Взаимодействие подземных трубопроводов с мерзлыми грунтами. Учебное пособие

Процессиспытанийгрунтаследующий:

1.Образец грунта в обойме, смазанной внутри тонким слоем технического вазелина или покрытой слоем антифрикционного материала, помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона

ипроводят следующие операции:

1.1.На верхний торец образца устанавливают термостатированную

плиту.

1.2.Проверяют положение штока механизма для нагружения образца по отношению к центру образца.

1.3.Устанавливают прибор для измерения вертикальных деформаций образцагрунта.

1.4.Подключаютсистемунепрерывногоподтокаводыкобразцу.

1.5.К образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, создаваядавление, соответствующеебытовому(наглубинезаложения).

1.6.Записываютначальныепоказанияприборов.

2.Установку помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре плюс (1 ± 0,5) °С не менее суток.

3.Включают автоматизированную систему для задания температурного режима промораживания образца: промораживание образца грунта проводится при температуре на верхнем его торце минус (4 ± 0,2) °С и при монотонном понижении температуры на нижнем торце образца от плюс 1 до 0 °С, с автоматическим поддержанием температуры нижней термостатированной плиты плюс (1 ± 0,2) °С;

4.В ходе испытания через каждые12 ч снимают показания приборов для измерения вертикальной деформации образца грунта и температуры верхней и нижней термостатированной плиты. Во избежание переохлаждения грунта через 12 ч с начала испытания следует вызвать начало кристаллизации влаги

вобразце легким постукиванием по верхней термостатированной плите.

5.Во время испытания необходимо следить за непрерывностью подтока воды к образцу. В обоснованных случаях допускается проведение испытаний без увлажнения образца грунта. При этом между образцом и капиллярнопористымматериаломукладываютвлагонепроницаемуюпленку.

6.Испытание прекращают при достижении температуры 0 °С на нижнем торцеобразца.

7.Сразу после окончания испытания образец извлекают из обоймы, разрезают вдоль вертикальной оси, измеряют фактическую толщину промерзшего слоя (за исключением зоны пластично-мерзлого грунта) и описывают его криогенную текстуру.

Каквидно, процессиспытаниягрунтанастепеньморознойпучинистости позволяет имитировать естественные условия, при которых возможен подток влагикфронтупромерзания.

Окончательный расчет вертикальной деформации морозного пучения можнопровестипоформуле:

21

где sfn – величина вертикальной деформации морозного пучения, м; εfn – относительная деформация морозного пучения (степень пучинистости); hi – толщи- наi-гослояпучинистогогрунта, Hfn – глубинапромерзаниягрунта, м.

Следует, однако, иметь ввиду, что описанная в ГОСТ 28622-90 методика не учитывает снижение скорости промораживания грунта на глубинах сезонного промерзания-оттаивания, что может привести к ошибочным результатам, т.к. высокие отрицательные температуры и низкая скорость промерзания ведут к увеличению проницаемости породы и продолжительности периода сегрегационного льдовыделения.

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.Какизменяетсяобъемгрунтаприоттаиваниипоровогольда?

2.ВчемфизическийсмыслкоэффициентаоттаиванияAth?

3.Чтотакоеоткрытаяизакрытаясистемы?

4.Чтотакоеледянойшлир?

5.Чемобусловленопучениегрунтов?

6.Вкакомагрегатномсостояниивозможнамиграциявлагивгрунтах?

7.Назовитедвижущиесилымиграциивлаги?

8.Чтотакоестепеньпучинистостигрунтовεfn?

9.Опишитеклассификациюгрунтовпостепенипучинистости.

10.Опишите принципиальную схему установки и последовательность проведения лабораторного эксперимента по определению степени пучинистости грунтов?

11.В чем недостаток методики определения степени пучинистости по ГОСТ28622-90?

1.4. Силыморозногопучения

Величина сил пучения, действующая на заглубленные сооружения, пропорциональна внутренним напряжениям, возникающим в грунте в результате кристаллизации влаги. Образование кристаллов льда в замкнутом объеме сопровождается развитием давления. Максимальная величина давления возникает лишь при условии, когда расширение воды при её замерзании не возможно. Формальноеопределениемеханизмапучения, возможно, получитьизуравнений Гиббса-Дюгема. Используя правило фаз Гиббса, необходимо составить систему из двух уравнений Гиббса-Дюгема для каждой фазы («л» – лед, «в» – вода):

где Sл – энтропия льда, Дж/(кг∙К); Sв – энтропия воды, Дж/(кг∙К); Vл – удельный объем льда, м3/кг; Vв – удельный объем воды, м3/кг; Pл – давление во льду, Па; Pв – давление в воде, Па; μл – химический потенциал льда, Дж/кг; μв – химический потенциал воды, Дж/кг.

Вычитая из первого уравнения второе и учитывая, что температура в фазах одинаковая, имеем:

При фазовом переходе температура не изменяется, но изменяется энтропия, поэтому:

Фазовое равновесие требует равенства химических потенциалов, следовательно:

Приналичиирастягивающихнапряженийвледяномскелетеимеем:

Сгруппируем слагаемые и учтем, что удельные объемы выражаются через плотности:

гдеρл –плотностьльда, кг/м3; ρв – плотностьводы, кг/м3.

В случае если в скелете грунта отсутствуют напряжения, однако вода находится в замкнутом состоянии, мы приходим к уравнению КлайперонаКлазиусадлядавленияморозногопучения:

Это уравнение характеризует рост давления морозного пучения в закрытой системе, однако грунт почти всегда является открытой системой. В этом случае давление воды равно нулю, а в скелете присутствуют напряжения. Приравниваюкнулюизменениедавлениявводе, приходимкуравнениюСкофилда:

23

Теперьсравнимростдавлениявоткрытойизакрытойсистеме:

Проведем ориентировочный расчет для нулевой температуры и для сжимающих напряжений:

Как видно, рост давления морозного пучения для открытой системы происходит более чем на порядок медленнее. Следовательно, при использовании расчетов максимального давления морозного пучения нужно обязательно учитыватьвозможностьоттокапоровойвлаги.

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.Чтотакоесилыморозногопучения?

2.Счемсвязанопоявлениесилморозногопучения?

3.Из каких уравнений можно получить рост давления морозного пученияприпромерзании?

4.Как соотносятся химические потенциалы различных фаз в равновесном состоянии?

5.Какие системы характеризуют уравнения Клайперона-Клазиуса и Скофилда?

6.Как соотносится рост давления морозного пучения в закрытой и открытой системе?

1.5. Физико-механическиеиреологическиесвойства многолетнемерзлыхпородподнагрузкой

Реологические процессы проявляются в виде ползучести, релаксации напряженийисниженияпрочностипридлительномвоздействиинагрузок.

Под ползучестью подразумевается процесс деформирования, развивающийся во времени даже при постоянной нагрузке. Все вещества и материалы обладают свойством ползучести, проявление которой зависит от вязкости. Так, течение жидкостей наблюдается за очень короткие промежутки времени (секунды, минуты), льда - за несколько часов, суток. В горных породах течение проявляетсявмасштабегеологическихпериодов.

24

В мерзлых грунтах степень проявления реологических свойств обусловлена внутренними структурными связями. Между минеральной частицей и связанной водой действуют силы электромолекулярного притяжения диполей воды к электрически заряженной поверхности частиц. Силы электромолекулярного притяжения направлены нормально к поверхности и определяют сопротивление отрыву молекул воды от поверхности частиц. На границе раздела твердой и жидкой фаз возникают также касательные силы сопротивления движению воды вдоль поверхности частиц. Поскольку прочность самих минеральных частиц больше прочности связи между минеральной частицей и водной оболочкой, то эту связь рассматривают не как цементирующую, а только как своего рода связку между минеральными частицами. При замерзании грунтовой влаги уменьшается толщина пленок связанной воды, образуется новая поверхность раздела лед-связанная вода, уменьшается расстояние между контактирующими твердыми элементами (минерал-минерал, минерал-лед). Расстояние между ними даже при высоких отрицательных температурах не превышает сотни нанометров, тогда как в грунтах немерзлых оно может составлять тысячи нанометров (Ершов, 1990). За счет уменьшения расстояния между контактирующими элементами существенно увеличивается энергия их взаимодействия. Это обусловливает резкое возрастание (в 10 раз и более) прочностигрунтовприпереходеизталогосостояниявмерзлое.

Силы взаимодействия между твердыми компонентами грунта формируются под воздействием внешних и внутренних сил. К внешним воздействиям относятся силовые поля, возникающие от гравитационных сил и приложенной нагрузки. Внутренние поля обусловлены взаимодействием сил химической природы: внутримолекулярных, молекулярных, ионно-электростатических, капиллярных, электростатическихимагнитных.

1.Внутримолекулярные силы могут быть ионными и ковалентными, они имеют значительную энергию связи (400 Дж/моль) и небольшой радиус эффективного действия (0,5-3,5 Å). Прочность единичного контакта порядка 100 дин. К внутримолекулярным связям относятся также водородные связи, которые возникают вследствие взаимодействия водорода, находящегося между двумя отрицательно заряженными атомами водородсодержащих соединений (кристаллогидраты, лед).

2.Молекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса-Лондона) возникают

врезультате взаимодействия молекул всех компонентов грунтового комплекса. Энергия связи, создаваемая молекулярными силами, меньше энергии связи, создаваемой внутри молекулярных сил. Величинаэнергии молекулярной силы не превосходит 40 Дж/моль. Прочность единичного контакта порядка 10-4–10-3 дин. Расстояние, на котором сказывается ее действие, больше расстояния, на которомсказываетсядействиевнутримолекулярныхсил, исоставляетот5 Å до нескольких тысяч ангстрем. При очень малых расстояниях силы взаимодействия между соседними частицами меняют направления - из притягивающих они становятся отталкивающими.

25

3.Ионно-электростатические силы возникают между минеральными частицами, если расстояние между ними составляет несколько ангстрем. Прочность единичного контакта порядка 10-3–4∙10-1 дин.

4.Капиллярные силы обусловлены капиллярным давлением на границе раздела жидкой и газообразной компонент грунтовой системы. Они обратно пропорциональны радиусу частиц и поверхности натяжения жидкости. Прочность единичного контакта порядка 10-2 дин.

5.Электростатические силы возникают в результате накопления на поверхности частиц электростатических зарядов. Так как плоскости частиц заряжены отрицательно, а грани - положительно, при контакте плоскостей возникают электростатические силы отталкивания, а при контакте грани с плоскостью– силыпритяжения. Прочностьединичногоконтактапорядка10-5 дин.

6.Магнитные силы возникают при наличии в грунтах ферромагнетиков, образующих на поверхности частиц тонкие пленки, которые обладают магнитными моментами. Величина магнитных сил невелика. Прочность единичного контакта порядка 10-10 дин.

При формировании взаимодействия между компонентами Грунта может происходитькакпритяжение, такиотталкивание.

Силами притяжения являются молекулярные (Ван-дер-Ваальсовы) силы, когда расстояние между молекулами превышает 1-2 А; ионноэлектростатические, капиллярные и электростатические (кулоновы) силы, если частицы контактируют с различно заряженными поверхностями. Притяжение такжевызываютмагнитныеиводородныесилы.

Силами отталкивания являются электростатические (кулоновы) силы, возникающие при контакте одинаково заряженных поверхностей частиц, а также близко действующие молекулярные (борновы) силы.

Выделяются также силы расклинивания, возникающие под действием пленки связанной воды в том случае, когда частицы грунта контактируют таким образом, что расстояние между их поверхностями не превышает толщины этойпленки(Дерягин, Чураев, 1989).

В результате внешних воздействий контакты переходят из одного вида в другой, изменяются структурные связи между элементами мерзлой породы. Приэтомможетнаблюдатьсякакувеличениеколичестваиэнергииэтихсвязей, так и их снижение. Разорванные структурные связи могут восстанавливаться. Накопление же невосстановленных связей приводит к увеличению количества дефектов структуры, а, следовательно, к деформированию и разрушению. При этомсопротивлениемерзлыхгрунтовмеханическомувоздействиюобусловлено сопротивлением сдвигу по всем рассмотренным контактам. Основное действие оказываетналичиепленокнезамерзшейводыильдавмерзлыхгрунтах.

Незамерзшая вода мигрирует под действием градиента напряжений и температуры. Лед обусловливает структурную связность, вместе с тем обладает текучестью даже при весьма малых напряжениях сдвига. Для льда характерна анизотропия механических свойств. Так, процесс чистого сдвига в нем возникает лишь при совпадении направления сдвига с базисной плоскостью кристаллов. При другом направлении сдвига кристаллы льда разрушаются и переориентируются (Шумский, 1955).

26

Сцепление льда по направлению, перпендикулярному главной оптической оси (расположенной перпендикулярно поверхности замерзания), значительно меньше, чем по направлению, совпадающему с ней. На основании большого числа определений Б.П. Вейнберга (1940) сопротивление раздавливанию льда (-3 °С) при параллельном направлении усилий к главной оптической оси составляет 3,1-3,2 МПа, а при перпендикулярном - 2,1-2,5 МПа. Это совпадает с данными Б.А. Савельева (1991), которые показали, что отношение сопротивления сжатию в направлении перпендикулярном главной оси к сопротивлению сжатию в направлении параллельном главной оси, равно ≈0,8. Вязкость льда в направлении перпендикулярном главной оси, η┴=1010-1011 пуаз, априсиле, направленнойпараллельноглавнойоси, η║= 1014-1015 пуаз.

Такая анизотропия льда соответствует внутренней структуре, по образному определению Мак-Кепнелла, колоды игральных карт, смазанных незасохшим клеем. Пластинки (карты) представляют плоскость с наиболее густым расположением атомов, а промежутки между ними (клей) характеризуются более редким расположением атомов, поэтому они ослаблены и являются плоскостями внутреннего течения льда.

Величина сдвигающего напряжения, при котором возникает пластическое течение льда, очень мала, - не превышает 0,01 МПа. Таким образом, нагрузка практически любой величины обусловливает пластические течения льда и пленок незамерзшей воды, переориентировку кристаллов льда. При этом всегда происходит перестройка структуры, вызывающая релаксацию напряжений и деформацию ползучести, т.е. изменение прочностных и деформационных свойств во времени. Однако в процессе ползучести проявляются упругие свойства мерзлых грунтов. При этом анизотропия льда почти не влияет на упругие свойства.

Подытоживая сказанное, можно выделить три основных механизма деформирования льда в мерзлых грунтах:

1.Течение при медленном сдвиге параллельно базисным плоскостям кристаллов(безизмененияструктуры).

2.Изменение пространственной решетки льда с молекулярным распадом, рекристаллизацией, межкристаллическими сдвижками и разрывами.

3.Плавление льда под действием теплоты, возникающей при трении по плоскостямспайности.

Если касательные напряжения превышают 0,01 МПа, происходит перекристаллизация льда и переориентировка кристаллов: базисные плоскости располагаются параллельно сдвигающим усилиям, размеры кристаллов уменьшаются.

Таким образом, из изложенного выше вытекает, что наличие в мерзлых грунтах льда (текучесть которого наблюдается даже при очень малых напряжениях сдвига), а также незамерзшей воды обусловливает развитие реологических процессов. Их протекание зависит от величины контактных сил и степени связности структурных агрегатов.

27

Исследования механизмов деформирования мерзлых грунтов, выполненные на микро- и макроуровне (Вялов, 1959; Вялов и др., 1970; Вялов и др., 1990; и др.), показали следующее (Вялов, 2000). Установлено, что под штампом, вдавливаемым в мерзлый грунт, образуется уплотненное ядро сферического очертания за счет уплотнения частиц грунта. При этом лед и незамерзшая вода отжимаются в менее напряженную зону, заполняя возникающие трещины по линиям сдвига. В тех случаях, когда в пределах уплотняемой зоны находилась ледяная прослойка, наблюдалось ее отжатие в стороны и к поверхности. Такие результаты получены при испытаниях ленточной глины, тяжелой и легкой супеси при температуре -0,4 °С в условиях длительного вдавливания штампа (в течение 2068 ч) под давлением 1,3 МПа. Отмечено перераспределение влажности: в пределах уплотненного ядра она уменьшилась от 3 до 7%, а за его пределами соответственно увеличилась. При этом установлено течение льда без фазовых переходов, а также его подплавление в местах концентрации напряжений и затем отжатие образовавшейся воды с последующим ее замерзанием. В процессе деформирования отмечены перемещение и перекомпоновка частиц грунта с переориентацией в направлении сдвига. Их перемещение происходит по жидкой пленке и особенно развивается на стадии прогрессирующего течения. В процессе деформирования формируются дефекты межчастичных связей. При малых нагрузках может происходить смыкание природных трещин, каверн. При больших нагрузках наблюдаются развитие микротрещин, их слияние в магистральные трещины, что приводит к нарушению сплошности, разрушению.

При понижении температуры мерзлых грунтов их прочность повышается, а скорость ползучести снижается, уменьшается вязкость, в большей степени проявляется хрупкое разрушение.

Указанное влияние обусловлено тремя основными процессами, протекающими в мерзлых грунтах: уменьшением количества незамерзшей воды и увеличением содержания льда-цемента; упрочнением кристаллической решетки льда и всех твердых компонентов; структурным уплотнением, вызванным температурнымсокращениемвсехкомпонентовмерзлогогрунта.

Наибольшая интенсивность возрастания сопротивления всем видам нагружения с понижением отрицательной температуры наблюдается в области интенсивных фазовых переходов грунтовой влаги. Однако многочисленные эксперименты показывают, что и после интенсивных фазовых переходов, которые завершаются в незасоленных грунтах в диапазоне температуры: для песка от 0 до -0,5 °С, для суглинка - до -3, глин до -6 °С, прочность всех грунтов продолжает существенно увеличиваться при дальнейшем понижении температуры. Причиной этого является изменение свойств самой незамерзшей воды и порового льда. Уменьшается толщина водной пленки, увеличиваются ее вязкость и силы молекулярного притяжения с поверхностью частиц и кристаллами льда. Темп увеличения прочности зависит от физических свойств грунта, времени приложения нагрузки, режима загружения, диапазона отрицательной температуры.

28

Упрочнение кристаллической решетки льда можно иллюстрировать увеличением твердости его монокристалла с понижением температуры (Шумский, 1955), которая приведена в таблице 1.3.

Однако, анализируя данные Е.П. Шушериной (1974), установившей изменение условно-мгновенной прочности на растяжение льда, песка, суглинка при различной влажности в диапазоне низких температур (до -60 °С) (рис. 1.7), видим, что прочность льда повышается совсем незначительно. В песке при понижении температуры интенсивность увеличения прочности затухает, а в суглинке непрерывно возрастает.

Для суглинка отмечено также увеличение интенсивности возрастания прочности в диапазоне температуры от -30 до -40 °С. Эти данные свидетельствуют о том, что причина увеличения прочности мерзлых грунтов с понижением температуры заключается не только в результате фазовых переходов и упрочнения льда, но и вследствие формирования напряженного состояния, обусловленного температурным сокращением всех грунтовых компонентов, что подтверждает более высокий темп упрочнения суглинка и превышение его прочности при температуре ниже -20 °С по сравнению с песком, так как мелкодисперсные частицы более интенсивно уплотняются в результате температурного сокращения. Для суглинка отмечается практическое подобие кривых σ=f(θ), при этом самая высокая прочность соответствует степени водонасыщения, равной Sr=0,9.

Некоторыми исследователями установлено увеличение условномгновенной прочности мерзлых грунтов до температуры -60-80 °С, а затем ее снижение, что можно объяснить температурным растрескиванием, которое наблюдается, когда внутренние напряжения от температурного сокращения всех компонентов грунта превышают льдоцементационные связи. Образующиеся при этом микро- и макротрещины нарушают монолитность и снижают прочность.

При прочих равных условиях длительные деформации мерзлых пород уменьшаются, а прочность увеличивается в ряду лед - глина - суглинок - супесь - песок, что наглядно представлено на рис. 1.9, по данным испытаний Е. П. Шушериной, при одноосном сжатии льда и мерзлых грунтов различного гранулометрическогосостава.

30