Физико-механические свойства мерзлых пород

Физические свойства мерзлых пород зависят от цементирующего действия льда, общее содержание которого называется льдистостью мерзлой породы г. Льдистость равна отношению массы всего льда к массе воды, содержащейся в породе, т. е.

где Wнз — содержание незамерзшей воды (в долях от сухой навески породы);
W — суммарная влажность породы.
Механические свойства мерзлых пород зависят не только от льдистости, но и ряда других, в частности, текстурных особенностей и длительности действия деформирующей силы. Уменьшение сопротивление сдвигу происходит с увеличением суммарной плотности льдинок па поверхности среза. Мгновенное сопротивление сдвигу мерзлых пород (омгн) во много (часто в семь — десять и более) раз превышает длительное сопротивление (одл). Это происходит вследствие расслабления (релаксации) структурного и льдоцементационного сцепления при одновременном незначительном увеличении молекулярного сцепления. Однако при некотором напряжении мерзлая порода не разрушается, сколь долго бы оно не действовало. Это напряжение соответствует длительному сопротивлению мерзлой породы.
По исследованиям Н.А. Цытовича, релаксация напряжений в мерзлых породах описывается уравнением следующего вида:

где оt — сопротивление, соответствующее времени t;
tr — время релаксации, численно равное tr = n/Е (здесь n — коэффициент вязкости, E — модуль нормальной упругости).
Уравнение (1.33) графически изображено на рис. 42. Оно дозволяет определить длительное сопротивление сдвигу

где Z = (о1—о2)/(омг—о1) (здесь о1 — сопротивление, соответствующее действию нагрузки в течение времени t1; o2 — сопротивление, соответствующее времени t2, причем t2 = 2t1).

По С.С. Вялову, предельно-длительное сопротивление сдвигу тдл находится в следующей зависимости от длительности действия статического напряжения:

где в и В — параметры длительной прочности; tпр = (100—B0'05)*1/1,05 — предельное время.
Весьма существенным фактором, определяющим прочность мерзлых пород, является величина отрицательной температуры (рис. 43). С понижением температуры возрастает временное сопротивление сжатию, особенно в интервале температур 2—7° С. В данном интервале льдообразование происходит особенно интенсивно и, кроме того, наблюдается качественное изменение самого льда — повышается его прочность.

На рис. 44 приведен график зависимости сопротивления сдвигу замороженных пород от величины внешнего давления р и отрицательной температуры 0. Он также свидетельствует о повышении показателей сопротивления сдвигу, особенно сцепления с понижением температуры мерзлой породы.
По исследованиям В.А. Мещанского, глинистые породы при отрицательной температуре ~0,5° С и нагрузке свыше (6—8)*10в6 Н/м2 обладают сопротивлением сдвигу оттаявших пород. Это объясняется плавлением льда вначале на контактах минеральных частиц, а затем (по мере повышения давления) и всей мерзлой массы.

По Н.А. Цытовичу, важными показателями механических свойств мерзлых пород являются величины длительного сцепления сдл и коэффициента оттаивания Aо. Первая характеризует несущую способность мерзлой породы при данной отрицательной температуре и определяется методом шаровой пробы с использованием следующей зависимости

где sдл — длительная осадка мерзлой породы под шаровым штампом диаметром D и при нагрузке р.
Согласно Н.А. Цытовичу, зная сдл, можно определить безопасную нагрузку (начальную критическую) на вечномерзлые породы при сохранении отрицательной температуры, рассматривая их как идеально связные тела

где h — глубина залежения фундаментов, сдл и фдл — параметры сопротивления мерзлых пород грунтов, соответствующие их льдистости и отрицательной температуре.