К. Т. Тажибаев др техн наук, профессор, засл деятель науки кр
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
4.5. Деформирование и разрушение горных пород при объемном нагружении Особенности объемного нагружения горных пород в массиве. Характеристики прочности горных пород σ сж , σ ρ , о, σ сдв , определяемые в условиях элементарных напряженных состояний (одноосное сжатие, растяжение, сдвига, используются при построении различных теорий прочности, позволяющих оценивать прочность горных пород при любых видах напряженного состояния, наблюдаемых в окрестности горных выработок. Для оценки достоверности теоретических построений проводятся экспериментальные исследования прочности горных пород в условиях объемного напряженного состояния с главными нормальными напряжениями σ 1 >σ 2 >σ 3 . Предположим, что в окрестности горной выработки главные площадки элементарного объема, по которым действуют главные нормальные напряжения (касательные напряжения по этим площадкам равны нулю, ориентированы, как показано на рисунке 46. Рисунок 46. Объемное напряженное состояние горных пород в окрестности горной выработки Величина главного напряжения σ 2 определяет так называемый вид объемного напряженного состояния. Это легко определить, если ввести параметр Надап–Лоде: μ σ = , (84) который изменяется в интервале –1≤ μ σ ≤ 1. Считая сжимающие напряжения положительными, при выполнении условия σ 1 >σ 2 = σ 3 будем иметь согласно (84) μ σ = -1, что также соответствует условию одноосного сжатия (σ 1 >0, σ 2 = σ 3 = 0) и представляет напряженное состояние обобщенного сжатия. Прибудем иметь μ σ = что представляет напряженное состояние обобщенного сдвига. Наконец, прибудем иметь μ σ =1, что также соответствует условию одноосного растяжения (σ 1 = σ 2 = 0, σ 3 < 0) и представляет напряженное состояние обобщенного растяжения. Анализ геомеханических процессов вблизи горных выработок показывает, что объемное напряженное состояние горных пород по мере удаления от контура выработки изменяется от состояния, близкого к обобщенному растяжению и обобщенному сдвигу, до состояния обобщенного сжатия в глубине массива. Действительно (рисунок 46), в глубине нетронутого породного массива, где влияние выработки не сказывается, компоненты главных напряжений обычно находятся в соотношении σ 1 >σ 2 = σ 3 , что соответствует μ σ = –1 и напряженному состоянию обобщенного сжатия. По мере приближения к породному обнажению горной выработки возрастает концентрация максимальных напряжений σ 1 (зона опорного давления, а минимальные напряжения σ 3 увеличиваются мало или остаются на прежнем уровне. Промежуточные напряжения σ 2 в зоне опорного давления близки по величине к произведению суммы (σ 1 +σ 3 ) на коэффициент Пуассона μ, те. компоненты напряжений находятся в соответствии σ 1 >σ 2 >σ 3 , соответствующим при μ σ = 0,5 напряженному состоянию обобщенного сдвига. В зоне трещиноватого массива вблизи породного обнажения μ на контуре выработки минимальные напряжения σ 3 становятся равными нулю, уменьшается концентрация напряжений и σ 2 , причем промежуточные напряжения приближаются по величине к максимальным напряжениям σ 1 (см. рисунок 46), те. компоненты напряжений находятся в соотношении σ 1 =σ 2 >σ 3 , характерном для обобщенного растяжения, когда μ σ =1. Отсюда становится очевидным, что механические испытания горных пород должны производиться в объемном напряженном состоянии, соответствующем их нагружению в породном массиве. Наиболее распространенная схема экспериментального объемного нагружения горных пород – это обобщенное сжатие (σ 1 =σ 2 = σ 3 ), или так называемая схема Кармана, соответствующая напряженному состоянию массива, не подверженного влиянию горных работ, те. массива вдали от выработки. Нагружение осуществляется в стабилометрах, например, конструкции ВНИМИ. Гораздо реже осуществляются испытания в стабилометрах по схеме обобщенного растяжения (σ 1 =σ 2 >σ 3 ) или так называемой схеме Беккера, хотя в приконтурной области выработок, наиболее опасной сточки зрения их устойчивости, реализуется именно эта схема нагружения горных пород, именно она и должна использоваться для оценки их прочностных свойств. В области концентрации напряжений реализуется неравнокомпонентное напряженное состояние горных пород (σ 1 >σ 2 >σ 3 ), которое не воспроизводится в стабилометрах системы Кармана. Для испытаний по такой схеме разработаны и эксплуатируются специальные установки неравнокомпонентного объемного нагружения. Испытания на установках объемного нагружения позволили достаточно полно исследовать механические свойства горных пород на допредельной стадии деформирования. Анализируя эти испытания, необходимо отметить общую тенденцию к увеличению разрушающих напряжений сжатия σ 1 с увеличением среднего напряжения, равного 1/3 (σ 1 +σ 2 + σ 3 ), наблюдаемый эффект в большей степени проявляется в трещиноватых и пористых породах, чем в монолитных. Полные диаграммы деформирования при объемном нагружении. Прочностные свойства горных пород при объемном нагружении на запредельной стадии деформирования обычно изучаются в стабилометрах по схеме нагружения Кармана, те. для условий обобщенного сжатия, хотя наиболее представительными являются испытания по схеме Беккера. Имеются эксперименты на установках трехосного равнокомпонентного сжатия. Используются различные виды объемного нагружения при постоянном боковом давлении и при постоянном соотношении между компонентами напряжений (пропорциональное нагружение, которые дают некоторое различие в запредельном деформировании горных пород. Во втором случае объемного нагружения наблюдается увеличение разности между максимальной σ сж и минимальной σ 0 , несущей способностью образца при этом все участки деформирования (допредельный, запредельный и остаточной прочности) фиксируются более четко. Существенное влияние на результаты эксперимента оказывает склонность пород к хрупкому разрушению (рисунок 47). Рисунок 47. Полные диаграммы деформирования горных пород при объемном нагружении Увеличение бокового давления σ 3 в горных породах, обнаруживающих пластические деформации, увеличивает максимальную прочность и уменьшает разность между максимальной и минимальной прочностью (рисунок 47). В горных породах, разрушающихся хрупко, увеличение бокового давления приводит лишь к увеличению максимальной прочности (рисунок 47). 4.6. Теории прочности горных пород Испытания на установках объемного нагружения, моделирующих напряженное состояние горных пород в массиве, показали, что механизм разрушения и максимальная несущая способность горных пород зависят от соотношения между компонентами главных напряжений σ 1 ,σ 2 , σ 3 , те. от вида напряженного состояния. Поскольку характеристики прочности горных пород обычно определяются в условиях элементарных напряженных состояний (σ сж ,σ ρ ), необходимы математические уравнения, которые бы включали эти характеристики, но при этом достоверно описывали механизм разрушения в условиях объемного напряженного состояния. Такие уравнения называются уравнениями прочности и являются математическим выражением применяемой теории прочности горных пород. В настоящее время не представляется возможным построить универсальную теорию прочности твердых тел, в том числе игорных пород. Поэтому обычно применяются теории прочности, отражающие только главные особенности механизма разрушения твердых тел. При исследовании разрушения горных пород такой подход представляется единственно приемлемым, если учесть многообразие их структурных и текстурных особенностей. Наибольшее распространение в геомеханике получили механические теории прочности, в рамках которых прочность пород определяется только уровнем напряженного состояния. Соответствующее уравнение прочности имеет общий вид φ(σ 1 ,σ 2 , σ 3 ) = 0 , (85) где σ 1 >σ 2 >σ 3 ; σ 1 ,σ 2 , σ 3 – компоненты главных напряжений. Если проанализировать механические теории прочности в историческом аспекте, можно заметить, что первые из них учитывали только максимальное σ 1 и минимальное σ 3 главные напряжения. Наконец, в последние годы развиваются механические теории прочности, учитывающие в том числе и среднее по величине главное напряжение σ 2 , что для породных массивов представляется особенно важным. Среди механических теорий прочности в геомеханике наибольшее распространение имеет теория прочности Мора, согласно которой разрушение наблюдается по определенным площадкам сдвига, где сдвигающее касательное напряжение τ находится в определенном соотношении с нормальным напряжением, те. выполняется предельное неравенство | |≥f(σ), или по площадкам, где действующее нормальное растягивающее напряжение σ превосходит предел прочности горных пород на одноосное растяжение σ ρ , те σ ρ . Таким образом, теория прочности Мора описывает разрушение в результате как сдвига, таки отрыва. Уравнение прочности вида (86), соответствующее теории прочности Мора в случае линейной функции f(σ), записывается следующим образом σ 1 - сж р σ 3 = σ сж , (86) где σ сж , σ ρ – характеристики прочности горных пород, определяемые в условиях элементарных напряженных состояний. При σ 1 >σ 2 >σ 3 уравнение (85) описывает разрушение в результате сдвига, при σ 1 =0 и σ 3 <0 – разрушение в результате отрыва. Уравнение прочности (85), описывающее разрушение горных пород на предельном уровне напряжений или в предельном состоянии, можно дополнить деформационными соотношениями для запредельного состояния и таким образом построить уравнение прочности, описывающее разрушение горных пород за пределом прочности σ 1 - сж р = σ сж - μ " ׀ , (87) где μ – модуль спада " ׀ – приращение линейных деформаций ε ״ за пределом прочности. Для состояния остаточной прочности уравнение (86) принимает вид σ 1 - сж р = σ 0 , (88) где σ 0 – остаточная прочность горных пород. Вместе стем механические теории прочности являются феноменологическими (необычными, так как дают только внешнее описание разрушения, не раскрывая его внутреннего механизма. Последняя сторона процесса разрушения нашла отражение в рамках (микродефектных) теорий трещинообразования. Соответствующее уравнение прочности в конечном итоге также имеет вид (85). Гриффите, анализируя развитие трещин, построил уравнение прочности вида (85), раскрывающее внутренний механизм хрупкого разрушения твердых тел. В случае одноосного растяжения пластинки из материала с модулем упругости Е и узкой эллиптической трещиной длиной Сориентированной нормально к растягивающим напряжениям σ 3 , Гриффите установил критическое значение напряжений, при котором начинается неустойчивое распространение трещины | | = ЕТ ПС , (89) где Т – удельная энергия разрушения, являющаяся физической константой материала и представляющая собой энергию, которую необходимо затратить для образования единицы площади новой поверхности трещины при разрушении, Дж/м 2 Из выражения (89) следует также, что величина √2ЕТ= | ПС = const является константой материала, называемой критическим коэффициентом интенсивности напряжений К iкр или коэффициентом трещиностойкости, который определяется экспериментально при растяжении образцов с надпилами, что позволяет в конечном итоге оценить величину удельной энергии разрушения Т. Коэффициент трещиностойкости можно также определить в результате испытаний на изгиб породных образцов с надпилами. Рассматривая произвольно ориентированную эллиптическую трещину в условиях двуосного растяжения–сжатия, соответствующую главными напряжениями и σ 1 >0, Гриффите получил следующие критерии прочности вида если 3σ 3 +σ 1 >0, тор) если 3σ 3 +σ 1 <0, тор) Положив в (90) σ 3 =0, получим условие одноосного сжатия, откуда находим σ сж / р = 8. В случае двуосного растяжения–сжатия трещина может в процессе деформирования раскрываться и закрываться. Макклинток и Уолш показали, что при этом необходимо учитывать взаимодействие берегов закрывающихся трещин, которое проявляется в виде трения. Тогда критерий прочности записывается следующим образом σ 1 = - р + σ 3 , (92) где f – коэффициент трения берегов трещин, величина которого обычно колеблется в интервале от 0,5 до 0,9. Если перейти к координатам τ-6, критерий прочности (92) преображается к виду τ = fσ – рте. является уравнением прямолинейной огибающей, что с точностью до принятых обозначений совпадает с уравнением прямолинейной огибающей в теории прочности Мора. Такое совпадение не является случайным, поскольку в общих случаях заложены предпосылки о внутреннем трении по плоскостям разрушения. К аналогичным выводам пришел Г.П. Черепанов, анализируя хрупкое разрушение материалов от сдвиговых трещин. Дело в том, что рассмотренные выше исследования в основе своей имеют гипотезу наибольших растягивающих напряжений. Однако в сжатых телах, какими являются породные массивы, в окрестности концов трещин растягивающие напряжения не всегда могут возникнуть, а сдвиговые напряжения достигают предельных значений. Если геометрические параметры трещин и константы материала выразить через их интегральную прочностную характеристику σ сж , получим критерий прочности в следующем виде (σ 1 - σ 3 ) – (σ 1 + а = σ сж (а, (93) где а = Сравнивая выражение (93) с предельным уравнением Мора (86), приходим к выводу, что они совпадают с точностью до обозначений, те. (93) является уравнением прямолинейной огибающей диаграмме Мора. Таким образом, критерии хрупкого разрушения (90)–(93) могут быть использованы для описания механизма трещинообразования в горных породах. Однако поскольку в основе критериев разрушения лежит анализ условий развития единичной трещины, методы изложенной теории трещинообразования применимы для исследования процессов разрушения породных массивов тогда, когда разрушение массивов реализуется в виде развития магистральной трещины (например, разрушение крупносложенной кровли камер. Гораздо чаще трещинообразование реализуется в виде развития системы хаотических или ориентированных трещин, что приводит к образованию областей разрушения, где горные породы теряют свою несущую способность например, областей разрушения в приконтурном массиве горных выработок, породных целиков. Паспорт прочности горных пород Графическая трактовка теории прочности Мора наглядно представляется в виде огибающей предельных кругов Мора (рисунок 48). Рисунок 48. Паспорт прочности горных пород Предельные круги Мора, которые для горных пород обычно строятся по результатам ассиметричных стабилометрических испытаний в виде разрушающих максимального главного напряжения σ 1 и минимального главного напряжения σ 3 , имеют центр на горизонтальной оси σ с координатами 0,5 (σ 1 + σ 3 ) и описываются радиусом 0,5(σ 1 - σ 3 ). Круг одноосного растяжения имеет центр с координатой – 0,5 р и радиус р, соответственно круг одноосного сжатия – центр с координатой 0,5σ сж и радиус 0,5σ сж . Огибающая предельных кругов Мора для горных пород получила название паспорта прочности горных пород. Для построения паспорта прочности могут быть использованы также результаты сдвиговых испытаний горных пород в виде разрушающих сдвиговых напряжений τ и соответствующих им нормальных напряжений σ по площадке сдвига. Разрушение горных пород будет иметь место для напряженных состояний на огибающей или выше ее. Независимо от способа построения огибающей, она должна удовлетворять определенным требованиям, следующим из теории Мора кривая | | = f| | должна быть монотонной, симметричной относительно оси σ, с производной d| |/ dτ ≥ 0 во всем диапазоне ее существования, должна пересекать ось σ под прямым углом в области растягивающих напряжений, отсекая отрезок, соответствующий пределу прочности горных пород на одноосное растяжение σ р Для аппроксимации экспериментальных огибающих предлагаются аналитические зависимости | | = f| | различного вида. Однако следует отметить, что одни из них не удовлетворяют сформулированным выше требованиям, а другие имеют слишком сложную форму записи, что затрудняет их последующее использование при решении практических задач геомеханики. Чаще всего, стремясь к упрощению инженерных расчетов, применяют линейную аппроксимацию, показанную на рисунке 48, которая достаточно правильно описывает разрушение только в области сжимающих напряжений. Прямолинейная огибающая легко может быть определена на основании прочностных характеристик σ сж и р, которые используются для построения предельных кругов одноосного сжатия и одноосного растяжения. Соответствующее уравнение прочности записывается в виде (86) σ 1 - сж р σ 3 = σ сж На рисунке 48 показаны также часто используемые прочностные характеристики К – коэффициент сцепления ρ – угол внутреннего трения. Соответствующая аналитическая аппроксимация прямолинейной огибающей представляется в виде | | = К tgρ, (94) где К = 0,5 сж · р ; р = сж р сж · р ; σ сж = КВ задачах геомеханики (86) и (94) часто используется другая форма записи уравнения прямолинейной огибающей Σ 1 - (2λ+1) σ 3 = σ сж , (96) где λ = , (97) В частном случае идеально-сыпучей горной породы (σ сж = 0) будем иметь σ 1 – (2λ+1) σ 3 = 0, (98) а в случае удельно-пластической горной породы (р σ 1 - σ 3 = σ сж (99) Недостатком теории прочности Мора является то, что она не учитывает зависимость прочности горных пород от среднего по величине главного нормального напряжения σ 2 , которое определяет вид напряженного состояния и величину обжимающего напряжения (σ 1 +σ 2 + σ 3 ) / 3, оказывающего упрочняющее действие нагорные породы. 4.7. Механические свойства грунтов Составные части и общая классификация грунтов. Грунтами называют верхние слои коры выветривания литосферы. В большинстве случаев верхние слои земной коры сложены крупнообломочными, песчаными и пылевато- глинистыми грунтами, образовавшимися в результате физического и химического выветривания, органогенными грунтами, возникшими в результате отложения органических веществ (например, торф) и техногенными грунтами, образовавшимися в результате отсыпки или намыва различных материалов. Таблица 12 – Классификация грунтов Фракция Диапазон размеров частиц, мм Валуны (окатанные) и глыбы (угловатые) >200 Галька (окатанная) и щебень (угловатый) 200÷10 Гравий (окатанный) и дресва (угловатая) 10÷2 Песчаные Крупные 2÷0,5 Средние 0,5÷0,25 Мелкие 0,25÷0,05 Пылеватые: Крупные 0,05÷0,01 Мелкие 0,01÷0,005 Глинистые <0,005 Большинство грунтов состоят из трех компонентов твердых частиц, воды и воздуха или иного газа. В мерзлых грунтах, являющихся четырехкомпонентной системой, содержится лед. Механические свойства грунтов в первую очередь определяются твердыми частицами, их минеральным составом, размерами и характером связи между ними. По размерам, мм, и минеральному составу твердых частиц грунты классифицируются следующим образом (таблица 12). Чаще всего встречаются грунты, состоящие из смеси песчаных, пылеватых и глинистых частиц, причем последние оказывают наибольшее влияние на механические свойства грунтов. Поэтому грунты классифицируют в зависимости т количества глинистых частиц и определяемого наличием этих частиц числа пластичности р (таблица 13). Таблица 13 – Классификация грунтов по массе и числа пластичности Грунт Содержание глинистых частиц по массе Число пластичности, J р Глина Суглинок Супесь Песок 30 30÷10 10÷3 3 0,17 0,17÷0,07 0,07÷0,01 Не пластичен Механические свойства грунтов существенно зависят от относительного содержания воды. Воду в грунтах принято классифицировать на свободную и связанную. Свободной водой является гравитационная, которая перемещается в грунте под действием силы тяжести и капиллярная. Вода, абсорбированная на поверхности твердых частиц и связанная сними, называется связанной. Наличие связанной воды в пылевато-глинистых грунтах определяет их пластичность. Газ в грунтах находится в виде пузырьков, окруженных поровой водой, в растворенном (в поровой водой) или в свободном виде. Газ в виде пузырьков и растворенный в поровой воде придает грунтам свойство упругости. Основными структурными связями в грунтах являются водно-коллоидные, обусловленные электро-молекулярными силами взаимодействия между пленками связанной воды и твердыми частицами, и кристаллизационные, образуемые цементирующим составом между минеральными частицами грунта. Вод- но-коллоидные связи вязкопластичные и обратимые, так как при увлажнении они ослабляются, а при подсушивании грунта возрастают. Кристаллизационные связи обладают высокой прочностью, необратимые, так как при нарушении не восстанавливаются. Основные характеристики механических свойств грунтов. Физическое состояние грунтов оценивается по результатам испытаний образцов ненарушенной структуры, в результате чего определяются три основные характеристики плотность грунта ρ – отношение массы образца к его объему плотность твердых частиц грунта ρ S – отношение массы твердых частиц к их объему природная весовая влажность грунта W – отношение массы содержащейся в грунте воды к массе твердых частиц. Помимо основных характеристик, вычисляются и другие пористость грунта n – отношение объема пор к объему образца коэффициент пористости грунта е – отношение объема пор к объему твердых частиц, равное n/(1-n). Важной характеристикой консистенции (густота) грунта, определяющей их классификацию является число пластичности р = W l – W p , (100) где W l – влажность грунта, соответствующая границе текучести (при которой стандартный конус погружается в образец на глубину 10 мм W p – влажность грунта, соответствующая границе раскатывания (при которой образец теряет способность раскатываться в шнур диаметром 2–3 мм. Деформируемость сжимаемых грунтов определяется деформируемостью твердых частиц и изменением объема пор при сжатии, которое сопровождается отжатием из грунта поровой воды. Характеристики деформируемости грунтов определяются в результате компрессионных испытаний в специальных приборах одометрах, обеспечивающих линейное деформирование образцов в условиях объемного сжатия, и построения соответствующих компрессионных кривых в системе координат коэффициент пористости l – нормальное давление сжатия р (рисунок 49). Если в пределах сравнительно небольших изменений давления от производного р (равного давлению столба вышележащего грунта) до значения давления р (например, за счет пригрузки отвеса сооружений, которое обозначим р = р- р, компрессионная кривая близка к секущей прямой АВ, уравнение этой прямой имеет вид L i = l 0 - p i tgα, (101) где tgα = m 0 – характеристика деформируемости грунта, называемая коэффициентом сжимаемости (МПа l 0 – начальный коэффициент пористости l i и p i – соответственно коэффициент пористости и давление в точке прямой АВ, аппроксимирующей компрессионную кривую. Другой характеристикой деформируемости грунта является коэффициент относительной сжимаемости m v = (102) В качестве деформационной характеристики грунтов используется также модуль деформации Е = / , (103) где μ – коэффициент Пуассона грунта. Прочность грунтов обычно нарушается в результате сдвига одной части грунта подругой. Сопротивление грунта сдвигу определяется на сдвиговых приборах. Результаты эксперимента представляются в виде графика в системе координат предельное сопротивление сдвигу τ n – нормальное напряжение сжатия σ», который обычно представляет прямолинейную огибающую предельных кругов Мора с уравнением вида (рисунок 49): τ i = с + σ i ·tg φ, (104) где τ i и σ i – соответственно предельное касательное и нормальное напряжения на аппроксимирующей прямой АВ. Аппроксимирующая функция (102) используется для определения основных характеристик прочности грунтов удельного сцепления Си угла внутреннего трения φ. Водонасыщенные грунты и плывуны. Состояние грунтов по водонасыщен- ности устанавливается в зависимости от коэффициента водонасыщенности S τ степень влажности, равного отношению природной влажности грунта W к влажности при полном заполнении пор водой, тек полной влагоемкости W sat . По степени влажности S τ различают грунты маловлажные при 0 ≤0,5; влажные при 0,5 ≤0,8; насыщенные водой при 0,8 ≤1. Рисунок 49. Графическое представление результатов компрессионных и сдвиговых испытаний грунтов Насыщенные водой грунты не содержат воздуха, сообщающегося с атмосферой. Водонасыщенные грунты могут разжижаться при вскрытии их горными выработками и переходить в плывунное состояние, те. могут двигаться аналогично тяжелой вязкой жидкости. Такие грунты называются плывунами. Плывунное состояние грунтов возможно только при особых условиях. Чаще всего плывунные свойства проявляют пылеватые пески к супеси, содержащие глинистые и холодные частицы, которые слабо отдают воду. Также грунты приходят в движение при наличии гидродинамического давления в подземных водах, возникающего вследствие развития гидравлического градиента, который обычно появляется вместе выхода подземных вод в горную выработку. Так как грунт плохо отдает воду, он переходит в плывунное состояние и начинает перемещаться в горную выработку вместе с водой. Гидродинамическое давление может возникнуть также при динамических вибрационных воздействиях на грунт, в результате чего грунт разжижается и, превращаясь в тяжелую вязкую жидкость, течет в направлении гидравлического градиента. Чтобы сохранить устойчивость плывунов, те предотвратить их движение, осушают плывунные грунты, ограждают горные выработки противофильтрационными завесами, производят закрепление плывунов силикатизацией, смо- лизацией и другими способами. Вечномерзлые и искусственно замороженные грунты. Мерзлыми называют грунты с отрицательной температурой, часть поровой воды в которых находится в замерзшем состоянии. К вечномерзлым относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Вечномерзлые грунты встречаются более чем на половине территории России, преимущественно в азиатской части. В южных районах азиатской части России, на территории Кыргызской Республики распространено островное залегание вечномерзлых грунтов толщиной от 20 дом. Поверхностный слой вечномерзлого грунта ежегодно оттаивает и промерзает, и его называют деятельным слоем. В пределах этого слоя наблюдаются значительные колебания температуры морозное пучение грунтов (увеличение объема грунтов при промерзании миграция влаги к фронту промерзания перемещение влаги под действием гидравлического градиента сползание грунта по склонам. Вечномерзлые грунты могут находиться в твердомерзлом, пластично- мерзлом и сыпучемерзлом состояниях. Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемые, имеют модуль деформации Е МПа и хрупко разрушаются при относительной высокой скорости приложения нагрузки. В зависимости от состава грунтов изменяется температура, ниже которой грунты находятся в твердомерзлом состоянии для песков крупных и средней крупности эта температура равна -С, для мелких и пылева- тых песков – -С, для глин – -С. При температуре, вышеуказанной, но ниже температуры начала замерзания, грунты находятся в пластично-мерзлом состоянии, в котором грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Такие грунты характеризуются достаточно большой сжимаемостью и имеют модуль деформации Е МПа. Сыпучемерзлые грунты имеют отрицательную температуру, ноне сцементированы льдом. Отличительной особенностью мерзлых и вечномерзлых грунтов по сравнению с немерзлыми грунтами является то, что они представляют четырехкомпонентную систему, состоящую из твердых частиц, незамерзшей воды, воздуха и льда. Их прочность и деформируемость в значительной степени зависят от количества, состава и свойств незамерзшей воды и льда. Поэтому помимо указанных основных параметров, физическое состояние мерзлых грунтов характеризуется весовым содержанием намерзшей воды W w при температуре природного залегания грунта. Последнюю характеристику можно определить по формуле W w = Кр, (105) где К – коэффициент, зависящий от числа пластичности р и температуры грунта р – влажность грунта, соответствующая границе раскатывания. Производной от основных характеристик является суммарная льдистость мерзлого грунта I tot = , (106) где р i – плотность льда W tot – cуммарная влажность, которая определяется в результате испарения всех видов воды в грунте при температуре +С Р – плотность мерзлого грунта. |