Введення.

Площа поширення многолетнемерзлих порід составляетдо 25% всієї сушіземного кулі і більше 65% площі Російської Федерації. Суцільне поширення многолетнемерзлих порід спостерігається в Антарктиді і напрілегающіхк ній островах, в Гренландії, а також на високогірних ділянках в Південній Америці в Африці. На території Росії многолетнемерзлие породи поширені на узбережжі європейської частини і займають значну територію на північному сході країни. Австралія є єдиним континентом, де не наблюдаетсяраспространенія многолетнемерзлих товщ.
Поширення мерзлих товщ підпорядковане широтної і висотної зональності. За середньорічним температур, характеру распространеніяі мощностіна многлетнемерзлих порід виділяються п'ять зон. Географічна граніцараспространенія мерзлих порід на території Росії вказана на карті (Рис1).
 Безперервність мерзлих товщ по простиранню спостерігається тільки самих північних районах. Але й там під великими водоемаміі в місцях посиленої циркуляції підземних вод можна зустріти ділянки з наскрізним протаіваніем. Такі ділянки називаються «Талік», при цьому розрізняють «наскрізні Талік» і «некрізні», або «помилкові» Талік. Кількість і площа Талік зростають у напрямку від північних областей розповсюдження мерзлих порід до їх «південному кордоні», або, точніше, в напрямку, перпендікулярномгеоізотермам в цій області.
Географічна південна межа поширення многолетнемерзлих порід являє собою лінію, оконтурівающію з півдня область розповсюдження мерзлих товщ, за винятком окремих високогірних участковмерзлих порід в субтропічних і тропічних зонах. Короткочасне промерзання грунту пов'язане з нічними заморозками; сезонне промерзання порід викликається наявністю середньодобових негативних температур почвизімой у зв'язку з сезонними коливаннями клімату, а причиною існування многолетнемерзлих порід є тривале существованіеотріцательних середньорічних температур порід внаслідок багаторічних коливань теплообміну на поверхні Землі, періодіческісоздающіх негативні температури у верхньому шарі літосфери .
За глибиною мерзлі породи можуть поширюватися неоднорідний (рис.2).

Рис.2 Схема вертикального розрізу мерзлих толщ при русі з півдня на північ:
1-шар сезонного промерзання (протаіванія); 2-сучасні зливаються; 3-сучасні неслівающіеся товщі; 4-стародавні зливаються і неслівающіеся товщі.

Зокрема, кратковременномерзлие і сезонномерзлие товщі являють собою звичайно безперервні по вертикалі шари, верхня поверхностькоторих збігається з дневнойповерхностью, а нижня поверхностьнаходітся на деякій невеликий (від сантиметрів до одиниць метрів) глибині.
Залягання многолетнемерзлих товщ більш складно. Їх верхня поверхня залягає на різних глибинах нижче денний поверхностівследствіе процесів сезонного або багаторічного протаіванія. Многолетнемерзлие товщі називаються «зливаються», еслііх верхня поверхня збігається з нижньою поверхнею шару протаіванія; якщо ж їх верхня поверхня знаходитися глибше підошви слоясезонного протаіваніяілі промерзання, вони називаються «неслівающіміся». Спостерігаються також залягання двох і більше шарів многолетнемерзлих порід один над одним, розділених талими прошарками їх називають «багатошаровими або шаруватими». Такі глибоко залягають неслівающіеся стародавні мерзлі товщі можуть зустрічатися значно на південь від південного кордону поширення сучасних або порівняно молодих мерзлих товщ.
Зона суцільний мерзлотихарактерізуется мощностямімерзлих товщ від 500і більш до 300 м і самими низькими температурами від-10 ° С та нижче. Острівна мерзлота характерізуетсямалимі потужностями вічній породот декількох десятків метрів до кількох метровий температурами, близькими до 0? С.распределеніе температур многолетнемерзлих грун по глибині показано на рис.3.

Рис.3 Розподіл температури грунтів (?) В кріолітозоне за глибиною (h).
1-поверхню грунту; 2-огинають температури;? П-температура на поверхні;? 0-температура на рівні нульових річних амплітуд (середньорічна температура грунту); hот-глибина сезонного відтавання; h0-глибина рівня нульових амплітуд.

За характером промерзання многолетнемерзлие породи поділяються на два типи: 1) сінгенетіческі промерзлі породи, тобто накопичуються й промерзає в геологічному сенсі одночасно, і
2) епігенетичні промерзлі породи, тобто ті, які перейшли в многолетнемерзлое стан послетого, як процес їх накопичення завершілсяі вони зазнали діагенетіческіе зміни, перетворившись з осаду в породу.

У кріолітозоне спостерігається ряд геокріологіческіх процесів.
Термокарст-являє собою утворення грунтах і провальних формрельефа внаслідок витаіванія підземних льодів або оттаіваніямерзлого грунту. Механізм процесу полягає в уплотненііоттаявшіх сільнольдістихпороділі порід, що містять мономінеральних поклади льоду. Причиною вознікновеніятермокарста є така зміна теплообменана поверхностіпочви, при якому глибина сезонного відтавання починає перевищувати глибину залягання підземного люду або сільнольдістого многолетнемерзлого грунту, або проісходітсмена знакасреднегодовой температуриі начінаетсяоттаіваніе мерзлих толщ.Прі розвитку термокарст по повторно-жильним кригами утворюються положітелние форми рельєфу: байджерахі та горбисті полігони.
Морозобойное розтріскування. Механізмпроцесса полягає в тому, що при охолодженні в соот відповідне з розподілом температур по глибині в мерзлих породах виникають стискають і розтягують напруги, накопичення яких призводить до розриву порід і утворення тріщин.
Морозний пучение-дисперсних породето підняття поверхні землі, обумовлене збільшенням обсягу замерзлої вологи льодоутворення (внаслідок міграції води) при промерзанні. В умовах розвитку відкладень, що містять як мелкозем, так і великоуламкових грунти, відбувається випучіваніе великоуламкових матеріалу та освіта поверхностікаменних полів (курумов), або сортування грунтів з утворенням кам'яних полігонів або смуг на схилах.
Для прогнозу можливості виникнення геокріологіческіх процесів, періоду їх перебігу, а також для оцінки мерзлих грунтів, як підстав споруд необхідне знання фізичних, механіческіхі тепло-масообмінних характеристик, основні з яких розглядаються в цій роботі.

1-Зона редкоостровного і масивно-острівної поширення ММП із середньорічними температурами (tср) від 3 до-1С і потужністю мерзлій товщі (М) від 0 до 100 м; 2-5 зона суцільного поширення ММП: 2 - tср від -1 до -3, М від 50 до 300 м; 3 - tср від -5 до -9 С, М від 200 до 600 м; 5 - tсрот нижче-9с, М від 400 до 900 м і більше; 6 - кордон зон ММП; 7 південний кордон кріолітозони
Глава 1. Основні фізіческіехарактерістікі мерзлих грунтів.

1.1Вводние поняття.
Термін грунт увійшов у термінологію грунтоведческіх наук у 18 столітті. У сучасному визначенні (Сергєєв, Голодовская і др.1973) грунт-це будь-які гірські породи, грунту і техногенні утворення, що володіють певними генетичними ознаками і розглядаються як багатокомпонентні динамічні системи, що знаходяться під впливом інженерної діяльності людини.
Порода - природний мінеральний агрегат певного составаі будови, що сформувався в результаті геологічних процесів, згідно з якими їх підрозділяють на осадові, магматичні і метаморфічні.
Мерзлими грунтами, породами і грунтами називають грунти, гірські породи, грунту і дисперсні матеріали, що мають негативну або нульову температуру, в яких хоча б частина води замерзла, тобто перетворилася на лід, цементуючи мінерали. Скельні грунти, що мають негативну температуру і не містять у своєму складі води і льоду, називаються морозними. Великоуламкових і піщані грунти, що мають негативну температуру, але не зцементовані льодом і не володіли силами зчеплення називаються сипучемерзлимі ( «суха мерзлота»). Грунти і породи, в яких, незважаючи на негативну температуру крига не кристалізувався називаються охолодженими породами і грунтами.

Классіфікаціямерзлих грунтів по гранулометричному складу визначається як і для немерзлих грунтів. Виділяють класифікації за Охотіна, Сергєєву. Крім того, мерзлі грунти додатково класифікують за ГОСТ 25100-95, також по: часу перебування в мерзлому стані (табл.1.1); по льдістості (табл.1.2); по засоленості (табл.1.3); по заторфованності (табл.1.4)

Мерзлих грунтів залежно від їх температури, величини і временівнешнего воздействіямогут вести себякак тверді або пластичні. Чим менше і чим довший вплив, тим більшою мірою грунт проявляє пластичні властивості. Освіта льоду при промерзанні грунту призводить кповишенію міцності та опору деформованості, що пояснюється виникненням зв'язків між мінеральними частинками за рахунок льоду. Зі зниженням дисперсності, засоленості і температури міцність структурних зв'язків зростає. При тривалому часу дії навантаження роль льдоцементаціонногосцепленія знижується, що обумовлено проявом реологічних властивостей льоду. Розроблено класифікацію мерзлих грунтів по температурно-міцності властивостями. (Табл.1.5)
Заторфованний грунт

Th-температурна межа твердомерзлого сосотоянія мінеральних грунтів;
Tbf-то ж для заторфованних грунтів.

Характер зміни механічних властивостей грунтів різного складу залежить від виду напружено-деформованого стану і часу дії навантаження. При інженерних розрахунках необхідно знати як міцнісні характеристики, так і деформаційні: модулі загальної та пружної деформації, коефіцієнти в'язкості і стисливості, коефіцієнт Пуассона, характеристики кривих течії і повзучості.

1.2 Грунти як багатокомпонентна система.
Мерзла і вічній грунти є природними багатофазних утвореннями, що складаються з різних за своїми властивостями компонентів, що знаходяться в різному фазовому стані, тому припущення про їх однокомпонентності має сенс лише у випадку отсутствіяв даному обсязі грунту перераспределеніяво часу окремих фаз грунту.
Таким чином, механіка мерзлих грунтів є механіка чотирьохфазної системи, що містить: тверді мінерали; ідеально-пластичні включення льоду (лід-цемент і лід прошарок); воду у зв'язаному і рідкому станах; газові компоненти: пари й гази.
Всі перераховані компоненти перебувають у фізико-хімічному та механічному взаємодії, інтенсивність і форми якого залежать від температури.
Тверді мінерали впливають на властивості мерзлих грунтів характеристики, які залежать від розмірів і форми мінеральних частинок, фізико-хімічної природи їх поверхні, яка визначається їх мінеральним складом та складом поглинених катіонів.
Суттєво впливає на властивості грунтовформа частинок. Наприклад, при плоскій формі зерен тиск в точках контакту частинок практично дорівнює зовнішньому тиску від навантаження, тоді какпрі гострокутний формі-може досягати величезної величини. І інтенсивність протікання фізико-хіміческіхповерхностних явищ залежить від питомої поверхні частинок грунту, яка може досягати в глинистих грунтах80 і більше м2/м.
 Лід, будучи обов'язковою компонентою мерзлих грунтів на противагу твердим мінеральним часткам являє собою мономінеральних кріогідратнуюпороду з вельми своеобразниміфізіко-механічними властивостями. Крім льоду в грунтахмогут міститися і інші кріогідратние мінерали, наприклад, вуглекислий натрій Na2Co3, хлорістиймагній MgCl2. Льодом називають всі тверді модифікації води, незалежно від їх кристалічного або аморфного стану. Розрізняють декілька модифікацій льоду, що утворюються при мінусових температурах і відповідних тисках: трікрісталліческіх модифікації: 1,2,3, аморфну модифікацію, що утворюється при «глибоке» заморожування і кристалічну воду, существующуюпрі високих тисках і позитивних температурах. У мерзлих грунтах міститься лід 1-й модифікації (що існує при температурах до -100 ° С та при звичайних тисках), він є найважливішим компонентом мерзлих грунтів. Він має високу анізотропію властивостей, наприклад, механічні властивості його кристалів в напрямку перпендикулярному головної оптичної осі підкоряються законам реологічні механіки, в паралельному женаправленіі-навпаки, після пружних деформацій наступає крихке руйнування. Крометого, електро-молекулярні зв'язки льоду значно перевершують електро-молекулярні зв'язки вільної води, чтоі обумовлює адсорбцію вільної води поверхнею льоду.
Льдонасищенность і характер розподілу льоду в розрізі многолетнемерзлих порід багато в чому визначаються умовами їх промерзання. Лід, розподілений в мерзлій породі у вигляді різних за розміром, в цілому відносно невеликих, але видимих оком лінз, пропластков, шарів, зерен та включень іншої форми, а також заполняющійпори в породі (лід-цемент), визначає криогенну текстуру.

Осадочно-метаморфічні
В залежності від заповнення пір льодом розрізняють (Шумський, 1957) наступні види льоду цементу: контактний, що знаходиться в місцях контакту часток скелета; плівковий, обволікаючий поверхню частинок, залишаючи частину пір незаповненими; порові, що заповнює пори цілком; і базальний, який утворює основну масу породи і роз'єднують частинки мінерального скелету.
 Вода в рідкій фазі в мерзлих грунтах, по крайней мере до температури -70? С міститься в тому чи іншому кількості. Вода буває у двох станах: прочносвязанная поверхнею мінеральних частинок, коли в наслідок величезних електро-молекулярнихсіл, вода не в змозі перейти в гексагональну кристалічну решітку льоду, навіть при дуже низьких температурах ..
Рихлосвязанная вода змінного фазового складу, замерзаюча при температурахніже 0 ° С. Зниження температури замерзання води відбувається в наслідок того, що між шаром прочносвязанной і більш «теплої води» існує енергетичний зв'язок, що обумовлює більш низьку температуруее кристалізації.
Газоподібні компоненти в мерзлих грунтах можуть грати в окремих випадках суттєву роль, тому що вони перемещаютсяот місць з більшою упругостьюк місцях з меншою пружністю, і у водо-насичених грунтах можуть з'явитися причиною перерозподілу вологості. Крім того, газоподібні компоненти зазнають значне скорочення в процесі зниження температури, утворюючи вакуум обумовлює міграцію вологи.

1.3 Характеристики фізичних властивостей
При оцінці многолетнемерзлих порід використовуються ті ж характеристики фізико-механічних властивостей, що й дляталих порід, а також, необходімидополнітельние характеристики, які виражають спеціфікусостава мерзлих породи особенностейіх поведеніяпод нагрузкамі.Общіміхарактерістікаміталихімерзлихгрунтов є:
1. Щільність-маса грунтав одиниці об'єму
? = M/V;? Г/см3]
m-массаобразца непорушеною структури;
V-об'емгрунта;
2.Плотность часток грунтав одиниці об'єму при щільній упаковці:
? s? г/см3], що визначається за допомогою пікнометра.
3.Плотность скелета грунту
? d;? г/см3]
визначається, як маса частинок грунтав об'емененарушенной структури;
4. Пористість грунту, що характеризується коефіцієнтом пористості:
? = (? S -? D) /? D;
5.Суммарная відносна вологість:
Відношення маси води до маси сухого грунтав одиниці об'єму
Wс = mводи/m сух.гр.
6.Влажность на межі раскативаніяі на межі плинності соответсвенно:
Wрас%, Wтек%
7. Число пластичності:
Jчісло пласт = Wтек%-Wрас%:
8.Степень Водонасичення:
Sr = Wс/Wп
Де Wп - повна вологоємність, рівна влажностігрунта, при повному заповненні пір водою.

До Додаткова характеристик відносяться:
1.Влажность за рахунок незамерзаючих води Wн (у долях одиниці);
2.Льдістостьмерзлого грунтаi, що дорівнює відношенню массильдак массевсей води, содержащійсяв мерзломгрунте:
 i = (Wc-Wн)/Wc;
3.Температура початку замерзання грунтової вологи? Bf;
4.Засоленность грунту (Dsol), або концентраціяпорового раствораCр:
Dsol = mсолі/mсух.грунта;
СР = Dsol%/(Dsol% + Wc%);

5. Заторфованность:
характеристика, дорівнює відношенню маси органічної речовини до маси грунту в сухой навішування.
Im = mторфа/mсух.грунта
 
6.Относітелная вологість Wс в мерзлих грунтах розглядається як сума вологості за рахунок включень льоду (Wв), вологість мінеральних прошарків грунту (Wг), рівна суммевлажності за рахунок льоду цементуючого мінерали (Wц) і вологості за рахунок незамерзаючих води (Wн). < br /> Wc = Wв + Wг = Wв + (Wц + Wн);

Важливими характеристиками мерзлих грунтів є текстура і структура. У заваісімості від інтенсивності проморожування, наявності підтікання води задержекв проморожуванні формується текстура мерзлих грунтів. Основними видами стуктури грунтів являютсяслітная (масивна), шарувата і комірчаста (сітчаста). Також виділяють інші додаткові види структур.
 
1.4 Теплофізичні характеристики.
Теплоперенос в гірських породах в загальному випадку осуществляетсятремя механізмами: випромінюванням, конвекцією та кондуктивної (теплопровідністю).
Теплофізичні характеристики оцінюють кількісну частку тепла:
-коефіцієнт теплопровідності -?, (Вт/м * К)-виражає кількість тепла що проходить в одиницю часу через одиницю площі і одиничну товщину шару грунту.
-питома теплоємність-С, (Дж/кг * К) - виражає кількість тепла, необхідну для нагрівання чи охолодження одиниці маси грунту на один градус.
-об'ємна теплоємність Соб (Дж/м3 * К) висловлює кількість тепла, необхідну для нагрівання чи охолодження одиниці об'єму грунту на один градус.
-коефіцієнт температуропроводності а (м2/с) - виражає здатність грунту змінять свою температуру, під впливом ізменівшегосяградіента температури.
 Між цими характеристиками існує залежність:
? = Соб? А;
Частка тепла переносимого в породі випромінюванням, зазвичай, не перевищує 1% від загального теплопотока тому радіаційним теплопереноса нехтують, а частка конвективної складової враховується лише при вологопереносу під дією гідростатичних сил.
Значення всіх теплофізичних характеристик залежать від виду грунту, його складових компонентів, як мінерального, так і гранулометричного складу та основних фізичних властивостей: щільності та вологості, а також стану грунту: талого або мерзлого. Обичнокоеффіціент теплопровідності мерзлих грунтів у 1.1-1.5 рази більше коефіцієнта теплопровідності грунтів у талому стані, що пов'язано з більшою теплопровідністю льоду, в порівнянні з незамерзаючих водою. Об'ємна теплоємність грунтів при промерзанні прагне до нескінченно великим значенням, у зв'язку з витратами тепла на фазові переходи вологи.

1.5 масообмінних характеристики.
Переміщення вологи і пара вдісперсних породахосуществляется через нерівноважного стану системи грунт-вода, що викликається зміною в просторі і в часі термодинамічних параметрів. У разі порушення рівноважних условійв грунтової системі волога може знаходитися як у нерухомому стані, так і відчувати переміщення у вигляді молярного перенесення пара, об'ємно протекатьпо капілярах, підкоряючись капілярному тиску, крім того, вода і пара можуть взаємодіяти породжуючи комбінований перенесення вологи.
Вологопереносу залежить від гранулометричного складу породи. Зі зростанням дисперсності породи зростає кількість незамерзаючих води, але зменшується потік її міграції.
Вологопереносу обумовлений градієнтом температури в грунті.
У стані рівноваги кожному значенням негативної температури зразка мерзлій породи відповідає строго определенноесодержаніе незамерзаючих води, тому виникнення і підтримку в мерзлій породу градієнта температури призводять до виникнення градієнта потенціалу влагіпо рідким і пароподібний фаз.
Характеристикою вологопереносу є коефіцієнт потенціалопроводності
a ?=??/( C?? ск) м2/ч
??-коефіцієнт влагопроводності кг/м? ч? град;
C?-Питома вологоємність грунту.
Знання коефіцієнта потенціалпроводності дозволяє розраховувати міграцію вологи при промерзанні.

1.6Механіческіе характеристики.
Механічні характеристики мерзлих грунтів вивчаються для призначення розрахункових характеристик міцності і деформованості, отримання залежностей, що описують поведінку грунтів під навантаженнями, при зміні температури, дії кріогенних процесів та ін
Мерзлі грунти по агрегатному стані відносять до твердих тіл, однак, наявність у них незамерзаючих води і льоду обумовлює прояв реологічних властивостей. Тому в механікемерзлих грунтів використовуються уявлення, що розвиваються на основі теорії пружності, пластичності і в'язкості суцільних середовищ, виходячи з яких створюється подходк вибору характеристик міцності та деформаційних властивостей і методів їх визначення.
До основних характеристик міцності властивостей мерзлихгрунтов відносяться: опір зсуву грунту по грунту і по поверхнях змерзання; опір стиснення, розтягування; зчеплення і кут внутрішнього тертя, еквівалентне зчеплення.
Розрізняють просте і складне напружені стану в мерзлому грунті.
Просте напружений стан відповідає проявленіюодного з видів напруг: стиснення, розтягування, зрушення. Напружений стан в масиві грунту, відповідає складного напруженого стану, коли виявляються одночасно при різному поєднанні всі види простих напружених станів.
Визначення міцності та деформаційних характеристик виконуються як в лабораторних, так і в польових умовах, при простому і складному напруженому станах. Основними видами випробувань є:
Одноосні стиск; розрив; зрушення; кручення; компресія; осесиметричної тривісної стиснення вертикального та радіальної навантаженням; осесиметричної тривісної стиснення з крутінням; осесиметричної стиснення порожнього циліндра з крутінням; тривісної стиснення з незалежним заданіемвсех трьох головних напрямків; динамометричні випробування в Релаксаційно-повзучому режимі. < br /> Випробування, за допомогою яких оцінюються деформаційні властивості: вдавленням сферичного штампа;. зрушення на зрізані приладі; зрушення на клиноподібної приладі; зрушення по поверхні змерзання; мерзлого зсув грунту по поверхні моделі палі; роздавлюванні зразка.

Глава 2.Реологіческіе аспекти механікімерзлих грунтів.

За класичним теоріям пластичності і упругостінапряженно-деформований стан тіла цілком определяетсявелічінойнагрузкіі способом її програми; якщо це навантаження не змінюється, то залишаються незмінними івознікшіе в тілі напруги та деформації. У реальних тілах напружено-деформований стан змінюється з часом і залежить отісторіі попереднього завантажених. Відповідно, співвідношення між напругою і деформаціейнеявляется однозначним, а змінюється, навіть якщо одна з цих величин-напруга або деформація-залишається постійною, інша буде змінюватися в часі. Вивченням закономірностей напружено-деформованого стану займається наука, називаемаяреологіей.
Дослідженнями Н. А. Цытовича і його співробітників в 30-х роках, а дещо пізніше М. Н. Гольдштейном було виявлено налічіеу мерзлих грунтів властивості плинності. Потім, у 50-х годах20-го століття С.С Вялов був виконаний великий об'емексперіментов в Ігарской підземної лабораторії з визначення деформованості і міцності мерзлих грунтів. Їх результати дозволили виявити основні закономірності поведінки мерзлих грунтів під навантаженнями: прояв повзучості, зниження прочностіво часу, релаксацію напруг. Данниеісследованійобобщени в монографії (Вялов, 1959). Надалі, під його керівництвом створено реологічні напрямок у механіці мерзлих грунтів, яке здобуло світове визнання і отримав розвиток у працях вітчизняних і зарубіжних вчених.: Ю. К. Зарецького, С. Е. Городецького, Н. К. Пекарській, Р. В. Максимяк, Ю. С. Міренбурга, Є. П. Шушеріной, AMFish, OBAnderslaud, DMAnderson, JFNixon, R. Pusch, FMSayles, B. Ladanyi, E. Penner та ін
На підставі отриманих закономірностей проявленіяреологіческіхсвойств мерзлих грунтів разработанирешенія, позволяющіепо даними іспитанійпрогнозіровать тривалу міцність деформації мерзлих грунтів на основі теорій повзучості. Показана також можливість застосування для цих цілей методів тимчасових аналогій. Їх суть заснована на інтенсифікації процесу руйнування, що впливають на нього факторами (підвищенням температури, збільшенням навантаження, льдістості, засоленості, заторфованності і т.д.) і на ідентичності впливу часу і перерахованих факторів на міцність і повзучість, що дозволяє здійснювати прогнози деформації і міцності на тривалий час. (Роман, 1987)
У цілому реологія мерзлихгрунтов розглядає прояв повзучості, релаксації напруг і зниження міцності тіл при тривалій дії навантажень.

Повзучість-процес деформації, що розвивається в часі, навіть при постійному навантаженні. Звичайно в процесі іспитаніймерзлих грунтовпрі всіх напружених станах визначають сімейство кривих повзучості. Залежно від напруги виявляються затухаючим, або незгасаючих повзучість. Виділяють три стадії повзучості, показані на (Рис.2.1) При інженерних вишукуваннях важливо враховувати, що третя стадія повзучості не допускається при використанні грунтів в якості підстав.

Рис.2.1 Завісімостьдеформаціі (?) Від часу (t) з проявом затухаючої повзучості при напрузі (? 1) і незатухаючий повзучості при напрузі (№ 2). Стадії незатухаючий повзучості: I-несталих повзучість; II-повзучість з постійною швидкістю; III - прогресуючий перебіг.


Види кривих повзучості залежать від величини навантаження. Длянагрузок:? 1>? 2>? 3> ...>? Nкрівие повзучості утворюють сімейство кривих для певного виду грунту (ріс.2.2). Представлений на рис. 2.2ахарактер розвитку деформацій при різних навантаженнях в часі є ідентічнимдля всіх способів вантаження: одноосні стиснення; розтягування; зсуву грунту по грунту або по поверхні змерзання; при складному напруженому стані. За результатами випробувань на повзучість визначається крива тривалої міцності (ріс2.2-б), за допомогою которойпрогнозіруется времядо руйнування доданої навантаженні, що дуже важливо для вирішення інженерних завдань, що стосуються питань тривалої міцності і тривалої деформації. Для одержання кривої тривалої міцності будується графік залежності напруги від відповідного часу переходу повзучості в третю стадію.
Способи прогнозу тривалої деформації мерзлих грунтів розроблені на основетехніческіх теорій повзучості; теорії старіння; зміцнення; течії; спадкової ползучесті.Общій закон розвитку деформацій, по якому виробляється прогноз, має вигляд (Вялов, 1978):

? t = (?/A (t,?) 1/m (2.1)

де? t - деформація за період часу t при напрузі;?, A (t,?) і m-досвідчені параметри;? - Температура грунту.
 
Ріс.2.2 Сімейство кривих повзучості (а); крива тривалої міцності (б).
? 0 - умовно-миттєва міцність;? T-тривала міцність;??-Гранично-тривала міцність.

Глава 3.Вліяніе температури іосновних фізичних характеристик на проявленіереологіческіх властивостей мерзлих грунтів.
 

3.1 Вплив мінерального і гранулометричного складу.
За інших рівних умов тривалі деформаціімерзлих порід зменшуються, а міцність увелічіваетсяв ряду: лід> глина> суглинок> супісок> пісок. Збільшення деформованості грунтів із зростанням дисперсності викликане, перш за все, збільшенням вмісту незамерзаючих води, а великі деформації льоду пов'язані з особливостями його структурної грати, які надають властивості ідеального реологічні тіла.
Деформованості міцність великоуламкових мерзлих грунтів обумовлена дрібнодисперсним мінеральними наповнювачами, або крижаними включеннями. При цьому необхідно враховувати вид напруженого стану. Якщо при щільній упаковці мінеральних частинок опір стисненню мерзлих великоуламкових грунтів може перевищувати міцність дрібнодисперсних грунтів за рахунок жорсткості скелета, то опір розтягування, або зсуву може бути дуже незначним у зв'язку з нізкіміцементаціоннимі зв'язками між окремими уламками.


3.2 Вплив льдістості.
В цілому, мерзлі грунти мають більш високу міцність (в кілька разів, іноді навіть у кілька десятків) у порівнянні з талими. Це обумовлено цементацією льодом часток грунту, перетворення його по агрегатному стані в тверде тіло.
У залежності від інтенсивності проморожування (величини температурного градієнта) і граничних умов (одностороннього проморожування або проморажіваніяс декількох сторін), наявності підтікання води і затримок у просуванні кордону проморожування, в процесі промерзання грунтовформіруется своеобразнаякріогенная текстура, істотно визначає і властивості (рис 3.1)

Рис 3.1 Основні види кріогенної текстури вмерзли грунтах.
(Цытович, 1973)
а-злиті (масивна); б-шарувата; в-комірчаста.

Зволоження дисперсних грунтів до вологості відповідної приблизно 0.8-0.9 від повної вологоємності збільшує їх міцність при промерзанні. Це обумовлено зростанням кількості цементаціонних связейльда з частинками грунту, разом з тим формується монолітна кріогенна текстура. Однак, показано, що міцність льодистого грунтів залежить не тільки від загальної льдістості, але і від кількості і товщини крижаних шліров, а також вологості грунтових прошарку, а оскільки подальше зволоження призводить до распучіванію, утворенню крижаних прошарків і включень, тоувеліченіе льдістості за рахунок включений приводить до зменшення міцності. У свою чергу, розташування прошарку льоду має вплив на гранично тривалу міцність. Суперечливі результати виходили у різних авторів при дослідженні залежності площі контакту мінеральних частинок грунтаі льоду: в одних випадках велика площа, що досягається великою кількістю крижаних прошарку, зумовлювала більшу міцність, у порівнянні зі зразками грунту мають меншу кількість крижаних прошарку більшої величини, при однаковій льдістості. Тим не менше незгасаючих повзучість льдавне залежності від расположеніяшліров та їх розмірів призводить до тривалих деформацій, що протікає в процесі всього терміну експлуатації мерзлого грунту.
Однак, характер впливу вологості-льдістості на міцність грунтатесно пов'язаний з дисперсністю грунту, його мінеральним складом, температурою.
 

3.3 Вліяніезасоленності.
Присутність легкорозчинних солей в грунтової вологи суттєво впливає на механічні властивості грунтів. У засоленому грунті спостерігаються зниження міцності і збільшення деформованості (Ю.Я.Веллі1990, В. І. Аксьонов, 1978 та ін.) Це обумовлено, в основному, зміною складу порового розчину, що обумовлює зниження температури його замерзання і збільшення кількості незамерзаючих води . Експериментально встановлено вплив на механічні властивості мерзлих засолених грунтів не тільки кількості солей, але і їх хімічного складу. (Роман, 1994; Роман, Свінтіцкая, 1996).
Засолення мерзлих порід обумовлено їх генезисом, специфічної геохімічної обстановкою, різної для епігенетичного і сінгенетіческого способів промерзання порід. Однак, для всіх типів порід будуть властиві всі типи елементарних реакцій: розчинення, гідратація, гідроліз, заміщення, окислення-відновлення. Розрізняють морський, континентальний і техногенний типи засолення.
 Морський тип засолення спостерігається в мерзлих грунтах самих північних територій-уздовж арктичного узбережжя Росії та на островах. Для морського типу засолення характерна наявність хлоридів, зокрема NaCl.Наіменьшее значення Dsal = 0.2-0.5% наголошується в пісках; в супісках, суглинках і глинах засоленість коливається від 0.4 до 2.1%.
Континентальний тип засоленіянаблюдается в областях, де поєднання високих літніх температур повітря з від'ємним балансом вологи сприяло соленакопленію в грунтах і підстилаючих грунтах. Всолевом складі грунтів континентального типу засолення присутні іони: SO42-Cl-, HCO3-, Na2 +, Ca2 +, Mg2 +.
При промерзанні пухких відкладень в першу чергу відбувається утворення твердої фази води-льоду. Морські води з мінералізаціейболее 30 г/л кристалізуються при температурах, блізкіхк -1.5 ... .- 2? С, а розсоли можуть не замерзати при температурах -20 ° С та нижче., Утворюючи кріопегі. Процессзамерзанія води супроводжується сильним диференціацією солей між твердою і рідкою фазами води. Частина солей, раствореннихв воді, виявляється залученої в лід, частина менш розчинних введенні солей випадають в осад, а частина віджимається в нижележащие шари вод??, Що призводить до збільшення мінералізації цих вод.
Поступове промерзання призводить до утворення слабомінералізовані льодів, а нижче межі промерзання-висококонцентрованих вод близько 200 г/л і більше, що забезпечує існування горизонтів води пріотріцательной температурі. Процес засолення породи характеризується виникненням особенностейфізіко-механічних властивостей.
Слід зазначити, що ступінь впливу розчинених солей обумовлена не характеристикою засоленості Dsal, а концентрацією порового розчину Кпр, який формується у процесі промерзання.
При одній і тій же засоленості концентрація порового розчину буде сніжатьсяс збільшенням вологості. А, значить, і вплив засоленностіна опір мерзлих грунтів навантажень буде сніжатьсяс збільшенням сумарної вологості. Посколькув природних грунтах дуже частовлажностьгрунта близька до повної вологоємності, то в ряду, в якому збільшується вологоємність: пісок