21.Деформируемость мерзлых горных пород.

Деформируемость. К деформационным характеристикам мерзлых грунтов относятся модуль общей деформации и модуль упругости, коэффициент Пуассона, показатели реологических свойств – коэффициенты вязкости и сжимаемости.

Модуль общей деформации Е_о, имеет определенный смысл, отражая сопротивление мерзлого грунта развитию деформаций.

В мерзлых песчано-глинистых грунтах он обычно составляет десятки и первые сотни МПа (см. таблица 3.10). Его величина возрастает при снижении температуры мерзлых грунтов, уменьшении значений и времени действия нагрузки.

Сжимаемость минерально–ледяных грунтов обусловлена деформируемостью и перемещениями всех компонентов: твердых минеральных и органических частиц, льда, жидкой незамерзшей воды. Сжимаемость возрастает в ряду пески – супеси – суглинки – глины, что объясняется последовательным увеличением количества незамерзшей воды в этих мерзлых грунтах. Этой же причиной обусловлено повышение сжимаемости мерзлых грунтов, особенно глинистых, при изменении их температуры в области более высоких значений, особенно близких к 0º С.

Модуль упругости Е, отражает зависимость между напряжением и деформацией в упругой области. Он увеличивается при уменьшении дисперсности пород и понижения температуры.

Различие в упругих свойствах песков и глин для мерзлых грунтов значительно сглаживается. Но тем не менее пески обладают повышенной упругостью

Видно, что модули упругости мерзлых грунтов существенно выше величины этого показателя для талых и незамерзших дисперсных пород.

При достаточно низких температурах модуль упругости мерзлых песчано-глинистых грунтов может достигать и даже превышать значения, свойственных бетону.

Между модулем упругости и температурой существует прямолинейная зависимость (рис. 3.1).

Коэффициент Пуассона мерзлых песчано-глинистых грунтов изменяется от 0,13 – 0,45 [12]. При понижении их температуры коэффициент понижается. С приближением температуры к 0ºС происходит увеличение его значений до 0,4 – 0,5.

Для оценки прочности мерзлых оснований при постоянно действующей нагрузке необходимо знать величину длительного сопротивления грунта сдвигу.

Поскольку сопротивление сдвигу мерзлых грунтов обусловливается главным образом силами сцепления, их основной прочностной характеристикой является длительное сцепление.

Значение длительного сцепления определяется по кривой релаксации, построенной либо по результатам испытаний образцов мерзлого грунта на разрыв, либо с помощью вдавливания шарового штампа (по Н.А.Цытовичу).

Ввиду того, что внутреннее трение в мерзлых грунтах незначительно и прочность их, как это уже указывалось выше, обусловливается в основном сцеплением, критические давления на мерзлое основание, определяются как для идеально связных пластических тел.

Первое критическое давление – предел пропорциональности – для таких горных пород, при равномерно распределенном давлении, передаваемом фундаментом в виде полосы, выражается формулой:

Р = π +γh,

в которую, при действии постоянной нагрузки нужно подставить значение С_дл, тогда она примет вид:

Р = π_сдл +γh (3.6)

Второе критическое давление – предел прочности основания определяется формулой теории пластичности, полученной для штампа в виде полосы:

Р_п = ( π + 2) С_дл + γh. (3.7)

Сжимаемость грунтов при их постоянной отрицательной температуре незначительна, если давление не превышает предела пропорциональности. Поэтому расчетное сопротивление основания для капитальных сооружений обычно ограничивается величиной предела пропорциональности.

Временное сопротивление сдвигу мерзлых грунтов возрастает при понижении температуры, причем и эта зависимость близка к прямолинейной (рис. 3.2, 3.3).

Линейная зависимость сопротивления сдвигу от нормального давления может быть принята для мерзлых грунтов при условии постоянства отрицательной температуры и продолжительности воздействия нагрузки.

Влияние льдистости на сопротивление мерзлых грунтов сдвигу значительно меньше, чем сжатию. Максимум временного сопротивления сдвигу наблюдается при полном заполнении пор грунта льдом.

Рис.3.2 Зависимость модуля упругости мерзлых грунтов от температуры:

1-песок; 2-супесь; 3-глина; 4-пылеватый грунт

Незначительное влияние на сопротивление мерзлых грунтов сдвигу оказывает также гранулометрический состав.

Рис. 5.3 Зависимость сопротивления сдвигу мерзлых грунтов от температуры: 1 -супесь; 2-глина; 3-лед

Зимой породы деятельного слоя, при замерзании, прочно смерзается с опорами сооружений. При этом между замерзшим грунтом и опорами возникает сцепление.

Наибольший практический интерес представляют касательные силы смерзания, возникающие на поверхности фундамента и конструкций сооружений, смерзающихся с грунтом. Силы смерзания зависят от состава и свойств горных пород, смерзшегося с ними материала, от температуры, влажности, пористости и шероховатости поверхности смерзания.

Под влиянием сил смерзания, происходящие объемные изменения мерзлого грунта, передаются опорам и конструкциям сооружения и последние подвергаются деформациям.

Определение касательных сил смерзания можно производить на лабораторных и полевых установках. Проведение исследования сил смерзания позволяют установить следующие зависимости:

1. силы смерзания увеличиваются с понижением температуры грунта;

2. силы смерзания возрастают с увеличением влажности в пределах до полной влагоёмкости грунта; при дальнейшем увеличении влажности (льдистости) они несколько уменьшаются;

3. наибольшая величина сил смерзания наблюдается для водонасыщенных песчаных грунтов; для глинистых пород она несколько меньше, а в крупнообломочных – она минимальная;

4. в полевых условиях силы смерзания неодинаковы по глубине деятельного слоя в связи неравномерным распределением температуры и влажности.

По данным Н.А.Цытовича и М.Н.Гольштейна[12], на величину сил смерзания очень большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки.

При быстром возрастании нагрузки силы смерзания в 2–3 раза больше, чем при медленном.