Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [ 34 ] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

ГЛАВА III

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ

§ 1., О внутренних связях в мерзлых грунтах

Мерзлые и вечномерзлые грунты являются телами, в которых напряжения и деформации, возникнув под действием внешней нагрузки, не остаются постоянными, а с течением времени меняются, обусловливая процессы релаксации (расслабления) напряжений и ползучести (нарастания деформаций во времени).

Эти процессы называются реологическими (от слова реология: по-гречески ресо - течь; Acoycos - учение, т. е. учения об изменениях во времени - течении - напряжений и деформаций тел).

Большое развитие реологических процессов в мерзлых грунтах обусловлено особенностью их внутренних связей, в которых первостепенную роль играет лед, представляющий собой идеально текучее твердое тело.

Следует различать три основных вида внутренних связей в мерзлых грунтах.

1. Чисто молекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса - Лондона) в контактах твердых минеральных частиц грунтов, величина которых зависит от площади непосредственных контактов, расстояния между минеральными частицами, их уплотненности и физико-химической природы частиц. С увеличением внешнего давления эти связи растут, но устойчивость минеральных частиц в некоторых контактах может нарушаться.

2. Льдоцементные связи - главнейшие связи, почти полностью обусловливающие прочностные и деформативные свойства мерзлых грунтов, но зависящие от очень многих факторов: величины отрицательной температуры, общего содержания льда в мерзлых грунтах (льдистости), строения и крупности ледяных включений и их положения по отношению к направлению действующих усилий, содержания во льду незамерзшей воды, включений газов, пустот и пр.

3. Структурно-текстурные связи, зависящие от условий образования, формирования и последующего существования мерзлых и вечномерзлых грунтов. В зависимости от сложения и строения мерзлых грунтов различные структурные элементы их будут деформироваться по-разному. Здесь существенное значение будет иметь неоднородность строения (наличие агрегатов, свободной пористости и пр.), причем, чем больше неоднороден мерзлый грунт, тем больше дефектов структуры и сложения он будет иметь и меньше будет сопротивляемость структурных элементов и всего мерзлого грунта.

Следует иметь в виду весьма сложное строение мерзлых грунтов: наряду с непосредственными контактами минеральных частиц между собой, будут иметь место контакты и спаянность минераль-

ных частиц со льдом и связанность льда с пленочной водой, причем силы взаимодействия льда-цемента и льда-прослойков, по-видимому, будут разные (хотя бы потому, что поверхность соприкасания их с минеральными частицами будет разная) и по-разному будут влиять на деформируемость мерзлых грунтов.

При общей оценке напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов особо важное значение будут иметь льдоцемент-ные связи, что мы и рассмотрим несколько подробнее.

Как известно, механические свойства тел обусловливаются, главным образом, сопротивлением сдвигу частиц относительно

друг друга. Для однородных твердых тел это сложный процесс, а тем более он сложен для мерзлых грунтов как четырехкомпонентной системы частиц, основную связность которых обусловливает лед, обладающий ярко выраженной анизотропией, особенно резко проявляющейся при сдвиге. Так процесс чистого сдвига у льда возникает лишь при совпадении направления сдвига с базисной плоскостью кристаллов льда *; при другом направлении кристаллы льда разрушаются и переориентируются (рис. 49).

Сцепление льда по направлению главной оптической оси (расположенной- перпендикулярно поверхности замерзания) значительно слабее, чем по направлению ей параллельному, о чем можно судить (но Шумскому) хотя бы по величине коэффициента линейного расширения льда, который по направлению главной оси равен 29-10- 1ГС, а по направлению перпендикулярном - 17 • 10" 1ГС (при температуре от О до -66°), что объясняется «большей интенсивностью движения атомов вдоль главной оси».

Сопротивление раздавливанию (также характеризующее внутренние связи льда) по Б. П. Вейнбергу (как среднее из 1246 определений при температуре 9= -3° С) параллельно главной оптической оси, равно 31-32 кГ/см, а перпендикулярно главной оси - 20-25 кГ/см, и по Б. А. Савельеву *** (среднее из 2256 измерений) отношение сопротивления перпендикулярно главной оси к сопротивлению параллельно главной оси равно 0,8.

Рис. 49. Переориентация кристаллов и рекристаллизация

прослойки льда при сдвиге: а - до испытания; б - после длительного сдвига

* См. сноску на стр. 51. См. сноску *** на стр. 84.

Б. А. Савельев. Строение, состав и свойства ледяного покрова морских и пресных водоемов. Изд-во МГУ, 1963.

Вязкость льда при силе, перпендикулярной главной оси, равна r] L= 10--10 пз, а при силе, параллельной главной оси, Г1н =

Такая анизотропия льда соответствует внутренней структуре, «подобной колоде игральных карт, смазанных незасохшим клеем» (по Д. Мак-Кеннелу). «Промежутки между этими элементарными пластинками (плоскостями наиболее густого расположения атомов) являются плоскостями ослабления, слабо сцементированными между собой*. Это ослабление существенно влияет на прочностные свойства льда и является местом распространения внутреннего таяния льда.

Величина критического сдвигающего напряжения, при котором возникает пластическое течение льда, очень мала, если судить по пределу упругости при сдвиге, который меньше 0,1 кГ/см.

Анизотропия льда наиболее резко проявляется в пластических свойствах (обусловленных внутренними сдвигами в кристаллах льда), существенно влияет на прочностные свойства льда и почти не влияет на упругие свойства.

Кроме ярко выраженной анизотропии, внутренние связи льда в высокой степени чувствительны к изменениям отрицательной температуры, возрастая с ее понижением. Так, по опытам И. К- Пекарской **, при изменении температуры льда от -1,5 до -3,5° величина мгновенного сцепления (по шариковой пробе) оказалась равной соответственно 22 и 45 кГ/см, т. е. примерно в 2 раза больше. Последнее можно объяснить уменьшением подвижности атомов водорода в структурной решетке льда, вследствие чего с понижением температуры молекулы льда становятся более устойчивыми, упрочняя лед.

Силы сцепления льда с минеральными частицами не определялись, тогда как опыты по определению прочности смерзания льда с материалом фундаментов (деревом и бетоном) были поставлены еще в начале 30-х годов ***. Эти опыты, производившиеся методом продавливания стоек, вмороженных в грунт, дали (при стандартной скорости возрастания нагрузки в 20 кГ/см-мин) следующие результаты: при 6 = -ГС Тем = 5 кГ/см; при 9 = -5°С Тсм = = 6 кГ/см; при 7°С Тсм=12 кГ/см и при 9 = -20°С Тсм =

= 22 кГ/см, т. е. силы смерзания льда значительно возрастали с понижением отрицательной температуры.

В более поздних опытах (С. С. Вялова) **** испытания проводились методом выдергивания деревянных стоек из льда при различной скорости возрастания нагрузки, причем было обнаружено хруп-

* См. сноску на стр. 51.

Н. К. Пекарская. Сопротивление сдвигу многолетиемерзлых грунтов различной текстуры и льдистости. Сб. Исследований по физике и механике мерзлых грунтов. Изд-во АН СССР, 1961. **См. сноску ** 1 на стр. 90. См. сноску на стр. 69.