Механические свойства мерзлых грунтов

Изучение механических свойств мерзлых грунтов необходимо при возведении на них различного рода сооружений, когда мерзлые грунты являются естественным основанием. Они обладают повышенной прочностью и водонепроницаемостью по сравнению с талыми грунтами.

Основным фактором, определяющим способность мерзлых грунтов противостоять нагрузке, являются силы сцепления, под которыми понимаются силы взаимодействия между компонентами мерзлых грунтов (скелетными частицами и их агрегатами, льдом и незамерзшей водой). Для мерзлых грунтов наибольшее значение имеют связи, обусловленные цементацией льдом. Поэтому эти связи выделяются как самостоятельная часть сцепления. Сцепление мерзлых грунтов можно условно рассматривать как состоящим:

1) из собственно молекулярного сцепления, обусловленного силами притяжения между элементарными частицами и их агрегатами, разделенными незамерзшей водой. Эта часть сцепления зависит от дисперсности и плотности грунта;

2) из структурного сцепления, являющегося следствием различных природных процессов, протекающих в ходе формирования мерзлой горной породы (генезиса и диагенезиса). Это сцепление устраняется в основном при нарушении естественного сложения мерзлых грунтов. Прочность искусственно приготовленных образцов в ряде случаев в 1,5 – 2 раза меньше прочности грунтов естественного сложения, что свидетельствует о необходимости учета генетических особенностей мерзлых грунтов и о недопустимости оценки их прочности по данным испытания искусственно приготовленных образцов;

3) из льдоцементационного сцепления, обусловленного цементацией льда. Эта часть сцепления наименее стабильная и может резко изменяться в связи с колебанием температуры грунта, полностью исчезая при его оттаивании.

Сопротивляемость мерзлых грунтов (главный фактор); с понижением температуры сопротивляемость возрастает вследствие преобразования структуры и агрегатного состояния воды. При этом изменяются не только характер связей между агрегатами молекул самой воды, но и связи воды с минеральным скелетом и льдом, прочность цементации грунта льдом. При понижении температуры количество льда в грунте увеличивается, а прочность его и цементирующая способность возрастают.

Механические свойства мерзлого грунта зависят также от гранулометрического и химико – минералогического состава, количества воды в незамерзшем состоянии, находящейся в сосуществовании со льдом, текстурных и структурных особенностей и пр. Характеристики механических свойств грунтов принято разделять на прочностные и деформационные.

К первым относятся сопротивления сдвигу (сцепление и трение), сопротивление вдавливанию шарового штампа (эквивалентное сцепление), сопротивление одноосному и трехосному сжатию, касательная прочность смерзания грунта с материалом фундамента, касательные силы морозного пучения.

Ко вторым относятся характеристики сжимаемости и ползучести мерзлых грунтов и сжимаемости при оттаивании под нагрузкой. В зависимости от характера связи между напряжениями и деформациями различают линейные деформации, прямо пропорциональные напряжениям, и нелинейные, связанные с напряжением нелинейной зависимостью.

Деформации бывают упругие, или обратимые, т. е. восстанавливающиеся после снятия нагрузки, и пластические, или остаточные, не восстанавливающиеся после снятия нагрузки.

По скорости протекания процесса деформирования различают деформации мгновенные (условно-мгновенные, протекающие в течение 10 с после приложения нагрузки) и деформации, развивающиеся во времени, т. е. вязкие. Те и другие деформации могут состоять из упругой (обратимой) и пластической (необратимой) частей, а также быть линейными и нелинейными. Обратимая, но развивающаяся во времени деформация называется упруго вязкой, или деформацией упругого последействия; она восстанавливается во времени (обратное упругое последействие).

Процессы изменения напряженно-деформированного состояния материала во времени называются реологическими процессами. Они могут проявляться или в виде ползучести (крипа), т. е. нарастания деформации во времени при неизменном напряжении, или в виде релаксации (расслабления), т. е. снижения напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации, или в виде снижения прочности материала при длительном действии нагрузки.

Ползучесть (развитие деформаций во времени) включает в себя: первую стадию – затухающей ползучести, вторую – пластического течения с примерно постоянной скоростью деформации и третью – стадию прогрессирующего течения с возрастающей скоростью. Если площадь сечения образца при испытании увеличивается, то наступает затухание ползучести.

У мерзлых грунтов деформация складывается из начальной условно-мгновенной деформации и деформации, развивающейся во времени.

Лед и незамерзшая вода в мерзлом грунте сохраняют равновесное состояние, соответствующее данным условиям температуры и давления. Нагрузка, приложенная к мерзлому грунту, вызывает нарушение равновесного состояния фазового состава влаги и частичное подтаивание льда в местах контактов минеральных частиц или их агрегатов, что ведет к увеличению количества воды в незамерзшем состоянии. Появление в мерзлом грунте градиентов давления вызывает перемещение незамерзшей воды из более напряженной зоны в менее напряженную, где она частично замерзает, при этом происходят пластическое течение льда и отжатие воздуха из грунта.

По представлению С. С. Вялова, процессы течения льда и передвижение влаги сопровождаются нарушением структурных связей, перемещением твердых частиц и переориентацией кристаллов льда, что приводит к расслаблению структурного и льдоцементационного сцепления. Способность мерзлого грунта к пластическому течению и снижению прочности во времени зависит также от состава грунта, льдистости, засоленности и температуры. Глинистым грунтам, например, реологические свойства присущи и в талом состоянии.

Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению и образованию остаточных деформаций, изменяющих форму тела. У мерзлого грунта характеристика прочности является величиной переменной. В зависимости от продолжительности действия нагрузки на мерзлый грунт различают следующие переменные величины прочности:

Предел прочности, т. е. напряжение, вызывающее разрушение мерзлого грунта;

условный предел прочности – напряжение, при котором деформация составляет более 150 % деформации начала стадии прогрессирующего течения;

условно-мгновенная прочность R _мгн, соответствующая напряжению, вызывающему разрушение в течение 10 с после приложения нагрузки. Понятие условно – мгновенной прочности равнозначно понятию «временное сопротивление».

длительная прочность R _t – напряжение, вызывающее разрушение на заданный промежуток времени t;

предел длительной прочности R _дл, или предельно длительное сопротивление, - наибольшее напряжение, при котором не возникает прогрессирующее течение или разрушение при неограниченном времени действия нагрузки. Предел длительной прочности является основной характеристикой прочности мерзлых грунтов.

Изменение прочностных показателей мерзлых грунтов во времени учитывается в расчетах оснований сооружений, а также при экспериментальных исследованиях мерзлых грунтов.

Прочность обычных мерзлых грунтов области вечной мерзлоты характеризуется нормативным сопротивлением мерзлых грунтов нормальному давлению R ^H, с учетом вида грунтов и их температуры. В тех случаях, когда возводятся особо ответственные сооружения или же грунты оснований сильнольдистые, заторфованные, засоленные и т. д., а также с целью уточнения величин нормативных давлений, приведенных в табл. 13, выполняются экспериментальные полевые испытания.

Таблица 13

Нормативное сопротивление мерзлых грунтов нормальному давлению R ^H, кгс/см²

Грунты	Температура грунта, ^0С
- 0,5	- 1	- 1,5	- 2	- 2,5	- 3	- 3,5	- 4 и ниже
Крупнообломочные и песчаные крупные и средней крупности
Песчаные мелкие и пылеватые
Супеси и пылеватые супеси
Суглинки и глины, включая пылеватые
Все виды грунтов с прослойками льда при 0,2 Л пр 0,4

Примечание. Л _пр – льдистость за счет сегрегационного льда (в долях единицы).

Дата добавления: 2014-12-08