книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

П;-Расчети проектирование оснований и фундаментов в условиях Севера

- 1 9 1 -

III - прогрессирующего течения (участок m-c-f).

При больших нагрузках стадия установившегося течения может сразу переходить в стадию прогрессирующего течения (кривая 3).

Как отмечает Роман [45], проявление всех стадий ползуче­ сти обусловлено двумя взаимно противоположными явлениями - упорядочением и разупрочнением грунта, которые происходят под действием внешней нагрузки. Когда к грунту приложена внешняя нагрузка, в его отдельных участках происходит кон­ центрация напряжений. В наиболее слабых местах структуры возникают разрывы. Компоненты грунта с нарушенными связя­ ми: стремятся переместиться в новое, более устойчивое положе­ ние В начале процесса нарушения структурных связей смеще­ ние частиц приводит к более плотной компоновке, возникают новые межчастичные связи, уменьшаются размеры и количество дефектов структуры (полости, пустоты, микротрещины). Зале­ чивание этих дефектов сопровождается уменьшением объема грунта - его уплотнением. Эти явления отмечаются при всех видах напряженного состояния: сдвиге, сжатии, растяжении. Интенсивность упрочнения увеличивается при действии всесто­ роннего сжимающего напряжения.

Наряду с залечиванием дефектов структуры грунта возни­ кают новые повреждения, расслабляющие структурные связи. Если нагрузка незначительна, то восстановление связей преоб­ ладает над их разрушением. В этом случае доминирует процесс упрочнения, что и обусловливает,затухающий характер дефор­ мирования. Если же нагрузка достаточно велика, то процесс уп­ рочнения превосходит процесс разрушения лишь на стадии неустановившейся ползучести. По мере дальнейшего развития де­ формирования возрастающее нарушение структурных связей, распад агрегатов, переориентация частиц, рост дефектов струк­ туры вызывают более интенсивное деформирование. Расслабле­ ние компенсируется упрочнением. Ползучесть протекает с при­ мерно постоянной скоростью.

Дальнейшее накопление нарушений структуры приводит к превалированию расслабления над упрочнением, скорость де­ формирования возрастает и ползучесть переходит в стадию про­ грессирующего течения, эта стадия заканчивается разрушением.

Подразделение процесса ползучести на затухающий и неза­

- 1 9 2 -	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера

тухающий, а также выделение отдельных стадий не являются строгими.

Зависимости между скоростью установившейся ползучести

у и напряжением Т называются реологическими. Отношение приращения величины действующего напряжения на каждом участке Д т к приращению скорости деформации Д у соответ­ ствует коэффициенту вязкости.

На рис. 11.4 приведены экспериментальные реологические кривые для талых и мерзлых грунтов.

а)	б)
	еПО’.ю'н'

Рис.11.4. Реологические кривые талых и мерзлых грунтов

а -талый ил (1 - wjol = 0,13; 2 - wiol = 0,54), сдвиг;

б - мерзлая супесь пылеватая ( ур = 0,26; 1 - 9 = -5 °С,

2 - 9 = -10 “С, 3 - 9 = -20 °С), одноосное сжатие

Анализ кривых рис. 11.4 показывает, что независимо от со­ стояния грунтов (талое или мерзлое), гранулометрического и минерального состава, а для мерзлых грунтов - независимо от температуры, льдистости, вида биогенной структуры, зависи­ мость между скоростью течениям и напряжением имеет общий характер - реологические кривые мерзлых грунтов аналогичны таковым для твердого тела, с четким прослеживанием критиче­ ских значений напряжения.

Параметры реологических кривых мерзлых пород зависят от их физических свойств, температуры, способов и режима ис­ пытания. При прочих равных условиях коэффициент вязкости

11,Расчет и проектирование оснований и фундаментов в условиях Севера

- 1 9 3 -

возрастает с уменьшением дисперсности и увеличением жестко­ сти минерального каркаса.

С увеличением льдистости при неполном заполнении пор вязкость грунта повышается и достигает максимальной величи­ ны при степени влажности 0,8 - 0,9. Далее вязкость снижается по мере увеличения льдистости и стремится к вязкости льда.

Значительные изменения вязкости грунта происходят при замерзании и понижении температуры. Появление льда приво­ дит к увеличению вязкости в 100 - 1000 раз и более. Это вызвано общим упрочнением грунта в результате формирования льдоце­ ментационных связей. Радикальные изменения при этом отме­ чаются и в характере реологических кривых. В интервале отри­ цательных температур реологическая кривая приобретает харак­ терный изгиб, возрастают абсолютные значения коэффициентов вязкости и одновременно происходит общее увеличение области развития вязкопластического течения для данного диапазона скоростей деформации, т. е. реологические кривые как бы рас­ тягиваются. Что же касается чистого льда, то для него реологи­ ческая кривая получается еще более вытянутой, а хк —» 0.

Значительное влияние на реологические кривые оказывает режим загружения. Таким образом, коэффициент вязкости явля­ ется не константой мерзлого грунта, а характеристикой процес­ са его деформирования, которая существенным образом зависит от предыстории напряженно-деформированного состояния грунта, характера развития деформации, а также от вида нагру­ жения (сжатие, сдвиг, растяжение, кручение), способа приложе­ ния нагрузки (одно-, двухили трехосные испытания) и условий нагружения (статическое, динамическое или ступенчатое).

В табл. 11.2 приведены значения коэффициентов вязкости при длительном деформировании мерзлых пород, полученные рядом исследователей. Эти данные (как и графики) подтвер­ ждают выводы и могут быть использованы в инженерных рас­ четах.

11.4. Релаксация и длительная прочность мерзлых грунтов

Релаксация - снижение напряжения, необходимого для

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -194 - объектов в условиях Севера

поддержания постоянства деформаций. При этом проявляются упруговязкие свойства мерзлого грунта. Релаксация является следствием перераспределения упругой и пластической дефор­ маций.

Нелинейность мерзлых грунтов как среды проявляется с изменением интенсивности нарастания деформаций и увеличе­ нием напряжений, упругость - в наличии у грунта восстанавли­ вающихся (очень незначительных) деформаций, пластичность - в развитии необратимых деформаций и, наконец, вязкость— в способности развивать деформации во времени

Особенно большое внимание в механике мерзлых грунтов уделено проблеме длительной прочности. Связано это с тем, что лед, являющийся обязательным компонентом мерзлых грунтов; обладает достаточно высоким сопротивлением быстрому раз-- рушению, но имеет свойство течь при любой нагрузке и не об­ ладает пределом длительной прочности.

Соответственно прочность мерзлых грунтов во времени снижается значительно, а длительная прочность оказывается меньше мгновенной в 4 ... 15 раз.

Наиболее четко для понимания понятие длительной проч­ ности мерзлых грунтов изложено в работе Л. Т. Роман [45].

Уменьшение величины разрушающего напряжения с уве­ личением времени до разрушения и есть проявление процесса снижения прочности во времени. Это снижение характеризуется кривой длительной прочности. Прочность на определенный мо­ мент времени (/) определяется на основе перестройки семейства кривых незатухающей ползучести, которые включают стадии IH - прогрессирующего течения во времени (рис. 11.5, а).

Для получения кривой длительной прочности испытывают­ ся при постоянной температуре идентичные образцы под на­ грузками Т[ > т 2 > т 3.... Затем строится семейство кривых пол­

зучести и определяется время tx < t2 < ty .., за которое разру­

шился каждый их образцов.

Периоды от приложения нагрузки до разрушения (tx,t2,t3...) проектируются на ось абсцисс. По оси ординат от­ кладываются соответствующие этим переходам величины раз­ рушающих напряжений (Г |,т2,т3...).

Т а б л и ц а 11.2

Экспериментальные значения коэффициентов вязкости мерзлых грунтов

_______________ при длительном деформировании_______________ ______

Вид грунта	Тем­	Вид одноосных	Напря­	Скорость ус­	Вязкость пластиче­	По данным
	пера­	испытаний	жение	тановившегося	ская, пуаз (101Па ®С)
	тура 0,		а, МПа	течения, мин'1	БингамоШведова
	°С				ва

Песок,	-3	Сжатие	3,46-10'° С.Е.Гречи-
И ^.И ),18-0,24		Растяжение	0,864-10' щева
		Растяжение	0

Суглинок,		Сжатие				0,43-Ю 10
	-3					10,37-10'
Щ01=0,29-0,33		Растяжение				0
Суглинок,		Сжатие				5,8-10'®
	-10		4.5	2 5 1 0 s	2 ,1 1 0 '°	8,3-10"
W,ol =0,29-0,33			5.5	100-10'5
Супесь пыле­	-10	Сжатие	1,5	2 5 -W 4	2,2-10*	9,3-10'°
ватая,		Деформирование с	2,3	150-10"4
^ o t- 0 ,2 6		постоянным ско­
Суглинок пы­		ростями
	-0,5	Сжатие			3,3-10|й	6,6-10'*
леватый,	-2-2				3 ,9 1 0 '°	6.6-1012
^tot =0,39	-5-0				5 ,0 1 0 "	3,3-10'J
Суглинок,	-3	Сжатие	1,2	10-Ю-4	1,1-10’	1,8-10"
^«о,=0,23		Деформирование с	2,4	I60-10-4
		постоянным ско­
		ростями

Е.П.Шушер

иной КХВ.Кулешова

Е.П.Шушер

иной

Ю-В.Ку- лешова

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-1 У Ь - объектов в условиях Севера

Врезультате такого построения получается график завись мости между разрушающим напряжением и временем до разру­ шения - кривая длительной прочности (рис. 11.5,6).

Рис. 11.5. Семейство кривых ползучести (д) и кривая длительной прочности (б).

%

Рис. 11.6. Критические точки на кривой ползучести.

(1. Расчет и проектирование оснований и фундаментов в условиях Севера	- 1 9 7 -
Выделяют:
условно-мгновенную прочность Г0 наибольшую	проч­

ность, характеризующую сопротивление быстрому разрушению

,<k\ ■ _

(величина Т0 определяется начальной (t —> 0 ) координатной

кривой длительной прочности);

длительную прочность Т ( t ) , определяемую напряжением,

которое вызывает разрушение за заданный промежуток времени

(величина Т (?) определяется текущей координатной кривой

длительной прочности);

предел длительной прочности Тда, соответствующий на­

пряжению, до превышения которого деформация имеет зату­ хающий характер и разрушения не происходит при любом на­

блюдаемом времени воздействия нагрузки. Величина Тю опре­

деляется асимптотической кривой длительной прочности.

У мерзлых грунтов, особенно сильнольдистых при высокой отрицательной температуре, незатухающая ползучесть, приво­ дящая к разрушению, возникает при любых малых по величине напряжениях и кривая длительной прочности асимптотически приближается к оси абсцисс.

Процессы деформирования и разрушения тесно связаны. На кривых незатухающей ползучести выделяют характерные кри­ терии разрушения грунта (рис. 11.6).

Такими критериями являются значения деформаций и соот­ ветствующих им временных переходов кривых ползучести из

стации I в стадию II (/„ ,/„ ), из стадии II в стадию 1П ( y m,tm) и

к моменту разрушения ( 7 /^ /) - Иногда за момент разрушения

принимают точку перегиба кривой ползучести в пределах ста­

дии III (7 с,/с ), которая определяет момент резкого увеличения

скорости ползучести.

Деформации, соответствующие моменту разрушения, яв­ ляются практически постоянными для данного грунта, незави­ симо от величины напряжения, что позволяет получить уравне­ ние длительной прочности мерзлых грунтов на основе уравне­ ния деформирования.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 9 о - объектов в условиях Севера

Разрушение мерзлых грунтов может быть хрупким или вяз­ ким. Хрупкое разрушение проявляется в виде сколов, для него характерны небольшие деформации. При вязком разрушении происходят большие деформации без нарушения сплошности испытываемого грунта. Хрупкое разрушение характерно для мерзлых грунтов и льда при низкой температуре, вязкое разру­ шение - для пластичномерзлых грунтов и льда при температуре, близкой к 0°С. При хрупком разрушении соответствующий ему момент времени фиксируется четко. При вязком же разрушении такой четкости нет, и за период до разрушения принимают либо

время, равное началу стадии прогрессирующего течения ( tm),

либо время начала резкого возрастания скорости деформирова­

ния (tc).

С.С.Вяловым [8] показано, что III стадия ползучести насту­ пает примерно в условиях достижения одной и той же относи­ тельной деформации ползучести при одноосном сжатии, равной ~ 20%, независимо от напряжения и температуры грунта. По­ этому период, соответствующий достижению этой величины относительной деформации, для оценочных расчетов длитель­

ной прочности также рекомендуется принимать равным tc .

11.5. Основные теплофизические характеристики мерзлых грунтов

Фактором, определяющим все прочностные и деформаци­ онные характеристики мерзлых грунтов, является температура. Так, при понижении температуры мерзлых грунтов их проч­ ность значительно возрастает, уменьшается вязкость и в боль­ шей степени проявляется хрупкое разрушение.

Влияние температуры обусловлено тремя основными про­ цессами, протекающими в мерзлых грунтах:

уменьшением количества незамерзшей воды и увеличением содержании льда-цемента;

упрочнением кристаллической решетки льда и всех твер­ дых компонентов;

структурным уплотнением, обусловленным температурным сокращением всех компонентов мерзлого грунта.

11.Расчети проектирование оснований и фундаментов в условиях Севера

- 1 9 9 -

Поэтому при всех расчетах при проектировании и строи­ тельстве зданий и сооружений используются теплофизические хаоактеристики мерзлого грунта. Основными из них являются:

1. Теплоемкость.

Теплоемкость весьма существенно зависит от тепловых эф­ фектов. При температуре, близкой к температуре начала замер­ зания, величина теплоемкости стремится к бесконечности и ее экспериментальное определение неосуществимо. Обычно рас­ сматривается эффективное значение теплоемкости промерзаю­ щих и оттаивающих грунтов, обусловленное содержанием неза­ мерзшей воды и льда в процессе изменения температуры. Теп­ лоемкость грунтов - величина, равная сумме теплоемкостей всех компонентов. Выражение для расчета эффективной тепло­ емкости промерзающих грунтов Cf имеет вид

с г = P i [ с . + c w , + c j r +.

/ <да],

(11.3)

где Cs,Cl,Cw - удельные теплоемкости частиц грунта, льда

и воды соответственно; L - удельная теплота плавления льда, равная 336 кДж/кг.

Как показали многочисленные исследования, удельные те­ плоемкости компонентов грунта в пределах температуры есте­ ственного залегания грунта (от температуры начала замерзания грунтовой влаги до -20°С) меняются незначительно и для прак­ тических расчетов могут приняты их средние значения (табл. 11.3).

	Т а б л и ц а 11.3
Удельная теплоемкость компонентов грунта
Компоненты	С, кДж/кг • К
Песок	0,71
Супесь, суглинок	0,84
Глина	1,47
Торф низинный	1.92
Торф верховой	1,68
Вода	4,20
Лед	2,10

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 0 0 - объектов в условиях Севера

2. Температуропроводность.

Основной теплообменной характеристикой мерзлых грун­ тов является коэффициент температуропроводности. Коэффи­ циент температуропроводности показывает способность грунта изменять температуру в данной точке под воздействием измене­ ния температурного градиента в той же точке. Определяют ко­ эффициент температуропроводности по формуле

Коэффициент температуропроводности определяется (

в м2/ч) в талом (<Я/А) или мерзлом (ОСу) состоянии по выраже­

нию

	а /,ч,	(11.4)
где Я/>ГА	коэффициент теплопроводности,	Вт/(мК),

C fjh - объемная теплоемкость грунта, ДЖ/ (м3К).

Коэффициентом теплопроводности называют количество тепла, проходящее в единицу времени через толщину слоя и единичную его площадь, при градиенте температуры 1°С между поверхностями этого слоя.

Объемная теплоемкость грунта - это количество тепла, не­ обходимое для нагревания единицы объема грунта на один гра­ дус в мерзлом и талом состоянии.

Разработаны способы экспериментального определения

Лу ih и С //А , установлены закономерности их зависимости от

вида грунта, его физических свойств и температуры, а также талого или мерзлого состояния. Эти характеристики обобщены и приводятся в справочной литературе и нормативных докумен­ тах [47]. Для мерзлых грунтов величина коэффициента тепло­ проводности обусловлена общим содержанием воды и льда и незначительно зависит от тепловых эффектов, связанных с фа­ зовыми превращениями воды в грунте. Коэффициент теплопро­ водности с высокой степенью корреляции для каждого вида грунта выражается в зависимости от степени влажности (рис. 11.7).