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

кое разрушение смерзания при быстром приложении нагрузки, а при длительном приложении - скольжение стойки по льду со все возрастающей скоростью. Эти опыты показали, что предел длительной прочности льда при сдвиге весьма невелик и не npeBbiiliaer 0,2 кГ/см при 9 = -0,4°С, что можно объяснить «неустойчивостью ионной решетки льда, так как ионы водорода, будучи в сто тысяч раз меньше ионов кислорода, обладают большой подвижностью и легко внедряются в межузлие решетки» (цит. по С. С. Вялову). В мерзлых rpiyHTax, как отмечалось ранее, лед находится или

в виде льда-цемента (занимающего поры между минеральными частицами и их агрегатами), или в виде льда-прослойков - линз, жил и других форм избыточного льдовыделения.

Лед-цемент может иметь следующие формы (по п. А. Шумскому): ба-зальную (когда отдельные минеральные зерна вкраплены в лед), норовую (когда лед заполняет только поры) и пленочную (со свободными ото льда н воды порами). А. М. Пчелинцев * добавляет еще три вида: контактный (когда пленки воды и льда прорезаются г, г, , минеральными зернами).

Рис. 50. Зарисовка кристаллов льда (из ле- ирнстый Гсгтожной ctdvk-дяной прослойки с глубины 2MB районе (СЛОЖНОЙ струк Игарки): туры с наличием агрега-

штриховка - агрегаты минеральных частиц во ТОВ ГЛИНИСТЫХ ЧаСТИЦ С

льду; кружки - включения газов; сплошные ли- нРЧЗМеПЧШеЙ BOJTOfti И Леп

нии -границы кристаллов; размеры кристаллов пеамсрсшеи ьидии; и лсд

даны в см (выполнено А. М. Пчелинцевым) ОбраСТаННЯ (кОГДа ПЛС-

ночная вода с минеральной частицей обрастает слоем льда). Из приведенного перечня форм льда-цемента видно, насколько сложно строение мерзлых грунтов и их цементация льдом.

Структура льда-цемента почти не изучалась, кристалло-опти-ческое же исследование структуры избыточного льда (льда-прослойков) показало чрезвычайную сложность строения льда, различную величину и расположение его кристаллов.

* А. М. Пчелинцев. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов. Изд-во «Наука», 1964.

изучая текстуру льда-прослойков вечномерзлых грунтов района Игарки (по данным А. М. Пчелинцева, 1964 г.) и учитывая результаты исследований механизмов деформирования льда в ледниках (по П. А. Шумскому, 1961 г.), можно прийти к следующим выводам:

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 прослойке льда;

в) следует различать по крайней мере три основных механизма 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, межкристаллическими сдвижениями и разрывами -сколами с хаотизацией структуры; 3 - плавление льда при очень высоких касательных напряжениях от теплоты трения по плоскостям спайности.

При величине касательных напряжений, больших 1 кГ/см, возникает 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 мерзлых 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 в мерзлых грунтах

Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах ледяных включений (льда-цемента и льда-прослойкон), у которых как отмечено в предыдущем параграфе, нагрузка практически любой величины вызывает пластические течения н переориентировку кристаллов, а также наличие в мерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды, обусловливает при любой добавочной нагрузке зарождение и протекание реологических процессов.

Следует отметить, что прочностные и деформативные свойства мерзлых и вечнОМерзлых 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 напряжений и деформацию ползучести даже при очень небольших нагрузках, т. е. изменения прочностных и деформативных свойств

мерзлых грунтов во времени. Однако упругость мерзлых грунтов, как показано опытами автора (1938-1940 гг.) *, что подробно будет изложено в последующих главах, всегда сохраняется и в пластической области (во всех стадиях ползучести).

. Влияние фактора времени на механические свойства мерзлых грунтов было установлено уже в 1935 г.**, когда было показано значение скорости возрастания нагрузки на сопротивление мерзлых грунтов сдвигу, сжатию,

У мин б О

12 3 Сжимающие напряжения

растяжению и смерзанию (табл. 9), а в 1939 г. впервые экспериментально получена и исследована реологическая кривая для мерзлого песка (Wc= 17-18%) и мезлой глины (117с = 54%) (рис. 51).

Рассмотрение результатов опытов, приведенных в табл. 9 и на рис. 51, позволяет сделать следующие выводы:

а) наибольшее влияние скорость возрастания нагрузки оказывает на сопротивление сдвигу мерзлых глинистых грунтов;

б) чем меньше скорость возрастания нагрузки, тем меньше сопротивление (всех видов) мерзлых грунтов;

в) реологические кривые при одноосном сжатии как для мерзлой глины, так и для мерзлого песка криволинейны, причем у песка при давлениях а>3 кГ/см они становятся прямолинейными.

На основании данных, приведенных на-рис. 51, и других материалов, приведенных в цитируемой ранее работе, было установлено, что напряжение, соответствующее началу текучести для мерзлого песка (при G= -1,6*С), равно около 2 кГ/см, а для мерзлой глины (при 0= -1,9°С) примерно 1 кГ/см,

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 (физическом и аналитическом) ползучести мерзлых грунтов автор считает целесообразным рассматривать два отдельных класса ползучести

Рис. 51. Реологическая кривая при одноосном сжатии для мерзлых глины и песка (по опытам Н. А. Цытовича, 1939 г.):

е - скорость относительных деформаций

* Н. А. Цытович. Вопросы механики грунтов в практике проектирования и возведения сооружений. Докторская диссертация, т. II «Исследование деформаций мерзлых грунтов». ЛРШЖТ, 1940.

Н. А. Цытович, М. И. С у м г и н. Основания механики мерзлых грунтов, стр. 149. Изд-во АН СССР, 1937.