Локальное плавление льда под нагрузкой в "высокотемпературных" мерзлых песках и супесях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РГБ ОД / 2 ММ> 1998

На правах рукописи

ЛИСИН Леонид Дмитриевич

ЛОКАЛЬНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ ЛЬДА ПОД НАГРУЗКОЙ В «ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ» МЕРЗЛЫХ ПЕСКАХ И

СУПЕСЯХ

01.02.07 - Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов Московского государственного строительного университета.

Научные руководители - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник, Мерзляков В.П., кандидат технических наук, Власов А.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, Зарецкий Ю.К.,

доктор геолого-минералонических наук, кандидат технических наук, профессор, Гречищев С.Е.

Ведущая организация - АО Всероссийский научно-

исследовательский институт гидротехники им.Б.Е.Веденеева

Защита состоится 10 февраля 1998 года в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 053.11.05 в Московском государственном строительном университете по адресу: г.Москва, ул.Спартаковская, д.2/1, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ. Автореферат разослан « 9 » января 1998 года..

Ученый секретарь диссертационного совета

Крыжановский А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

При проектировании инженерных сооружений в районах спространения вечномерзлых и сезонно талых грунтов определяющее ачение имеет исследование и прогноз деформирования грунтов в висимости от напряженного состояния и температурного поля в .новации сооружения. Величина расчетной деформации основания, ^гласно СНиП 2.02.04-88, является решающей для выбора принципа ¡пользования вечномерзлых грунтов в качестве основания.

Широкое освоение районов распространения вечномерзлых грунтов [ачительно изменило существующие природные условия, нарушило ;тановившееся равновесие между природными факторами, сложившимися началу освоения территории. При этом необратимые нарушения ерзлотных условий происходят не только на участках промышленного :воения, но и на территориях их окружающих.

Традиционной научной базой в определении деформационных юйств мерзлых грунтов являются феноменологические теории, снованные на реологических моделях либо в форме обыкновенных яфференциальных уравнений, либо в форме интегральных уравнений. Эти одели обычно диктуют выбор экспериментального метода, на основании эторого решаются инженерные задачи строительства, - оценивается лштсивость горных склонов, откосов, берегов, оснований инженерных эоружений и делается прогноз возможности или невозможности опасных роцессов.

Такие экспериментальные методы испытания грунтов основываются а «принципе образца». Этот принцип состоит в том, что свойства связи ежду основными переменными, обнаруживаемыми в опытах с акрооднородной деформацией образцов, затем трактуются как локальные

свойства сплошной модели тела при произвольной (не обязательно однородной) его деформации. Однако уже при рассмотрении композиционных материалов с периодической структурой возникает сильное несоответствие эффективных свойств, определенных с учетом и без учета неоднородности поля деформаций. Это принципиальный недостаток указанного принципа, так как прецизионные измерения на образцах позволяют получить характеристики, обеспечивающие близость перемещений у образца и натуры, но не обеспечивают близость их деформаций и напряжений.

Значительно большее несоответствие действительности возникает при рассмотрении мерзлого грунта. Такой образец неоднороден по составу и строению. Неравномерность напряжений приводит к локальным фазовым переходам, которые накладываются на исходную неравномерность, изменяется фазовый состав влаги в. грунте. Это обстоятельство требует учета при определении свойств образца.

На сегодняшний день существует весьма большое число публикаций, затрагивающих тот или иной аспект проблемы фазового состава влаги в мерзлых грунтах. Однако, среди существующих направлений исследования наиболее разработанными оказались: физико-химическое, исследующее взаимосвязь фазового состава влаги с физико-химическими параметрами капиллярно-пористой грунтовой системы и петрографическое, изучающее зависимость содержания незамерзшей воды и льда в грунте от вещественного состава и его структурно-текстурных особенностей. Вопросы, связанные с изменением фазового состава влаги в грунте в результате действия инженерных нагрузок на фунты основания на сегодняшний день исследованы явно недостаточно.

Разработан целый ряд экспериментальных методов изучения фазового состава влаги в мерзлых грунтах (дилатометрический,

криоскопический, калориметрический, диэлектрический, метод ядерного магнитного резонанса и другие), но эти методы дают достоверные для изучения данные для достаточно низких температур. В интервале же температур от 0 до -3°С, именно там, где наиболее интенсивно идут процессы фазовых переходов, проведение инструментальных исследований сталкиваются с серьезными трудностями. В этой области температур по данным Л.В.Чистотинова даже незначительное изменение температуры (сотые доли градуса Цельсия) существенно сказываются на фазовом составе воды в мерзлом грунте, а, следовательно, на его физико-механических свойствах, знание которых необходимо для решения современных задач геомеханики.

Однако существуют работы, как современные, так и прежних лет, связанные с изучением структуры мерзлых грунтов, термодинамики поверхности раздела лед-вода, свойств включений, результаты которых позволяют построить расчетно-аналитическую модель зависимости температуры фазового перехода от внешней нагрузки.

В связи с этим цель диссертационной работы состоит в усовершенствовании методов изучения фазового состава «высокотемпературных» мерзлых песков и супесей.

При этом задачи, поставленные в диссертации, заключаются в следующем:

1) разработка методов определения давлений на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) разработка метода расчета изменения температуры фазовых переходов в зависимости от внешнего давления;

3) определение порога фазовых переходов и порога просачивания;

4) определение и анализ областей локальных фазовых переходов;

5) проведение оценочных расчетов уплотнения образца грунта вследствие просачивания образовавшейся в результате локального плавления льда влаги.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1) проведены численные эксперименты по определению давления на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) разработана методика определения области локальных фазовых переходов в зависимости от внешней нагрузки и приведен анализ этой области;

3) проведены оценочные тепловые и гидравлические расчеты области мерзлого грунта;

4) определена величина уплотнения образца грунта вследствие просачивания образовавшейся в результате локального плавления льда влаги.

На защиту выносятся:

1) методика определения давлений на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) результаты и выводы проведенных численных экспериментов по расчету контактных давлений между минеральными частицами и льдом;

3) анализ области локальных фазовых переходов;

4) анализ просачивания воды, образующейся в результате локального плавления льда.

Апробация полученных результатов проводилась на научном дискуссионном Семинаре по современным теоретическим и прикладным проблемам механики грунтов Российского Университета Дружбы Народов (Москва, декабрь 1997 г.), а также на Первой конференции геокриологов

России (Москва, июнь 1996 г.) и на Международной конференции проблем криологии Земли (Пущино, апрель 1997 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 93 страницы машинописного текста, состоящего из Введения, трех глав, Основных выводов по диссертации, включает в себя 35 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы определен круг вопросов, исследованных в диссертации, обоснована актуальность темы исследования, дан обзор основополагающих работ но теме диссертации, а также статей, отражающих современное состояние исследований.

Приведена классификация мерзлых грунтов, ледяных включений, приведены факторы, определяющие содержание жидкой фазы в мерзлых грунтах. Показано, что количество незамерзшей воды и„ в первую очередь определяется температурой грунта. Давление является таким же внешним термодинамическим параметром системы, как и температура, и пренебрегать его влиянием на количество незамерзшей воды нельзя. Проводится обзор экспериментальных методов определения фазового состава влаги в мерзлых грунтах. Отмечено, что экспериментальные методы определения количества незамерзшей воды принципиально сложны, и дают большой разброс дашшх при температурах 0 -0.5 °С, в области наиболее интенсивных фазовых переходов. Внесение элементов конструкций в приборы, создающих нагрузку на испытуемый образец, увеличивает погрешности в измерениях.

Недостатком исследований образования влаги под нагрузкой следует признать неизотермичность сжатия мерзлых образцов, повышение температуры грунтов под нагрузкой, что, несомненно, сказывается на достоверности результатов экспериментов.

Анализируется физическая сущность плавления льда под нагрузкой в классических опытах Дж.Боттомлея (опытах по прохождению различных весомых тел сквозь массив льда). Она состоит в том, что плавление льда компенсируется подводом тепла в окрестность точки контакта из зоны вторичного замерзания влаги (окрестность верхней точки), образовавшейся и отжатой из зоны повышенного давления.

Во второй главе работы проведен подробный анализ изменения температуры фазового перехода с использованием уравнений Гиббса-Дюгема (1) и Клапейрона-Клаузиуса (2).

¡-Е- + у,с!с-у1<1р = 0. (1)

р

'„(V.-V,)

Здесь а - локальное контактное давление в твердой фазе; р — давление в жидкой фазе; д - удельная теплота плавления; V,, у, - удельные объемы воды и льда, соответственно.

При анализе фазовых переходов, вызванных изменением давления, за основу взят принцип Ле Шателье-Брауна: «Внешнее воздействие, выводящее систему из состояния равновесия, вызывает в этой системе процессы, стремящиеся ослабить результат этого воздействия».

Зависимость между температурой фазового перехода и давлением рассматривалось в работе как следствие этого принципа.

Изменение температуры фазового перехода сравнивалось со средней температурой грунта, которая в условиях данной работы считалась постоянной. А область с пониженной температурой фазовых переходов, по отношению к средней температуре грунта была названа областью возможных фазовых переходов. Область действительных фазовых переходов будет несколько меньше области возможных фазовых переходов, однако, оценка этой величины, на сколько меньше, весьма приблизительна ввиду отсутствия экспериментальных данных.

Для анализа размеров области фазовых переходов в работе было сделано допущение: лед не может существовать при температуре выше температуры фазового перехода, он переходит в воду. То есть существование «перегретого» льда невозможно («перегретого» по отношению к температуре плавления, определяемой уравнением Кдапейрона-Клаузиуса).

Учитывая гипотезу о невозможности существования «перегретого» льда и малость разности локальных температур, в работе полагалось равенство областей действительных и возможных фазовых переходов.

Для наглядного представления зависимости температуры фазового перехода от давления уравнения (1) и (2) были заменены конечными соотношениями. Интегрированием указанных зависимостей в предположении, что удельная теплота плавления не зависит от температуры фазового перехода, а удельные объемы воды и льда не зависят от давления, предположив, также равенство ¿р = ¿а была получена расчетная зависимость, соответствующая уравнению Клапейрона-Клаузиуса: -iv.-v.Xa-Р.)

где Р<ъ =0.1033 МПа - нормальное атмосферное давление.

Однако, по данным прецизионных исследований поверхностного натяжения, давление в водной пленке р несколько ниже среднего контактного давления о, что способствует большему накоплению влаги в грунте. То есть приведенная выше расчетная зависимость (3) дает верхнюю границу изменения температуры фазового перехода.

Возможность фазового перехода в окрестное!и точки контакта в дальнейшем оценивается сравнением средней установившейся температуры грунта с температурой фазового перехода. Таким образом определяется область, в которой температура грунта превышает температуру фазовых переходов, где лед переходит в воду.

Следующий этап расчета заключается в установлении связи между внешней нагрузкой и локальными контактными напряжениями в грунте.

На рис.1 и рис.2 представлены фотографии криогенной микроструктуры мерзлого песка и мерзлой супеси, исследуемые в работе. По форме включения льда-цемента представленные микроструктуры относятся к базальному типу.

Для дальнейшего анализа было использовано схематическое представление структуры грунта, поясняющее основные процессы, происходящие на локальном уровне (рис.3).

Рассмотрение структуры мерзлых грунтов на рис.1, 2 и схему на рис.3, дало основание утверждать, что механическое поведение представленной системы в основном определяется контактным взаимодействием минеральных частиц через ледяную прослойку. Локальное давление, возникающее при этом, можно было бы с достаточной точностью вычислить по формулам Герца.

г •• >> ,

<■ р , <■„•» ?•.»«ч

■ да-

к Л..;'.Л

I > <- '.г

. г

.V /\> - .. л--,.

V» ' .лУ . .

-

Рис. I.Мерзлый мелкозернистый песок. Лед (низкийрельеф). Минеральные частицы имеют высокий рельеф и неровную поверхность.

Рис.. 2. Мерзлая супесь. I — лед. 2 -минеральные частицы.

Рис. 3. Основные процессы, определяющие деформирование пластично-мерзлого грунта.

Здесь 1 - плавление льда; 2 - взаимное влияние частиц; 3 - просачивание воды между сообщающимися порами и на свободную поверхность; 4 -замерзание просачивающейся воды; 5 - минеральная частица; б - вода; 7 -лед; 8 - неоднородная среда с включениями из которой выделены три минеральные частицы со своими окрестностями.

Напряжения, которые возникают при механическом взаимодействии минеральных частиц на площадках их соприкосновения и вблизи этих площадок имеют местный характер, то есть быстро убывают при достаточном удалении от места контакта.

Формула Герца обеспечивает достаточную для практических целей точность. Ее с успехом можно применять для оценок, если известны силы, приложенные к каждой из соприкасающихся частиц, для определения которых необходимо рассмотреть контактную задачу многих тел.

Контактная задача многих тел, усложненная неопределенностью формы включений и их случайным распределением, содержит непреодолимые и по сей день трудности. Поэтому в работе предлагается метод определения локальных давлений, по которому отдельная минеральная частица, окруженная водой и ледяной прослойкой, контактирует с однородной (гомогенной) средой, механически эквивалентной зернистой среде с включениями. Для такой среды были определены эффективные упругие характеристики с использованием гипотезы эквивалентной гомогенности.

В работе гомогенизации подвергалась полидисперсная пластично-мерзлая среда (мерзлая супесь) и среда с размерами частиц близкими по значению (мерзлый песок), в которых минеральные частицы распределены случайным образом.

Аналитически расчет свойств эквивалентной среды проводился для образцов пластично-мерзлого грунта естественного сложения одного из газовых месторождений Крайнего Севера. В расчете были использованы следующие значения механических характеристик фаз среды: для минеральных частиц - модуль Юнга Е/ = 5-Ю4 МПа, модуль объемного сжатия К1 = 2.8-104 МПа, коэффициент Пуассона V, = 0.1; для льда -Е} - 6-Ю3 МПа, К3 = 5-Ю3 МПа, ^=0.3.

Для определения геометрических параметров минеральной частицы-включения и ледовой прослойки был проанализирован гранулометрический состав двенадцати различных выработок грунта. Содержание частиц в стандартных фракциях рассчитывалось по вероятностному закону, исходя из логнормального распределения радиусов частиц. Средний размер частицы в этом случае определялся как математическое ожидание функции распределения: М(Х) = R = 0.012 мм.

В расчете также использовались следующие характеристики грунта: плотность грунта р-1.75г/см3, плотность частиц грунта pt =2.63г/см\

В результате аналитического расчета, при отсутствии водной прослойки, были получены следующие значения эффективных механических характеристик для ледогрунтовой среды: Е= 1.50-104 МПа, £ = 9.4-103МПа, v= 0.24.

Для вычисления локального давления, возникающего при взаимодействии минеральной частицы с эффективной средой через ледяную прослойку, было разработано 3 расчетных модели, схемы которых приведены на рис.4. Модель 1 рассматривала контакт одной частицы с эффективной ледогрунтовой средой, модель 2 - контакт двух одинаковых по размеру частиц, модели За и 36 - контакт двух разных по размеру частиц непосредственно друг с другом через ледовые оболочки и с эффективной ледогрунтовой средой.

Расчетная область считалась бесконечной по отношению к частице, так как на границе и вблизи нее обеспечивается однородное наряженное и деформированное состояние.

С помощью метода конечных элементов численно были решены задачи определения локального давления в окрестности минеральной частицы в указанных моделях. Возможность фазового перехода в окрестности точки контакта оценивалась сравнением средней

установившейся температуры грунта с температурой фазового перехода, вычисленной по формуле (3). Внешнее давление, при котором эти температуры оказывались равны, было названо «порогом фазовых переходов». Полагалось, что если давление превосходит порог фазовых переходов, то в окрестности критической точки возникает область фазовых переходов.

На рис.5 показано развитие зоны локальных фазовых переходов в окрестности частицы для модели 1. Темным цветом окрашена область с пониженной температурой фазовых переходов (область фазовых переходов). Области с повышенной температурой фазовых переходов -более светлые.

Анализ развития областей фазовых переходов показывает, что при некотором уровне внешнего давления ледовая оболочка минеральной частицы проплавляется, образуя элементарный канал от минеральной частицы к поверхности ледовой оболочки (случай «г»). Образовавшаяся в результате локального плавления льда вода в этом случае может просачиваться (в отличие от связанной воды). Такое значение внешнего давления было названо «порогом просачивания».

Численные расчеты были проведены для образца грунта, со средней температурой -0.15°С (273.0°К) с помощью 3-х описанных выше моделей, для 1-й модели расчет был также проведен для температур -0.5°С и -1.2°С.

Расчеты проводились, с учетом кубической упаковки минеральных частиц.

В третьей части работы показана возможность просачивания влаги к порам и на поверхность образца водонасыщенного несвязного грунта. Выдвинута гипотеза о том, что энергетический баланс тепла в окрестности частицы выполняется динамически, при этом используется аналогия с процессом, включающим повторное замерзание.

Модель 1 Модель 2

Модель За и 36

! ^^^^^^^^^^^^^ч^^^^^^¡"^Т

Рис. 4. Схемы расчетных моделей К - радиус минеральной частицы

Ь - радиус минеральной частицы с окружающей ее ледовой оболочкой

Рис.5. Развитие областей возможных фазовых переходов.

Влага, образующаяся в результате локального плавления льда, из области с пониженной температурой плавления по имеющимся тонким капиллярам просачивается в область с повышенной температурой плавления, где вновь замерзает. Выделившееся при замерзании тепло передается к ближайшей (в смысле теплового сопротивления) области с пониженной температурой плавления и так далее.

Для идеального грунта с регулярным расположением минеральных частиц сферической формы, где области с повышенной и пониженной температурой фазовых переходов расположены соответственно у полюсов и на экваторе возможна схема, похожая на схему перетекания влаги и тепла при прохождении весомой проволоки через лед. В реальных грунтах, по-видимому, возможно сочетание таких перетеканий с «блужданиями».

Зная геометрические параметры образца грунта, средние размеры минеральной частицы и ледовой оболочки, было оценено время установившегося процесса просачивания и величины объемной деформации, из предположения, что вся деформация образца, в условиях рассматриваемой задачи определяется отжатисм образовавшейся в результате локального плавления льда воды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Описание локального механического и термодинамического состояния элементов мерзлых грунтов на уровне структуры, вообще говоря, весьма затруднительно. Однако для грунтов, имеющих массивную криогенную текстуру с поровым и базальным типами льда-цемента, возможен подход, основанный на рассмотрении непосредственного контакта минеральных частиц со льдом и незамерзшей водой. К таким грунтам относятся мерзлые

водонасыщенные пески и супеси с минеральными частицами окатанной формы.

2. Разработана методика расчета контактного давления по заданной внешней нагрузке на образец грунта и расчета области изменения температуры фазового перехода.

3. Введено понятие «порога фазовых переходов» и «порога просачивания». Определены количественные значения порогов, соответствующих различным внешним нагрузкам.

4. Плавление льда в зоне локально-повышенного давления в окрестности минеральной частицы идеально теплоизолированного (адиабатического) образца мерзлого грунта, по-видимому, осуществляется за счет тепла выделившегося при повторном замерзании влаги в зоне локально-пониженного давления. В окрестности минеральной частицы может иметь место конвективно-кондуктивный поток тепла, замкнутый или разветвляющийся, соединяющий зоны локально-повышенного давления, аналогичный тепловому потоку в опытах прохождения весомых предметов через лед.

5. Влага, образующаяся в результате локального плавления под действием контактного напряжения, передвигается в поры грунта и к внешним границам образца. В случае действия осевой внешней нагрузки происходит осадка образца, которая определяется количеством расплавленного льда в окрестности полюсов минеральной частицы. В условиях рассмотренной модели эта величина составила примерно 7%. В случае действия всестороннего сжатия объемная деформация образца, определяется количеством расплавленного льда в точках контакта и составляет примерно 20%.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Ухов С.Б., Власов А.Н., Лисин Л.Д., Мерзляков В.П., Саваторова В.Л., Талонов A.B. Некоторые основные процессы, определяющие реологическое поведение пластнчно-мерзлых грунтов под нагрузкой // Материалы Первой конференции reo криологов России. - 1996. - Книга 2 -С. 193-204.

2. Ухов С.Б., Власов А.Н., Лисин Л.Д., Мерзляков В.П. Плавление льда в несвязных, мерзлых грунтах, обусловленное локальными давлениями // Тезисы докладов международной конференции Проблемы криологии Земли, - 1997.-С. 260.

3. Мерзляков В.П., Власов А.Н., Лисин Л.Д., Талонов A.B., Ухов С.Б. Учет плавления льда в методе шарикового штампа // Тезисы докладов международной конференции Проблемы криологии Земли. - 1997. -

С. 265.

4. Власов А.Н., Лисин Л.Д., Мерзляков В.П., Саваторова В.Л., Талонов A.B. Фильтрационная консолидация пластично-мерзлых супесей // Тезисы докладов международной конференции Проблемы криологии Земли. -1997.-С. 266.

5. Ухов С.Б., Власов А.Н., Лисин Л.Д., Мерзляков В.П., Саваторова В.Л. Плавление льда в несвязных мерзлых трунтах, обусловленное локальными давлениями // Криосфера Земли. - 1997, т.1, №3. - С.35-38.

6. Власов А.Н., Лисин Л.Д., Мерзляков В.Г1. и др. К возможности фильтрационной консолидации пластично-мерзлой супеси // Криосфера Земли. - 1997, (в печати).

УНИР МГСУ Центр экспресс- полиграфии Подписано в печать 5.01.98г. ЗАКАЗ 8 Тираж 100

129337, Москва, Ярославское шоссе, 26

Московский государственный строительный университет

На правах рукописи

ЛИСИН ЛЕОНИД ДМИТРИЕВИЧ

ЛОКАЛЬНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ ЛЬДА ПОД НАГРУЗКОЙ В «ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ» МЕРЗЛЫХ ПЕСКАХ И

СУПЕСЯХ

01.02.07 - Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научные руководители К.Т.Н., с.н. е., В.П.Мерзляков, к.т.н., А.Н.Власов

Москва - 1997 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................................................4

Глава I. Некоторые термодинамические особенности поведения льда в мерзлых грунтах...................................................................................9

1.1 Строеве мерзлых грунтов..................................................................9

1.2 Фазовый состав воды в мерзлых грунтах и методы его определения............................................................................................15

1.3 Влияние внешней нагрузки на количество незамерзшей воды в грунте......................................................................................................22

1.4 Выводы по 1-й главе.............................................................................26

Глава II. Плавление льда в несвязных мерзлых грунтах, обусловленное локальными давлениями........................................................28

2.1 Анализ изменения температуры фазового перехода с использованием уравнений Клапейрона-Клаузиуса и Гиббса-Дюгема ...................................................................................................28

2.2 Использование принципа эквивалентной гомогенности для расчета эффективных упругих характеристик водонасыщенного несвязного грунта...................................................................................34

2.3 Задача расчета области фазовых переходов в окрестности частицы...................................................................................................46

2.4 Выводы по П-й главе............................................................................67

Глава III. Возможность просачивания влаги к порам и на поверхность образца водонасыщенного несвязного грунта ......................68

3.1 Динамический баланс тепла................................................................68

3.2 Движение жидкости в тонких и сверхтонких зазорах .......................74

3.3 Возможность уплотнения образца вследствие просачивания влаги ......................................................................................................77

3.4 Выводы по Ш-й главе ..........................................................................81

Общие выводы по диссертации......................................................................83

Литература......................................................................................................85

Введение

При проектировании инженерных сооружений в районах распространения вечномерзлых и сезонно талых грунтов определяющее значение имеет исследование и прогноз деформирования грунтов в зависимости от напряженного состояния и температурного поля в основании сооружения. Величина расчетной деформации основания, согласно СНиП 2.02.04-88, является решающей для выбора принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве основания.

Широкое освоение районов распространения вечномерзлых грунтов значительно изменило существующие природные условия, нарушило установившееся равновесие между природными факторами, сложившиеся к началу освоения территории. При этом необратимые нарушения мерзлотных условий происходят не только на участках промышленного освоения, но и на территориях их окружающих. Поэтому изучение физико-механических и теплофизических свойств мерзлых грунтов естественного и нарушенного сложения является необходимым условием для успешного решения современных задач геомеханики.

Традиционной научной базой в определении деформационных свойств мерзлых грунтов являются феноменологические теории, основанные на реологических моделях либо в форме обыкновенных дифференциальных уравнений, либо в форме интегральных уравнений. Эти модели обычно диктуют выбор экспериментального метода, на основании которого решаются инженерные задачи строительства - оценивается устойчивость горных склонов, откосов, берегов, оснований инженерных сооружений и делается прогноз возможности или невозможности опасных процессов.

Такие экспериментальные методы испытания грунтов основываются на «принципе образца». Этот принцип состоит в том, что свойства связи между

основными переменными, обнаруживаемыми в опытах с макрооднородной деформацией образцов, затем трактуются как локальные свойства сплошной модели тела при произвольной (не обязательно однородной) его деформации. Однако уже при рассмотрении композиционных материалов с периодической структурой возникает сильное несоответствие эффективных свойств, определенных с учетом и без учета неоднородности поля деформаций. Это принципиальный недостаток указанного принципа, так как прецизионные измерения на образцах позволяют получить характеристики, обеспечивающие близость перемещений у образца и натуры, но не обеспечивают близость их деформаций и напряжений.

Значительно большее несоответствие действительности возникает при рассмотрении мерзлого грунта. Такой образец неоднороден по составу и строению. Неравномерность напряжений приводит к локальным фазовым переходам, которые накладываются на исходную неравномерность, изменяется фазовый состав влаги в грунте. Это обстоятельство требует учета при определении свойств образца.

На сегодняшний день существует весьма большое число публикаций, затрагивающих тот или иной аспект проблемы фазового состава влаги в мерзлых грунтах [2, 3, 7, 10, 27, 52, 62, 65, 85, 91, 92, 93, 94]. Среди существующих направлений исследования наиболее разработанными оказались: физико-химическое, исследующее взаимосвязь фазового состава влаги с физико-химическими параметрами капиллярно-пористой грунтовой системы и петрографическое, изучающее зависимость содержания незамерзшей воды и льда в грунте от вещественного состава и его структурно-текстурных особенностей. Вопросы, связанные с изменением фазового состава влаги в грунте в результате действия инженерных нагрузок на грунты основания на сегодняшний день исследованы явно недостаточно.

Разработан целый ряд экспериментальных методов изучения фазового

состава влаги в мерзлых грунтах (дилатометрический, криоскопический,

калориметрический, диэлектрический, метод ядерного магнитного резонанса и другие), однако эти методы дают достоверные для изучения данные для

достаточно низких температур. В интервале же температур от 0 до -3°С,

именно там, где наиболее интенсивно идут процессы фазовых переходов,

проведение инструментальных исследований сталкиваются с серьезными

трудностями. В этой области температур по данным Л.В.Чистотинова [27]

даже незначительное изменение температуры (сотые доли градуса Цельсия)

существенно сказываются на фазовом составе воды в мерзлом грунте, а

следовательно не его физико-механических свойствах, знание которых

необходимо для решения современных задач геомеханики.

Однако существуют работы, как современные, так и прежних лет, связанные с изучением структуры мерзлых грунтов [38, 59, 63], термодинамики поверхности раздела лед-вода [4, 28, 109, 110], свойств включений [47], результаты которых позволяют построить расчетно-аналитическую модель зависимости температуры фазового перехода от внешней нагрузки.

В связи с этим цель диссертационной работы состоит в усовершенствовании методов изучения фазового состава «высокотемпературных» мерзлых песков и супесей.

При этом задачи, поставленные в диссертации, заключаются в следующем:

1) разработка методов определения давлений на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) разработка метода расчета изменения температуры фазовых переходов в зависимости от внешнего давления;

3) определение порога фазовых переходов и порога просачивания;

4) определение и анализ областей локальных фазовых переходов;

5) проведение оценочных расчетов уплотнения образца грунта вследствие просачивания образовавшейся в результате локального

плавления льда влаги.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1) проведены численные эксперименты по определению давления на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) разработана методика определения области локальных фазовых переходов в зависимости от внешней нагрузки и приведен анализ этой области;

3) проведены оценочные тепловые и гидравлические расчеты области мерзлого грунта;

4) определена величина уплотнения образца грунта вследствие просачивания образовавшейся в результате локального плавления льда влаги.

На защиту выносятся:

1) методика определения давлений на контакте минеральная частица-лед по заданной внешней нагрузке;

2) результаты и выводы проведенных численных экспериментов по расчету контактных давлений между минеральными частицами и льдом;

3) анализ области локальных фазовых переходов;

4) анализ просачивания воды, образующейся в результате локального плавления льда.

Диссертация содержит 93 страниц машинописного текста, состоящего из Введения, трех глав, Основных выводов по диссертации, включает в себя 35 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 116 наименований.

Работа выполнена на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов Московского государственного строительного университета в 1994-97 гг. под научным руководством старшего научного сотрудника, кандидата технических наук В.П.Мерзлякова и кандидата технических наук А.Н.Власова, которым автор выражает свою глубокую признательность.

Апробация полученных результатов проводилась на научном дискуссионном семинаре по современным теоретическим и прикладным проблемам механики грунтов Российского Университета Дружбы Народов, а также на первой конференции геокриологов России, на международной конференции проблем криологии Земли.

Автор искренне благодарен А.В.Талонову и В.Л.Саваторовой в тесном сотрудничестве с которыми выполнена работа, а также М.Г.Мнушкину и А.В.Рогозинскому, оказавшим большую помощь в проведении численных расчетов.

Автор также благодарит заведующего и сотрудников кафедры МГрОиФ за любезно предоставленные материалы и за помощь ценными советами.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (ММ 94-05-16502, 96-0565295).

Глава I. Некоторые термодинамические особенности поведения льда в мерзлых грунтах

1.1. Строение мерзлых грунтов

Мерзлые грунты представляют собой сложные многофазные и многокомпонентные системы, в их составе можно выделить четыре основные составляющие [91]:

1) твердые минеральные частицы;

2) ледовая составляющая;

3) вода в связанном и свободном состояниях;

4) газообразные компоненты.

Твердые минеральные, реже органоминеральные частицы формируют скелет мерзлого грунта. Величина удельной поверхности, химический и минералогический состав минерального скелета, в особенности наиболее активной тонкодисперсной - коллоидной его части, оказывают существенное влияние на физические и механические свойства мерзлых грунтов. Знание гранулометрического состава позволяет классифицировать мерзлые грунты аналогично талым как крупнообломочные, песчаные или глинистые. Однако, кроме размеров минеральных зерен, на свойства мерзлых грунтов существенное влияние оказывает и форма минеральных частиц, поскольку от формы твердых частиц зависят величины местных усилий, передаваемых на мерзлый грунт от внешних воздействий. Так, например, по данным Н.А.Цытовича и М.И.Сумгина [93] усилия по контакту круглого кварцевого зерна диаметром 1 мм с плоской прослойкой льда (при значении модуля упругости для кварца 3-104 МПа, а подстилающей прослойки льда З-Ю3 МПа) при внешнем давлении в 0.2 МПа равнялись примерно 117 МПа. В случае же соприкосновения двух минеральных зерен того же диаметра усилия будут в несколько раз больше. Реальный песчаный или супесчаный грунт содержит

неоднородные по размеру и форме минеральные частицы, поэтому в точках контакта величины усилий достигают нескольких сотен МПа, что несомненно сказывается на свойствах мерзлых грунтов, в частности на содержании в них незамерзшей воды, льда, на изменении структуры мерзлых грунтов.

Лед, являясь обязательной компонентой мерзлых грунтов, в противоположность твердым частицам, представляет собой мономинеральную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами, резко отличными от других горных пород. В природных условиях, где всегда имеют место некоторые изменения термодинамических условий (температуры, давления и др.), свойства льда могут значительно изменяться [6, 12, 16, 36, 53, 96, 98, 102, 106]. Эти изменения обуславливают нестабильность свойств как самого льда, так и мерзлых грунтов при всяком изменении внешних условий.

Существует ряд классификаций типов льда. Так, например, по классификации П.А.Шумского [98], лед в мерзлых грунтах подразделяется на три основные типа: лед, представляющий самостоятельную мономинеральную породу; лед, являющийся породообразующим минералом, и лед сублимационный (непородообразующий). Для изучения физических и механических свойств мерзлого грунта наибольший интерес представляет второй тип льда (лед-цемент и лед прослойков).

Степень цементации льдом устанавливает разновидность мерзлого грунта (согласно ГОСТ 25100-82):

1) твердомерзлый - для песков крупных и средней крупности температура грунта ниже -0.1 °С, для песков мелких и пылеватых -ниже -0.3°С; для супесей - ниже - 0.6°С;

2) пластично мерзлый - температура грунта выше значений, указанных для твердомерзлых грунтов;

3) сыпучемерзлый (только для песчаных грунтов) - температура грунта ниже 0 °С и суммарная влажность \Vtot ^ 3%.

и

Под «высокотемпературными» грунтами в работе понимаются пластично мерзлые грунты с температурой в области близкой к О °С, где даже незначительное (десятые и сотые доли градуса) изменение температуры существенно изменяет фазовый состав воды в грунте, а следовательно и свойства грунта.

Количество и состав незамерзшей воды определяют направление и интенсивность физико-химических процессов в мерзлых грунтах. Кроме того, многие физические и физико-механические свойства мерзлых грунтов зависят от содержания в них жидкой фазы, особенно в области отрицательной температуры вблизи О °С [91, 92]. Количество жидкой фазы в мерзлых грунтах определяется следующими основными факторами:

1) величиной удельной поверхности, минералогическим составом тонкодисперсных фракций;

2) размерами пор и капилляров;

3) содержанием и составом водорастворимых соединений, главным образом солей;

4) влиянием внешних воздействий (принцип равновесного состояния / воды в мерзлых грунтах Н.А.Цытовича [90]).

Газообразная составляющая мерзлых грунтов может находиться в открытых и замкнутых порах, в адсорбированном состоянии. Количество свободных газов определяется свободной пористостью. Количество адсорбированных газов зависит от удельной поверхности, минералогического и химического состава скелета грунта и пористости. Оно резко увеличивается при наличии в грунте органических веществ. Защемленные газы находятся в микропорах, в которых сохраняются даже при воздействии больших нагрузок. По данным М.М.Филатова, покровская и юрская глины, находясь в состоянии естественной влажности, содержали газы даже после уплотнения нагрузкой в 200 МПа.

Рассмотрим подробнее структуру мерзлых грунтов. Как отмечалось выше, специфика структуры мерзлых грунтов обуславливается наличием в их составе льда, играющего роль цемента. Цементация льдом, как и любыми другими веществами, не меняет главных первопричин структурных признаков горных пород - размеров и формы составных частей ее твердого скелета. Тем не менее, структура грунта при появлении в ней льда-цемента в таком количестве, которое оказывает заметное влияние на свойства породы, существенным образом изменяется. Поэтому основная характеристика и название структуры мерзлого грунта не отличается от первичной, но она дополняется характеристикой типа ледяного цемента и его структуры, а также соотношением между структурой льда-цемента и скелета породы.

Характер расположения ледяных включений устанавливает дополнительный классификационный признак для мерзлых грунтов - вид криогенной текстуры. Выделяют четыре типа текстур [59, 63, 66, 91]:

1) массивную - лед содержится только в порах грунта, без видимых прослоек льда;

2) слоистую - лед содержится в грунте в виде удлиненных включений (прослоек) различных размеров, ориентированных примерно в одном направлении;

3) сетчатую - лед содержится в грунте в виде пересекающихся между собой прослоек различной ориентации;

4) корковую - лед образует корки и линзы вокруг обломков в крупнообломочном грунте.

Скальные горные породы, независимо от их генезиса (магматические, метаморфические, осадочные) при промерзании заметно меняют только водопроницаемость, так как не содержат льда-цемента. Структура таких пород при промерзании остается прежней, а заполняющий трещины жильный лед традиционно рассматри