Теплофизические характеристики

1.4 Теплофизические характеристики.

Теплоперенос в горных породах в общем случае осуществляется тремя механизмами: излучением, конвекцией и кондуктивностью (теплопроводностью).

Теплофизические характеристики оценивают количественную долю тепла:

-коэффициент теплопроводности -l,(Вт/м*К)-выражает количество тепла проходящее в единицу времени через единицу площади и единичную толщину слоя грунта.

-удельная теплоёмкость- С,(Дж /кг*К)- выражает количество тепла ,необходимое для нагревания или охлаждения единицы массы грунта на один градус.

-объёмная теплоёмкость Соб (Дж/м3*К) выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёма грунта на один градус.

-коэффициент температуропроводности а (м2/с)– выражает способность грунта изменят свою температуру ,под воздействием изменившегося градиента температуры.

Между этими характеристиками существует зависимость:

l=Соб *а ;

 Доля тепла переносимого в породе излучением , обычно , не превышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносом пренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь при влагопереносе под действием гидростатических сил.

Значения всех теплофизических характеристик зависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так и гранулометрического состава и основных физических свойств: плотности и влажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого .Обычно коэффициент теплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводности грунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, по сравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзании стремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовые переходы влаги.

1.5 Массообменные характеристики.

Перемещение влаги и пара в дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода, вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамических параметров. В случае нарушения равновесных условий в грунтовой системе влага может находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение в виде молярного переноса пара, объёмно протекать по капиллярам, подчиняясь капиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождая комбинированный перенос влаги.

Влагоперенос зависит от гранулометрического состава породы. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, но уменьшается поток её миграции.

Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.

В равновесном состоянии каждому значению отрицательной температуры образца мёрзлой породы соответствует строго определённое содержание незамёрзшей воды, поэтому возникновение и поддержание в мёрзлой породе градиента температуры приводят к возникновению градиента потенциала влаги по жидкой и парообразной фазам.

Характеристикой влагопереноса является коэффициент потенциалопроводности

a¢=l¢/(C¢g _ск)м² /ч

l¢-коэффициент влагопроводности кг/м´ч´град;

C¢-удельная влагоёмкость грунта.

Знание коэффициента потенциалпроводности позволяет расчитывать миграцию влаги при промерзании.

1.6Механические характеристики.

Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаются для назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получения зависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками , при изменении температуры, воздействии криогенных процессов и др.

Мёрзлые грунты по агрегатному состоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды и льда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления , развивающиеся на основе теории упругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётся подход к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методов их определения.

К основным характеристикам прочностных свойств мёрзлых грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.

Различают простое и сложное напряжённые состояния в мёрзлом грунте.

Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.

Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:

Одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.

Испытания, с помощью которых оцениваются деформационные свойства: вдавливание сферического штампа;. сдвиг на срезном приборе; сдвиг на клиновидном приборе; сдвиг по поверхности смерзания; сдвиг мёрзлого грунта по поверхности модели сваи; раздавливание образца.

 

 Глава 2.Реологические аспекты механики мёрзлых грунтов.

По классическим теориям пластичности и упругости напряжённо-деформированное состояние тела вполне определяется величиной нагрузки и способом её приложения; если эта нагрузка не меняется ,то остаются неизменными и возникшие в теле напряжения и деформации. В реальных телах напряжённо-деформированное состояние меняется со временем и зависит от истории предшествующего загружения. Соответственно, соотношение между напряжением и деформацией не является однозначным, а изменяется, даже если одна из этих величин –напряжение или деформация –остаётся постоянной, другая будет изменяться во времени. Изучением закономерностей напряжённо-деформированного состояния занимается наука, называемая реологией.

Исследованиями Н.А.Цытовича и его сотрудников в 30-х годах, а несколько позже М.Н.Гольдштейном было обнаружено наличие у мёрзлых грунтов свойства текучести. Затем, в 50-х годах 20-го века С.С Вяловым был выполнен большой объём экспериментов в Игарской подземной лаборатории по определению деформируемости и прочности мёрзлых грунтов. Их результаты позволили выявить основные закономерности поведения мёрзлых грунтов под нагрузками: проявление ползучести, снижение прочности во времени , релаксацию напряжений. Данные исследований обобщены в монографии(Вялов,1959).В дальнейшем, под его руководством создано реологическое направление в механике мёрзлых грунтов, которое завоевало мировое признание и получило развитие в трудах отечественных и зарубежных учёных.: Ю.К.Зарецкого, С.Э.Городецкого, Н.К.Пекарской, Р.В.Максимяк, Ю.С.Миренбурга, Е.П.Шушериной, A.M.Fish, O.B.Anderslaud, D.M.Anderson, J.F.Nixon, R.Pusch, F.M.Sayles, B.Ladanyi, E.Penner и др.

На основании полученных закономерностей проявления реологических свойств мёрзлых грунтов разработаны решения, позволяющие по данным испытаний прогнозировать длительную прочность и деформации мёрзлых грунтов на основе теорий ползучести. Показана также применимость для этих целей методов временных аналогий. Их суть основана на интенсификации процесса разрушения, влияющими на него факторами(повышением температуры, увеличением нагрузки, льдистости, засолённости, заторфованности и т.д.) и на идентичности влияния времени и перечисленных факторов на прочность и ползучесть, что позволяет осуществлять прогнозы деформации и прочности на длительное время.(Роман,1987)

В целом реология мёрзлых грунтов рассматривает проявление ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности тел при длительном воздействии нагрузок.

Ползучесть- процесс деформирования, развивающийся во времени, даже при постоянной нагрузке. Обычно в процессе испытаний мёрзлых грунтов при всех напряжённых состояниях определяют семейство кривых ползучести. В зависимости от напряжения проявляются затухающая, либо незатухающая ползучесть. Выделяют три стадии ползучести, показанные на (рис.2.1)При инженерных изысканиях важно учитывать, что третья стадия ползучести не допускается при использовании грунтов в качестве оснований.

e

s₂

s₁

t

I II III

 Рис.2.1 Зависимость деформации (e) от времени (t) с проявлением затухающей ползучести при напряжёнии(s₁)и незатухающей ползучести при напряжении(s₂).Стадии незатухающей ползучести: I-неустановившаяся ползучесть; II-ползучесть с постоянной скоростью; III-прогрессирующее течение.

Виды кривых ползучести зависят от величины нагрузки. Для нагрузок: s₁ >s₂ >s₃ >… >sn кривые ползучести образуют семейство кривых для определённого вида грунта(рис.2.2). Представленный на рис. 2.2а характер развития деформаций при разных нагрузках во времени является идентичным для всех способов нагружения: одноосного сжатия; растяжения; сдвига грунта по грунту или по поверхности смерзания; при сложном напряжённом состоянии. По результатам испытаний на ползучесть определяется кривая длительной прочности(рис2.2-б), с помощью которой прогнозируется время до разрушения при данной нагрузке, что очень важно для решения инженерных задач, касающихся вопросов длительной прочности и длительной деформации. Для получения кривой длительной прочности строится график зависимости напряжений от соответствующего времени перехода ползучести в третью стадию.

 Способы прогноза длительной деформации мёрзлых грунтов разработаны на основе технических теорий ползучести; теории старения; упрочнения; течения; наследственной ползучести.Общий закон развития деформаций, по которому производится прогноз, имеет вид(Вялов,1978):

et=(s/A(t, q)^1/m  (2.1)

где et – деформация за период времени t при напряжении; s, A(t, q) и m –опытные параметры; q - температура грунта.

На основании уравнения (2.1) длительная прочность грунта за период времени t

 определится:

s_t= A(t, q)e_t^m, (2.2)

Релаксация. При нагружении постоянной силой F возникают деформации, развивающиеся во времени . Для прекращения развития этих деформаций необходимо уменьшать силу по некоторому закону F(t).Уменьшение во времени напряжения, необходимого для поддержания постоянной деформации называется релаксацией(расслаблением) напряжений. С позиции статистической физики релаксацию можно рассматривать как процесс установления статистического равновесия в физической системе, когда микроскопические величины, характеризующие состояние системы (напряжения), ассимптотически приближаются к своим равновесным значениям. Характеристикой явления расслабления напряжений является время релаксации, равное времени за которое напряжение уменьшается в e раз, которое характеризует продолжительность «осёдлой жизни» молекул, т. е. определяет подвижность материала. Например, горные породы, формирующие земную кору, обладают временем релаксации измерямым тысячелетиями , у стекла эта характеристика порядка столетий, у воздуха10^-10, у воды10^-11, у льда сотни секунд. Таким образом, в пределах 100-1000 секунд лёд ведёт себя как упругое тело( например, хрупко разрушается при ударе в условия большой нагрузки).При уменьшении нагрузки лёд течёт как вязкая жидкость. Аналогичное поведение-хрупкое разрушение при быстром приложении нагрузки и вязкое течение при длительном воздействии нагрузки–отчётливо проявляется у мёрзлых грунтов.(Вялов,1978)

 e

s₁ s₂ s₃ s₄

s₅

s_i

s t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t

s₀

s_t

 

s_¥

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t

Рис.2.2 Семейство кривых ползучести (а);кривая длительной прочности (б).

s₀- условно-мгновенная прочность;s_t–длительная прочность;s_¥-предельно-длительная прочность.

Глава 3.Влияние температуры и основных физических характеристик на проявление реологических свойств мёрзлых грунтов.