Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdfИзучая текстуру льда-прослойков вечномерзлых грунтов района Игарки (по данным А. М. Пчелинцева, 1964 г.) и учитывая резуль таты исследований механизмов деформирования льда в ледниках (по П. А. Шумскому, 1961 г.), можно прийти к следующим выво дам:
а) величина кристаллов льда-прослойков вечномерзлых грунтов больше, чем сезонномерзлых грунтов в 14—25 раз, а по площади до 500 раз;
б) форма кристаллов льда неправильная, часто причудливая с ориентацией главной оптической оси кристаллов параллельно про слойке льда;
в) следует различать по крайней мере три основных механиз ма деформирования льда: 1— течение льда при медленном сдвиге
параллельно базисным плоскостям кристаллов (без |
изменения |
||
структуры льда); |
2 — нарушение пространственной решетки льда |
||
с молекулярным |
распадом, рекристаллизацией, межкристалличе |
||
скими сдвижениями |
и разрывами — сколами с хаотизацией струк |
||
туры; 3 — плавление |
льда при очень высоких касательных напря |
||
жениях от теплоты трения по плоскостям спайности. |
кГ/см2, воз |
||
При величине касательных напряжений, больших 1 |
|||
никает перекристаллизация льда и переориентировка |
кристаллов |
базисными плоскостями параллельно сдвигающим усилиям, причем размер кристаллов во много раз уменьшается.
Таким образом, из изложенного вытекает, что наличие в мерз лых грунтах льда (льда-цемента и льда-прослойков), текучесть которого наблюдается уже при очень малых напряжениях сдвига, а также содержание вязкой незамерзшей пленочной воды (другой
важной составляющей |
мерзлых |
грунтов) обусловливает |
развитие |
в дисперсных мерзлых |
грунтах |
реологических процессов, |
течение |
которых зависит также и от величины контактных сил сцепления, и связности структурных агрегатов мерзлых грунтов.
§2. Зарождение и\ развитие реологических процессов
вмерзлых грунтах
Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах ледяных включе ний (льда-цемента и льда-прослойков), у которых как отмечено в предыдущем параграфе, нагрузка практически любой величины
вызывает пластические течения и переориентировку кристаллов, а также наличие в мерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей во ды, обусловливает при любой добавочной нагрузке зарождение и
протекание реологических процессов.
Следует отметить, что прочностные и деформативные свойства мерзлых и вечно-мерзлых грунтов отличаются от свойств других твердых тел и немерзлых грунтов, в первую очередь тем, что при действии внешней нагрузки в мерзлых грунтах всегда возникают необратимые перестройки структуры, вызывающие релаксацию на пряжений и деформацию ползучести даже при очень небольших нагрузках, т. е. изменения прочностных и дефор!мативных свойств
ill
мерзлых грунтов во времени. |
Однако упругость мерзлых грунтов, |
|||||||||||||
как показано опытами автора |
(1938—1940 гг.) *, что подробно бу |
|||||||||||||
дет изложено в последующих главах, всегда сохраняется и в пла |
||||||||||||||
стической области |
(во всех стадиях ползучести). |
свойства |
мерзлых |
|||||||||||
Влияние фактора времени на механические |
||||||||||||||
грунтов было установлено |
уже |
в 1935 г. **, когда |
было |
показано |
||||||||||
значение скорости |
возрастания |
нагрузки |
на |
сопротивление |
мерз |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
лых грунтов |
сдвигу, |
сжатию, |
|||||
4 1/*ин |
|
|
|
|
|
|
растяжению |
|
и |
смерзанию |
||||
|
|
|
|
|
|
|
(табл. 9), а в 1939 г. впервые |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
экспериментально |
получена и |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
исследована |
|
реологическая |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
кривая |
|
для |
мерзлого |
песка |
|||
|
|
|
|
|
|
|
(Wc= 17-Ь 18%') |
и |
мезлой гли |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ны (№с= 54%) |
(рис. 51). |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрение |
результатов |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
опытов, приведенных в табл. 9 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
и на рис. 51, |
позволяет |
сде |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
лать следующие выводы: |
на |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
/ |
2 |
J |
4 |
д'КГ/см* |
рость |
возрастания |
нагрузки |
|||||||
Сжимающие напряжения |
|
|
|
оказывает |
на |
сопротивление |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
сдвигу |
|
мерзлых |
глинистых |
||||
Рис. 51. Реологическая кривая при одно- |
грунтов; |
|
|
|
|
r v n n w r u |
||||||||
ОСНОМ Сжатии ДЛЯ МерЗЛЫХ ГЛИНЫ И Пес- |
0) |
ЧвМ |
м еньш е |
|||||||||||
ка (по опытам Н. А. Цытовича, 1939 г.): |
СКОРОСТЬ |
|||||||||||||
е — скорость |
относительных |
деформаций |
' |
возрастания |
нагрузки, |
/ тем |
||||||||
v |
|
|
д ч- |
р ц |
|
|
меньше |
сопротивление |
(всех |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
видов) |
мерзлых грунтов; |
|
в) реологические кривые при одноосном сжатии как для мерз лой глины, так и для мерзлого песка криволинейны, причем у пес ка при давлениях <у>3 кГ/см2 они становятся прямолинейными.
На основании данных, приведенных на рис. 51, и других мате риалов, приведенных в цитируемой ранее работе, было установ лено, что напряжение, соответствующее началу текучести для мерзлого песка (при 0= —1,6°С), равно около 2 кГ/см2, а для мерзлой глины (при 0= —1,9° С) примерно 1 кГ1см2.
Рассмотрим кривые ползучести мерзлых грунтов и их виды в свете новейших исследований по изучению изменений структуры мерзлых грунтов под нагрузкой.
Для установления ясности при дальнейшем анализе (физичес ком и аналитическом) ползучести мерзлых грунтов автор считает целесообразным рассматривать два отдельных класса ползучести
* Н. |
А. |
Ц ы т о в и ч. |
Вопросы механики |
грунтов в практике проектирова |
ния и возведения сооружений. Докторская диссертация, т. II «Исследование де |
||||
формаций мерзлых грунтов». ЛИИЖТ, 1940. |
|
|||
** Н. |
А. |
Ц ы т о в и ч, |
М. И. С у м г и и. |
Основания механики мерзлых |
грунтов, стр. 149. Изд-во АН СССР, 1937.
В лияние скорости возрастания нагрузки на сопротивления м ерзлы х грунтов внеш ним силам
§ * а ^
Наименование |
|
у ж |
* |
СО |
|
|
|
X |
* |
|||
|
грунта |
|
|
5 |
|
|
|
|
; * |
2 |
||
|
|
|
|
Sgoо |
ОСО ^J* |
|
Я* |
|
|
ci.cj ' |
||
|
|
|
|
о-н CX<J |
“ |
|
|
|
||||
|
|
|
рЬ° |
* - |
° о и Г-_, |
|
1^и |
|
|
2 2 5 о |
|
|
|
|
|
Но |
(J О.Ь |
ю |
|
|
|
X х ю с о * |
|||
Мерзлая |
|
супесь 19 |
—4 |
156,0 |
|
31,2 |
14 |
|
0,2 |
22,2 |
9.3 |
|
(содержание |
час |
|
46,8 |
|
30,4 |
- |
7.8 |
7.3 |
||||
тиц более 0,5 мм— |
|
23.2 |
|
21,8 |
|
|
|
1.8 |
5 .7 |
|||
68%; |
менее |
0,005 |
|
20.2 |
|
17,1 |
|
|
|
1,0 |
2.8 |
|
мм — 8%) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/26,4 |
13,1 |
|
Мерзлая |
|
глина |
|
|
|
|
31 |
|
6,6 |
|||
|
|
|
|
|
— |
I 0,1 |
4,1 |
|||||
(содержание |
час |
|
|
|
|
|
|
|
||||
тиц |
менее |
0,005 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мм — 36%) |
|
песок |
|
15 |
|
30 |
|
|
|
31,9 |
32 |
|
Мерзлый |
|
|
|
|
|
|
||||||
(содержание |
час |
—1 |
4 |
|
24 |
18 |
—4,5 |
14,6 |
29 |
|||
тиц |
менее |
1 |
мм — 15—18 |
|
|
|
87,0 |
26 |
||||
100% ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,7 |
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
грунтов: |
I — затухающую |
ползучесть (рис. 52) |
и II |
незатухаю |
щую ползучесть (рис. 53).
I класс — затухающая ползучесть имеет место лишь при напря
жениях |
|
мерзлого |
грунта, |
|
|
|
|
|
|||
меньших |
некоторого |
оп |
ттптттт |
н ffi-Lt........... |
|
|
|||||
ределенного |
для |
данного |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
физического |
состояния |
|
|
|
|
|
|||||
грунта и данной его отри |
|
Я - ' |
|
|
|
||||||
цательной |
температуры |
|
|
|
|
||||||
предела. Если же увели |
|
|
|
|
|
||||||
чивать |
напряжение грун |
|
|
|
|
|
|||||
та сверх |
этого |
предела |
Рис. 52. Кривая затухающей ползучести |
||||||||
(например, |
внешнюю на |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
грузку), то при некоторой |
|
/»т класс) во |
времени не- |
||||||||
|
|
upn д^иш рия |
|
||||||||
его величине |
возникают незатухающие |
' |
ая |
ПОЛзучесть |
|||||||
обратимые структурные деформации-нез |
у |
|
ений дефор. |
||||||||
(см. рис. 53)- и |
при дальнейшем Ув«л^ |
приведут грунт к |
|||||||||
мации |
ползучести лишь |
ускорятся |
и оыср |
н |
|
й устой. |
|||||
хрупкому или пластическому (изменение ч» |
и х |
спедиальН0 ,по. |
|||||||||
чивости) |
разрушению |
На |
о с н о в а н и и ^ ' |
вечномерзлых грун. |
|||||||
ставленных опытов в Игарской подземки v |
«что деформация |
||||||||||
тах) лаборатории С. С. Вялов пришел к g |
п |
ходит в ста- |
|||||||||
ползучести (незатухающей — Я. Ц.) |
"„"яюШуЮСя разрушением» *. |
дию прогрессирующего течения., заканчш*^^./
Таким образом, можно рассматривать два указанных выше класса (I и II) ползучести мерзлых грунтов, тем более, что анали
тическое их описание будет различным.
Как вытекает из предыдущего изложения, а также и других ма териалов по изучению физической природы мерзлых грунтов, по следние обладают чрезвычайной неоднородностью своего строения, обусловленного сложностью взаимодействия минеральных частиц скелета грунта, различных видов грунтового льда, незамерзшей воды, паров, газов и пр. и сложностью процесса формирования мерзлых грунтов, что создает условия, благоприятные для возник новения различных местных дефектов структуры. В мерзлых грун тах, так же, как и в других твердых телах, но в значительно боль
шей степени, вследствие их неод нородности структуры имеются полости, неустойчивые контакты между частицами и их агрегата ми, микротрещины и другие ос лабленные места, которые по тео рии дислокации акад. Ю. Н. Работнова могут считаться местами зарождения местных необрати мых сдвигов и местных нарушений СПЛОШНОСТИ, которые ПОД
действием внешней нагрузки мо-
р у Т раЗВИВЭТЬСЯ И о б р а зо в ы в ать
новые дефекты.
Как показано для мерзлых грунтов, по-видимому, впервые Е. П. Шушериной *, а для немерз лых грунтов М. Н. Гольдштейном, А. Я- Туровской и др. ** и в последнее время исследовалось С. С. Вяловым, Н. К. Пекар ской и Р. В. Максимяк ***, зарождение и развитие ползучести обусловливается развитием микротрещин, разрушением агрегатов частиц и ростом других дефектов структуры мерзлого грунта под нагрузкой.
В случае затухающей ползучести мерзлых грунтов преобладает процесс закрытия микротрещин, уменьшения свободных пустот и необратимые сдвиги частиц относительно друг друга. При этом происходит также «залечивание» микро- и макротрещин вследст вие процесса таяния льда в точках контакта минеральных частиц
|
Е. |
П . |
Ш у ш е р и н а. |
О |
коэф ф ициенте |
поперечной деф орм аци и и |
|||||||||
ооъемны х |
деф орм ациях |
мерзлы х |
грунтов |
в процессе |
ползучести |
Сб |
М ГУ, |
||||||||
вып. V , |
1966. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
** |
1. |
М . |
Н . |
Г о л ь д ш т е й н |
[и др.]. Д оклады |
к |
V М еж д у н а р о д н о м у |
кон |
|||||||
грессу по м еханике грунтов и ф ундам . Г осстройиздат, |
1961; |
|
|
|
|||||||||||
2. Я. |
А. |
Т у р о в с к а я . |
О |
влиянии деф орм аций |
на |
структуру |
глинистых |
||||||||
грунтов. Сб. K s 4 Л И И Ж Т а, |
1957. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
*** |
С. |
С. |
В я л о в , |
Н. |
К. П е к а р с к а я , |
Р. |
В. |
М а к с и м я к . |
О |
ф изи |
|||||
ческой |
сущ ности |
процессов |
деф орм ирования |
и |
разруш ения |
глинисты х грунтов. |
|||||||||
«О снования, ф ундам енты |
н механика грунтов», 1970, № 1. |
|
|
|
|
новых дефектов, что и обусловливает постоянство скорости дефор мирования и, практически, неизменяемость объема мерзлых грун тов в этой стадии ползучести.
Из компонентов мерзлых грунтов ползучесть возникает прежде всего у льда, на что требуется -минимальное напряжение сдвигу, но пластично-вязкое течение у него протекает значительно мед леннее, чем у минеральных прослойков, так как вязкость льда больше вязкости мерзлых грунтов.
В третьей стадии ползучести — прогрессирующей наблюдается развитие микротрещин, все ускоряющееся возникновение новых микротрещин с переходом их в макротрещины, что обусловливает
разуплотнение мерзлого грунта; кроме того, ледяные включения к этому времени успевают перекристаллизоваться и переориентиро ваться базисными плоскостями параллельно направлению сдви гов, что значительно уменьшает сопротивление сдвигу ледяных включений, а следовательно, <и всего мерзлого грунта.
Из всех стадий незатухающей ползучести мерзлых грунтов наи большее практическое значение имеет стадия установившейся пол зучести, когда мерзлый грунт вязко течет без нарушения сплош ности, причем, если время перехода в прогрессирующее течение превосходит время, на которое рассчитывается существование со оружений (что обосновывается соответствующим прогнозом), то можно допускать возведение сооружений и на мерзлых грунтах, находящихся под действием нагрузки от сооружения в стадии пла стично-вязкого течения.
Однако условия перехода стадии установившейся ползучести в недопустимую стадию прогрессирующего течения, заканчивающую ся нарушением сплошности и устойчивости мерзлых грунтов, тре буют специального рассмотрения.
§ 3. Реологические уравнения напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов
Реологические уравнения напряженно-деформированного сос тояния грунтов устанавливают связь между напряжениями, дефор мациями и временем. Учет фактора времени является основным отличием реологических уравнений от обычных.
Основными зависимостями, подлежащими рассмотрению в на стоящем параграфе, являются изменения во времени деформаций мерзлых грунтов (их течения) при различном нагружении. Реоло гические течения мерзлых грунтов под нагрузкой являются глав
нейшим |
свойством |
мерзлых грунтов и имеют большее значе |
ние для |
практики, |
чем, например, их временное сопротивление |
сжатию.
Физическая сторона вопроса, а именно зарождение й развитие реологических процессов в мерзлых грунтах, описана в предыду щем параграфе, развитие же других видов деформаций мерзлых
грунтов, в том числе и обусловленных изменениями соотношения отдельных фаз (компонентов) в данном объеме грунта, будет рас смотрено в гл. IV, посвященной общим деформациям мерзлых грунтов. Здесь же мы ограничимся рассмотрением лишь уравнений реологического состояния мерзлых грунтов.
Если нагружать мерзлый грунт отдельными ступениями и вы держивать нагрузку ори каждой ее ступени до полного затухания деформаций или до достижения скорости деформаций практически постоянного значения, то изменение деформаций во времени мож но изобразить кривой (рис. 56).
Как показывают соответствующие опыты, чем больше дейст вующая нагрузка, тем скорее возникает пластично-вязкое течение с установившейся скоростью деформаций, величина которой воз растает с увеличением нагрузки *.
Наибольшее напряжение, при котором еще не возникает неза тухающей деформации мерзлых грунтов (пластично-вязких тече ний), определяет так называемое длительное сопротивление, или длительную прочность мерзлых грунтов. Точность определения дли тельной прочности зависит как от величины ступеней нагрузки, так и от точности измерения деформаций.
Однако, как будет показано в следующем параграфе, в настоя щее время разработаны методы непосредственного, достаточно точного определения .предельно длительной прочности мерзлых
грунтов, независимо от способа измерения деформаций ползу чести.
Кривую деформаций при ступенчатой нагрузке можно пере строить в семейство кривых, откладывая величины относительных
деформаций для различных ступеней нагрузки от одного начала координат (рис. 57). Тогда, верхние кривые (1, 2 по рис. 57, а) бу дут описывать изменение деформаций при затухающей ползучести, остальные — при незатухающей.
Кривые рис. 57, а дают возможность построить зависимость де формации е от величины действующего напряжения а, как это по
казано на рис. 57, б, измерив величину |
деформаций, соответствую |
|||
щих какому-либо промежутку времени |
(t\ |
или t2 и т. д.) при раз |
||
личных напряжениях а. |
что зависимость |
et = f(o) криволинейна |
||
Опыты |
показывают, |
|||
для всех значений t (за исключением |
0, когда она может быть |
|||
линейна) |
и все кривые |
(для различных ff) для льдистых мерзлых |
грунтов можно принимать подобными * друг другу и описывать их
Рис. 57. Реологические зависимости для мерзлых грун
тов при ступенчатом загружении:
а — кривые ползучести (/, 2 — затухающей; 3, 4 — незатухаю
щей); б — зависимость между напряжением о и относительной деформацией е
одним уравнением (но с параметрами различной величины), на пример степенным уравнением (как это обычно и принято в меха нике грунтов):
о = А (/) em, |
(III.1) |
г д е т < 1 — коэффициент упрочнения, не зависящий |
(по опытам |
С. Э. Городецкого) ** ни от температуры, ни от времени действия нагрузки; A ( t ) — переменный модуль деформации (кГ/см2), изме няющийся '(как показывают те же опыты) в зависимости от вре мени t действия нагрузки и температуры — 0 по степенному закону
= |
(ai) |
причем |
(а2) |
£ = (o (l+ 0 )ft; |
|
параметры Я, со и k определяются опытным путем. |
|
* С. С. В я л о в и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледогрунтовых ограждений. Изд-во АН СССР, 1962.
** Там же, гл. V, а также С. С. В я л о в , Е. П. Ш у ш е р и на. Сопротивле ние мерзлых грунтов трехосному сжатию. Сб. МГУ «Мерзлотные исследования», вын. IV 1964.