1400

ДЕФОРМАЦИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

§ 1. Виды деформаций мерзлых грунтов при сохранении их температуры

При действии внешней нагрузки на мерзлые грунты возникают (в случае простого или сложного их напряженного состояния) раз­ личного вида деформации как в зависимости от времени действия, так и величины и характера приложенной нагрузки. Будет ли на­ грузка приложена единовременно (мгновенно), а затем снята, или она будет циклической, будет ли иметь место постепенное увели­ чение нагрузки, когда она возрастает с течением времени по како­ му-то закону, а затем, достигнув некоторой величины, становится постоянной, или же она будет действовать постоянно — деформа­ ции мерзлых грунтов в зависимости от всех изложенных обстоя­ тельств будут весьма различны.

Все виды деформаций мерзлых грунтов для удобства рассмот­ рения можно разделить на следующие три основных класса:

I — мгновенные деформации;

II — длительные деформации;

III — деформации разрушения.

Первый (I) класс деформаций мерзлых грунтов включает в се­ бя: 1) адиабатические и 2) упругие деформации.

Во втором (II) классе деформаций следует различать: 1) де­

(вязкие) и 3) пластические течения (необратимые пластично-вяз­ кие), которые с течением времени при определенных условиях пе­ реходят в прогрессирующие течения.

Третий (III) класс делится на два вида: 1) хрупкие деформации разрушения (нарушения сплошности) и 2) чрезмерные (недопус­ тимые) пластические изменения формы (потеря устойчивости).

Все перечисленные классы и виды деформаций мерзлых и веч­ номерзлых грунтов следует рассматривать взаимно между собой связанными, однако различные виды деформаций мерзлых грунтов в отдельных задачах механики мерзлых грунтов будут иметь раз­ ное значение, на чем мы кратко и остановимся.

Из мгновенных деформаций (I класс) особое практическое зна­ чение имеют упругие деформации; адиабатические же деформации возникают в первый момент загружения без развития опасных сдвигающих напряжений и почти не имеют практического значения. Величина же упругих деформаций существенно сказывается на ра­ боте мерзлых грунтов при динамической на них нагрузке (ударах, взрывах, сейсмических колебаниях и вибрациях), и знание харак­ теристик упругих свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов совер­ шенно необходимо для прогноза поведения сооружений и их фун­

даментов при динамической нагрузке, а также при сейсмической и ультразвуковой инженерно-геологической разведке мерзлых толщ.

Деформации уплотнения мерзлых грунтов будут определяющи­ ми при расчете по предельным деформациям фундаментов, возво­ димых на высокотемпературных мерзлых грунтах при сохранении их отрицательной температуры, точно так же, как и деформации затухающей ползучести мерзлых грунтов. Без знания деформаций уплотнения и затухающей ползучести не могут быть рационально запроектированы фундаменты сооружений, возводимых на пластич­ но-мерзлых грунтах при сохранении их отрицательной температу­ ры, особенно, если температура вечномерзлых грунтов в период эксплуатации сооружений будет равна или выше границы значи­ тельных (интенсивных) фазовых переходов воды в лед.

Прогноз деформаций пластично-вязкого течения вечномерзлых грунтов и льда будет необходим при возведении сооружений с уче­ том конкретного срока их существования, например при искусствен­ ном промораживании грунтов, при устройстве в пластично-вязких глинистых мерзлых грунтах или во льду горизонтальных и наклон­ ных выработок, рассчитанных на определенный срок их существо­

вания, и т. п.

Для сооружений же, рассчитанных на значительный срок их бесперебойной эксплуатации (порядка нескольких десятков и далее сотен лет), конечно допускать пластично-вязкие течения вечномерз­ лых грунтов оснований не следует, особенно, если эти течения бу­ дут неравномерны (вследствие неоднородности грунтов или раз­ личной величины их отрицательной температуры) или значительны по величине (более допускаемых по нормам пределов).

Что касается третьего класса деформаций, приводящих мерз­ лые и вечномерзлые грунты к их разрушению (хрупкому разруше­ нию или потере устойчивости), то, как было показано в предыду­ щей главе, необходимо назначать такую величину нагрузки в осно­ ваниях сооружений, чтобы она была совершенно безопасной и составляла некоторую долю от предельной нагрузки, вызывающей прогрессирующее течение (разрушение).

§2., Упругие деформации мерзлых грунтов

иих характеристики

Упругие деформации мерзлых грунтов обусловливаются чисто обратимыми изменениями кристаллической решетки минеральных частиц и льда, упругими свойствами тонких пленок незамерзшей воды и упругими свойствами замкнутых пузырьков воздуха, со­ держащегося в том или ином количестве в мерзлых и вечномерзлых

грунтах.

Как показано автором книги еще в его работе 1940 г. *, упругие свойства мерзлых грунтов сохраняются также во всей пластической

области деформаций и особенно проявляются при циклической на­ грузке на мерзлые грунты и их разгрузке.

Исследование упругих деформаций мерзлых грунтов и опреде­ ление их характеристик проведено автором с сотрудниками (в ла­ бораторной и полевой обстановке) на огромном числе образцов мерзлых и вечномерзлых грунтов, главным образом в 1935— 1940 гг. и мало было дополнено последующими исследованиями*.

Основными показателями упругих свойств однородных мерзлых грунтов, так же как и всех других материалов, являются модуль нормальной (продольной) упругости (модуль Юнга Е кГ/см2) и ко­ эффициент поперечной упругости (коэффициент Пуассона р).

Определение модуля нормальной упругости мерзлых грунтов производилось в лабораторной обстановке (в холодильной лабора­ тории ЛИСИ) в специальном термоизоляторе (рис. 95) на образ­

рис. 63), позволяющем испытывать образцы вечномерзлых грунтов на сжатие и определять упругие свойства, а также характеристики сжимаемости грунтов в мерзлом и оттаивающем состояниях. Кроме того, образцы мерзлых грунтов (искусственно замороженные и веч­ номерзлые— ненарушенные) испытывались на кручение, по ре­ зультатам которых определялись модуль сдвига и коэффициент Пуассона, причем последний вычислялся также по данным непо­ средственных достаточно точных измерений поперечных и продоль­ ных относительных упругих деформаций мерзлых грунтов при дей­ ствии продольных сжимающих усилий.

Для исследования упругих и пластических деформаций мерзлых грунтов и установления величин, характеризующих их коэффициен­ ты, автором и при его участии было произведено около 20 000 от­ дельных измерений. Результаты обработки этих измерений и общие из них выводы кратко излагаются ниже.

Модуль нормальной упругости Е кГ/см2 определялся, при цикли­ ческой нагрузке образцов мерзлых грунтов, повторяемой до уста­ новления постоянства упругих деформаций, а при анализе рассмат­ ривались средние величины не менее чем из 5 отдельных опреде­ лений.

Опыты показали, что модуль нормальной упругости Е кГ/см2 для мерзлых грунтов в десятки и сотни раз больше модуля нор­ мальной упругости грунтов немерзлых (£«3000-^300000 кГ/см2) и величина его зависит от ряда факторов: состава мерзлых грунтов,

Лабораторные исследования механических свойств мерзлых грунтов. Сб. I и II СОПС АН СССР, 1936), но большинство материалов вследствие начавшейся Оте­ чественной войны 1941—1945 гг. осталось не опубликованным.

Рис. 95. Термоизолятор к 150-тоншэму прессу, применявшийся при опреде-

>лении модуля нормальной упругости мерзлых грунтов:

ции>0,25 мм — 93,0%, фракции 0,25—0,05 мм — 5,6%, фракции 0,05 мм— 1,4% и средней суммарной влажностью Wc= 17^-19%); мерзлым пылеватым грунтом (содержание фракции >0,05 мм — 35,6%; <0,005 мм — 9,2% и Wc= 26-1-29%) и мерзлой глиной (со­ держание фракции <0,005 мм более 50% и Wc= 46—56%), а так­ же с образцами вечномерзлых дисперсных грунтов ненарушенной структуры.

Наибольшей величиной модуля нормальной упругости обладает мерзлый песок (в опытах величина модуля нормальной упругости получена от 8200 кГ/см2 при температуре 0 = — 0,2° С до 225 000 кГ/см2, при 0= — 10,2° С, наименьшей — мерзлые глины (от 6800 кГ/см2 при 0= —1,2°С, до

цательной температуры —0° на значения модуля нормальной упру­ гости мерзлых грунтов Е, заключаем, что в самом общем случае зависимость £ = f( —0) криволинейна (см. рис. 96) и может быть аппроксимирована, как предлагалось ранее*, при значительной отрицательной температуре (порядка —10, —30°С) полным много­ членом третьей степени, т. е.

солютное значение величины отрицательной температуры мерзло­ го грунта, ° С,

или же аппроксимирована степенной функцией

где п — параметр нелинейности.

жет быть принят равным единице (п ^ 1), т. е. в указанных преде­ лах можно принимать модуль упругости мерзлых грунтов завися­ щим линейно от величины отрицательной температуры, тогда

Для отмеченных выше мерзлых грунтов при величине сжимаю­ щего напряжения сг=2 кГ/см2 было получено:

для мерзлого песка (при температуре до 0= —10° С)

для мерзлого пылеватого грунта (до 0 « —5° С)

для мерзлой глины (до 0~ —5° С)

Значения начального параметра а уравнения (V.3) для модуля нормальной упругости мерзлого песка практически постоянны при изменении внешнего давления в 5—10 раз, параметр же р, оце­ нивающий влияние отрицательной температуры, зависит от величи­ ны действующего сжимающего напряжения а кГ/см2, при котором определялся модуль нормальной упругости.

Так, для мерзлого песка (при WG= 16-^20%) было получено:

Из приведенных данных с очевидностью вытекает, что влияние отрицательной температуры на упругие свойства мерзлого песка тем больше, чем меньше внешнее давление, т. е. влияния отрица­ тельной температуры и внешнего давления противоположны.

Для объяснения установленного факта влияния внешнего дав­ ления на упругие свойства мерзлых грунтов приходится предполо­ жить, что даже при температуре мерзлых грунтов ниже границы значительных фазовых переходов воды в лед (например, для мерз­ лых песков), вследствие остроугольное™ минеральных частиц и трансформации давлений в огромные величины сжимающих напря­ жений в точках контакта частиц внешнее давление существенно сказывается на упругих свойствах мерзлых грунтов. Конечно, при понижении температуры происходит упрочнение порового льда, но вряд ли оно так сильно будет сказываться на величине модуля упругости при не очень низких температурах.

Иные данные были получены для мерзлых глинистых грунтов, для которых коэффициент р (тангенс угла наклона кривой £ = /(0)

к оси 0) при увеличении внешнего давления в два раза -(с 1 до 2 кГ/см2) оказался практически постоянным (в рассмотренных пре­

него давления на глинистые грунты, имеющие значительно боль­ шее число плоских чешуйчатых минеральных частиц по сравнению с грунтами песчаными, по-видимому, обусловивших большую на­ чальную льдистость этих грунтов. Отметим также, что более дли­ тельное промораживание глины сказалось лишь на увеличении па­ раметра а при неизменной величине р.

Влияние внешнего давления на величину модуля нормальной упругости Е мерзлых грунтов особенно сильно сказывается при не­ значительной величине отрицательной температуры (выше границы фазовых переходов воды в лед) и преимущественно у грунтов с же­ сткой минеральной составляющей. Сказанное подтверждается сле­ дующими данными: для мерзлого песка (1^ 0 = 1 6 4 -2 0 %) при изме­ нении внешнего давления (сжимающего напряжения, при котором определялся модуль упругости) с 1 до 3 кГ1см2, т. е. на 2 кГ/см2 модуль нормальной упругости уменьшился:

При 0 = —0,5° С ... с 13,2-103 до 8,0-103 кГ/см2, т. е. на 40% При 0 = —2,1° С ... с 71,4-103 до'45,0-103 кГ/см2, т. е. на 37% При 0 = —10,0° С ... с 200- Ю3до 190-103 кГ/см2, т. е. на 5%

При этом последние данные относятся даже к большему диапазо­ ну изменения внешнего давления — с 2 до 10 кГ/см2.

Отметим, что полевые опыты с образцами вечномерзлых грунтов ненарушенной структуры (района Якутска) подтвердили получен­ ные в лаборатории закономерности изменений модуля нормальной упругости мерзлых грунтов, так же как и абсолютные значения модуля упругости.

Так модуль упругости образца пылеватого вечномерзлого грун­

замороженного при 0 = —0,1° до —1,4° С, был определен равным 3200—5900 кГ/см2.

Точно так же модуль нормальной упругости чистого песка, оп­ ределенный в полевой обстановке, при 0 = —1°С был равен 29500 кГ/см2, а полученный в лаборатории при той же температуре для искусственно замороженного образца равнялся около 30 000 кГ/см2.

Таким образом, для образцов мерзлых грунтов естественной не­ нарушенной структуры и искусственно замороженных значения мо­ дуля нормальной упругости получились одного и того же порядка, причем модуль нормальной упругости вечномерзлых грунтов умень­ шается с увеличением внешнего давления и возрастает с пониже­ нием температуры, особенно интенсивно для мерзлых песчаных грунтов.

Представляется также интересным сопоставить величину мо­ дуля нормальной упругости для мерзлых грунтов с модулем упру­ гости для льда. Последний по опытам автора при температуре 0=

= 1,5°С и сжимающем напряжении сг=2 кГ/см2 равнялся Ел =

= 24 500 кГ/см2.

При той же температуре и напряжении модуль упругости для мерзлых грунтов был равен:

Из сопоставления приведенных данных вытекает, что модуль упругости льда меньше модуля упругости для грунтов с жестким минеральным скелетом и значительно превосходит модуль упруго­ сти мерзлой глины, что можно объяснить лишь различным содер­ жанием незамерзшей воды в мерзлых грунтах; конечно, мерзлые глины имеют ее наибольшее количество, что значительно умень­ шает их упругость.

Коэффициент поперечной упругости (коэффициент Пуассона) определялся для тех же трех основных видов мерзлых грунтов: пе­ ска, пылеватого грунта (суглинка) и глины. Значение коэффициен­ та Пуассона (равное отношению поперечной относительной упру­ гой деформации к продольной упругой деформации при том же осе­ вом напряжении) вычислялось по результатам непосредственных измерений величин упругих относительных деформаций — продоль­ ных и поперечных, а также по известной из теории упругости фор­ муле

где G — модуль сдвига, определяемый при испытании на кручение цилиндрических образцов мерзлого грунта; Е — модуль нормаль­ ной упругости, определяемый при испытании на сжатие.

Полученные двумя методами значения коэффициента Пуассона

были близки между собой.

Результаты непосредственных определений коэффициента Пуас­ сона для мерзлых грунтов приведены в табл. 29.

Приведенные данные указывают на значительное влияние тем­ пературы 9 на коэффициент Пуассона р, для мерзлых грунтов, ко­ торый при 0—>0° приближается по величине к 0,5 (как для идеально пластичных тел), а при более низких температурах — к значениям для твердых тел.

§ 3. Упругие деформации слоистой толщи мерзлых грунтов

При возведении сооружений на вечномерзлых грунтах в естест­ венных условиях ниже подошвы фундаментов почти всегда зале­ гает слоистая толща грунтов. Отдельные слои мерзлых грунтов могут быть испытаны и таким образом получены коэффициенты, ха­ рактеризующие их деформативные свойства. Однако возникает воп­ рос, как перейти к определению общей деформируемости толщи мерзлых грунтов при известных характеристиках отдельных слоев. Для решения этой задачи были поставлены специальные экспери­ ментальные исследования.

Целью экспериментальных исследований деформируемости сло­ истых напластований мерзлых грунтов и было установление основ­ ных положений для перехода от показателей деформируемости от­ дельных слоев мерзлых грунтов к оценке деформируемости всей слоистой толщи как в случае сплошной, так и местной нагрузки.

В настоящем параграфе остановим наше внимание лишь на рас­ смотрении влияния вязко-пластичных прослойков глины и льда на упругие деформации твердомерзлой толщи грунтов.

Было поставлено несколько серий опытов по исследованию уп­ ругих свойств слоистых мерзлых грунтов:

1- я серия — определение модуля упругости при испытании призм мерзлого грунта, состоящих из отдельных слоев, резко отличных по деформируемости;

По схеме I изучались упругие деформации при сжатии двух­ слойной призмы мерзлого грунта, состоящей из мерзлого песка и из мерзлой глины; по схеме II призма мерзлого песка имела в се­ редине слой мерзлой глины, а по схеме III призма мерзлой глины имела в середине слой мерзлого песка.

Размеры призм и прослойков, а также места установки тензо­

метров для измерения деформаций (на базе в 10 см) показаны на рис. 97.

При циклической нагрузке определялась общая упругая деформация призм мерзлого грунта на среднем участке их высоты (10 см), по величине которой и вычислялся средний для всей приз­ мы модуль нормальной упругости Ет.

Результаты опытов приведены в табл. 30.

Рис. 97. Схемы расположения слоев грунта при исследовании упругих деформаций образцов мерзлых грунтов (серия 1-я)

№Физическая модель

Если известен модуль упругости отдельных слоев мерзлых грун­ тов, то суммарный модуль упругости слоистой толщи легко опре­ делить, приравняв общую упругую деформацию слоистого грунта сумме упругих деформаций его отдельных слоев. Тогда среднюю величину модуля нормальной упругости слоистой -толщи мерзлых грунтов Ет (в случае одномерной задачи) можно определить по формуле