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

тенсивность влияния температуры на механические свойства мерзлых грунтов различна и зависит от того, в какой области фазовых, превращений воды она изменяется.

В области интенсивных (значительных) фазовых превращений воды (для песчаных грунтов примерно от О до -0,5° С и для глинистых от О до -5° С) факторами, определяющими прочность мерзлых и вечномерзлых грунтов, являются количественное содержание льда и незамерзшей воды н зависимость их содержания от изменений отрицательной температуры.

Так, при понижении температуры от -1 до -2° С предел прочности для мерзлого песка при простом сжатии изменяется с 64 до 75 кГ/см, т. е. примерно на 15%, тогда как для мерзлой глины при том же изменении температуры - с 10 до 15 кГ/см, т. е. на 50%, что весьма естественно, так как количество незамерзшей воды у песка уменьшилось не более чем на 0,1 %, тогда как у мерзлой глины - на 57о.

Таким образом, в области значительных фазовых превращенир! воды доминирует фактор изменения льдистости или содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах.

Как показывает анализ подобных данных об увеличении предельной прочности (Мерзлых грунтов с понижением их температуры в области незначительных фазовых превращений воды, объяснить увеличение прочности мерзлых грунтов только увеличением их: льдистости (или уменьшением содержания незамерзшей воды) не представляется возможным. Здесь приобретает существенное значение одновременное влияние второго фактора - качественного изменения льда (увеличение его прочности при понижении отрицательной температуры) *.

В области практически замерзшего состояния грунта прочностные свойства данного мерзлого грунта определяются в основном прочностью цементирующего его льда и ее повышением при понижении температуры.

Следует отметить, что для льда характерна очень слабая водородная связь атомов, причем их подвижность резко уменьшается с понижением температуры, что и обусловливает упрочнение структуры льда. Однако упрочнение льда с понижением температуры происходит лишь до некоторого предела (по-видимому, близкого к -70° С, когда прочность льда достигает величины, близкой к максимальной).

Существенное значение для прочностных свойств мерзлых грунтов имеет их анизотропия, которая особенно резко выражена у льда. Так, по С. С. Вялову**, скорость деформирования льда при сдвиге параллельно базисной плоскости кристаллов равна v\\ =

* 1. См. сноску* на стр. 145, а также 2. Н. К- Пекарская. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от текстуры. Изд-во АН СССР, 1963.

** С. С. Вялов. Закономерности деформирования льда. Сб. И «Континентальная экспедиция 1956-1958 гг. Гляциологические исследования». Изд-во Мортранс, 1960 .

=t),34 мм/ч, a перпендикулярно этой плоскости ij = 0,01 мм/ч. Кроме того, как было показано ранее (гл. III, § 6), вязкость льда больше вязкости мерзлых грунтов, что обусловливает более медленное, чем у мерзлых грунтов, протекание реологических процессов во льду.

Чем ниже отрицательная температура мерзлых грунтов, тем больше становится и контактная сопротивляемость их сдвигу. Так, по данным Н. К. Пекарской*, при положительной температуре т:пр=1 кГ/см, а при отрицательной -при 9 =-0,8° С Тпр=*" =i6,5 кГ/см и при 9 = -2° С Тпр=9,0 кГ/см.

Все изложенное обусловливает нестабильность механических свойств мерзлых грунтов при изменении их температуры.

Изменения величины отрицательной температуры существенно сказываются и на деформируемости (сжимаемости) мерзлых грунтов.

Как показывают опыты**, сжимаемость высокотемпературных мерзлых грунтов (в области интенсивных фазовых превращений воды) велика и приближается к сжимаемости плотных глин (коэффициент относительной сжимаемости 0,0054-0,03 см/кГ), тогда как сжимаемостью грунтов в области практически замерзшего состояния, вследствие ее незначительной величины, в инженерных расчетах можно пренебречь.

Итак, вследствие различной в естественных условиях температуры вечномерзлых грунтов по глубине наблюдается неоднородность их прочностных и деформативных свойств, что создает особые условия при расчете и проектировании оснований сооружений на вечномерзлых грунтах.

При всех видах строительства на вечномерзлых грунтах существенное значение имеют прогноз изменения температур грунта ниже подошвы фундамента и особенно повышение температуры основания до положительной.

При возведении сооружений по методу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии весьма важно знать, какая температура мерзлого грунта установится после некоторого достаточно большого промежутка времени (например, через 10-15 лет), так «ак в конечном счете при данном составе мерзлого грунта (его льдистости) основным фактором, определяющим его прочностные свойства, будет величина отрицательной температуры. Важно также знать и распределение температур в вечномерзлом грунте ниже чаши протаивания, чтобы правильно использовать его несущую способность при возведении глубоких опор (столбовых, свайных и т. п.). Эти вопросы будут рассмотрены во второй части книги.

Нестабильность свойств грунтов имеет место не только при сохранении мерзлого состояния грунтов, но и при оттаивании грунтов под сооружениями. Во-первых, в процессе оттаивания меняются

* См. сноску на стр. 146.

** Н. А. Цытович. Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. Стр. 117. Изд-во АН СССР, 1958.

граничные условия, так как глубина залегания малосжимаемога грунта (вечномерзлого) все время возрастает; во-вторых, в процессе оттаивания, а для глинистых грунтов еще долгое время после оттаивания происходит уплотнение грунта, что в первую очередь сказывается на изменении модуля деформации грунтов по глубине оттаивающего слоя.

Так, в руководимой автором лаборатории опытами с моделями оттаивающих глинистых оснований было получено, что изменение коэффициента пористости оттаявшего грунта под нагрузкой уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону. Это существенно сказывается на распределении давлений по глубине оттаявшего слоя и особенно на величине давлений по контактной поверхности талого и мерзлого слоев. Опыты проводились в условиях плоской, задачи по схеме, показанной на рис. 74, б.

На рис. 74, а приведены кривые изменения коэффициента пористости Ае грунта в процессе его оттаивания, а на рис. 74, в - распределение по глубине суммы главных напряжений©, полученное на электролитическом интеграторе в неоднородном основании, модуль деформируемости которого уменьшается по глубине; при этом кривая 1 соответствует однородному полупространству в условиях плоской задачи, кривая 2 - упругому однородному слою на несжимаемом основании, кривые 3 и 4- неоднородному слою с модулем деформации линейно уменьшающемся по глубине, причем

для кривой 3 £max/£mln = 2, а ДЛЯ КрИВОЙ 4 £max/mln = 50.

приведенные данные показывают, что в неоднородном по сжимаемости слое на несжимаемом основании площадь эпюры сумм главных напряжений, величине которой пропорциональна осадка уплотнения при оттаивании, может быть значительно меньше площади такой же эпюры для однородного слоя и даже для однородного полупространства.

Таким образом, изменение сжимаемости по глубине весьма сказывается на величине расчетных характеристик деформируемости оттаивающих грунтов.

Изменение напряженного состояния промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтов существенно влияет на их сопротивляемость внешним силам и деформируемость.

Как показывают исследования, проведенные на Игарской научно-исследовательской станции АН СССР *, при промерзании грунтов не только в промерзающем слое возникают напряжения и изменяется норовое давление, но давления возрастают и в мерзлых слоях грунта.

В подтверждение сказанному на рис. 75 приведены полученные в Игарке графики изменения давлений в мерзлом грунте по замерам механическими месдозами и графики изменения температуры грунта по глубине в точках, близких к местам закладки месдоз.

Графики показывают, что возникающие давления в общем следуют изменениям температуры грунта. Для объяснения приведен-