Реферат Физические и механические свойства вечномерзлых грунтов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
1.
2.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ.
Мерзлый грунт является четырехфазной системой, содержащей минеральные частицы, воздух, воду и лед. Лед цементирует минеральные частицы и придает грунту новые физические и механические свойства. Эти свойства в значительной мере зависят от температуры, величина которой определяет количество незамерзшей воды в грунте, льдистость, прочность льдоцементационных связей и закономерности изменения прочности и деформируемости вечномерзлых грунтов. Изменение температуры грунта приводит к таким процессам и явлениям как:
Ø Миграция влаги. Зависит главным образом от движения воды по пленкам, окружающим твердые частицы, вследствие градиента сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц ниже границы промерзания в пределах зоны всасывания.
Ø Морозное пучение грунта (характерно для влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков при их промерзании) – увеличение объема промерзающего грунта вследствие объемного расширения (приблизительно на 9 %) при переходе воды в лед, как первоначально находившейся в порах, так и мигрировавшей в зону промерзания из нижерасположенных слоев грунта. Количественно характеризуется:
§ Величиной морозного пучения
ft
– абсолютное значение поднятия поверхности промерзающего слоя грунта толщиной dt (абсолютная деформация).
§ Коэффициентом морозного пучения
ε
t
– относительная величина морозного пучения промерзающего слоя грунта (относительная деформация).
Интенсивность морозного пучения зависит от многочисленных факторов:
· Состава и состояния грунта;
· Скорости и продолжительности промерзания;
· Величины внешнего давления
и др.
Ø Наледи. При наличии подземных вод образуются поверхностные (наземные слои льда, образовавшиеся от излияния и замерзания вод на поверхности) и грунтовые наледи (подземные слои льда, образующиеся вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные и многолетние.
Ø Бугры пучения: сезонные и многолетние.
Ø Криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов. В процессе промерзания деятельного слоя грунта и после промерзания, вследствие неравномерного уменьшения объема грунта при охлаждении, образуются трещины, которые проникают в слой вечномерзлого грунта, создавая условия для образования трещинных льдов.
Ø Солифлюкация – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Пример солифлюкации можно посмотреть в приложении рис. 1.1.
Ø Ледяные клинья в вечномерзлой толще – в результате повторного чередующегося морозобойного растрескивания и цементации трещин льдом.
Ø Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явлений, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоев, линз и жил), возникновение в толще мерзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрицательных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других понижений.) Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт.
Различные по гранулометрическому, минералогическому составу, состоянию и засоленности грунты замерзают при различных температурах (несколько ниже 0˚С), что обусловлено степенью связности поровой воды с минеральным скелетом. При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к уменьшению количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды в грунтах зависит от их гранулометрического и минералогического состава, концентрации и химического состава солей в поровой воде, внешнего давления и других факторов (см. приложения рис. 1.2.). В мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии в зависимости от внешних условий и воздействий. Наличие в мерзлом грунте промерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).
Физические свойства грунтов.
Основные характеристики:
§ Плотность мерзлого грунта естественной структуры
где
§ Плотность твердых частиц мерзлого грунта
§ Суммарная влажность мерзлого грунта
Cуммарную влажность можно выразить в виде суммы влажностей:
§ Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды
Дополнительные характеристики:
§ Влажность грунта за счет включений льда
§ Влажность грунта между включениями льда
§ Влажность за счет льда-цемента
§ Суммарная льдистость мерзлого грунта
§ Льдистость мерзлого грунта за счет включений льда
§ Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой
§ Пористость nf это отношение объема пор ко всему объему грунта
§ Коэффициент пористости ef равен отношению объема пор к объему твердых частиц.
§ Плотность скелета грунта
§ Удельный вес мерзлого грунта, кН/м3, определяется расчетом
Мерзлые грунты можно классифицировать по льдистости и температуре.
1) По льдистости :
· Сильнольдистые
· Среднельдистые
· Cлабольдистые
Ледяные включения, количественно определяемые льдистостью
2) В зависимости от температуры:
· Твердомерзлые, характеризующиеся температурой ниже температуры перехода Tsg(зависит от вида грунта и изменяется от -0,1˚С(крупные и средней крупности пески) до -1,5˚С(глины)) или коэффициентом сжимаемости
· Пластичные, характеризуются температурой от начала замерзания Тhf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Tsg и достаточно большой сжимаемостью (
· Сыпучемерзлые – грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью
Механические свойства грунтов.
Механические свойства мерзлых грунтов зависят от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности действия нагрузки. Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды и льда, у которого давление любой интенсивности вызывает пластическое течение, обуславливает протекание реологических процессов.
§ Прочность мерзлых грунтов. Интенсивное развитие в мерзлых грунтах ползучести приводит к значительному уменьшению их прочности и сопротивляемости любому характеру разрушений (Rt) при длительном действии нагрузок (см. приложения рис. 1.3.). При проектировании зданий и сооружений используются значения предельно-длительной прочности мерзлых грунтов
Н. А. Цытович предложил методику определения эквивалентного сцепления Ceq – комплексной характеристики прочностных свойств мерзлых грунтов, учитывающий совместно силы сцепления и трение. Величина эквивалентного сцепления подсчитывается по результатам испытаний шаровым штампом:
где N-нагрузка на штамп, кН; D-диаметр штампа, м; st-величина осадки штампа в различные промежутки времени.
Величина длительного эквивалентного сцепления определяется по результатам испытаний продолжительностью 8 ч с введением коэффициента 0,8, т.е. Ceq t=0,8Ceq
§ Сжимаемость мерзлых грунтов. Зависит от их состава и состояния, температуры, времени действия, величины и характера приложения нагрузки. Основной характеристикой сжимаемости мерзлых грунтов является коэффициент сжимаемости, который может быть определен по данным компрессионных испытаний (в нетеплопроводных одометрах) или рассчитан по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов. Компрессионная зависимость представлена в приложении см. рис. 1.4. Коэффициент сжимаемости
При полевых испытаниях грунтов пробной нагрузкой с помощью холодных штампов коэффициент сжимаемости вычисляется по формуле теории линейно-деформируемых тел
§ Прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при оттаивании. Оттаивание грунтов сопровождается разрушением льдоцементационных связей при переходе льда в воду. При этом резко уменьшается как сцепление cth грунтов, так и их угол внутреннего трения ϕth (по сравнению с этими характеристиками в мерзлом состоянии). Угол внутреннего трения оттаивающего грунта ϕth или приближается по величине к углу внутреннего трения для немерзлых грунтов ϕ (при равной влажности – плотности), или становится несколько меньше его. Сцепление сth будет значительно меньше сцепления тех же грунтов в талом состоянии или близко к нулю. Поэтому характеристики оттаивающего грунта ϕth и сth необходимо в каждом конкретном случае определять экспериментально. Предельное сопротивление сдвигу оттаивающих грунтов с достаточной для практических целей точностью, можно принимать соответствующим теории прочности Кулона-Мора, т.е. по выражению:
Консолидация грунта в связи с его уплотнением после оттаивания под действием собственного веса и восстановление структурных связей приводит к увеличению сопротивления сдвигу. При оттаивании льдистых грунтов даже без приложения внешнего давления возникают быстропротекающие осадки оттаивания – просадки. Внешняя нагрузка вызывает осадки уплотнения при оттаивании, происходящие за счет уменьшения пористости оттаивающего грунта. Компрессионные испытания мерзлого грунта при оттаивании проводят с помощью предложенного Н. А. Цытовичем одометра из нетеплопроводного материала и горячего штампа. По результатам таких испытаний определяется относительная осадка
где
При небольших давлениях на оттаивающие грунты (до 0,3 – 0,5 МПа) зависимость
где
Из выражения (1.14) видно, что осадка мерзлых грунтов при оттаивании состоит из осадки оттаивания (или тепловой осадки) и величины
