книги из ГПНТБ / Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве

Н а рис. 32 показано изменение предела прочности на растяжение замороженных глин и ила в диапазоне температур от 0 до — 200° С.

На диаграмме (рис. 33) показано изменение модуля упругости замороженной илистой глины (в зависимости от температуры от 0 до — 70° С). Из диаграммы видно, что модуль упругости с понижением температуры от ± 0 ° С равномерно повышается и при температуре

— 70° С достигает 32 500 кгс/см 2.

§3. Факторы, влияющие на прочность замороженных грунтов

1. Температура замораживания. С понижением температуры проч­ ность замороженных грунтов, как правило, увеличивается. При этом для водоносных песков кривая прочности возрастает весьма быстро, для других грунтов (глина, суглинки) и льда эта кривая более

структурой. Распространяя эти результаты на замороженный грунт, следует предположить, что при мелкозернистом льде в грунте проч­ ность последнего будет выше прочности грунта с крупнозернистым льдом. С другой стороны, опыты замораживания грунтов показы­

70

вают, что наименьшие размеры кристаллов льда получаются при ускоренном протекании процесса замораживания (при глубоком охлаждении). Особо важное значение при этом имеет «период кри­

замороженного грунта необходимо замораживать воду, заключенную в них, возможно быстрее, а этого можно достигнуть при более низ­

Па прочность замороженного грунта оказывает влияние минерало­ гический и гранулометрический состав грунтов. Песчаные и граве­ листые частицы сами по себе обладают высокой прочностью, пре­ вышающей прочность замороженного грунта. Этого нельзя сказать о пылевато-илистых и глинистых частицах. Прочность заморожен­

ность благодаря тому, что лед, заполняющий промежутки между отдельными зернами грунта, является цементирующим материалом. Следовательно, прочность замороженного грунта будет зависеть от прочности образовавшегося льда. В замороженном грунте лед может находиться в различных формах: в виде отдельных прослой­ ков, линз или в виде тонких пластинок переменной толщины, обра­ зовавш ихся между отдельными зернами грунта в большей или меньшей степени равномерно. Строение льда зависит от способа образования его и может быть сплошным, игольчатым, слоистым, зернистым и чешуйчатым.

Пределы прочности льда на сжатие, растяжение и сдвиг нахо­ дятся в зависимости от многих факторов: строения льда, температуры и скорости замораживания его, а также от скорости возрастания внешней нагрузки. Цементирующее действие льда в замороженном грунте проявляется в виде сил смерзания (сцепления) кристаллов льда с зернами грунта.

Под действием внешних сил лед испытывает пластические де­ формации. Величина деформаций льда прямо пропорциональна нагрузке, времени действия последней и обратно пропорциональна коэффициенту вязкости льда (коэффициенту внутреннего трения).

Коэффициентом вязкости называют полную силу сопротивления льда при установившемся движении, отнесенную к единице поверх­ ности сдвигаемого слоя и к единице угловой скорости сдвига.' Чем выше коэффициент вязкости льда, тем большей прочностью обладает замороженный грунт. С понижением температуры замораживания коэффициент вязкости льда повышается. Соответственно величина относительных деформаций льда уменьшается.

71

К ак общее правило, можно отметить, что замороженные грунты , обладающие большим коэффициентом теплопроводности, имеют и бо­ лее высокую прочность.

3 . Содержание воды в грунте. С увеличением содержания воды в грунте прочность замороженного грунта увеличивается. Вода, превращенная в лед, играет роль цементирующего вещ ества. Однако это положение правильно только до известного предела — до пол­ ного насыщения грунта водой. За этим пределом грунт будет пред­ ставлять собой уже материал с преобладанием в нем воды. Так как прочность льда относительно невелика, то при дальнейшем увели ­ чении содержания воды прочность замороженного грунта будет уменьш аться.

Рп с. 3 4 . Граф ик зависимости предела прочности на

в них воды по данным лаборатории грунтов Ленинградского инсти­ тута инженеров коммунального строительства. Из графика видно, что предел прочности на сжатие образца песка ос — 135 кгс/см 2 достигает своего максимального значения при 19,2% содержания воды.

С увеличением содержания воды в глине прочность заморожен­ ного грунта растет и достигает своего максимума — 50 кгс/см 2 при содержании воды 13,68% . При дальнейшем увеличении воды предел прочности на сжатие глины снижается. Т ак , при 20% -ном содержа­ нии воды ос = 45 кгс/см 2, при 30% -ном а'с = 32 кгс/см 2 , при 35% -ном öl — 30 кгс/см 2. Опыты, проведенные Церингером, подтверждают сказанное.

Согласно данным исследований в Московском горном институте, при увеличении влажности с 10 до 25% пределы прочности на сжатие песков средней крупности, замороженных при температуре — 15° С, увеличивались с 60 до 120 кгс/см 2.

Повышение прочности песка с увеличением содержания воды в нем до предела насыщения может быть объяснено тем, что погло­

72

щение воды песком связано с уменьшением объема песка, хотя и не­ значительным по величине, но поддающимся измерению. Отдельные зерна песка в этом случае сближаются между собой. Прочность замо­ роженного песка возрастает благодаря увеличению трения между частицами песка.

При одной и той же температуре замораживания прочность замороженного грунта будет большей для песков и меньшей для глинистых грунтов. Раньш е причину различной прочности заморо­ женного песка и глины объясняли различным водосодержанием их, считая, что глина содержит воды меньше, чем песок. На самом же деле влаж ность глины бывает не меньше влажности песка — она достигает 30 —40% . Жирные глины содержат влаги еще больше.

В замороженном грунте всегда содержится некоторое количество незамерзшей воды. При этом оно не остается постоянным, а изме­ няется, следуя за изменениями температуры замораживания и давле­ ния. Этот новый принцип механики замороженных грунтов открыт чл.-корр. Н. А. Цытовичем. Он позволяет объяснить изменения физико-механических свойств замороженных грунтов в зависимости от ряда факторов, и в первую очередь от температуры заморажива­ ния. Количество незамерзшей в грунте воды с понижением темпе­ ратуры уменьшается; большее количество воды переходит в лед. Соответственно будут увеличиваться и прочность замороженного грунта и модуль Юнга. Количество незамерзшей воды в грунте увеличивается с уменьшением диаметра зерен, составляющих грунт. Другими словами, чем дисперснее будет грунт, тем меньшей проч­ ностью он будет обладать в замороженном состоянии.

. Наибольшей прочностью обладают замороженные гравийные грунты и крупнозернистые пески. Эти грунты содержат мало или совсем не содержат пленочной связанной воды. Меньшей прочностью обладают супеси, суглинки и грунты, в которых содержится пленоч­ ная вода в большем количестве.

Максимальное количество воды, которое способны удерживать частицы грунта в виде пленочной воды, называют молекулярной

73

В главе II было показано, что температуры в ледогрунтовой стене изменяются по различным законам — в зависимости от рас­ сматриваемого направления.

Закон изменения температур в главной плоскости (уравнение 52а)

Подставляя в уравнение прочности (66) замороженного грунта

Уравнение (67) позволяет определить предел прочности заморо­ женного грунта в главной плоскости на любом заданном расстоянии

Р и с. 3 5 . График зависимости предела прочности заморожен­ ного песка в главной плоско­ сти ледогрунтового огражде­ ния от расстояния до замора­

живающ ей колонки

Расстоянияотосизамораживающей колонки, м

от замораживающей колонки. На рис. 35 показаны изменения пре­ делов прочности в главной плоскости при следующих условиях: толщина ледогрунтовой стены Е = 2г3 = 3 м; температура стенки замораживающей трубы іс = —20° С; расстояние менаду заморажи­ вающими колонками I = 1 м. На оси ординат диаграммы отложены пределы прочности замороженного грунта, а на оси абсцисс — рас­ стояния от оси замораживающей колонки.

Уравнение (67) позволяет решить и обратную задачу — опре­ делить расстояние го т замораживающей колонки, на котором будет находиться замороженный грунт с заданной прочностью о3.

75

Д ля определения средней прочности ледогрунтовой стены в глав­ ной плоскости необходимо взять определенный интеграл от rt до г 3

ln

Гі

Согласно уравнению (58), интеграл первого слагаемого

8tс — (г, - г г Іи г3 + г г Іи г г - Гі).

' я

С з — г і ) 1 п 7 ^

Интеграл второго слагаемого

Или, согласно уравнению (66),

При температуре стенки замораживающей трубы tc = — 20° С, радиусе замораживающей колонки г х = 0,05 м и г 3 = 1,5 м средняя прочность ледогрунтовой стены в главной плоскости будет

стср = 62 кгс/см 2.

Эту же величину можно получить и другим путем. На рис. 27 была определена средняя температура замороженного грунта в глав­ ной плоскости при Е = 3 м, tc — — 20° С, tcp = — 5,3° С, Под­ ставляя в уравнение (66) прочности замороженного грунта значение этой температуры, получим

0^ = 8* 5,3 +20 = 62,4 кгс/см2.

76

При расчетах прочных размеров стены ледогрунтового огражде­ ния необходимо знать прочность замороженного грунта в наиболее ответственном месте стены ограждения — в замковой плоскости.

Уравнение (55) температурной кривой в замковой плоскости:

где b — расстояние от линии расположения замораживающих коло­

Подставляя в уравнение (66) прочности замороженного грунта значение этой температуры, получим

8«с ln . ^ 3- —

—0,1 м.

В§ 3 (глава II) была определена средняя температура заморо­ женного грунта в замковой плоскости [уравнение (63)]:

где I — расстояние между замораживающими колонками, м. Подставляя это значение температуры в уравнение прочности

замороженного песка, получим

77

При tc — — 20° С, Е — 3 м, I = 1 м и dt = 0,1 м средняя проч­ ность замороженного грунта в замковой плоскости составит оср 3 =

В . Г. Гмошинским и другими установлено, что замороженные грунты обладают еще одним свойством — ползучестью . Под ползучестью понимают способность замороженного грунта снижать свою проч­ ность (внутреннее сопротивление) под действием постоянной, но

вляет одну из разновидностей пластического течения.

В связи с указанным поведением замороженных грунтов стали различать два вида прочности их — мгновенную нмг и длитель­ ную а дл. Под мгновенной прочностью понимают прочность (временное сопротивление) замороженного грунта при его разрушении в испы­ тательном прессе под давлением быстроприложенной нагрузки.

Длительную прочность замороженной горной породы опре­ деляют экспериментальным путем при различных нагр узках, соста­ вляющ их лишь 5 0 —80% мгновенной прочности в течение продолжи­ тельного времени (до 1000 ч). Длительная прочность замороженного грунта снижается с увеличением времени действия внешней на­ грузки.

Чтобы излишне не увеличивать размеры конструкции (ледогрун­ тового ограждения) или, наоборот, не принимать ее опасно тонкой, продолжительность испытаний замороженного грунта на длительную прочность должна соответствовать продолжительности работы ледо­ грунтового ограждения под внешним давлением.

При проходке ш ахтных стволов способом замораживания при­ меняют две основные схемы: параллельную, при которой постоянную крепь, например тюбинги, возводят по мере проходки ствола, и по­ следовательную , наиболее часто применяемую, при которой вначале вынимают горную породу в пределах ш ахтного ствола — участками

должна воспринимать на себя горное давление в течение сравни­ тельно короткого промежутка времени, необходимого на проходку участка ствола и возведение одного кольца тюбингов, — в течение 8 - 1 5 ч.

Во втором случае стена ледогрунтового ограждения должна сопротивляться горному давлению в течение времени, необходимого на проходку ствола и возведение тюбинговой крепи на участке ствола высотой 25 м, — в течение 15— 20 сут, или 360 — 480 ч. Следова­ тельно, для практических целей необходимо знать длительную прочность замороженной горной породы за срок от 20 до 500 ч.

78

На рис. 37 показано изменение длительной прочности адл при испытании на одноосное сжатие грунтов, замороженных при темпе­

ности пиг, при этом прочность глинистых грунтов снижается в боль­ шей мере, чем песчаных.

Исследования показывают, что длительная прочность заморожен­ ных грунтов через 720 ч после начала испытаний составляет только

Таким образом, исследования ползучести замороженных грунтов подтвердили правильность принимаемого коэффициента запаса при расчетах ограждений на основе мгновенной прочности замороженных грунтов.

Отношение предела мгновенной прочности а мг замороженного грунта на одноосное сжатие к длительной прочности его (за заданный

промежуток времени) ^ = К р называют коэффициентом рас­

слабления замороженного грунта. Коэффициент расслабления замо­ роженного грунта повышается с увеличением времени действия

Д ля определения пределов длительной прочности замороженных грунтов при температурах замораживания от — 5 до — 20° С и при действии на грунт нагрузки в течение 24 ч М. Ю. Либерман пред­ ложил общее уравнение в виде квадратного трехчлена:

79