к разрушению, что может быть прогнозировано, если бу­ дут известны параметры пластично-вязкого течения и величина разрушающих предельных деформаций основания. Особенно опас­ ны реологические течения при повышении температуры мерзлых грунтов до величин, близких к 0°С, когда вязкость грунтов умень­ шается значительно и появляется опасность быстрого развития прогрессирующего течения.

Местные пластично-вязкие течения льда, содержащегося в мер­ злых и вечномерзлых грунтах, возникают в местах концентрации напряжений под нагрузкой и обусловливают изменение структуры мерзлых грунтов, вызванное пластическим выдавливанием льда из более напряженных мест в места менее напряженные е частичным таянием льда под нагрузкой и последующим замерзанием образо­ вавшейся воды, как то показывают результаты лабораторных опы­ тов, и особенно, результаты специальных полевых опытов (в под­ земной лаборатории), проведенных в Игарке с длительным выдер­ живанием нагрузки, о чем упоминалось ранее.

Кроме того, как отмечалось ранее, в напряженных зонах проис­ ходит переориентация кристаллов ледяных включений и минераль­ ных частиц, обусловленная, в первую очередь, текучестью льда и наличием незамерзшей воды, в результате чего наблюдается зна­ чительное понижение сопротивляемости мерзлых грунтов действию внешних сил.

На основании изложенного приходим к следующим выводам. Изучение механических свойств и механических процессов, про­ текающих в мерзлых грунтах, должно производиться <с учетом те­ кучести их под нагрузкой: определяются ли прочностные свойства мерзлых грунтов или деформативные свойства, фактор времени всегда должен учитываться, так как он исключительно сильно вли­ яет на все показатели механических свойств и механических про­ цессов. Без учета фактора времени можно придти при исследова­ нии мерзлых грунтов к -совершенно неправильным выводам о по­

ведении мерзлых грунтов под нагрузкой.

На значение текучести (в широком смысле слова) мерзлых грунтов нами обращалось внимание еще в 1941 г., когда текучесть

мерзлых грунтов под нагрузкой рассматривалась как важный фак­ тор, который всегда необходимо учитывать при исследовании мерз­ лых грунтов, как некоторое «начало» механики мерзлых грунтов *. Последующие исследования автора (1952 г.) **, развившего эту идею и давшего описание всех видов текучести (неустановившейся, установившейся, прогрессирующей), и дальнейшие работы в этой

(1965 г.) ****** и других подтвердили первостепенное значение те­ кучести для оценки механических процессов и механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов.

Таким образом, текучесть мерзлых грунтов, всегда имеющая место в мерзлых грунтах при действии постоянной нагрузки, дей­ ствительно является одним из основных начал, без знания которого не представляется возможным исследовать механические процес­ сы и механические свойства мерзлых грунтов как при рассмотрении мерзлых и вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооруже­ ний, так (по нашему мнению) и при изучении ряда физико-геологи­ ческих явлений в различных условиях рельефа области распро­ странения вечномерзлых пород.

В дальнейшем при изложении результатов исследования меха­ нических свойств мерзлых грунтов (гл. IV) текучесть мерзлых грунтов будет учтена в полной мере. Следует, однако, отметить, ч т о в настоящее время опытных данных о количественном значении характеристик текучести мерзлых грунтов (например, величины параметров различных стадий их ползучести), особенно при темпе­ ратурах мерзлых грунтов, близких к 0°С, т. е. для условий, наибо­ лее опасных для развития нежелательных процессов, совершенно недостаточно. Последнее вызывает необходимость дальнейшего ис­ следования деформативных и прочностных свойств мерзлых грун­ тов во времени с определением их параметров при различной тем­ пературе и особенно для температур мерзлых грунтов, близких к 0° С, т. е. для высокотемпературных вечномерзлых грунтов.

* Н. А. Ц ы т о в и ч. Начала механики мерзлых грунтов. Монография. Архив Института мерзлотоведения АН СССР, 1941.

См. сноску ** на стр. 42 (гл. II, п. 5). ■** См. сноску на стр. 69.

"*** К. Ф. В о и т к о в с к и й . Расчет сооружений из льда и снега. Изд-во АН СССР, 1959.

***** См. сноску на стр. 140. ■*** См. сноску * на стр. 137.

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ИВЕЛИЧИНЫ КРИТИЧЕСКИХ И РАСЧЕТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

§1. Нестабильность механических свойств мерзлых грунтов

ипричины изменения их прочности

При использовании вечномерзлых 'грунтов в качестве оснований или среды для сооружений инженер встречается с совершенно своеобразным природным материалом, не похожим по своим свой­ ствам на другие материалы, настолько чувствительным к внешним воздействиям, что даже незначительное изменение их величины, характера и времени действия сказывается на его механических свойствах. Поэтому весьма важно знать, какие изменения механи­ ческих свойств следует учитывать при проектировании сооружений (например, их оснований и фундаментов или подземных коммуни­ каций и т. п.) на вечномерзлых грунтах и к каким следствиям ве­ дут эти изменения, т. е. весьма важно установить методику опре­ деления величины расчетных характеристик механических свойств мерзлых грунтов с учетом их нестабильности и прогнозировать из­ менения, которые могут произойти за срок эксплуатации соору­ жений *.

Необходимо заранее оценить значение для практики изменений прочности мерзлых грунтов и предельную ее величину, неоднород­ ность деформируемости мерзлой грунтовой толщи по глубине и другие показатели механических свойств, из которых основными следует считать: прочностные показатели (сопротивление сжатию, сдвигу, смерзанию) и модули деформируемости грунтов в мерзлом

иоттаявшем состоянии.

Кфакторам, обусловливающим нестабильность механических

свойств промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтов, отно­

сятся:

а) изменение температуры грунтов в естественных условиях и под влиянием возведенных сооружений;

б) изменение напряженного состояния в замерзающих, мерз­ лых и протаивающих грунтах под влиянием внутренних и внешних

воздействий; в) время действия нагрузки, обусловливающее релаксацию на­

пряжений и ползучесть мерзлых и протаивающих грунтов. Изменение температуры вечномерзлых грунтов в естественных

условиях незначительно, но распределение температур по глубине, как правило, неравномерно. Эта неравномерность обусловливает неоднородность вечномерзлых грунтов, так как хорошо известно, что чем ниже температура мерзлых грунтов, тем больше их сопро­ тивление внешним силам, а деформируемость меньше. Однако ин-

* Н. А. Ц ы т о в и ч . Нестабильность механических свойств мерзлых и от­ таивающих грунтов. «Труды I Международной конференции по мерзлотоведению»

(США), 1963.

тенсивность влияния температуры на механические свойства мерз­ лых грунтов различна и зависит от того, в какой области фазовых превращений воды она изменяется.

В области интенсивных (значительных) фазовых превращений воды (для песчаных .грунтов примерно от 0 до —0,5° С и для гли­ нистых от 0 до —5° С) факторами, определяющими прочность мерзлых и вечномерзлых грунтов, являются количественное содер­ жание льда и незамерзшей воды и зависимость их содержания от изменений отрицательной температуры.

Так, при понижении температуры от —1 до —2°С предел проч­ ности для мерзлого песка при простом сжатии изменяется с 64 до 75 кГ/см2, т. е. примерно на 15%, тогда как для мерзлой глины при том же изменении температуры — с 10 до 15 кГ/см2, т. е. на 50%, что весьма естественно, так как количество незамерзшей во­ ды у песка уменьшилось не более чем на 0,1 %, тогда как у мерзлой глины — на 5%.

Таким образом, в области значительных фазовых превращений воды доминирует фактор изменения льдистовти или содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах.

Как показывает анализ подобных данных об увеличении пре­ дельной прочности мерзлых грунтов с понижением их температуры в области незначительных фазовых превращений воды, объяснить увеличение прочности мерзлых грунтов только увеличением их льдистости (или уменьшением содержания незамерзшей воды) не представляется возможным. Здесь приобретает существенное зна­ чение одновременное влияние второго фактора — качественного из­ менения льда (увеличение его прочности при понижении отрица­ тельной температуры) *.

В области практически замерзшего состояния грунта прочно­ стные свойства данного мерзлого грунта определяются в основном прочностью цементирующего его льда и ее повышением при пони­ жении температуры.

Следует отметить, что для льда характерна очень слабая водо­ родная связь атомов, причем их подвижность резко уменьшается с понижением температуры, что и обусловливает упрочнение струк­

льда. Так, по С. С. Вялову**, скорость деформирования льда при

=Т),34 мм/ч, а перпендикулярно этой плоскости UJL= 0,01 мм/ ч. Кро­ ме того, как было показано ранее (гл. III, § 6), вязкость льда боль­ ше вязкости мерзлых грунтов, что обусловливает более медленное, чем у мерзлых грунтов, протекание реологических процессов во льду.

Чем ниже отрицательная температура мерзлых грунтов, тем больше становится и контактная сопротивляемость их сдвигу. Так, по данным Н. К. Пекарской*, при положительной температуре т„р=1 кГ/см2, а при отрицательной — при 0 = —0,8° С тлр=» =6,5 кГ/см2 и при 0= —2° С тпр = 9,0 кГ/см2.

Все изложенное обусловливает нестабильность механических свойств мерзлых грунтов при изменении их температуры.

Изменения величины отрицательной температуры существенно сказываются и на деформируемости (сжимаемости) мерзлых грунтов.

Как показывают опыты **, сжимаемость высокотемпературных мерзлых грунтов (в области интенсивных фазовых превращений воды) велика и приближается к сжимаемости плотных глин (ко­ эффициент относительной сжимаемости ао~0,005—0,03 см2/кГ), тогда как сжимаемостью грунтов в области практически замерзше­ го состояния, вследствие ее незначительной величины, в инженер­ ных расчетах -можно пренебречь.

Итак, вследствие различной в естественных условиях темпера­ туры вечномерзлых грунтов по глубине наблюдается неоднород­ ность их прочностных и деформативных свойств, что создает осо­ бые условия при расчете и проектировании оснований сооружений на вечномерзлых грунтах.

При всех видах строительства на вечномерзлых грунтах суще­ ственное значение имеют прогноз изменения температур грунта ниже подошвы фундамента и особенно повышение температуры ос­ нования до положительной.

При возведении сооружений по методу сохранения грунтов ос­ нования в мерзлом состоянии весьма важно знать, какая темпера­ тура мерзлого грунта установится после некоторого достаточно большого промежутка времени (например, через 10—15 лет), так как в конечном счете при данном составе мерзлого грунта (его льдистости) основным фактором, определяющим его прочностные свойства, будет величина отрицательной температуры. Важно так­ же знать и распределение температур в вечномерзлом грунте ниже чаши -протаивания, чтобы правильно использовать его несущую

хранении мерзлого состояния грунтов, но и при оттаивании грунтов

Стр. 117. Изд-во АН СССР, 1958.

граничные условия, так как глубина залегания малосжимаемого грунта (вечномерзлого) все время возрастает; во-вторых, в процес­ се оттаивания, а для глинистых грунтов еще долгое время после оттаивания происходит уплотнение грунта, что в первую очередь сказывается на изменении модуля деформации грунтов по глубине оттаивающего слоя.

Так, в руководимой автором лаборатории опытами с моделями оттаивающих глинистых оснований было получено, что изменение коэффициента пористости оттаявшего грунта под нагрузкой умень­ шается с глубиной по экспоненциальному закону. Это существенно сказывается на распределении давлений по глубине оттаявшего слоя и особенно на величине давлений по контактной поверхности талого и мерзлого слоев. Опыты проводились в условиях плоской задачи по схеме, показанной на рис. 74, б.

На рис. 74, а приведены кривые изменения коэффициента по­ ристости Де грунта в процессе его оттаивания, а на рис. 74, в — распределение по глубине суммы главных напряжений 0, получен­ ное на электролитическом интеграторе в неоднородном основании, модуль деформируемости которого уменьшается по глубине; при этом кривая 1 соответствует однородному полупространству в ус­ ловиях плоской задачи, кривая 2 — упругому однородному слою на несжимаемом основании, кривые 3 и 4 — неоднородному слою с модулем деформации линейно уменьшающемся по глубине, причем ДЛЯ кривой 3 £ max/£mln=2, а ДЛЯ Кривой 4 £max/£mln = 50.

Приведенные данные показывают, что в неоднородном по сжи­ маемости слое на несжимаемом основании площадь эпюры сумм главных напряжений, величине которой пропорциональна осадка уплотнения при оттаивании, может быть значительно меньше пло­ щади такой же эпюры для однородного слоя и даже для однород­ ного полупространства.

Таким образом, изменение сжимаемости по глубине весьма ска­ зывается на величине расчетных характеристик деформируемости оттаивающих грунтов.

Изменение напряженного состояния промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтов существенно влияет на их сопротивляемость внешним силам и деформируемость.

Как показывают исследования, проведенные на Игарской науч­ но-исследовательской станции АН СССР *, при промерзании грун­ тов не только в промерзающем слое возникают напряжения и из­ меняется поровое давление, но давления возрастают и в мерзлых слоях грунта.

Вподтверждение сказанному на рис. 75 приведены полученные

вИгарке графики изменения давлений в мерзлом грунте по заме­ рам механическими месдозами и графики изменения температуры грунта по глубине в точках, близких к местам закладки месдоз.

Графики показывают, что возникающие давления в общем сле­ дуют изменениям температуры грунта. Для объяснения приведен­

ных данных следует предположить, что согласно принципу дина­ мического равновесия незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах, основное влияние на напряженность силового поля оказывают про-

Рис. 74. Неравномерность уплотнения (изменения ко­ эффициента пористости Де) и распределения по глу­ бине у суммы главных напряжений 0 в оттаивающей глинистой толще (по опытам В. Д. Пономарева)

исходящие в промерзающих и мерзлых грунтах фазовые превраще­ ния воды: при изменении отрицательной температуры мерзлых грунтов изменяется не только их льдистость, но и напряженность* что, в свою очередь, влияет и на механические свойства мерзлых грунтов.