Физические и механические свойства мерзлых пород и льда.

Влажность, льдистость, плотность и пористость — основные физические показатели, характеризующие инженерно-геологиче­ские особенности мерзлых и оттаявших пород.

 

Под влажностью мерзлой породы понимается содержание заключенной в ней воды, удаляемой высушиванием при темпера­туре 100—105°С до постоянной массы грунта. Различают суммар­ную, общую (естественную) и объемную влажность Суммарная влажность W_c мерзлой породы — это отношение массы воды всех видов в твердом и жидком состоянии, содержащихся в мерзлой породе, к массе ее скелета, а в засоленных породах — к массе скелета породы и содержащихся в ней солей (в процентах или долях единицы) Общая влажность Wест — отношение массы всех категории воды к массе мерзлой породы, объемная влажность — отношение объема воды в твердой и жидкой фазах к объему мерз­лой породы.

В отличие от немерзлых пород суммарная влажность мерзлых пород может быть намного больше влажности полной влагоемкости. В общем случае суммарная влажность возрастает с увеличением дисперс­ности. При этом суммарная влажность пород со шлировыми кри­огенными текстурами практически всегда выше влажности пород с массивной криотекстурой.

 

Льдистость (i) — показатель, характеризующий общее со­держание подземного льда в мерзлой породе (в процентах или долях единицы) Для оценки льдистости пород за счет текстурообразующего льда используется суммарная льдистость. В зависимос­ти от способа ее количественного выражения она может быть пред­ставлена как отношение массы всего льда к массе сухой породы — весовая льдистость; отношение весовой льдистости к суммарной влажности — относительная льдистость, отношение объема всего льда к объему мерзлой породы — объемная льдистость.

В зависимости от величины льдистости породы подразделяются на сильнольдистые, слабольдистые и льдистые. К первым отно­сятся породы, в которых объем льда занимает больше половины общего объема мерзлой породы. После оттаивания они переходят в текучее и текучепластичное состояние, что обусловливает их высокую просадочность. Слабольдистые породы (льдис­тость меньше 25 %) после оттаивания приобретают вязкопластичную или полутвердую консистенцию, характеризуются высокой водопрочностью и малой сжимаемостью.

 

Плотность р (объемный вес, г/см³) мерзлой породы — это отношение массы мерзлого грунта с текстурообразующим льдом к объему мерзлого грунта ненарушенного сложения; плотность скелета мерзлой породы — отношение массы скелета породы к объему мерзлой породы с криогенными текстурами ненарушен­ного сложения.

Максимальная плотность свойственна породам, содержащим оксиды железа или пирит, тогда как малые величины характерны для пород, в составе которых преобладают монтмориллонит и галлуазит. Увеличение содержания в породе органического вещества приводит к уменьшению плотности. Для приближенных расчетов обычно принимаются следующие средние величины плотности твердой минеральной компоненты (г/см³): для песчаных пород 2,65; для суглинков 2,70—2,73; для глин 2,75.

Плотность скелета мерзлой породы изменяется в среднем от 2 до 0,62 г/см³. Поскольку в мерзлой породе всегда имеются поры, заполненные льдом, незамерзшей водой или газом, то вес едини­цы ее объема всегда меньше средней плотности твердой мине­ральной компоненты. Плотность мерзлой породы изменяется в пределах от 1,0 г/см³ для сильнольдистых пород с атакситовой криогенной текстурой до 2,73 г/см³ и выше для прочно сцементированных аргиллитов и песчаников с массивной криоген­ной текстурой.

 

Размываемость и размокаемость относятся к водопрочностным характеристикам мерзлой породы и необходимы при оценке тер­моэрозионной опасности и потенциальной заовраженности тер­ритории многолетнемерзлых пород. Они используются при оцен­ке скорости переработки берегов водохранилищ, в расчетах ус­тойчивости откосов каналов и земляных сооружений, взаимо­действующих с водными потоками.

Размываемость — это свойство мерзлых пород, харак­теризующее их способность отдавать агрегаты и элементарные ча­стицы грунта текучей воде в результате одновременного теплового и механического воздействия последней. Размываемость мерзлых пород зависит от большого числа взаимосвязанных факторов, глав­нейшими из которых являются характер структурных связей в породе, ее льдистость и тип криогенной текстуры. В об­щем случае размываемость оттаивающих пород повышается с уменьшением их дисперсности, плотности и сцепления и с нару­шением естественного сложения.

Размокаемость — способность мерзлых пород терять связ­ность и превращаться в рыхлую массу при взаимодействии с во­дой Размокание мерзлых грунтов является результатом растворе­ния льда и ослабления связей между грунтовыми частицами при набухании. Оно сопровождается уменьшением прочности и опре­деляет устойчивость мерзлой породы к распаду на минеральные агрегаты в спокойной воде (или ее водопрочность). Размокание характеризуется скоростью и типом процесса. В отличие от немер­злых, размокание мерзлых пород зависит не только от их литоло-гических особенностей и типа природных цементов, но и от со­держания льда и его пространственного распределения в объеме, т.е. от криогенной текстуры.

 

Термическое расширение—сжатие — это характерное свойство горных пород, которое проявляется при изменении температуры и характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения, представляющими собой соответственно относитель­ную линейную и объемную деформацию при изменении темпера­туры на 1^oС. Тем­пературное расширение — сжатие мерзлых горных пород суще­ственно определяет развитие таких процессов, как морозобойное растрескивание и повторно-жильное образование, выветривание и др. Температурные деформации мерзлых пород проявляются вследствие температурных деформаций компонентов породы (ми­нералов и обломков пород, воды, льда, воздуха), фазового перехода вода—лед и структурных преобразований породы при изменении температуры.

 

Электрические свойства. Мерзлые породы являются несо­вершенными диэлектриками, т.е. материалами, обладающими од­новременно свойствами диэлектриков и проводников. При воз­действии электромагнитного поля в этих породах возникают как направленное поступательное движение носителей зарядов (ток проводимости), что обусловливает их электропроводность, так и колебательное смещение связанных зарядов (ток смещения), обус­ловливающее их поляризацию. Основными параметрами электри­ческих свойств горных пород, включая мерзлые, являются: удель­ное электрическое сопротивление (УЭС, Ом*м) ρ или обратная величи­на — удельная электропроводность σ = 1/ρ, диэлектрическая про­ницаемость ε, коэффициент поляризуемости η и др.

Величина удельного сопро­тивления мерзлых пород зависит от факторов, определяющих ко­личество и характер распределения в них незамерзшей воды, т.е. от состава, температуры, влажности (льдистости), минерализа­ции, криогенной текстуры и др. Причем в области отри­цательных температур удельное электрическое сопротивление может увеличиваться на несколько порядков в узком интервале температур, а наиболее интенсивное увеличение значений ρ на­блюдается в интервале основных фазовых переходов.

При переходе в об­ласть отрицательных температур диэлектрическая проницаемость пород в целом убывает, что находится в соответствии с уменьшением содержания незамерзшей воды в породе при пони­жении температуры и уменьшением значений связанной ε неза­мерзшей воды.

 

Акустические свойства. Мерзлые породы представляют собой материалы с несовершенной упругостью. При переходе пород в мерзлое состояние скорости распрост­ранения упругих волн увеличиваются, что прежде всего опре­деляется фазовыми превращениями при промерзании и появлением нового компонента — льда. Лед характеризуется значительно боль­шими скоростями (v_p= 3500—4000 м/с), чем вода в жидкой фазе (v_p= 1450 м/с). На акустические характеристики мерзлых пород также влияет и форма льдовыделения, хотя и в меньшей степени.

 

Механические свойства

Механические (деформационные и прочностные) свойства мерзлых пород выражаются обычно через количественные по­казатели, которые устанавливают функциональную связь между величиной и видом механического воздействия и реакцией поро­ды на это воздействие. К деформационным характеристикам мер­злых пород относятся модули общей и упругой деформации, ко­эффициент Пуассона, показатели реологических кривых течения и кривых ползучести, коэффициенты вязкости и сжимаемости; к прочностным: кратковременные и длительные значения прочно­сти породы на сдвиг (коэффициент трения и сцепления), сжатие, растяжение и эквивалентное сцепление.

 

Модуль общей деформации имеет определенный физи­ческий смысл, непосредственно отражая сопротивление мерзлой породы развитию деформации. Он уменьшается с увеличением на­пряжения и времени действия нагрузки. Увеличение дисперсности и повышение температуры мерзлой породы также приводят к снижению модуля общей деформации. На формирова­ние модуля общей деформации мерзлых пород существенное влияние оказывают также физико-минеральный состав, влажность, степень льдонасыщения и другие факторы.

Зависимость между деформациями и напряжениями в упругой области выражается модулем нормальной (продольной) упругости — модулем Юнга (Е, Па) и коэффициентом поперечной уп­ругости (коэффициент Пуассона μ) мерзлых пород.

 

Модуль нормальной упругости (E=σ/ε) для мерзлых пород располагается в диапазоне 300— 30 000 МПа, что в десятки и сотни раз больше модуля нормальной упругости немерзлых по­род, и его величина зависит от ряда факторов: состава, строения, температуры мерзлых грунтов и внешнего давления. При доста­точно низких температурах модуль упругости песчано-глинистых мерзлых пород может превышать модуль упругости бетона. Модуль нормальной упругости увеличивается при уменьшении дисперсности мерзлых пород.

Модуль упругости льда меньше модуля упругости грунтов с жестким минеральным ске­летом (песок), но значительно превосходит модуль упругости мерз­лых глин, что связано с большим количеством незамерзшей воды в них.

 

Cоотношение, выражающее про­порциональность между поперечными и продольными дефор­мациями, или закон Пуассона: ε₂=ε₃=—με₁,где ε₁ — относительная деформация в продольном направлении, а ε₂ и ε₃ — в поперечном; μ — коэффициент пропорциональности или коэффициент Пуассона, который является второй основной характеристикой упругого материала. Значительно влияние температуры на коэффициент Пуассона для мерзлых по­род, который при повышении температуры стремится к мак­симальной величине 0,5 (как для идеально пластичных тел), а при понижении температуры — к величинам, характерным для твер­дых тел.

 

Вязкость представляет собой одно из основных реологических свойств мерзлых пород. Ее можно характеризовать коэффициентом эффективной вязкости η (далее—просто коэффициент вязкости), численно равным отношению величины действующего напряжения σ к скорости вызываемой им деформации течения (е), т.е. η=σ/е. Единицей измерения коэффициента вязкости или просто вязкос­ти является Н*с/м² (Па*с). выделяют наи­большую ηши наименьшую ηб пластические вязкости Наиболь­шая (шведовская) вязкость определяется из выражения ηш = (σ — σ _кр)/е, а наименьшая (бингамовская) ηб = (σ – σ*_кр)/е. Критические напряжения σ _кр и σ* _кр называются соответственно условно статическим и условно динамическим пределами текучести Отношение пластических вяз-костей служит важной характеристикой породы, отражающей сте­пень разрушения ее структуры в процессе течения при изменении напряжений. Считается, что наибольшая пластическая вязкость обусловлена течением породы с практически ненарушенной струк­турой, в то время как наименьшая пластическая вязкость соответ­ствует деформированию породы с практически разрушенной струк­турой.

 

Мерзлые тонкодисперсные породы, находясь под давлением вышележащих толщ или инженерных сооружений, уплотняются в результате развития в них сложных физико-механических и физико- химических процессов. Породы обладают значительной сжимаемостью под нагрузкой.

 

Прочность мерзлых пород определяет их способность сопро­тивляться разрушению. Процесс разрушения происходит путем появления и развития в мерзлой породе микросдвигов и микро­трещин, накопление которых приводит к росту магистральных трещин, полностью разрушающих мерзлую породу. К прочност­ным свойствам мерзлых пород принято относить: временное и длительное сопротивление сжатию , растяжению или разрыву сдвигу и эквивалентное сцепление, определяемое шариковым штампом

Сопротивление мерзлых пород сдвигу зависит от нормального давления Р и обусловлено поэтому не только силами сцепления, но и внутренним трением и может быть выражено формулой:

где — сцепление; — угол внутреннего трения.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: