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

Согласно новейшим данным, уплотнение (изменение пористости) высокотемпературных мерзлых грунтов является весьма сложным физико-механическим процессом, обусловленным деформируемостью и перемещениями всех компонентов: газообразных, жидких (незамерзшей воды), пластично-вязких (льда) и твердых (минеральных частиц).

Газообразная составляюиая (замкнутые пузырьки воздуха и пара) нри ненарушенных структурных связях в значительной степени обусловливает упругость мерзлых грунтов, а после разрушения под нагрузкой агрегатооз минеральных частиц, защемляющих газы, - неупругие, быстро протекающие изменения объема грунта с выдавливанием газообразной составляющей.

Незамерзшая вода, как содержащаяся в мерзлых грунтах до их нагружения, так и образующаяся ,в точках контакта минеральных частиц, медленно выдавливается из пор мерзлых грунтов, обусловливая их сжимаемость, что однозначно ©ытекает и из результатов опытов А. Г. Бродской по определению изменений суммарной влажности (ее уменьшения) в образцах мерзлых грунтов после их компрессионного сжатия.

Лед под влиянием давлений, возникающих в точках контакта минеральных частиц, частично тает и, перемещаясь в менее напряженные микро- и макрозоны, вновь замерзает, что также обусловливает уплотнение мерзлых грунтов. Кроме того, при компрессии льда происходит перестройка его структуры (в более мелкозернистую) с оплавлением острых граней кристаллов льда (что установлено непосредственными кристалло-оптическими исследованиями) и значительные по величине пластично-вязкие течения кристаллов льда и их агрегатов.

Твердые минеральные частицы при достижении в агрегатах сдвигающих напряжений, больших некоторой критической величины, имеют сдвиговые перемещения, которые изменяют строение (текстуру) мерзлых грунтов, обусловливая более компактную упаковку отдельных частиц и их агрегатов, что также обусловливает общее уплотнение мерзлых грунтов под нагрузкой при неизменной их отрицательной температуре.

Главнейшими причинами уплотнения мерзлых грунтов под нагрузкой следует считать перемещения структурных элементов мерзлых грунтов и нарушения равноцесного со:стояния ,между незамерзшей водой и .норовым льдом.

Деформируемость замкнутых газообразных включений мерзлого грунта и упругость всех других его компонентов обусловливают величину мгновенных деформаций мерзлого грунта.

Деформации, вызываемые перемещениями незамерзшей воды (как содержащейся в мерзлых грунтах до нагрузки, так и образующейся при таянии льда в точках контакта частиц при нагрузке), обусловливают филътрационно-миграционную часть деформации уплотнения мерзлых грунтов; при этом, как показывают соответствующие расчеты, изменение пористости мерзлых грунтов вследствие таяния льда в точках контакта составляет не более 1/3 от

всей деформации уплотнения, а остальное приходится на дефор-мацию затухающей ползучести (или вторичной консолидации), обусловленной необратимыми сдвигами частиц и их агрегатов. Если, например, принять по опытам Хекстра* увеличение содержания незамерзшей воды при увеличении внешнего давления на 100 кПсм равным А\н = 0,07 или на 1 кПсм А1Гн=0,0007, то получим:

при р=\ кГ/см изменение пористости мерзлого грунта за счет выдавливания воды, образовавшейся при таянии льда в точках контакта, будет равно As=уудАн=2,78-0,00070,00195;

при р = 2 кГ/см соответственно As = 0,0039;

при /7 = 8 кГ/см As = 0,0156, что составляет примерно одну треть от величины изменения коэффициента пористости, полученной экспериментально для суглинка массивной текстуры **. Например, при №0 = 31,6%, е== 0,4С и р = 1 кГ/см получено A8i = 0,007; при р = 2 кГ/см для того же образца мерзлого грунта А82 = 0,0150 и при р = = 8 кГ/см As8 = 0,0420, что подтверждает высказанное выше положение.

Отметим, что фильтрационно-миграционная деформация имеет место преимущественно в начальный период после загружения грунта и с течением времени составляет все меньшую часть от суммарной деформации уплотнения мерзлых грунтов.

Метод прогноза изменений шо времени (аналитический расчет) фильтрационно-миграционной консолидации мерзлых грунтов в настоящее время еще не разработан и при прогнозе осадок сооружений на высокотемпературных мерзлых грунтах приходится ограничиваться лишь определением суммарной осадки уплотнения (консолидации), не разделяя ее на фильтрационно-миграционную (первичную) консолидацию и затухающую ползучесть (вторичную консолидацию), а протекание осадок мерзлых грунтов во времени, лишь начиная с некоторого промежутка от начала загружения, рассматривать как процесс затухающей ползучести, что будет изложено в следующем параграфе.

В общем случае, компрессионная кривая (кривая уплотнения) мерзлых грунтов при сохранении их отрицательной температуры имеют вид, показанный на рис. 101.

Рис. 101. Компрессионная кривая для сильнольдистых мерзлых грунтов

* См. главу 1, § 6. ** См. сноску **** на стр. 205, табл. 8, опыт. 4.

На компрессионной ,юривой мерзлого грунта можно различать три основных участка aai; аха2 и агз (рис. 101). Участок aai (до точки ai), отвечающий перовому максимуму компрессионной кривой, характеризует упругую (и структурно-обратимую деформации мерзлого грунта при компрессии (без нарушения структурных связей). Скорость деформирования в этом диапазоне давлений весьма велика и практически может приниматься мгновенной. Величина давления, соответствующая точке йи близка к структурной прочности мерзлого грунта, превосходя которую лишь начинается уплотнение (необратимое уменьшение пористости) грунта. При малых напряжениях (около 0,5-1 кГ/см) структурно-обратимые деформации (по А. Г. Бродской) могут составлять 1007о от полной деформации, при средних же давлениях (порядка 4-10 кГ/см) и не очень низкой температуре (порядка до -4° С) упругие и структурно-обратимые деформации, как показали соответствующие опыты, составляют от 10 до 30% от полной деформации.

Участок компрессионной кривой характеризует структурно-необратимые деформации мерзлого грунта при компрессии, величина которых составляет от 70 до 90% от полной деформации. Эти деформации обусловлены, главным образом, необратимыми сдвигами частиц и их агрегатов (ползучестью скелета мерзлого грунта и льда) и достигают наибольшей величины при давлении, соответствующем точке перегиба кривой aia2, причем для некоторых мерзлых грунтов значительная величина структурно-необратимых деформаций (по И. В. Бойко) наблюдается еще при давлениях в 200 кГ/см,

Далее, участок кривой «газ, который не всегда может быть достигнут при средней величине внешних давлений, характеризует упрочнение мерзлых грунтов, главным образом, вследствие увеличения элактромолекуляряых связей между частицами мерзлых грунтов при сближении расстояния между ними.

Как отмечалось ранее, при прогнозе осадок фундаментов, возводимых на вечномерзлых грунтах при сохранении их отрицательной температуры, в настоящее время ограничиваются определением лишь суммарной (стабилизированной) осадки уплотнения по величине суммарного коэффициента относительной сжимаемости мерзлых грунтов, заданной внешней нагрузке и мощности активной зоны сжатия, не разделяя деформации уплотнения мерзлых грунтов на фильтрационно-миграционные и деформации ползучести.

Величина суммарного коэффициента относительной сжимаемости мерзлых грунтов (которую обозначим через al) определяется в опытах на компрессию мерзлых грунтов (в нетеплопроводных одометрах) или вычисляется по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штам-

* См. сноску на стр. 182.