Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры

Глава 6. Особенности процесса деформирования и снижения прочности мерзлых засоленных грунтов.

Для исследования влияния засоленности на кинетику разрушения мерзлых грунтов в настоящей работе использован подход, разработанный Л.Т. Роман применительно к мерзлым грунтам, основанный на концепции кинетической теории прочности твердых тел. Указанная концепция разработана С.Н. Журковым и подтверждена многочисленными экспериментальными данными, обобщенными и проанализированными в работе В.Р.Регель, А.И.Слуцкер, Э.Е.Томашевский. Основы этой концепции заключаются в том, что разрушение твердых тел осуществляется не только внешними нагрузками, когда напряжение от этих нагрузок достигают предельного значения, равного прочности межатомных связей. В процессе разрушения участвуют тепловые флуктуации, доразрушающие нагруженные межатомные связи. Так как тепловые флуктуации протекают во времени, то и доразрушение межатомных связей происходит во времени даже при постоянной внешней нагрузке. Таким образом, прослеживается роль временного фактора в процессе разрушения, что наилучшим образом раскрывает суть реологических процессов, которым подвержены все твердые тела, в том числе и мерзлые грунты.

Уравнение длительной прочности, полученное на основе указанных зависимостей для мерзлых грунтов, имеет вид:

где σ_t - прочность на период времени t; σ_o - напряжение, вычисленное по ординате полюса равной lgσ_o; t - время от начала нагрузки до разрушения; t_o - 10^-12 - 10^-13 c; β_θ - опытный параметр зависящий от температуры и физических свойств мерзлого грунта и равный тангенсу угла наклона прямых lgσ - lgt.

Линейная зависимость времени до разрушения (t) от температурного фактора, представленная в виде lgσ - lgt, позволяет получить уравнение для расчета энергии активации процесса разрушения:

где R - универсальная газовая постоянная (2*10^-3), ккал/моль*К; Т - абсолютная температура, К.

Как показано в концепции кинетической теории прочности, параметр t₀ меняется в пределах 10^-13 - 10^-12с. В нашей работе выполнена проверка точности определения t₀ для мерзлых грунтов. С этой целью использовались результаты наших исследований, фондовые материалы ПНИИИС и <Фундаментпроект>, длительные испытания, выполненные С.С.Вяловым для высокотемпературных мерзлых грунтов, Е.П.Шушериной для льда и Л.Т.Роман для мерзлого торфа. Анализ опытных данных показал, что для мерзлых грунтов параметр t₀ находится в пределах от 1,7*10^-12 до 3,2*10^-12 с. Анализируя уравнение (6), можно видеть, что при задании параметра t₀ равным 10^-12с максимальная ошибка прогноза прочности на 50 лет составляет 0,00015 - 0,00024МПа, что не превышает точности эксперимента. Кроме того, в настоящей работе была сделана оценка влияния разброса опытных данных в параллельных опытах на точность определения длительного эквивалентного сцепления для мерзлых грунтов. Для этой цели при обработке результатов опытов в координатах lg_t - lg_Cэ кроме средней прямой, были построены прямые через крайние точки (с максимальным и минимальным углом наклона). Пример приведен на рис 7. Определение параметров прогнозного уравнения (6) производилось по каждой прямой, далее делался прогноз длительного эквивалентного сцепления на 50 лет для обоих случаев (прямые lg_t - lg_Cэ с максимальным и минимальным уклоном), разница между этими значениями определяла точность прогноза (табл. 5).

Табл. 5. Результаты расчета ошибки прогноза длительного эквивалентного сцепления
Грунт	θ,oС	βθmax	βθmin	βθ	С0max, МПа	С0min, МПа	С0, МПа	Cэ50, МПа	ΔСэ50* МПа
песок	-1,0	0,0413	0,0391	0,0414	1,266	0,984	1,085	0,144	0,008
супесь	-2,0	0,1149	0,0979	0,1079	39,084	18,210	28,248	0,113	0,012
глина	-2,0	0,0611	0,0570	0,0580	4,967	4,722	4,832	0,284	0,039
Примечание: *- ΔСэ50 = С0max - С0min

Как можно видеть из приведенных данных, разброс значений длительного эквивалентного сцепления не превышает 12% для всех видов грунтов.

Нашими исследованиями выявлена аналогия влияния концентрации порового раствора и температуры на длительную прочность мерзлых засоленных грунтов. По результатам проведения двух серий экспериментов определялось эквивалентное сцепление мерзлого суглинка с хлоридным типом засоления. Образцы одной серии (рис 8а) имели одинаковую концентрацию порового раствора (0,014) и испытывались при различных температурах ( -1,5^oС; -2,0^oС; -4,0^oС). Образцы второй серии (рис 8б) имели различную концентрацию порового раствора (0,007; 0,009; 0,022) и испытаны при одинаковой температуре (-1,5^oС). Результаты опытов обрабатывались в координатах lg_t - lg_Cэ (рис. 8).

Как можно видеть, влияние температуры и концентрации порового раствора на характер снижения эквивалентного сцепления во времени аналогично: полученные зависимости линейны для образцов обеих серий испытаний, имеют подобный друг другу вид и сходятся в полюсе с координатами lgC₀ - lgt₀. Указанная аналогия связана с тем, что оба фактора (температура и концентрация порового раствора) обусловливают динамику изменения содержания в мерзлых грунтах незамерзшей воды, которая в свою очередь определяет прочность. При этом показателем темпа изменения прочности является параметр β_θ. Увеличение этого параметра приводит к снижению прочности.

Экспериментально подтверждена выраженная графически взаимосвязь между долговечностью (временем до разрушения) и скоростью установившейся ползучести по данным обработки результатов испытаний на одноосное сжатие. В логарифмическом масштабе для каждого фиксированного значения температуры зависимость lgε - lgt является зеркальным отображением зависимости lgt - lgσ_t (рис. 9). Это подтверждает предположение, что в основе деформирования и разрушения лежит термофлуктуационный механизм, обусловливающий постепенное накопление во времени разорванных межатомных связей. Таким образом, подтверждается правомерность разработанной методики определения длительной прочности мерзлых грунтов посредством оценки скорости деформирования.

Полученные зависимости позволяют рассчитать энергию активации (U) процесса разрушения при:

потере прочности U_σ = 2.3 RTΔ_θ (lgt-lgt₀) (9)

Величины U_cr и U_σ весьма близки, что также свидетельствует о термофлуктуационном характере протекания обоих процессов и их тесной взаимосвязи. Как можно видеть из рис. 10, величины энергий активации, полученные для обоих серий испытанных образцов мерзлого засоленного суглинка, в опытном изменении как температуры, так и концентрации порового раствора, кучно ложатся на единую прямую. Экстраполяция данной зависимости к оси U_cr,σ дает величину начальной энергии активации U₀. Её значение для испытанного засоленного суглинка оказалось равным 1,9 ккал/моль. Для мерзлых незасоленных грунтов и льда U₀ находится в пределах 3,5 - 6,0 ккал/моль, что сопоставимо с величиной энергии водородных связей во льду, равной 4,0 - 4,5 ккал/моль. Это позволило сделать вывод о том, что снижение прочности мерзлых грунтов под действием внешней нагрузки происходит вследствие разрушения водородных связей во льду по контакту льда с пленкой незамерзшей воды. Очевидно, наличие солей в поровом растворе грунтовой влаги связывает молекулы воды, снижает энергию водородных связей на контакте льда и пленки незамерзшей воды. Однако для объяснения этого факта требуются дальнейшие исследования в данном направлении. Таким образом, выполненные исследования показывают, что и для мерзлых засоленных грунтов справедлив термофлуктуационный механизм их разрушения.

---

<< пред.

след. >>