книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

При расчетах механического взаимодействия зданий и со­ оружений с мерзлыми грунтами применяют ряд упрощений: строение грунтового массива однородно, а механические свой­ ства грунтов - изотропны. Определенные таким образом напря­ жения обеспечивают достаточную для практических целей точ­ ность для грунтов, находящихся в твердомедзлом состоянии, и расчет оснований ведется по первой группе предельных состоя­ ний - по несущей способности.

Для пластично-мерзлых грунтов (заторфованные, засоленные, сильнольдистые) применяются модели, позволяющие оп­ ределить изменения поля напряжений в процессе деформирова­ ния и учитывать его нелинейность.

Основные задачи расчета напряжений в основаниях зданий ^сооружений сводятся к задачам определения:

контактных напряжений, возникающих на подошве фунда­ ментов и по поверхности контакта конструкции фундамента с грунтом;

напряжений в массиве грунта от внешней нагрузки (на ос­ нове решения Ж.Буссинеска);

напряжений от собственного веса грунта, обусловленных гравитационными силами, которые являются основной состав­ ляющей начального (до приложения нагрузки) напряженного состояния грунтового массива.

Из механики грунтов известно, что грунты являются систе­ мами многокомпонентными (многофазовыми). При этом компо­ ненты грунтов принципиально различаются своими свойствами и находятся в различных фазовых состояниях (твердом, идеаль­ но пластичном, жидком, газообразном).

Механика мерзлых грунтов рассматривает еще более слож­ ную систему. Если классическая механика сыпучих тел является механикой однофазной системы, в случае заполнения всех пор грунта водой - двухфазной (грунтовая масса), а если часть пор, кроме воды, заполнена воздухом - трехфазной, то механика мерзлых грунтов - механика системы четырехфазная, поскольку по определению мерзлый грунт - грунт, имеющий отрицатель­ ную температуру и обязательно в своем составе лед.

Таким образом, модель мерзлого грунта (рис. 11.1) содер­ жит минеральные частицы, идеально пластичные включения льда (лед-цемент и лед-прослойка), воду в связанном и жидком

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 8 2 - объектов в условиях Севера

состояниях и газообразные компоненты (пары и газы).

Твердые минеральные частицы мерзлых грунтов характери­ зуются, как и грунты не мерзлые, минералогическим и грануло­ метрическим составом и регламентируются ГОСТ 25100-95, т.е. различают крупнообломочные, песчаные и глинистые (суглин­ ки, супеси и глины) мерзлые грунты.

Лед - мономинеральная криогидратная горная порода, рез­ ко отличающаяся своими физико-механическими свойствами от других горных пород. Льдом называют все твердые модифика­ ции воды независимо от состояния кристаллического или аморфного. В природных условиях, где всегда термодинамиче­ ские условия (температура, давление и т.д.) меняются, изменя­ ются и свойства льда, а значит свойства мерзлого грунта.

Лед является структурообразующим фактором при форми­ ровании структуры и текстуры мерзлых грунтов. В механике мерзлых грунтов различают три вида криогенных текстур мерз­ лых грунтов.

Га зо о б р а зн ы е к о м п о н ен ты _________

Вя зк о -п л а с т и ч н ы е в к л ю ч е н и я л ь д а

В о д а в в я зк о м и ж и д к о м с о с т о я н и и

Т в е р д о -м е р з л а я ч а с т ь

Рис. 11.1. Модель мерзлого грунта.

Криогенная структура зависит от времени и интенсивности промерзания грунта.

В мерзлых и вечномерзлых грунтах всегда, при любой от­ рицательной температуре содержится незамерзшая вода. При этом незамерзшую воду делят на прочносвязанную и рыхлосвя­ занную.

Количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах уменьша­ ется с понижением отрицательной температуры грунта. При этом каждый грунт характеризуется вполне определенной кри­ вой содержания незамерзшей воды.

Отметим, что содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах и его изменение под действием внешних нагрузок во многом определяют физико-механические свойства мерзлых грунтов и имеют огромное значение в механике мерзлых грун­ тов.

Газообразными компонентами мерзлых грунтов могут быть пары воды (при неполном водонасыщении мерзлого грунта во­ дой и льдом) и газы.

На основе анализа изучения особенностей замерзания поровой воды в грунтах, динамического равновесия воды и льда в мерзлых грунтах с учетом влияния температуры грунта и внеш­ них нагрузок Н.А. Цытовичем сформулирован основной прин­ цип механики мерзлых грунтов:

«Количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находящихся в динамическом равновесии с последним».

Этот принцип - принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах - устанавливает динамическое равнове­ сие между количеством незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах и величиной внешних воздействий.

11.2. Физические свойства и классификация мерзлых грунтов. Прочность и критическое сопротивление

Физические свойства мерзлых грунтов

Для определения основных физических свойств одноком­ понентных (массив скальных пород или сыпучих сред) систем достаточно одной характеристики - удельного веса твердых частиц, двухфазных (грунтовая масса) - двухудельного веса и

суммарной влажности Wtot; трехфазных (незамерзший грунт) -

трехудельного веса p s , объемного веса р и проходной влаж­

ности W

лого грунта; cps - концентрация порового раствора; Ds - сте­

пень засоленности грунта.

Чтобы выяснить основные физические свойства мерзлого грунта, необходимо определить четыре основные характеристи­ ки:

1) плотность мерзлого грунта естественной структуры (р, г/см3);

2)плотность частиц грунта ( p s , г/см3);

3)суммарная весовая влажность (Wtot, доли ед.);

4)весовое содержание незамерзшей воды (доли ед.) или относительную льдистость мерзлого грунта, равную отношению массы льда к массе всей воды, содержащейся в мерзлом грунте.

Методы определения этих характеристик подробно описа­ ны в учебниках и монографиях по механике мерзлых грунтов.

Поскольку проектирование и устройство оснований и фун­ даментов зданий и сооружений регламентировано СНиП

2.02.04-88, для удобства анализа в табл. 11.1 приведены необхо­ димые для расчетов показатели физических свойств мерзлых грунтов (без теплофизических) и порядок их определения.

Классификация мерзлых грунтов

Чувствительность мерзлых грунтов к естественным и тех­ ногенным тепловым воздействиям существенно зависит от тем­ пературы мерзлого грунта и изменяется в меридиальном на­ правлении.

Критерием оценки чувствительности мерзлых грунтов к те­ пловым воздействиям является среднегодовая температура бЬ. По этому признаку в мерзлых грунтах выделены:

зона 1 - весьма чувствительные, со среднегодовой темпера­ турой (от 0 до -1°С);

зона 2 - чувствительные, со среднегодовой температурой (от -1°С до -3°С);

зона 3 - слабочувствительные, со среднегодовой темпера­ турой (от -3°С до -7°С);

зона 4 - практически нечувствительные со среднегодовой температурой (ниже -7°С).

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 о б - объектов в условиях Севера

При использовании мерзлых грунтов в основаниях зданий или среды для различных сооружений до начала проектирова­ ния следует четко установить категорию мерзлых грунтов по двум критериям: по льдистости и физическому состоянию.

По объемной льдистости выделяют следующие категории мерзлых грунтов:

Твердомерзлые - грунты прочно сцементированы поровым льдом, имеют достаточно низкую температуру, при которой большая часть содержащейся в них воды замерзла. Характери­ зуются хрупким разрушением и практически несыпучими мас­ сами под действием внешних нагрузок, меныпих 0,5... 1,0 МПа. Коэффициент относительной сжимаемости (по Н.А.Цытовичу) 0,0001 см2/кг.

Пластичномерзлые грунты - из-за большого количества (более половины всей поровой воды) незамерзшей воды обла­ дают вязкими свойствами и относительно большой сжимаемо­ стью в мерзлом состоянии. Такие грунты даже в мерзлом со­ стоянии дают значительную осадку от внешних нагрузок.

Критерием перехода мерзлого грунта из одного состояния в другое служит коэффициент уплотнения - показатель границы твердого и пластичного состояния мерзлого грунта.

Для твердомерзлых грунтов коэффициент уплотнения ме­ нее или равен. 1О*8Па, для пластичномерзлых - коэффициент значительно больше.

Значения температуры незасоленных мелкодисперсных грунтов, ниже которых грунты находятся в твердомерзлом со­

Значения этих температур значительно зависят от засолен­ ности мерзлого грунта. Засоленность — это отношение массы солей к массе сухого грунта. По засоленности границы твердомерзлого грунта всегда ниже (ГОСТ 25100-95).

Минимальные значения засоленности, выше которых мерз­ лые грунты относятся к засоленным, следующие:

песок-0 ,1 супесь-0 ,1 5 суглинок - 0,20 глина - 0,25

Отличительной особенностью мерзлых грунтов является их исключительная чувствительность к внешним воздействиям. Даже незначительное изменение величины нагрузки, характера и времени действия сказывается на механических свойствах мерзлых грунтов, а значит на прочность. Особенно важно учи­ тывать такие изменения при использовании мерзлых грунтов в качестве оснований зданий или среды функционирования со­ оружений.

Прочность и критическое сопротивление мерзлых грунтов

В практике строительства в условиях мерзлых грунтов сле­ дует уже перед проектированием оценить изменение прочности и ее предельное значение, неоднородность, деформируемость грунтов основания по глубине и другие показатели физико­ механических свойств. Однако основными из них являются прочностные показатели (сопротивление мерзлого грунта сжа­ тию, сдвигу, смерзанию) и деформационные - модули деформи­ руемости грунта в мерзлом состоянии и при его оттаивании.

Основными факторами, обусловливающими нестабиль­ ность механических свойств промерзающих, мерзлых и протаи­ вающих грунтов, являются:

изменение температуры мерзлых грунтов в естественных условиях и под влиянием зданий и сооружений;

изменение напряженного состояния в замерзающих, мерз­ лых и протаивающих грунтах под влиянием внутренних и внешних воздействий;

время действия нагрузки, Ьт которого зависит релаксация напряжений и ползучести мерзлых протаивающих грунтов.

Степень влияния каждого из этих факторов подробно изло­ жена в курсах механики мерзлых грунтов.

Расчетное сопротивление мерзлых грунтов имеет особо важное значение для оценки их прочности в основаниях зданий й сооружений.

Анализ многочисленных данных различных авторов одно­ значно свидетельствует о том, что мерзлые грунты очень хоро­ шо сопротивляются воздействию кратковременных нагрузок. Предельно длительное сопротивление мерзлых грунтов сжатию

в несколько раз (иногда на порядок) меньше временного

сопротивления сжатию, а тем более мгновенного их сопротив­

1о о Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 8 8 - объектов в условиях Севера

ления <Тлан.

Так, при строгом соблюдении температуры мерзлого грунта 0 = -3°С и выдерживании ступеней нагрузки до полного зату­ хания деформаций (иногда до 82 сут.) получены следующие данные:

для мерзлого песка при ггш - 19,8% <Умгн = 75 кг/см , а

< С = 6»5 кг/см3 (т.е. в 11,5 раз меньше).

для мерзлого суглинка при Wlot - 31,8% < 7 ^ = 35 кг/смЗ,

а а Г = 3 ,6 кг/см3.

Очень резко зависит расчетное сопротивление мерзлого грунта от величины отрицательной температуры (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Зависимость временного сопротивления сжатию мерзлых

грунтов (j** от величины отрицательной температуры

4Р

(по Н.А- Цнтовичу и др.)

1 - песок; 2 - супесь; 3 - глина

Анализ кривых рис.11.2 показал, что они хорошо описыва­ ются уравнением

( 11.2)

где а и Ь - переменные .параметры, зависящие от времени действия нагрузки, уменьшающейся с его увеличением;

9 - абсолютное значение отрицательной температуры; п - па­ раметр, величина которого близка к 0,5.

11.3. Реологические принципы в мерзлых грунтах

Реология грунтов изучает формирование напряженнодеформированного состояния грунтов и его изменение во вре­ мени. При этом грунты рассматриваются как пористая дисперс­ ная среда, у которой при уплотнении имеют место значительные необратимые деформации. Сопротивление грунтов разрушению определяют его прочностные характеристики - сцепление и угол внутреннего трения.

Поведение мерзлых грунтов под нагрузкой - процесс слож­ ный. Деформирование глинистых грунтов обусловливается пол­ зучестью, релаксацией и снижением прочности.

В целях лучшего усвоения материала приведем основные понятия и определения реологии.

Под ползучестью грунта подразумевается процесс дефор­ мации мерзлого грунта даже при постоянной нагрузке. При этом деформации мерзлого грунта зависят от промежутка времени наблюдения за деформациями, от величины приложенной на­ грузки и температуры.

Чаще всего реологические процессы в мерзлых грунтах протекают во взаимодействии последних инженерными соору­ жениями и проявляются в сравнительно небольшие промежутки времени, сопоставимые со сроком службы этих сооружений.

В процессе ползучести мерзлых грунтов одновременно мо­ гут проявляться упругие, вязкие и пластические свойства.

На рис. 11.3 приведены графики развития деформации мерзлых грунтов во времени.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 9 0 - объектов в условиях Севера

Рис.11,3. Развитие кривых ползучести (а) и их скоростей (б),

у- общая дефомация;

у- скорость деформации установившейся ползучести;

Кривая 1 на рис. 11.3, соответствующая развитию деформа­ ции с постоянной скоростью, отображает вязкое течение. Кри­ вая 2 характеризует незатухающую ползучесть, которая включая ет три стадии:

I -затухающей неустановившейся ползучести (участок 0-л); II - установившегося течения (участок п-т);