Физико-механические свойства мерзлых пород - Геологические процессы и строительство сооружений

При строительстве сооружений в районах многолетней мерзлоты наибольшую опасность представляют участки распространения глинистых и песчаных пород (СН-450-72).

Прочность и деформируемость мерзлых пород зависят, главным образом, от гранулометрического состава, текстуры и влажности породы, ее температуры и времени действия нагрузки. Мерзлые породы обладают свойствами ползучести и релаксации напряжений: при постоянной деформации сопротивление пород непрерывно уменьшается во времени.

При оценке свойств большое значение имеет общее количество льда в объеме грунта (Льдистость) и естественная (суммарная) Влажность W, обусловленная всеми видами влаги, содержащейся в них:

W = ,

Где

W - Естественная влажность породы, %; GB - Масса влажной породы; GC - Масса сухой породы; G2 - Масса воды, полностью или частично заполняющей поры породы; G1 - Масса твердой части (скелета) породы. Она выражается в долях единицы или в процентах по отношению к массе абсолютно сухой породы.

Общая влажность WОбщ = .

Влажность мерзлой породы, обусловленная содержащимся в ней льдом:

WЛ = W - WH3.

Содержание льда в мерзлых породах обычно характеризуют:

Относительной льдистостью I - Отношением массы льда GЛ к массе всех видов воды в породе:

I = ;

Коэффициентом льдонасыщенности GЛ - Отношением массы льда к массе породы естественного состояния:

GЛ = ;

Объемной льдистостью, равной отношению объема льда к объему породы:

IV = ,

Где

УЛ - Плотность льда, г/см3. СНиПом рекомендуется определять показатель Степени заполнения пор мерзлой породы Льдом и незамерзающей водой G:

G = ,

Где Е - Коэффициент пористости мерзлой породы естественного сложения; - Плотность воды. Для талых пород этот показатель называется Коэффициентом водонасыщения. Для мерзлых пород, в отличие от талых, он может быть больше единицы.

При оттаивании пород пористость резко увеличиваются, что является причиной их большой деформируемости и просадочности. При промерзании водонасыщенных пород без свободного оттока воды увеличение их объема изменяет плотность сложения, происходит разуплотнение, разрыхление (морозное пучение), а при оттаивании пористость, как и влажность, оказывается высокой.

Мерзлые породы Водонепроницаемы. Прочность и несущая способность зависят от петрографического типа, температуры и влажности - льдистости (Таблица 2,3). Мерзлые песчаные и глинистые породы по своей прочности приближаются к полускальным. Прочность мерзлых песков выше прочности мерзлых глин, что объясняется малым содержанием в песках, как в более грубозернистых породах, незамерзающей воды и более совершенной цементацией их льдом.

Таблица 2

Изменение прочности мерзлых песчаных и глинистых пород на сжатие при изменении их температуры, при быстром приложении нагрузки (по Н. А. Цытовичу)

Породы

Температура,

Влажность,

Временное

°С

%

Сопротивление сжатию, Мпа Породы кгс/см2

Песок

- 1

17,2

6,6

- 6

16,3

9,9

- 12

17,0

9,9

- 20

15,7

15,2

Глина

- 0,3

43,0

0,6

- 1,5

47,7

1,6

- 4,9

49,5

3,1

- 10,1

46,6

5,0

Таблица 3

Изменение прочности мерзлых песчаных и глинистых пород на сжатие при увеличении их влажности (льдистости), при быстром приложении нагрузки (по Н. А. Цытовичу)

Породы

Температура,°С

Влажность,

%

Коэффициент насыщения

Временное сопротивление сжатию, Мпа

Песок

-12

6,3

0,30

6,6

-12

10

0,48

9,9

-12

16,3

0,78

13,3

-12

17,9

0,85

13,5

Глина

-12

4,3

0,3

2,0

-12

12,5

0,8

4,8

-12

16,5

1

5,0

-12

29,3

1

3,2

-12

34,6

1

2,8

Для мерзлых песчаных и глинистых пород важно устанавливать их длительную прочность (сопротивление разрушению при длительном воздействии нагрузки), т. к. для них характерно развитие деформаций во времени и склонность к упруго-вязким и вязко-пластическим деформациям.

Таблица 4

Мгновенная и длительная прочность мерзлых пород естественного сложения при испытании на сжатие (по С. С. Вялову)

Породы

Естественная влажность, %

Температура,°С

УМгн

УДл

Мпа

Супесь легкая Супесь тяжелая
    20-24 32-35

- 4

4
    3,3-3,6 1,6-1,8
    0,5 0,2-0,3

Таблица 5

Мгновенная и длительная прочность мерзлых пород естественного сложения при испытании на растяжение

Породы

Естественная влажность, %

Температура,°С

УМгн

УДл

Мпа

Суглинок тяжелый пылеватый

Суглинок легкий пылеватый Супесь тяжелая пылеватая

Супесь тяжелая пылеватая

Супесь тяжелая пылеватая

Супесь легкая пылеватая
    39 30 44 44 30 31

- 4,2

    4,0 4,2 0,3 4,6 4,3
    2,4 2,0 2,0 0,7-0,8 2,0
    0,17-0,18 0,16-0,17 0,16-0,17 0,03 0,17-0,18 0,18

Длительная прочность Мерзлых пород, зависящая от их петрографического состава, влажности (льдистости) и температуры, в 5-15 раз меньше условно-мгновенной (Таблица 4 и 5), с понижением температуры обе прочности повышаются.

Общее сопротивление сдвигу мерзлых песчаных и глинистых пород изменяется от 3-5 до 40 - 50 кгс/см2 и зависит от длительности действия сдвигающей (скалывающей) нагрузки от условно мгновенной ФМгн до длительной ФДл (Рис. 1).

Параметры сопротивления сдвигу - сцепление и трение - изменяются от начального до длительного. При этом сдвиг часто происходит в виде скалывания. Для них характерен хрупко-пластический характер разрушения, как и для многих полускальных пород.

'

диаграмма сопротивления мерзлых пород сдвигу для различных моментов времени (по с.с. вялову)

Рис. 1. Диаграмма сопротивления мерзлых пород сдвигу для различных моментов времени (по С. С. Вялову).

Сопротивление сдвигу мерзлых пород зависит от их температуры (Таблица 6). Величина сцепления изменяется во времени и зависит от температуры весьма сильно, а угол трения изменяется мало. При оттаивании прочность резко снижается за счет уменьшения сил сцепления до нуля, происходит релаксация пород.

Таблица 6

Мгновенное и длительное сопротивление сдвигу (скалыванию) мерзлых песчаных и глинистых пород нарушенного сложения (по С. С. Вялову)

Породы

Влажность породы,

%

Температура,

°С

ФМгн

ФДл

Мпа

Песок

Пылеватая порода

Пылеватая порода

Пылеватая порода

Глина

Глина

Глина
    15 22 22 22 35 35 35
    -2,5 0,5 1,8 6,0 0,5 1,4 10,0
    1,70 0,48 0,97 2,80 0,46 0,65 1,80
    0,50 0,17 0,30 0,68 0,11 0,23 0,68

Важное значение для мерзлых пород имеют Силы смерзания - вид сопротивления мерзлых пород сдвигающим (скалывающим) усилиям, наиболее проявляющемся у мелко - и тонкозернистых пород в их способности смерзаться с фундаментами и выпучивать их при промерзании (морозное пучение), преодолевая сопротивление льда срезыванию; трение фундамента о мерзлую породу; нагрузку от фундамента и несущих конструкций. Суммарную величину первых двух составляющих называют силами смерзания.

Коэффициент относительной сжимаемости оттаивающих пород измеряется десятками процентов.

Похожие статьи




Физико-механические свойства мерзлых пород - Геологические процессы и строительство сооружений

Предыдущая | Следующая