Author: Роман Л.Т.
Tags: строительство строительные конструкции издательство наука торфяные грунты
Year: 1987
Text
Л,Т.РОМАН 1М . .1
,,1
.
н
.
:к
СНОВ.Н ·
о::
о ору - и
. т 1
t-Q
I
М
]
.'
...,
I
..
и JДДfl nь TL )
E--f
11\ I
I 1
АКАДЕМИЯ HA TK СССР
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ОРДЕНА ТРудовоrо RPACHOrO ЗНАМЕНII
ИНСТIIТУТ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ
Л. Т. РОМАН
lVIЕР3ЛЫЕ
rrОРФЯНЫЕ rрYRТЫ
.как основания
..
еооружении
ОтвеТСТВeIШЫЙ редактор
д p техн. наук С. С. Вялов
м
НОВОСИБИРСI-\
И 3 Д А Т Е Л Ь С Т В О «Н А У 1ft А»
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1987
УДИ 624.139 : 624.131 : 551
р о l\1 а н Л. Т. Мерзлые торфяные I'рунты
IШК основаНIIЯ сооружеНIIЙ. Новосибирск: Hay
ка, 1987.
В моноrрафlIII на основе экспериментальных IIссле
доваПИIl раскрываются ВЫЯIlJlенные особеННОСТII проте
кания крпоrенных процессов и поведенпя мерзлых TOp
фяных трунтов ири длительном воздействпи наrрузок.
Получены обобщающие пара lетры физичеСЮL"I;: CBOllCTB
п те)lпuратуры, иозволившие установить закономерно
стп указанных процессов в ШИРОКОМ диапазоне изме
ненпя cBoiicTB трунтов и температуры. Разработаны
иредложенпя по рацпональным сиосоБШI использова
ния мерзлых торфяных трунтов в качестве основаниЙ
здаНПll п сооружеНИll.
Для специалистов, занятых освоенпе 1 зоны pac
иространенпя веЧНШIeРЗЛЬL"I;: трунтов.
ПРЕДIIС..10ВИЕ
Ре ц е f1 3 е в ты Л.llf. Ншштllна, Е. И. Fайдаею;о
На территории СССР расположено 75 % болот земно
ro шара (210 млн. ra), иоловина пх приурочена к районам с вечно
меРЗЛЬJ:\Ш rрунтаип: заболоченность тундровой зоны составляет OKO
.'10 70%, десной 30%. Большая часть этой ШIOщадп занята TOp
фаии мощностью, превышаroщей 0,5 м. В отдельных районах, напри
мср, на севере Западной Сибири, торфяная толща достиrает 10 12 м.
13стречаются таЮБе минеральные rрунты с содерн,анием раститель
пых остатнов и поrребенные торфяники.
В строительной праКТИRе часто отказываются от ИСИОльзования
торфяных rpYHTOB в качестве оснований. Такой отказ не всеrда целе
еообразен и вОзможен в условиях пнтенсивноrо освоения северных
рсrпонов. В этой зоне, как отмечено В. В. Кадниковым с соавторами
(1973], (<нет строящеrося или проектируемоrо rорода, па террпторию
II:OTOpOro не ВКЛИНlIвалпсь бы болотю>. Обустройство нефтяных п ra
ЗОI3ЫХ Щ стороа.дений в Западной Сибпрп, Коми АССР, строительст
во JНСрl'ОПрОl\Iышленных комплексов п rородов на CeBepo BOCTOKe
етраны, Баi1RаJIO Аl\IУРСКОЙ маrистралп п друrпх линейных coopy
жеНИll требует решения проблем фундаментостроенпя на торфяных
rpYHTax.
На ВсеСОЮЗПОl\I совещании по фундаментостроению в условпях
веЧПШlерзлых rpYHTOB (r. Ворнута, 1981 r.) в обзорном докладе
С. С. Вялова была подчеркнута важность исследований J\Iалоизучен
ных видов IeрЗЛЫХ rpYHTOB, в том чпсле и торфяных, указано, что
етроительство ДОЛ1I.но осуществляться не только Tal\I, rде блаrопри
нтпы rрунтовые условия, но и там, rде такие условия неблаrоприят
ПЫ, ес.'IИ этоrо требует рациональное размещенпе зданий и coopy
lIШНИЙ.
Основные трудности при освоении заторфованных территорий
обусловлены высокой степенью обводненности и СЖИl\Iаемостью TOp
фяных rpYHTOB, а таЮБе недостаточной изученностью мерзлых TOp
фяных rpYHTOB, в том числе их физпко механических свойств, темпе
paTypHoro реЖИl\Iа, протекания мерзлотных процессов. ПОЭТОll1У воз
НИRает необходимость исследований всех видов rpYHTOB, содержащих
растительные остатки в количестве, влияющем на их фИЗИКО Ieхани
ческие свойства. Нормативными документами эти rрунты выделяют
ся в отдельную катеrорпю, подразделяемую на две rруппы: А
rрунты с прпмесью растптельных остатков (коrда их содера.ание
3
1904060000 7!)9
р 042(02) 7 184 87 I @ Издательство «Наука», HJ87 т.
по отношению к массе минеральной части (J OT ) составляет дли lIec
чаных rpYHTOB 0,03 J OT < 0;1, для rЛIIНПСТЫХ 0,05 J o ' r <
< 0,1); Б заторфованные rрунты (0,1 J OT < 0,5) 11 торф
(J OT > 0,5). В общей классификации, предусмотренной J'()СТШI
25100 82, этп rрунты отнесены к rpynne осадочных несцемеlIТIIIЮlJaII
ных, подrруппе биоrенных пород с выделением типов заТОРфОlJillIlIЫХ
rpYHTOB и торфа по относительному содержаюпо орrанпчеСКОl'U He
щества.
В настоящей работе раСС:lIaтриваются обе указанные rРУIlПЫ,
которые объединяются термином «торфяные rрунты)}. Обоснованно
TaKO IY объединению будет дано НПfБе прп рассмотренпп строитеJIЬ
ной классификацпп.
Свойства торфяных rpYHToB весыш существенно отличаются от
свойств rpYHToB минеральных. Эти отличия обусловлены повышеННОll
водоудераашающей способностью, незначительной прочностью и Ma
лой теплопроводностью торфяных частиц. Процессы промерзания
и оттаивания торфяных rpYHToB более медленны, че:lI :lшнера,'IЬНЫХ,
в СВЯ3И с тем, что на фаЗ0вые переходы при большом влаrосодержа
нии затрачивается значптельное количество тепла. Формпрование
те;\lпературноrо режпма также имеет свои особенностп, так как TOp
фяные rрунты, обладая меньшей теШIОПРОВОДНОСТЬЮ и более высокой
теплоемкостыо, сдерживают пронпкновение в rрунтовую толщу xo
лодноrо потока в зимний период и теплоrо в летний.
В отличие от минеральных частиц, составляющих скелет обыч
ных минеральных rpYHToB, торф, входящий в снелет торфяных rpyH
тов, обладает очень большой СЖИl\шеllIOСТЬЮ. Это прпводит н тому,
что при промерзании rрунтовой влаrи внутренние напряжения уплот
няют торфяные частпцы и общеrо увеличения объема rpyHTa не про
исходит, т. е. при влажности, близкой к полной влаrоемкости, TOp
фяные rрунты не проявляют пучинистых свойств. В;\шсте с тем,
промерзание переувлажненных заторфованных участков приводит
к обраЗ0ванию ледяных буrров пучения.
Податливость торфяных частиц в сочетании с БОЛЬШIШ содержа
нпем льда и незаl\Iерзшей воды, обладающих повышенной вязкостью,
обусловлпвают повышенную деформируемость rpYHToB и в мерзлом
состоянии. Во всем диапаЗ0не естественной температуры они прояв
ляют реолоrические свойства ползучесть, сниженпе прочности,
а величина ноэффициента СЖПllIaЮIOСТII находится в пределах, co
отвеТСТВУЮЩIlХ плаСТИЧНО l\IeР3ЛОМУ состоянпю, что обусловлпвает
необходимость рассчитывать основания, сложенные такими rpYHTa
ми, по двум rруппам предельных состояний по прочности 11 по
деформациям.
При оттаивании торфяные частицы набухают. Увеличенпе объ
ема при набухании может быть равньш или иревышать ero уменьше
ние, связанное с оттаиванием льда, ПОЭТОl\IУ осадки оттаивания обыч
но не наблюдаются, но даже незначительные наrрузкп, прилоа енные
на оттаянный торфяной rpyHT, приводят к деформаЦПЮI, вызванным
ОТJЕатием влаrи и сл-;имаемостью частиц торфа.
4
I
I
Указанные особенности мерзлых торфяных rpYHTOB обусловли
вают необходимость ра3ВИТIIЯ в Iпш енерном мерзлотоведенпп caMO
стоятельноrо направления псследований их фпзпческих и механпче
СЮIХ свойств, ориентированноrо на изучение поведения их под Ha
rрузкамп, разработку методов проrноза криоrенных процессов. Ta
кие исследования будут способствовать решению проблемы строи
тельства на заторфованных территориях в северных реrионах.
Цель настоящей работы разработка научных основ оценки
физических и механических свойств мерзлых торфяных rpYHTOB для
получения инженерных характеристик, необходимых при расчете
этпх rpYHToB нак оснований сооружений. При этом рассматривается
КО:lIплекс взапмосвязанных задач:
выявление, исследование и обобщение основных фпзпческпх
Свойств торфяных rpYHToB, определяющпх протекание фИ3ИКО l\Iеха
нических процессов;
выявление заКОНШIeрностей поведения ;\Iерзлых торфяных rpYH
тов под наrрузкюпr и разработка в соответствпи с положениямп Teo
рии реолоrпи методов научноrо проrноза пх длительной прочности
идеформируемости:
разработка методов определения характеристик фпзпческих и
:lюханнческих свойств мерзлых торфяных rpYHTOB, используемых
как основания сооруженпй, с учетом влпянпя факторов вре:\Iени,
температуры и масштабноrо эффекта;
разработка рекомендации по способам рацпональноrо использо
вания торфяных rpYHTOB как оснований соорУfкенпй, ВОЗВОДП IЫХ
в северных районах.
Прп проведенип исследованпй формпрованпе физико механпче
ских свойств торфяных rpYHTOB рассматрпвалось с учетом влияния
их rенезиса. Механпческие характеристикп оценивалпсь с позпцпй
Ieханики мерзлых rpYHTOB и основных положений инженерноrо
lерзлотоведения. 3начптельное внимание уделялось реолоrичеСI{ИМ
свойствам, опредеЛЯЮЩIIl\f поведение мерзлых торфяных rpYHTOB
под длптельными наrрузка:lПI. При этом ИСПОЛЬЗ0вались cOBpe IeH
ные представления о кинетической природе прочности твердых де--
фОР;\lируемых тел с учеТШI условий физпческоrо подобпя. По анало
rип с кинетпческой теорией прочности твердых тел был ПрIlНЯТ
термофлуктуационный механизм взаимодействия структурных эле
leHTOB, который наплучшпм обраЗ0М раскрывает физическую сущ
ность механических процессов, пропсходящих при длитеЛЬНШI воз
действии наrрузки. Прпменение этой теории к мерзлым торфяным
rpYHTaM оказалось В03:1IOЖНЫМ на основе разработанноrо в настоящей
работе метода количественноrо учета ДIIНаl\ПIЮI изменения состава
и структуры торфяных rpYHTOB в процессе фаЗ0ВЫХ переходов влаrи.
I1сследования, направленные на выявленпе закономерностей про
тенаюIЯ длительных (сопоставпмых со СрОIШ 1 эксплуатацип coopy
а еIIИЙ дефОР IaЦИЙ мерзлых торфяных rpYHToB), выполнены MeToдa
lIIlI напряа{енно п темпераТУРНО ВРЮIeННЫХ аналоrпй.
Экспериментальная часть работы заКЛlOчалась в пзучеНИII по
средствои ОПЫТОв фОР:lшрования физичеСКIIХ и механических свойств
5
,
i
торфяных rpYHTOB различноrо rенезиса в процессе их IIflШII'р.l:tтш
и оттаивания. Натурные опыты проведены на севере НОШI леср
и в Западной Сибирп, лабораторные в подземных лабора I'ОрlШХ
Норильска, Якутска, в отсеках которых сохранялась естt'(':I'!lI'II[ШЯ
отрицательная температура, а также в холодильных Ka lepa.... Оfi"аз
цы для лабораторпых испытаний отбирались в районах севера :tащlД
ной Сибири, Комп АССР, севера Красноярскоrо края, lUilШОЙ
и Центральной Якутпи, Маrаданской области.
Бсеrо было проведено около 1000 опытов по определеНIIIО IIHpa
метров фазовоrо состояния влаrи в торфяных rpYHTax; 600 опытов
по определению характеристик теплофизических свойств, 2000 опы
тов по определению механических свойств прочности и дефОРМlI
руемости мерзлых торфяных rpYHToB различноrо состава и строенпя.
Параллельно комплексно определялись физические свойства. Обоб
щены также опытные данные друrих авторов.
Автор выражает искреннюю блаrодарность проф. С. С. Бялову
за постоянное вниманпе к исследованиям, научные консультации,
тщательный разбор рукописи и высказанные замечанпя, учет KOTO
рых позволил существенно улучшить работу, А. А. Коновалову,
r. м. Пахомовой, А. Н. Цеевой, Л. И. Бадьяновой, r. А. Абушке
вич, r. И. Азаровой, А. Е. Степановой и друrим сотрудникам за
участие в проведении исследований.
rЛАВА
1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ :и ЗАДАЧИ
ИСС.1ЕДОВАниii МЕРЗЛЫХ
ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
к\к ОСНОК\НИЙ СООРУЖЕНИЙ
Строительство на торфяных rpYHTax ведется на про
тяжеюПl всей псторпи материальной культуры. При использовании
талых торфяных rpYHToB как оснований зданий и соорущений
СфОРlllировалJ.lСЬ два основных способа передачи наrрузки на торф:
посреДСТВОlll песчаных подушек, устрапваемых под ПОДОШВОй
фундамента;
возведенпеll свай, прорезающих торфяные слоп и передающих
наrрузки на НИiБележащие минеральные rрунты.
Детальный анализ, проведенный Н. Н. МаСЛОВЫl\l [1968],
Н. Н. МорареСКУЛОl\l [1975], П. А. Коноваловым [1982] и друrпми,
показывает, что коrда песчаные подушки и сваи проектпруются
и возводятся с учетом особенностей фИЗИКО lIIeханических свойств
торфяных rpYHToB, осадки не превышают допустимых величин и
здания надежно эксплуатируются. Однако отмечаются также случаи
значптельных п длительных осадок торфа. Это Пl\lеет место, еслп тол
щина песчаных подушек прпнята недостаточной или уплотнение
выполнено пекачественно, либо при проектировании свайных фунда
:\шнтов не учитывалось «отрицательное» трение по боковой поверх
ности, возникающее от уплотнения торфа. Б целом же следует OTMe
тпть полоа;птельный опыт использования торфяных rpYHToB как
оснований.
Для вечномерзлых rpYHToB развиваются те же направления
исследований, связанные с разрешением проблем освоенпя заторфо
ванных районов, что и для талых rpYHToB: инженерная подrотовка
территорип; строительство транспортных маrистралей через болота;
устройство фундаментов ПРОМЬШIленных и rражданских зданий; Me
ханика торфяных rpYHToB.
Инженерная подrотовка территории на заторфованных rpYHTax
обусловлена прпнципом их пспользования как оснований. При
[ принципе (коrда rрунты как основания используются в мерз
лом состоянип) в большинстве случаев целесообразно понижение
те шературы, осушение и уплотнение деятельноrо слоя, вертикаль
ная планпровка подсыпкой или намывом lI1инеральных rpYHToB.
При П принципе (коrда rрунты используются как основания в талом
или оттаивающе:ll состоянии), как правило, необходимы частичное
или полное предпостроечное оттаивание мерзлых rpYHTOB, IIХ ocy
шение, уплотнение, а также вертикальная планировка подсыпкой
7
илп намывом. Разработаны рекомендацип по предпострщ"шому
проморюкиванию торфяноrо слоя различными способамн (J1l'IIТI[.JIЯ
цией холодноrо воздуха, самоохлаждаЮЩЮlIIСЯ сезонно деЙСТВУЮЩ(I
ми установками и т. д.).
В последние rодЫ в северных районах начинает ШИрОl\(I Ilрюre
няться намыв как способ инженерной подrотовки за60.JIO'lСI!I(ЫХ
территорий (трасса железной дороrrr Хребтовая YCTb H.JII!l\ICIНIН,
участок БАМа у станцип Урrал, пос. Солянинское вблизи r. Hopн.т(ь
ска, r. Якутск и др.). Полученные данные позволили выявить OCH{)B
ные процессы, определяющие формирование температурноrо реi1>l.ша
и фПЗИКО l\Iеханических свойств rpyHToB [Полещук, Роман, '1982;
Цернант, 1982; Павлов, Прокофьев, 1982; Константинов и др.,
1981]. В результате отепляющеrо воздействия намытоrо rpyHTa про
исходит постепенное оттаивание поверхностноrо слоя. Скорость и
предельная rлубина оттаивания зависят от мноrпх факторов: Ha
чальной теJ\Iпературы rpyHTa, толщины намытоrо слоя и, rлаВНЫl\I
образом, от теплофизических свойств подстплающих и намытых rpYH
тов, их влажности. Стабилпзация температурноrо режима весьма
длительный процесс, который может продолжаться от одноrо rода
до десятков лет. Так как задерiкивать строительство на длительныс
сроки не представляется ВОЗl\IOЖНЫl\I, необходима разработка прин
Цlшиально новых подходов к фундаментостроению на намытых rpyн
тах, которые бы допускали постепенное восстановление температур
Horo режИl\Ш в период строительства и эксплуатации зданий.
Если заторфованная ТО,ТIща в естественных условиях располаrа
ется обычно в зоне сезонноrо оттаивания, то после намыва она l\IOжет
оказаться ниже верхней rраницЫ вечной мерзлоты и перейти пол
ностью или частично в пределы рабочей зоны оснований. Для проrноза
несущей способности необходимо знать закономерности формирова
нпя теплофпзических, деформативных и прочпостных свойств TOp
фяных rpyHToB в процессе оттаивания, уплотнения и последующеrо
промерзания.
IIсследования, связанные со строительством транспортных co
оружений через болота, формируются в отдельное направленпе в
связп с тем, что расчетпая схема дорожных оснований, в{)спринимаю
щих иратковременные динамические наrрузки, существенно отли
чается от таковой для зданий, передающих на rрунты статическую
наrрузку. Так как для дорожных сооружений основанием слуп:шт
обычно деятельный слой rpYHToB, претерпевающий сезонное оттаи
вание и промерзание, то проектирование и строительство дорожных
сооружений в северных районах должно базироваться на peKOMeHдa
циях, выработанных на протяжении мноrолетних исследований, OT
НОСЯЩIПСЯ R проклаДRе дороr через заболоченные участки на талых
rpyHTax для желеЗНОДОРОiIшоrо [CepreeB, 1898; Васьковский, 190'1;
Тутковский, 1902, Ордуянц, 1946; и др.] п автомобильноrо [rейтман,
193'1; Поляков, 1932; Кузнецова, 1936; Лундин, 1935; ТRаченко,
1962; Шапошников, 1966; EBreHbeB, 1968; КазаРНОВСRИЙ, 1972; п
др.] транспорта с непременным учетом специфики мерзлотных про
цессов. Повышение несущей способностп II снижение деформируемо
8
I
сти ТОРфЯНЫХ rpyHToB прп промерзаНШI обусловливают стремление
пспользовать ИХ в качестве основанпй дороr в мерзлом состоянии.
Незначительная теплопроводность торфа, повышенная льди
стость, требующая затрат тепла на фазовые переходы, создают
блаrоприятные условия, сдерживающие скорость оттаивания, что
позволяет при соответствующей теплоизоляции сохранить и в лет
ний период мерзлыми торфяные основания дороr. Приемы промора
живаюш торфа наиболее разработаны применительно к условиям
Среднеrо Приобьн [Кузнецова, 1936; Дерюrин, 1972; KaraH, BoeBO
да, 1974; Вялов, 1980]. ТаЮlе приемы позволили сооруп:,ать TpaHC
портные маrистрали для перемещения в летнее время тяжелоrо
(м ссой 130 т) оборудования нефтепромысловых сооруа,енrrй. Даль
неишие исследования в этом направлеНIПI включают разработку
методов расчета несущей способностп промороженноrо торфяноrо
покрова и ero температурноrо режима.
Принцппиальнью подходы к передаче наrрузок на мерзлые
торфяные rрунты при возведенип на них зданпй и сооружений OCTa
ются такимп же, как и на талые (посредством подсыllкK и свай).
Несмотря на то, что замерзание rрунтовой влаrи в десятки раз
увелпчrrвает прочность rpYHTa, значпте.ТIьная льдистость, а также
больш е содер;r\ание незамерзшей воды во всем диапазоне отрица
тельнои температуры, податливость торфяных частиц приводят к
rораздо более пнтенсивному, чем в минеральных rpyHTax, проявле
нпю реолоrических свойств. Поэтому строитеЛЬНЫl\Ш нормами и
правилами предусматрпвается целый ряд мер, направленных на
повышение несущей способности оснований, сложенных мерзлыми
торфяными rрунтами, а именно: устройство песчаных подушек
под столбчатыl\1и фундаментами; заполнение околосвайноrо прост
ранства буроопускных свай песчано извеСТКОВЬП\I раствором вместо
rpYHToBoro шлама и увеличение толщины слоя раствора по cpaBHe
нию С требуемой в условиях минеральных rpYHToB; искусственное
понижение температуры.
Теоретической основой развития всех рассмотренных выше Ha
правле ий исследований, связанных с освоенпем заторфованных Tep
ритории в северных условиях, является механика мерзлых торфяных
rpyHToB. Особенности поведения этих rpYHToB под наrрузкой в
промерзающем и оттаивающем состоянии обусловлены rлавным об
разом физичеСЮIl\1И свойствами торфа.
Результаты исследованrrй свойств торфа в немерзлом СОСТОЯНИП
весьма обширны блаrодаря тому, что он является полезным ископа
еl\IЫl\I. Достаточно сказать, что только перечень литературы по торфу
(нач ная с 1723 r.) насчитывает 20 томов библиоrрафичесюп указа
телеи.
Труды видных русских п советских ученых позволяют составпть
представление о происхождении, составе, физикохимии торфа [Pyд
нев, 18 9; Танфильев, 1900; Вихляев, 1922; Сукачев, 1923; ДOKTY
РО СЮIИ, 1922, 1935; Варлыrин, 1930; Тюремнов, 1940; Пичуrин,
HJ37; Раковскпй, 1939; Кулаков, 1\147; Кац, 1941; Пьявченко, 1955;
9
Семенский, 1966; Романов, 1953; Амарян, НЮ9; Jlиштван, Король,
1975; Чураев, 1961; и др.].
Характеристиками основных физических свойств торфа, опр&-
деляющих протекание мерзлотных процессов и характер поведенпя
торфяных rpYHToB под наrрузкой, являются плотность, влаrоем
кость, степень разлоа,ения, зольность. Поэтому в обобщенном виде
рассмотрим сформировавшиеся на настоящий период представления
об указанных свойствах.
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНIIЯ
ОБ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОНСТВАХ ТОРФА
Как показывают результаты псследований перечис
ленных выше авторов весь кшшлекс физических свойств торфа опре
деляется rеоботаническим составом и rенезисом. Соrласно сформи
ровавшейся rенетической классификации [Пичуrин, 1967] торфы
подразделяются на три типа: нпзинный, переходный, верховой
(табл. 1.1).
Низпнные торфы характеризуются небольшой мощностыо зале
жи (до 40 50 см), в условиях которой растенпя торфообразователп
не утрачивают связи с мпнеральным rpYHToJ\1 и получают питание
снизу через корневую систему. Из древесных пород растенпями
торфообразователями являются ольха, береза, ель, пва, из трав
хвощп, папоротникп, тростники, осоки, вахта, пз мхов зеленые
и лишь некоторые сфаrновые.
С нарастанием торфяной залежи связь растительности с мине
раЛЬНЫ I rpYHToM прерьшается, на поверхности ТОРфЯНIша меняются
растите.'Iьные ассоциации: наряду с березой развиваются сосна,
вересковые кустарники; в травяном покрове осока, пушица, сфаr
новые }IХИ. Низинная торфяная залежь превращается в переходную,
а затем в верховую. I{аlI ДЫЙ тпп торфа имеет раз.тшчную степень
минера;шзацпи п следовательно, различную зольность. Напбольшей
зольностью обладает нпзпнный торф, напменьшей верховой.
В пределах каащоrо типа в завпси IOСТИ от ботанпческоrо COCTa
ва выделяются подтипы, rруппы п виды. Как впдно пз табл. 1.1,
виды торфа характеризуются определенной влажностью и степенью
раЗЛОiБенпя: от древесных торфов к моховым вла;'БНОСТЬ возрастает,
а степень разлоа.ения СНИiБается. Плотность частпц торфа Р. Haxo
дится в пределах от 1,4 до 1,65 r/oI3. Она заВПСIIТ от степенп разло
женпя и зольностп: с увеличенпем степени разло;,н:ения плотность
уменьшается, с увеличеНIЮ}I зольностп увелпчпвается [Ko
стюк, 1967].
Плотность торфа обусловлена ботаническим cocTaBo:'!I, степенью
раЗЛОiБения, зольностыо, влажностью. С увеличенпеJ\l степени раз
ложенпя плотность торфа увеличпвается. ОСНОВНЬПI фактором, опре
деЛЯIOЩIIМ колебания величины плотности торфа, является COOTHO
тенпе воды и rазов. Наибольший диапазон ИЗJ\Iененпя плотности
наблюдается в зоне аэрацип (от поверхности до rлубины 25 40 см).
10
"'
.....
«s
t:r
::;
I"j
ro
Е--<
,....,
t--
Ф
с:>
....
с
Q
=
....... :s:
:Е
i:I. to
Q :S:
Е-< i;i
о
s:
;
:5
s-
ro
;
?
о:;
""
ro
:<:
tt:
ro
:<:
""
Q)
е:
2:
а:;
;;;
::
<:
;.,
:т
""
о
'"
S
о
Е-<
:Е
5
;:;.
;о,
н
,о:
о
'"
а:
to
о
о
'"
с.
,
о
'"
'"
с;
,,,,
0..,"
S; ,
H
00
<;'"
о'"
:S:",
"'о:
е;б
а:
'"
'"
о
х
о
:<:
,
<-<
ro'
:E
t)
..
.....
'53 E:i
I'Q
o-
'53
S
н::<:
t:::
'"
'"
о
х
о
1
о
'"
t:::
со
о:'
, I
о::::
,I'Q::<:
о с
::<::<:
5 8
O @
)
о t:Q
8 : eg
Q:E>&::::
OI'QQ'"
а:
'"
'"
, ,
f--I O)
u ...
&8 ):::I
E--10
....;- ф
.",""", со...... ......
:=r tQ s:з
o g.@
s"o
=: )
:><:i2I'QSi2
а:
'"
'"
а:
'"
'"
о
х
о
о
'"
'"
'"
'"
<;i
;:;;
, '
= Q.....
ф.o.--oj
::::1'Q:<1
C)t:Q
о о.. о:::;:
t:[E:Q
u_ со ::Ij
'51 '3' а
&f5o
t::::===
.::
'"
'"
""
,а:
о'"
5;t:
'"
'"
'"
2
. ,
:<1 о
I'QQ
O b
::::=
ClJ ::о g)
t:Q t:Q
0QQ)r:Q
Р.р..о..о
t::[E-< :<:
а:
'"
'"
с)
<IJ
со
'"
2
1 1 I I
""00=
\.о :=: ::::::;t:;;I
", C)8 т
'53 ,::1 Q =
::::
:-d g:i': )=i
C)::cJ::cJ::a
Oo..l'Ql'Q=
IqПII.L
:ЦIЧВНШШН
00
.....
I
ф
I
t::()::;;::
с "'
I'Q
""о
2'=
)
)ci>& ::q
Q
О
О
::t::-"";-Ф
e.
I '
О",
==
<-<
roo
>&
<)""
'р..
о""
=
O:
Q "'
OI'Q
, , ,
""""
p..::fo
""
:lt:: Q)
""р..
а""
,:si =
r- ...
r:Q :t::
O::cJ::E
8 tQ:::::I
t)1:=[$::a
О а=
.
I 011-"01 ::Е
О::а......
a:
c;=
I'Q<-<
& 2'
t::[",,=
,
'''''
Ор..
Q Ф
9 =
о
,
Ф:I:S: ::CJ
:<!=
o..l'Q
.....,0 о
:lrI:I
t&
Qo
""
C)
р..р..
t::[@
:ЦIЧВ)10хеdеп
ф
I
% I q.L:JонqlЮЕ
,
р. ::::::
"" :<1
I'Q
>& ::si g ,
g. ;; :<1
Е;' '" '8'
cj
1::> ,:si 1Е
s 8 ;з
@
I
с) :::;::
::CJ
' g
6 S <-<
d
"" >а<
::r :I:i 6
S "' I'Q
s
1::: а
,
,
""
8 :
с) :Е
s"
а е
р.
1::: g.
I
<-<
ro
>&
Q
6
:;::::1
::<: .."
Q
О О
U
.!.
S
7
о
I'Q .
О .
= "'
g Б
U J:f
::si ::.1
:<1 о
I'Q I'Q
О О
=
Q i:I.
о ""
U I'Q
1I0похdен
I
C"'I
<:'1
с:>
с>
C"'I
.......
с:>
C"'I
со
.....
с:>
r--
со
с:>
00
00
со
со
00
r--
00
<'!
u)
I
О
ro
i:I. t::
,.Q =::1
=
"" ф
!Е
Q)
Е-<
U
,.Q
Е-<
Q
О
Iд
:€
d
11
Ниже уровня rрунтовых вод, rде объемное содерЖi:l.ние rазов не
превышает 2 9 %, плотность меняется незначптельно. Для Bepxo
вых торфов ее значение блпзко к 1 r:cM 3 .
rлавная особенность торфа способность удерживать большой
объем влаrи. Основной характерпстикой водных свойств служит
полная влаrоемкость, ПРИНИl\Iaемая равной влажности за счет l\Iакси
l\Iальной водоудерживающей способности торфа W п , е' Этот показа
тель определяется эксперпментально с помощью воронки Бюхнера
[Костюк, 19Б7]. При ЭТО;\{ часть пор rpYHTa остается незаполпенной
водоЙ, удаляющейся под действиеl\I rравитационных сил.
J\lаксиыальные значения естественной полной влаrоемкости И Т п. е,
по данным А. А. rребенщиковой [195Б], составляют 4000% для
неразложившеrося l\Ieдиу;\{ торфа и 500 % для сильноразложивше
rося. Кроме Toro, rидролоrические условия торфяной залежи обычно
таковы, что она, как правило, всеrда обводнена. Частиц торфа co
деРiЮIТСЯ в ней Bcero 5 14%, поэтому все виды торфов в eCTeCTneH
Н011 залеrании характеРllЗУЮТСЯ высокой влажностью. В цеЛОl\I BOДO
поrлощающая способность торфа зависит от rеоботаническоrо COCTa
ва п степени разложения. С увеличением степени разложения W п . е
уменьшается; при одинаковой степени разложения верховой торф
обладает большей влаrоемкостыо по сравнению с низинным. Это
соотношение обусловлено влиянием характера связи воды с частпца
ми торфа, в зависимости от KOToporo вода подразделяется на ХIll\шче
СЮI, фИЗИКО l\IeхаНIIчеСКII, механически связанную и свободную [Pe
биндер, 1936].
Хи;\{ически связанная вода, взаимодействующая с СУХИl\I веще
СТВО11 торфа, аналоrична воде кристаллоrпдратов, она не удаляется
при наrреваНlIИ дО 100 1500C. Ее содержание в торфе составляет
несколько процентов.
Фпзико механпческп связанная вода представляет собой слон
ориентпровi:l.ННЫХ молекул (равные примерно 50 молекулярным Дllа
м:еТРЮI) на rранице с частицамп твердой фазы торфа. Слои молекул
воды, которые непосредственно соприкасаются с поверхностью ча
стиц, образуют адсорбпрованную воду. Эта вода наиболее прочно
связана с поверхностью твердой фазы и по физичеСЮПI СВОЙСТВЮI
отличается от обычной воды. Плотность ее 1,3 2,4 r/cM 3 , темпера
тура замерзания ниже 70 0 С. Она не является растворителем и по
своим физическим свойствам прпБЛlliБается к твердым веществам.
По Мере удаления воды от rранпцы с твердой фазой, ее плот
ность убывает, и она находится в рыхлосвязанном, а затем свободном
состоянип. В ультрапорах и капиллярах содержится свободная
вода. Этот вид влаrи в торфе преобладает и обусловливает величпну
W п . е' Увеличение степени разложения приводпт к разрушению заl\Ш
нутых пор и капилляров, а следовательно, к удержанию меньшеrо
количества свободной воды; влаrоемкость уменьшается. С друrой
стороны, дробление частпц торфа при увелпчении степени разлоа-;е
ния приводит к увеличению их удельной поверхности количество
связанной влаrи возрастает. Так, по данным Н. В. Чураева [19Б1],
прп ПЗl\IeнеНllll степенп разлоа,енпя BepxoBoro торфа от 15 до 60 %
12
j
I
влажность за счет адсорбированной воды в нем увеличилась с 40
до 70%. Но потери свободной воды в результате разрушения пор
и кarшлляров больше увеличения количества связанной влаrи, что
и прпводит к уменьшенпю полной влаrоемкости с ростом степенп
разложения.
Свободная вода в торфе наиболее подвижна и удаляется при
давлениях 0,01 0,15 МПа [Амарян, 1969], поэтому при механиче
CKOllI воздействии водные свойства торфа существенно шеняются.
Как показали исследования [Амарян, 1969; Чураев, 1961], даже
при небольшом давлении влаrосодержание торфа значительно YMeHЬ
шается. Так, в процессе сжатпя под давлением 0,045 МПа влаа,ность
OcoKoBoro торфа уменьшилась от 430 до 125 %, а l\Iедиум торфа
ОТ 930 до 610%.
Процентное содержанпе продуктов распада растительных OC'l'aT
ков, утратившпх клеточное строение, характеризуется степенью раз
ложеНIIЯ торфа D. Она определяет структурные механические и BOД
ные свойства. Величина D зависит от химическоrо состава исходных
растений торфообразователей, а также от влашностных и темпера
турных условий в период торфообразования.
Нестойки к распаду целлюлоза, белки и минеральные соедине
ния. rуминовые кислоты, СМОЛЫ, воск, наоборот, тормозят разлоа",е
ние. С увеличением водонасыщенности уменьшается содержание кис
лорода, необходимоrо для жизнедеятельности бактерий, ПОЭТОlllУ,
чем выше влаа.ность поверхностноrо слоя торфяной залежи, тем
:меньше ero степень разложения. Решающее значение И1Iеют таЮI.е
кшшатпческие условия, сопутствующие процессу формирования дaH
ной торфяной залежи. При высоких температурах биолоrический
процесс протекает более энерrично, что обусловливает высокую
степень разложения торфа. Наоборот, в условпях cypoBoro КЛlшата
отлаrается торф малой степени разложения.
Прп формировании торфяной залежи разлоа.ение растительных
остатков ПРОИСХОДИТ интенсивно в поверхностном слое, куда ДOCTa
точно свободно проникает кислород. Основная масса lIIикроорrаниз
мов, разрушающих растптельные остатки, сосредоточена на rлубпне
до 20 30 си. С rлубиной микроорrанпзмов меньше. На БОЛЬШllХ
rлубпнах встречается небольшое количество анаэробных бактерий,
но их жизнедеятельность не значительна и не вызывает существенных
изменений в свойствах торфа [Пичуrин, 1967].
Таким образом, основные физические свойства торфа, особенно
степень раЗЛОiкения, формпруются в поверхностном слое залеil,И.
Указанное обстоятельство подтверждено мноrИl\Ш исследоватеЛЯМI1.
rлубокие слоп торфа MorYT иметь значптельно меньшую степень
разложения, чем вышележащие, несмотря на то, что онп являются
более древнпми и их возраст исчисляется тысячелетиями. Это обстоя
тельство имеет важное практическое значение, в том числе и прп
пспользованип торфяных rpYHToB в качестве оснований, указывая
на то, что за период эксплуатацип зданий и сооружений степень
разложения торфа не увеличптся и не вызовет дополнительных
дефОрllIaЦИЙ.
13
Определение степенп разложения сопряа,ено с ТРУДНОС ТЯllШ,
так как D представляет собой не :Jлементарное, а слотное своиство,
включающее как колпчественные, так и качественные прпзнаки
[ТюреllIНОВ, 1976].
Все разработанные методы оценки степени разложения не дают
достаточно точных результатов rлавным обраЗОllI из за Toro, что
не всеrда соблюдается cTporoe соответствие между содержаНИЮI
ryMyca и дисперсностыо частиц. Установлена хоро ая корреляцион
ная связь между степенью разложения п полнои влаrоюшостью.
Выведенная нами зависимость D == j(W п. е) по опытным данным, прп
веденным в работе М. А. IUапошнпкова [1977], ШIeет вид
D == 104 + ЬW п . е, (1.1)
разложения и колеблется в пределах от 2 до 8%. Анализ данных
Л. С. А.:Iшряна [1969] ПОЗВОJIЯет выразить пористость за счет пор,
заполненных rазаllIИ по, в водонасыщеННОllI торфе в заВИСИlllОСТИ от
катеrории степени разложения в следующих пределах: слаборазло
жившийся 6 8 % , среднеразложпвшийся 6 4 % и сильно
разло;.юIВШИЙСЯ 4 2%.
РаСС.:llОтренные специфические особенности фпзических свойств
торфа определяют формирование фИЗИКО lIIеханических параllIетров
торфяпых rpYНToB прп ПрОllIерзанпи оттаивании.
rде D степень разложенпя, %; Ь коэффпциент, равный 7,5 п
9 соответственно для BepXOBOI'O п низпнноrо торфа; W п , е полная
влаrоеllIКОСТЬ, определенная с ПОl\IОЩЬЮ воронкп Бюхнера, в долях
единицы.
Если за исходный параметр влаrоемкости прпнять значенпе
влатности прп ПОЛНОl\I заполнении пор водой vf1 п , то D lIIОЖНО pac
считать по завпсшlОСТП W п == j(D), полученной Ф. Н. Н.овалепко
[АlIШРЯН, 1969],
1.2. СОСТОЯНIIЕ I1ССЛЕДОВАНIIН
ФIIЗIIЧЕСКIIХ И МЕХАНIIЧЕСЮIХ СВОНств
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУIIТОВ
W п == 100(95 mD)/(5 + mD),
(1.2)
Птак, фИЗllческие [1 lIIехапическпе свойства торфа в
таЛО.:lI состоянип пзучены достаточно подробно, детальное же изуче
ние мерзлых торфяных rpYHToB начато сравнительно недавно. Полу
ченные результаты позволяют сделать следующие выводы.
Орrаническое ПРОПСХOFI{денне торфа обусловливает специфику
ФИЗПКО .:IIеХaIшчеСЮIХ свойств и делает пх весьма ОТЛIIЧНЫllШ 01' Ta
ковых Д:IЯ lIпшеральных rpYHToB. Так, теllIпература фазовых пере
ходов в;rаrи в торфе блпзка к О-'С незаВИСИl\IО от степени водонасыще
lIIIЯ, а количествО пезаl\Iерзшей воды спльно зависпт от начальпой
в.тта;+;ности. Значительное влаrосодерFIшние, пебольшая теплопровод
ность торфа оказывают существенное влпяпие на пнтенспвность
фазовых переходов, теllIпературный ре;.юш. Физика тепловых процес
сов в торфе и rpYHTax, содеР;'I,ащих растите.тrьпые остаТКII, BceCTopOH
не не выявлена, что затрудняет их количественную оценку II
проrноз.
Дефор.:lШРУЮIОСТЬ и прочность lIIерзлых торфяпых rpYHToB TaK
же веСblШ ОТЛIIЧНЫ от l\пшеральных. Большое льдосодержание, Ha
.тшчпе неЗЮIерзшей воды, дефОРllIируемость частиц торфа обусловли
вают бо:тее выраженное по сравнению с миперальньвш rрунтами
про явление реолоrпческих свойств способность развнвать дефор
мацпи ползучести и сниа,ать во вре.:lIени сопротивление паrРУЗКЮI.
Интенсивность дефОРllШЦПЙ lIIерзлых торфяпых rpYHToB весыlIa завн
сит от содержания растительных остатков, возрастая по мере увели
чения заторфованности.
Для спльнозаторфованных rруп1'ОВ и торфа деформацпп носят
вязкпй характер с преобладанпеllI стадип установившеrося теченпя.
ТаКИ1\! обраЗОllI, свойства lIIерзлоrо торфа приБЛПIIШЮТСЯ I{ свойстваllI
чпстоrо льда, однако частица торфа, оказьшая аРllIирующее воз
действие, обусловшшает п сущ ственное отлпчие, позволяя paC lIIaT
ривать ero как композиционныи lIIатерпаJI. Деформативные свопства
lIIерзлых заторфоваиных rpYHToB при незначительной заторфовап
ностп приБЛИFнаются по своему характеру к СВОЙСТВЮI мерзлых ми
иеральных rруитов, но IIз за большеrо содер;.r;ания пеЗЮlерзшей
воды п налпчия растптельных остатков опп проявляют плаСТIIческие
15
rде т коэффициент соответственно равпый 0,1 п 0,2 для nepxoBoro
II низинпоrо торфа.
Прп технической оценке торфа припято оперпровать HaTero
риями степени разложения, соrласно которым торф раз еляется па
слаборазложившийся D < 20 % ; среднераз,Т[ожившиися 20 <
< D < 45 % ; сильноразложившийся D > 45 % . Для слабnраз
ло;.ъ:ившихся талых торфов характерно уплотнение под насыпью,
а при прпrрузке cpeДHe и спльноразложпвшихся слоев возможны
выпоры l\Iассива торфа.
Несмотря на избыточную увлажненность, торфы содержат в ce
бе rазы и пары воды. Таким образом, в таЛЮJ состояmш онп пред
ставляют трехкомпонентную, а в мерзлом четырехкомпонептпую
систему. rазы в торфе l\lOrYT находиться в следующих состояпиях:
а) свободном сообщаются с атмосферой; б) сорбпрованном за
НИМЮОТ часть поровоrо пространства; в) защемленном находятся
в полостях растительных остатков; r) раствореппом растворены в
жидкой фазе. В торфоrенном слое, по данным К. Е. Ив. \Нова [1957].
rазонасыщенность составляет около 40 %, но с rлубпнои она сущест.
венно падает, и ниже уровня rруитовых вод rазосодержание дости
raeT 1 8% [Иванов, 1957; АlI1арян, 1969]. Почти все rазы здесь Ha
ходятся в сорбироваННОll1 и защеll1ленном состояниях и при уплотне:
нии отжимаются в крайне незпачительных колпчествах. НИЗIIННЬ:И
торф обладает несколько меПЫIIИМ rазосодерашю:еll1, чем верховои,
что связано с меньшим количеством волокнистои массы в нем и
аrрессивностью высокодисперсных фракций. В цеЛОll1 содержание
защемленноrо воздуха в торфе обратно пропорциона:rьно степеНII
14
2.1. СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦllЯ
П НОМЕНКЛАТУРА ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
НоСтные и деформативные свойства, должно оснОвываться на частных
классификациях.
Разработка такпх классификацпй торфяных rpYHTOB связы
ва:шсь прежде Bcero с цеЛЯJ\lП дорожНоrо строительства. 3а ОСНОвной
классификационный прпзпак ПРИНIшалось поведепие торфа под Ha
rрузкой Cfl-аrмаемость пли выдавливание, что наилучшим образом
характеризует устойчпвость оснований ДОРО}I.ных насыпей. Прп
ЭТD:lI в некоторых классификациях учитывается rеоботаническая
основа торфа, физико механические свойства [R'узнецова, 1936;
Ордуянц, 1946; Ткаченко, НЮ2; Фарнхэ r, 1963; Евrеньев, 1968;
R'азарновсюrй, 1972; п др.]. Ряд авторов использовали дополнитель
пые критерии условпй рельефа, расчлененности торфяпой залежи,
залеrапия пластов.
Все дорожные класспфпкацпи выделяют три строительпых ти
па болот. R' первому относятся болота, сложенные торфами устойчи
воп КОПСllстенцпп с несущей способностью пе мепее 0,025 МПа. При
уСтройстве насыпи на таЮIХ болотах происходит лпшь уплотнение.
Болота слабоустойчивой конспстенции с несущей способностыо
0,o25 0,01 МПа отнесены ко второму типу. При возведении на НIIX
насыпей возможпа осадка и частичный выпор. R' треТЬЮlУ типу OTHO
сятся болота, сложенные торфами пеустойчивой Конспстепции с He
сущей способностью менее 0,01 МПа. Прп наrрузке наблюдается
выдавливание торфа пз под насыпи.
Прп оцепке торфяных rpYHToB как оснований необходимо выя
вить пе только поведенпе этих rpYHToB под наrрузкой, но и назначить
расчетные характеРИСТIШП прочностпых, деформативных и тепло
физических свойств, поэтому указанные свойства также должны
быть в числе основных классификационных признаков. Самое cy
щественпое влиянпе на них оказывает заторфованность. Если для
целей ДОрОЖНоrо строительства J\Iинеральпые заторфованпые rpYH
ты, как обладающие несущей способностью большей 0,025 МПа,
.\lOжно вообще не отпосить к болотным илп отпести к первому типу,
не разделяя их по заторфованностп, то для фундаментостроения зда
ний и сооруженпй такая классификация будет неполной. ПОЭТD:llУ
все исследователп торфяпых rpYHToB как оснований принимают за
торфовапность основным нлассификациопньш поназателем [Ba
СIIJ1ьев, 1952; R'азарновский, 1972; Ушкалов, Роман 1970' Амарян
1972; R'оновалов, 1982; п др.]. '"
Предлаrаемые этими авторами клаССИфlшации весьма близки,
меняются тольно пределы заторфованности в выделепных видах за
торфовапных rpYHTOB. В обобщенном виде они нашлп отражение в
нормативной номенклатуре rpYHTOB, содержащпх растительные
остатни.
Анализ опытных данных о фИЗИКО Iехаппческих свойствах TOp
фяных rpYHToB показывает, что rенетическпе типы торфа (пизин
пый, переходный, верховой), подтипы (лесной, топяной, лесотопя
ной), не отмеченные в rOCTe, а таЮI.е содержание растительных
остатнов в rораздо меньшем нолпчестве, ЧЮI ЭТО указано в rOCTe
для слабозаторфованных rpYHToB (J om < 0;1), оназывают весьма cy
2 л. Т. POMМI 17
свойства и даже прп НII3КОЙ температуре ведут себя не нак ТIJерДI)
мерзлые, а кан пластпчно мерзлые rрунты.
IIмеющиеся данные исследований не охватывают Bcero комплек
са вопросов, связанных с оценкой харантера дефор.\шруююсти II
прочности мерзлых торфяных rpyHToB, особенно это относится н
методам проrноза длительных, сопоставrПIЫХ со срокюш службы зда
ппй и сооружений, деформаций и прочности мерзлых торфяных
rpYHToB.
В силу указанных выше особепностей к торфяным rpYHTaM не
всеrда применимы решения, разработанные для мерЗ:IЫХ J\IИнераль
ных rpYHTOB с одной стороны и льда с друrой. Поэтому необходп
мо создапие п развптие основ механпни мерзлых торфяных rpYHToB
нан самостоятельноrо паправления в IШiкенеРНО::lI мерзлотоведепии,
ноторое позволит решать проблемы строительпоrо освоенпя затор
фованпых территорий.
2
ФИ3IIЧЕСКИЕ СВОI1СТВА
.l\IEР3.тIЫХ ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
r л АВА
На общую клаССИфПRацию rpYHTOB для целей строп
тельства разработан rOCT 25100 82. R'лаССИфПRацпя объедпняет все
rорные породы и почвы, ноторые рассматриваются иак lIIпоrОRОМПО
пентные системы, изменяющиеся во вре.\Iепи. Применена следующая
номеПRлатура: Rласс rрупта, rруппа, подrруппа, ТIШ, вид, разновид
ность. УRазанпые НОllIеНRлатурные едпницы определены rенеЗИСОJ\I
и постrенетичесюпш процессамп, ноторые в свою очередь, форми
руют струнтурные связи в rруптах важнейший фаRТОр, обуслов
ливающий их свойства.
Торф и заторфованные rрупты в общей RлаССИфПRации отпесены
R Rлассу rpyHToB без шеСТRПХ связей (нескальных), rруппе осадоч
ных несцемептнрованных п подrруппе биоrенных (озерно болотных.
аллювиально болотных). Соrласно определению, приведешюму в
УRазаННОJ\I rOCTe, торф представляет собой орrаНОМIlнеральный
rpyHT, образовавшийся в результате eCTeCTBeHHoro отмиранпя и He
полноrо разложенпя болотных растенпй в условпях повышенной
влажности при недостатне Rислорода и содерiI.ащий 50 % и более
орrанических веществ. 3аторфованные rрунты песчаные, пыле
ватые и rлипистые содержат в своем составе от 10 до 50 % (по Mac
се) орrаничеСRИХ веществ. Дальнейшее подразделение rpYHToB на
типы, виды и разновпдности в системе, УRазывающей на их проч
16
щественное влияние на теп.пофизические, прочностные и дефОРlllаТJIВ
ные свойства rpYHToB в талом и lIIерЗЛОlll состоянпи. Поэтому необхо
ДИi\Ю дальнейшее совершенствование классификацип торфяных
rpYHToB, объединяющей торф и lIIинеральные rрунты, содержащие
растительные остатки, в единую спстеlllУ n в то же вреlllЯ разделяя
их на впды в заВИСИIIIОСТИ от фИЗИКО lIшханических свойств. С одной
стороны, фИЗИКО IIIеханические свойства торфа п IIIинеральных rpYH
тов с растительныllII остаткаllIИ не lIIеняются скачкообразно при
II3 IeIIeШШ факторов, их обусловливающих. НаПРПi\ШР, нет скачКО
образпоrо уменьшения или увеличения прочностп прп июшнении Ta
KOl'O OCHOBHoro показателя физических свойств как влаа,ность, но
прослежпвается общая тенденция к увеличению прочпостп lIIерзлых
торфяных rpYHToB при увеличенпи льдпстости от воздушно сухоrо
состоянпя до полной влаrоеlllКОСТИ. То же саllIое lIюа,по констатпро
вать при ИЗlllенении заторфованпости: ее увеличенпе приводпт к
постепеННЩlУ УllIеньшеИIIIО прочности.
ТаЮПI обраЗОIII, разделепие rpYHToB на виды до не которой CTe
пенп условно, и всеrда существуют переходы от одноrо впда к дpy
rOlllY, какпе бы классификационные показателп нп были приняты
за исходные. Тем не IIшпее выбор исходпых класспфикационных па
рюштров иrрает основную роль, так как Иi\IeННО онп определяют,
насколько классификация является достоверной, полной п удобной.
Как опшча,ТIОСЬ, основпыми физпчеСКИIlIИ свойстваllIИ, обуслов
.ТIиваЮЩПi\I1I прочностные, дефОРlllативные и теплофизические пара
метры торфа, являются влажность, степень разложения, 30,ТIЬHOCTЬ;
заторфованных rpYHToB влажность, заторфовапность. В свою оче
редь, в;rажность, степень разложения и зольность завпсят от типа
торфа, ero ботаническоrо состава; в заторфованных l\[пнеральпых
rруптах влажность обусловлена ВПДOi\I rpYHTa и заторфованностью.
Итак, в копеЧНОI\I счете rенезис rpYHToB определяет все их фи
3ИЯО i\Iеханическпе свойства, и IЮТОi\IУ rепети:ческая классификация
lIюа,ет быть положена в основу класспфикации строительной. Это
дает воююапюсть напболее полпо с помощью природпых прпзнаков
объедпнпть все разновидности торфяпых rруптов п избавиться от
условностей прн обозпачении классификационных единиц.
Сшщует ОТlllетнть, что rенетический подход прп изучении rpYH
тов явлю'тся lIIетодолоrической основой rрунтоведения [CepreeB и
др., 1973]. Строительная класспфикация торфяных rpYHToB, в OCHO
ву которой птюа,ены особеиности происхоащенпя, будет выраже
нием TaKoro подхода и позволпт использовать ранее выработанное в
торфоведении делепие торфов на виды, rруппы и типы, а така,е при
пятое в строительных НОрlllах и правилах деление ыинеральных
I'PYHTOB, содержащих IIIинеральные остаткп, на rрупты с ПРПlllесью
растительпых остатков и заторфованные.
Все виды lII1шеральных rpYHToB, в которых количество растп
тельных остатков таково, что оно существеННЬПI обраЗОIII влияет
на фПЗИКО l\Iехапические свойства, а также все виды торфов целесо
образно объедпнитъ в одну rрунтовую катеrорию торфяные rруп
ты. Такое объедпнепие заКОПОlllерно выразит заВПСИi\IОСТЬ фпзико
НЗ
Разновидность
НО;\lеНl\латура торфяных rpYHTOB
т а б л п ц а 2.1
Подтип
Вид
fрунты С расти
тельными
остаТНaJ\П1
3аторфованные
I'РУНТЫ
Торф
2*
Песчаные
0,03 < J oт 0,1
rлпнистые
0,05 < J om 0,1
Песчаные
0,1 < J om 0,5
слабозаторфованные
0,1 < J om 0,25
среднезаторфованные
0,25 < J cm 0,4
сильнозаторфованные
0,4 < J om 0,5
rлпнпстые
0,1 < J oт 0,5
слабозаторфованные
0,1 < J om 0,25
среднезаторфованные
0,25 < J om 0,4
спльнозаторфованные
O, < J om 0,5
Нпзпнный
слабораЗЛОЖПВШIIIIСЯ
Ddp 20%
среДНераЗЛОЖИВШlIllСЯ
20 < D dp 45%
спльнораЗПОШI1ВШlIlIСЯ
Ddp > 45%
ПереХОДНЫll
слаборазложпвшиiiся
Ddp 20%
среДНераЗЛОfRПВIIIПЙСЯ
20 < D dp 45
спльнораЗЛОЖПВlllпiiся
Ddp > 45%
Верховой
слабораЗЛОЖI1Вllllliiся
Ddp 20%
среднеразложпвшппся
20 < D dp 45
спльнораЗЛОЖПВlIIlIЙСЯ
Ddp> 45%
Песок rравелпстыii
крупный
среднеn крупности
мелкпii
пылеватый
Суиесь
Суrлпнок
rЛJiна
Ил
Песон: rравелистыii
крупныn iIiI'!IIw.iot<'
среднеп крупностп
lI1елкип
пылеватый
Суиесь
СУI'ЛIIНOI{
rлина
Ил
Лесной
Лесотопяной
Топяноп
19
ыехапичесютх свойств от заторфованности. Соrласно ОПЫТНЫl\l ДaH
НЬПI содержание растительных остатков ЗЮIeТНО сказывается на
изменении свойств rpYHToB в том случае, если опо превышает в пес
чаном rpYHTe 3 %, в rлпнистом 5 % по отношению к массе мине
ральной составляющей. Из указанноrо (шижнеrо» предела заторфо
вапности и следует ИСХОДIIТЬ при составлении классификации, OTHO
ся rрунты с 0,3 (0,5) < J om < 0,1 к виду «rрунты с раститеЛЬНЬШIl
остаТКЮIИ». Коrда же частиц торфа в IIпшеральных rpYHTax больше
10%, последние следует отнести к заторфованныl\I' а при 50% и бо
лее к торфаlll.
Свойства заторфоваппых rpYHToB и rpYHToB с растительными
остатка'ми определяются их состаВЛЯЮЩIПIИ, в том числе и минераль
ной. В связи с этим в классификаЦИIl неоБХОДИ1l1O разделпть rрунты
по виду минеральной составляющей, как то принято в rOCTe
25100 82.
Что же касается торфа, то основной \Щllницей рассмотренной
выше rенетической класспфпкации является ero вид (березовый,
еловый, осоковый, mейхцериевый и т. д.), характерпзующийся OTHO
сительной однородностью растительных остатков.
В природных условиях залежь торфа, как правило, шшоrда не
бывает однородной, а состоит из комплекса rрупп и видов. Кроме TO
ro, анализ опытпых данных показывает, что прочностные свойства
разлпчных видов и rрупп торфа, относящихся к каЖДOllIУ подтипу,
как в талом, так и в меРЗЛОll1 состоянии меняются незначптельно п
MoryT быть объедпнены средпим значением прочности. Поэтому в
строительной классификацпи нет пеоБХОДIlМОСТИ в rромоздком раз
делении торфа на rруппы и виды, а целесообразно принять за OCHOB
ную классифпкацпопную единицу подтип торфа.
С учетом вышеизложенноrо, в строительной класспфикаЦПIl
торфы п rрунты, содера,ащие растптельные остаткп, МОЖНО объеди
ппть в общую катеrорию торфяные rрунты. Прп ЭТОМ выделяются
трп основпых впда торфяных rpYHToB: 1 rрунты с растительнымп
остаткаllШ, в которых орrаническая составляющая находится в пре
делах от 3 до 10% в песчаных и от 5 до 10% в rлинистых rpYHTax;
2 заторфованные rрунты, в которых количество орrаническоrо
вещества составляет от 10 до 50%; 3 торф, содержащпй более 50%
орrаническоrо пещества. Затем rрунты с растительными остатками
и заторфовапные подразделяются по впду минеральной составляю
щей и ее rранулометрическому составу. В торфе выделяются типы
низинный; переходный, верховой и подтппы. При ЭТОМ В номенкла
туре торфяпых rpYHToB (табл. 2.1) учитываются основные параметры
физичеСЮIХ свойств заторфованность J 0111, степень разлоа,е
нпя D dP'
2.2. ЗАТОРФОВАННОСТЬ
Колпчество растптельных остатков в заторфованных
rpYHTax является ОДШIМ пз осповных параметров, определяющпх нх
физпко механпческие свойства в талом n мерзлом состоянпи. Ero
2()
I
1.
l\IОЖНО выразпть заторфованностью по массе J от п по объему J ор'
Большинство исследователей принимают в качестве характеРИСТПЮI
заторфованности величину q, равную отношению массы торфа к'
массе минеральной составляющей rpYHTa и названную степенью
заторфованности.
Такое определение БЫ.1IO введено в нормативные документы.
Однако практически оно не совсем удобно, так как обусловливает
изменение q от ноля до бесконечно больших значенпй при увеличе
нпп в rpYHTe количества растительных остатков. Поэтому в ряде
работ, в том числе и наших [Ушкалов, Роман, 1970; Роман, HJ81J,
было преДЛО;-I,ено выра;Бать заторфованпость как отношение массы
cyxoro торфа к массе Bcero cyxoro rpYHTa (торфяпых п IIшнеральных
КШIПонентов) в едипице объема, что позволяет получать величпну J oт
в пределах от поля до 1. Такое определение веШIЧИНЫ заторфован
пости прпнято в rOCTe 25100 82. Попутно следует отметить не COB
сем точное название ЭТОЙ характеРИСТПЮI как в литературны
псточнияах, так и в rOCTe «степень заторфованпости», так
в:ак «степены) обычно выраihается отношеНlIем текущих значепиЙ
какоrо либо параметра к l\шксималыlO возможному (напрпмер,
степень влаа,ности отношение влажности к полноЙ влаrОЮI
кости). Очевидно, более точным будет название данноЙ характерп
СТИЮI «заторфованносты), что и принято в настоящеЙ работе.
В естественном залеrании rрунтовых пластов нередко встречает
ся неравномерное распределение растительных остатков, которые
зачастую ВКраплены отдельными включениями. R этом случае весь)ш
трудно достоверно определпть J от, и в качестве характерпстики
заторфованности целесообразно брать отношение толщины слоя
орrапическпх включений к общеЙ толщипе заторфованноrо слоя
l'pYHTa, которое леrко определяется при rеолоrических пзысканиях.
Такое выражение заторфованности J ор IIIO;I,eT быть назвапо объем
НЬНI так как велпчина J ор будет равна отношеппю объема торфа к
объеllIУ Bcero заторфованноrо rрупта.
JIабораторные методы определения заторфовапности HeДOCTa
точно точны: при вьшшrании растптельных остатков затруднен учет
зольности, а отделение rумуспровапноЙ части от мпиеральноrо rpYH
та не всеrда ВОЗl\IO;IШО. В связи С этим на основе анализа онределе
ниЙ заторфованности нами сделана попытка разработать расчетныЙ
способ ее пахоащения по плотности частиц заторфованноrо rpYHTa
PJ' которая представляет собой сумму плотностей частиц мпнера.lJЬ
ноЙ (Рт) И орrанпческой (Рр) составлнющей, взятых в соотношешш,
зависящем от заторфованности J от.
В том случае, коrда J от выражается как отношенпе массы TOp
фа к массе Bcero rpYHTa в сухом состоянии, значенпе илотпости час
тиц заторфованноrо rpYHTa в зависимости от J от'Рт и РР как CYMlIIap
:ная величина плотностеЙ частиц компонентов будет иметь вид:
PJ == Рт(1 JompJ/pp) + JomPPPJ/Pp' (2.1)
Из (2.1) леrко получить значение J от:
J от == Рр(Рт PJ)/pApт рр). (2.2)
21
Если за исходный параl\lетр принять объеlllНУЮ заторфованность
J О(Н то зависимость ПЛОТНОСТИ частиц заторфованноrо rpYHTa PJ от
плотностей частиц торфа Рр, l\Iинеральноrо кшшонента Рт И затор
фованности выразится в виде
PJ == (1 .Т орРт + J ор)Рр,
(2.3)
откуда
J op == (Рт PJ)/pm Рр).
(2.4)
KaK известно, в инжеперньп: расчетах П.ТIОТНОСТЬ частиц каж
дой rенетическо:П разновидиости rpYHTa можно считать веЛИЧIlНОЙ
постоянной и равноЙ для песка 2,65, rлипы 2,74, супесей п
суrлинков 2,7 [Ушкалов, 1962], торфов 1,5 r/cl\l;l. Подставив
эти значения плотности частпц lIIинеральноrо компuнента rpYHTa п
торфа в (2.2) и (2.4), получим уравнение ДШI расчета J om и .Т ор:
J om == A/pJ В, (2.5)
J ор == с DpJ, (2.6)
rде А, В, С, D коэффицпенты, зависящие от ВНДа заторфованноrо
rpYHTa (соответственно равны: для заторфованноrо песчаноrо rpYHTa
3,.1.6; 1,3; 2,3; 0,86; для заторфованноrо rЛИНIIСТorо rpYHTa 3,26;
1,19; 2,2; 0,8).
Счптаем целесообразным при переСllIотре нормативных докрIен
тов в качестве характерпстики заторфовапности принять велпчину
J om, которая Сllязана со степенью заторфованности q соотношеНИЮI
J om == 2,3q(PJ 1,5)pJ' (2.7)
Уравнение (2.7) получено из условия определения J om и q с подста
НОВRОЙ значенпй плотностп частпц торфа и IIIпнеральных rpYHToB.
2.3. РАВНОВЕСНАЯ ТЕМПЕРАТУРА
ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЛАrи
Как изврстно, ТСllIш'ратура начала за н'рзания rpYHTo
вой влаrп 811.з является теllIпературой, при которой начинается
упрочнепие rpYHTa за счет цементаЦШI льдом ero частпц. Значение
811'3 иrрает большую роль прп теплофизических расчетах :мерзлых
rрунтовых оенований, а также прп оценке их несущей способн()сти.
Однако опытных данных о величине 8 н . з для торфяных rpYHToB Becь
l\Ш lIIало, не выявлено ВЛIIЯние основпых факторов, определяющих
8 н ,з. С целью восполненпя этоrо пробела нами проведен ряд экспе
риментальных исследований, результаты которых приводятся ниже.
Уже было указано, что значптельное колпчество воды в торфе
находится в своБОДНОIlI состоянип, т. е. не связано с частпцюш
элеКТРOl\lОлеКУЛЯРНЫIlIИ сплами. Основными фактораllIИ, ВЛИЯЮЩИМII
на теllIпературу начала заllIерзанпя TaKoro вида влаrи, является
содержание солей, кпслот и щелочей в rpYHToBo:\I растворе.
22
Анализ литературных дапных [Пичуrпн, 1967] позволяет выя
вить, что солевая, кислотная и щелочная концентрация rpYHToBoro
раствора в торфе зависит от ero ТИПа. Низинный тип содерiЕИТ co
лей от 200 мr/л до 1 r/л. Реакция среды в нем нейтральная плп сла
БОЮIслая, редко слабощелочная (рН == 5,5 7). Переходный тпп,
Ш\Iея более ослабленное lIIинеральное питание, содержит солей в
растворе в пределах 70 180 IIIriл, реаКЦИЯ раствора слабокислая
(рН == 4,5 5,5). Верховой тин торфов образуется из растительных
rруппировок, наПllIенее требовательных к минеральному питанию.
Концентрацпя солей в rpYHToBOM растворе находится в пределах
40 70 Ir/л, реаКЦИЯ среды кислая (рН == 3). В rРУНТОВЩI растворе
торфов преобладают соли кальция, lIIаrния и rидрокарбонаты. Co
став этих солей тесно связан с ТИПО I торфонакопленпя. Среднее co
дер;.r,апие иона кальция возрастает с 8 lIIr/ л в верховых OTдoa,e
нпях, до 70 lIIr/ л в пизпнных. Ион lIIаrния п rпдрокароонатный
дают соответственно ряды от 4 до 13 и от 35 до 300 мr:л.
Установлено [Коновалов и др., 1975] существование общей
для растворов любоrо состава завпсш\IОСТП относительных те)шера
тур Rюreрзания 8 н . з /8 э от относительной копцентрацип раствора
Р/Рэ (8 э И рэ соответствепно температура и концентрацпя эвтек
тики). Выявлено така;:е, что влиянпе всех раствореппых содей про
является аДДIlТПВНО.
Если принять, ЧТО в торфе находптся только соль CaCI 2 , Iнreю
щая напболее нпзкуIO температуру эвтектпческой смеСIl (G э ==
== 55ИС), и следовательно, наllболее пз всех ВОЗlllОiБНЫХ солей по
ПИiБающая тюшературу начала замерзанпя rруитовurо раствора,
то ДЮ-I>е при J\lаКСИ ШЛЬНUЙ ддя торфа концептраЦПIl ("1 l'/Л) расчет
ное зпачение 8][.з TaKoro раствора составляет Bcero 0,1 "С. С це.ТIЪЮ
экспеРIнreнтальной проверЮI столь незначителыюrо влияния eCTeCT
ReHHoru содержания содей, кислот и щелочей на G н . з торфяных
rpYHTOB НЮШ выполнялись следующие опыты. Слаборазло;.rш:вшпйся
верховоп торф УR. адывался в ВОРОНКУ с пеРфОРllроваНИЪНI диом и
ПРЩIыва:rся ДИСТПJI.1ПIрованной водой до тех пuр, пока она не CTe
в:ала совсе}! осветленной. ПРЩIЫТЫЙ таКИJ\l обраЗо:\l и высушенный
до воздушно сухоrо СОСТОШПIЯ rpYHT разделялся на пять частеЙ
(таб:l. 2.2). Влаашость всех частеi'I задавалась одинаковой правпой
в r;:ределах 660 700%. Затем в холодильной камере прп тюшерату
ре 8 C с по ющью Tep lOlIIeTpa БеЮ\Iана определялась те:\шература
пачала замерзания rруптовой влаrи по методпке, пред.'IОiБеппuй
А. П. Боа,еповой [1954]. Анализ опытных данных (C)I. табл. 2.2)
показывает, что кпслоты, щелочи и солп даiБе в маКСIВШЛЬПЫХ KO
личествах, характерных для естественной концентраЦПlI rpYHTOBoro
раствора в торфе, незначительно ПОНШЕaIОТ температуру начала за
мерзания rрунтовой влаrи. Их влиянпе на 8 н . з может быть оценено
аддптпвно.
Проведена серия аналоrичных опытов при отаШТПIl B.тJarIl.
Опыты с образцами торфа непарушенной структуры 11 eCTeCTBeH
ной влаЖllОСТП подтверждают эти выводы: значенпе 8 н 3 rрунтовой
Б.'шrп неизменно находилось в предедах 0,17 0,2"C.
f
23
Т а б л п ц а 2.2
Результаты опытов 110 выявлеНI1Ю ВЛIIЯНllЯ солей, КI1СЛОТ I1 щелочей
на 8 н . з I'рунтовой влаrll в торфе (среднее I1З 3 4 кpaTHoro определеНI1Я)
Хараитер УВ:Iaжнения образцов
w
8 н 3' ос
Рис. 2.1. Схеll1а взаШlОдеii
ствия воды с частицаll1И торфа.
1 связанная вода, 2 свобод
ная.
ДПСТПЛЛllрованная вода
Раствор кпслоты H 2 S0 4 (рН 3,03)
Раствор щелочп NaOH (рН 8,36)
Раствор солп CaCl (концентрацпя 1 I'/л)
СЛОЖНЫIl раствор, содержаЩПII кпслоту (рН 3),
щелочь NaOH (рН 8), соль CaC1 2 (ионцетра
цпя 1 I'/л)
внутриклеточноrо пространства, часть этой влаrп не попадает в
поле электромолекулярноrо ПРПТЮБения II под действием спл
тяжеСТII заполняет нижнюю часть поры, оставаясь в своБОДНО 1
состоянии (рис. 2,1). Такой мехаНIIЗМ взаимодействия ВОДЫ с частица
ми торфа позволяет объяснить высокие температуры начала замер
зания ПрIl малых влажностях. Отмеченное незначительное понпже
ние Е>н.з в торфе при У)Ieньшени:и влажности, очевидно, вызаноo
увеличением концентрацИИ поровоrо раствора, которое наблюдается
при У IeньшеНИII влажности, так как одпа и та ,"ке масса солей paCT
воряет я в меньшем объеме воды.
Анализ опытных данных позволил вьшвить общую для всех ви
дов торфов завпсимость отношепия н,з при любом значении Ha
чальной влажности W II Е>н.8.п при влаа,ностп, равной полной
влаrоеМКОСТll w п , от степепп влажности ИТ/W п (рис. 2.2). H aK
1\lOЖПО видеть, в данном случае зависимость между влажностью
и теll1пературой пачала замерзания отобраihается единой обобщен
ной прямой, если раССll1атривать не абсолютные, а относительпые
lНачения этих величин w/w п 8 н .зtЕ>н.з.п, Уравнеппе этой пря
мой имеет вид
6,6
7,0
6,7
6,9
o 10
0'12
O'H
0:15
7,0
0,32
Выполнены TaKihe исследования по выявленпю nлияпия па Е>н. 3
электромолекулярных спл взаимодействия lI1ежду частицамп торфа
и ВОДОЙ. С этой целью определялась Е>н.з для одних И тех же образ
цов, но имеющих различную влажность. Промытый дистпллнрован
ной водой торф увлажнялся также дистпллированной водой до влаж
ности, равной полной влаrоемкости. После определенпя 8 н ,з обра
зец высушивался до заданной влажности при кщrнатной те шера
туре, и опыт повторялся. Полученные данные (табл. 2.3) показывают,
что уменьшение влажности до значений, при :которых, :Каза
лось бы, вся влаrа ДОЛfRна находиться в связанном состоянии, не
приводи:т к значительному ПОНИihению Е>н.з. Это, ПО ВПДIПIЩ1У,
обусловлено структурной особепностью торфа как rpYHTa, coдep
жащеrо растптельные остатки, в которых сохраняются ненарушен
ные клетки, что является причиной высокой пористости. Величина
коэффициента порпстости для торфа на порядок выше, че"l, напри
мер, для rлинистых rpYHTOB. Увеличение пористости в торфе по
сравненпю с минераЛЬНЫIl1И rрунтамп связано с увеличение"l не KO
личества пор, а rлаВНЫ1\1 обраЗОIl1 их размеров. Так, по данным
Л. С. Амаряна [НЮ9], поры внутриклеточных полостей в торфо
составляют более 0,01 1111\1, а размеры пор в rлинпстых rpYHTax не
преВЬПIIают 0.005 мм [Лысенко, 1972].
Клетки обладают способностью всасывать воду под действием
осмотических сил [Рубин, L976]. Блаrодаря большому объе;\IУ
т а б л п ц а 2.3
Влияние влажности торфа на 8 н . з
O . . c====. e =
1 1 .::: 1 2
Е>н,з.п/Е>н.з 0,8W/W п + 0,2.
(2.8)
в результате обобщения опытных данпых получены следующие
средние значения 8 н . з . п : верховой слаборазлоашвшпйся торф
0,05, среднеразложившийся 0,07, сильпораЗЛОihИВШИЙСЯ 0,10;
низипнЫЙ слаборазложившийся 0,12, среднераЗЛОЖIIВШИЙСЯ
0,15, сильноразложившпйся 0,20. Используя уравнение (2.8),
8 н .з.п /В н . з ,
0,9
y
8 н . з , 'с
0,7
Ха рантеРИСТJ]на образцов
0,5
Слабпразложпвшпi.iся BepxoBoi.i торф
(Уll1еньшенпе влажности ДОСТПl'алось высyumва
нпем)
Среднеразложпвшпiicя верховой торф
То же, давление 0,3 МПа
ТО ЖР, давленпе 0,6 МПа
24
7,30
5,90
3,27
1,64
3,5
1,72
0,90
014
0'16
0'25
0'35
0'13
0'20
0:40
. 1
JlJ.2
03
0,10 0,2. 0,4 0,6 0,8 Wc/W n
./
Рис. 2.2. 3ависп IОСТЬ отношеНIIЯ теll1пера
туры начала ЗЮlерзания rрунтовой влаrll
в торфе прп влаЖНОСТII, равноll ПОЛНОIl
влаrоеll1КОСТИ 8 н . з . п , к теыпературе начала
заll1ерзаНIIЯ Прll люБОIl1 значеНIШ началь
ноп влаЖНОСТII 8 н . з от степени влажности
WС/W П '
1 по наШlIЫ данныы; 2 по данным Р. и, raB
рильева 1I С. В. Е;;шсеева [1970]; 3 по данньш
А. В. Rонюхова [1975].
25
а
8, "с
f"
2 I i
0,1, \ \ 20 (.0 80 80' /00 120 t мин
о,
\ 0\
0.1
0"- о'
0,2
0,3
0,4
0.5
tJ
можно леrко рассчитать 8 н . з для торфа:
8
8 Н.З.п
Н.3 О 8W j W + о 2'
, Сп'
(2.9)
КаК видно пз rрафиков, велпчпна заторфованностп сама по себе не
МО;.Бет быть принята в качестве исходноrо параметра при оценке
величины 8 н . з . Еслп взять за основу описанную выше схеlllУ взаи
модействия воды с частицами торфа, то наличие растительных
остатков прп lIIалых влажностях дол;.-r,но уменъшить влпяние элект
РОlllолекулярных сил на 8 н . 3'
К факторам, ВЛИЯIOщим на температуру начала заlllерзания
rрунтовой влаrи, следует отнестп также внешнее давлепие. Оцепка
такосо влпяния для торфа представляет практический интерес, так
как торфяные слои при инженерной подrотовке зачастую уплот
lIЯIOТСН и затеlll ПрОlllерзают в уплотненном СОСТОЯНIIII. Зависимость
8 н . з от давления практически не псследована. Очевидно, косвенно
ее 11lOrKHO оценпть, Ilспользовав юширическое уравнение БрИДЖlllе
на Таllшана для теlllпературы таяшlЯ ЛЬДа [Цытовпч, 1973],
p == 0,1 + 12,7181 0,1521(j I, (2.10)
еде р давленпе, J\IПа; 181 абсолютпое значенпе величины отри
цате.т-IЬПОЙ теll1пературы. Расчет по прпведепной формуле показы
вает, что при р == 0,22 МПа 8 н . з == O,01 с; при р == 1,37 МПа
611.з == O,1 C. ТаКИIII образом, приращение давления на 1,15 МПа
хотя 11 понижает температуру пачала замерзания воды на порядок,
но это поншкение не превышает точпости заиера температуры при
пи;.-r,енерных изысканиях.
Полученные расчеТОIII данные подтвера,дены экспериментально.
Образцы заторфованной супеси ненарушепной структуры отбира
.тшсь с ПОIIIОЩЬЮ колец, затеlll перепосплпсь в ЦШIlIНДР «(l == 105 MIII,
/! == 5U 111111) специально скопструированпоrо прибора. ДНОIII прибора
слуашла металлическая пластипа. В стенке ЦИШШдра преДУСlllатри
валось отверствпе для терlllОlllетра, отделанное резпновой обоймой.
ПРИ IeНШIIIСЬ ртутные лабораторные теРМОlllетры с ценой деления
0,1 0 С, установленные rоризонтальпо. Параллельно испытьшались
два образца близнеца. Один без наrрузкп. друrой под давле
нием 0,5 J\IПа. Для передачп давления использовался штаlllП с
перфорироваННЫi\l дном, заrруашеll1ЫЙ через рычаашую систему. У CTa
нов ка тер 1тштра осуществлялась после ПРИЛОffiенпя давлешlЯ.
Замеры температуры производилпсь в Дllапазоне от +3 до зос, при
чем при устаповлении в образце тюшературы бшl3КОЙ к оос показа
ния СШIIIIШIИСЬ через каждую минуту. Физические свойства IIСПЫ
тапных образцов следующпе:
20 1,.0 БО 80 100 120 11,0 t,АШН
/
1,.
0,2
0.3
0,"
0,5
Рис. 2.3. ИЗ)lенение ТЮIПературы заторфованных I'ЛI1НI1СТЫХ I'pYH
тов (а J от 0,2; б J от 0,4) в процессе ПрОl\1ерзания.
Температура онружающеЙ среды: 1 е 5,80C; 2 е 6,40C, 3
е 80C; 4 е 9,80C, '
Эксперпиентально выявлялось влияние зато рф овапностр на 8
" н.э'
В качестве ПрIНlера раССll10ТрПМ полученные результаты для затор
фованноrо rлпнпстоrо срунта (рис. 2.3). Физическпе свойства образ
цов следующпе:
Jom 0,2
Ро, r/C)1 3 1,64
Pd' 1'1c 13 1,14
р, I'/СМ3 2,34
W c 0,42
W П 0,46
Jom O,4
1,52
0,97
2,03
0,56
0,54
Ро, I'lcы 3
Pd' I'/С)I З
р, r-lcl\1 3
W c
8 н . з , ос
Наrруз}{а Р, МПа
0,0 0,5
1,17 1,49
0,66 1,07
2,04 2,04
77,90 38,48
:!::О,О :!::О,О
Как видно из опытных данных, ЗЮIeрзание срунтов под давленпем
не прпводит к заметноиу понижениlO 8 н . з .
26
27
8,Ос
0,2
"'1
Рис. 2.4. ИЗ)lеШШllе теl\!пера
туры в процессе промерзания
и оттаиванпя заторфованных
I'ЛI1НI1СТЫХ I'рунтов.
1 J om 0,2; 2 J om 0,4,
0,4
Следует ОТ Iетить, что
уравнепие Б РПДЖllIена
160 t,MuH Та П\Iaна справедливо для
случая, Коrда давление
передается непосредственно на воду, что I\lОжет быть достпrнуто
лишь при заl\lерзаНИIl воды в жестком закрытом сосуде, в который
сверху входит заrрузочный штамп.
В естественных условиях при уплотнении rpYHToB происходит
ОТТIштие влаrи, в процессе KOToporo поровое давление стрюштся
к нолю. Поэтому прпrрузка, которая не отжимает всю свободную
воду, существенноrо влиянпя на 8 н . з не оказывает, но за счет OTa,a
тпя влаrи период промерзания rpYHTa сокращается, поскольку об
щее влаrосодерашпие уменьшается и, следовате.тIЬНО, Сокращаются
затраты тепла на фазовые переходы.
Таким обраЗО I, проrпоз скорости промерзания lОжет быть
выполнен только с учеТО I динампки ИЗ Iененпя влаа,ности и объем
ной массы скелета rpYHTa при уплотненин. Пониа;енпе температуры
охлажденпя ПРИВОДJlТ к сокращепIПО периода кристаллизацпп, но
8".з практически не мепяется.
Прп оттаиванип свободной влаrи така,е существует перпод Bpe
менп, в течение KOToporo температура сохраняется равновесной
(рпс. 2.4). Эту температуру 1О;ШIO характеризовать как COOTBeTCT
вующую концу оттапвания (8 н ,о). Значенпе 8и.о практпчески COB
падает с 8 н . з . Такой выход соrласуется с данньпш ИССJlедований
А. А. Коновалова [1975], установившеrо независимость вла;hНОСТИ
за счет незамерзшей воды от направленпя тепловоrо процесса. Отсю
Да следует, что значения обеих равповесных температур фазовых
превращепий 8 н ,з и 8".0 для ка;r,доrо образца rpYHTa дошкны быть
ОДIIнаКОВЬПIIII.
ТаЮII\I обраЗО I. особенности клеточноrо строеюш торфяных
частиц, обусловливающие наличие свободной воды ДЮhе прп влаж
ности меньшеЙ полной влаrоемкости, весь ш незначптельная КОП
центрация солей, ЮIСЛОТ и щелочей в поровом растворе приводят к
тоыу, что в п . з в торфе близка к оос ( 0,1---:--- 0,20C). Так как 8 н . з
песчаных rpYHTOB так;ке близка к оос, то наличие в них раститель
ных остатков не прпведет к существеПНЩlУ изменению 8 н . з .
В rлинистых rpYHTax заторфованность. увеличпвая общую вла
rоюIКОСТЬ, способствует У IeНЫJIeНИЮ ВЛIшнпя электрщюлекулярных
сп.'I взюпюдеЙСТВIIЯ меа;ду l'рУНТОВОЙ влаrой, частицаМII rpYHTa II
1I0Паl\lII элементов. растворенных в rрунтовой воде. Поэтому coдep
а;ание торфяных частпц в rлпнистых и .'Iюбых засоленных rpYHTax
приведет к повышению температуры начала замерзанпя rрунтовоп
влаrи.
0,6
О
80
40
120
28
2.4. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПРОМЕРЗАЮЩIIХ
II ОТТАПВАЮЩИХ ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
2.4.1. ВЛIIЯШIC циклов
ИрОl\lерзанил оттаивания на влаrос пюсть
«
Поскольку торфяные rрунты залеrают часто в преде
лах слоЯ сезонноrо оттапваНIIЯ промерзания, представляет инте
рес выявить влияние этих процессов на водоудер;юшающую сПособ
ность. С этой целью нюш были выполнены опыты по определенпю
влаrоеJlJКОСТИ торфа после несколькпх цпклов промерзаНIIЯ OT
тапваннЯ.
ВерХОВОЙ осоково rппновый торф со степенью разлоа,енпя 10'3-0
(r. Нерюпrри, Юа;ная Янутпя) в ВОЗДУIЛНО СУХОI\I состояНIШ про
сеlIвалсЯ через сито ((l == 2 мм), замачивался водой, выдеРЖIlвался
48 '1, зате 1 укладывался в 10 емкостей ((l == 80 МI\I) С нерфорпрован
ным дном, ПОКРЫТЬПI фпльтром. Н течение 48 '1 обеспечпвалась воз
южность стока свободной воды. После этоrо в образце 1 определя
лась влажность, образцы 2 10 подверrа.тшсь попеременному про
ыерзаннЮ оттаиванню, при этом образец 2 подверrался 5 ЦIПШaJ\1
ПрОl\lерзаюш оттаивашш, 3 10 циклам и т. Д., образец 10
45 циклаl\I. Посде окончанпя намеченноrо нодичества ЦIIКДОВ про
мерзаЮIЯ оттаивания для ка;пдоrо образца определялась Влаrо
емкость таким а,е обраЗЩI, как ддя образца 1: оттаянный rpYHT за
лпвался водой, ноторая стекала через перфорировапное дно емкостп
в теченне 48 '1, затем отбиралась проба на ВЛЮI,НОСТЬ. Результаты
опытов показали, что вдаrоемкость торфа у.меньшается при YBe.'III
ченпи количества цик.'Iов ПрОl\lерзания
оттапваJIИЯ (рис. 2.5). Это, очевидно, выз
вано разрушением зюIкнутыx нлеток п
капилляРОВ, содерашщпх свободную воду.
WП'Е'
.
26 '.
,
Рис. 2.5. 3аВIIСПЫОСТЬ иолноIr влаrОЮШОСТI1 W п . е
BepXOBOI'O ОСОКОВО I'II ,ПОВ I'О торфа со степенью
разложеНIlЯ п, рапноп 10 %, от КОЛlIчества ЦИК
ЛОВ про\юрзания оттапвания п.
2,3
2,0
О
20
2.4.2. Фа30Быii состав в:шrIl
1
Безусловно, самые существенные ИЗ Iененпя водных
своЙств торфяных rpYHTOH при промерзаипп оттаиванпи связаны
с фазовыМИ превращешIЯ Ш влаrп и определяеЫЬВI IВШ количествен
НЬПI содержаНПЮI льда и неЗЮIeрзшей воды.
Для минеральпых rруитов этот вопрос исследован довольно
подробно. Получены зависпмостп вла;IШОСТП за счет неза Iерзшей BO
дЫ W H 01' OCHoBHoro определяющеrо фактора температуры. ВЛII я
нпе начальноrо влаrосодерFIШПИЯ минеральных rруптов на W H He
значителЬНО, но все же ОТ Ieчается рядOJЧ зарубежных авторов (см.
29
WIj,%
\1
Рис. 2,6. ,.3ависи юсть влюкности за счет He
замерзшеll ВОДЫ W H от температуры для Bep
XOBOI'O сл боразложпвшеl'ОСЯ торфа при раз
личноп начальноii влажности W
с'
1 И'с 50%, он 3 0 . 40' 2 w: 50 0/
е . . , с /0,
Н,3 0.34. :3 "fV c 400%; он 3 o 14'
4 "fY c 700%; 0 н . з 0.12. "
[Вялов И др., 1969]). IIссдедоваШIЯl\IП
советскпх авторов подчерюшается, что
в rлинпстых rруитах это влпяние Haxo
2 Дится в пределах точности каЛОРИl\Iет
. рическпх опытов, в Связи с ЧЮf пра "
4 8 12 8 ОС . л.
, тически не учитывается [Нерсесова
1954; Вотяков, 1975]. Таким образом'
на rрафике зависшюсти W II == j8 каждое значение отрпцательной TeM
пературы 8 ; ляется температурой начала зююрзания rрунтовой
влаrи при влаrКНОС}И rpYHTa W i . Используя указанную зависпмость
ряд исследователеи предложпли определять W H по теl\шерату е Ha
чала замерзания, зафпксированной при различных значения лаж
IЮСТИ rpYHTa [Иванов и др., 1966: Коновалов, Науыова, [976].
Для торфа, по данным И. И. Лиштвана r П Ер
П Н Д [ 9 ' . . овки
. .' авидовскоrо 1 79], «исходное влаrосодержанпе практичеСКI
не оказывает ВЛИЯНпя на количестпо иезамерзшей воды». Однако
исс едоваНИ l\Ш Р. И. rаврильева, С. В. Елисеева [1970], А. В. Ko
пюхова [197;)], а также нашими опытюIИ показано, что пнвариант
ность !V H по отношению к начальному влаrосодержанию не соблю
даетс!. с у еньшеНIIем: влаа,ности количество неЗЮIeрзшей воды прп
однои И тои же температуре уменьшается.
Мы провели калорпметрическпе исиытания на образцах Bepxo
Boro слаборазложившеrося торфа (рис. 2.6). МаКСП Iaльная влаж
ность достиrалась водонасыщенпем I'PYHTOB в течеппе 48 ч. Затем
после оп еделения TV н для Bcero диапазона тюшератур образцы в
откры ыIx бюксах высушивались до заданной влюыюстп при KOM
патнои теl\Iпературе. Для равномерпоrо распредедешIЯ влаrп после
ВЫсушивания rpYHTa бюксы rерметично закрываШIСЬ п выдержива
лпсь в течение 10 ч в СУШПЛЬНО 1 шкафу при температуре 1 100 0 С
TeM двое суток при КОl\шатной температуре, после этоrо ';aMopa
живались. Опыты выполнены с 2 1I 3 кратной повторяемостью. Для
этих а,е образцов определена температура начала заl\Iерзания rpYH
товои влаrи. Физические свойства образцов следvющие (р ==
== 1,56 r/cM 3 ): .
4
100
о
Ро, r/см З
И'
с
8 н . з , се
0,35 0,5() 0,40
0,56 1,0 o 34
0,98 4,0 0'14
1,07 7,0 0:12
Объяснение полученным езультатам, ПО ВИДIIl\ЮМУ, следует
искать В особенностях взаИl\Iодеиствпя влаrи с чаСТIIцаl\Ш торфа как
30
,
r
..
..)
'.
!)
ji
1\
I
1
пороцы орrаническоrо происхождения. В указанных выше работах
испытываеl\lьre образцы торфа дисперrировались в шнековом Mexa
низме, что приводило к разрушению клеточноrо строения. Очевид
но, прп увлажнении размельченноrо торфа вода в свободном состоя
нии не содержится до тех пор, пока не образуется l\IaКСИIlIaЛЬНО воз
1I10жное количество связанной воды, и до тех пор, пока ВЛaiЕНОСТЬ
меньше IIIaКСИ IaЛЬНО ВОЗl\1Ожноrо Rоличества прочно связанной BO
дЫ, вся влаrа при отрицательной температуре остается незамерзшей.
В испытанных нами образцах клеточное строение торфа сохранялось.
Как было показано нами выше, блаrодаря большому объему внутри
клеточноrо пространства только часть влаrи, попавшей внутрь поры
под действиеl\1 сил всасывания, элеКТРООСl\ютических сил и друrих
механизмов передвижения, попадает в поле электромолеку,тшрноrо
притяжения обод очки поры. Некоторое же количество воды OCTaeT
ся n свободном состоянии даа,е при незначительном увдаа,ненип.
Связываются только слои воды, непосредственно соприкасаЮЩl1еся
с оболочкой. По мере увеличения влажности увеличивается и CTe
пень заполнения пор водой, а следовательно, увеличивается и пло
щадь Слоя воды, С Iaчивающеrо оболочку, т. е. связанноrо с.лоя BO
дЫ. Это, В свою очередь, увелпчивает W H при прочих равных
условиях.
ТаКИllI обраЗЩl, в торфе, сохраНИВШЮl клеточное строение,
увлаа,нение приводит к одновременному образованпю как свобод
ной, так и связанной воды вплоть до полноrо заполнения пор и до
Toro IIЮIlIeнта, пока вся поверхность частиц не покроется слое)1 свя
занпой влаrи. Следовательно, начальное влаrосодержание будет
влиять на W H от начала увла;.l,нения до полноrо заполнения
пор ВОДОП.
Влияпие степени раЗЛОfI,ения на величину W H обусловлено
ИЗIlIeнениеl\1 удельной поверхности. Как известно, увеличение CTe
пени раЗЛОfI,ения характеризуется дроблеНllем торфяноrо субстрата,
что связано с разрушением «внутренппх», т. е. замкнутых пор, Это
приводпт К увеШlченпю площади удедьной поверхности частиц (80)'
'f':ш. ПО данньш Н. С. Костюка [1967], с увеличеНИЮl степени разло
..!шия от 5 до 50 % удельная поверхность BepxoBoro торфа ПЗl\Ie
nяется соответственно от 15 до 50 Tы.. CM /r. Данные А. В. Н онro
хова [HJ75] по определению W H в торфе ненарушеппоrо СЛОiI,ения
различной степенп разлоа,ения показываroт, что при ПОНПfI,енип
те шературы ниже температуры интенсивных фазовых переходов
влаrи ( 60C) торфу с меньшей степенью раЗЛО;I,ения (т. е. с MeHЬ
шей удельной поверхностью) соответствует п меньшее значение W H .
Практический интерес представляет обобщение данных, Bыpa
ЖаIOЩИХ зависимость W H от начальной влатНОСТИ, степеии разло
жения и тюшературы, которое ПОЗВОЛIlЛО бы получить расчетпый
способ нахождения W H . Аналпз опытных данных (как наших, так 11
друr:их исследователей) показывает, что заВПСИl\IОСТЬ fV H == 1(8),
полученная для торфов одннаковоrо ботаническоrо состава с раз
личной начальноЙ влажностью и для торфов различной степени раз
ложения с влаа,ностыо, БЛIlЗКОЙ к полной влаrоеl\IКОСТИ, lIIожет быть
31
vн,wп/иlс
8
- 1
о 2
..& 3
Рис. 2.7. 3аВИСlIМОСТЬ отноше
ния W н' W пl w с от отношеНIIЯ
8.8 н .з.п /8 н.з,
ТорФ: 1 среднера3ЛОЖИВШlIltСfl
. ССОТОПflНОЙ (по данным автора);
2 СИ:IьнораЗЛОН\lШШИЙСЯ (по
данным А. в. :Нонюхова [1975]);
3 СJабора3ЛОЖlIВШlIltСfl (по
данным Р. И. rаВРllльева И
С. в. ЕЛИСl'сва [1970]).
2
6 В'В н . зл fе н . з .
о
2.
4
отображена единой кривой (рис. 2.7), еСЛll эту заВПСШ\IUСТЬ пред
ставить в обобщенной фор ш:
W H . Wп/W с == 1(8.8н.з.п/8н.з}, (2.11)
rде W H вла;.ь:ность за счет незамерзшей воды прп температуре е;
W П полная влаrоеllIКОСТЬ; W c начальная суммарпая ВЛЮЮIOсть
образца; 8 н . з . п теllIпература начала замерзания rрунтовой влаrп
при вла;.ююсти, равной полной влаrОЮIКОСТИ; 8 11 ,з температура
начала замерзания rрунтовой влаrи при начальной вла;.ь:ности
rpYHTa W c .
Так как W п находится в корреляционноЙ связп со степенью раз
ЛО;-Бения и следовательпо, с дисперсноетыо, то мноа;:нтелъ W п/Wс
учптывает влпяние на ТУн этих своЙств JI началъпой влаЖПОСТIJ.
Отношение 8н.з.п/ н,з оБУСЛОВЛIшает зюшеИll[оеть раВlювеСПОI'О co
СТОЯНПя влаrи от температуры.
СравнеНllе полученной нами завпсшюстп (C1>I. рис. 2.7) с опыт
ньпIИ данными друrих авторов затрудпено в связи с тем, что во BCTpe
ченных пами работах отсутетвует полный кщшлекс входящих в нее
параметров, определенных ;,шепеРII:\шптально.
Так, в работе А. В. Конюхова [1975] не приводятся значення
Е>н,з, а в работе Р. П. rаврильева, С. В. Елпсеева [НПО] отсутствует
велпчина полной влаrОЮIRОСТИ. Но еслп прппять наиболее вероят
пые значения 81/,з И W П для испытапных образцов, то заВИСИIlIОСТЬ
W H . Wп/W с е .8 н . з ,rJ8 н . э , по данным указапных авторов, таЮI;:е
справедлива (C:\I. рие. 2.7).
Справедливоеть этоЙ зависимости для торфа оrраничиваетея
пределаllIП КОЭффIП иента водонасыщения T/Vc/W II от О дО O, . При
большем значении Wc/W п количество связанной воды в торфе
остаетея практпчееки постоянным, еилЫ ее связп с частицами торфа
ОДRП и те ;.ь:е, поэтому W H перестает зависеть от начальноЙ влаа;:
ности, и для КЮБдоrо впда торфяноrо rpYHTa функцIПО W H == 1(8}
IIЮШНО выразпть одной кривой, предетавпв ее уравпенпе в впде
[Коновалов, Роыан, Н)73]
тvн пf1.r I81, (2.12)
rде П параметр, средняя величина которorо для торфа равна
1,6, для песчаных заторфованных rpYHToB 1,67 'Т от O,1, дЛЯ
r.'lИНИСТЫХ заторфованных rpYHTOB 1,6 J()II1; \8\ абсолютное
32
:шаЧСllпе те1>шературы (8 н . з < 8 < 200C). 3пачешю J;VI/, вычпс
JlClllloe по фОр:\IУJIе (2.1 ), отличаетея от определенноrо каJIОрИllIетри
ЧССRIШ епосоБЩI не более, чеllI на 15% (e:\I. рис. 2.7).
Пес:\ютря па простоту вырют,еНIIЯ (2.12), оно не совсеы удобно
П Ш1 штределения W H , так как для каiКДОЙ разповидности торфяпых
I'PYIITOB неоБХОДИIlIО находитъ парЮIетр Т/. В связп е ЭТИIlI на!llИ пред
11 РllIIята попытка получпть общее выра;-т;:епие связТ1 содер;.ь:аппя
IIР;IЮlерзшей воды II тюшературы независимо от вида rрупта.
Бо.-reе полное обобщение (союreщеппе) кривых незамерЗllIей BO
ПЫ П:lfI всех ВIIДОВ торфяных rpYHToB основано на сокращении Чllела
III'I'('МРIIIIЫХ Jl диапазопа их И3l1ШIIШПIЯ путем объединения в безраз
MI'I'III,II' Iншп,тrексные велпчины. Аналоrичное обобщение было BЫ
1111.11111'110 ll. В. БоЙко [1972], примеНIIВШИМ к ПО ров ому rРУИТОВО:\1У
раСТII()РУ количественные закономерности, установленные в ХТНIИ
'"'СJЮII теРllIОДТПТЮ1ике для ИСТIшных растворов. Прн ЭТШI в качест
11(' относительной влаа;:НОСТII (KOH
I ШlТрации) он иринял отношение
макеIПIaЛЬНОЙ молекулярной влаrо
I'мкоетн к влажности за счет неза
мерзшей воды, в качестве отноеп
тельной температуры отношенпе
текущей те:\шературы к теllIпературе
l'PYHTa <Ш rрадусах стопроцентпоЙ
IlIка.'IЫ прп влаrосодеР;-l,апии, OTBe
чаlOще I половине полноЙ lIIолекуляр
ной влаrоеIlIКОСТШ).
Некоторое неудобство практичес
lюrо использования раССllIотренпой
методики вызвано трудностью OIIpe
Дt'леlI1IЯ велпчипы ПОJlНОЙ lIIолеку
,П!lРIIОЙ влаrоемкости и температуры
11:I'I<I:la :Jамерзанпя rpYHTa, ИlI1еюще
1'0 II,'''''''IIOСТЬ, равную половине "IO
JII'I\Y:I!I рlIОЙ BJIaroe:\IKOCTlI.
,\IIШI1l3 кривых W H == 1(8} дЛЯ
TOI"IIIIIII,I\. J[ минеральных rpYHToB
1101\a,II.II(a('T (рпс. 2. ), что при обоб
Щ('IIIIII I r" == 1(8} влаiКНОСТЪ за счет
1II':I:lШ'Р:IIIIРii: воды удобно вырют,ать
11 )(0:111 \:: от полной в.паrОР"IКОСТИ
(11,,/11',,), l{()ТОрОЙ на кривой ТУн ==
... J(H) СООТ\I{'ТСТl3ует lIIаКСIПIaльпая
/'//1'. 2.8. :I,\III[('IIMUCTIJ влаЖНОСТII за счет
1\I':IaM"I':lllll'ii 1101\1,[ от температуры в пес
чаllЫ\: (11) I! I'JlIIIIIIСТЫХ ;Jaторфованных (6)
]'I'YIlТiIX, IIМI'IOЩII\: влажность, близкую R
IIUЛlluii ВJIitI'U('МIЮС'Ш. Цифры у КРII
IJЫХ J от'
з Л, Т, 1'О""'1<111
Иi н ,%
-
D
4
W H ,%
80
а
-
-
-..
1,0
0,5
04
...
0,3
o,L
015
..2L...
8
12. . е,Ос
6
о
4
0,2
01
8 12 В,Ос
33
wн/w п . 1
0,9 "2
!I 3
04
"-5
0,5
0,3
0/
. О 2
Рис. :!.П. :1allllcllМoCTb WНIW П О'I' f'
1 длн 'fО}JфНIIJIХ I'PYIII'OIl; 2 Д:IЯ юрснuii 1""'1111101 (111)
данным 3. А. Jrf'p('('I'OIНJI\, 11!)!i'.]); 3 Д';]ЯПОНI)IIIIIIIII'III'УI'
:IИ.tн\а (пu Tt')I il,f' д.IIIIIIoIМ): 1 д......я суr.Л[НRа (110 H.IIlIIItIM
П. 11. АНДРШ:lIIOВi1. 11 );Hi 1); .'; рас.СЧlIтанная 110 фОРl\1у..II"
( ,7).
т а б л п ц а 2.4
ИзменеНllе фПЗllчеСКIIХ свойств BepXOBOI'U пушпцево сфаl'НОВОI'О торфа прll
уилотнеНIИI
ФпзичеСIПIe своliс.тпа
Давпеы!е, ИПа
О I 0.0251 0,05 \ 0,1 I 0,1 I 0,2
ХараитерИСТlIна
торфа
4
о о
. о
о . . о.
о
6 8 10.
1 серия
Влажность W 6.51 3,52 2,88 2,77 2,50 2,44
D == 10%; Плотность р, r/c)[3 0.Н3 0,94 0,97 L,OO 1,01 1,03
Плотность I'руита в 0;12 0,20 0,25 0,27 0,28 0,30
Р Т == 1,56 l'/сы 3 сухом СОСТОННПI1 Pd'
l'/см 3 4,0
1 О;)ффI1Цl1еНТ порп 12,0 6,80 5,25 4,80 4,58
стостп Е
11 серия
Влажность W 4,01 2.8-1 2.30 2,42 1,88 1,55
Плотность р, 1'1c 13 1,04 1,00 1,05 1,01 1,О6 1,1U
D==32%; Плотность rруита в 0,21 О,26 0,30 0,30 0,38 0,43
Р Т == 1,58 r/cM 3 сухом состоянпп Pd'
r/cl\l3
Iiоэффпцпент ПОРП 6,53 5,08 4,28 4,28 3,16 2,68
стостп Е
· о
16
20
т
температура. Отпосительную температуру rpYHTa выразим в lllще
т == 8/811.3' Выбор этой пеЛПЧlIПЫ в Еачестве обобщенной переl\1еНlIОЙ
позволяет совместить начало и копец пшалы изменения ТЮlперату
ры замерзания для всех I'PYHTOBbIX разновидностей (при Т == 1
WH!W II == 1; при T )- 00 Wп/W п == О).
Обобщение указанным способом показал() ero справед.ТШВОСТЬ
пе ТОЛЬЕО дЛЯ Т()РфЯНЫХ, но И для IIпшера,ТIЬНЫХ rpYHToB [Н'опова
лов, Роман, HJ72]. На рис. 2.9 в системе ЕООРДlIнат W,,/W п Т
прпведены полученные наllIИ результаты ЭЕспеРНl\Iснтальпоrо опреде
ления влажности за счет незамерзшей воды длн торфяных rpYHToB,
а таКII;:е для lIIинеральных rруптов, заимствованные И3 литератур
ных ИСТОЧIПIRОВ. Относптельная теllIпература На rрафнке равпаТ ==
==О,1<::J/<::J н ,з. Кривая на рис. 2.9построепа по эмпнрнчеСЕОЙ фОР)Iуле
wнпv п == 1 lп [Т ((0,72Т + 0,53) + 1]. (2.13)
МаКСПllIальный ра:зброс опытных ТОЧeI{ по обе стороны от расчетной
кривой не превышает 15%. ФОРllIула (2.13) прш[ешша при 0.1 <
< т < 100, т. е. праЕтичеСЮI во всеllI диапазоне реально В03111OЖ
ных температур rpYHT()B.
ТаЕ каЕ равновесные теllIпературы фаЗ0ВЫХ переходов влаrн
(ПрОllIерзаниl' или оттаивание) одинаковы, то связь lIIежду YH/ W п
и Т праЕтпчеСКlI lOFI-.:но считать одпозначпой для всех разновид
ностей rpYHToB и независимой от паправленности тепловоrо прот\ес
са. Уравнение (2.13) 1I1O,lШО реКЩlендовать для определеш1Я }IV и в
торфе и заторфованпых rpYHTax прп влаа;ности, близкой к полной
влаrоеllrЕОСТИ.
значпте:IЬПОi'I мере будет зависеть от водоудерживающеi'I способностп
в УП..10тнеПНОIlI состоянпп.
. С целью выявленпн заКОНUllIерностей водоотдачи торфа под
давлепие [ пами испытаны две серии образцов (по 5 обра3I\ОВ в КЮЕ
дой) ПУll1IIцево сфаrновоrо Bep:x:oBoro торфа ненарушепной CTPYKTY
ры (табл. 2.4). rpYHT ПЩIeщался в одщrетры С перфорироваНИЫJ\[
дном н штаllIПЩI и заrруа;ался постоянноi'I наrрузкой. В процессе
уплотпення торф наsодилсн во вла:-tаюй среде. Вода. окру;нающая
образец, после стабилизации осаДIПl удалялась, производилась раз
rpY3Ka. Определялась влажность. Вее физпчееюrе нарЮIeТрЫ ocpeд
нялись П3 двукраТ"70rо Оr:!ределеНIIЯ.
Н'аЕ видно И3 таблицы, осповное количество Шlаrи отжи:иается
при незначитеЛЬНО I давлении. В pe3YJILTaTe уплотнення торфа раз
рушаются rрубодисперсные растительные остатки, что увеШ-Iчивает
удельную поверхпость п У Iеньшает оБЪШl пнутриклеточных по
лостей. Первое приводпт Е росту количества связанной влаrи, BTO
рое Е У IeныпеШIЮ содержания внутрпклеточной воды, которая,
оr.вобо;.t;даясь, ОТЖИllIается. Так как адсорбпруется Bcero неСКОЛЬЕО
мо,пеКУ:IЯРНЫХ слоев воды, а освобождается из полости клеток 3Ha
чительный объем влаrи, общее влаrосодера-;анпе при уплотнении
УllIеньшается.
Результаты выполненпых исследований свидетелъствуют о ТО!\[,
что поскольку неразрушепных зюrкпутых пор в елабора3JIоа-;ившем
ся торфе больше, чеllI в сильнора3ЛOf-Ы-ШIlIеllIСЯ, степепь разруше
нпя пх при уплотнепии таЕже ОЕазалась больше. Поэтому потеря
35
2.1.3. Водоудержпвающая способность торфа
при оттаIlваППIl п УП.'lОТНСIПlIl
Прпrрузка торфа слоеllI lIIинеральноrо rpYHTa при
ппженерноii подrОТОВЕе приводпт Е ero уплотпению и отжатпю вла
rп. Формироваппе ero прочности при последующе I ПрЩlерзаНПИ в
34
3*
впаrосодерашния торфа прп уплотнеппи lIа \:(ЩIIТСЯ в прямой зави
симости от начальнuй влаrоеМЕОСТИ: ОТПОIllСIШС I3JIaiЫIOСТIl уплот
HeHHoro торфа JV р Е начальной полной вла I'ОС IIЮСТН W п.е, ЕаЕ
фУНЕЦИЯ уплотняющеrо давления р, J\lOil,eT быть IIсааВI!СПJ\IО от CTe
пенп разлтБения представлепо одпой ЕРИВОЙ, IlОСТрОСIIIIОП ЕаЕ по
данным рассыотрепных выше наших опытов, таЕ и по даrllI"' 1 дpy
rих исследователей (рис. 2.10). Уравнение этой ЕрIlВОП IШССТ вид
Wр/W п . е == 1 lп (Ар + В)/(р + В), (2.14)
rде р давлеIlие, МПа; А безразмерный ЕОЭффIlцпепт, равный
1,9; В -коэффицпепт, равный О,О23 МПа.
Ta-КIlИ образом, влаа;ность торфа после уплотнеНIlЯ J\lOa,eT быть
определепа в зависп.\IОСТИ от начальпой ВЛaI'оеЫЕОСТП Wп,е П вели
чипы уплотняющеrо даВ.!lеНIlЯ р
01
.2
63
04
-5
0,5
0,3
О
0,05 - 0,10
а 6
W W
01
.2
4 4
3 3
2 2
1 1
Рис. 2.10. Зависимость OTHOIII('lIIlii lI.IIаJIШО
сти уплотненноrо BepXOBOl'U ТОl'фа IV" к
начаЛЫlOii полноii влаl'оеМК()('ТlI 11'" от
УIl.1ЮТllлющеrо давления Р 111'11 ('I'\'IIeHI1
раЗJlQ;'/iеНllЯ п.
1 15 f1 {.: 2 :35%, (наши данныр): :1 25%
(даНIIЫf' По"аrЮШ1'lа, ЧУрat'lJа [19611]); 4 :.!О%;
5 10':" (AallllbIP Амаряна [НЮ\I]).
0,8 J om _
О
0,2
0,6
0,8 J om
о
0,2
0,4
0,6
Рис. 2.11. 3аВИСI1l\10СТИ каИIIЛЛЯРИОЙ W k
и l\10лекулярноii W т влаl'оеМКОСТI1 торфя
ных I'руитов ОТ степеИI1 заторфоваННОСТI1
J om '
а песчаные I'рунты; б 1',1JJIНlICTbIP; 1 метод
nЫСОШIХ нолонн, 2 lJлаrоемних сред.
W n . e
1,2
1,0
0,8
W p == W п . е [1 lп (Ар + В)/ (р + В)].
КаЕ видно из рис. 2.10, эта заВПСИJ\ЮСТЬ является справеД,'IIlВОЙ
для различных видов торфа в ШИрОЕОМ диапазоне изменения степени
раЗЛОп,ения. Обобщенное выраа;еиие ЕРИВОЙ заВlIСИl\IОСТlI н.тшж
IЮСТИ от давления получено блаrодаря тому, что ее построение ocy
ществлялось для ОТИОСIlтельпоrо зпачения J,VрnУп.е, т. е. дЛЯ OTHO
шения n.тraiЫIOСТlI (-которая соответствует полной влаrоеМ-КОСТIl для
ЭТIlХ условий), устанавлпвающейся при определеННО.\1 давдении р
-к начальной полной влаrоем-кости. ПостроеИIlе этоrо rрафПЕа для
аБСОЛlOтноrо значения вдаm:пости W р привело бы Е полученпlO ce
мейства -кривых.
В МIlнеральных rpYIlTax, содержащпх растительные остатки.
влаrоеl\ШОСТЬ пропорцпональна заторфованностн. В целях выявле
IШЯ вида этой зависимости намИ выполнены опыты по определению
связи ыеа;ду полной (Wn,e), Еапнллярной иv H ) И l\ШЕСШ\IaЛl>НОЙ
lIIолеЕУЛЯРПОЙ (Wl\I) влаrОЮIRОСТЯ)Ш и ОШlчеством растите;IЬПЫХ
остаТЕОВ. Полная влаrоюшость W П.е определялась с ПОl\IOЩl>Ю BO
роп-кп Бюхнера. WJ{ определялась методом ВЫСОЮIХ -колопн, а JVl\I
}ШЕ ыeTOДO I выеОЕП.\.. -колонн, та-к 11 lIIеТОДО.\I влаrоемкпх сред
[ЧановеЮIЙ, 1975].
МеТОДOl\I ВЫСОЕПХ ЕОЛОНН J\IO;-ЫIO определить ЕаЕ каШПIЛЯРНУЮ.
таЕ П l\10леЕУJIЯРПУЮ ВЛaI'ОЮIЕОСТЬ по результатаll ОДНОI'О опыта,
но ИСпользовать Этот метод реЕОllIендуется для песчаных rpYHToB.
36
(2.15)
Рис. 2.12. 3аВI1СИ)IОСТЬ иолноЙ влаl'ое)l
KOCTII W ОТ заторфопанности J от'
П.е
r I'линистыii заторlj:О1!анныii rpYHT, П пес
чаныЙ заторфованныЙ I'рунт; 1 ИСRусственно
приrотовленные обра3IlЫ, 2 МОНО, иты, ОТО--
бранные в поЙме р. Лены (r. НИУТСН).
0,1 0,2 0,3 0,4 J oт
J:o, . 1
0_2
rШIНистые rрупты, в силу слабой водопронпцаюlOСТП, ВОЗlllOilтоети
набvханпя требуют СЛИШ-КШI ВЫСОЮIХ колонн И большой ПРОЦО.'Iаш
тел ностп опыта. ПО JТОllIУ для rлппистых rpYHTOB реЕЮIeпдуетсл
лишь метод влаrое1>IRИХ сред, но он позволяет определить ТОЛЬЕО
молеЕУЛЯРНУЮ влаrое1>ШОСТЬ.
Водопропицаемоеть торфа И3 Iепяется в ШllрОЕНХ пре;:J:елах:
-коэффпциент фильтрации достпrает значений, сопоставимых с TaKO
ВЫ!llП ЕаЕ для песчаных, так и для rлиппстых rpYHTOB. В евязи с
этим для определения Wl\l и W H примеиялись нараллельно оба IIIe
тода, что позволнло найти названные харю,теристияи для всех ви
дон торфяных rpYHToB и сравнить значения J,V I rлинистых заторфо
ванных rpYHTOB, полученные по обоим меТОДЮI. Следует отметить,
что метод ВЫСОЕИХ ЕОЛОНН успешно ПрИ IeНЯЛСЯ для исследования
водиых свойств торфа [ВолаРОВlIЧ, Чураев, НЮ0].
в наших опытах образцы {'рунтов rотовидись в лабораторны"\":
условпях. Пспользовадся ЕомплеЕСИЫЙ верховой торф со степе пью
37
раЗ;'JОfI{ШIИЯ 10 15%, среднезерпистый песок и суrЛIПТОIС I'РУIIТЫ в
воздушно сухом состояуIИИ просеивались через сито ДIШJ\lСТрОJ\l 2 l\IM
И смеТ.ШIВалпсь в ПрОIIОрЦИЯХ, обусловленных за;з:анпой заТОрфОllан
ностыо. ПрП:lЮрЫ экспериментальпо полученпом заВИСИl\ЮСТII V п. е,
W H , W M от J oт показьшают неизменное увеличепие ИС-СJIСДУСМЫХ
водных параметров с ростом заторфованностп (рис. 2.11, 2.12).
т а б л п ц а 2.5
t:p3BHeHIIe определенных экснеРIIl\lентзльно 11 расrЧНТ3IIIIЫХ 110 фОРl\Iулаl\[ (2.16),
(2.17) 311зчеНIIII ПЛОТНОСТI1 торфа
2.4.4. Обобщенные пара:\штры водных Clюiiств
Основнымп характеристикаllШ водпых свойств мерз
лых торфяных I"PYHTOB являются суммарпая влаа-,ность W c и ее co
ставляющие влажность за счет незамерзшсй поды W H И .IJЬДистости
W л . Значения указанных характеристик даже при постоянпой TeM
пературе меняются в llШРОКНХ пределах для каа,дой rрунтовой раз
НОВИДIIОСТИ, так что суммарная влажность может возрастать от ноля
до полной влаrоеикости W П' Величина W сНУ п как было показано
выше, находптся в хорошей корреляционпой связи с затор:Iюван
ностью, степепью разложепия растительны:;: остатков, определяет
маКСИllIальное количество влаrи при ПОЛПОI\I заполнении поровоrо
пространства (W п E ,;r ) т. е. Wс/W п объединяет несколько физи
ческих свойств, являясь их КО1\ПIлеКСНЫI\I показателеllI И постоянпой
велпчиной для Данноrо образца rpYHTa пезаВИСИl\IО от ero те1\lпера
туры. Отношения Wc/W п; Wп/W п; Wл/W п представляют собой СИ1\Ш
лексы характеристик водных свойств, которые выражают совокуп
ность физпчески:х показателей, обусловливающих скорость крио
rеппых процессов, характср поведения мерзлых торфяпых rpYHTOB
под наrрузкаl\III.
1:IЫЯIшение зависпмостей теплофизических, прочпостпых и дe
фОр1\IaТПВПЫХ характеристик от указанных обобщеппых параметров
ПОЗВО;'Jяет получить обобщенные заКОНО1\ЮРНОСТИ их форыирования
и расс,матривать Mep3,ТIыe rрупты с содержапие},I растительных OCTaT
IЮВ, заторфоваппые и торфы как единую rруптовую катеrорию.
rl....-юТНпеТ ь. r/c".
..о cf?
Е-<
<.> '"
Катрrория степр СоrТОЯflие о опреДР,"lрнная
Тип Top:\Ja :r: методОl\l pt' RЫЧИ[' леНИН:I :<:
НII pa.j.Jl0MeHIIR ]'РУIIТ" ;t; по ФОР;\Jу.""1а:м 'а
; lliущеl'О HO,lb (2.НН, (2,17) 13
p:j ца О
Нпзпнныii С fШ blIOfJa3JlO Мерзлое 4,57 0,97 0,996 : .2,5
Жllвшпlrся ( 40) 3,90 0,9()2 0,952 1,O
2,50 1,02U 1,О20 :::1::0;0
ВерховоЙ Срсдпера;шu Талuе 3.90 1,002 0,950 5,()
ЖПВШИЙСЯ 3,18 0,970 0,970 :::1::0,0
5,06 1,019 0,995 2,4
Д.ТIя торфа Н. С. Костюком [1967] предлошены зависшIOСТи р
от типа торфа II степепи раЗJIOfI,ения, но следует отметить. что ието
ды лабораторноrо определения степени раЗЛО}I,енпя не мепее TPYДO
емки инесовершенны, че:lI ПJIOТНОСТИ. По;)тоыу нами предприпита
попытка получить расчетные фориулы для определения плотности
торфяных rpYHToB в талои (Рои,) и l\IерЗЛО1\f (Ро/) состояНIШ в заnпси
мости от плотности частиц р", влаа,ности W c 1I rазосодера,анпя по.
На основе известных в механике rруптов соотношения [ЦЫTO
вич, HI63J, а TaKfhe рассмотренной выше 'laВИСПМОСТП vV]] от TeMHe
ратуры выраfhения для определения Р 1\10fIПIO представить в ВИДе
Рои, == р(1 + W)(1 по)/(Wр/рп т + 1);
РО! == р(-1 + W)(1 пo) (W 0,08W]] (8) + pJp).
(2.1С1)
(2.17)
2.;). ПЛОТНОСТЬ МЕР3ЛЫХ
:и ОТТАЯННЫХ ТОРФЯНЫХ ПУНТОВ
Для расчета Potl, и Рn! достаточно определить влажность rрупта
W c . Остальные параметры MOl"YT быть приняты осреднеНIIЬВШ;
Pi 0,92 r/cM 3 ; Р для торфа по rрафику (см. рис. 1.1); Д.ТIя затор
фованпых минеральных rруптов по фОРМУ,ТIе (2.1). Среднее зна
чеШlе по для слабораЗЛОfI,ившеrося торфа 0,07, среднераЗ.'lОfЫ-IВ
шеrося 0,05, спльнораЗЛОFlшвшеrосн 0,03.
Сравпеппе веЛlIЧИП плотности торфа, определенной методом pe
а,ущеru кольца и рассчитанной по предлаrаеиы:\I фОр Iулаl\I, показы
вает пх ХОРОШУЮ сходшюсть (таб.ТI. 2.5).
По arperaTHoMY состоянию мерзлые торфяные rрунты относится
!{ твердым тела:\I. Вместе с тем онп включают КО:lшопенты. весьма
резко отлпчающпеся по свопм фпзпческим СВОЙСТВЮI от твердых тел
(пезамерзшая вода, воздух), которые оказывают весьма существенное
ВJIIШIlIЮ на поведенпе мерзлых торфяных rруптов ПОД наrрузкюш.
1:1 CIIH31I с этим ВОЗНlIкает необходи:\lOСТЬ КО,ТIичествеппой оцепки OTHO
сителы!rоo содера,ання состав,ТIШОЩПХ, которые Фор:\шруют твердое
состояние и паоб()рот, К()1\шонентов, способствующпх ПРОЯВ.'Iенпю
пластических свойств.
Полученное нами ВЫрЮhенпе для определепня относпте.ттьноrо
содержания твердых компонептов в единице объе1\Ia rрупта через xa
39
Непосредствепное определепие плотностп Р как дли
талых, так и для меРЗJlЫХ: торфяных rpYHToB осложпепо из за TPYД
постп отбора обра3l ОВ пепарушепной СТРУКТУРЫ. I{poMe Toro, дли
определения плотностп мерзлых rруптов необходимо IПlеть холо
дильную камеру или шурф с отрr.щательной температурой. НеПРII
1\!еЮI:\1а для торфа 11 методIПЩ КОI\ПIЛсксноrо определения фI1ЗИ
ческпх свойств мерзлых rpYHTOB, разработанная r. П. Мазуровым
[1975], так как плотпость мерзлоrо торфа зачастую мепьше 1 r/c?I 3 ,
и образцы не поrруа,атотся в БОДу. Поэтому представляет интерес
наХOiIщенпе расчетноrо способа определенпя плотности как для Ta
лых, так II ДJIЯ мерзлых торфяпых rруптов.
38
Кв == Pd[1/p + (ТУ С WH)/pJ.
(2.18)
влаrи. ОпределеПJIе массооб;\Iенных характеристик [рунтов Fесыlш
трудоемко, ПОЭТО),IУ до практическоrо использованпя доведены толь
ко уравнения, базирующиеся на теории кондуктивной теплопровод
ности, в которые пе входят показатели массообмена, и при тепдовых
расчетах rрунтовая среда принимается квазиоДНОрОДНОЙ, xapaKTe
РИЗУlOщейся средними эффеКТИВНЫIIIИ значениями теилофизических
иараметров.
Указанный подход к оценке теплопереноса может быть принят
и для торфяных [рунтов, но при этом следурт удеЛJlТЬ IШШl13ние
их большояу ВЛal'осодержаШIIО. Значения коэф(j:ицпентов теплопро
водности, температуропроводности, теплоемкостп воды значпте:rьно
больше, че;\1 частш [рунта, особенно торфяных. ПОЭТOlllУ ВI)зраста
ние все\: эффективных теплофизических характеристик торфяных
[рунтов с увеличение),1 их вдаihНОСТИ происходит быстрее, чем мине
ральных.
Количественные оценки теплофизических характеристик в зна
чптельной мере зависят от IIЮТОДИЮI их определения. Применитель
но к исследованпю тепловых свойств rруптов прослеживаются два
направления. Первое основано на закопомерностях стационарноrо
тепловоrо режима, при котором температурный rрадиент остается
постоянпьш в процессе опыта. Для BToporo паправления характерно
использование законояерностей нестационарноrо тепловоrо режима,
при KOTOpO 1 l'радиенты температур пмеют переillенные значепия п
зависят от условий опыта.
Наличие температурных rрадпентов при экспериментальном оп
ределении теПЛОфllзпческих характеристик влажных талых [рунтов
приводит к значительной J\1иrрации влаПI в направленпи теплоnоrо
nOToI<a, что является причиной ошибок. Это обстоятельство, а так,ъе
трудность поддерашния постоянной температуры теПJlOисточника при
стационарных методах делают последние малоприеlllлеМЫIIШ для ис
следования теплофизических характеристик влажных талых [рунтов.
МIпрация влаrп ироисходит также и при неустанOIШВШИХСЯ
тепловых процессах, находясь в прямой зависимости от температур
ных rрадиентов, однако для методов измереНИЙ,основанных на He
стационарном теПЛОВОlll режиме, влияние этоrо фактора пмеет MeHЬ
шее значение из за сравнительно малоЙ продолжительности опыта.
Таким образом, для исследования теплофизических свойств Ta
лых влажных [рунтов наилучшие условия из:\-шрений обеспечиваlOТ
ся применениеlll методов нестационарноrо тепловоrо pe;-ЮНIa. Для
изучения ТeIIJIофизнческих свойств мерзлых l'PYHTOB при температу
рах, значительно более пизких, чем температура замерзания воды
в [рунтах, прпменимы как стацпонарные, так инестационарные
методы, В области интенсивных фазовых переходов применение
обоих методов встречает трудности, так как вследствие выделения
большоrо количества скрытоЙ теплоты кристаллизации резко меня
ются все тешюфизические характеристики [рунта и непосредствен
ное определение их нз опытов вообще невозможно.
Подытоживая ПЗЛОlIшнное, IIIОЖНО сделать вывод, что цеЛЯIl1
BcecTopoHHero исследования теплофизпческих своЙств торфяных
рактеристпки простеЙпшх физических свойств для каащоrо фикси
pOBaHHol'o значения теlllпературы пмеет вид
с по;\IOЩЫО параllIетра Кв ВОЗIlIOЖНО учесть степепь сплошности, ]\IO
нолитн сти мерзлых торфяных l'рУНТОВ и отпеСТlI передаваемое от
внешнеи паrрузки напряжение на твердые К01шоненты. Это позво
JIИЛО использовать кинетическую коицепцию прочности твердых тел
для подучеНIIЯ уравпенип длительпоЙ прочности и ПрИl\lепить lIIeTO
ды ана.тrоrий для проrноза длительных дефор;\шций lIIерзлых торфя
пых [рунт()в.
2.6. ТЕПЛОФИ3ИЧЕСКИЕ СВОНСТВА
ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
ПРИ ПРОМЕР3АНИИ- [1 ОТТАИВАНИИ
Незначптельная теплопроводность частиц торфа и
повышенное влаrосодеРIlшние обусловливают существенное отлпчие
в протеканип теплофизических процессов в торфяных [рунтах по
сравнению с lIIинераЛЬНЫIIIИ. Скорость оттаиванип ПрОl\lерзания
замедляется. Меняетея распределение теllIпературы rpYHTOB по rлу
бпне, уровень нулевых [одовых аllIПЛИТУД, как правило, блил.е к
поверхности.
Исходньши параметраl\lИ для определения расчетных rлубин
деяте.'lьноrо слоя, проrноза температурноrо режима основаниЙ, сло
женных lI1ерз;rыии ТОрфЯНЫIIIИ rрунтами, скорости и предельных
значе пи rлуопны оттаивания стабилизации температур при инже
нернои подrотовке территории, а также решенпя ряда ДРУПIХ инже
нерных задач являются теплофизические характеристики.
Изучение теШlOфпзических с!.'ойств торфа выполнялось lIIноrИ;\IИ
авторащ [Корчун()в 1948, 1953; Беспалов, 1954; РОlllанов, 1961; Чу
P B, 1961; Афанасия, 1965; rаll1аюнов, 1967; Деров, 1968; Павлова,
19/0; rаврильев, Елисеев, 1970] rлавным образом, с целью оценки
водноrо реЖИllIа болот, защпты фрезерноrо ПОШI торфоразработок
от Пр01ICрзаниЯ и касалось Т()РфНlIO IIIOховоrо покрова, а также
торфа в разрыхлеННОll1 состоянии.
Наши исследования были направлены на колнчественную oцeH
ну теплофизпческих параllIетров торфяных [рунтов в ШИрOIШIII диапа
зоне содержания растите;rlЬПЫХ остатков в IIшнеральных [рунтах
II физических своЙств в торфах.
Как известно, ОСНОВНЫIIIИ теплофизичеСЮI:\Ш показатеЛЯIlIИ [pYH
тов, опредеЛЯЮЩШIIИ нптенспвность теп.'IОВЫХ процессов и входя
ЩПl\Ш В качестве aprYlIIeHTOB в уравнения теlllпературных полеЙ,
являются теплоюшость С, коэффицпенты теплопроводности л и Telll
пературопроводностп а.
Основной механизм теплопередачп, характерныЙ Д.'Iя твердоrо
тела, кондуктивная теплопроводность в [рунтах осложняется
явленпями массооб),Ieна, конвекциеЙ ;-Ы1:ДКОСТИ и rаза, lIIиrрацией
40
41
rpYHTOB наиболее соответствуют методы, основанные на нестационар
ном тепловом потоке. Из них применительно к rpYHTaM используются
зондовые методы и методы реrулярноrо тепловоrо режима.
Достоинство зондовых методов состоит в приrодности для опре
деления теплофизических характеристик в полевых условиях, но
онп требуют значительных затрат времени на измерения, что обус
lJОВЛl.шает поrрешности в получаемых результатах.
Из :методик, оспованных на теории рю'улярноrо теП.!IOвоrо реа,и
ма, для rpYHToB наиболее подходящей является методика комплекс
ных теплофизических исследований образцов сп()собом калориметри
роваНJIЯ, разработанная Д. И. Федоровичем [1968]. Она и принята
нами, как отвечающая основным требованиям поставленной задачи.
КрЫIе ВОЗI\IOj-l\НОСТИ получею1Н теплофизических характерпстик
rpYHToB ненарушенной структуры в талом и мерзлом состоянии,
она предусматривает TaKп e определение составляющих теплопро
водности анизотропных rpYHToB слоистой текстуры в направлениях
нормаЛЬНОI\1 и параллельпом слоистости, что представляет интерес
при исследовании торфов как анизотропных rpYHTOB.
Для экспериментов использовался упрощенный вариант кало
риметра. В качестве калориметрической j-ЫfДКОСТИ ПРИllIенялся Kepo
сии. Ero температура до начала опыта при определепип теплофизи
ческпх свойств I'PYHTOB равнялась: талых 18 20 С и мерзлых
6 --7- 7 С (НИil\е предела интенсивных фазовых переходов).
Образцы rpYHTOB как талых, так и мерзлых, отбирались при
ПОI\IOЩИ кольца, помещались в латунные бюксы диамеТрОllI и высотоЙ
4 CI\I заполняя полностью их объем, и выдеРil\ивались не менее 20 ч
, о
до нача.ТJa опыта: талые в тающем JII,ДУ (температура О С) и мерз
лью В криоrидратной смеси из соли II льда (температура 21,2С'С).
Тюшература rрупта, при которой оценивались теплофизические
свойства, рассчитывалась слеДУЮЩП!\I обраЗОl\I. Непосредственно из
опыта подучается заВIIСШ.ЮСТЬ ИЗl\lеиения температуры каЛОРИllIетри
ческоп жидкостп во времени, но, основываясь на общем тепловом
балансе системы калориметрическая ;IШДКОСТЬ образец rpYHTa,
I\IO;I,HO ПрИЙТII к выводу, что темп изменения теllIпературы ддя ;IПIД
кости П оfiразца rpYHTa ВО времени является одинаковым, т. е. если
за первую минуту rлавноrо периода опыта температура калоримет
рическоЙ j-l\ИДКОСТИ изменялась, например, на 1/3 часть от общю'о
ее ПЗllIенения за весь rлавный период, то и температура образца
ИЗilЮНИТСЯ за первую l\ШНУТУ опыта на 1,3 часть от общеrо изменения
ero те:\Iпературы в процессе Bcero rлавноrо периода. Учитывая это
и зная конечную и начальную температуру образца, можно леrко
найтп зависимость ИЗI\ЮIЮНИЯ температуры rpYHTa от времени. Cpeд
нее интеrральное от этоп зависимости п даст среднюю теilшературу,
при котороЙ определены теплофизические характеристики. При YKa
занных температурных rрадиентах она оказалась для ыерз.'IЫХ rpYH
тов 10 0 С и для талых 14 С.
Bcero проведено около 600 опытов по псследовапию теплофизи
ческих характеристик всех типов торфов И заторфованных rpYHToB
с параллельным определением основных физических свойств.
42
Повторяемость опытов была принята шестикратной, при этом
средняя ошибка не превышала 14 %, а надежность равнялась 0,9.
Для получения зависимостей теплофизических характеристик
от фпзических свойств Ba;J\HO выявить параметры, характеризуюшие
весь комплекс этих свойств.
Основнымп структурными показатеЛЯl\IИ rpYHTa. оказывающими
влияние на механизмы теплопередачи, являются механическиЙ co
став, порпстость, а также размер и форма пор. Последние опреде
ляют роль конвективной п лучистоЙ составляющеЙ т плооfi:llена в
rpYHTe. !{ак показали исследовашш Н. С. Иванова [1969]. лучистая
состаштнющая пе превышает в rpYHTax 1 % общеrо теплопереноса,
а конвекция ВО3IШlшет в порах ТОJIЩIIНОЙ больше 10 1\1 1 при теl\шера
турнои перепаде бо:ше 0,3 0 'С. В прослойках мснее 5 1\11\1 конвекция
практически отсутствует даfl,е при температурных перепадах дО
100"С. Конвективная составляющая при радиусе пор 3 1\11\1 равна
лишь 0,13 % общеrо тепловоrо потока. Несмотря на значительнуlO
порпстость торфа, раЗ:lIеры пор 1I1orYT превышатъ 3 5 MI\I TO:ILKO
в I\IOХОВО ТОрфЯНОl\I покрове. Следовательно, в торфе, кю и В друrих
видах мелкодисиерсных rpYHTOB, при обычных температурах лучи
стая Т ПЛOIшоводность и конвекцпя MorYT не учитываться.
Параме;ром, опредеЛЯIOЩШ\I влияние пористости на теплофизи
чесюю свойства, I\Ю;.],tТ быть принят КОЭффИJ иент пористости . даю
щпЙ количественную оценку пористости rpYHTa без учета ве.'IIIчiшы
и формы пор, ПЮI показате.ТШ уплотненностп частиц rpYHTa объ
е,иная масса rpYHTa и объемная масса cKe,;JeTa, которые в копеЧНОI\I
птоrе определяют коэффицпент пористости.
Таким обраЗО:lI, для торфяных rpYHTOB, так же как и для шне
радьных, ВЛЮН:IIОСТЬ и оБЪЮIная масса скелета являются основными
показателями физических своЙств, определяющими их теплофизп
чески е характеристпки. Для мерзлых и талых l\1инераJIЬНЫХ rpYHToB
получены rрафики или Э;\Iпирические заШIСИilЮСТП теплофизических
характеристик от В.'IЮf>ПОСТИ И плотности rpYHTa или вла;.I,НОСТИ
и плотности cyxoro rpYHTa.
Для практических расчетов значптельно удобнее пспользовать
аналитические заВПСИl\IOСТИ тепл()фи::!ических характеристик от oд
Horo параметра, обобщающеrо все физические свойства, Ш,IИяющие
на теплопередачу в rpYHTe. Как было указано выше, для торфа, Ha
ряду с ВЛЮl\НОСТЫО, тнполоrическии показателеи является степень
разложения, характеризующая l\1еханическиЙ состав, пористость
и величину пор. Но более удоБНЫI\I пара:lЮТрОМ прп обобщеппи явля
ется полпая влаrоеl\IКОСТЬ КОl\IплеБСНЫЙ показатель физических
свойств rpYHToB, завпсящиЙ от плотности, объеиной I\1ассы 11 в то
а,е время паХОДЯЩИllСЯ в хорошей корреляцпонной связи со степенью
разложения.
ТаКИllI обраЗОI\I, влажность и полная В,lJаrоеilIКОСТЬ представляют
собой основные характеристики торфяных rpYHToB, определяющие
ero теплофизические свойства. Оба параметра характеризуют BOДO
насыщенность rpYHTa, причем полная влаrоеl\IКОСТЬ для данноrо
rpYHTa является величиной постоянной, а влажность меняется от
43
Постепенное увеличение влаа;лости прпводпт к П.чавному в()зраста
НlHO Л, и только коrда степень ВЛaJ-I.нОСТИ достиrает 0.5 0. 7, появ
ляются lIIежстыковые мениски воды, обусловленные СПJIOШНОСТЬЮ
rрунтовой массы, и темп увеличения теплопров()дности с дальней
шим pO(,TO I в,тrа;'hНОСТИ увеличивается.
Сказанное иллюстрируется заВИСIПЮСТLЮ л W, w п , постро
енной п() данпым наших опытов д.'IЯ BepxoBoro торфа разлпчноrо
rеоботанпческоrо состава и степенп раз.пожения в таЛО I п мерзлоы
состояIПШ (рис. 2.14). Образцы отбпраШIСЬ в Западной Спбпри
(JIабытпанrи, Салехард, Березов(), CyprYT), ю;'hный Якутии (Пе
рюнrри), Маrаданской области. Выявить влияние l'еоботаническоrо
состава на теплопроводность при таком обобщенпи не представилось
ВО3I\Ю;'hНЫI\I. Очевидно, оно в значптельной юре ко:мпенспруется уче
том полной влаrое:IIКОСТII, которая обусловлена видо:м торфа, CTe
пеныо ero разложепия, плотностью.
Прп стаТПСТlIческой оценке разброса опытных данных (табл. 2.6)
определя.пись: с редняя квадр атическая ошибка отдеЛLноrо пспыта
r п
ния A i + V I1и(п 1); средняя квадратическая ошпбка cpeд
.
Hero арифметическоrо А А;I V п; ошибка отдельпоrо испытанпя
а (А l.100%, rде п число повторных испытанпй идентичных об
разцов; л среднеаРИфllIетическое значение коэФ(lнщпента тепло
проводности; I1 ; приращенпе Лi, равное /1 ; == Лi I. Ее ре3УЛL
таты показали, что ошиБКII отдельных испытаний не превышали 15 %.
Теплопроводность мерзлоrо водонасыщенноrо торфа в 1,2
1,5 раза больше теплопроводности талоr(), вследствие большей тепло
проводности льда по сравнению с водой. Установленное РЯД()l\I и('сле
45
нуля ДО полной влаrоемкости. Обе эти характеристики объединяются
степенью влажности W C/W п. Если подставить в отношение W /W
с п
завиСИМОСТЬ полнои влаrоеllIКОСТИ W п от коэффициента пористости
Е, плотности ВОДЫ Рш И rpYHTa Р, то получим
WС/W П == Wсрра/рш(р Ра), (2.19)
11з фор'мулы (2.19) видно, что степень влааШОСТII характеризует
долеВОll состав всех компонентов rpYHTOBoro IЮl\шлекса, которыми
определяются теплофизические свойства последнеrо, и, следователь
но, этот парюreтр явдяется обобщающим, КОllIплеКСНЬПI ПОКRзателем
теПЛОфП3IIческих свойств rрунтовой среды. Сказанное подтвержда
ется рсзультатами обработки опытных данных зависимость тепло
физпческих параметров, торфяных rpYHToB от степени водонасыще
ния отобраа.ается на rрафике одной обобщенной кривой. Такие pe
зультаты получены и друrими исследователями [rаврильев, Елисеев,
1970]. Для минеральных rpYHTOB, содерашщпХ растительные OCTaT
Ю-I, теплофизические характеристики удалось представить как функ
циIO двух комплексных переменных: степени влаа.ноСТИ и заторфо
nаННОСТll.
lLd,BT/(MH)
0,4
.
0,3
0,2
0,1
о
0,4 0,6 0,8 fd/Ps
Рис. 2.13. 3аnпсшюсть КОЭффllцпеита теп
.1JОПРОВОДИОСТП nepxonol'u С.1Jабо II cpcJ!Re
разложпвшеl'ОСЯ НУШИЦСВОI'О l1 OcoKoBoro
торфа В ПОЗДУIIIИО СУХОМ состояНIШ от OT
ношенпя плотиостеii CYXOI'O I'руита l1 ча
СТ1Щ I'руита.
2.6.1. Теп.тruпр,нюдность
В воздушно сухом состояНlIИ торф обладает значи
тельно lIIеньшей по сравнению с друrИl\IИ rрунтами теплопроводно
стью. Величина коэффицпента теп.тrопроводпости Л, как известно,
зависпт от плотности cyxoro rpYHTa РеТ' Так, по данным Р. И. raB
рильева и С. В. Е.:тисеева [1970], Лd воздушно сухоrо торфа при
увеличенпи Ра от О,О5 дО 0.65 r/c"!>I3 увеличивается соответственно
от 0,04 до 0,14 BTi(M' К), К();)ффицпент п.{' теплопроводности са IИХ
частиц торфа равен 0,46 Вт, ( I' Н,). По Ю\ШИllI данным, в верховом
торфе различноЙ степени разлол-;енпя при ИЮlенеНИll Ра от 0,08 до
0,6 r/or 3 значеипе Лd менялось соответственно от 0,012 до
0,069 BT/(I\I.H,).
Причиной такпх небольшпх по абсолютной велпчине знач ний
является на.тrIIчие большоrо колпчества пор, заполненных ВО3ДУХОМ,
КОНДУКТIIвная теплопроводность KOToporo НИЧТО;'I.нО мала. Обобщаю
ЩИI\I показателем физических свойств ВО3ДУШ}IO сухоrо торфа, оп
редеЛЯЮUJ,Ш\1 Л, оказалась «степень плотностш) отношение плот
ностп CYXOI'O rpYHTa Pd к плотности частиц Ps' ЗаВIIСИ IОСТЬ коэф
фициента теплопроводности торфа в воздушно сухом состоянии Лd
ОТ P,rfPs оказалась общей для всех видов торфов. На рис. 2.13 при
веден l'рафик Лd Pd1ps, построенный по данным автора д.тrя Bepxo
Boro cpeДHe и слаборазлоашвшеrося пушпцев()rо и OcoKoBoro торфа.
Уравнение крпвой имеет вид
Лd == 0,5(р/р)2, нт/(м,К),
(2.20)
С увеличением влаа-;ноСТИ коэффициент теплопроводности YBe
личпnается. ПричеllI распределение влаrи в торфе сказывается и
на характере увеличения л как в талом, так и в мерзлом состояниях.
44
.>с, вт}(м'К)
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
о
0,4
ItVc/Wn
Рис. 2.14. 3авпсIПЮСТЬ [юэффп
ппеита теплопропо;:rиостп Alерзло
то (1) и таЛОl'О (2) торфа от CTe
пеип влаа-;иостп.
Т а f) л п Ц а 2.6
СтатnстичеСIШЯ обработка значеЮIЙ коэффициеита теИЛОПрОВОДIlОСТИ торфа
ЛI ерзлый торф
0,2 0,16 0.02 0,03 0,02 0,o-1 0,02 0,0234 0,0104 6.5
0,4 0,32 0,06 0,03 О,Ш 0,04 u,01 0,04 0,018 5.7
0,6 0,54 0,02 0,05 О,uз 0,03 0,04 0,037 0,016 3,06
0,8 0,77 0,13 0,03 0,05 0.04 0,02 0,075 0.033 4,3
0,9 1,0 0,25 0.2 o,3 0,25 0,05 0,25 0,113 11,3
Т аЛЫ/l торф
0,2 0,15 0,01 0,005 O,O1 0,0 O.O2 0,028 О,О125 8,3
0,4 0,28 0,03 0,02 0,03 O,O1 0,02 0,025 0.01'11 3,96
0,6 0,42 0.01 0.03 O.O1 0,02 0,O3 0,024 0,01 07 2.6
0,8 0,61 0,08 0,12 0,14 0,15 0,12 0,18 0,082 "13,5
0,9 0,78 0,14 0,06 О;13 0,08 0,09 0,117 И,О52 6,7
Таблпца 2.7
Коэффициенты L. (1. k
Вид заторфоnан I Состояние I L, втl d k
Horo rpYIITa (М'Н)
ПесчаНЫII Талое 2,28 0,225 0,08
Мерзлое 2,73 0;150 0,11
rЛПНlIстыii Талое 1.33 1.02 0.1'1
l\Iерзлое 1,64 0,74 0,20
t; "i,
i::
--- Вт /!", /!,,2 /!". /!". /!". А. А а, %
tJ .
i:: (м,Н)
дователей меньшее значенпе коэффициента теплопроводности l\Iерзлых
rpYHToB по сравнению с таЛЬП\1И при малых значениях влажно
сти в наших экспериментах для торфа явно не выявлено, что, r:o
ВИДИI\IОI\IУ, связано с низкой теllшературой проведения опытов.
Эl\Iпирическое выражение заВИСИI\JОСТИ ко;)ффициента теплопро
водности торфа в талом II мерЗЛОI\I состояниях от степеШ-I влажнос
ти соrласно rрафпкам рис. 2.14 Иl\Iеет впц
ЧТО близко к значеНПЯI\I, полученным n наших ::шспеРIп!ентах (СI\I.
рис. 2.14).
Наличие растительных остатков в минеральных rpYHTax приво
дит к уменьшению их теплопроводности, что связано со значительно
меньшей теплопроводностью частпц торфа, чем I\пшеральпоrо rpYH
та. Мы получили экспериментальные зависимости коэффициента
теплопроводностн от степенн влаа;ности для песчаных и rлинистых
rpYHTOB с различной заторфованностью в талом п меРЗЛQ;\I состоянпп
(рис. 2.15). Для вьшвления влияния на теплопроводность заторфо
ванности этп заВИСПI\ЮСТТI перестраивались в коордипата\: л J от
для значений ВЛЮI,НОСТИ, близких к полной влаrоеllIКОСТП (T/V/W п /'J
/'J 0,8). Уравнение полученных кривых lIIон,ет быть представлено
в виде
л == L IJl{Jom![(dJ om + k) + J]}, Вт ,(м. К),
(2.22)
л == Л d In[1 И'/Т-Vп!(а ЬИ'/W п )], Вт!(м'К),
(2.21 )
rде L, Вт/(м.К), d и k безраЮlерные КОЭффIЩllенты, завпсящпе
от вида заторфовапноrо rpYHTa н er() состояния (талое пли l\Iерзлое)
(табл. 2.7).
Для выявленпя влияния анизотропин на теплофизическпе свой
ства торфа намп бы.ТIII пропедены опыты по определению коэффициен
та теплопроводностп в паправлениях, параллельном и перпендику
ЛЯРНОl\1 тепловому потоку, для BepxoBoro OcoKoBoro торфа слоистой
структуры. Опыты проводплпсь С трехкратной повторяеllIОСТЫО прп
ДВОЙНОI\I последоватеЛЬНОI\I калориметрировании образца rpYHTa без
ИЗОJIЯЦIШ и с IIЗОЛНI пей торфа. 3начеНIIЯ л (табл. 2.8) вычислялись
по l\Iетодпке Д. И. Федоровича [1968].
Т а б л 11 Ц а 2.8
Опытные 31шчеIJIIЯ К03ффlIЦllентов теплопроводности торфа л, BT/l\I' К
rде Л d коэффициент теплопроводности торфа в воздушно сухом
состоянии (СI\I. рис. 2.13), ПТ'(I\I'К); а и Ь безраЗllIерные K024r
фициенты соответственно равные для TaJIOrO 3,5 11 1,u и l\Iерзлоrо
торфа 2,11 п 0,6.
Вычисленные по (2.21) значеюш л для l\Iерзлоrо торфа хорошо
соrласуются с данными Р. И. rаврильева II С. В. Е.тшсеева [1970],
полученными l\IeTOДO I стациопарноrо реFi,Иl\Iа. Для талоrо же торфа
по результатам наших экспеРПl\Iентов л для тех же значений и- /W п
несколько больше, ЧЮl по ДaIIIIЫI\I указанпых авторов, что, IIO ВИДИ
I\ЮlIIУ, обусловлено раЗЛlIЧIЮI\I методпк опытов н теl\Iиератур, для
которых этп данные получены. Р. И. rаврильев и С. П. Елисеев
[1970] коэффициент теплопроводности талоrо торфа находили pac
чеТНЫI\I спосоБОI\I по значеНПЯ 1 коэффпциента температуропровод
ностп, определенным I\ЮТОДОlll а.. калориметра и по расчетным значе
НИЯllI объемной теплоемкости, при этом среднее значение температуры
равнялось ОС'С.
По данным Д. И. Федоровича и А. В. Конюхова [1975], для
верховых торфов различноrо rенезиса в широком диапазоне пз:мене
ния степени разложенпя и зольности при полном водонасыщении
Лth находится в пределах 0.48 0,5 Вт/(м.К); а Лj -1,3 Нт/(м.К),
46
Трмпсратура ,'рунта
10 С +12 С С
W c Р Е I I t 1
Л 10.\1 Лj, i"' 10.\1 10..1.
3,89 0,87 7,57 '1,122 1,259 1,054 0,595 0,762 0,640
3;12 0,97 5,41 0,863 0,925 0,802 0,560 0,655 0,412
3,44 0,93 6,14 0,937 0,958 О,9О9 0,604 0,689 0,530
3,00 0,93 5,4'1 0.959 0,988 0.930 0,5Ю о,712 0,494
3,32 1,02 5,50 0,715 0,777 0;580
47
lT,BT/(M,Kj
1.6
1,2
0,8
0,"
о
1.6
I
1,2
0.8
0,"
о
0,8
0,8
0...
Q
J M .BT//M'I1) х
2.0
1,6
1.2
направлении, которые, на наш взrляд, заслуживают дальнейmеrо
развития.
Эффективное значение КОЭффИЦIIента теIIЛОIIРОВОДНОСТИ Ае прак
тически не зависит от '[епловых эффектов, связанных с фазовыми
превращениями воды в rpYHTe, по ero веЛIIчина ОIIределяется общим
содержаНIIем льда и воды. Значение Ав торфяных rpYHTOB IIрИ их
оттаивании и промерзании моа,но рассчитать по формуле С. А, Map
тынова [1956], выведенной в предположении линейной заВИСIIJlIОСТИ
:между Ав и льдистостью. Выразив влажность за счет ЛЬДИСТОСТII в
указанной формуле через влarБНОСТЬ за счет неза;lIерзшей воды
W i == W c W Н1 IIОЛУЧII),I
Ав == Ath + {1 + (Af/Ath
l)[(tV c WH)/(tV c W п )]}, (2.2:3)
rде А! II Ath ко;)ффициенты теIIЛОIIРОВОДНОСТИ JlIерзлоrо и талоrо
rpYHTa; W с су:шraрная вла,БНОСТЬ; W II влаihНОСТЬ за счет He
замерзшей воды при температуре Е>; W H среднее значенпе влаж
ности за счет незююрзшей воды IIрИ те Iпературе НПIТ,е интенсивных
фазовых переходов.
ЗначеIIНЯ W н И W п для торфяных rpYHToB MorYT быть nычисле
ны по формуле (2.13). При расчете VV'H температура IIРИНlIмается paB
ной ниже интенсивных фазовых переходов (наПРИJlIер, 6 С). Как
:МОЖНU видеть из уравнения (2.2:1) заВИСИJlIОСТЬ коэффициента тепло
проводности от темнературы в диаIIазоне отрицательных ее значений
ощутима лишь при темнературах, близких к Е>н.з И 8 н ,о. При теl\ше
ратуре HlIiI,e 80C веЛIIЧИНУ коэффициента теIIЛОПРОВОДНОСТИ торфя
ных rpYHTUB I\lOfI'ШО принять п()стоянной. Сказанное :ШСIIерименталь
но подтверждено Е. Н. Барковской IHI82], которая, определяя
теIIЛОIIРОВОДНОСТЬ различных впдов rpYHTOB, в том ЧIIсле и торфов,
В спектре темнератур от +15 дО 15 C, получила rрафики IlЗI\Iенею1Н
теПЛОIIРОВОДНОСТИ в пределах теl\шературы интенсивных фа:ювых
переходов влаrп. Сопоставленпе рассчитанных по (2.23) и опытных
значений 'Ав торфа показывает их хорошую СХоДИI\IOСТЬ. Так, IIрИ
температуре 2'C 'Ав по rрафику (1) составляет 0,75 Вт/(м, Н'). Следу
ет отметить, что в указанной работе Е. Н. Барковской ход изменения
коэффициента теПЛОIIРОВОДНОСТИ в зависимости от темнературы свя
зывается также с наIIравленностью ироцесса (оттаивание или ПрОl\1ер
зание). На наш взrляд, это вызвано тем обстоятельством, что в опы
тах при повышении температуры не УСIIевало наступать равповесное
состояние влаrи в торфе, соответствующее КЮIЩШIУ фиксированиому
значению температуры. Для СОIIостаВJJeНИЯ опытных II вычисленных
величин КОЭффIIциента теIIЛОПРОВОДНОСТИ наl\IИ взяты средние Ав,
полученные при оттаIIваНИII и ПрОl\Iерзании.
D,'-
6
1,6
1,2
0,"
0,'-
0,8 W /w п
0,6
Рис. 2.15. 3аВИСII110СТЬ коэффицпента теплопроводпостп талых Л Т и lI1ерз
лых Л т заторфованных песчаных (а) и I'линпстых (6) I'рунтов ОТ заторфо
ванностп J от п степепп влажности W/W П ' ЦИФРЫ У кривых степень
заторфованности I'рунта.
Исследованные торфы обладают хорошо выраа,еНIIОЙ анизотро
IIией теIIЛОВЫХ свойств (см. табл. 2.8). ТеIIЛОIIРОВОДНОСТЬ их в мерз
лом и талом состоянии по направлению волокон больше, чем в нап
равлеНIIИ, IIерIIендикулярном слоистости. Для слаборазложившихся
торфов с выраженной слоистой текстурой аНИЗОТРОIIИЯ теПЛОIIрО
водности будет, ПО ВИДИI\IOМУ, больше. Полученные результаты I\Ю
rYT быть оценены лишь как IIервая попытка исследований в этом
48
2.6.2. Теплое:\Нюсть
ЗаВИСIIМОСТИ объемной теIIлоеl\ШОСТИ мерз,:.rых и тальп:
торфов от стеIIени влажности (W CI J;V п), полученные по опытным данным
(рис. 2.16), показывают, что теплоемкость торфа с увеличением влаж
4 л. т. Рома.н
49
16
Рис. 2.16. ЗаВI1СПМОСТЬ объемноЙ теплоемкости
талоl'O (1) и мерзлоrо (2) торфа от СТСllеНII влаж
ности (по нашим данным).
т а б л п Ц а 2.9
Средние велпЧIIНЫ удельной теилоеl\1КnСТII компонентов ТОрфЛ
НЫХ rpYIITOB, КДЖ/(КI" К)
С'Ю кДж/(м 3 .К)
40
.32
кДФ/(м 3 , К),
(2.24)
Трунт с' Трунт с'
Песок 0,7"1 Торф верховой '1,68
Супесь: СУI'ЛIIНОК 0,84 Вода 4,20
rлпна 1,47 Лед 2,10
Торф НIIЗПННЫII 1,92
8 .
е.
/
о
ности IIовышается,
выразить линейно:
W c
G т И 1 + п,
n
ее увеличение ]\юа,но
24
rде т коэффициент, составляющий 4124
OJ2 0,4 0,6 Wс/W п и 2940 кДФ!(м 3 , К) соответственно д.пя
талоrо и мерзлоrо торфа; п коэффициент,
равныЙ 151 КДih/(l\I 3 ' К). Степень влаа,ности является обобщающим
показателем физических своЙств, оБУСЛОВJIlшающих теIIлоемкость
торфов ра3ЛПЧIIоrо l'епетпческоr() с()става в ШПрОКОl\I диапаЗ0не CTe
пенп разложения и IIЛОТНОСТИ.
Теплоемкость всех rpYHToB аДДIIти:вная велпчи:на [Порхаев
и др., НЮ4], т. е. равная сумме теплоемкостей состаnлЯIОЩИХ, и
ее удоБIIО ВЫРЮl,ать через удельные теIIлоемкости l{Оl\шонентов rpYH
товой среды, так как последние являются константами. Эту законо
мерность весьма удобно ИСIIОЛЬЗ0вать для опредедения объе IНОЙ
теплоемкостП rpYHToB, содержащих растительные остатки. Осповы
ваясь на законе аддитивности, форыулу для объюlНОЙ теплоемкости
талых торфяных l'pyHTOB G th I\ЮЖIIО представить в следующем виде:
Gth Ре! [С: (1 J om ) + c Jom + c'wWcJ, (2.25)
тде Pd плотность cyxoro заторфованноrо rрупта, Kr:M 3 ; С:, c , С/Н'
удельные теплоемкости соответственно Мllнеральноrо скелета, TOp
фа, воды, кДа,/(кr. К).
При отрпцатеЛLНОЙ температуре закономерностп в июreненип
соотношений количества воды и льда при замерзании rpYHTa IIрIПIе
пимы в общем виде Il к оценке И3;\lененпя теплоемкости, которая
может быть выражена уравнением впда (2.25) с добавлением тешю
е)IкОСТИ льда. Но на величине теплое;\lкОСТП сказывается тепловой
эффшп фаЗ0воrо превращеНIIЯ воды при заl\lерзанпи и оттапванпи.
При тюшературе, близкой к Е>н.з И 8 н . о , значение теШlOемкостп
стрюПIТСЯ к бесконечности и ее ЭкСIIеримеIIталыюе ОIIределение не
осущеСТВПl\lО. До IIрактпческих расчетов теиловоrо реаш ш доведено
ИСIIОЛЬЗ0вание эффективноrо значенпя теIIЛОЮIКОСТИ про;\юрзающих
Il оттапвающих l'PYHTOB IIолноrо количества теIIла, необходимоrо
для пюreнеНIIЯ тюшературы весовой единицы мерзлоrо rpYHTa на
один rрадус.
Пыраженпе эффективной теIIлоемкости торфяных rpYHToB, Ha
писанное нн основе общеrо уравнения эффективной теIIлоемкости
промерзающпх rpYHToB [Порхаев и др., 1964], IIi\юет вид
,
тде Ci удеЛLная теIIлоемкОСТЬ льда, кДж/(кr.Н'); р удельная
теIIлота IIJIавления льда 336 кДж/кr.
ПодстаВIIВ в (2.25) заВИСIIl\ЮСТЬ W H от е, получим формулv для
эффективной теплоемкости торфяных rpYHToB как функции ;е;\ше
ратуры.
Как IIоказали исследования мноrих авторов [Ушкалов, 1962],
удельные теIIлоемкости компонентов rpYHToBoro КОМIIлекса ( С'
, / ' ) "'
С р , C"v. Ci меняются незначительно и для практических расчетов
l\IorYT быть приняты их средние значения (табл. 2.9).
Приведенные значения удельных теIIлоеllIкостей торфов получены
на основе экспериментальных определений, выполненны калори
метричеСЮ'll\l способом по вышеописанной методике для образцов,
высушенных при темнературе + 105 0 С.
Сравнение определенных экспеРIIментально п вычисленных по
формулам (2.25) [1 (2.26) велпчин объемной теплоемкости торфяных
rpYHTon показывает их хорошее СОВIIадение (табд. 2.10).
т а б л и ц а 2:10
Сравнение веЛllЧI1Н теплоеl\IКОСТII (кДж!(м З , К) ТОРфЯНЫХ rpYHTOB по даННЫl\1
UПЫТIIЫХ uпределеШlll автора 11 расчет по фUрl\l)'лам (2.25) 11 (2.26)
нДш/(м з .l{) нДж/(м 3 '}{)
ВIIД l'р)'нта Энспери I ЭнспеРII I
мент По (2.25) мент По (2,26)
[ , /' ( , / ) ]
G Pd c.(1 Jom)+CpJom+CiW.:I WH Ci C"V +рdW и /d8 t
(2.26)
3аторфованная супесь (W c == 0,2; Pd ==
== 13UO I{I'/ IЗ; J от == 0,2) 2090 2260 1860 181.0
То же (W c == 0,4; Pd == 110() 11.1'/113; J um ==
== 0,2) 1920 2"134 1670 1785
3аторфованная I'Лlша (W c == 0,2; Pd ==
== 110U; J от == 0,3) 2900 3050 2600 2596
Торф верховоlI среднераЗЛОЖПDШППСЯ,
сфаrновыЙ (W c == 2; Pd == 300 НI'/м З ) 2820 3000 2160 2394
4* 51
50
Н.ю{ изпестно, коэффицпент
температуропроподности является про
IIЗВОДНОЙ ве.ТlIIЧIlНОЙ от теIIЛОПрОВОД
ностп и ооъеi\ПЮЙ теIIлое:llRОСТИ (а ==
== А,'С). ДЛЯ rруптоп прп отрицатель
ной те:llпературе эта завИСИ:IIОСТЬ I\Ю,J.;ет быть представлепа в ВlIде
отношенпя эффектпвных значений 'Ав и СА
ае == Ае/Се. (2.27)
Таким образом, коэффициент эффективной те:l1пературопровоц
ности, так же как и теп,тюеl\1КОСТЬ, изменяется в основном в заВllСJl
I\IОСТП от затрат тепла на фазовые превращенпя воды, которые про
ПОРЦIlональны приращению льдосодера-;ания в единпце объема rpYH
та прп ИЮlенеНШI ero температуры на 1 с:
Q == [d(JV WH)idE>]PdLO'
а'lО, м 2 /с
3,4
OO
0,4
W c Iw
Рис. 2.17. 3аВlIСIНЮСТЬ коэффицпента теМlIера
ТУРОПРОВОДНОСТП талоrо (1) п I\ПJрЗЛОI'О (2)
торфа от степеНII влажности.
теПЛО:llассоп!:реноса. И. П. Лпштваном, r. П. Бровкой, П. Н. Дави
ДОВСКИМ [19/6] предложено определять увеЛllчение ВЛЮБНОСТИ в зоне
промерзанпя торфа по формуле
L'iш == ' r l 1 Y y 'п ехр ( ) erf ( Y . ) ] ,
, d 2 а, ату .2 а ту
rде k, КОЭффIIциент термовлаrопр(нюдности мерзлоii зоны, KOTO
РЫИ численно равен ПОТОКУ влаrll при еДИНИЧНЫI rрадпенте теl\lПера
туры в мерзлой зоне; а, объемная теплота фазовых переходов;
А, теплопроводность мерзлоrо торфа; Pd плотность скелета TOp
фа; пара:lЮТР СКОРОСТII промерзания; aTV КОЭффllЦIlент диф
фузии влаrII в талой з()не.
АнаЛIIЗ фОр:llУ,ТIЫ (2.28) показывает, что увеличение В,ТIаrосодер
жанпя в мерзлой зоне определяется комплексом характеристик теп
ло и массонереноса, скоростью промерзанпя. Медленное ПрО:llерза
нпе приводпт к значитеЛЬНШIУ перераспределеппю влю'и и может
вызвать пучеНllе. Вместе с тем. в сплу деформируемости частпц торфа
БнутреННlIе наПРЮJ;:енпя в rрунтовой массе, возникающпе прп pac
ширенпи промерзающей влаrll, прпводят к уплотненпю скелета
торфа, У:\lеньшению пучения.
Но самым rлаВНЬПI фаКТОрО:lI, опреде,lJЯЮЩИ:l1 изменепие объема
торфа прп промерзаюш, является влаrонасыщрнпе. В том С,Т[учае,
коrда влаа,;ность в слабо и среднераЗЛОЖИВlllемся торфе не превы
шает 90 u полной влаrоемкости, прп за:llерзанпи в закрытой СIIСТЮЮ
(без ВОЗl\юа;:ностп подтока влаrп пзвне) увеличения объема торфа
пе пропсх()дпт.
Этот вывод подтвера;:Дается лабораторными наблюдеIIПЯl\lИ IIрИ
ЗЭ.l\lораа-;иванпи образцов, а таКIIШ результата 1I1 ВЫIIолненных нами
IIсследоваIIИЙ ПУЧИНJIСТЫХ свойств торфяной изоляцип в IIолевых
условиях. Такая изоляция южет устрапваться BOKpyr фундаментов
в качестве противопучинноЙ. Данный опыт был IIоставлен для ДOKa
зательства IIРОТJ ВОПУЧПННЫХ своЙств торфа, IIмеющеrо влаа,;ность,
меньшую IIО.тrнои влаrоеМКОСТJI.
На полиrоне в центре шурфа раз шрами 100 х 100 см п rлуБИНОII
150 си был устаповлен пучпномер конструкции Паталеева Ала
ева (НJб5). 3aTe 1 шурф с ПОСЛОЙНЫМ уплот ениеl\l заIIОЛНЯЛСЯ Bepxo
BbJl\l среднеразло,юlВШИМСЯ торфом, Ш\IeЮЩШI влажность зоо u (IIОЛ
ная влаrоемкость IУ п.е == 500 %). На поверхности торфа помеща;''IaСЬ
марка для наб:подения за вертикалыIпшI переиещениями ero ТОЛЩJJ.
Исследования ВЫПОЛНЯЛIIСЬ в течение двух Зl-ПIНIIХ IIериодов. Kaca
тсльные силы пучеНIIЯ за:lЮРЯЛИСЬ динаI\10J\lеТрО I, Сl\IонтироваНПЫI\I
на свае IIУЧJlНЮIeре 11 ПРIIкреIIленным к ero анкеру. ПеРЮlещение
сваи 11 марки ОIIределялuсь НJlвелироваНIIЮl с привязкой ОТl\1еток на
неIIОДВIШ НЫЙ анкер ПУЧИНО Ieра.
В течение первоrо ЗИl\шеrо периода ПрОПСХОДl1JIa осадка маРКII
и сваи (соответственно 1,8 II 50 :111\1), что, lIO ВllДИI\IО IУ, вызвано УIIЛОТ
неНIЮ 1 rpYHTa после установки ПУЧIIНОl\1ера. Во второй ЗИI\ШПЙ ссзон
БыIlчиванilяя не наблюдалось. Физические свойства торфа, УЛОfI-;ен
2.6.3. Теl\rпсраТУрОIIрОБОДIlОСТЬ
(2.28)
ПрII тюшературе, близкой к Е>н.з, ае сначала быстро убывает,
а заТЮI начинает возрастать, достпrая ве:шчины теl\1IIературопровод
ности полностью за:lюрзшеrо rpYHTa (а,) (рис. 2.17). При малых зна
чениях: вла;.кпости с ее возрастаНИЮI наблюдается уменьшеНIIС ко;)ф
фПЦlIuнта температуропроводности, так как прп этО 1 объеl\1ная теп:IO
еl\шоеть возрастает быстрее, ЧЮI коэффициеIIТ теIIЛОПРОВОДНОСТИ.
3аТЮI с упе.l:ИLЮПIЮI\I I!ОJJ;онасыщения 111 C/ W п > 0,3 коэффпциснт
темпераТУРОПРОВОДНОСТII увеличивается. Такая заКОНОl\1ернОСТЬ спра
веД:ПlВа кап: для талоrо, так II д.ТIЯ l\Iерзлоrо торфа.
2.7. :ИЗМЕНЕНIIЕ ОБЪЕМА
ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ I1РlI ПРОМЕР3АНIIИ.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦIl1l
Торфяные rрунты как IСЛКОДIIСIIррсные и BOДOHacЫ
щенные при прШIeрзаниИ подверrаются влиянпю теПJюфи:шчеСКIIХ,
фИЗПБо хиыических и ФИЗИКО l\юханпчеСЮIХ процессов, ноторые
фОр ПIруют их КрIIоrенную текстуру и фИЗIIчеСIПЮ своЙства. СЮlOе
существенноз ВЛИЯНlIе IIрИ ЭТО:lI оказывает l\1иrрация В,ТIаrи. Пробле
I\Ia тепловлаrопереноса, ero -влияния на криоrенное текстурообразо
вание является преД ШТО:ll J\lНОПIХ rеШ<РИОЛОI-'ичеСКIIХ IIсследованиЙ.
Их обзор, а таюr-;е результаты КОlllIIлексноrо 1Iзучения про шрзания,
II-шrраЦJ!онноrо потока влаrи и фОРl\1ир()вани:я криоrенных тскстур
J\lинера:rьных ДИСIIерсных rpYHTOB дапы в I\IOНОI'рафШI Э. Д. Ершо
Ba[197U].
Количественная оценка l\Iиrрат ионноrо потока влаrи, направ
ленноrо к фронту ПрОl\lерзания, отиосится к ЧIIСЛУ СЛOFIШЫХ задач
52
53
Horo BOKpyr пучинш.юра, определенные через два rода после укладни
на образцах, отобранных с rлубины 0,5 1\1, следующие:
р, l'/см 3 U,68 Ath' Вт/(м,Щ 0,29
rs' l'/см 3 '1,56 Ар BT/( I' Щ 0,47
W п . е 5,0 uth' lNc 0,133
W C ' Д. е. 1,57 Сш Дж/(м 3 ,К) 2177
С j' Дж! (113' Щ 1591
В течение 3lпшеrо периода темнература во BC9l\1 оБЪЮlе торфя
Ho}i ПЗОЛЯЦИIl BOKpyr пучиноыера достпrала отрпцательпых значе---
ниЙ, но в связи с незначитеЛЫIЫ1\I в,тrаrосодержанием Сl\lерзание
торфа с боковой IIоперхностью пучпномера отсутствовало, увеЛllче
ния оБЪe:lIa торфа при промерзашш не наб,тrюдалось. За два rода
произошло ero иссушеIIие, суммарная ВЛЮI;:НОСТЬ составила OIюло
160%, что равнял ось Bcero 50% от IIОЛНОЙ влаrоеl\ШОСТП. ЗначеIIие
влажн()сти определялось rлавным образом rиrРОСКОIIической ВЛal'ОП,
не заl\шрзающей IIрИ отрицательноЙ те'lшературе.
Большая rиrРОСКОIIИЧНОСТЬ торфа, незначительпая теП.1:0НРОВОД
ноСТЬ позволяют сделать вывод о ВОЗl\ЮЖIIОСТИ ero пспользования
в качестве против()пучинной теПJIOИЗОЛЯЦИIl фундююнтов и IIО;:J.зем
ных сооруа;:енпй.
На lIзменение объема мерзлых торфяных rpYHToB оказывают
некоторое влияиие объемные наIIряження при ИЗl\18неюш теl\шерату
ры. Понпженпе температуры приводит к сокращению объема частив;
rpYHTa, льда II rазов. При температуре ниже пнтенсивных фазовых
переходов сум;\[арная величина уыеньшеНIIЯ объеыа всех КОl\IпонеII
тов может оказаться больше величипы расширеНIIЯ. вы3апIIоrоo
дальнеЙШIIМ замерзанием rрунт()вой влаrи и уве.'Пlченпеl\I в объеме
незамерзающей воды.
Данные лабораторных определеНIIЙ заВИСИ:lЮСТИ CIl.:I пучения
от температуры подтверждают этот вывод [Роман, Пахомова,
1974] . Опыты IIрОВОДИЛИСЬ на балочнш.I прессе по методике
Б. II. ДаШIaтова [1953]. МетаЛJlIIческие модели ДИЮШТрОl\1 5 C1\I,
рабочей длипой 20 си вмораживались в заторфов3.нный суrлинок,
ултl;:енпый в е1\ШОСТЬ 30 х 30 х 30 C1\I, 1I30лироваIIНУЮ ОIIилками, таКИl\1
образш.l, чтобы ПРОl\юрзание ПрОIIСХОДИЛU сверху. n ПРОI\ессе про
мерзанпя терl\lОIIарами заl\ЮрЯ.1:ась тюшература по r.тrубине ПрОl\lер
зающеrо слоя, а така;:е посредством учета IIроrпба IIротарированной
баЛОЧКII дпнаl\Ю:lютра, определялись силы пучения, возникающие
по боковой поверхности 1\юдеJШЙ (рис. 2.18). ВеЛПЧIIна касатеш,ных
сил пучения возрастает в процесс е замерзания свободной влаrи, IIрИ
дальнейше,\1 ПОНН,iXеПШI температуры силы пучения Уl\ЮНЬШaIОТСН,
что ВЫЗВaJIO теl\lпераТУРНЫ1\Ш сокращеНПЯ1\Ш rpYHTa. КрОl\Ю Toro,
паЛПЧIIе растительных остатков в rpYHTe уменьшает сплы пучения
и увелпчпвает сокращепие объеl\Ia при IIонижепии температуры.
Коrда темнература по rлубине rpYHTa стабилизируется и становится
равной теынературе па ero IIоверхности, СИ.1:Ы IIучеIIИЯ таюне стаби
лизируlOТСЯ.
54
1
Рис. 2.18. Изменение касательных сил
пучения в ЩJOцессе промерзания (ис
пытана l1еталлическая 110дель d
50 lВl, l 200 мм, В110роженная в
СУI'ЛПRОК (1) П заторфовапныlt СУl'ли
нок, J от 0,1 (2); II Ieющие влажность, 0.020
блпзкуlO к ПОЛНОII влаI'ОШШОСТИ)' '
81.2 теlшература соответственно на
I'лубшlC 1, 2... см; 8 п те)шература
на ПОВС'fI"I;:НОСТИ rpYHTa. 0,018
<t, МПо
0,222
1
Для количественной оценки О. 014
темнературных деформаций rpYH '
тов IIеобходшlО знать коэффи
циент пх линеЙIIоrо сокращепия
ИШI расширенпя а... МНОl'ОКО1\ШО
IIСПТНОСТЬ rрунтовой среды, ХНl\ПI
чесное и физпческое ВЗaIпюдейст
вие меli>ДУ составляющими обус-
ЛОВ.шшают ШIIрОКИЙ диапаЗОII IIЗ t,ч
l\lеIIенпя а... Анализ ОПЫТIIЫХ дап
ных Е. П. IПушериной с соавторюш [1970] по ОIIределепIПО КОЭффJl
цпентов .п,IIпейной деформаЦIIИ меЛКОДИСIIерспых 1\пшеральных rруитоп
показывает, что а.. является аДДИТIIШЮЙ величиной, т. е. определяется
кан СУi\ОIaрная величина коэффициентов .ТIинейноrо расшпрення плп
сокращешш всех КО1\шонентов rpYHTa. При этом оказывает влпянпе
наIIравлепность ПЗ1\юнения темнературы. ПрII замерзании rрунтовой
влаrII фазовые нревращения воды обусловлпвают увеличение ее объ
ема, увеличивается в объеме п неза:lюрзшая вода (как известно, саi\юе
П.ТIотное состояпие воды наблюдается IIрИ +4"'С, дальнейшее IIОНИ
жеIIие температуры IIрИПОДИТ R уменьшенпю IIЛОТНОСТИ воды, в 1'0:11
числе II IIереохлаа.:денной). Частицы rpYHTa, лед, rазы IIрИ ПОIII-I,ке
нии температуры СIi>ИМaIОТСЯ. При прююрзаIIПИ завпсимость коэф
фицпента линейной деформаЦIIII от долевоrо содера;:анпя компонентов
rpYHTa, основываясь па указаIIIIОМ выше законе аддптивпостп, 1\Ю,I;:
но представить в виде
( atv )/ [ (ltVH ]/
а.. \ а..! (13 (Jd Pi + a.. v d8 Pd Pw a..dPd/Ps a..;Pd/Pi
[ Е W c ]
a..QPd ,
Р. P v
rде a..j, а..н" a..d' a..i, а..а соответствеппо коэффициенты ЛIIнейной
дефОР:lIaЦИН: воды IIрИ замерзаПIIИ, незамерзшей воды, скелета rpYH
та, льда, rазов, 1 'rрад; Pi, P v' Р. IIЛОТIIОСТЬ льда, воды, rpYHTa.
В случае IIовышенпя темнературы .\Iерзлоrо rpYHTa коэффициент
линейной деформации ОIIределится по той ,не формуле, но ее члены
будут иметь ПРОТIIвополоа;:ные знаки. Значения а.. для компонентов
rpYHTa даны в табл. 2.11, IIЗ кот()рой видпо, что самое nольшое влия
ппе на температурпью деформаЦIIП rpYHTa оказывают фазовые пере
(2.29)
t
55
Т а б JI 11 Ц а 2.11
3начешш IШЭффИЦIlентов лннейной деформаЦIlII
l a'10 6 при темпеР:.lт ре \
1\ОЭФФIIЦllенты от А н . з до 20 С ОбоснопаНllе
а !
30 000 ед.
Из усло ч!Я УВСЛl1чеппя объема воды на
9% ПРIl замерзаНПII
ВЫЧ!lслеН пu Сl1раПОЧНЬПl дапным за
В!lстаЮСТI1 ПЛОТН()СТII ОТ е
По Е. П. ШуruеРIIRОй с соавтораШI [1970}
То же
ПО справочным данным
Вычпслен по уравненшо rеrI ЛЮССЮЩ
для идеальных rазов
a w
("18 7,5) 1/l'рад
'10 1/l'рад
5 1/rpaJI
(54 0,18) 1/rрад
1220 l/l'рад
ad f песОК
t I'ЛlIна
а.
,
аа
ходы влаrи и Тl::llшературные дефОРllIaЦИИ rазов. Сокращение объеllIa
rазов и скелета rpYHTa при охла;.тщепии, создавая. вакуум, на паш
взrляд, является одной из ПРIIЧИН ыиrрацИИ влаrи в rpYHTax к фрон
ту промерзания.
СIIраведливость уравиения (2.29) для торфа IIроверялась .'Iабо
раторньши ОIIытами па образцах сечением 5 х 5 C\I, высотой 20 см,
заморOJ-ъ:енных IIрИ температуре 2,5 С, а затем ОХ;:IaFI,даемых до
темнературы 8,50C. В процессе IIонижения темнературы замеря:rась
продольная И ПОIIеречная дефОР:\lация образцов ИПДIlкаторю[и часо
Boro ТИIIа с ценой деJIеНIIЯ 0,01 мм. I- ривые заВИСИI\ЮСТИ деформации
от температуры и времени IIршюраа,иваНlIЯ (рис. 2.19) построены
по опытным даПНЫl\I, IIоJIученIIы:l1 с трехкратной повторяемостью.
Физические свойства rpYHTa, значенип а (опытные и ВЫЧIlСJIеIIные ПО
формуле (2.29)) IIредставлепы в табл. 2.12.
Начальный период ПОПIIЖШШЯ тс;\шературы характеризовался
оБЩIIlII увеличением объема. Значешш а для этоrо участка кривой
т а б л п ц а 2:12
Физические свойства Ilспытаниых (JбраЗJ U\J среднсраЗJIОЖIlВшеrОСfl торфа
При 8,50C a.l0 6, 1/l'рад
М р, РО' W,
об раз r Iсм З r Iсм З r/см З Е \
ца W. W H "Iпо формv
, ОПЫТНЫIl ле (2.29)
1 0,97 1,63 7,3 '12,58 6,29 1,01 6 1!Ш
47 118
2 1;12 1,63 5,77 8,88 4,83 0,94 19 184
-=28 50
3 0,97 '1,63 4,57 8,37 3,67 0,9 9 184
26 13('
4 0,96 '1,63 2,96 5,74 2,02 0,94 34 '180
35O 200
56
Рис. 2.19. ИзменеПl1е линейной деформации
среднеразложпвruеrОСfl торфа, ПI\ЮlUщеl'О
разлпчную вла,I>НОСТЬ (см. табл. 2.12), в про
цессе понишеНПfl тсыпературы. 1 4 но ш
ра образцов.
Ah'1O 2, мм
8
4
....... 1
........... ......
3
.......
....... t----. 4
о
1
привсдены в числителе (с:\[. табл. 2.12).
ЗаТЮI ПОСJIе замерзаНIIЯ ВJl3ПI COKpa
щаются раЗllШрЫ компонентов rpYHTa lб
при ПОIIП;.I.;еНИJI теllшературы. Для об 28
разцов с I\[алой влажностью сократ,&--
ние IIревышает расшнреIIпе, в связи с 40
чем наблюдается общая осадка (С:\I. рис. 2; о
кривые 3, 4). Зиачения а, полученные
по это:\[у участку кривых, приведены
в знаllIeнателе.
При расчете а торфа по формуле
(2.29) зпачение а т припималось равньш
(54.10 6) 1, rрад (как для древесины по
перек волокон). Опытные данные IIоказаЛII, что для :\[ерзлоrо TO{r
фа КОЭффИЦИСIIТ теl\[пературноrо сокращеIIИЯ после ПрОl\1ерзания
паходптс;я в хорошей корреляционной свпзи со стеIIенью BOДOHacы
щенпя (рис. 2.20) и с ее уве,lIlIчениеl\[ Уllшньшается.
АнаЛIIЗ результатов исследоваНIIЙ физическпх свойств мерзлых
торфяных rpYHToB IIоказывает. что дпапаЗОII НЗI\Ieнепия величин их
характерпстпк весьма шпрок II ОIIределяется rенезисом. Объединить
торф II I\[пнеральные rрунты различноrо состава, содерjЕащпе растп
тельные остатки, в единую rрунтовую катеrоршо торфяные rpYH
ты стаНОllПТСя. ВОЗI\IО,hНЫI\I лпшь на основе раССl\[отрепия обоб
щеНIIЫХ пара:\ютров физических свойств. Основными IIЗ них являют
ся заторфованность J om , обобщающие влажностные критерии спм
плексноrо тппа (Wc/W n , fV л/Wп, WиIW п ) , а также параметр k 8 "
определяющпп ОТIIосительное содержание твердых КОl\!понентов rpYH
та (орrанпческих, l\Iинеральных и льда) в еДIIнице объеl\Iа IIрИ Ka;.E
дОМ фИКСIIроваIIIIЮI значеНПII отрицательной темнературы.
Нз Те:\шературных факторов, влияющих па фII3Iшо мехаНIIче
ские свойства l\IерзлыХ ТОрфЯIIЫХ rpYHTOB, выделяетсп температура
начзла замерзания rрунтовой влаrи Т Н.3 И текущее значенпе TeM
пера туры Т. Их отношенис представля
ет собой теМIIературный СИМIIлекс
Т/Т Н.3, величина KOToporo (шределяет
степень структурных IIреобразоваНIIЙ,
вызванных ПОНПfl,еппем темнературы от
4
4
\
,
'\
,
8
еОС
, о
30
70
. t,ч
d-lO 1/ 0 С
400
о
. 1
02
200 ·
о
0,8
Рис. 2.20. 3аВI1СИ)IОСТЬ КОЭффI1цпента те]\[пе
paTypHOI'O СUК]J1\щения l\1ерзлоl'О торфа от
степеНII водонасыщенпя.
1 значеНl!Н, ВыЧIlСJРlIные по фОРI\Iуле (2.36), 2
опытные.
.
0,9
57
.1
начала РIIсталлизации rрунтовой влаrи до любоrо значения те:\1пе
ратуры.
Перечисленные -критерии позволяют свести -к обобщеПНЫ1\1 по-ка
зателям множество э-кспериментальных зависимостей теплофпзи
чес-ких хара-ктеристи-к, а та-ка"е разработать -компле-ксный подход
-к оцен-ке поведешIЯ мРрзлых торфяных rpYHToB под наrру3IШЙ по
вре:\lени на основе синтеза современных представлепий о физпчес-кой
природе прочности и о за-кономерностях ме.\.ани-Ки твердых тел.
Вследствие TaEoro подхода o-казалоСЬ ВОЗ1\lOfl"НЬПJ пспользовать -ки
нетичес-кую теорпю прочпости твердых тел для проrпоза длител пой
прочности и методов аналоrий для проrноза длительной дефОР1\шруе
мости мерзлых торфяных rруит()в (С1\I. rл. 4 и 6).
f Л АВА
3
МЕХАIПIЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
l\IЕР3ЛЬLх:. ТОРФЯНЫХ fPYHTOB
чести, п.?зво;rЯЮ lе проrиозировать дефОР:\IaЦПИ мерзлых rpYllT()U
на любои заданныи иериод времени. Основные ПОЛОfl"ения реолоrИI[
rpYHToB сфОР:\lулировапы С. С. ВЯЛОВЫl\l В книrе «РеОЛOl'ичес-кие oc
новы механики rрунтош} [1978].
Начиная с НIlЮ r., опубшшован ряд работ по реолоrии мерзлых
rpYHToB JI льда С. С. Пяловьш, Н:. Ф. Пойт-ковсюш, С. э. rородец
ЮI1\1, Е. Е. rречпщевым, Ю. К. 3ареJ -КИl\l, Р. В. Ма-ксимяк Н. К. Пе
-карс-кой, Е. П. ШушеРIIН()Й, Б. д. Чумичевым и др. '
С peO,:-IOrичес-ких позиций рассматриваются свойства мерзлых
rpY!IТOB в -книrе Н. А. Цытовпча «Мехаюша мерзлых rpYHToB>)
[19/3], а таюие в 1\lOпоrрафпи «rеотеХIIпческие вопросы освоения
Севера>) [1983], написанной известньши специалистами в области
мерз.'IЫХ rpYHToB II ,пьда из США, Капады, lIIвеЦIIИ под редакцией
О. Б, Аидерсленд и д. М. Андерсона, в -которой при рассмотрении
механических СВОИСТВ в основу полоа-;ены уравнепия ползучести и
длительной прочности С. С. Вялона.
При исследовапии механичеС-КIlХ свойств мерзлых торфяных
rpYHToB веСblШ ва.+;но выявить специфичес-кие особенности и разра
ботать способы их учета. С этих позиций рассматривались нами co
противления мерзлых торфяных rpYHTOB основиым ВIЩЮI наrрузо-к
одноосному са"атию, раСТЮhенню, сдвиrу по повеРХНОСТЯ1\1 С1\lерза
пия, вдавливанию сферичес-коrо штампа II т. д.
IIсследоваиия пыполнялись в полевых и лабораторпых услови
ях. Основная часть натурных опытов была проведена па севере
КО1\ПI АССР (испытаппя сферичес-кпм JПта1\JПО1\I, испытания сваЙ,
вмороженных в торф) и в райпе r. CyprYTa (исследование осадо-к
торфа при оттаивании с помощью rорячеrо штампа).
Лабораторные опыты, пкшочающпе испытание па однооспое сжа
тие, растяа-;епне, продавливание моделей свай, ВМОРОFI"енных в TOp
фяные rрунты, испытанпя шаРИ-К()ВЫl\l штампом осуществлялпсь,
rлавным обраЗО:\I, в подземных лабораториях, устроенных в вечно
мерзлоЙ толще rpYHTa (в Норильс-ке лаборатория Норильс-коrо
отделепия Красноярс-коrо ПРО1\lстроЙIППIпрое-кта; в Я-кутске ла
бораТОРIIII IIнститута мерзлотоведения СО АН СССР и филиала
3абайкалпромстроЫПIИпрое-кта), в отсе-ках которых сохраняется
естественная отрицательпая температура. Использовались также для
лабораторных испытаний холодильпые -камеры и IIзолированные
помещения, охлаащае1\lые в ЗIIМНИЙ период холодным ВОЗДУХО1\I.
Образцы ненарушенноrо сложения вырезались из -кернов винто
вым прессом, а та-кже с помощью сверлильноrо стан-ка оборудовап
Horo полой фрезой. Приrотовление образцов HapymeHH ro сложенпя
осуществлял ось слеДУЮЩIIМ образо'\!. Торф и rрунты, содеРfl"ащпе
растптельные остат-ки, в воздушно сухом СОСТОЯШIИ просеивались
через сито диаметром 2 мм, увлаЖНЯЛIIСЬ и выдера"ивались 48 '1
в водонаСЫЩШIНО:\1 состоянпи, затеи на та-кой же сро-к rруптовая
масса помеща,пась в сосуд с перфорпрованпы1\ дном, ПOl{рытым
фильтровальпой БУ1\шrой, тем са1\IЫМ предоставлялась возможность
свободноrо оттока воды. При Уlшад-ке в фОр)IЫ для приrотовлешlЯ
образцов в,тша"ность rрупта была близ-ка -к естественной влаrое1\'ШО
J\lноrочислеIIные исследоваНllЯ по-казывают, что в
мерзлом состоянии торф проявляет основные реОЛQrичес-кие свойства:
ползучесть, рела-ксацию, спижение прочности во вре!llени. 1I0зтому
исследоваIIие ero поведепия под наrруз-кой дола"но проводиться
с позицпй современных представлепий о реолоrпчес-ких свойствах
1\Iерзлых rpYHToB и льда. П последние rоды веСblШ шпеНСIIВНО про
исходит становление реолоrИII rpYIIToB, -ка-к са)lOстоятельпоrо нап
равленпя. Не останавливаясь на сост()янии исс,педопапип, которое
очень обстоятельпо приведено в мопоrрафии С. С. Вялова «Реолоrп
чеСЮlе основы мехапп-ки rруитов>) [1978], у-каже1\l толь-ко, что II :\ш
хани-ке мерзлых rpYHToB вопросы реолоrпи развиваются весьма пло
дотворно ввиду Toro, что паЛIIчие в них льда и неза1\Ieрзшей воды
обусловливает харю{терное проявлеIIие реолоrичесюп:: свойств. Еще
в раниих псследованиях мерзлых rруптов Н. А. ЦЫТОВllче:\1 п ero
СОТРУДПIшамп было обращеио ВНlIi\Jaнпе на пластичность п текучесть.
. В дальнейшем при пзучепии длительной прочности 1\1. Н. rо,'IЬД
штейн [1948] использовал теорию рела-ксацип Ма-кспелла Шведо
ва. В 1959 r. издана i\юноrрафия С. С. Вялова «Реолоrпчесюю свой
ства и несущая способность мерзлых rpYHToB», -которая ПОЛОfI"пла
начало формированию реолоrПII мерзлых rpYHToB -ка-к самостоятель
Horo направления. В результате этой работы установлено, что в
процессе длительноrо деф()рмирования в мерзлых rpYHTax развпва
ются все стадии, харю{терные для -класснчес-кой подзучестн: HeYCTa
новившаясн ползучесть, пластично вяз-кое теченне с ПОСТ()ЯIIНОЙ
с-коростью и проrрессирующее дефОРШlропание.
3ате:\1 шпро-ко поставленны1\I исследованиями под руководством
С. С. Вялова выявлены -критерии длительной, сопосташпюй со cpo
-ками службы сооружений, прочности, получены уравнеппя ползу
58
59
сти. послойное трамбование и УПЛОТIIеIIие образцов на вибростоле
обеспечивало формирование монолитной криоrенной текстуры и CTe
пень водонасыщепия, равную 0,85 0,95.
Таблпца3.1
Прll Шр с:!'атистической обработки результатов определеНIIЯ относптельноii
продольнои деформаЦlI1I б сбразцов l\lерзлоl'О торфа (1lспытания на одноосное
сжатие; давление 0,5 :МПа; температура 4,50C)
3.1. ПОЛЗУЧЕСТЬ МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ I"PYHTOB
НА ПРИ:МЕРЕ ИСПЫТАНIIЯ
НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ
Qтносите.тlьная осадна
идентичных об ра зцон 6 ; 6cp !ii
Время от Ha 6.10 4
чала за rpy 3 I I I I I А. А р, %
ЮI t, с ,
6, 6. 6, 6 ср 6, 6. 6з
нио 1,87 1,81 1,32 1,67 0,2 0,14 0,35 0,801 0,558 34,0
1800 2,25 2,21 1,67 2,04 0,21 0,17 0,37 0,324 0,230 11,2
3600 2,50 2,64 1,93 2,36 0,14 0,28 0,43 0,376 0.267 11,3
7200 3,16 3,25 2.22 2,88 0,28 0,37 0,66 0,571 0;405 14,0
28 sпo 3,84 4,33 3;32 3,83 0,01 0,50 0,51 0,505 0,358 9,4
343 980 5,53 6,23 4,45 5,40 0,13 И,83 0,95 0,897 0,636 11,8
432 000 15,83 6,85 5,27 5,98 0,15 0,87 0,71 И,801 0,568 9,5
:Классическим испытание)!, устанаВТlИвающим xa
рактер реолоrических свойств мерзлых rpYHToB, является одноосное
сжатие. Материалы ИСIIытаний мерзлых торфяных rpYHToB на OДHO
осное сжатие немноrочисленны. Нам известны лишь работы r. л. :Кa
raHa [1971], П. И. Романенко, Н. П. Давидовскоrо [19Ы]. В НПХ
рассматривается только l\IерзлыЙ торф без минеральных rpYHToB
с раСТIIтельными остатками. УказаННЫМII исследоваПIIЯ,)lИ yCTaHOB
лено, что с ПОПИil,ением температуры увеличивается УПРУl'ОСТЬ
l\Iерзлоrо торфа [1 меняется характер дефОрШlровапня. В пределах
температур ИIIтеIIСИВНЫХ фазовых переходов от В н . з ДО 7 ---;--. 10=С
на кривых теченнн выделяются две зоны: (шьютоновскоrо» течения
с наибольшей вязкостью при неразрушеННОII структуре II «шведов
ской» ползучеСТII, характеризующейся предельпым наПРЯiБеНIIе)1
СДВIIrа и наибольшей IIластической вязкостью. При температуре
100C исследованные виды торфа деформировались как (ШЬЮТОIIОВ
скне» тела без заl\Iетных про явлений «шведовской» ползучести.
В паших опытал на одпоосное СiБатие IIспытываЛIlСЬ цилиндр:и
ческие образцы, высота которых рапнялась примерно двум ДIlамет
рЮI (lL == 110 мы; d == 50 '\ш), что, как известно, обеспечивает paBHO
)lepHOe распределение папрюкений по всему объему образца, замо
раrl>IшаНIIе осуществлнлось в l\Iеталлической опалубке при темпера
туре IIроведепия опытов. Распалубка образцов производилась He
полпая: СIIимались хомуты и полукольцевые стенки цилиндра. Пла
стины па торцах образца оставались ПрIIМОрОfI.еННЫ1\ПI к He)l)' на
весь период ипыташш, обеспечивая равпомерпость передачи напря
,пения. Статическая иаrрузка задава.'IaСЬ с помощью рычаЖIIоrо
пресса и оставалась постоянной в течение опыта. Продольные 11 по
перечные деформации заяеРЯЛIIСЬ IIНДИl{атораl\IИ часовоrо ТIIпа с
ценой деления 0,01 1\Ш. Опыты ВЫНОЛПЯШIСЬ С 3 5 разовой повторя
е,\юстью. При статистической обработке определя.:шсь: средняя KBaд
ратическая ОШIIбка отдельнnrо IIспытания A; + }I f I'1У (п 1);
средняя I{вадратичеСI{ая ошибка срсднеrо арIIфметическоrо .d ==
== Ai/Vn; ОJlшбка отдельноrо испытания р == Ц:б ср ).100%; п
ЧIIСЛО повторпых испытаннй идеНТIIЧНЫХ образцов; б ср средпе
аРИф'\IеТIIческое значеIIие ОТНОСIIтельной продольной дефОР)IaЦIШ;
1'1; приращепие ОТПОСIIтельной дефОР"Iат IШ, равное I'1 ; == б i б ср
(табл. 3.1). Фпзические свойства испытанпых образцов приведены
в табл. 3.2. Нз IIостроенпых по даIIНЬПl испытаний кривых ползуче--
60
стн (рис. 3.1, 3.2) достаточно наrЛЯДRО ВИДIIО, что увеЛIIчепие coдep
жання растительпых OCTaTI{OB и повышение температуры vве,lIИЧИ
вают скорость дефориации. IIнтеНСИВIIОСТЬ ползучести заВИСf;Т таКiБе
от влаrосодер;.тШНIIН. '!:ак, еслп при влааШОСТII И Т == 2,4 (ДО:ПI еди
нпцы наПРЯiБеШIe О,, J\IПа вызьшает в торфе при Тс'\шературе
5,5 С ПОJIзучесть (' постояпнои скоростыо (см. рис. 3.1, в), то при
W == 10 Да/Ее l\1еиьшее наПРН;-I>енпе ПРИВОДIIТ к проrреССИРУlOщеl\1У
течению. .
в мерзлых торфяных rpYHTax проявляются все типичные CTa
ДУШ ползучести, выделенные при исследовапии характера реОЛОl'И
ческоrо поведения мерзлых шшеральных rpYHToB [Вялов, 1978]:
Т а б л 11 Ц а 3.2
ФIIЗII'IеСКllе свойства образцов ЗПТОрфОВПIIНОЙ супеСIl I1 торфа, IIcIlbITaHHbIX
на одноосное сжатие
П:IOТНОСТЬ r,ll\13
"",, Влаж В:ш н;ность Температура
оuраз-- Вид rPYHTa за счет неза нача:ш замср
частиц насть, мерзшеЙ ,юды за НIIН rpYH
ц;] rpYHTa срунта д. е. при e 4,5 C ТОВО й В.:Iаrи,
С
I 3аторфованная
('YlleCb, J om 0,1 1.7 1,78 2,61 0,3 0,35 0,15 0,17 o.01
:lптuрфованная
('YII('('[" J om 0,3 1,65 1,68 2,52 0,6 0,8 0,2 0,01
:\ 'I'III'Ф всрховоll,
11 У 111111 \1'111 l сфаI'НО
1Il,lii, IJ 30% 1,05 1,09 1,51 2,2 2,35 0,9 1,3 O,O1
4 'I'III'Ф III'I'ХОПОй,
"УIIIIЩI'III,lii, JJ
= 1;'00. 11I'lIaI'Y
ШСIllЮl'О CJIOll\C 1,O1 1,02 1,5 9,5 10 1,6 O,O1
НIIЯ
61
а
1,0
0,5
3 6
2
1
о
6,МПа
0,4
о
8
o.1O 4
8
б,МПа 0,6
" '"
а
, '
,
8
12
16 t,ч
2
6
t,ч
4
8
д'1O 3
6
4
2
о
8
12
16
20 t,ч'
4
/'''''. :J ,} T;pIlIlЫ ШJJlзучеСТl1 !СРЗЛОI'О BepXOBOI'O ИУШl1цево сфаrновоl'О торфа
(lI(jра:ЮI\ З) IIIШ т мпсратуре 10C (а) I1 2,5 С С (6).
I 1II')I'I'allollllllllla}I('1I ползучесть; II плаСТИЧНО Вflзное течение;
111 11 рОI'Р('СI'llр)'ШЩОО теченпе. В торфе ДШlТельноrть первой CTa
1.1111 111'111',11111\:1, olla прантичесни сразу переходпт внезатухающее
11.'101('1'11'1110 1I1I:II{Ое течение. Даже при незпачите;rьных напря;.-r,еииях
;\,II')'\aIOII\aH ползучесть пе IIаблюдаотся. l{оrда напряшенпе превы
IlIа"l 1111(11')\1'.'11'111100 значеНIIе, ноторое 1I10ЖИО назвать предеЛО1\I дли
1(',III,IIIIii IIII.II:I)"JOCTJI, аналоrIIЧНО тому, нан это преДЛОihено
1,', ф, J\lIiiТI\оЩ'ЮШ [1960] для льда, незатухающая ползучесть пере
\ 0)1111' 11 (' ПIJ\IIIO проrрессирующеrо течепия. Эта стадия сопровоа-;
'.11' 1'(" JI 1111 1"( '11 ('111111 Ы.\1 на растанпеll1 дефОрll1аций. Поперечное сечение
or'(I:I,lI(a ) 111',11 11 '111 lIаотся без паруше
111111 l'II.IIOIIIlIOCTII. Харантер дефор
\lIII'ОIl,IIIШI (pIlC. 3.3) lI1ерзлоrо TOp
фll 111101.1101'11'11'11 тановому для льда:
да,1;1' 11 1111 ТР1\Iпературе НJlа,е Teы
111'1'111')'(11,1 IIIIТОПСПВПЫХ фазовых
1I1'(lt'\OJtOIl IIР:ПIaчительные напря
I.I'IIIIJI 1lIoI,IIoIВШОТ замеТIIУЮ дефор
MIII\IIIO.
) .IIH заторфоваНlIЫХ rруптов
1111 11'(l1' умсньшеНJlЯ заторфован 0,2
4
16 t,ч
0,5
0,36
0,2
4
12
16 t,Ч
в
"", ," ,'/ :lаIlНППЮСТЬ СКОРОСТI1 OTHO
, 1111' '11,111111 III'Щ\Юl от напряжения для
. 1111.1111'11.'1,111'1"(,1\ "рунтов (2, 3, 4, по дaH
111,1\1 1:. 1: ",I}IIIIIiI, В. В. Доку'шева,
Jl, 1', 1I1"IIIII(Malla I [!Э76]), льда 11 торфа
(/, ,) 1111 ,\.111111,1\1 .штора). Ав 1 (1),
",К (:!), 11,1; (.'1), 0,11 (4); J от 1 (5);
н З,I) (1), 3 (2 4), 3,8 (5).
Рис 3 1 hрпвые иолзучести и пзохронныс крпвые для затор оваННОII. супс
. . J . о 1 ( а об р азец 1), J 0,3 (6 образсц 2) и ВСрХОВOI'О
си при от ' от EJ 4 50С
пушпцево сфаl'новоrо торфа (в образец 3), , .
д'1О 3ч 1
0,3
1/
/8 '.
8/ / 4
I
8
0,1
/1. /
.....0 ::: "./ 8
........;::.......""'" /8 А /8
:::::;? .... .c::::::8.......:::::::. J.......
о
0,2
0,4
0,6 6, МПа
63
nостн предстаR.ТIяется возможным выделитЬ участон с пренебре;-r-;IНIO
пезначптелыl:ш.II деформация ш, нан это харантерио для МИllералъ
ных rpYHToB. Сопоставлеllпе З,:lВИСП!\IOсти б о для торфа, льда
и сильнольдистых rpyHToB (см. рис. 3.3) поназывает, что при незна
ЧIIтельнЫХ иаrрузнах снорость дефОР1ШЦШI льда выше, чем торф
:и льдпстых минеральных rpYHToB, по шре увеличения напряжении
снорость течения торфа, нан и льда, становится меньше, че!! мпне
раЛLПЫХ, да;.l{е сильнольДИСТЫХ rpYHToB. Это соrласуется с данньвПl
Н. Н. ПенарсноЙ [НН51, 19G3], установпвшеЙ уназанпое соотпошение
для мерзлых rруптов разлпчноЙ нриоrенноЙ тенстуры и льда. Оно,
очевидно, обусловлено соотпошепием КОЛIIчеств льда нан OCHOB Horo
цементпрующеrо ншшонента и незамерзшеЙ воды, ослабляющеи цe
ментацпопные связи между прослоЙна:\ш ,ТIьдa и частицами rpYHTa.
Соrласно опытным данным С. С. Билова [1!:J59], Л, П. fавелиса
:и [. Н. l\IаНСИl\Iова [1959], часто располоп:.;енные включения льда
при одпнановоЙ ЛЬДIIСТОСТ:И более способствуют уменьшению продель
но длительной прочности и увеличепию деформируемости rpYHTa,
чем внлючеПIIЯ большей толщпны, но располоп:.;епные реже, тан
нан в этом случае площадь нонтанта их с МIIнеральпьпш части:ца:-.ш
будет меньше, и, следовательно, будет меньшее ноличество пезамерз
шеЙ воды при ПРОЧIIХ равных условиях.
Кан п уназано в работе С. С. Бялова, Б. В. Донучаева II
Д. Р. ШеЙнюraна [197G], при рассмотренпп СlIЛЬНОЛЬДИСТЫХ rpYHTOB,
отмеченный харантер дефОР:ШlровашIН не означает, что деформации
основания будут меньше в Т01! случае, коrда оно сложено мерзлы
ми торфамп илп льдом, так нан харюперпая для них незатухающая
ползучесть ПРИВОДIIТ к длительньв! деформация)!, протекающпм в
процессе всш'о срока энсплуатаЦПlI здаНIIЙ. f ршre Toro, деформации
течения возпинают в r()раздо большом иассиве льда и торфа, чем
1\ПIНсраЛЬ1l0rо rpYHTa. ,
Б ЦОЛОМ анализ результатов исследования реолоrпчеСЮIХ
своЙств мерзлЫХ торфяпых rpyHToB поназывает, что для торфа и мине
ральных rруптов, IIмеющиХ заторфованность выше 0,3, деформаЦIIИ
носят вязний харантер с преобладаШlе1! стадпи установившеrося
течения. Причем, ОС ли напряжение не превышает пенотороrо предел
назьшаемоrо по Н. Ф. ВоЙтковсному [19GO] пределом дли:т льнои
ползучеСТII Од.п, то стаДIIЯ установившеrося (с постояннои c
ростью) вязноrо течешш продол;-r-шется неоrраниченно долrо. Еслп п:,е
о > о то "становпвшаяся стадия переходпт в стадию проrрес
д.П, J ( <) f. ) Д е ф о р
сирующеrо течения с возрастающеи сноростыо P !C, иЛ, а. ,
мациопные своиства мерзлых за
торфованных rpYHTOB при заторфо
ванности меньше 0,3 приблш-кюот
ся по свое,,!у харантеру н свойствам
Б
а
6'1 6g (\
о t
64
о
6
о
\11'1',1.'1101\ минеральных rpYHToB с выраа.;енной стадпей затухающеЙ
11",11) 'II'('ПI. НО из за большоrо содержания- незамерзшеii воды и
1111 '111'11111 растительных остатнов в заторфовапных rpYHTax больше
11 1" 'IIII.JI JIIO'I'СЯ пластнчеснпе свойства. 3акономерностн деформпрова
111111 I .JIII IIIIX отражаются типичпымп нривыми ползучести (рис. 3.4,
('). 111'11 IlaпряжеНI1I1, меньше;\1 предела длительной прочпостп 000,
}I'III IIII\: отмечается затухающая- ползучесть, а при папрю-кенпи,
111'''1I", III<llOщем уназанныЙ предел, пезатухающая ползучесть.
J <lI\IШ образом. для торфа п сильнозаторфованных rpYHToB
1I,IIII'";I>t'IIIICM, опредеЛЯЮЩИl\IДОПУСТИМУЮ иаrрузку, может быть прп
11111' 111"'j(СЛ ДJII!'I'ОЛЫЮЙ ползучести (предельное напряшенпе, прп
1\01 I'OM 110 пас'l'УППТ стаДIIЯ I1роrрессирующеrо течеПIIЯ), а для
('.'I<lоо,\а'l'()рФтI:lIlПЫХ, нан 11 l\[IIIIрралыIх, предел ДЛIIтельноЙ проч
110(''1'11 (11<111(111;1;('1111('. ,П,О ПРОIIЫIIIОППЯ KOToporo деформацпп затухают,
11 1',\,11') 111('1111(' Щ' IIрОIlС\:ОЮrт). .
:1.2. (») IIO()CIIOE РАСТЯЖЕНПЕ
(:0111'01'1111.'11'1111(' раСТШI,ениlO мер:шых rpYHTOB, в то:\[
'1111 '11' 11 '1111''''11111.1 \, II.IY'II'IIO IIСДостаточно, очевпдно, в силу Toro,
'11О "1'''1 IIII)\ (I,I.I(I)'III('IIШI IIС ЛU,:Jяется харантерным прп непользова
111111 11') 111'011 1\;\1( Щ'lIоuаllПй. Однано сопротпвление растяжению
11/111,'1) 'IIIIIШ Ofi(l<l.IOM раскрывает прочность впутреннпх связеЙ, так
1\,11, 1II'I(,IIО'I<lI''I'('П IIЛIIЯЮIC тренпи п уплотпения. Большинство рабuт
11" "0111'01'1111.111'111110 растяженпю мерзлых минеральных rруптов co
J "I'.I"II' j(alllll.11' IIсслсдованпЙ при быстром воздеЙСТВIIИ наrрузок
1111....'(11'1\<111. I!l(i::; lПушернна, 1974]. Опыты на длптельное ВОСПIJIШ
'1'111' 1',1,11'101 11<11011(11 '{ паrрузOI{, проведенпые С. С. Бялопы;\! [Н)59],
1101\",11,111;1101', '11'0 lIIrHOBeHHoe сопротивление растяженпю в 1 5
, (I<I,\а Go.rll.1II0 Мl'иовенпоrо сцеплепия, а длительное на 50
П(l" L 1
I 11 Ш'III.IIIС. '1'0 же касается мерзлых торфяных rpYHToB, то co
111'01'1111,11('11110 ИХ растяrивающим наrрузнам практичеснп не IIсследо
11/1110. ) <lllIlые [. Л. KaraHa [1971], И. И. Ромапенно [Ртшненко
) /lllIli ОIll'IШЙ, 1981] относятся шипь к отдельпым впдю! торфа ПРI
I'}(IIIIII'IIII,I\: :1пачениях температуры. Сопоставление крпвых ползу
'11'(' 1'11 11 (111 растяжеНIПI и сжаТШI поназало, что незату.хающая пол
a)"II'(''I'I. 11 ус.ТIOuиях растяжения возникает прн меНЬШЮI иапряа.;епип,
'I(,Ц 11 уе.ТIOВИЯХ са.;атпя.
1II,IIIолпонные нами опыты по определенню сопротивлепия pa
1'111.1;\'111110 морзлоrо торфа пропедены для ШIIрокоrо диапазона TeM
III'I',I" 1'101 (O'l' 0,5 дo 25 С). ДЛЯ иснытаннЙ IIспользовались приборы
1\111\" 1,1111'<1, ааl'ружае1!ые с помощью рычаrов. Uбразцы rотовплись
11 "'01"1,1 \ 11 IIlIде восмерон нз просеянпоrо II увлажненпоrо rpYnT<t.
111-111,11',1111,1 1'<1.'.';1>0 образцы BepxoBoro, сильноразлоаашшеrося торфа
111'11"1')'1111'1111011 ('трунтуры. которые выдаВ.шшались из талоrо MOHO
.JIII'.':", <1 аа "(' I :Щl\[ораживались. Лед rотовился нз педпстпллнровап
поп IIOJ I.I, I(оТОl'ан заЛI1валась в фОр:\IЫ СЛОЯИН по мере замерзаНIIЯ.
3arpya,-ollllt' uсущсствлялось за 5 20 с, и I1аrрузна поддерживал ась
t
Рис. 3.4. I рlIвые ползучеСТII мерзлых
торфяных I'РУНТОВ.
а торф Il затuрфованные rрУIIТЫ прп J от <
< о 3' б заторфованные rpYHTbI прll J oт >
, , > 0,3.
5 л, т. Ршш.п
65
. 6,ю 5 Па
;30
а
<'<,10 5 Па
. 3 04 .5'
.
.1 62 "3 04
б,1О 5п ;;
12
6
..
f....-
..........,
,',
10
5
О
.. \
2
8
б t,ч О
:,
о
8 t,ч
б
4
!ОО
200 t, ч
1
,.,
3
4
5
6,10 5 Па
25
20
15
Рис. 3.5. 3аВПСIШОСТЬ СОПРОТlIвленпя растяженпю ICрзлых I'РУНТОВ от BpC
}ICнп воздсiiСТВIIЯ HarpY3KII.
а е 80C; 1 дед; 2 торф ("'11 4,25, D 40%); 3 cyrJlIНOH; 4 супесь;
:; торф ("'11 6,15, D 15%); б е 4,50C, 1 торф (\'11 3,0, D 20%);
2 торф ("V 2,05, D 20%).
/'''1' ,,/1;, :laIIlII"lI\IOC'I'[, СUllротпвлеНIIЯ
1'111''1"11'111'1111 ю Мl'I':ШОl'О ПУIIПII СВО
I фа 1"111111111'11 '1'lII'фа пспарушенноl'О
1',IIflilll'IIIII! ОТ ТС)llIсратуры.
I ..... ;:0' (:; 2..... 1" ( ; 3 6,5 0 С; 4 4:,5 0 С.
10 15 8, ос'
Рис. 3.7. 3авпспмость СОПРОТIIвленпЯ
растяжению мерзлоl'О ПУШIщсво сфаr
HOBoro торфа от те шературы при раз
ЛIIЧНШl времени ВОЗ;l;СIlСТВIIЯ Hal'pY3KII.
1 5 мпн; 2 6u ч; 3 2uu ч.
11 III' I l(р [('птar IIOННЫХ Связей по сравнению с rлинистыми II песчаны
ЩI 1'(lYIITaМI Что же насается чистоrо льда, то он всеrда содер;'ЮIТ
:I:IЩI' IЛРIIIJЫИ ВОЗДУХ, нарушающий сплошность сечения, в связи
(' 'lI'М еео сопротивление мепьше.
11 () даШIЬПlI испытаний BepxoBoro пушицево сфаrновоrо торфа
I1l'llа(lушепноrо сложения (образцы вырезапы из талоrо l\lOполпта
11 :lат('м заморожепы) видно, что че 1 выше температура, Te:\1 иптен
:' IIIII('C происходит СШI;'Rение ПРОЧПОСТII во времени (рис. З.6, З.7).
I ;11(. прочность за 21,0 ч при те!\lпературе 4.fjoC снизплась в 2 7 pa
:101 110 сравненпю с мrповенной. при 8,OC в 1,7 раза, при 200c
11 1.;' pa:Ja. Торф непарушенноrо СЛО;'I.;ения обладает более высоной
11 (lОIIIIOСТЬЮ, ЧЮl образцы, иснусственно приrотовленные нз этоrо
;1;1' 1I1,lсушснноrо просеянноrо, а затем увла;нпеппоrо п заморожеII
1101'(1 "РУlпа: при теl\lпературе 220C и напряжении 21.105 Па в T()P
фt' IIРllарушеннои струнтуры разрушение произошло черf'3 47 ч,
:1 1\ IIСI{усствеппо прпrотовленном образце всеrо через 40 Ч. YCTa
IIОI\ЛРllО ТЮ{fJ.,:е уменьшение прочности с Уllеличенпем степенп раз
.IIО;I;t'IIШI торфа: прп те;,шературе 60C
11 1I:lIIIHI;-I>('IIПП 18.105 Па вреl\1Я до
1',1;'(11.111;\ срсдперазлоа-ашшеrося торфа
(1) (lIIII, W 4,77) состаnrшо
постоянной до МШlента разрыва. Процесс сни;,кения прочпостн ныяв
лялся испытаПIIе 1 идентичныХ образцов раЗЛИЧIIЫМИ, но постоян
ными при наждом испытании наrрузнами.
Результаты испытаний поназьшают значительное В.пияние на
прочность вре lеннбrо фантора: при увеличении напряжешlН период
до разрушенпя сонращается (рис. З.5, а, б). Физичесние свойства
трунтов представлены в табл. З.З. Нан l\IОЖНО видеть, (J при разрыве
мерзлоrо льдонасыщенноrо слаборазложившеrося торфа оназалась
больше, че 1 льда, суrлиина и rлппы. Это связано с Te;'l, что сопро
тивление rpYHToB разрыву обуслов.пепо тольно стрУНТУРИЫl\IИ свя
зя lИ, ноторые в мерзлыХ дисперсных rpYHTax полностью зависят
от цементаЦШI частиц льдом и прочностп caMoro льда. При ПОЛНШI
влаrонасыщении торфа значительное содеРmание льда, ар;'ПlроваII
lloro растительиыми остатнамп, и является причиной Уllе.'IичеШIЯ
т а б л 11 Ц а 3.3
ФIlЗllчеСКllе свойства торфяных rpYHTOB 11 льда
Р I Р.
ВI1Д rp)'HTa "'11 ИТ Н 0 н . з , c в, ос
r/cM 3
Лед 0,92 8
Торф всрховой ПУШllцевЫП,
D == 40% 0.88 1,57 4,25 1,05 0,2 8
СуrЛIlНОК 1,86 2.77 0,3 0,09 0,3 8
Супесь ЦЭ5 2,66 0,185 ::1=0.0 8
Торф верховоН ПУШllцевыii,
D == 15% 0,96 1,57 6,15 1,23 0,2 8
Торф всрховоН дpeBeCHO
траВЯНОIl, D == 20% 1.12 1,59 2,05 1,5 0,2 4,5
/'/11'. ,'1.8, C)laIlIlPIТl1C ВрСl\1сннбii заВI1СIПЮСТП
('011)10'1"1111)1('111111 )lазрыву 11 значеНl1ii ЭКШ1Ва
111'11'1'1111111 СI\РIIЩ'lIlIН (ар и с э ) )ШРЗЛUI'U BCpXO
1101'0 С I('l\lll'ра:JJlОЖl1вшеI'ОСЯ торфа (8 ==
== 4,5'C, р == 1,02 I'/Cl\l3, W == 9,1, Р ==
== 1,5 I'/C 13). s
66
5*
ер, сэ,ю 5 Па
15
5
о
. .
100 200 t,ч
67
о
8,3 '1, а сильноразложившеrося (D == 45%, W == 2) 2,2 ч.
Сопротивление раСТЯf!-,ению мерзлоrо торфа ЕаЕ MrHOBeHHoe,
таЕ и длительное, ОЕазалось выше ЭЕвивалеIIтноrо сцеплеIIИЯ, полу
ченноrо при прочих равных условинх (одинюшвых фИЗIIчеСЕИХ
свойствах образцов, вре IeНИ воздействин паrРУЗЕИ, температуре)
(рис. 3.8). В процессе испытаний на растяжение наблюдалось плас
тичеСЕое развитие деформацпй.
БIIЯ ЕрИВЫХ ползучести, для EOToporo заВIIСШ,IOСТЬ относите.ПЬНОЙ
деформаЦИII от наПрЮБеIIИН II временн при о::::;;; t < 00 заппсы
вается в виде
3.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА
ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
б == f(а)Ф(t) или ср(б) == три), (3.2)
rде -ф(t) или Ф(t) фУНЕЦИЯ ползучести (фУНЕЦИЯ времсни). Эта
функция должна быть такова, что прп t == О получаем ф(t) == Ф(t) ==
== 1. Тorда а == ср(б) IIЛИ б == f«(J) выраа.ают заВИСI-ШОСТЬ в началь
ный мшICНТ времсни и ОПIIсывают изохронную кривую при t ==
== t o ---+ О. Все друrие изохропные кривые при t > О получаются
умножением ординат начальпой ЕРИВОЙ (J б на фУШ{ЦIIIО ПО.'Iзу
чести -ф(t). Это позволяет весыш просто учесть Фю{тор временн. pe
шить задачу без учета ползучести, а затем полученные значения
ср(б) УI\IНOfJ,ИТЬ на функцию ползучеСТII, определив, ТЮППI образом,
ра;щитне деформаЦИII во времсни.
Если кривые ползучести, изохронные кривые подобны. то в обо
I1Х сл чаях се ICЙСТВО кривых IIIО,ЫIO свести к единой, инвариаНТIIОЙ
ЕРИВОИ. ДЛЯ этоrо крпвые ползучести строятся в коордппатах
б,f(t) , а IIзохронные кривые в координатах (J F(t), rAe
F(t) == 1, ф(t). Для установления заКОIIомерности ползучест[{ каж
доrо вида !\Iерзлоrо rpYHTa IIрИ фIшсированном значении те lПера
туры из опыта по IIЗОХРОННЫМ кривым устанавливают вид фУНI,ЦИll
ср(б) или 1(0'), связывающей папрю"еНllе и деформацию. Для мерз
лых rpYHTOB она I\юа,ет быть принята в виде
П риведепные выше экспериментальные дапные пс
пытаний мерзлых торфяных rруптов на одноосное С,I.атие и растя
,пение выявляют нелинейную зависимость между папрнжение [ и
деформацией, причем характер деформирования меняется в завпси
мости от заторфованности, приближаясь с ее увеличенпе;\I Е xapaK
теру дефОР lИрования льда, а при уменьшении мерзлых МIlIlе
ральных rpYHToB, В связи с этим для описания зависимости между
развитием деформации во времени и напряжением в мерзлых торфя:
ных rpYHTax необходимо исходить из анализа имеlOЩИХСН решешlИ
для мерзлыХ минеральных rpYHToB и льда, выявить напболее COOT
ветствующие из них и получить необходимые параметры.
Зависимость между папряжением и деформацией па основе
реолоrических представлений широко исследована С. С. Внловы)[,
Ю. К. Зарецюш, Н. :К. Пекарской, С. Э. fородецюш и др. 1I0ЛУ
ченная методика проrноза дефор шциЙ во времени сводится I{ cJle
дующему [Вялов, 1978].
По результатам испытаний идентичНЫХ образцов при п()стояп
ной температуре разлпчными, но постоянными длн каждоrо о(iр<tзца
наrрузкамп получают семейство кривых ползучести, кап,дан Н3 KO
торых соответствует своему напряжению «(JI < 02 < аз). Ес.'1II по
кривым ползучести построить заВИСIIМОСТЬ б а для кан,доrо фllК
спрованноrо М0мента вре Iени, то будем иметь се;\IеЙСТllО криl3ЫХ,
называемых изохронными.
IIзохронные кривые имеют уравнения, Еоторые в общем виде
записываются следующим обраЗШI:
а == (Р (б) или б f (о). (3.1)
Выделяются три случая:
1) изохронные -кривые не подобиы, Iшащая из них оипсьшаетСЯ
своей зависимостыо о == fi(б);
2) все IIзохронные кривые подобны, кроме кривой начальной
деформации, Еоторая выражается иной зависимостью б d: о ==
== f(б) при t > О и а == lо(б) при t == О;
3) все изохропные кривые, включая кривую t == О, взаII IOПО
добны: а == ср(б) при о::::;;; t < 00.
Для мерзлых минеральных rpYHToB реI{омепдуетсн припимать
третье УСЛОВIIе взаимоподобпя изохронных I{РПВЫХ и уеловие подо
68
(J == Аб m , (3.3)
rде А параметр дефОРМИРОllаНIIЯ, имеющий размерность напря
fhения (мПа) II зависящий от свойств rpYHTa, температуры, времепи;
т Ео;)ффициент упрочнения, обусловленный ТИПШI rpYHTa, но
не заВИСЯЩIIЙ от ero температуры. Фупкция ,I,e времени -ф(t) пли
Ф(t), характеРIIзующая развитие деформаЦИIl во времени и зави
сящая от вида rpYHTa и ero физпческих свойств, может быть опре
делена по I{pIIBbaI ползучеети.
Для Toro, чтобы получить завиClПIOСТЬ развития деформации
01' Напряжения и времени воздействия наrрузки, необходимо Bыpa
ЗIIТ1> сочетание функций (р(б) или f«(J) и -ф(t) пли Ф(t), т. е. получить
ypaBH HHe ползучести. Такое сочетание МОтет быть выраа,ено сте--
иеннои, лоrарифr.шчеСI{ОЙ или дробно линейиой завиеIIМОСТЯ IИ
[Вялов, 1978]:
б m == 0'/ Ао[1 + k(t/T)fX],
б m == 0/Ао{1 + k lп [(t + Т)/Т]},
б а (Т + kt)
G u [Т (1 а/а Б ) + t (1 ka/a s )] ,
rдс А r.roДУJJЬ .\lrHOBeHHoro деформироваиия, Па; k, т, а безраз
мерные параыетры; Т произвольная величина периода Bpe le--
ШI, ч; С n , а . параметры изохронной ЕРllВОЙ для мrновенной дe
фОР Iации.
(3.4)
(3.5)
(3.6)
69
Кан l\Ю;'КНО видеть из (3.2), деформация ползучести ер(б) в шо
бой момеит времеии пропорциональна напряжеНIIЮ а, Y:\IНQ}I.;eHHo
му на функцию ползучести 1jJ(t). Кан отмечено в работе С. С. Вя
лова, Ю. К. 3арецноrо, С. Э. fородецноrо [1981], таное допущение
MO;'I.;eT быть принято в том случае, ноrда напряжение постоянно
либо постепенно увеличивается. Если же с течением времеIIИ а YMeHЬ
шается дО О, то по (3.2) дефор:\шцил должна полностью псчезнуть,
ЧТО не соответствует действительности, тан нан дефОр:\IaЦИЯ ползу
чести всеrда состоит не тольно IIЗ обратимой, но в большей мере нз
остаточной деформации. Кроме Toro, (3.2) не позволяет учитывать
июшнение во времени деформации в зависимости от непостоянства
своЙств rpYHTa, оБУСЛОВJIепноrо ИЗ;,lенением температуры. Bыpa
ЗllТЬ нзменяемость деформации во времеии с учеТО:\1 переменной Ha
rрузни и своЙств rpYHTa представляется возможным, еСJIИ записать
(3.2) в иптеrраJIЬНОЙ фОр:\lе из условия теории наследственной пол
зучести Вольтерра Больцмана, соrласно ноторой деформации в
данный J1юмепт времени учитывают их предшеСТВУЮЩllе ИЗ:\lенения.
В ЭТО:\I случае уравнеппе ползучести имеет вид
'\>
ер (б) == аи) + S а (v) К (t v) (lv,
о
I iТ
1 1 2 3
!ff
С?5
2
б,МПа
3
0,3
111
1
3
5
0'103
Рис. 3.9. а I1СIП[ОСТЬ между наПрЯШeJШШl и дефОР)IаЦl1еii при темпе
ратуре q,5 С для заторфоваJlноIr супеСI1 J О 1 ( 1 ) 11 J О 3
Оnl от'
(11), торфа (III).
Врl'мл В03Дl'I!СТВJJЛ НaJ'РУ3НИ: 1 1 ч. 2 " ч. 3 10 ч.
(3.7)
rде a(t) переменное во времеПII напряа,;спне; K(t v) ядро
ползучести, харантеризующее снорость деформпроваппя; '\' пере
менная интеrрIIрования. Уравненпе (3.7) IIозволяет определпть дe
фОр:\IaЦИЮ б в момент времени t от наrРУЗIПI, пзменяющейся по про
:изволыIмуy занону a(v).
Тановы основные теоретичесние предпосылнн, устанавлпваю
ЩIЮ взаимосвязь ме;,кДУ напря;.н:енне:\l, дефОР:\IaцпеЙ п временем
действия иаrРУЗНII.
Применительно н мерзлым торфяньш rpYHTal\I преlI.;де Bcero Ha
:iiш предпринята понытна оценить возможность использования ypaB
ненпя (3.3), отлпчающеrося значителыIйй простотой н позволяюще
ro установить завИСIIМОСТЬ меа.;ду деформацией, напряn.;енпем 11
BpeJ\leHe;'1 для са;,юrо распространепноrо случая работы rpYHToB нан
осиований ноrда наrрузна постоянна лпбо постепепно увеличи
вается.
Кан поназано С. Э. fородецним [1975], для наждоrо вида J1Ш
неральпоrо rpYHTa пара:\IeТР т в уравнении (3.3) лучше прпменять
постоянным, нсзаВИСИМЬПl от вреJ\Iени действия наrРУЗIПI и темпе
ратуры. Пара:\lетр ;.т.;е At,e является фупнцией времени и темпера
туры. Для нахо;.ь:дения пара:\lетров т и At.e нривые ползучестп пе
рестрапваются в виде а б. При этом по оси аБСЦIIСС наа.;дой нрп
воЙ ПОЛ3УЧССТII выбираются пе менее 5 6 точеl{. соответствующих
раЗ':ПIЧНЫМ ;'Ю:\lента;'1 врюшни t воздействия наrРУЗIПI, затем IIЗ
каждой ТОЧЮI ПРОВОДIIЛИСЬ прямые, параллельпые оси ордпнат, по
точна:\1 пересечения этих ПрЯ:\IЫХ с нривыми ползучести (наждая нз
ноторых соответствует своему значеНIlIО 0'1, 0'2, аз. ...) определяются
величины дефОРI\lЮ ИЙ б 1 , б 2 , б з , ..., вызванных действпеJlI напряже
ний (JI, 0'2, аз... в l\Iоменты вре:\шни t I , t 2 . t;j, ... . Точни пересечения
наносятся на диаrраJ\НlУ «относительная деформация IIапряа.;е
ние». В результате та ой перестройни нривых б t в rрафине
а б получается сеl\lеиство нривых (iнапряа.;еIIие деформацию),
приче 1 наа\Дая 113 этих нрпвых отвечает данпоиу J\IШlенту вреl\lени
воздеиствия наrрузни.
Тание rрафини (рис. 3.9) по называют нелинейность связи
J\lеа.;ду напряжениямп и дефОРl\lациями для мерзлых торфяных rpYH
тов, прпчем с увеличениеl\l заторфовапности дефОрl\lация при ОДНОI\I
J1 ТОI\I. ,I.;e наПРШБеНIIИ увеЛIIЧIIвается. Перестройна полученных
нривы.х а б в лоrаРИф:\1Ичесни ноординатах поназала, что дли
ИСIIытанных заторфованных rpYHTOB (J UIl1 < 0,3) тан а.;е, нан и ДJIЯ
!Пнеральных, заВИСИI\IОСТЬ In а In б образует «КУСОЧНО ПРЯJ\Iые»
,1I1!ППИ, СОСТОЯЩIIе из двух участнов, разделяеl\lЫХ точкой переrIIба
( ис. 3.10). УI'ОЛ панлона н оси абсцисс первоrо учаСТIШ прю[ых,
Оfllосящеrося н ;'ШJIЫl\1 наиря;,нениям, значителыIо больше, че:\1
llToporo. ТаЮП\1 обраЗШl занон дефОРI\Iирования заторфоваиных
I'PYI1TOB тан же, нан и l\Iиперальных, меияется при ДОСТИ;'l.;енпи IIа
IIрИЖСШlе:\1 определенноrо значеиия a s . Для торфа такое явление не
OTl\Il"IClIO (см. рис. 3.10, в).
:)'1'0, очеВIIДНО, связано с большой ползучестью снелета торфа
.1н.да II отсутствпем упрочнения в результате уплотнения, xapaH
]CpllOrO дли минеральных rруитов. Это еще раз подтверiI.;дает тот
фант, что для торфа, нан 11 для льда. ОСНОВИЬПI ШIДом дефор)шро
nаIIИЯ является незатухающая ползучесть, плаСТIIчесние дефОрJ\fа
ЦIШ в ПЮI развиваются даже при незначительньп паrрузнах. JIпней
ность заВИСIIМОСТИ In б In а позволяет предстаВIIТЬ (3.11) в BH
71
70
'lпо а 7лд 6
о о
1
2 2
10 9 8 7 ./ б 10 B 7 Iп6
О (J ---
././t././ .. .". .. .. Рис. 3.10. 3авпспмость
..
.'// между нанр ШЕенпшш J1 дe
1 ./ форыаЦI1ШШ в лоrарJ1фМI1
чеСКIIХ КООРДlIнатах для
заторфованноЙ СУlIеСI1
....... J om 0,1 (а) п J nт 0,3
.2 (6), торфа (в) (теМlIерату
10 8 7 6 7л6 pa 4,50C).
т а б л и Ц а 3.4
ЗначеНI1е параl\lетров 1I I1 А по даННЫl\1 испытаНI1Й на одноосное
сжаТIIе l\1СрЗЛЫ"\: ТОРфЯНЫХ rpYHTOB ПрI1 температуре 4,50C (по
данным pIlC. 3.10)
Вид rpYHTa
т А 2т , Ша
0,51 20
0,50 14,8
0,41 8,6
3аторфованная супесь, J от 0,1
То же, J от О,3
Торф верховоп среднераЗЛОЖНВШПIlСЯ
Для МПlIe альных rpYHToB пара:\lетр т оказался не завпсящим
от вреi\lеПl1 деиствпя наrрузки и те шературы [rородецкиЙ, 1975],
хотя отлечена некоторая тенденция к У:\lеньшению т с понпжением
температуры. Для мерзлоrо торфа толы{о первый из этих выводов
оказался справеДЛИВЫi\l, т. е. т не зависит от вре:\lенп деЙствия Ha
rру3lШ, что подтвера..:дается параллельпостыо ПрЯi\lЫХ In а lп б,
пострознных для фlШСIIрованных значений времени (см. рпс. 3.10).
Выравнивание в КООРДIIнатах 111 б In а кривых ПО.пзучестп l\ЛЯ
торфа показывает четко выраа..:енное уменьшение т II упеличепие
А с ПОНИi-Т,CIшеы температуры (сы. рис. 3.10, табл. 3.5). 3 висимость
параметра т для торфа от тсмпературы, очевидно, обусловлена
фазовьшп превращеНИЯJ\Ш IJлаrп. Наши опыты (см. рис. 3.10) BЫ
полнены для тюшературы IIIIтенсивноrо заi\lерзания rрунтовоЙ
влаrи (от 1 дО 4,50C), в то врюIЯ как вывод о исзаВИСIПЮСТИ т
от температуры для минеральных rpYHToB получен по результатам
аН lИза опь т в, выполненных в тако;\! диапазоuне температуры (от
;) С дО O С), I{оrда количество незамерзшеи воды в rpYHTe oc
тава,lЮСЬ практически неизмеНIIЫЛ. Для промерзающеrо торфа т ==::
== 1(8) J\lOa..:eT быть аппроксимирована линейной заШIСИJ\IOСТЬЮ. Ее
уравнение в пределах 18 н . я 1< 181 < 6°С пмеет вид
те == 0,8 0,1 181. (3.8)
Параi\lетр А для мерзлых торфяпьп: rруптов так же, как и для
J\!IIlюральных, является явно выраженноЙ функцпей времени и TeM
пературы (рпс. 3.11 а). Как l\lOrI-;НО видеть, характер измененпя А
lIдеllтичен характеру изменеНIIЯ прочности во времени. Выражение
:ШIII!СПl\IOСТИ 1!А In t показыва
('т, что для определенных участков
н реl\lенп она l\Юffiет быть аппрок
CIII\111 РОllана линейным ЗЮШНОl\r.
IIО.'lУ'IСIПlые ПРЯ lые экстраполи
РУIOТСЛ в полюс (см. рис. 3.11), что Температура,
позволяет заппсать выраffiеНIIе дЛЯ ос
At,e в следующем виде:
де У == kX + В, если положить 1 == lп а: Х == 111 б; k == т;
В == In At,e. Используя это уравнение, леrко наЙти IIарюreтры
т и At,e. В нашем примере для торфа ПрII 8 == 4.5, lп == U,4-1;
А п == 9,2 МПа: А 2Т == 8,60 МПа. A 10r == 6,21 l\IПа.
Для мерзлой заторфованноЙ супеси так а,е, как II для )ПIПе
ральных rpYHTOB, закон деформирования оппсываетсн двумя ypaB
ненпнмн:
а == Аб m при а < а"
A , т'
а == u прII а аБ'
Параметры этих уравнепиЙ получились раВlIЫJ\Ш: ПрII t == 2 ч, н
== 4,50C, J от == 0,1, т == 0,68, lп' == 0,47 А 2т == 66,7 МПа, A ,
== 14,1!1 МПа; при J ош == 0,3, т == 0,7, т' == 0,45 А 2т == 54.6 l\IПа;
A , == 11,02 1\iПа. Так кю{ описанпе процесса дефор:нировапия ДBY
мя уравнеНIIЯМИ значительно услоn,,:няет расчеты, а. несмотря па
расхоп..:дение в значениях т и т', экспериментальные ТОЧКII весьма
близко ложатся от при:\юй, построенноЙ спосоБО"'1 наIIJ\Iеньших
Евадратов (см. рис. 3.10), то в рассматривае11ОМ диапазоне напря
жепий для J\IСрЗJIЫХ заторфованных rруптов, так а,е, как II для ш
неральных, моа,но принять среднее значеиие т. На рпс. 3.9 I{рппые
для заторфовапноЙ супеСII (J от == 0,3) построены IIрИ ОДПОМ ЗIIаче
IПIП т == 0,;)0. Отклонение экспериментальпыХ точек наблюдается
ЛИШЬ ПрИ l\IалыХ напряа-:ениях II не превышает 28%, что сопоста
вимо с разбросом. вызваННЬПI неоднородностью заторфовапных
rpYHToB. ПОЭТО:\IУ дЛЯ них ДОПУСТlПro описаНIIе завИСIПIОСТИ ме;,т..:ду
а и б еДПНЬПI степеННЫ;,I закопом. ПарюlCТР т Д:IЯ всех IIСIIытанных
rpYHToB оказалс.я, I{aK и для l\1пнеральныХ, практпческп пезавпси
МЬВI от временп деПСТВIIИ паrРУЗЮI: аППРОКСПJ\шрованные ПрЯJ\Iые
lп а ln б. построенные прп фиксированных значенпях врюrени,
параллельны. С увеЛlIчение:\1 заторфоваННОСТII величина параметров
т п А уменьшается (табл. 3.4).
72
т а б л п ц а 3.5
ЗllачеНIIе параl\lетров т и А для l\lерз
ЛОl'О BepXOBOI'O. пушпцевu сфаrIlОВО.
1'0 торфа пр" различной теl\шературе
I
т
А 2т , МПа
А Ве
t,e lп (t, t п ) + А п ,
1
2,5
4,5
3,7
6,04
8,8
0,78
0,47
0,41
(3,9) r
73
4,МПо
а
15
4
о
4
б
8
t,ч
2
lп(оПУ6 1/Ем}
1,7
.
1/А , МПа 1
0,5
( бт 1 )
Рис. 3.12. 3ависш1ОСТЬ 1п Е 1п t
(J l\!
для перховоl'O торфа при е == 4,50C, по
СТРОCIшая по даШIЬПl оfiработки крпвых иол
зучеСТI1.
1,9
.
6'
,.,
lп1;
0,4
0,3
rде EMf'H модуль MrHoBeHHoro (t === О) деформирования, l\iПа;
т, а, а безразмерные велпчины, Т пропзвольная веЛИЧIIна,
иоторую ,\10а-.:но прпнять равной 1 ч.
Если припять Т* === б lJa Т, тоrда
0,2\
O" i
01
1 о
1
....
б т (a/E MrH )[ 1 + ( i ) ]а]-
(3.13)
1
7лt,ч
Расс IOТрПМ ПрlПlер наХОmденпя зависи IOСТИ деформации от
напряжепия IJ врюшни действия наrрузии по (3.13) для мерзлоrо
торфа, спрямление кривых ползучести иоторых в иоординатах ln а
ln б представлено на рис. 3.10, в. Параметр т иаи таш'енс уrла
наююнэ. ln а ln б равняется 0,41. Пунитирная ЛИIIИЯ па rрафиие,
пронедеппая для условия t === О, определит веЛПЧlJНУ Do === ln EMf'1I>
отиуда EMf'H ===ZD o . Для нашеrо случая, соrласно rрафику (см.
рис. 3.10, в), Do === 3,4, следовательно, E M f'1I === 29,9 МПа.
С целью наХОffiдения парю[етра а строим оfiобщенный rрафпи
( бт 1 )
в иоордпнатах У ln ' х === ln t (рпс, 3.12). ЛИlIей
(J Mf'll
ность этой завпсшlOСТИ подтверждает достоверность формулы (3.12)
для ВЫРЮ-I.;еПJJЯ взаимосвязи 1\1етДУ напряжением, деформациями и
np{'MOIIe1\1 воздепствпя наrРУЗЮI в мерзлом торфе. Значение пара
метра а для раСС lOтрепноrо прпмера составляет 0.11.
Каи было ПOJшзано выше, n мерзлом торфе аналоrично льду дe
фОр IПрованпе даlliе при незначительных наrрузиах протекает в
стадии незатухаlOщеп ползучести, переходящей в проrрессирующее
точепие и ПОЭТШJУ следовало бы проrнозировать период временн от
начала заrрузии до наступления проrреССИРУlOщеrо точения, а за
ТО1\! по зависимостп (3.11) или (3.12) вычпслить величину деформа
ЦIIII за этот перIIОД. Следует ОПlетить, что вязкое течение без Hapy
шенпя СПЛОПIностп сеченпя мерзлоrо торфа под IIаrрузкой, иаи бу
дет поиазано НИiТ.;е, прнводит R нелинейности заВIIСIП,lOСТИ 1/а
111 t, а следовательно, п и нелипейности 1/А ln t. Поэтому
временной предел ПрJшеюП\lOСТИ (3.11) невелии и необходимы даль
пейшие разраБОТКII методов оценип дефор шрушlOСТИ и прочности
мерзлых торфяпых rpYHToR.
I3 последующих rлавах рассматривается разработанная нами
меТОДIша использования теr.IПературно и напряжеlIIIO временных
аналоrий для проrноза длительной доФормируемости мерз.'1ЫХ TOp
фяных rpYHToB по результатам иратиовременных опытов, а таиже
способ оцении длительпой прочности, полученный на основе иипе
ТIlчесиой теорип прочпости твердых деформируе lЫХ тел.
1
Рис. 3.11. 3авпсш1ОСТЬ А t (а) и A 111 t(б) для BepXOBOI'O пушпцево
сфашовOI'О торфа.
., 5 0 С . 2 е ? 5 0 С, 3 е 10C. Пара lетр А определялся по
1 е , , " , б б . lп А + т1: ln б 1: ln (J (п
опЫТНЫМ данным путем стати:ст:ичеСНОII о ра ОТIПI. 11
чИСЛО ОПЫТНЫ\: ОПРРДС:lеНl-Ш).
rде Ве иотанrенс уrла наилона прямых 1/ А ln t, получеIIНЫХ
для lШffiдоrо значения температуры; t п , А п температура Jl пара
метр А в точке пересечения прямых 1/ А ln t (в полюсе): .
Зависимость Ве от темиературы в пределах интенсивных азовых
переходов дли IIспытаннOl'О торфа также оиазалась близиои к .пII
неiiной, уравненпе ее имеет JШД
Ве === 12,2 lel.
(3.10)
ТаЮПJ uбразом, испытав образцы торфа при двух значеюIЯХ те1l1пе
ратуры, можно rрафичесют определить значеНIIе А li II t п :. а зате I
для любой температуры в преде.пах Е>1l.э > е > 6 С, наIIТИ пара
метры В (по (3.10» и At,e (по (3.9».
в целом заВIIСИМОСТЬ между напряжением II деформацией Д.1Iя
мерзлоrо торфа МОтет быть вырюнена заиопом, записываемым в
внде
(J === Аt,ебте.
(3.11)
Как поиазала обработка изохронпых ирнвых и ИРИВЫХ ползу
честп мерЗ.1Iоrо торфа, степенная зависимость оиазалась наиболее
приюшемоЙ и в ТЮI случае, коrда ЗaI{ОП деформирования заПIIСЫ:
вается с УЧОТЮI l\IrHOBeHHoro деформироваIIИИ (при t === О). С этои
целью нами IIспользовалась степеппая зависимость вида [ВЯ.1Iов,
1978]
б т === E:rJ 1 + а [ 1 а }
74
(3.12)
75
3.4. ЭlШИВАЛЕНТНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
Энвивалентное сцепление (Са) в механине мерзлых
rpYHToB считается одной из основных харантеристин прочности их
внутренних связей.
Методина определения Са вдавливаНIIем в rpYHT шариновоrо
штампа постоянной наrрузной была предложена Н. А. Цытовичем
[1954]. Она аналоrIIчна методине опреде.тrения твердости металлов
(проба Бриннеля) и основана на решении теории пластичности [Иш
линсний, 1944], соrласно ноторому между сцеплением идеально плас
тичноrо тела С, наrрузной на шарин Р и поверхностью отпечатна F
установлено соотношение С == 0,18Р/ F. Оно определяет чистое сцеп
ление. Однано в rpyHTax проявляется и внутреннее трение. С. С. Вя
ЛОВЬНl иН. А. Цытовичем [1956] поназана ВОЗl\IOЖНОСТЬ не выделять
трение и сцепление в отдельные харантеристини, а рассматривать
сопротивлеНIIе вдавливаIIИЮ сферичесноrо штампа нан НОJ\IПленсную
харантеристину, ноторая названа ими энвивалентным сцеплением.
Поrруженне сферичесноrо штамна в среду, обладающую своЙ
СТВШl ползучести, в том числе н в мерзлые rрунты, происходит во
вре.\lени, а тан нан при этом увеличивается площадь отпечатна, то
соответственно уменьшается и нанряженне под штампом, что моа,по
раСС Iaтривать нан релансацию напряжений.
При определении сцепления мерзлыХ торфяных rpyHToB предва
рительно псобходимо выяснить два методичесних вопроса: нримени
lIIа ЛII дЛЯ НIIХ стандартная методина испытаний шариновым штам
пом (раЮlер шарина, величина наrрузни и пр.); применима ли для
них существующая методина проrноза длительноrо сцепления по
даННЫl\1 кратновременных испытаний, Эти вопросы вознинают в
СВЯЗII с большей, по сравненlПО с минеральными rрунтаl\lИ, HeOДHO
родностью и льдистостью торфа и более интенсивно выраженными
своЙстваМII ползуЧССТII caMoro снелета.
IIсследоваНIIЯ влияния размеров сферичес:коrо Jllтаl\lПа и Ha
rру3IШ па велнчиНу ЭНВI-шалентноrо сцепления для минеральНых
rpYHToB выполнялись С. С. ВЯЛОВЬЕ\I [1959]. СопоставитеЛЬНЫl\1I1 ис
пытаниями супеСII при температуре 1,40Сштампами диаметром 14,3;
15; 60,5 Ml\1 поназана инвариантность величипы длительноrо
сцеплешlН по отношению н ДИЮlетру штампа, но при ЭТЮI
отмечается, что для оценни прочности мерзлыХ rpYHToB, coдep
жащих ледяные ВI{лючения, следует ПрИl\Iенять штампы достаточ
но большоrо раЗl\lера.
Расчет энвивалентноrо сцепления по даниым опытных опреде
лениii осадон шариновым штампом ВЬПIOлняется в преДПОЛOiRеШIlI
линеЙной зависимости меiЕДУ наrрузной на штаl\1П п ero осадной;
сцепленпе же rpYHTa кан ero ФпзнчеСIШЯ харантеристина дода,но
оставаться ОДНIIМ и тем ;I,e, незаВИСПl\lО от веJIИЧПНЫ наrрузни, Oд
нано опыты по вдавлпванlПО шарпна в мерзлые минеральные rpYH
ты разлнчпыl\lи наrрузнаl\lИ [Вялов, 1954] поназали, что завпси
мость между наrрузкой и осадной фантпчесни нелинеЙна и меняется
76
Рис. 3.13. Схема установки для полевых испытаппп
I'ру:нтов сферическим штампом.
1 штамп; 2 штанrа; 3 аннера; 4 направляющая
BTY,'IHa; 5 индикатор; 6 динамометр; 7 rруз' 8
рычат; 9 стаНИ!lа pbI'-Iаrа; 10 теП. :ЮИ30:IНЦИН; 11 УТ('П
ЛРННЬПl напсс; 12 основаНllе рычаrа.
по затухающему зююпу, соответственно II значение энвивалентноrо
сцепленпя минеральных rpYHToB увеличивается с возрастанпем Ha
rРУЗНlI. Это объясняется сближенпем частиц rрупта в результате Te
чешlЛ льда, более плотной их упановной, что обусловливает YBe
лпчение моленулярных сил взаимодействия [Вялов, 1959],
с цеJIЬЮ выяснения указанных методических вопросов для мерз
лых торфяных rpyHToB нами БЬJJI проведен НО lПленс IIсследованип
ню{ в лабораторпых, тан и в полевых условиях для шпроноrо Дl1а
пазона нзменения температуры (от О дО 480C) и физпчесних своЙств
образцов. Про анализированы танже опытные данные друrих
авторов.
Установна для полевых IIспытанпй представлена на рис. 3.13.
На!'рузна н: сферичеснпЙ штамп d == 220 мм передавалась рычаж
HO системои, унрепленпои аннсрами, заrлубленнымп в вечномерз
лыи rpYHT на 5 м. Для сохраненпя постоянной температуры в про
ДОЛFI,еппе Bcero опыта поверхность rpYHTa в шурфе IIзолировалась
пенопластом, пленной и СУХIПI торфом. Штаl\1П предварительно ox
лаждался. а после монтажа установни 11 устройства ИЗОЛЯЦIIИ для
поддержаIIИЯ равновесноЙ температуры выдерживался без наrруз
ки в течеНIIе сутон. Замер осадни штампа производи:лся двумя пн
динаторами часовоrо типа с ценой деления 0,01 мм.
77
Т а б л и Ц а 3.6
Физические свойства веЧНОl\lерзлоrо BepXOBOI'O древеСНО l\IOХОВUI'О торфа, IIСПЫ
TaHHOI'O сфеРllчеСКIIl\1 штаl\IПОl\1 в полевых УСЛОВllЯХ
с..to'Па
;N, опыта
ХарантерИСТlIна
2 3
I----
2 .J
i
с 2 I
,1 !
4 5 ,
6 7 8 192 t,ч
Плотность частиц
rpYHTa, r/С IЗ 1,48 1,56 1,56 1,56 1,56 1,56 1,57 1,55 1,56
Плотность rpYHTa, 0,95 1,02
r/см З 0,98 1,02 1,09 0,93 0,93 0,70 0,91
Плотность cyxoro :
["рунта, r/с [З 0,05 0,17 0,315 0,11 0,11 0,12 0,17 0,13 0,15
Влажнссть 18 5 2,6 7,6 7,3 6,7 3,2 6,2 5,8
Коэффпцнент по
РПСТОСТI1 28,4 8,2 3,95 13,1 13,1 12 8,23 10,9 9,43
:Молекулярная 1,09 1,09 1,09 1,09
БлаrО8)ШОСТЬ 1,5 1,09
Полная влаrОС 1
IЮСТЬ 19,2 5,26 2,53 8,4 8,4 7,6 5,23 7,03 6,04
Содершанпе неза
меРЗШ8й IЮДЫ
при e 7,50C 1,3 1,05 1 1,1 1,1 1,05
e 0,30C 3,5 2,5 1,8 2,8 2,8 2,7
Те)шература Ha
чала замерза
НI1Я, ос 0,06 0,16 0,25 0,11 O,14 0,14 0,2 O,1 O,l1
Стспень разло
-кення, % 10 20 30 25 25 25 20 20 20
2
3
4
5
6
7
8
9
с.,1О 5 Па
5'
I
CI:
1192 t,Ч
14
12
10
8
6
4
5'
3
4
5
6
7
8
IIспытания выполнялись автором СОЮlестно с В. П. Наумовым
в районе r. Усинска Коми ЛССР. Проведено 9 ШТЮ\lПовых опыто :
1 3 леТO:II (июль 1975 r.) при температуре rpYHTa от 0,20C
дО 0,40C 11 4 a 3И IOй (февраль март 1976 r.) ПрII темпера
туре от 6,7 до 7 ,40С. HarpY3Ka на штамп соответственно зада
валась 900 1090 Н и 6500 7040 Н. Летние испытания (1 3) BЫ
полпены в перелетке мерзлоrо BepxoBoro слаборазлолшвшеrося
сфаrновorо торфа :мощностью 1.5 1\1 на rлубине 40 CI\I. Все 3Иl\IНие
опыты (4 9) проведены на одной и той же площадке, СЛОfI енпой
вечномерзлым торфо!\!, мощностью около 5 м. Слой ce30HHoro OTTa
пвания пе превышал 0,5 1\1. rлуБIIна шурфов составляла около 1 1\1.
Штамп устанавливался в слое BepxoBoro среднера3ЛО;.Iшвшеrося
древеСНО l\lOховоrо торфа. Расстояния между штампами в полевых
опытах 4, 5, 6 не превышали 1 1\1, rлубииа шурфа была одинаковой.
Физические свойства rpYHTa, определенные до начала испытаПIIЯ,
представлены в табл. 3.6, Некоторый разброс в данных о физиче
СЮIХ свойствах торфа (неодинаковые влажность, объе;\lная масса
11 т. д.) следует отнести за счет неоднородности массива торфа.
Параллельно Пр1l таких же температурах ВЫПОЛНЯЛIIСЬ с Tpex
кратной повторяеl\lOСТЬЮ лабораторные испытания сферическим
ШТЮlПом диаметром 22 1\1;\1 (в 10 раз меIIьше, че;\l в полевой
установке).
78
с.,Ю'Па
'
16 I
14 \
12
, ......f.-.
10 L \ .......-.,L
a
o
8
б
4
9/, I
,
I 8'+.J.....
8
1 rT
2
3
4
5
6
7
8 t,ч
Рис. 3.14. ЗаВПСIВIOСТЬ С Э торфа от временп t по результа
ТЮl полевых (а) п лабораторных (6) пспытанпii (цпфры на
l"рафПБ8 ншшра опытuв; фl1Зl1чеСЮ18 споlIства п те)ше
ратуры приведены Б табл. 3.6).
Образцы ненарушенноrо СЛОi-hеllIlЯ для лабораторных опытов
отбирались в шурфах, rде ПРОВОДШIПсь полевые IIспытаН1IЯ. Подбор
НЮ'РУЗ0К 11 методика опытов ПрИНIвшлись соrласно rOCTy.
СравпеНIIе заВИСIlмостей эквивалснтноrо сцеплепия от временп
деikТВIIЯ наrрузки по данным полевых и ,лабораторных опытов
(рпс. 3.14) показывает сопостаювlOСТЬ результатов, полученных
в обоих случаях.- J\Iаксимальные отклопения опытных данпых от
79
Анализ энспеРИ1\!ентальных
данных поназывает, что разброс
опытных точен зависит от велн
ЧIIНЫ наrрузни II периода Bpe
мени от начала ее прилоа,епия.
Тан, ПрII испытании торфа ша
РIIНШI d == 22 1\11\1 под наrруз
ной 30 И 40 Н поназатоль точ
НОСТII составлял от 5 до 17 % .
С увеличеНИЕМ наrрузни сходи
I\ЮСТЬ ре3УJIьтатов повторных
определений сцеплеНIIЯ ПОВЫСИ
лась. ПрII веЛЮПIне наrрузни
в пределах 60 160 Н понаяа
теJIЬ точности по даиным BOCЬ
,Шlчасовых IIспытаний равнял
ся от 6 до 1,5 %, Дальнейшее
увелпчение наrрузни привело н
сонращению разброса. Что те насается влияпия времени воз
действия паrрузнп, то самый большой разброс опытных данных
опrечается для I\IrновеНИОll дефОР:\IaЦIШ. С увеличеНИЮI длите.ТfЬ
ности испытаний напряжение под шарИНШl распределяется бо
лее равномерно и совпадаеl\IОСТЬ результатов повышается. Этот
вывод относится н иаrРУЗIШI\I, ноторые не превышаlOТ HeHoToporo
предела. НаПРШIер, прп наrрузне 190 (шарIIН d == 22 I\Щ. темпора
тура 4,2UC) с увеличоние:\1 периода испытания поназателъ точио
СТl1 постепепно возрастает от 3 % прп MrHOBeHHOM прилоа..:еНПIl Ha
rруаю[ до 14% при ВОСblПIчасовых IlспытаНIIЯХ.
]\анurО ЛI1fill llЛI1ЯНИЯ температуры на сходи:\IOСТЬ опытных дап
иых для торфа не выявлено. Оно I\lOл,ОТ быть сведено н ВШШНIIЮ Ha
J"РУ3Юl. Для сравнения ПрIIВОДIШ результаты статпстичеСНОll обра
ботнн опытных дапных, получепных для торфа при е == 2.5JC
(см. табл. 3.8). Кан мошно видеть, совпадаюlOСТЬ результатов пран
Тl!'1еСЮI одинанова. С пониrr..:ением температуры сцепление увелнчи
Jlаотси, соответственпо пеобходпма б6Jlьшая HaIpY3Ha для вдав,'1И
Ш\lIIIЯ шаРl1на на одпу и ту же rлубину ШНl более длительныЙ пери
йд JJpeMeHII ее воздействия. Тан, для наших опытов при d == 22 I\Ш,
е == 4,20C наrрузна до 30 Н оназа.ТIась недостаточной для по.тIНо
[о разрушенпя цюrентаЦИОННLlХ связей льда в меРЗЛОI\l торфе. С по
ПИif,еПИЮl температуры этот преде.1I будет возрастатI:., а с повыше
ниеи уменьшаться при прочих равных условиях. РеномеНДУЮlЫЙ
rОСТШI способ задания паrрузни: на шариновый штамп для испы
тапия мипералI:.НЫХ [рунтов, при н()торои осадна за 15 I\ПIН (SI:;)
доллша паходиться в пределах 0,05d ш SI5 0,005 d ш , является
прпеМ.1IеМЬПI и для мерзлоrо торфа.
Харантер заВИСШIЮСТИ сцепления от величины наrРУЗЮI в TOp
фе оназа.1IСЯ иным по сравненпю с минеральньвПI rрунтаl\1П. Кан
и для минера.1IЬНЫХ [рунтов, эта заВИСIIl\lOСТЬ нелинейна, но если,
по данным С. С. Бялова, для rлины, суrлинна и супеси увеЛIJчение
(j Л. т. POMaIН 81
среднеrо аРИф:\lеТlIЧесноrо БШI3ЮI к разбросу лабораторных дaH
ных (%):
Время ПОJевые раСоты ЛаЕора 'fCp:lbIe
опыты
5 с 12,6 32,3
0,5 ч 14,8 10,5
2 ч 15,3 6,3
8ч 14,5 5,4
192 ч 10,2 5.3
Проведена таЮБе серпя лабораторных испытапий по выявлению
влияння на величину ЭНВIIВалентноrо сцепления диаметра штампа и
наrРУЗЮl.
НИ/Бе аналнзпруются данные пспытаний BepxOBoro средпераз
лоааIВшеrося древесно осоковоrо торфа (р. Верх. Нерюнrри,
НАССР). Образцы приrотовлены пз одноrо монолита. Отмечена I\Ш
нерализация ,торфа, что сказалось на физичесних свойствах:
Плотность, l'/см 3
ОБЪе 1Ная масса. r!C)1 3
БJIaЖНОСТЬ по отношеНI1Ю I{ cy
хоп навес!>:е, д. е.
Объю!Ная )lасса скелета, r!c)13
2,03
1.21
4,48
O,1
I\ОЭффllЦllент ПОрllС-ТОСТП
ТеШlература начала за lер
занпя, ос
Блажносrь за ('.чрт неза lерз
шеlI ВОДЫ прп темиерату
ре 4,OOC
2,2
0,37
0,9
,Испытания вьшолнялись при теl\lпературе 4,20C с 3 Il 6 Брат
ноп повторяюlОСТЫО под постоянной наrрузкой штаl\lпаМIl раз.1IИЧ
IlЫХ ДИЮIeТрОВ (табл. 3.7). БеЛIlЧIIна наrруЗЮl задавалась I{ратной
квадрату I\1НOFЫIтеля подобия. , ,
Степень СХОДИI\IОСТIl определеIIИЙ сцепления l\Iожет быть oцe
нона по ТIlПИЧНLI!\I данньш испытаНIlЙ (рис. 3.15, табл. 3.8). При
вьшо.тшеНИIl стаТIlстич еской обраб отки ПрIlНЯТЫ слеДУЮЩIIе обо
зпачеНIlЯ: А ; == + '\/ ди(п 1) средняя кадратичесная 'ОШIlб
1
ка отдельноrо IlспытаНlIЯ; А == + А; V средняя нвадратичесная
ошпбна среднеrо аРИфl\lетичесноrо; Р 100% поназатель
С э . ер
точности; п ЧIlСЛО повторных Ilспытаний одноrо образца: С э . ср c.peд
неаРПф lотичесное значеНIlе сцеП.1IеНIlЯ; f'l"i == С з .i Сэ.ср отнлопопие
от среднеариф:\rеТIlчесноrо апачения эквпвалентноrо сцеплеНIlЯ.
Таблпца 3,7
Дпаметры штампов и lIarрузки IIpll модельных IIспытаНIIЯХ
d ш
I Мнон-:и I
TeJL подо
БJIЯ
Наrрузиа на штамп, х10 Н
18 )1 , 2,7 4 6,7 8 10,7
22 1,22 3 4 5 6 8 9 10 12 14 16 19
36 2 10,8 16 27 32
220 12,2 600 1000 1200
80
Сэ,мпа
Рис. 3.15. Сцепление
древеСНО ОСОRовоrо
среднераЗЛОlliпвшеrося
торфа по дaHHЫ 1 иа
раллельных определе
НlIй, выполненных на
ОДНШJ образце прп
те шературе 4,5 0 С;
d 22 мм; р 80 Н; 1,
2, 3... опытные точкп.
2,0
б
о 1 х 2 .3 l1 4 05
1,2
0,8
О
БО
120
180
240 t,MUf-!
Т а б л 11 Ц а 3.8
Рис. 3.16. Завпсп юстЬ эквивалентноrо сэ,МПа
сцеllления от наrrу3IШ. Испытан дpCBeCHO
осоковый торф при темиературе 4 2 0 С;
d == 22 Ш.
Вреып HarpY3Hll: 1 1 ч; 2 3 ч; J 8 ч.
Изучение ИЗ:llенения сцепле
ния во времени при испытании
ттю.шами различных диаметров
показало, что увеличением про
должительности опытов влияние
дпаметра на сопоставимость с э
умепьшается. Для анализа влия
НIIЯ времени на величину эквива
лентноrо сцепления интереспо
paCC:llOTpeTb данные длительных
(более одноrо rода) испытаний, выполненных нами в подземной ла
бораТОРIIII ПрII те:lшературе 2,50C образцов BepxoBoro древеспо
OCOKoBoro торфа, отобранноrо в раЙопе r. Нерюнrри (диа:lШТр lliTa:lI
па 22 I\Ш, наrрузка 20 Н). Основные физические свопства торфа:
р === 1,29 r/C:l1 3 , (J" === 1,8 r/o,13, W === 2,6. I-\ак 1\1Oп-\но видеть
(табл. 3.10), эквивалентное сцепление торфа за 9500 ч уменьшнлось
по сравнению с ВОСblIИчаСОВЫI\I более чем в три раза, тоrда как у
l\Iинеральных rpYHToB У;\lеньтениf' за это а,е время составляет OKO
.110 20% [Вялов, 1959]. Общий характер IIзменения сцепления у
мерзлоrо торфа близок к характеру И3:lIененпя сцепления льда,
что связапо со значительпым влаrосодержаниеl\l торфа. В то ,I,e
вре:llЯ заметны 11 отлпчпя. {{ак известно, предельно длительное сцеп
лснпе льда С",Д,'! === О, тоrда как у торфа па ПIНая с 4500 ч отмече
СтаТИСТllческая обработка опытных данных
С Э ' 10' Па
Условия проведеНIIЯ Время O"i ' О, Р. %
опытов отсчета Cpeд I МIIНИ I MaKcII 10' Па 10' Па
ННН Мз.;"1ьнан l\lа.lьная
НаI'РУЗI,а на штамп
RO Н 1M1IН 27 24 30 6,75 3,9 14,5
Дна штр штаl\ша 22 l\1l\l 5l\ПlН 17,9 16 19.4 2.57 3,9 1U,2
15 1111IH 13,4 14 12 1,5 1,04 10
Температура rpyma
4,50C 30llШН 11,5 10,8 12,6 0,6 0.45 3,9
1 q 10,3 9,8 10,9 0,7 0,49 4,75
3ч 8,5 8 9 0,7 0,5 5,9
6ч 7,6 7,2 8 0,56 0,39 5,1
8ч 7,2 6,7 7,8 0,68 0,48 6,6
Наrрузка на штамп
160 Н 1мпн 32,7 21,6 43,2 10,8 6,2 19
5 мпн 16,7 14,9 17,3 1,6 0,9 5,6
Дпаметр штампа 22 IIThI 15 мнн 12,8 10,9 13,9 1,7 1,0 7,5
Те)шература rpYHTa
4,50C 30 IIПIН 10,5 10 11,2 0,6 0,4 3,4
1ч 9,6 9 9,9 0,7 0,4 (4
3ч 7,8 7,5 8,2 0.3 0,2 2,4
6q 7,1 6,8 7,0 0,3 0,2 2,5
8ч 6,7 6,6 6,9 0,1 0,8 1,12
HarpY3Ka на штамп
40 Н 5с 4,6 3 5,5 0,96 0,43 9,3
Дпаметр штампа 22 M [ 30llШН 1,8 1,5 2,2 0,25 0,11 6,3
2ч 1,5 1,3 1,8 0,22 1 6,7
ТеМllература rpYHTa
2,50C 4ч 1,4 1,2 1,7 0,21 0,96 6,85
8ч 1,3 1,1 1,6 0,19 0,86 6,6
L1 1
02
.3
.б
.
.
0,6
2
.
.
6
10
14
р, . 10Н
Т а б л н Ц а 3.9
Результаты восы\часовыыx IlспытаНlIЙ торфа
штаl\шаl\Ш разлllЧНОI'О ДIШl\lетра под наrрузкаll1ll
краТIIЬЕ\Ш квадрату l\ШОЖllтеля подобия (8 ==
== 4.20C)
наrРУЗКII приводит к возрастанню сцеП.1lения, что свндетельствует
об уирочнении мерзлых rpYHTOB, то для торфа наблюдается YMeHЬ
тенне сцеП,llения с ростом наrРУЗЮI (рис. 3.16). Указанная законо
мерность объясняется отсутствие:ll упрочнения ввиду податливости
СЮIlIХ частиц торфа. Характерно. что С увеличением ВрЮlени воздей
ствия наrрузки ее ВЛIIяние на сцеплеиие уменьшается. Это является
результатом воздействия времениоrо фактора на процесс разруше
ния: при малых наrрузках необходим БОЛЬШIIЙ период времеип для
разрушения внутренних связей. Прп достаТОЧНO:II увелпчеНПII Ha
rРУЗЮI II длпте.1lЫIOСТИ воздействия эффект ее ВЛIIЯНИЯ на сцепление
практически исчезает, и для торфа, как и для минеральиых rрул
тов, сцеп,тrеНIIf' 1\IO,l-\НО рассматрпвать как постоянную веЛIIЧИНУ, He
заВИСШlУIO от давления (рис. 3.17). Данные испытания штампюш
раЗЛIIчноrо диаметра выявпли теидеНЦIlIО к незначительному YMeHЬ
шенпю сцеП.1lеИIIЯ с ростом диаl\lетра. :Мы сопостави.1lИ результаты
восьмпчасовых опытов ПрII HarpY3Ke кратной квадрату I\ПIО,l-\lIтеля
подобия (п === d;!d I ) (табл. 3.9).
82
р С Э Р Са
d ш == 18, п == 1 d ш == 36, п==2
2,7 10,8 10,8 9,8
4 135 16 5,21
6,7 13;6 27 7,41
8 7,4 32 4,5
d ш == 22, п == 1,22 d ш == 220, п == 12,2
4 14 400 6
6 10,4 600 5
10 6,18 1000 6,2
12 6,92 1200 4,2
6* 83
Са
Рис. 3.17. Снпжение во Бре ю
ни эквивалентноrо сцеиления
верХОБОI'О древесно травяно
1'0 среднеразложивmеl'ОСЯ TOp
фа (р == 1,02; W == 3,7), ис
пытанноl'О при температуре
70C (1), 4,5CC (2), 2,50C (3).
C
201
16
о f
. 2
х J
14
12
8
I
10
"
4 L ' I : I '
I
t, ч
4
i
8
f
2
3
5
Б
7
4
2
о
50
100
150
200
250
300
350
400 t, ч
на практпческая стабилизация осадки, что указывает на ВОЗI\Юj-J,
ность существования для пеrо предельно длительноrо значения эк
вива.iIептпоrо сцеплепия.
Эквивалентное сцепление торфа, соответствующее I\ШЛЬВI пе
риодаы времени, часто превышает таковое для минеральных rpYH
тов при тех а,е те шературах, но уже на десятой пятнадцатой ыи
путе пх значения выравниваются, а затем для торфа становятся
меньшими и продолжают уменьшаться более длительный перIIОД.
ВЛIIяние временнбrо фактора на снижение эквивалентноrо сцепле
НIIЯ неотделимо от температурноrо. Снпжение эквивалентноrо сцеп
лени я BepxoBoro, древесно травяноrо, средперазложившеrося мерз
лоrо торфа (р 1,02 r/C"1.1 3 , J;V 3,7), испытанноrо при различных
температурах, представлено на рис. 3.17. Чем выше температура
и че l больше заторфованность, тем быстрее происходит уменьше
нпе эквивалентноrо сцепления по сравнению с ero мrновенным: зпа
чеНIIем (табл. 3.11).
Для выявления влияния только температуры на величину сцеп
ления раССlllатривались данпые испытаний одних и тех ,Бе I\ЮНОЛП
тов при различных тюшературах. Было выполнено несколько ce
рllЙ таких опытов на образцах, отобраппых на севере КОI\lИ АССР,
84
Таблица 3.10
Данные (по ПЯТII образцаl\l) длительноl'О I1спытания l\lерз
ЛОI'О торфа (8 == 2,50C)
t, '1 Са t, '1 Са t, '1 Са
, 5с 17,37 312 1,41 1296 1,02
15 с 10,92 360 1,35 1320 1,01
30 с 6,95 432 1,33 1440 1,00
111П1Н 6,35 480 1,27 1680 0,97
5 мин 4,74 552 1,26 1752 0,96
0,25 3,98 600 1,25 1536 1,00
0,5 3,47 648 1,24 1800 0,96
1 3,20 720 1,21 1896 0,93
2 2,98 792 1,18 2016 0,93
4 2,65 816 1.17 2256 0,90
8 2,47 888 1)6 2400 0,88
24 2,19 936 1,14 3024 0,85
48 2,04 984 1,12 3720 0,84
120 1,65 1032 1,10 6620 0,83
192 1,51 1200 1,04 7100 0,82
240 1,45 8520 0,82
9240 0,82
9456 0,82
в lVIаrадане, в Южной Якутии. Характерные кривые завпсимости
Са е (рис. 3.18, а) I\Ю,,,НО условио разделить па два участка: в
зоне интенсивных фазовых переходов увеличеппе сцепления с по
НЮI,еПIIем температуры происходит пнтеНСIIвнее, чем при более
низких температурах, коrда количество ,льда и незамерзшей воды
остаются практически ПОСТОЯННЪВПI II увеличение сцепления связа
Т а б л и ц а 3.11
СНIIжеНllе сцеплешш npIl длитеЛЬНОl\1 воздеЙСТВlI1I наrРУЗКII
u Сцепление от IIIrHoBeHHoro до различных мо.шн
0<"
'" тов времени, %
Вид rpYHTa t::
C.J;>-. 1 ) с \ I мин 130 lIIинl 1 ч I " '1 I !; '1 I "50 ч
Е--<Е-<
ТоrФ р == 1,02 r/CM 3 , ро == 0,5 2!) 20 14 11 9 7 6
== 1,5 I'!СIl1 3 , W == 3,7 2,5 34 22 18 15 12 10 8
4,3 74 53 38 35 26 25 11
7 78 61 40 36 28 27 14
Заторфеванная супесь, 0,5 58 47 29 24 21 20 17
Р == 1,7 r/cIl1 3 , ро==2,1, 2,5 69 55 41 29 35 31 21
W == 2,15 4,3 77 68 49 43 39 35 32
7 83 78 63 58 51 49 39
Суиесь пылеватая, р== 0,5 69 56 32 28 25 23 20
== 1,85, Ро == 2,68, 2,5 78 69 55 49 40 35 27
W == 0,29 4,3 85 73 59 53 48 45 39
85
Сз.fоSПа
а
одноii: 11 той же. Это позволяло дос.тпчь одинаковой с.тепенп разру
шения с.труктуры rpYHTa под lIIТaJ\ШQ;\I во вс.ем температурном
диапазоне. Ос.редпеНJТые значеипя фпзнчесюп: c.BoiicTB торфа:
р == 1.08 r'c.M 3 ; Тl1 == б,47, rs == 1,56 r1c.-M 3 , D == 17%; f1 п ,а ==
== U,1°C. Содерашнпе неЗЮlерзшей воды при ПОНПiБешПI теыпера
туры в пспытанньп: образцах по даППЫi\I ка.iIОРIПI€тр..чес.КIIХ опытов
С.тIедующее:
в
О, ос 1У н В, L; П'н в, <с 11Тн
2,5 3.8 8.5 1.4 25,5 1
4 2;6 9.5 1.35 28 О,!18
6 1,8 13 1.15 46 0,92
4-
2
п
4-
8
'2
'Б
20
24 28 е:с
2У8
По.'Iуqеннью rрафпки 1/С а III t ПрIIведены на рпс.. 3.19.
Как показано С. С. I3яловьш [HJ59], дЛЯ минера.тIЬПЫХ rpYHTOB
заВlIСIl IOСТЬ обратноЙ величнны наПРЯiI,eIПlЯ, разрушающеrо мерз
лый rpYHT, от временп в по.ттулоrарпф)шческих коордпнатах яв.пя:
етс.н лпнейной, что и полоа,ено в основу уравненпя д.'1ите,пьп и
ПРОЧНОСТII. ДЛЯ мерзлоrо торфя. при температуре от 8 п .} до 10 С
в ОТЛIIчпе от минеральных I'PYHTOB ОТ lечаетс.я пелпнеинос.ть YKa
занной заНIIс.Иl\ЮСТИ (см. рис. 3.19), что УСЛG;>княет пр()rноз длите.тIЬ
ной прочности по даННЬВl краТК()lIреi\Iенпых IIс.пытапиЙ.
Для анализа ВЛИЯНIIЯ фпзическпх СllОйСТВ на велпчппу эквп
ва.:Iептпоrо сцепленпя наl\Ш пспытывалпсь образцы верХОБоrо. дpe
веспо травяноrо торфа ненарушенноrо СЛО;.J,ешш. ТяеньшеНlIе Rла;,т,
ности до заданиоrо значения ДОСТ!lrалось Rысушиваппе;о,l образцов
при температуре 18 200c. 3атем для panHOl\lepHOrO рас пределеIТIШ
В.'IЮ'II обраа[ ы пзолпрова,j]ИСЬ [1 выдер;.юшалпсь ПрИ этои а,е теl\lпе
ратуре II течеНllе 2ft ч. Таюш образом, ПЗl\ЮНЯЯ в.па;,ютость, мы ()пec
пеЧIIЛII J1С3I1аЧIlтеЛЫlOе I1з [еIIеllllC ПЛОТIIОСТИ cyxoro торфа. rрафПR
Са == 1(11), построенный по данным ВОСЫ\lпчасовых ис.пы'['аНJ!Й, сви
дете.пьс.твует об Уllе.пичеНПlI Са С. pOC.TO!\I В.паа,нос.ти до полнои влаrо
емкостп (рпс. 3.20). Дальнейшее Уllеличенпе в,паiБНОс.ти, обус.ловлп
вающее образование ледяных включепий, ПрТШОДIIТ к с.НП;.I.енпю эк
IlJlпалентноrо с.цеплетпш, приблпа.ая ero к с.т епленIТТО льда. Aттa
.тюrllчпые данпые получены ДРУППIИ пс.следовате.пЯi\1И [Амарян,
J\'LlIpOHOB, rалкип, 1981; Нау юв, 1981]. "УраllнеНllе зависимос.ТII
эквивалентноrо с.цепленпя от В,'1ЮI.нос.ТII, полученное намп в pe
зультате обрабОТКII опытных данных, для раЗЛIIЧНЫХ видов торфа
lIl\ICeT вид
4
Рис. 3.18. 3авпсшlOСТЬ Са от 8(а) и от 1 8 (6) ДЛЯ торфа с различньпш фи
зпчесКIПШ СВОIlСТВЮШ.
1 Р 0,93 r/смз. Pd 0,11 r/смз, \У 7,<:6: 2 Р 1,0'" r/CM., Pd 0,09 r/CM',
y 9,11 (данные ВОСЬМilчасовых IIспытаНlIii),
но, очевидно, только с уменьшеЮIеl\l энерrии тепловых флуктуации
атомов крис.та.плпчес.кой решеткп льда.
Большое влаrос.одера,ание торфяных rруптов обуслов.пивает
ббльшую по с.равнению с .\Пшера.ттьны ш rpYHTai\11I IIнтенс.ПRПОСТЬ poc
та несущей спос.обностн при ПОНП;.IШПИII те1шературы, 11 кривая
Са == 1(8) выравнпвается не в коордипатах Са == I( V I8 1), как для
( 4/ )
l\Iинеральпых rpYHTOB, а при пос.троенпи завис.пмости Са == 1 1 I <у I
(рис. 3.18, 6). Некоторые авторы отмечают линейную завпс.тпюс.ть
сцепления l\1ерз.пorо торфа от тюшературы [НаУl\ЮВ, 1981; А шрян
п др., 1981], что, ПО ШIДПl\Юl\IУ, с.вязано с пезначительпьш дпапазо
ном температуры, в пределах которOl'О выполнепы указанные пс.
следованпя.
В соответствии с наШИМII даННЬППI завис.имос.ть эквивалентноrо
сцепления :мерз.пOl'О торфа от те шературы прп различном времсни
воздейс.ТВIIЯ наrрузкп в общем впде i\10;.I,eT быть описана фОр IУ.пой:
4r
Ca,t == Gt + b t 1 18\. (3.14)
rде a t п b t параметры. завпсящпе от фпзпчес.кпх свойств торфа
п временп дейс.тшш наrрузкп, l\IПа; 181 абс.олютпое значение OT
рпцательной тюшературы.
В процес.с.е вьшвленпя ВЛIшнпя ПОНИ;.I,еппя температуры на
сцепленпе мерзлоrо торфа памп выполнена так;.т.е с.ерпя пс.пытаппй
образцов, отобранных пз одпоrо II Toro а,е монолита КОi\1плексно
bep-х:овоrо торфа ПрII температуре от 2,50C дО 470C. ДЛЯ вс.ех
значений температуры наrрузка подбиралас.ь такпм образом, чтобы
осадка шарпковоrо штампа в фIшспроваппые МШICнты ВРЮlенп была
Сэ,t,в == (At,B fV 3 + Rt,B), l\'1Па,
(3.15)
86
rде At,B Bt,B, I\IПа параметры, зя.впс.ящпе от температуры п Bpe
мени воздейс.твия наrрузки. Для rрафпка, предс.танленттоrо на
рис. 3.20, они с.оответс.твенно равны 0.003 п 0,01 l\1Па. Весьма Boe
образное формироваПIIе вла;'lШОс.ти тор яных rpYHTo проис.ходит
при ПНJ-"енерпой подrотовке территорпи под зас.троику с.посоБОl\I
подс.ЫПКII п.пи намыва. В районах печной мерзлоты пропсходит OT
таиванпе, уплотнение торфяных rpYHTOB и ота-:атпе влаrи, их B,Тlaa.
ность остается близкой к полной влаrоемкости. Прп ПрОl\Iерзашш
87
1/сэ'1О5по < сэ, 105 Па
0,6 . 1 .
8 02 J
f:>
03 / .
6 f:> 4
. 5
4 /
0,4 0/
2
1 5 wc:
Рис. 3.19. ЗависшlOСТЬ l/с э
от ln t для КШПIлексно всрхо
Boro торфа ненаРУШСННОIl
структуры.
этоrо слоя формируются фПЗJШО :llеханичесние свойства, от.лпчные
от T HOBЫX дЛЯ rpYHToB eCTecTBeHHoro сло:"',eIПIЯ. ПОЭТОМУ практиче
снии интерес преДСТaJшнет проrlIОЗ несущеп спосоБНОСТII торфяных
rруптов, замерзших под давлением.
Кан было поназапо ранее, водоотдача торфа под давленпем про
порцпопальна величпне дюшеппи 11 находится в хорошей норре.ля
ционной СВЯЗИ с полпой влаrоюшостью торфа, соответствующей
естественному, допрпrРУЗОЧНОI\lУ состоянию. 3аШIСИ1\IОСТЬ отноше
нпн В,па;'I,НОСТII, формирующеllСЯ при заДЮТНО\1 давленпп, н полной
ВJIаrОЮIНОСТIl от веЛI1ЧIlНЫ даВJIепия оназаJIась еДИНОll для всех
впдов торфа.
С целью определения упрочнеппя промерзающеrо под пю'руз
:КОИ торфа выполпены следующие опыты. Образцы ненарушеннuй
струнтуры в талом состоянии уплотня.лись в одометрах в УСЛОВIlЯХ
полноrо ВОДfJнасыщепия под постоянной. но разлпчной для наfl,доrо
образца наrрузной дО УСJIОВПОП стаБПШl3ации осадки, нотораи па
ступила через 40 сут (IIрпращение осадки не превышало 0,02 мм/сут).
3aTe:ll вода, ОНРУlliающая образцы, удаляласъ. rpYHT переносплея
в ХОJIOДI-IЛЬНУЮ камеру, IВlеющуlO температуру 6CC и заморажи
вался под тем }Бе УПЛОТIIЯЮIЦIЕ\I давленнем. Ero величины COCTaB
лялп (0,25; 0,5; 1; 1,5; 2)х10 5 Па. После устаНОВJIеНИfl в образцах
'I'еi\шературы f) С они выдера,IIвалпсь не менее сутон до стабп,'1И
зацпи фазовых превращенпй Блаrи. 3атем ВЫПОЛНЯШ-IСЬ определения
энвивалент. юrо сцепленпя шариновым ПIТЮШЮI. ИЮlенение фI1ЗИ
чесних своиств торфа в процесс е уплотнения поназапо в таб.л. 3.12.
Средние значенпя ЭНВfшалептпоrо сцеплеНIlЯ ио даПНЫ:ll Tpex
EpaTHoro определения для наlliдоrо образца СIlЛЬНО и слаборазло
88
0,2
I
б
I I
;
: 1 + , i l
0 1 I
4 6 8 10 L"t,C
т а б л и Ц а 3.12
ПЗl\lеllеНIlе фll311чеСКIIХ свойств торфа при уплотнеНIIИ
ВIIД rpYHTa
ФIIзичеСКI1е
СЕюiiства
ДаВпl'НlIе, Х 10' Па
о
0,25 I 0,5 I 1,5 I 2
Рис. 3.20. 3аВI1СIШОСТЬ с э от
V11c для BepXOBoro дpeBeCHO
травяноrо торфа ненарушси
Horo сложенпя Прll е 7 С С
(данные ВОСbllIlчасовых ис
lIытанпii) .
Торф BepXOBoii, llушпце V11 6,51 3.52 2.88 2.77 2,5 2,44
с
во сфаrновыii, D Р, l"сы 3 0.93 0,94 0,97 1 1,01 1,03
1000, Р. 1,56 r/ci\l3 Р'/' r!ci\l3 0,12 0.2 0,25 0.27 0,28 0,3
Е 12 6,8 5,25 4,8 4,53 4
То Же, D 32%, Р. W 4,01 2,81 2,3 2,42 1,88 1,55
с
1,53 r/c 13 Р, ri с)[3 1,04 1 1,05 1,01 1,06 1,1
Pd' I'/см3 0,21 0,26 0,3 0,3 0,38 0,43
Е n,53 5,08 4.28 4.28 3,16 2,68
жившеrося торфа поназали, что в слабораЗЛОrЮIВшеl\IСЯ торфе,
струнтурпая прочность HOToporo выше. чем епльнораЗЛО;'ЮIВшеrося,
пезначIlтелыIеe давленпе (до 0.25.1U 5 Па) пе дало существепноrо
увеЛIIчеНIIЯ ЭRвивалентноrо сцепления. 13линнпе уплuтненпя на He
сущую способность сназалось .ПШI!Ь после ПРIIrРУЗНII слаборазло
жившеrося торфа давлением 1.105 Па и выше. ПРIIчем ПОСJIедующее
ПОВЫШf'IIIIe давления увеличивает сцеплеппе незначIlтелыI.. Кан по
назанu Л. С. АмарЯНОi\I [1969], давление (2 3)X 105 Па дает пран
ти:чеСНII I\IaНСПi\IaЛЬНО ВОЗi\Юfl,;ное уплотнепие торфа, а следовательно,
II увели:ченпе несущей епосоБНОСТII.
13 СlIльнораЗЛОrышшемся тор:lю струнтурпая прочпость :lleHb
ше, ПО;)ТОl\IУ даrr-;е незпаLlIlТе.льпое давление заметно уплотняет
ero п повышает несуш'уЮ способпость после за:llОрааашанпя в уп
.'101'[(('11110'1 состояrпш. 13еРХIlIIП предел уплотняющеrо давлеппя
для с лыIразлтюшшеrосяя торфа i\ЮrI-;НО прпнять равным (1,5
2) х 10 Па. В цеЛЮl эффе.нт повышеНIIЯ несущеп способности уплот
JlеlIlЮ:l1 11 послеДУЮЩIВl заi\IораrЫIВаНПЮl для с.тrабораЗJIОiБпвшеrося
торфа HeCHo.тrЬHO выше, че:ll для СII.Пьноразлоаашшеrося (рнс. 3.21).
Тан нан приrрузна торфяных rруптов в целях ПШI>еперноп под
['ОТОIШlI террпторпп обычно заНИi\Iает значптелыIеe П;:Iощадп, усло
lIJlЯ об;.r-;аТIIЯ торфяноrо слоя, ПОДСТIIлаеыоrо вечноыерЗЛЫi\III rруп
TcBIII, :\lОа,но рассматривать кан I\OI\I
преССIIонные. Поэтоыу меТОДIIна оценки сэ,1О 5 Па
повышеШIЯ несущей способности rpYII
тов уплотнением II заi\Iораа,ПВЮIIIем IIХ В
В одоыстрах близно соответствует pe
НЛЬПЫi\f УС.'lОВIIЯ:ll работы rруитов. 7
Рис. 3.21, 3аВПСIШОСТЬ св (УIlлотненноrо до
!lJJШlерзашш торфа) от уплотняющеrо дaB
леНI1Я р.
1 СII"ьнора3;IОН;IlШПlIiiся торф, 2 C;Iafopa3;I0
ЖIIВШIIЙСЯ (образцы УШIOтнены до промррзаНlIЯ 11
заморожсны под давлеНIIС 1 при е 60C),
. 1
02
о
1,0
1,5 р,ю 5 Па
0,5
89
Касаясь в це;юм заВIIСIНЮСТJI сцеплення ыерзлых торфяных
rруитuв от ФllзичеСIШХ свойств, следует отметить, что ВЛИШlие пос
ледпих сказывается не порознь, а КО)lплексно, cOB:'lecTHo. ПОЭТОlllУ
при обобщеНИIl ва;+;но объединить показатели ФИЗIlчеСЮIХ свойств
и таКИl\l образом уменьшить ЧIlСЛО пере:'lеllНЫХ, более отчетливо BЫ
явить внутренние СВЯЗII, характеризующие процесс разрушения.
Кроме Toro, определеПНО:'IУ значеншо объединяющих показа
телей соответствует цеJIЫЙ ряд значений ФllзичеСЕШХ cBoikTB. c.'1e
довательно, объеДIШЯЮЩЮIУ ко:.шлексу отвечает не одна опреде
ленная совокупность первоначальных величии, а бесчисленное ино
п,ество таких совокупностей. ТаЮВI обраЗШI, при раСС!l10треншr про
цесса в зависимости от обобщенных переменных физичеСКIIХ свойств,
рассматривается не единичнып с.тrучай, а их значительное количе
ство, объединенное ЭТIПIИ пере:'lенны:.II..
Из всех факторов, определшощнх прочностные характеристики
мерзлых торфяных rpYllTOB, следует выделить в первую очередь
влажность. Именно количество льда и незамерзшей воды обуслов
ливают величину сил сцепления. ПоказатеЛЮI количества льда в
I'pYHTe lIю;+;ет слуа,ить ВJIaiI,НОСТЬ за счет льдистости W i . ВтороЙ
важной характеристикой вла;-r,НОСТII является полная влаrое!\шость
W II , которая определяется коэффпциеНТОlI1 пористости, плотностью,
а для торфа находится в корреляционной связи со степенью разло
1I,ения, т. е. нолная влаrоемкость объединяет несколько фII3IIческих
свойств, определяющих прочностпые характеРIIСТИКИ rpYHToB, яв
ляясь их комплексным показателе:'1 п постоянной веЛIIЧИНОЙ для
данноrо образца rpYHTa пезаВИСIШО от ero температуры. Как было
показано, са:'lые высокпе прочностные показатеЛII мерзлых rpYHToB
при прочих равных услоВlШХ соответствуют состоянию, коrда влаж
НОСТЬ I'pYHTa близка к ПОЛIIОЙ влаrоемкости. Влажность за счет
льдистостп обусловлена темнературой. увеЛIIчиваясь при ее по
нижеНИIl.
ТаКИl\l обраЗО:'I, полная влаrоюшость обобщает ряд физических
свойств, от которых в значптельной l\Iepe зависит прочность rpYHToB,
а влажность за счет льдпстости является показателем ИЗ!\lепения
прочности rpYHToB в процессе ПОНШI,ения или повышения пх Teы
пературы. Оба парЮIeтра JY i , JV" характеризуют водные свойства
и Л10rут быть объединены в СIвшлекс W/JY". Но этим отншнепие:.1
не исчерпываются все физпчесюre свопства, обусловливающие проч
ность lIIерзлых rpYHToB, так как ПОП1Irhенпе температуры упрочня
ет кристаллическую решетку льда 11 прпводит к ПОВЫlllеншо проч
ности без праКТIIческоrо уве;шчеНlIЯ КОЛlIчества льда. rраЮ'Щ2Й,
от котороЙ начинается увелпчение нрочности rpYHToB Нр1l ПОНlш\е
нпп температуры, является тюшература начала за:.rерзаюlЯ rpYH
товой влаrп 8".з. Как было покззано выше, она зависит от общеЙ
влажности, концентраЦПIl водных растворов, раЗlllеров 11 формы
пор, удельноЙ поверхности частиц rpYHTa, т. е. в цеЛО:'I, от силы
связи в систюrе вода ;\Iпнеральные 11 орrапически:е частицы. Teы
пература rpYHTa 11 те)шература начала ЗЮlерзаПIIЯ rрунтовоЙ влаПI
объединяются в сп:.шлекс е/8 н . з .
90
Рис. 3.22. 3аВИСИ1ll0СТЬ сtWл/"l-V п от 8/8 п . з 4 *102
ДЛЯ 1IIерзлых rpYHTOB. 03.4
1 "есон; 2 суrJlШОН; 3 торф; 4 заСО;1ен '1:::, .3
ныЙ пеСОR. ПРОДО.lЖl[ТС. IЬНОСТЬ IIспытаНIIII: 1 ч; ""
II 8 ч; III длительнuе. ;:
s:
----2
s:"'"
....,
" 1
о
ТаКIIIII образом, TV/W" II 8/8 н . з яв
ляются ОСНОВНЫIIIИ обобщаЮЩИIIIП пока
затеЛЯIIIП фпзических характеРIlСТПК 11
факторов, оБУСЛОВЛIlвающих прочност
ные своЙства мерз,ТIЫХ rpYHTOB. Этот BЫ
вод подтверждается ОПЫТНЬШII данньпш: силы 'сцешюния всех видов
IIсследоваIIНЫХ I'PYHTOB, опреде.'1енные Д.ТIЯ одпоrо п Toro же ПрU
lIIежутка вре:.rенп t в спстеме коордпнат Сзt(W/ТV п ) 8/8 н . з rруп
ПIIРУЮТСЯ BOKpyr одноЙ прююЙ (рпс. 3.22).
При температуре начала заl\lерзаНIIЯ крпстаЛШI3уется основное
количество пес вязанноЙ влаrн в rpYHTe, н начальноЙ точке на rpa
фпке соответствует зпачеПIlе С Э J-v;lw ", для KOToporo JV; равна BJIam
НОСТП за счет ЛЬДИСТОСТII при тюшературе начала замерзания. AHa
лптическое ВЫРЮ-I,енне заВIIСIlМОСТН длl1телыIrоo сцеплеНIIЯ от YKa
заПIlЫХ СНlllплексов имеет вид
10
20
30 8/8 н . з
(0,058/8".з + 0,01) J,y"
С Э дл JV. .
,
(3.16)
Уравнение (3.16) позво,пяет сделать вывод, что сходственньпш
те"шератураlllН для rpYHToB являются теlllпературы, составляющне
одинаковую долю от температуры начала замерзапня rрунтовоЙ
В,"'IаПI, а сходствеIlIIЫМП зпачеllllЯIIПI вла;.I,НОСТП за счет льдисто
еТII :111;1.'1('11111[, ('()СТНВЛНЮIЦIЮ определенную часть от полной вла
I"ОРМЮ)('ТII. т. е. ОДIIIШКUВЫl\l д.тште.'1ЬПЫI\I сцеплеННЮI обладают те
ВIЩЫ l'PYIlTOll, 311ачеНIIЯ W/J-V п 11 (--1'811,З д.'lЯ которых COOTBeTCTBeH
110 совпадают. Этот вывод оказался справеДЛllRhПI как для ТОрфЯ
IIIoIX, так и IIIинеральных rpYHTOB. Ero проверка ВЫПО,lНена така,е
по даПНЫIII, IIолучеННЬПI С. с. ВЯ:lOвьш [1959] для МIПlеральных
I'PY"TOH н А. А. КарпунпноЙ [Н)72] ДJШ засоленных.
3.5. КOl\ШРЕССIЮННЫЕ СВОНСТВА
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
Выпол'ненные lIa;\IH RО:'lпреССIlонные пспытапня мерз
лых торфяных rpYHToB проведены при темнературе 5 и 80C.
ДIIЮlетр рабочеrо кольца одометра paBI-IЯЛСЯ 87 :.Ш, высота 34 1\1111.
Обра:щы пенарушеНIIО1'О СЛШi\еюlЯ l'ОТОВIШIIСЬ вдавлпванием Kep
иоотборшша в !\J()ПОЛИТ rрупта ВННТОВЫIII преССОIl1 ПрIl температуре,
б:шзкоii к оос. Диаметр керноотБОРНIIка превышал диа;\ютр рабоче
1'0 кольца па 1 ,5 2 111111, чтобы не бы,ТIО зазора меа-;ду обраЗЦШI и
стенками ОДОlllетра. После устаПОВЮI обра3J\а в кольцо ero торцы BЫ
равнивалпсь и ШЛIIфовались. Прпборы в собраПНOl\I внде с образцом
!Н
выдер;'ЫIВались не l\IeHee суток при TeM
пературе испытання. 3arpY3Ka осущест
влялась ступенями (0,05 l\IП<l) с по
l\IОЩЬЮ рычажных прессов. .каждая
ступень выдеР;.I,ашалась до условпой
стаnПЛIIзаЦIIП дефuрмаций, за которую
прпнималась осадка штампа, не пре
вышающая 0,005 I\Ш за 24 ч.
Пз сопоставительноrо анализа вели
р,МПа чин относительных осадок (рис. 3.23) и
фпзпчесюп: с.войств образцов (табл. 3.12)
впдно, что значительное ВЛИЯIПlе на деформируе:lЮСТЬ оказывают за
ТОР фОRанность, коэффнциент пористости, влажность за счет незамерз
шеи воды и льдистость. Для определения обо6щенноrо ВЛИЯНIIЯ фи
зпческих характерпстик на дефОРl\шруемость ОЮI вырашались в виде
обобщенных парЮlетров симплексов или комплексов. Вла;.I":НОСТЬ
за счет незамерзшей воды W H II льдистости W i взаИJlIосвязаны, так
как являются слаrае:lIЫI\Ш СУ:lпraрной ВЛЮIШССТИ ТУ с == JlV i + ТУн
при каждом фпкспроваИНD:\1 значении температуры, поэтому при
об бщеНIIII моа..:но раСС:lraтривать одну из них. Второй характеристи
кои удобно взять полную влаrое:l1КОСТЬ ТУп' которая зависит от
коэффициента ПОРПСТОСТII JlV п == ЕриJр-,. с увеличением W п возраста
ет потенциальная ВОЗl\юа":нссть увеличения деформируемости мерз
лых rpYHTOB ПрII ПРОЧIIХ равных УС.ТIOвпях, таБ как прн ЭТD:\I YBe
личнвается пористость. 3аполненпе большеrо КОЛIIчества пор льдом
д
0,020
а
0,016
0,012
0,004
о
д(w.л /w п )'1O 2
1,0
tf
\..........
...
0,5
о
о
0,2
0,4 0,6
6
7
РllС. 3.23. ЗаписшlОСТЬ относительноii осаДШI
{j яерзлых торфяных rpYHTOB ОТ давления р.
а по данным компрессионных испытаниЙ (сп..uш..
ная JIIНИЯ е 50C, штри,оnал е 80C,
1 8 o номера образцов по табл. 3.9); б пере
СТРOlша нривых и инnариантный rрафии в ноордпна
тах БС Vл/"{;Vп) р дая BepxoBoro торфа раз
JпчнОII степени разложения при теыпературе 50C.
приводит -к уменьшению деформаций. Поэтому физические свойства,
обусловливающие деформаТИВllые характеРIIСТИКII JlIерз.тrых торфя
ных rpYHToB, моа,,:но выразить через степень льдонасыщения ТУ;/ТУ п'
У:lпюа..:ение относительной осадки на степень льдонасыщепия сБДII
а..:ает компрессионные кривые мерзлоrо торфа, а также заторфован
ных rруптов, имеющнх одинаковую заторфованность.
Таким образом, в качестве обобщенной характеРИСТIIКН фпзи
LlесюIX свойств мерзлых торфяных rpYHToB I\Ю;'IШО принять веЛПЧIl
ну ТУ/ТУП' Соответственно, постропв l'рафик заВИСИМОСТII меа..:ду
осадкой п наrрузкой в -координатах б(ТУ/ТУ п ) р, ПОЛУЧШI, чтu
все -компрессионные кривые (см. рис. 3.23), построенные д.тrя мерз
доrо торфа различной степени разлошения и при различной B,'Iaa..:
пости (см, табл. 3.13), совмещаются в еДIIНУЮ. инвариантную пря
мую (см. рис. 3.23, 6).
8
3.6. СОПРОТИВЛЕНИЕ сдвиrу
ПО ПОВЕРХНОСТЯМ СМЕРЗАНИЯ
м образ I
ца
Впд rp)'HTa
I е, 'с I r}см З I IЗ IlV I П'i
Опыты по определению сопротивления сдвпrу MCP;)
лых торфяных rpYHToB по поверхностям смерзания ВЫПОJlНЯШIСЬ
нами в полевых и лабораторных условиях. Н полевых УСЛОВIIЯХ:
(.комн АССР) испытаны на продавливание вмороа,еиные в торф
фраrменты сваЙ l\lеталличеСЮIe трубы наружным диаыетром 21,9 01,
рабочей длиной 150 см. Свап устанаВJПшались rоризонтально с цe
лью обеспечения по всей длине постоянной температуры. В летнпй
период на участке вечномерзлоrо торфяника были выкопаны шесть
траншей длIПЮЙ 200 см, rлубнной 120 см, шириной 50 см, с раССТl)Я
НIIе:llмеа..:ду НJПШ около 170 C:lI. После Toro, как rpYHT на дне траншей
оттаял на rлубииу 10 см, rоризоптально, cTporo по УРОВIIЮ, в Kaa":
дую траншею укладывалась свая. На ее торец падевалась ЦШllШД
рпческая e:lIКОСТЬ, IIмеющая диаметр на 5 10 CI\I больше ДИЮlетра
евап. E 1КOCTЬ и свая соеДIIНЯЛИСЬ rибкой водонепропицае IOЙ плен
-кой, закрепляемой по верху емкости и по боковой поверхностп свап
у торца. При продавливании свая свободно поrружалась в емкость,
работа торца пскдючалась (рис. 3.24). Испытапия выполнялпrъ в
3IШНIIЙ период, пос.тrе смерзания свап с торфом. Температура па
уровне повер.\.ности смерзапия в продолжепие опыта -колебалась не
более чем на 0,2 0 С и составляла b,2 7 b,40C. НаrРУЗБа созда
валась с ПОМОЩЬЮ rоризонтальпо установленных домкратов п поц
дершивалась постоянной от l\Iомента заrрузки до срыва. Период
заrруа,ения составлял 2 3 I\ПIН. Величина ню'рузкп задава.flась
таким образом, чтобы обеспечить различное длительное сопротпв
ление сдвпrу.
В лабораторных условиях былп определепы сопротивленпя еДБП
ry металлических l\Iоделей свай, вмороженных при 8 == b.20C
в торф, отобранный в l\Iесте полевых испытанпй. Исследова.'IИСЬ I\I
деЛII двух тппора3:llеров, подобные натурным фраrментам сваи,
а также модели трех типоразмеров при соблюдеНIIИ полноrо reOMeT
93
Т а б л 11 Ц а 3.13
Фll311чеСКllе свuйства uбразцuв l\lерзлых торфяных rpYHTOB до нача.:Iа КОl\lПрес
CllOHHbIX IIспытаНIIЙ
1 ТоРФ верховоп среднераЗЛОЖIIВШПIlСЯ 5 0,S8 1,56 3,21 2Щ
2 То же 5 0,97 1,56 4,3 3.1
3 3аторфоваиныIr суrлпнок, J от 0,3 8 1.2 2.2 1.1 0:95
4 Заторфованныii пеСОI\, J от 0,3 5 1,2 2,3 1,17 0,9
5 ТоРФ верховой срсднераЗЛОЛШВШIIIrся 8 О,84 1,56 2,97 1,6
6 3атсрфованныii СУI'ЛIIНОК, J от 0,1 5 1,49 2,55 0,46 0,36
7 с уrЛlIИОК 5 1,71 2,76 0,27 О,17
8 Заторфованныii суrлпнон, J от 0,1 8 1,49 2,55 0,58 0,45
92
.'IIII1:1III1l'. lIa основании этих данных строились зависи:\IOСТИ и.. ==
{(III l) Н 19 т 19 t, рассчитыва,тIOСЬ длительн [ е 1 (на период
. ,(1 ,111'"1') сопротивление сдвИl'У, по формуле т == B,lll В ' предлошен
Iloii С. С. 13яловьш [1959], а таНiБе по полученной IIa:\Ш формуле
(J
1 ............... (С ' I rл 4 ) "" В "" е а о t O параметры, определяемые
Д,I li , . . , р, , р, ,
I t/t o
1111 ОIlI.IТИЬШ даННЫ:\I. Результаты испытаний приведены в табл. 3.14.
т а б л 11 Ц а 3.14
С:Ш111OТllВлеllllе cABIIry по боковой повеРХНОС II l'еОl\lеТРllчеСКII п()до бных I\юде
т'ii t'IШЙ. Вl\lOроженных в сре ераЗЛОЖIlВII I1ИСЯ осоково пушицевыIl торф I\ШС
СIIВНОИ KpllOl'eHHOII текстуры
План
, 5
2 5' '
j , o"""P" i:T :
I 1 L iL-
!L ! l 150
L./ 3 lJ
'-'
,
I
Разрез по / !
8
I
i
1S!1
J ,2/
J ' r ,::Jj".'.... ----'
-I .
L '::rJ- :9
I l '50
'2
Д;IИтель
HarpY3Ha среднее ное co
М модели (и pa3Me на боно чис;ю ПРОТИRле
('j)IIЗИ1IССRIlf' своlIства вую по вррьш до опреде:lе нис СДВII
rpYHTa ры , см) lЗерхность, <:рыва, пий ry т,
МПа миН МПа
3
S
4
Первая серия испытаний
fI == O,98 1,1 r/С:\I З 1 (r == 1,35,1 == 0,5 lБU5 4
Р. == 1,5 I'/С)I З == 3,6, ro == 3,15, 0,6 833 2
"а == 0,24 0,29 I'/С)I З п == 1) U,7 65 3
W с== 3 3,6 0,8 45 3
W lI == 1,2 0,9 30 3
е == 4,50C 0,3 6300 2
11 (r == 3, 1==
== 8 ro == 7 п == U,4 1305 3
== 2;22) , 0,5 880 3
0,6 65 4
JIr (r == 4,5, 0,35 4500 2
1 == 12, ro == 10, 0,4 1200 3
п == 3,33) 0,45 350 3
0,5 159 3
I
7
б
Рис. 3.24. Схе)ш установкп пля испыташш свал в
полевых условпях.
1 опытная свая; 2 еьпюсть д..я иси.lIючеНlШ работы TOp
ца; 2' планна; 3 ДОl\lнрат; 4 упор д..я доьшрата;
5 Iшдш<аторы; б аннер; 7 подставна Д,lIЛ доынрата;
8 теП.:10И30.ilнционнан нрышна ;Iюна.
рпческоrо подобия меащу ними (радпус l' и длина l ОТ,ТIIIчалпсь на
один 1I тот же MHOiI-;J-Iтель подобия п == l'Il r2 == lI/l2 == const). Опре
делена taRiI-;е несущая способность моделей свай двух типов, для
которых соб,1тюдалось афинное подобпе: для первоrо ТIIпа дпа
lIIетр остава,lIСЯ ПОСТОЯIIНЫМ, l\Iенялась ТОЛЬRО длпна: для BToporo
ДШIНа оставалась постояпной, менялся диаметр. Uбразцы rотови
ЛIIСЬ слеДУЮЩIlМ обраЗ0М. Модель, представляющая собой l\Iеталли
чеСRУЮ трубу. устапавливалась cTporo веРТИRально в центре метал
лпчеСRОП обоймы. Ее ПОЛОFт-;еIIIIе фИRсировадось с помощью паЗ0В
в съемпом поддоне п заа-\Иl\1ноrо впнтовOJ.'О устропства. Диаметр
оБОЙl\1Ы задавался в соотвеТСТВИII с ;\IНОiIштелем подобия и превы
шал диаметр модели в 2,'з раза. После устаНОВRП ;\lОдели обойма
заПО.1lнялась rpYRTO:\l с послойным трамбоваRIIе:\I и устанавлпвалась
в ХОЛОДШJЬНУЮ иамеру. ЗююраiКиванпе осуществлял ось ПрII той
те:\шературе, при RОТОРОЙ проводилось испытание.
HarpY3Ra на :\lОдели передавал ась посреДСТВО:\1 рычаiI-;ПОЙ CHC
'['емы, ПРПRладывалась в те reпне 3 5 с и оставалась постоянной до
срыва моделп. Модель RаFl\Доrо типора3;\1ера пепытывалась ПОД Ha
rРУЗRаМII, обусловлпвающими 4 б зпачеНIIU напряа.:енпй т по бо
RОВОЙ поверхностн, с доведениеы опыта до продавлпваНIIЯ (срыва)
lIIоделп с фIIксацией временп t, через ноторое ПрОII30ШЛО продап
g4
0,29
0.24
0,22
0,1
0,18
0,15
Вторая серия иСllытаний
р == 0,1->5 r/см З J (r == 0,58, 1 == 0,5 МНЮ
1'8 == 1.57 r/c)[3 == 8, ro == 1,3, 0.6 3010 0,26
1',1 == 0,164 r/c:\1 3 п == 1,0) О,7Н 496 0,22
'У,,== 4,18 1,1 54,8
И'II== 1,05 II (1' == 1,1,1 == 0,5 2160 4
н ..= 6,20C == 15, ro == 2,5, 0.6 705 3 0,23
Il == 1,875) 0,65 455 3 0,20
[11 (r == 11, 0,237 624 1
1 == 150, п== 0,284 150 2 0,15
== 18,75) 0,125
0.4 20 1
II 11 11 1\1 С Ч а н 11 е. 1" радиус :моде.l]f, см; 1 рабочая Д-ТТIIна Мl)де. ПI, см; 1:0 pa
диус оu(нiмы. ем; 11 I\IноJt\ите.iЬ rео:меТрllчеСf\оrо подобия, paUHbIlI 1"n/ 1 "1.;:::: ln/1l' 't
В ЧИСJlитеJ"' ]1O формуле С. С. ВЯ,'Iова, В знамрнателе по нашеЙ формуле. Пррзая серия
модеJИ Т, 11, ТII испытаны в лабораторl'ЫХ УСЛОВИЯХ, вторая серия модеаи Т, 1I ис
пытаны в 11ОЛРВЫХ, ТII в лабораторных УС,ТlОШIЯХ.
95
а
2
.3,
2
О 2
6 10
14 18 22 26 t,ч
ct,10 5 Па
6"
.
6
20 30
о
10
96
Рис. 3.25. ВремеШlая завпсшюсть co
протпвленпя сдвпrу по повеРХНОСТЯ)1
С)Ieрзаипя металлических моделеii cBaii
разлпчпых раз шров с верхопым cpe;{
нера3ЛОЖИВШТНIСЯ торфом, IВ[СIOЩП 1
влажность. блпзкую к полноii влаl'О
ешюстп прп e 4,50C (а); e 6,20C
(6).
т, 1 COUT eTCTBPHHO равны: 1 1,35 и 36-
2 3 и 8, 3 q,5 11 12; 4 0,58 11 8; 5 '......:
1,1 J[ 15; б 11 J[ 150.
"/1' ,'1 '.n III'I'MO'IIII.III :1.1II11('II ЮСТЬ co
111'1111111'11'111111 "'IIIIII'Y 1111 1 111 111' I'ХIЮСТIJ
. 1\11 l' 1111111'1 MI' 11111.111I'It"t'I IIX I\loJ\PJlcii: cBaii
(,1 ",' " I, I :1,li "М) (' l'аа)III'IIIIНШ
1111 I.II III 11') 1111111 (t-:I '.,5 0 С).
1111 "" I .1II1'flРфlllllllllll.lit (1t'{'OH (J OT ==
11,:1): ," 1'11111(1.
ct 1О 5 Па
/
.
.
1
.
2
60 t,ч
4
О 20
40
11111.111.1 11111'11,111.'111, '11"0 ('МI',,:I<lIШН торфа с фарфором не ПРОИСХОДИТ.
1"'0'1111111111, ,'11 11.1 "1\1'11.111'111111 fiудут тем выше, чеl\{ больше поверхност
11111' 1111111,1,1'111'" 11 "1'IIЛllllа11Ш воды (коrезия), а также чем больше cllra
'11111111'\111"11. (11/1,1"1':11111) I[ОIII'РХI!ОСТИ. Количествеиная оценка указан
111.1' 1111,11'111111 IШI'I'Т riOJlblиoe практическое значение, так как оиа OT
1\ 111.111111' 1 1III,IМllilШОСТI[ выбора материалов фундаментов или назна
''''111111 "11111111'11 I'ВУlOщеll обработки их поверхностей, которые обеспе
'1111111111 1'1.1 IIClIII.IIIII'IIIIУЮ смерзаемость и, следовательно, IЕ\Iелп более
111.10'111\ \'111 1..'.'ущУIO способность.
11 111111111\ 1IIII,пtlХ основное ВНIII\Iапие было уделено влиянию
[ BIIIII'III ТIIl'фllllOl'CI I'рупта, температуры и времени на величину сил
C'M"I',IНIIIIII. 11:1 llCCX физических свойств наибольшее влияние на
C' II'I',IIII'\ICI"I'" оЮ.lзывают минералоrический состав rpYHToB, дисперс
11111'11., II.IIOI'IIOC'('[, П водонасыщенность, которые фОРМИРУЮТ силы
C'IIII,III l'"УIIТОВUЙ влаrи с частицами. Песчаные rрунты, содержащие
'III,'II.IЮ С'llOriодную воду, полностью замерзающую при отрицатель
111.1\ l'I'Ш[Р"<lтурах, имеют более высокое сопротивление сдвиrу по
1111111'1" IIOСТЯI\{ СllIерзаниЯ, чем мелкодисперсные rлинистые или TOp
ФJlIII.1O I'РУНТЫ, влаrа в которых испытывает электромолекулярные
1'11.111.1 IIJ<lUlIlOдеЙСТВIIЯ с частицами и остается в определенных коли
'11'" 1'lIax в незаllIерзшем состоянии при отрицательных температурах.
1111 :I'I'ОЙ ше ПРИЧIIпе заторфовапность приводит к УllIеньшению сил
1 \' H 1O П,:,
11
.
,\
,',
о 1 ..:: :, 3 .6 4
rрафики временной завТlСШЮ"
стп сопротивления сдвиrу по по
веРХПОСТЯ;\l СllIерзапия 't пспытан
пых lIIоделей (рис. 3.25) ИЮ'ЛЯДIЮ
свпдетельствуют об умепыпении т-
с увеличением периода действпя
40 50 t,ч наrрузкп. Кроме Toro, четко про
слеН;Iшается тот факт, что с упели
чеН IЮ разме ов I\[одел й сопротив,тюнпе сдвиrу УllIеньшается ПрII
про IИХ равных УС,ТIOвиях, т. е. для мерзлоrо торфа ОТlIIечается тот n,е
характер зависимости сопротивления сдвиrу от размеров lIIоде,пей,
что и для МИIIеральных rpYHToB; это установлено MHorHMH исслецо
ват;. ями [Цытович, ВолorДIIна, 193 ; Вялов, 1959; Жиrульскип,
196-'1, rречищев, 1966; Н'ардьшон, 196/; Велли и др., 1966; и др. J.
С,..увеличение I дпаметра свай несущая способность убывает. ТаКШI
оораЗОllI, при определеНIIИ сопротивлеиия сдвиrу по повеРХНОСТЯ)I
сыерзания для Iерзлых торфяных rpYHToB, так ,Ее как и для друrпх
впдов rpYHTOB, неоБХОДIIМО расоштрпвать условпя подобия.
13 rлаве 5 привоцптся получепное наllIИ решенне, соrласпо KOTO
PO IY установлено:
основной прпчиной, оказывающей влияние раЗllIеров моделей на
веЛIIЧИНУ смерзания, является масштабный эффект, вызвапнып
уве;шчение)I КOJ"Пlчества дефектов, ПрIIХОДЯЩПХСЯ па еДIIIШЦУ площа
ДП ОIерзаНIIЯ с ростоы размеров моделеЙ;
количественныЙ учет дефектов ВОЗI\Юfl-\ПО выполнить на основе
ра работанных С. С. Вяловьш II Р. В. Макстшяк [Нl73] представ.тIе
НИII повреrRденпостп мерзлых rpYHToB в процессе разрушеНIIЯ.
aK. I звестно, сопротивл еппе сдвиrу оБУС,ТIOвлепо двумя факто
рюш, обffiатнем поверхностеи В lOраffiиваеllIЫХ Moдe.тreЙ за счет YBe
лпчения в объеме заиерзающей воды и l\IолеКУЛЯРНЫ:11 взаIlмодеЙст
впем, в результате KOToporo ВОЗПIшает сцеплепие l\Iерз.'IЫХ I'РУПТОВ с
ПОВ РХНОСТЯllШ С Iерзанпя. НаllIП не встречепы раnоты, которые бы
раскрываЛII ФИЗИКО--ХИl\IическуIO природу BToporo фактора lIIолекУ
лярноrо ВЗЮПlOдействпя пршюрзающих rpYHToB с твердьвш теЛЮI;I,
хотя ПО.'Iучено довольно большое количество ОПЫТIIЫХ данных, даю
щпх представление о величине СШI СllIерзанпя. ЭкспеРПl\Iентальпо
установлено, что она заВIIСИТ от впда материала: для металличеСКIП:
поверхностеЙ ПРIшерпо на 30 % меньше, чем для деревянных IIЛИ бе
тонпых [Вя,тюв, 1959; ВеЛЛII 1I др., 1966; и др. J. Выполненные наl\IП
(,
..
"II. I \
J( "
.6
,/ 8
16
24 (,/-J
/'''r, .'/.:!l. IIРI')юнная зависш\юсть co
111''' 11111)10'111111 "I\IJИI'У по повеРХНОСТЯ l
C"MI'I'.lallIlII МI'...аJ1Лпческих моделей свай
d 2,7 СМ; I == 3,6 см с ТОрфОIlIПрИ раз
Jlll'lIюii температуре
G,:!"C; 2 /l 5"С' 3 2 5"С' 4
1',8"C). "
л. Т. Роман
6
ct 105 Па
10
2
1
з
5
е, ос
Рпс. 3.28. Зависи IOСТЬ соирОТИБле
нпя СДВПI'У по иовеРХНОСТЯ 1 СllIерза
нпя металлпческих юделеIr свай
(d 2,7 см; l 3,6 см) с торфом
от темиературы и периода воздеii
ствия наrрузки.
1 2 '1; 2 q '1; 3 8 ч.
97
Е а u
rде o,t f (а), Ф(t) переменныи модуль
щийся функцией напряжения и времени.
Для :момента времени t О значение Eo,t O== E MrH опреде.'1IIТ
мrновенный модуль дефОР!IaЦИИ, а для t ---+ 00 предельно длите:[ь
ный модуль Еоо. Для каждоrо :момента времени 0< t < t oo lIIOДУ.'IЬ
деформации будет иметь свое значение E MrH > Е; > Еоо.
Величина Eo,t может быть определена по данным испытаний на
одноосное сжатие как отношение напряжения к относительной ocaц
ке, замеренной в каждый момент вре!1еНИ t;. Однако для случая, Kor
да связь меащу напряжением и деформацией может рассматриваться
как линейная, а модуль деформации как функция только времени
воздействия наrрузки Et, для ero определения можно использовать
более простой вид испытаIIИЯ вдавливание шариковоrо штампа.
Как известно, этот способ широко применяется по IIредложеНIIЮ
Н. А. Цытовича для определения эквивалентноrо сцепления мерзлых
минеральных rpYHToB. Выше была показана справедливость этпй
меТОДIIКИ для испытания мерзлых торфяных rpYHToB.
Так как сцепление мерзлых rpYHToB по данным испытания шарlI
КОВЫllI штампом рассчитывается по rлубине поrруп:..ения шарика S,
дЛЯ определения Е неоБХОДIIМО ЛIIШЬ найти соотношение между Е и
S. Ранее нами предпринята попытка применить для этой цели извест
ное в теории упруrости решение [Жемочкин, 1957], устанавливаю
щее ВЗaIНIOСВЯЗЬ между деформациями и раЗ!Iерами штампа в пред
положении, что он являетсЯ rибюш [Роман, 1981]. Хотя результаты
расчета модуля деформации по фОР!Iуле, основанной на этом реlIlе
НIIИ, дали удовлетворительное совпадеНIIе с опытными данными, по
лученными при компрессионных испытаниях, несоответствие pac
дефОР IaЦИИ,
явля ю
четной схемы rибкоrо штампа фактическому характеру деформиро
ваНIIЯ rpYHTa под жестким сферическим ШтаllШОlll ПРIIвело к необхо
ДlI!\IOСТИ искать более корректное решение.
Наиболее соответствующим расчетной схеме можно признать
вдавливание абсолютно жесткоrо шара в упруrое полупространство.
На основе теории упруrости получены уравнения деформации MaTe
риала по контакту со сферическим штампом, а также закон распре
де,тrения напряжений [Безухов, 1961]. Несколько отличное реше
нне было получено А. Н. Дипником [1952]:
1 t2 про
S 4д' (2а 2 х 2 ), (3.18)
о
rде S осадка поверхности, C I; /l КОЭффIIциент Пуассона; Ео
модуль общей деформаЦИII, :МПа; Ро == 1,5 Па 2 ; Р наrрузка на
штамп; а радиус отпечатка, см; х раССТОЯНIIе от центра отпе
чатка до рассматриваемой ТОЧКII.
ЭТО решение было использовано Н. Ф. Чертолясом [1977] для
определения деформационных характеРИСТIIК талых rЛIIНИСТЫХ
rpYHToB по дапным испытания вдавливанием сферическоrо штампа.
Как показали сопостаВIIтельные опыты этоrо автора, указанное pe
шение хорошо соrласуется с опытныIIII даПНЫllIИ, еСЛII осадка штам
па не выходпт за пределы S 0,01 d (rде d диаметр штампа).
Однако rрунты, в том числе и мерзлые, не являются идеально упру
rИ I телом и в них при вдавливании штампа развиваются как BOCCTa
навливающиеся, так и остаточиые деформаЦIIИ. Поэтому IIрИ ПрIIме
нении формулы (3.18) необходимо решить вонрос как же определять
д.-'IЯ них размеры отпечатка а.
Рассмотрим возможные расчетные схемы вдавливания штампа.
Бели бы rpYHT обладал идеально упруrими свойстваМII, то ero дефор
мпрование под штампом происходило бы с проrибом (рис. 3.29, а).
емерзания (рпс. 3.26). Оценка комплексноrо влияния фН;III'ЮСRИХ
свойств и температуры на смерзаНIIе показывает, что опо JЩС.llТ1!ЧНО
их ВШIЯНIIЮ на ЭКВIIвалентное сцепление (рис. 3.27, 3.28). OCllulllIbIe
фIIзические характеристики, определяющие смерзание, MorYT fiыть
также объединены двумя симплексаМIl W;IW п и 8/8 н . з . ]Накс.II
мальное смерзание для каждоrо вида rрупта п!шет место при макеи
lIIaЛЬНОЙ плотности и влажностп, равной полной влаrоемкости. Об
разование ледяных включений в условиях повышенноrо влаrообра
зоваШIЯ или воздушных пор (еслп влажность меньше полной ВЛaI"О
емкостн), ПрIIВОДИТ к снижению сил смерзаНIIЯ.
3.7. МОДУ ЛЬ ДЕФОРМАЦИИ
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
ЗаВIIСИМОСТЬ между деформаЦIIей, напрюкение!1 1I
временем воздействия наrрузки для мерзлых rpYHToB (3.2) моа;но
выразить через l\10ДУЛЬ деформации:
б == aIEo.t, (3.17)
а
б
р
р
2
s
а а
Рис. 3.29. Схемы деформирования rруитов ПОД жеСТКШI сферически
шта шом при Деформациях.
а упруrих; б упруrОПCIастичеСЮIХ; 1 штамп; 2 поверхность rpYHTa до
деформирования; 3 то же, в процессе деформирования; Р HarpY3Ka; а pa
диус отпечатна; B ocaДKa штампа.
98
7*
99
Для TOrO, чтобы уравнение (3.18) соотвеТСТllllllа 110 1111\011 "\1'\11' I"IIIОI'Ы,.
значение а должно приниматься раВНЫlll pil)\IIYI') 01111"1/1111/1, 'II'IIO
средственно соприкасающеrося со штампом (" НС 111'01 111111) '1'01'1\01 ('()
rласно решению теории упруrости [Безухов, I !I(i I I 11\11"'\1
3 1/ r з (1 /l2) Rp
а 4Е.
о
(::, I!)
Если бы в rpYHTax происходили только местные остаточны(' Дl'фОI'\lа
ЦIШ, то вдавливае IЫЙ сферический штамп поrружался бы 11 I'I'YIIT
без .проrиба (рис. 3.29, б) и Torдa в уравнении (3.18) веШl'lIIllа а
равнялась бы радиусу усеченноrо cerMeHTa:
а == v S(2R S).
(3.20)
Так как в реальных rpYHTax наблюдаются как упруrпе, так п
остаточные дефор:мации, при вдавливании штампа проrиб поверхпо
сти rpYHTa будет иметь место, но про явится в меньшей мере, ЧЮI в
идеально упруrих телах. В связи с этим неоБХОДIIМО экспеРИlllен
тальпо устаповить, какая же из расчетных схем наиболее COOTBeTCT
вует характеру дефОРМIIрования и позволяет наиболее достоверно
получить расчетные значения модуля деформации. Н. Ф. ЧеРТОЛЯСО:\-I
для талых суrлинистых rpYHToB принята схема пх работы, представ
ленная на 3.29, б без учета проrиба поверхности rpYHTa, т. е. радпус
ОТIIечатка штампа определялся по (3.20),
Для выявления ВОЗlllOШНОСТИ использования уравнения (3.18)
прп расчете модуля деформации мерзлых торфяных rpYHToB и для
уточнения расчетной схемы дефОРМIIроваIIIIЯ нами выполнено cpaB
ненпе величин модуля общей деформации, IIолученных КОМIIресспон
НЫlll испытаНIIем и рассчитанных по даПНЫ;\I IIспытаний шариковым
штампом идеНТIIЧНЫХ образцов. Расчет ПРОВОДIIЛСЯ по трем расчет
ным схемам.
1. Поверхность rpYHTa под сферичеСКИ 1 штампом дефор IИРУСТСЯ
аналоrIIЧНО осадке под rиБЮIlll штампом. :Модуль общей деформации
под центром штампа вычисляется на основе решения о зависимости
осадки от раз!шров штампа и наrрузки [Жемочюш, 1957]
Ео == 2(1 /l2)p(V S(d , s)/лdS?.
(3.21)
2. Поверхность rpYHTa под сферическим штампом деформирует
ся как идеально упруrое тело (см. рис. 3.29, а). :Модуль деформат\ии
вычисляется из уравнения вдаВЛIIвания абсолютно жесткоrо шара
в упруrое полупространство [Безухов, 1961]:
3( 1 t ) Р
Е (3.22)
о 4R I/2 S3/2 .
3. Шариковый штамп поrружается в rpYHT. Проrиб поверХНОСТII
rpYHTa отсутствует (см. рис. 3.29, б). В основу расчета :lIOДУ.'IЯ
деформаЦIIII ПОЛО;.I,ено уравненне А. Н. Дшппша, но при этом а HЫ
100
,
I
,
(
I
Таблица 3.15
Модуль общей дефОРl\IaЦIlIl торфяных I'рунтов прн теl\шературе 50C по даНIIЫl\1
JlспытаНIIЙ на КОl\lпресСJlIO JI шариковым штаl\1ПОI\I
Оснонные физические Ео (МПа) по данным
своЙства
I компрес испытаний шаршю
Вид rpYHTa БЫМ штаМПОМ t обра...
р Ps CllOHHbIX ботна по ФОРМУ,l1ам
IIспыта ...
V,д.е. Нии
r/cl\1 3 (3.21) I (3.22) I (3.23)
3аторфованныii иесок, J oт
0,2 1,4 2,3 0,7 16 17,1 34,7 20,3
3аторфованныn суrлпнок,
J oт 0,1 1,49 2,55 0,46 40 30,8 57,4 41,1
3аторфованныii суrлпнок,
J oт 0,2 1,12 2,34 0,73 28,5 24 40 28,7
Торф 0,99 1,56 5,2 33 21,6 38,8 28
числяется как радиус усеченноrо cerMeHTa [Чертоляс, 1977] и Torдa
Е 3 (1 t ) Р
О 4S3/2(d S)I/2'
(3.2:3)
Сравнение результатов расчета с данными кшшрессионных ис
пытаний представлено в табл. 3.15.
Как можно видеть, для мерзлых торфяных rpYHToB наиболее
подходящей является расчетная схема, принятая из условий упруrо
пластической работы rpYHTa под штампом. Она и использована IIами
для исследования :заВИСIIМОСТИ модуля деформации мерзлых торфяных
rpYHToB при различной температуре. Опыты ПРОВОДИЛIIСЬ на образ
цах BepxoBoro торфа, отобранных в районе r. Нерюнrри. Диапазон
температур, для KOToporo ВЫIIолнены испытания каждоrо образца"
составил от 2 дО 460C. При каждом фIIксированном значеНlШ
те!шературы образцы выдерЖIIваЛIIСЬ не менее суток, затем выпол
нялись восьмичасовые ИСIIытаНIIЯ с 8 10 кратной повторяемостью.
ПрIIмер статистической обработки дан в табл. 3.16, rде приняты сле
Т а б л JI Ц а 3.16
СтаТIIстическая обработка данных восы\часовыыx испытаний I'рунтз (торфа)
Ео. МПа
Темпера 1\оличест
тура, во опреде I МИНII 1 Макси A i . lIIпа А, МПа Р, %
ос ленпй Среднее l\raльное мальное
45 7 388 337 438 45,04 17,0 4,38
35 6 223 172 244 41,11 16,78 7,52
зо 4 158 144 187 20,11 10,06 6,36
25 4 144 126 163 13,83 6,17 4,29
5,7 5 55 39 73 15,08 6,73 12,24
101
( 6
дующие обозначения: A i == + nI : СрСДIIIIII I\lIащl.l I II'I('(.'ШЯ
А.
ошибка отдельноrо IIспытания; А == средшш Itll:щра 1'lIче
Vn
А 100 111
ская ошибка среднеrо арифметическоrо; р == Е /11 IIO,шаа
ср
тель точности.
HarpY3Ka на штамп подбиралась таким обраЗ0М, чтобы: 1) HUI'PY
жение шарика на пятнадцатой минуте (815) находилось в преДl'.IШХ
0,005d < 8 < 0,05d (rде d диаметр шарика); 2) величина поrру
,Бения шарика в rpYHT в одни и те же моменты вреl\lCНИ при ра3ЛIlq
ной температуре была одной и той же, это обусловливает работу rpYH
та под штампом в упруrопластической стаДIlИ деформирования, при
равнивает воздействие напряжения к степени поврежденности rpYH
та и позволяет выявить влияние толЬКО температуры.
Параллельно с торфом для сравнения испытаны образцы песка,
имеющеrо влажность близкую к IIОЛНОЙ влаrоемкостИ. Полученные
результаты представ;ены на рис. 3.30, 3.31, физические свойства
испытанных rpYHToB в табл. 3.17.
rрафики рис. 3.30, 3.31 построены по данным расчета модуля
общей деформаЦИII соrласно формуле (3.23), в которую подставлялись
величины осадок шаРIIковоrо штампа 8, полученные в результате
восьмичасовых испытаний. Эти зависиМоСти дают воз:\южность BЫ
Еа, МПо
.
.
.
Ео, МПа
300
1500
500
200
1000
100
о
40 е,Ос
40 е,Ос
20
о
20
Рис. 3.30. 3аВИСИl\IOСТЬ модуля общей
дефОР:l1ации BepxoBoro среднеразложив
шеrося торфа от температуры ио данным
восьмичасовых ПСI1ЫтаНИIl шарИКОВЫl\1
штаlllИОМ (физические свойства CI\I.
табл. 3.20).
Рис. 3.31. 3ависшЮСТЬ модуля общей
деформаЦIIИ I\Ieрзлоrо песка от TeM
пературы по дaHHЫl\l восышчасовых
испытанпй шарИКОВЫl\1 штаМПО1\1 (фи
зические CBoncTBa см. табл. 20).
102
I
I
Т а б л п ц а 3.17
Физические свойства испытанных шариковой пробой образцов торфа и иеска
Р I РБ
Вид rpYHTa W Примечание
r Iсм з
Песок 1,8 2,69 0,19 Образцы искусственно прпl'О
топленные
Торф верховой среднеразло 1,03 1,85 2,45 То же
жившийся
То же 1,04 1,61 6,5 Образцы HeHapymeHHoro сло
.кения
явить лишь оБЩIIЙ характер измепения зависимости модуля дe
формации от температуры. Нак llIOЖНО видеть, при понижении Teы
пературы от 1 ---:-- 20e до 450e :модуль деформации торфа увели
ЧIIвается в 10 раз, песка в 30 раз, ПрII этом для каждоrо фикспро
BaEНoro значения температуры модуль дефОр:\IaЦИII песка превышает
таковой для торфа от 2,5 до 3,5 раз. Такое отличие связано со значи
тельным льдосодержанием торфа и ползучестью ero частиц.
Эмпирическая заВIIСИИОСТЬ модуля общей деформации от темпе
ратуры выражается уравнением вида
Ео == а + blE>1 2 .
(3.24)
Для испытанных образцов BepxoBoro среднеразложившеrося торфа
значения параметров равны: а == 40 МПа, Ь == 0,17 МПа; для песка:
а == 50 МПа, Ь == 0,5 МПа. '
Проявление реолоrических свойств мерзлых rpYHToB, особенно
мерзлоrо торфа, обусловливает изменение модуля деформации во Bpe
мени, а наличие остаточных деформаций приводит к нарушению за
кона rYKa и изменению модуля деформации от напряжения. Нак IIЮЖ
но видеть (рис. 3.32), с увеличением периода испытаний модуль дe
формации мерзлоrо торфа уменьшается. Отмечается спрямление этой
зависимости в координатах ln Е ln t, что позволяет записать ypaB
нение изменения модуля деформации во времени в виде
Et == Et lT h;jJ
(3.25)
rде Et I :\юдуль деформации, полученный при данно и напряжении
за единицу вре:\ICНН (1 '1); Т время в безразмерной форме Т ==
== tlt* (t время, '1; t* == 1 '1); k параметр, равный TaHreHcy уrла
наклона прямой к оси абсцисс.
е понижением температуры увеличивается как Et lf так и аб
солютная величина параметра k (си. рис. 3.32, б). При этом для фIIК
сированных значений температуры k const; в нашем примере при е ==
== 4,5 k == 0,28, а при Е> == 2,50 k == 0,14. Выражение заВIIСIIllIO
сти модуля общей деформации от напряжения II времени воздействия
HarpY3KII lIюа,ет быть получено И3 уравнения ползучести. Нак было
103
колебания на частоте от 1 до 10 кrц. Измерение скорости затухания
ультразвука осуществлял ось импульсным методом с помощью при
бора ПНR 13, разработанноrо в лаборатории :механики полимеров
Института физико техничеСКIIХ проблем Севера.
Образцы rотовнлись в металлнческой опалубке и представляли
собой ПрIIЗМЫ четырехуrольноrо сечения со сторонами 1,6 х 2 см, дли
ной l == 19 20 см. Их размеры удовлетворялн требуемым СООТIIоше
IIIIЯМ [Уржумцев, МаКСIШОВ, 1975]: иа 5; 'А> 3а, rдe а боль
ший размер поперечноrо сечения стержня, 'А длина звуковой
волны.
Увлажненный rpYHT укладывался с тщательным ПОСЛОЙIIЬП-I
трамбованием в опалубку, установленную вертикально. Замора
ЖIIвание осуществлялось в подземной лабораТОРИII при температуре
5 -7- 4,50C. ПОСЛе распалубки торцы образцов шлифовались и к
ним IIримораживались металличеСЮIe плаСТИНЮI. Затем образцы за
креплялись в rоризонтальном положеНИII с ПО}.lOщью зажимных вин
тов на корпусе установки, помещенной в холодильной камере двой
Horo термостатироваНIIЯ с инерционностью, не превышающей 0,3 0 С.
Температура камеры в момент установки образцов равнял ась 4 -7-
-7- 50C, а зате}.1 она повышалась до 0,2 -7- 0,30C и замерялась
скорость прохождения ультразвука через rpYHT. Замеры осуществля
лись до установлепия в образце стабильной температуры и наСТУИ.ilе
ния устойчивой частоты затухания ультразвуковых волн. Те:мперату
ра rpYHTa фllRсировалась с помощью термопары, вмороженной в
контрольный образец. Скорость прохождения ультразвуковых волн
определялась при понижении те}.шературЫ ступенями, которые за
давались раВНЫ]\IИ (1; 1,5; 3; 5; 6; 8; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60)ОС
JI выдерживались до установления paBHoBecHoro при КЮЕДОЙ TeMHe
ратуре количества льда и незамерзшей воды в rpYHTe. Скорость
продольных звуковых колебаний рассчитывал ась по устойчивому
значению резонансной частоты колебаШ-IЙ ультразвуковых волн.
Опыт повторялся при таком же ступенчатом повышении TeMHepa
туры. Наблюдалась практическая совпадаемость опытных данных пе
зависимо от направленности теIIловоrо процесса. Динамическнй 1IIO
дуль упруrости вычислялся по формуле
E g == poC p103, (3.28)
}'ДС Ро плотность, равная отношению объемной массы (р, r/cM 3 )
н веЛИЧIIне ускореНIIЯ силы тяжести (g == 981 см/с 2 ); Спр скорость
llРОДОЛЬНЫХ звуковых колебаний в стержне, Спр == 'Av; v резо
lIаllспап частота колебаний в кrц; 'А длина звуковой волны, paB
нап 2l.
По значениям динамическоrо модуля упруrости вычисляется
]\[ I'IIIIIJС'lIПЫЙ С\lOдуль упруrости
Еу == ЕдД н ,
. 1 a2
rде д н дефект },lOдуля; f.. .
н (1 + а 2 )2'
Ео, МПа
150
12D Q
яо
1 \ \ I . 1
I " -------------..e
60 е.
e""-.... J ...............e 2 4, О
............... 3
e
30 I 3,5
О 3 6 t,ч 1,5 1 o,5 О 0,5 1 1,5Iпt,ч
Рис. 3:32. 3ависпмость IIIОДУЛЯ общей деформации мерзлоrо BepXOBoro торфа
от вре)шНII воздепствия наrру3IШ в обычных (а) п лоraрпф шческих (6) KoopДII
натах.
1 (J 2 Мna, е 1,,5°C; 2 (J 1,8 l\IПа, е 1,,5°C; 3 (J 0,5 l\Ша, е
2,50C.
7лЕ о , МПа
6
5,0
.
показано выше, для мерзлоrо торфа харантер деформирования Becь
ма удовлетворительно ОПIIсывается уравнением (3.12). Разделив ле
вую и правую части этоrо уравнения на 6, получим
6 1 == [ 1 + ( ) a 1
E MrH т
(3.26)
или
Et === 6т lЕnпн [1 + и* )а}
(3.27)
3.8. мrНОВЕННЫй МОДУЛЬ ДЕФОРМАЦИИ
Значение MrHoBeHHoro модуля деформации можно по
лучить по данным статических испытаний мерзлЫХ торфяных rруи
тов, обрабатывая их с помощью уравнеНIIЯ ползучести, например,
(3.27) при t ---+ О. В результате TaKoro ОIIределения мы получим стати
ческий модуль деформации, включаЮЩIIЙ в себя не только упруrую,:
но II часть пластической деформации. Чисто упруrий модуль E MrH
может быть получен, если проводить заrрузку и замер деформации со
скоростью звука, что возможно осуществить ультразвуковым MeTO
дО:М ИЛII с помощью резонансной установки. Полученное значение
E MrH В этом случае называется динамическим :модулем деформаЦIIИ,
который обычно больше статическоrо. Разработан метод расчета CTa
тическоrо MrHoBeHHoro модуля по значеНIIЯМ динамическоrо.
Нами вьшолнены исследования зависимости MrHoBeHHoro MOДY
ля упруrости мерзлых торфяных rpYHToB от температуры. Для опы
тов использована резопансная установка УRБ 2" обеспечивающая
104
затухания звука.
(3.29)
Спра
d == 2 ; а КОЭффIIциент
:n;v
105
тенсивноrо промерзания rрунтовоп BO
ды наблюдается и интенсивное увеличе---
ние Еу при понижеНIIИ температуры.
Для испытанноrо песка это диапазон
от О дО 40C. Скорость возрастання Еу
равна 20.102 МПа/rрад. Для второто
участка от 4 дО 600C замет
но резкое уменьшение темпов возраста
ния Еу для песка до 0,4.102 МПа/rрад.
В торфе и заторфованном песке наличие
связанной воды увеличивает температурный диапазон интенсивных
переходов и обусловливает более плавное увеличение дина iИче ко
то модуля упруrости. Для льда зависимость Е у === /(8) линеина.
JIезначительное увеличение Еу с понижением температуры
(,....., 0,15.102 МПа/rрад), очевидно, обусловлено структурным упрочне,-:-
ннем кристаллической решетки. Исследования модуля мrнове нои
упруrости дЛЯ КОJ\ШОЗИТОВ показали, что он является аддитивнои Be
ЛIIЧИНОЙ, т. е. равен сумме мтновенных модулей упруrости всех co
ставляющих. Использование этой закономерности для заторфованных
трунтов привело к несколько завышенным результатам (на 15 20%),
что является следствием электромолекулярноrо взаимодеЙСТВIIЯ меж
ду всемн составляющими заторфованноrо rpYHTa, а не только между
составляющими одното вида. С друrой стороны, принциииальная дo
пустим ость аддитивноrо подхода к определению мтновенното модуля
упруrости и то, что для льда, в котором фазовые переходы заканчи
ваются при ООС, мrновенный модуль упруrости с понижением TeM
пературы меняется незначительно, дают воз южность исключить
влияние пезамерзшей воды па мrновенный модуль упруrости и Ha
ходить ero величину только для твердЫХ компонентов мерзлоrо TpYH
та при любом заданном значении температуры. Следует отметить, что
сопоставление наших определений для льда с опытными данными
друrих авторов [ВОЙТКОВСКIIЙ, 1960] показало их близкую сходи
1IIОСТЬ.
Таблица 3.18
Физические свойства образцов, для которых определен
дипаl\lИческий l\IOДУЛЬ упрyrости
Рис. 3.34. 3аВl1СШ1ОСТЬ влажности за счет
незамерзшей воды от температуры в о раз
цах, ДЛЯ которых оиределен мrновенньш l\1O
дуль упруrости.
1 торф; 2 заторфованныЙ песон; 3 прсои-
м Объемная П<,отност Ь
Наименование rpYH Влаж чаСТIЩ
образ та l\laCCa, IIОСТЬ, Д.е. rрупта,
ца r/см З r/CM"
1 Торф 1,03 2,72 1,56
2 3аторфованный
lIесок, J от 0,1 1,62 0,54 2,26
3 Песок 1,92 0,16 2,67
4 Лед О,92
в условиях проведения опытов коэффициент затухания звука
был близок к нолю,. следовательно, дефект модуля равнялся еДИНIIце
и динамический модуль упруrости принимался равным мтновенному
модулю ynруrости. Физические свойства испытанных образцов ПрIl
ведены в табл. 3.18.
Нак можно видеть (рис. 3.33), самые большие значения MrHoBeH
ното модуля упруrости характерны для мерзлоrо песка (до 250.
.102 МПа) и самые малые для льда и торфа (до 100.102 МПа). Ha
тлЯдно прослеживается существенное влияние фазовых иереходов
влаrи на зависимость Еу от температуры (рис. 3.34). В пределах IШ
E'j 10 МПа
х
х Х
x x
х
200 I
х
f . 1
02
1:,3
х4
150
100
W H
3
1\
2 \
е
1
.
2
о
40
20
о
3.9. ТЕМПЕРАТУРНАЯ rРАНIЩА
ПЛАСТИЧНО МЕрзлоrо и ТВЕРДОМЕрзлоrо
СОСТОЯНИЯ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
Рис. 3.93. 3ависимость MrHOBeHHOI'O :МОДУЛЯ Yl1pyro TI1 от температуры.
1 торф; 2 лед; 3 заторфованныЙ песок; 4 песок.
При понижении температуры :мерзлых трунтов их
деформируемость под наrрузками уменьшается при прочих равных
условиях. В практике проектирования оснований устанавливается
rраница состояния трунта, при достижении которой и дальнейшем
107
40
48
56 е,Ос
8
24
1б
32
106
понижении темперн.туры эти rрунты считаются мало сжимаеМЫI\IИ
твердомерзлыми.
Соrласно строительны1 нормам и праВIIлам в твердомерзлом
состоянии находятся rрунты, коrда коэффициент их сжимаеМОСТII pa
вен или меныпе 0,01 :МПа l. При значениях коэффициентов сжимае
мости больше указанноrо предела rрунты относят к пластично мерз
ЛЬThI. В Руководстве по проектированию оснований и фундаментов
на вечномерзлых rpYHTax [1980] указанный предел коэффициента
сжимаемости для некоторых rpYHToB разрешается принять равным
0,005 :МПа l.
Разделение rpYHToB на твердомерзлые и пластично мерзлые до
некоторой степени условно, но пмеет принципиальное значение:
основания, сложенные твердомерзлыми rрунтами, рассчитываются
только по несущей способности, а основания, сложенные пластично
мерзлыми rрунтами, как по несущей способности, так II по дефор
:мациям. Нроме Toro, при наличии пластично мерзлых rpYHToB peKO
мендуется предусматривать охлаждающие устройства, способствую
щие понижениlO температуры rpYHToB.
Для каждоrо вида rpYHTa характерна своя температурная rpa
ница пластично мерзлоrо и твердомерзлоrо СОСТОЯНIIЯ (8 ). Папрп
мер, в незасоленных песках вся поровая влаrа замерзает при 8 н . з,
близкой к ООС, часТИЦЫ обладают достаточной жесткостью, n поэтому
твердомерзлое состояние наступает при температуре, равной 8 н . з ,
сразу после замерзания rрунтовой влаrи. Для rлинистых rpYHToB
пнтенсивные фазовые переходы продолжаются в HeKOTOpOl\1 диапазоне
температур, наЧIIная от 8 н . з , и эти rрунты достиrают твердомерзлоrо
состояния только при те шературе на 1,5 20C ниже 8 н . з .
Содержание незамерзшей воды в торфяных rpYHTax не MOiReT
быть надежным показателем rраницы пластично мерзлоrо и TBepдo
мерзлоrо состояния, так как W H с понижением температуры в торфе..
как показано выше, IIЗI\Ieняется иначе, чем в МIIнеральных дисперс
ных rpymax. В. И. Аксенов и В. В. Докучаев [1978] при оценке
плаСТИЧIю мерзлоrо состояния засоленпых rpYHToB также отмечают
неприrодность использоваНIIЯ W H в качестве определяющеrо крите
рия. На наш взrляд, за такой критерий следует брать не значение
W H , а dW H /d8 при понижении температуры на 1 0 С, т. е. скорость из
менения W н при ПОНIIжении температуры.
В торфяных rpYHTax температурный интервал пнтенсивных фа
З0ВЫХ переходов примерно такой же, как в rлинистых, от 8 н . з до
5 ---;-- 60C. Но так как общее влаrосодержание в торфе в десятки
раз больше, чем в минеральных rpYnTax, то и льдистость В процессе
ПРЩIeрзания увеличивается в нем более интенсивно, т. е. dW H /d8
больше, тем не менее наблюдается уменьшение dW H /d8 с понижениеl\l
те шературы.
Анализ опытных значений влаЖНОСТII за счет незамерзшей воды
в шнеральных rpYHTax показывает, что прп температуре, разrранп
чивающей пластично мерзлое и твердомерзлое состояние, изменение
W H с понижением температуры на 1 0 С (dW H /d8) примерно одинаково
ДJIЯ всех видов rpYHToB и равно в среднем 0,028 rрад 1. ЕСЛII принять
108
Таблица 3.19
Расчетное значение E>r ДЛЯ торфяных I'рунтов, ос
ВИД rpYHTa
0,1
0,2
0,3
0,4
1,0
3атОрфованность
Песчаные заторфоваШlые I'pYH
ты
rлпнистые заторфованные
I'рунты
Торф
0,7
1,6
2,5
2,7
4,5
6,0
7,0
8,0
6,0
такую закономерность справедливой для торфяных rpYHToB, то, ис
пользуя уравнение зависимости W н от температуры, можно рассчи
тать для каждоrо вида торфяноrо rpYHTa теl\шературу 8r, COOTBeTCT
вующую rранице твердомерзлоrо 11 п:rастично мерзлоrо состояния.
Результаты TaKoro расчета для условии, коrда начальная влажность
торфяных rpYHToB близка к полпой влаrоемкости, приведены в
табл. 3.19.
При расчете температурной rраницЫ плаСТПЧНО lIIeрзлоrо и TBep
ДО lерзлоrо состояния торфяных rpYHToB только по изменению коли
чества незамерзшей БОДЫ не учитывается ползучесть частиц торфа
и зпачптельное льдосодержание. Поэтому значение 8r получается
заВЬШIенным. Сравпение рассчитанных веЛИЧIIН 8r и полученных в
результате оценки их по OCHOBHOllIY показателю деформативных
свойств коэффициенту сжимаемости подтверждает этот вывод.
Рассмотрим осредненные rрафики зависимости коэффициента
сжимаемости а от температурЫ по данным выполненных нами KOM
пресспонных испытаний мерзлых торфов и заторфованных rлинистых
rpYHToB (рис. 3.35). Для их построения использованы опытные MaK
СIНIaльные значения коэффициента СЖИ Iaемости образцов" пмею
щпх влажность, близкую к полной
влаrое шости. По rрафикам можно а'1О,МПа 1
опредеЛIIТЬ 8 как температуру, co 0,03
ОТllетствующуlO точке пересечения
кривых заВИСIнюстей коэффициентов
сжимаемости от температуры с пря
мой, отсекающей на оси ординат
()тrшюк, равный максимальному зна
'1t'11111O коэффициента сжимаеМОСТII на
l'р""ице плаСТИЧНО lIIeрзлоrо и TBepдo
мсрзлоrо состояния rpymoB.
Рис. 3.35. 3ависимость Iшэффициента СЖI1
маемостп l\!ерзлых заторфованных rЛИНI1
стых I'рунтов ПрlI влажноСТИ, БШIЗКОIl к
полноii влаl'оеl\!КОСТП. ОТ заторфованностп
и те шературы. Цифры у кривых затор
фованность.
0,01
0,005
0,001
О
4
6
е,Ос
2
109
3.10. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ ПРИ ОТТАIIВАНИИ
11 УПЛОТНЕНИИ
2 :мм больше диаметра рабочеrо кольца одометра, а высоту на
2 см больше. После установки образца в рабочее кольцо выполнялась
срезка rpYHTa и тщательная шлифовка ero поверхности. Перед опы
том образцы в рабочем кольце прибора выдерживались сутки при
температуре 50C, весь прибор охлаждался, а затем после установки
под рычаr стенки прибора обкладывались льдом, чтобы обеспечить
плоскопараллельное оттаивание образца, так как опыты проводи
ЛI'IСЬ В помещепии с положительной теМIIературоЙ (7 100C).
Давление ПрII оттаивании :задавалось различным. Образцы TOp
фа, отобрапные с rлубины до 1 М, оттаивали под давлением 0,01 МПа,.
которое не превьппало структурной прочности торфа [Амарян,
1969], а в большинстве случаев, и природноrо давления в нем. При
испытании образцов торфа и заторфованных rpYHToB, отобранных с
rлубипы, превышающей 1 1\'1, оттаивание ПРОИ3ВОДIIЛОСЬ под природ
ньш давлением. ДефОРIlШЦИИ уплотнения определялись ступенчатым
:заrруженпем при давлении 0,025; 0,05; 0,1; 0,15; 0,3 МПа. Признак
уе,'lОВНОЙ етабилизации оеадки, принятый для МIIнеральных rpYHTOB
(коrда разноеть отечетов за 1 ч не превышает 0,01 мм), для торфа
оказалея неприемлеМЫ1l1 IIз за длительности и неравномерноети oeaд
кн. Поэтому контролыIеe вре!1Я окончательной етабилизации оеадки
бы.;IO увеличено до 3 ч.
В полевых уеЛОВIIЯХ иепытания проводилиеь rорячими штампа1\1И,:
предетавляющими еобой металличеекий пуетотелый ЦИЛIIНДр диамет
рои 505 1111\1 (площадь 2000 ем 2 ) и высотой 250 мм. HarpY3Ka передава
лась через заrрузочпую платформу, прикрепленную к штанrе, ниж
НИЙ конец которой еоединен ребрами жееткоети ео етенка!1И и дни
ЩЮf штампа. Оттаивание rpYHTa осуществлялоеь водой, которую
на.'lивали в штамп и наrревали Э.JIектрокипятильниками. BOKpyr
штампа уетанавливалаеь металличеекая обоrреваемая е lRоеть е Ha
руа;НЬН1 диамеТРОll1 1400 1\1111, при помощи которой увеличивалея Kpyr
оттаивания до трех диаметров штампа. rлубина оттаивания задава
лась равной половине диаметра штампа. Полевые опыты выполня
лпсь на ело е торфа в районе CyprYTa. Два опыта выполнено на по
nерхноети маееива под давлением 0.06 МПа, уплотнение давленпем
0,12 МПа. Третье иепытание проведено па rлубине 0,6 м, rpYHT
оттаИl3аЛП без наrрузки под вееом штампа (",,0,01 МПа), упдотне
вне ПРОIIзводилоеь двумя еТУIIенями HarpY30K 0,06 и 0,12 МПа.
Результаты полевых II лабораторных опытов П03ВОШ'lЛИ выявить
)\I('тодичеекие оеобенноети расчета деформационных характериетик
IIттаl111:1lOЩИХ торфяных rpYHToB. Как извеетно, при расчете КОЭффII
J IIPIITOII оттаивания А I'I е}юншемоети а для минеральпых rpYHToB
ДОIIУ('Ю1СТСЯ линейная завиеимость отноептельной оеадки от давле
llШI. J'tal{ показано в опытах Е. П. Шушерииой [1953, 1954], такое
ДОUУЩСIIIШ, оеобеНIIО для песка, не прпводит к значительным по
rрешпоетям Il позволяет раееЧIIтать А и а по формулам [Цытович"
1952]
Как можно видеть (ем. рис. 3.35), указанное пересечеНIIе отмече
но только для rpYHToB, имеющих заторфованноеть менее 0,3, для
елучая, коrда предельное значение КОЭффИЦIIента ежимаемости
0,05 МПа l. Если же предельный КОЭффIIциент ежимаемоети В3ЯТЬ
0,01 МПа l, то торфяные rрунты даже е незначительныll1 количееТВО 1
раетительных оетатков следует ечитать пластично мерзлыми практи
чееки во веем диапаЗ0не еетеетвенной температуры, что так же, как
и анализ :завиеIIмоети модуля деформации от времени воздейетвпя
наrрузки, указывает на необходимость оценки длительной дефОРllПI
руемости мерзлых торфяных rpYHToB.
Неемотря на значительное льдоеодержание, оеадка
торфяных rpYHToB при оттаиваНИII без наrрузкп невелика НЛII eOBcelll
отеутетвует. Это связано, как было указано выше, с податЛIIВОСТЫО
чаетиц торфа, которые претерпевают уплотнение под дейетвием дaB
ления, возникающеrо ПрII заlllерзанпп rрунтовой влаrи, а затеlll поеле
ее оттаивания проявляют упруrие свойетва и набухают. ПОЭТОll1У KO
эффициент оттаивания для торфа в неприrруженном соетоянии Beeь
:ма невелик, а при незначительной степени разложения набуханпе
иноrда превышает оеадку, обуеловленную оттаиванием льда, eoдep
жащеrоея в торфе, вызывая увеличение объема образцов. Еели же
оттаивание торфа проиеходит в приrруженном еоетоянии, то оеадки
вееьма значительны даже при неБОЛЬШJIX давлеНIIЯХ. Количеетво
опытных данных о деформационных евойетвах оттаивающих торфя
ных rpYHToB немноrочиеленно. Опытами И. Н. Вотякова [1951 ],.
А. В. Садовекоrо [1960] уетановлена более выраженная нелинейность
КОllшреееионной кривой оттаивающих торфяных rpYHToB по epaBHe
нию е :минеральными.
Цель наших иееледований выявить оеобенноети характера дe
фОр 1Ируеllюети оттаивающих торфяных rpYHToB по еравнению с
минеральными и пuолучить завиеимоеть характериетик ежимаемоеТII
от фIIзичееких своиетв. ИеПОЛЬЗ0валнеь два метода экеперименталь
Horo определеНIIЯ деформации при оттаивании под давлением, нашед
шие ПРIIменение в инженерной праКТIIке: 1) компреееионное сжатие
образцов поеле плоскопараллельноrо оттаивания их водометрах;
2) иепытание rpYHTOB eeTeeTBeHHoro еложения rорячими штампами.
Для про ведения экепериментов в лабораторных уеловиях ПрII
:менялиеь одо:метр I конетрукции Н. А. Цытовича [1954] е диамеТРОll1
рабочеrо кольца 12u мм, выеотоЙ 33 MlIl. HarpY3Ka передавалаеь п(j
средеТВОJl;; рычажнои сиетемы. Поетоянная температура воды в ШТЮI
пе (+20 С) поддерживалаеь термоетатом. Образцы ненарушенной
структуры выдавливалиеь И3 монолитов мерзлоrо rpYHTa е помощью
металлич ских колец и преееа в помещении е отрицательной те:и
пературои. Кольцо для вьщавливания образцов IIмело диаметр на
110
А === 61 [(62 6 1 )/(P2 Рl) ]Рl,
а === (б 2 6 I )/(P2 Рl)'
(3.30)
(3.31 )
111
о
. pи.. . 3.36. Общий вид КОМllрессионноп кри
вои И схема к расчету характеристик сши
маемости.
0,4
rде Б I и б 2 ОТIIОСIIтельные осадки
оттаивания и уплотнения COOTBeT
ственно давлением Pl и Р2'
ДЛЯ торфяных rpYHToB нелиней
ность компрессионной кривой Bыpa
жена более резко. Это приводит к
0,2 р,МПа тому, что значения КОЭффIIциентов
Р2 оттаиваНIIЯ и сжимаемости, вычислен
ные по фОр lула!1 (3.30). (3.31), зна
чительно отличаются от истинных (см. рис. 3.36, на KOTOpOi\1 при
веден пример компрессионпоii кривой торфа, уплотняе lOrо после
оттаивания).
сл заВIIСИlllOСТЬ относительной uосадки от давления припять
линеинои на определеННo:Il участке этои кривой (наПРИllШР, на участ
ке давлений 0,1 0,2 МПа), то расчетное значение коэффициента
оттаивапия Ар будет значительно больше фактическоrо А ф . Коэф
фициент сжимаемости, рассчитанный по формуле (3.31), для этоrо же
участка кривой будет равен среднему значению между коэффициен
тами сжимаемости в точках компрессионной кривой, соответствую
щих давлениям 0,1 и 0,2 МПа. Ero величина меньше фактическоrо
коэффициента сжи шемости для давлеIIИЯ 0,1 МПа и больше TaKOBO
ro ДJIЯ 0,2 МПа.
Следует отметить, что прп расчете осадок методом послойпоrо
суммирования с ис.пользованием значений А и а, получеиньп: из yc
ловия л нейной зависимости относительной осадки от давления, для
да лении JJ..I и Р2, с.о тветствующих точкам пересеченпя кшшрессион
нои кривои с прямои, ее спрямляющей. поrрешности определения А
и а взапмно компенсируются. Общая ос.адка (оттаиваюlЯ и уплотне
пия ДавлеНIIем Рl II Р2) будет равна ис.типпой, но рассчитанная такпм
образом осадка для давлений, велпчииа которых меньше PI, будет
завышена, а для давлений больших Р2 заНIIj-кена по сравнению с
фактической.
С учетом указанных особенностей нюш предлаrается следующая
методпка расчета КОЭффИЦIIеIIТОВ оттаиваНIIЯ и сжимае!lOс.ти торфя
ных rpynTOB по данным компресс.ИОНRLIХ пспытанпй. Коэффициент
оттаивания с.ледует принимать равным относительной осадке при
оттаиваНИII б о под давленпе l, соответс.ТВУЮЩИllI природному Р пр,
коэффициент СЖIIмае юс.ти рассчитывать для каждоrо значения дaB
ления Р; как отношеНIIе прпращения относительной осадки бi бо
к приращению давлеНIIЯ Рi РПР'
Таким образом, для КЮJ-\Доrо IIспытанноrо образца rpynTa коэф
фициент а будет дифференцирован в зависимости от су ншрноrо дaB
леНIIЯ (природноrо и дополнптельноrо) и может быть представлен в
табличной форме. При расчете осадок по формуле послойноrо СУ1lIlllИ
0,01
Рпр
0,1
Р,
112
(
I
рования следует подставлять значение коэффициента сжимаемости.
полученноrо при общем давлеНIIИ на rлубине h i , умножая а на допол
нительное давление. ЭТО ПОЗВОЛJIТ нолучить фактическую осадку OT
таивания в естественных условнях под ПрIIрОДНЫ1l1 давлением и ее
увеличенпе при дальнейшем уплотнении.
Для выявления характера компреССIIОННОЙ кривой и получения
зависимости б == f(p) для rpYHToB с заторфованностью .тот < 0,3"
величина стержней давленпя может быть рекомендована равной
0,05 МПа, для rpYHTOB с .тош> 0,3 и торфа 0,03 МПа.
Как известно, коэффициенты А и а определяются в условиях
компрессии, т. е. при ПОСТОЯННШI давлении по rлубине сжимаемоrо
слоя и неВОЗ1l10ЖНОСТJI боковоrо расширения. Эти условия достаточно
точно соблюдаются в лабораторных опытах при испытании rpYHToB
в ОДОlllетрах.
При полевых испытаниях rорячим штампом постоянное давле
ние по rлубине С,КII1Iше1lIOЙ толщи может быть обеспечено оrраниче
ниеlll оттаивания TaKII!1 обраЗО I. чтобы оттаявший слой не превышал
ПОЛОВIIНЫ дпаметра шта ша. Это наrлядно показано в работе
Н. А. Цытовича [1952] на rрафиках распределения сжимающих Ha
пряжений под центром заrруmепных штампов в слое rpYHTa orpaHII
ченной толщины на неСЖИlllаюlOМ основаНИII.
НеоБХОДИ1l10СТЬ примсненпя обоrреваЮlOrо кольца BOKpyr штаl\I
па для выравнивания нижней rраницы чаШII оттаивания ПРИВОДIIТ к
оттаиванию rpYHTa за пределюш штампа и обусловливают ВОЗ1lЮЖ
ность боковоrо расширения при уплотненин ступенями наrрузок.
Этот фактор учитывается в rOCTe на полевые испытания минераль
ных rpynToB rОРЯЧИlllИ штампюш введением коэффициента ko прн
расчете а по веЛIIчине опытных осадок штампа:
(Sоб SOT) k
а == d ш (Роб Р п :) ' (3.32)
Значение ko для торфа в завпсимости от боковоrо расширения
rpYHTa определялось намн параллельным испытанием трех :иден
ТI1ЧПLIХ образцов (отобранных пз одноrо монолита) штампами ОДИНа
Iюп()rо диаметра, paBHoro 87 I1I1. Высота образцов также была одина
JЮ1l0ij 33 111111. Для первоrо опыта соблюдаЛIIСЬ компреССIIонные
УI'.IIОlllШ: J1СПЫТ3ШШ проводплись в ОДО1llетре, образец был установлен
1\ II\!'CTJ\Ot' J\ОЛЫ О, ero диаметр равнялся диаметру штампа. ВО BTO
pO 1 11 Tpf'Тf.t'lIr опытах создавалась возможность боковоrо раСШIIренпя
J'l'YIITiI 11 рl! уплотпеПIIII. С этоii целью днаметр образцов задавался
fiО.IIЫIII' ДШ\lll()тра штаlllпа; во втором опыте на 65 и в третьем
на 11!) 1111\[ (рис. 3.37).
l'е:IУЛЪТilТЫ испытаний показали, что при возможности боковоrо
расширt'пии относительная осадка торфа увеличивается по cpaBHe
нию с КОIlШРСССИОННЫМИ УСЛОВIIЯ1l1II пропорциональпо превышению
диаметра образца над диаlllеТрШJ штампа, причем боковое уплотне
ние интенсивно ПрОIIСХОДИТ при первых. даже незначительных CTY
пенях наrрузки, а затеlll У:llеньшается. Полученные нами опытные
данные позволяют реКОlllендоватЬ среднее значение ko для торфа,:
8 л. Т. Роман 113
а
Ip
vvv
"у \/уУуу
' K I d ш J8K I
6
р
""
Рис. 3.37. 3аВIIСПМОСТЬ OTHO
сптельноii осадкп торфа при
оттаllваНIIII и уплотнеНIIП от
давления и отношения диа!llет
ра обоrреваемоrо кольца к ди
аметру штампа.
а схема испытаний; б I'pa
фини.
х-----
)(
1,5 :;0 dк/d ш
равное 1,2, в ТШf случае, если ширина обоrреваемо1'О кольца,_ YCTa
навливаемо1'О вокру1' штампа, составляет 0,25 d ш .
Решение, положенное в основу расчета а, предпола1'ает, что OT
таявший и уплотненный под шта ШОl\f 1'pYHT имеет несжимаемое oc
нование. Как показали результаты замеров температуры в процессе
опытов, теплоприток от штампа расходуется на оттаиваНIIе KOHTaKT
Horo слоя, толщина KOTopo1'o весьма незначительна (не превышает
1 2 см). Ниже этой rраницы за период испытания теl\шература веч
номерзло1'О массива практически не меняется. Несмотря на то, что
торф находится в пластично :\reрзлом состоянии во всем диапаЗ0не
отрицательных те шератур eCTecTBeHHoro зале1'ания и дает значитель
ные осадки при уплотнении, все же они при HarpY3Kax, уплотняющих
мерзлые 1'рунты, на порядок нпже осадки оттаивания и последующей
сжимаемостп ПОД давлением. ПОЭТQ:\fУ для практических расчетов xa
рактеристик СЖПl\шеl\ЮСТИ торфа, как и минеральных rpYHToB, может
быть принято уравнение (3.32), полученное при условии уплотнения
оттаявше1'О слоя 1'pYНTa, покояще1'ОСЯ на несжимаемом основании.
Коэффициент оттаивания следует принимать равным относительной
осадке при оттаиванпи ПОД ПрПрОДНЫl\I давлением, прпложенныM как
к штампу, так и к оБО1'реваемому кольцу.
В связи С тем, что при инженеРНО 1'еолоrических IIзыскаНIIЯХ
проведение IIспытаний по определению характеристик СЖIIмаемости
оттаивающих rpYHToB трудоемко, мноrие исследователи стремились
на основе статистической обработки экспериментальных данных по
лучить заВИСIIМОСТЬ осадки при оттаиванип от давления и физичеСКIIХ
свойств 1'pYHToB.
Так как осадки оттаивающих 1'pYНToB зависят от мнп1'ИХ факто
ров и некоторые И3 них весьма трудно оценивать количественно (Ha
пример, влияние набухания, ПОСТКРИО1'енной те.кстуры и т. д.), все
попытки разработать расчетные способы определения характеристик
сжимаемости позволяют получить лишь приближенные решения.
Этим и объясняется большое число формул для расчета осадки при
114
I
оттаивании в зависимости от основных физических свойств rФедо
сов, 1944; Цытович, 1954; rольдштейн, 1948; Пчелинцев, 1954; Баку
ЛIIН, Жуков, 1955; Киселев, 1952; Ушкалов, 1955; Давыдочкин,
1957; Вотяков, 1975; и др.]. Подробный анализ этих решений вьшол
нен И. Н. Вотяковым [1975]. Все они относятся к минеральным rpYH
там и основаны на учете влияния простейших физических свойств,
которые и берутся в качестве исходных параметров. ВЛИЯНIIе же
ТрудноопредеЛIIМЫХ факторов учптывается коэффицпентами, завися
ЩИМИ от вида 1'pYHTa п ре1'иональных особенностей e1'o пропсхож
дения.
Несмотря на приближенность оценки осадки оттаивающих rpYH
тов расчетными способамп, последние имеют важное практическое
значение, так как позволяют осуществлять ПРО1'нозы осадок при BЫ
боре строительных площадок, принципа ИСПОЛЬЗ0вания rpYHToB в
качестве основаIIИЙ, объемно планпровочных решений.
Нами предпринята попытка учесть специфические особенности
фIIзпческих свойств, влияющих на осадки оттаивающих торфяных
rpYHToB и получить формулу их расчета. С этой целью проанаЛII3И
рованы опытные даииые. Испытания 1'орячим штампом проводились
в пойме р. Оби на торфяном массиве :\ющностью 2,5 м, находящемсн
в мер3ЛО:\I состоянии по всей 1'лубпне. Подстилающим слоем служили
ТУ1'оплаСТIIчные rлпнистые и IIлистые rрунты, являющиеся водоупо
pOl\I. Вскрытые разработками обнаа..ения позволили обнаружить ле
дяные включения высотой 20 30 см у верхней 1'раницы водоупора.
С поверхности до rлубины 2 lIf сфор:\шровалась слоистая и массивная
текстура торфа. E1'o физпческие свопства на уровне подошвы штампа
до начала испытания приведены в табл. 3.20.
Зависимость осадки от времени, а также относительной осадки
от на1'РУЗКИ представлена на рпс. 3.38. Для сравнения здесь же по
казана компрессионная кривая, построенная по средним зпачениям
5 6 определений осадки ПрII оттаиванпи в лабораторных условиям,
образцы для которых отбираЛIIСЬ рядом со штампом.
Установить сопоставимость результатов лабораторных и поле
вых испытаний невозмоj-КНО 113 за значительной льдистости rpYHTOB.
11 ри первом и втором испытаниях торф был слоистой текстуры, при
'I'Iн'тт,см массивной. ВеЛIIчина осадки ПрII оттапваНIIП обусловлена
('ШIOI\УППОСТЫО физических свойств: ПОрIIСТОСТЬЮ, влажностью, плот
)(остыо, дисперсностью, текстурой, деформируемостью частиц. По
т а б л п ц а 3.20
Фl1311ЧССIШС свойства BepXOBOI'O торфа прп штаl\lПОВЫХ испытаНlIЯХ
(cpe Hee значенпе из 5 6 определений)
м Р I Pd I Р.
опыта D, % w Е
r/cM 3
1 30 1,04 0,144 1,58 5,04 9,93
2 30 1,02 0,194 1,5 4,2 6,72
3 20 1,0 0,22 1,49 3,9 5,25
8*
115
's,CM а t5
о o,
"
' .. "
.'. "8 ... /," 3'
8 ", "._" .3 ,"
e....e . e ....., ..
"":: :::\:."-"""-" 2 ..
. ---- 1 О 0,2 О 0,2 О 0,2
16 р,МПа
О 60 120 t,ч
Рис. 3.38. Осадка в процессе оттаиванпя п уплотненпя (а) и зависимость
относительной осадки от давлеНlIЯ (6) по Данным иолевых (1 3) п лабо
раторных (1', 2', 3') ИСlIытаний BepxoBoro среднеразложпвшеrося торфа.
а О/Е"2 6 в
в
2
0,2 0,2
""
s:
о 0,1 0,2 0,3 О 0,1 0,2 0,3 О 0,1 0,2 р,МПа
Рис. 3.39. 3авпсшюсти б р (а) и Ые 2 Р (6) для BepxoBoro cpeд
неразложившеl'ОСЯ торфа и Ь р (в) для rлинистых (п и песчаных
(П) заторфованных rpYHToB.
этому даже ДЛЯ однородных rpYHTOB получается семейство кривых за
ВИСИМОСТII относительной осадки от величины давления (рис. 3.39).
Анализ опытных данных показывает, что влияние на осадку отдель
ных свойств проявляется не порознь, а совместно. В связи с этим
можно рассматривать функцию СЖlпше:llOСТИ не от отдельных физи
ческих свойств rpYHTa, а от ко шлекса, который удобно выразить
через обобщенный показатель.
Самый интенсивный ход дефОр IaЦИИ наблюдается в первЫЙ пе
риод при оттаиваНlIИ и отжатии воздуха из сообщаЮЩIIХСЯ пор.
Количество воздуха, содержащеrося в сообщающихся порах, можно
выразить через коэффициент пористости. Начальный коэффициент
пористости Ею обусловленный оБЩП I КОЛIIчеством пор в rpYHTe, пред
ставляет собой сумму коэффициентов, характеризующих количество
пор, заполненных водой 101' сообщаЮЩIIХСЯ пор, заполненных B03ДY
хом 103. Значения 101 и 10з можно выразить, основываясь на общих за
кономерностях СВЯ3II простейших физичеСКIIХ свойств rpYHToB [Цы
тович, 1963]:
101 == Wp/rw,
10з == п o /(1 пo)
(3.33)
(3.34)
rде W весовая влажность; Ps плотность rpYHTa, rlcM 3 ; pw
плотность воды, r/cM 3 ; по пористость за счет защемленноrо B03
духа,_ Д. е.
116
т а б л 11 Ц а 3.21
Физические свойства образцов BepxoBoro торфа, испытанных на КОl\Шресспю
(см. рис. 3.39, а)
J';,
опыта
I 8н IlV I Ps. r/см З I 8. \\ оп та I 8 н I w I Ps. r/см З I 82
1 8,21 4,4 1,6 1,12 4 [9,78 6.01 1,5 0,73
2 5,64 2,75 1,6 1,2 5 5,78 3,17 1,56 0,75
3 5,8 3,2 1,44 1,15 6 3,16 1,52 1,76 0,41
С учетом (3.33) и (3.34)
102 == EH WpJpw пo/(1 по). (3.35)
Выражение (3.35) является характеристикой самой интенсивной CTa
дии сжимаемости и обобщает такие основные физические свойства
торфа. обусловливающие сжимаемость, как пористость, влажность,
плотность. Следовательно, опо позволяет заменить ряд переменпых
одной и более отчетливо выражает внутрепние СВЯ3П, характеРII3УЮ
щие процесс СЖИ1\шеJ\lOСТП. Одно и то ;-Ее значение S2 может быть по
лучено как результат разлlIЧНЫХ комбпнаций величин Е н , W, Ps, по.
Это значит, что при рассмотрении задачи с повыми значеНIIЯМИ 102
псследуется не еДПНIIЧНЫЙ образец rpYHTa, а целый ряд образцов с
ра3ЛИЧНЫМII значениями Е н , W, Ps, по, сочетаНIIЯ которых дают одну
п ту же величину 102' ЕСЛII разделить относительпую осадку при каж
дой ступени наrрузки на 102' то все кривые 6 == j(p) для торфа сблп
зятся II ИХ можно заменить с достаточной для практических целей
точностью одной кривой 6/102 j(p). Для торфа влажность и коэф
фициент пористости ЯВЛЯЮТСЯ типолоrическими характеРИСТIIками
и поэтому зависи lOСТЬ отношения 6 к 102 от давлеНIIЯ для BepxoBoro,
переходноrо и НИ3IIнноrо торфа выражается одной кривой (рис. 3.39,
б), которая довольно точно аППРОКСИJ\шруется уравнениеl\I
бlё. 2 == O,15 ln [1 р(2,7р O,22)]. (3.36)
Пример обработки ОПЫТНЫХ данных (3.36) прпведен на rрафиках
(см. рис. 3.39, 6), фпзические свойства образцов и оцепка точности
Ш),;Jучеппых результатов в табл. 3.21 и 3.22.
ЗавпсшlOСТЬ 6 заторфованных rpYHToB от физических свойств
о(':rтlшяется Te I, что свойства минеральной и орrанической KOM
т а б л п Ц а 3.22
()I ('ШШ ТОЧПОСТII результатов обрабОТI\И опытных данных по фор
муле (3.36)
6/82
Р. !\1lIa Мпни- I Макси- I и. и Р. %
.
малыюе мальное Среднее
0,01 0,095 0,19 0,137 0,039 0,013 0,48
0,05 0,26 0,39 0,314 0,0406 0,0135 4,5
0,15 0,40 0,48 0,418 0,03J 0,0137 3,28
117
J
поненты весЫ\ш отличаются. Поэтому выполненное нами исследова
ние указанной зависимости оrраничилось выявлением характера
связи относительной осадки с основным показателем физических
свойств заторфованных rpYHToB заторфованностью J om при влап;
ности, близкой к полной влаrоемкости.
Обработка компрессионных крпвых заторфованных rpYНToB поз
волила получить уравнение для расчета относительной осадки в виде
б === Лf In[1 Jоm/(NJ ош + Ь}],
(3.37)
rДе Ь параметр, зависящий от давления (см. рис. 3.39, Ь); Л;J и N
безразмерные параметры, соответственно равные 0,01 и 6,67 для
песчаных заторфованных rpYНTOB, 0,025 и 2,14 для rлинистых за
торфованных rpYHToB.
3аВIIСИllЮСТИ (3.36), (3.37) характеризуют конечную величину
относительной осадки торфяных rpYHToB при оттаивании и уплот
нении б оо , так как они получены по ОПЫТНЫ I данным условно стаби
Шl3ированных осадок при КЮБДОЙ ступени наrрузки в условиях обес
печения свободноrо оттока влаrи. 3ная относительную осадку б,
можно рассчитать общую конечную осадку 800 торфяноrо слоя при
оттаивании и уплотнении давлением р:
n
800 === б-1l.
'l '2.7
i l
(3.38)
rде б i относительная осадка, вычисленная по формуле (3.36) илп
(3.37) для среднеrо давления, соответствующеrо общему (ПРИРОДНОМУ
и дополнительному) давлению в i M слое торфяноrо rPYНTa;- h i тол
щина i ro слоя.
Так кан уплотнение торфа ПрОIIСХОДИТ длительный период Bpe
мени, практический пнтерес представляет определение осадки па
любой фиксированный момент или установление периода полной KOH
солидации Bcero оттаявшеrо слоя. Поскольку по дапным мпоrих aB
торов для проrноза деформации талоrо торфа применима теория
фильтраЦIIОННОЙ консолидации [Ткаченко, 1964; Амарян, 196U; и др.],
при выполнении таких расчетов для оттаивающих ТОРфЯНЫХ rруи
тов можно поступить слеДУЮЩИ 1 образом. Сначала выделить из об
щей осадки осадку оттаивания 80 под природным давлением и осадку
уплотнения 8у под наrрузкой. Осадка оттаивания под ПрИрОДНЬНI
n
давление 1 80 === A/li протекает одновременно с оттаиванием. СIЮ
1
рость дальнейшеrо уплотнения ПОД наrрузКОЙ обусловлена степеиью
консолидации Q. Осадка оттаявшеrо слоя торфа за любой период
времени 8yt может быть вычислена в зависимости от стабилизиро---
ванной осаДRИ уплотнения 8уос И степени консолидации Q:
8yt === QSyoo.
(3.39)
Стабилизированная осадка уплотнения рассчитывается с
учетом
118
j
n
коэффициента сжимаемости 8уоо === ЩРdihi, а СТепень консолидации
i l
Q заВИСIIТ от величпны и скорости установления избыточноrо дaB
ления и:
Q === 1 и/at"
(3.40)
rде а коэффициент, учитывающий изменение по rлубине допол
нптельноrо давления в rpYHTe (соrласно СНиП II 15 74); t время
Консолидации, r. Так как опытным способом установить избыточное
давление довольно трудно, обычно ero рассчитывают в зависимости
от времени, необходимоrо для Рlllирования постоянной наrрузки
от приrрузочноrо слоя на торф Т, и времени консюлидации Т. При
этом
т === Ct/H 2 ,
Т === Ct/H25J
(3.41)
(3.42)
rДе С коэффициент консолидации соrласно опытным данным,
для практических расчетов С может быть принят равным для Bepxo
Boro слаборазложившеrося торфа 10, среднеразложившеrося 5, силь
норазложившеrося BepXOBoro и низинноrо 2 M2fr; t и t COOTBeTCT
венно период времени, необходимый для формирования постоянноrо
давления на торф от приrрузочноrо слоя, и период времени KOHCO
лидаЦIIИ, r.; н длина пути фпльтрацин, равная толщине слоя OT
таявшеrо торфа.
При быстром заrружении оттаявшеrо торфяноrо слоя ВЛIIяние Т
на степень консолидации может не учитываться. В этом случае она
определяется только в зависимости от величины Т:
т
0,05
0,1
0,2
Q
0.17
0;24
0,3
Q
0,81
0,88
0,91
Q
0,5
0,61
0,69
т
1,2
1,5
2
Q
0,96
0,98
1
т
07
0:9
1
т
0,3
0,4
0,5
3ависимость (3.42) позволяет решать обратную задачу: опреде
лить период времени, необходимый для любой, заданной степеНII
IЮIIСОЛIlДации торфа.
Выюшение степени консолидации оттаявшеrо слоя торфа под
JlНI'I'У:ШОЙ более сложно, так как уплотнение ero ПрОИСХОДИТ в слое
JI('I'I'Щ'lllюii: МОЩНОСТИ. В целом для оттаивающих торфяных rpYHToB
IIlOilil'T 6...'1'[, рекомендовано решение, характеризующее консолида
ЦIIICl ОI'Т:llll1ающих сильнольдистых rpYHToB, полученное Ю. R. 3a
рецюш r I !)fj7], по необходимо экспеРИ leнтально установить пара
метры IJХОДИЩИХ в уравнения осадок.
119
rЛАВА
ЗАIЮНОМЕРllOСТII
ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
4
4.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Понятие о физической природе прочности мерзлых
rpYHToB формируется по мере накопления опытных данных и их Teo
ретическоrо осмысливания. Оно неразрывно связано с общими преД
ставлениями о прочности твердых материалов. Сначала ЭТИ пред
ставления развивались на основе теории упруrОСТII и плаСТИЧНОСТII
в пределах механики сплошных сред. Подход к оценке прочности
носил механический характер. Разрушение рассматривалось как
результат локальных перенапряжений вблизи трещин. Соrласно Teo
рии rриффита разрушение упруrих тел происходит в том случае,
котда количество энерrии, освобождающейся в результате роста
трещин разрушения, стаповится достаТОЧНЫ I для образования HO
вых трещин.
В дальнейшем, котда при рассмотрении разрушения начали учн
тывать аТОJ\lНО IIIOлекулярное строение тел с ВПУТрСННII IИ силами
взаимодействия, основной причиной разрушеНIIЙ стали считаться
напряжения в МeiI\аТОIlШЫХ связях. Если растяrIIвающие силы MeHЬ
ше сил внутреннето сцепления, то считалось, что должно наблюдать
ся лишь упруrое деформирование. :Котда же напряа-;ения превышают
указанный предел, то происходят необраТIшые дефОрIlIaЦIIИ, ПрИВО
дящие к разрушению. В соответствии с этими представлеНIIЯМII были
введены понятия о пределах упруrости, текучести, прочности, о пре
дельном состоянии. Разработано несколько теорий предельноrо co
стояния. rаЛИЛf>Й, Лейбниц, Ренкин обусловливали предел прочности
максимальным значением нормальноrо напряжения. Соrласно теорп
ям Мариотта, CeH BeHaHa, прочность определялась предельной
деформацией. По теории :Кулона Мора разрушение вызывают пре
дельные касательные напряженпя. Перечисление теорий предельных
состояний можно продолжить. Для них всех характерен поиск тех
критических предельных УСЛОВIIЙ, при которых происходит разру
шение. Предельные значения напряжений или деформаций ПрИНII
маются постоянными для данното конкретното материала. Такой
подход к оценке прочности был использован и для мерзлых rpYHTOB.
Существующие методы расчета оснований предполаrают, что до
достижения критическоrо значения наrРУЗКII, при которой закаНЧJI
вается уплотнение и возникают сдвиrи, трунт надо рассматривать
как линеfmо деформируемую среду и к нему применим закон rYKa.
Несущая способность для таких условий работы может быть оценена
модулем деформации. При дальнейшем увеличеНИII наrрузки зона
предельноrо состояния раЗВIIвается до полноrо IIсчерпания несущей
способности, которая наступает при предельной наrрузке. COOTBeTCT
вующее этому моменту состояние трунта рассматривается теорией
120
,
НРСДСЛЫlOl'О р<lВIIUUССl'Ш 1[ К l'PYllTY llРl[!\ЮILНЮТ теорпю llрСДСJIЫlOrо
('оетоНlШЯ Н_удона Мора.
Таким обраЗШI, в расчетах пепользуется понятие о <шороrовой»
прочности о критическом и предельном папряжении. :Как же оп
ределяются значения этих напрюr;ений? В самом начале развития
ин;.кенерноrо мерзлотоведения прочность трунтов оценивалась KpaTKO
времеННЫll1И испытаниями. Но по мере накопления опытных данных
выявилась тенденция к ее снижеНIIЮ в процессе восприятия наrруз
КlI. Оказалоеь, что мrновеНIIая прочность IIIOa\eT быть больше ДЛII
те.ТIЬНОЙ более че I в 10 раз. Первые исследования длительной проч
ности трунтов БыJIи выполнены в 30 x rодах Н. А. Цытовичем, в 40 x
тодах М. н. rольдштеЙНОIll [1948]. Затем С. С. Вяловым В 50 x roAax
проведены комплексные исследования длительноrо сопротивления
мерзлых rpYHToB иаrрузкам, показано снижение прочности в про
цеесе ползучести, установлены основные закономерности длительной
прочности. Выявлена зависимость ее от температуры rpYHTa. Эти
исследовапия полоп:шли начало цедому направлению в механике
не только IIIeрЗ,ТIЫХ, НО И талых трунтов по исследованию их реоло
rl1ческих свойств [Вялов, 1959, 1978], которое в настоящее Врl:JlIШ
успешно развпвается. Практически все исследования несущей спо
собности трунтов, проводимые сейчас в Советском Союзе и за рубе
том, выполняются е учетом длительной прочности и ползучести.
Снижение прочности с течением времени, а така;:е зависимость
прочности от температуры установлены экспериментально дЛЯ IIIНO
rпх твердых материалов. Это послужило дальнейшему развитию фи
3!Iческих представлений о прочности, возникла кинетическая KOH
цепция ПрОЧRости твердых тел, основоположником которой являет
ся акадеllПП. С. Н. Журков [1957]. Наиболее полно оеновы этой KOH
цепции ИЗJIОi-кены в lI10нorрафии В. Р. Реrеля, А. И. Слуцкера,.
Э. Е. Томашевскorо [1974]. Они сводятся к следующему.' ,
Разрушение раесматривается не просто е учетом атOl\IНОТО CTpoe
нпя твердых тел, но и е учетом тепловоrо движения атомов. Это cy
щественно меняет схему работы материала под действием внеmней
паrРУЗКII. Расематривается уже не статическая сие тема связанных
атомов, а отдельные атомы, которые находятся в колебательном теп
ловом движении. :Колебание атомов во всех материалах происходит
е 'шстотой 1012 1013 c l И С энерrией, зависящей от температуры.
I \I'.'IIl'пша энерrии в среднем равна 1/2 k Т на каждую степень свобо
Н!,I (!; постоянная Больцмана, Т абсолютная температура).
I(,I:ШIIIII.I(' колебания создают внутреннне напрюкеНIIЯ, соизмери
]\[ J.ltJ t; JI рОllllОСТЬЮ межаТОIlIНЫХ связей. Вследствие нераВНОllIерности
'1'1'1 I ,IНтO 1'0 ](IIIШ\:еНИЯ кинетическая энерrия отдельных атомов IIIO
'1;1"1' :111<1'111 1'('JIf.по превосходить среднее зпачение этой веЛIIЧИНЫ (Ta
юю НВЛI'IIIIС называется энерrеТIlческой флуктуацией) и разорвать
IIЮiIШТОМIII.1C СВЯЗН.
Тюшм образом, помимо напряшения от внешней наrрузки, KO
лебания aTO!\IOL! доrружают межатомные связи и поэтому разрушение
происходит при наrрузках, меньших прочности внутренних сил
сцепления. Такой подход позволяет объяснить влияние временното
121
фактора на прочность, т. е. установленной экспериментально заВII
спмост прочности от длительности пребывания материала под Ha
rрузкои. Если расс штривать разрыв, как раЗВIIвающиЙся во ВрЮШ
ни процесс: которыи обусловлен постепеННЫ I воздеЙствием тепловых
флуктуаЦIIИ, то становится ПОНЯТНЫ I влияпие времени на разруше
ние, которое заложено в самом механизме разрушения.
Нако ленные результаты исследований позволили автора,,! ЮI
нетическои теории прочности получить основные закономерности
зависимости долrовечности от напряжения, создавае:моrо внешней
наrрузкой и температурой, что дает возможность проrнозировать
долrовечность по данным кратковременных опытов. Следует отметить"
что формирование кинетическоЙ концепции прочности сложил ось
постепенно. l!редпосылкоЙ послужили работы по IIзучению дефор:ма
ционных своиств твердых материалов, в которых раСС:lштривалась
термофлуктуационная природа межатомных и меЖllIолекулярных
переrрупппровок под действием наПРЮБения от внешних наrрузок
как основа u для объяснения процессов вязкоrо течения, релаксаЦПII
напряжении [Александров, 1945; и др.]. Используя эти предпосы.'1
кв, С. С. Бялов [1973] дал физическое толкование параметров в по
лученно:м им урав ении длительной прочностн с ПОЗIIЦИЙ молеку
лярно кинетическои теории. Правильные представления о прпроде
прочнос и имеют не только теоретический, но и большой прак
тическии интерес, так как позволяют проrнозировать длитель
HY прочнос ь на период, соизмеримый со сроком службы сооруже
нии, а также разработать способы повышения долrовечности.
Следует отметпть, что не все аспекты, связанные с объяснеНПе:\I
механизма физической природы прочности, нашли исчерпывающее
решение. Так, основное уравнение заВИСИМОСТII долrовечности от Ha
пряжения не учитывает восстановлеНIIЯ межато IНЫХ связеЙ, пару
шенных в процесс е флуктуаций, что при малых напряжениях e
позволяет пользоваться им для целеЙ проrнозирования. Не наЙдено
пока решение, позволяющее учитывать влияние на долrовечность He
стабильности структуры.
Рассматриваемые нами мерзлые rрунты представляют собой MHO
rокомпонентные системы с весьма отличаЮЩ]НIИСЯ межаТОМНЫJ\П] свя
зями каждоrо компонента. Температура их естественпоrо залеrанпя
весьма БЛIIзка к температуре плавления льда OCHoBHoro цеllIентп
рующеrо компонента мерзлоrо {'рунта. Эти факторы накладывают
свои особенности на поведение lIIерзлых {'рунтов под наrрузкоЙ.
Так, накопленныЙ опытныЙ материал позволил С. С. Бялову [195 ]
выявить линейныЙ характер зависимости обратной величины напря
жения от времени за период от начала наrрузки до мо шнта разру
шения, построенной в полулоrарифмическом масштабе. На основе
этоЙ зависимости п предложено уравнение ДЛIIтельной прочности.
Эксперпментальные же данные, обрабатываемые при выводе
уравнения дол овеuчности соrласно кинетическоЙ теории прочности,
ВЫЯВНЛII линеиныи характер в координатах «напряжение лоrа
РИф"I вре:lШНИ>). При выводе этоЙ зависи IOСТИ использовались резуль
таты испытаниЙ материалов при те:lшературе на несколько сотен {'pa
122
дусов ниже те шературы плавления. Таким образом, для мерзлых
rpYHToB «слабость» (1/0"), а для твердых тел «силю) (О") имеют одина
ковый характер временноЙ зависимости. Раскрытие причины TaKoro
несоответствия позволит объяснить механизм разрушения мерзлых
rpYHToB, более точно проrнозировать долrовечность.
Б данном разделе нами ставилась цель выявить особенноСти по
ведения под наrрузкой мерзлых торфяных {'рунтов, сопоставить их с
таковыми для lIIинеральных {'рунтов и твердых тел и найти критерии
оценки длительноЙ прочности.
При этом выполнен анализ опытных данных по определению
прочности мерзлых {'РУНТОВ при различных видах испытаниЙ (сопро
тпвление разрыву, одноосному сжатию, сдвиrу по поверхностям:
С Ieрзания, вдавливанию сферическоrо штампа), приведенных в rл. 3.
4.2. УРАВНЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
Опытные данные показывают, что независимо от ви
да испытаний общий характер сопротивления мерзлых торфяных
rpYHToB наrрузка I одинаков: эквивалентное сцепление, сопротивле
ние разрыву и сдвиrу по поверхностям смерзания уменьшается в
процессе воздействия постоянной наrрузки при повышении темпера
туры, а также при увеличении напряжения и постоянной тем:перату
ре, т. е. явно проявляется влияние на прочность температурноrо, Bpe
менноrо факторов и напряжения, при этом реолоrические свойства
торфа проявляются в большей степени, чем минеральных rpYHTOB.
Для оценки длительной прочности минеральных {'рунтов по
данным кратковре шнНЫХ испытаниЙ широко используется получен
ная С. С. Бяловым [1968] заВIIСИМОСТЬ
t p
S ехр { [6 (t)]/O" (Е»} dt == В,
о
(4.1)
rде t p время до разрушения (долrовечность); и В параметры,.
определяемые из опыта; О"(Е» напряжение, вызывающее разруше
ние (функция теJ\шературы); E>(t) температура мерзлоrо rpYHTa
(функция времени); t время.
Для {'рунта, имеющеrо постоянную температуру, уравнение
(4.1) упрощается" и длительная прочность определяется выраже---
пием
t
O"t == /ПП (t/B)]. (4.2)
Как показывают мноrочисленnые испытания, уравнения (4.1)
и (4.2) справедливы для всех прочностных показателей мерзлых
rpYHToB (сцепления, сопротивления сжатию, сдвиrу), при выводе
этих уравнениЙ механизм разрушения рассматривался как резуль
тат протекающеrо во времени «развития дефектов структуры
123
ОСНОВНЫl\lИ факторами, которые
обусловливают превращение влаж
ных дисперсных rpYHToB в монолит
ные твердые тела при ПрOl\reрзаНИII
и понижении температуры, являют
ся: 1) постепенныЙ переход воды в
лед, цементирующиЙ частицы rpYH
та; 2) уменьшеНIIе энерrии подвижности aTOl\lOB, упрочняющее кри
сталлическую решетку льда, увеличивающее силы сцеплепия с ча
СТIIЦЮ\lИ rpYНTa и поверхностями смерзания. Прп каждом фиксиро
ванном значеНИII температуры J\lOIRHO выделить объем rpYHTa, заня
тыЙ незамерзшей водой и воздухом, а тают;е объем, занятый TBepды
ми компонентами частицами rpYНTa и льдом.
Обработка экспериментальных данных показала, что еслп OT
нестп напряжение не к rеометрической площади сечения ИСIIЫ1Ъ[
ваемых образцов, а R площади, занятой твердыми КОJ\шонеНТЮlИ, KO
торую приближенно J\lOIRHO определить с помощью параметра J( е,;
отражающеrо относительное содержание твердых компонентов rpYll
та в единице объема (см. rл. 2), то в зависимостях 1/а ln t просле
живается общиЙ полюс даже при высоких температурах (рис. 4.1).
Наличие полюса, вреl\lенная координата ROToporo близка к величине
свободноrо колебания атомов, указывает на то, что в основе раЗРУlUа
ющеrо процесса в мерзлых rpYHTax, как и в однородных твердых Te
лах, лежит кинетическая ПрIIрода взаимодействия атомов.
Проанализируем, как соответствуют экспериментальные данные
по определению прочности l\reрзлоrо торфа основному уравнеЮIIО
долrовечности, полученному с позиций кинеТIIческой КОIIцепциП про
чности твердых тел [Журков, 1957]:
микро II макротрещин, в процессе KOToporo увеличивается степень
поврежденности структуры rpYHTa. :Критерием разрушения является
достижение поврежденностью критическоrо значения, которое для
данноrо вида rpYHTa и теl\шературы постоянно. Интенсивность про
цесса длительноrо разрушения зависит от скорости роста дефеКТОR
которая в свою очередь является функцией действующеrо наПРЮh
НlIЯ и временш) [Вялов, 1978, с. 322 323]. Параметрам и В при
дается смысл функций энерrии активаЦИII, зависящей от свойств
rpYHTa и температуры.
:Как можно видеть из уравнения (4.2), зависимость а == f(ln t)
является линейной, следовательно, параметры и В для данноrо
вида rpYHTa и температуры постоянны. Это дает возможность, опре
делив пх по результатам кратковременпых опытов, исиользовать Д.'IЯ
расчета длительной прочности. подставив в уравнение t p , равное
заданному сроку СЛУп\бы сооружения. Однако как отмечается
С. С. ВЯЛОВЫJ\l [Вялов И др., 1976], для льда весыш трудно назначить
параметры иВ, так как даже при малых наrрузках развивается
вязкое течение, деформирование l\lOiI\eT быть неоrраниченно БОЛЬШИJ\l и
протекать без нарушения сплошности. ПОНЯТIIе прочности теряет
свой прямоЙ смысл. Для льда можно рассматривать некоторую YC
ловпую прочность, понимая под ней то напрю,ь:енпе, при котором дe
формации ДОСТIIrают заданноrо значения.
Что п,е касается торфа и заторфованных rpYHToB, то обработка
опытных данных в координатах 1/а lnt показывает, что rрафИRИ
этой зависимости в диапазоне температуры интенсивных фазовых
переходов нелинеЙны.
Нелинейность rрафиков 1/а f(ln t) приводит к тому, что ypaB
нения (4.1), (4.2) :мorYT быть использованы лишь на отдельных Bpe
менных участках, на которых указанная заВИСИl\lОСТЬ принимается
линейной. Это не позволяет проrнозировать длительную прочность
по данным кратковременных испытаниЙ, а обусловливает необходи
l\lОСТЬ эксперимент "Т:.но определять изменения прочности в за ви
СIIJ\ЮСТИ от времени воздействия наrрузки для Bcero интересующеrо
нас периода или искать аналитпческое выражеНIIе а == f(t) для Kai-K
доrо значения температуры.
Анализируя rрафики 1/а == f(ln t), необходимо отметить, что pa
нее установлено [:Коновалов, 1975; :Коновалов, Роман, 1975б] как
для :минеральных, так и торфяных rpYHToB налпчие полюса в ce
:мействе этих rрафиков, соответствующих определеННOl\lУ виду rpYH
та, испытанноrо при различных температурах. :Координаты полюса,;
хотя и выявляются в результате далекой экстраполяцип, что за
трудняет их cTporoe численное определение, все же обнаруживают
БЛIIЗОСТЬ ординаты к 19 t o (t o время свободноrо колебания атомов,
равное 1O I3 с), абсцисса 19 а ОIl зависит от вида rpYHTa. Для торфа
наличие общеrо полюса прослеживается только при температуре IIIl
же интенсивных фазовых переходов влаrи. Это, очевидно, связано с
большим содержанием влаrи за счет незамерзшей воды, которая Ha
рушает сплошность структуры, II торф можно рассматривать как
квазиоднородное твердое тело после замерзаПIIЯ свободной влаrII.
124
Рис. 4.1. 3ависш1ОСТЬ 1/а ln t по дапньш
испытания на растяжеНllе мерзлоrо IlУШIl
цево сфаrновоrо торфа HeHapymeHHol'O
сложения при различных температурах.
в, ос == 4,5 (1) 6,5 (2). 20 (3).
1/6
0,18
0,14
0,10
0,06/8
1 8
/1
11/8
/1/
,/,
1 ,
8
10
12
1I0 уа и а
t == t o ехр kТ == t o ехр kT '.
(4.3)
rде t время до разрушения, с; t o перIIОД свободноrо колебапия
атомов, равный 10 I2 10 13 с; иа энерrия активаЦIIИ; и а ==
и о ,\,а; и о энерrия начальноЙ активаЦIIИ; '\' коэффициепт
концентрации напряжения; а напряжение, 105 Па; k ПОСТОЯlI
ная Больцмана; Т абсолютная температура, К.
Уравнение (4.3) .подтверждено эксперииентальными даННЫJ\Ш,.
полученными в условиях простейшеrо вида наrружения твердых
тел (одноосноrо статическоrо раСТЯiIШНИЯ) и основано на липейноЙ
зависимости напряжения от лоrарифма времени до разрушенпя при
постоянной температуре [Реrель II др., 1974]. Прямые а 19 t, по
лученные испытанием одноrо и Toro же твердоrо тела при различных
температурах, образуют веерообразный пучок" имеющий общий no
125
а о
19t,c
б )( 1
о 2
О · 3
4
2
8 "
"!2
О О
400 800 В 16 б,1О 5 Па
Рис. 4.2. 3ависшюсть (j" 19 t.
а для алю шния, lIспыl'нноrоo на разрыв при различных температурах (по данным
в. р Реrеля и др. [1974]); б д:rя BepxoBoro торфа при различных способах испы
тании (по наши.. данныу); 1 разрыв (0 80C); 2 сдвиr по бонов оЙ поверХ
ности оделеи СВЮI (0 50C); 3 сцепление (0 50C).
.'lюс, ордината KOToporo равна 19 t o . В качестве примера на рис. 4.2
приведены rрафики такой зависимости для алюминия" построенные
по данным В. Р. Реrеля с соавторами [1974].
Обработка аналоrичным образом опытных данных по прочности
мерзлоrо торфа при различных видах испытаний показала, что для
Rero характер зависимости а ln t друrой, чем для твердых тел:
она нелинейна во всем диапазоне изменения а (рис. 4.2,6). Таким
образом, ИСПОЛЬ30вать в чистом виде уравнение (4.3) для проrноза
долrовечности или длительной прочности мерзлоrо торфа не пред
ставляется ВОЗllIOЖНЫМ. Нелинейный характер зависимости (J ln t
отмечается также для некоторых твердых тел и рассматривается ря
ДОМ исследователей [Реrель и др., 1974]. При этом отмечается He
обходимость выделить два случая.
1. Искривление rрафиков (J ln t при (J ---+ О, наблюдаемое
практически для всех твердых тел и происходящее в связи с тем, что
с уменьшением напряжения количество актов восстановления aTOM
ных связей стремится к количеству актов их eCTecTBeHHoro распада.
Это исключает накопление разрывов и предотвращает разрушение.
Если учесть акты восстановления, то урцвнение (4.3) будет пред
ставлять собой сложную функцию типа обратноrо rиперболическоrо
синуса, которая при малом напряжении стремится к бесконечности,
а при ero возрастании переходит в экспоненту. :Кроме Toro, t o не яв
ляется cTporo постоянной величиной, а зависит от температуры
и напряжения, что сказывается при малых а.
2. Нелинейность а ln t проявляется во всем временном диа
пазоне как при малых, так и при больших наПРЯтБениях. ВЫIIолнен
ный нами анализ показывает, что именно TaKoro рода нелинейность
rрафиков а ln t характерна для вечномерзлых торфяных {'pYH
126
тов (см. рпс. 4.2, 6). В кинетической теории прочности опа связы
вается с нестаБIIЛЬНОСТЬЮ структуры материала и ОТlIIечается дли
Rысокоэластичных полимеров. Уравнение долrовечности дЛЯ ПIIХ
предлаrается заПIIсать в виде [Бартенев, 3уев, 1964]
t В n " lt
а ехр kT '
{'де В и n параыетры, Ilолучае;>,lые экспрри:\шнтально д.ля КЮIЩОI'О
вида материала.
Автора П1 кинетической концепции прочности твердых тел [Pe
rель и др., 1974] отмечается, что выражение (4.5) сохраняет TepMO
флуктуациопный характер, но вынесение папрюкения в предэксп()
ненту лишает эту зависимость физической ясности, так как роль
внешней наrрузки сводится к уменьшению потенциальноrо барьера
распада связей. Этими же автора П1 высказывается предположенпе,
что долrовечность структурно неУСТОЙЧIIВЫХ материалов 1\1OFI.eT
быть описана уравнением (4.4), но с переменпым параметром у, KO
торый выражает изменение концентрации напряжениЙ. Таким обра
:ЮМ, ('01'.11(1('110 этому предложению для проrноза долrовечности He
о(i\.(ЩШЮ :lIIaTI, у на JШЖДОМ вре 1еппом участке заШIСИlllОСТИ ln t a.
(4.4)
)(лн выпода уравненпя, связывающеrо влияние на долrовеч
[!ОС'!'" наПРЮБения и температуры, необходимо кроме напряжеНIIО
времеНIIОЙ зависпмости получить температурные зависимоСти дo:[
rовечности при фиксированпых напряжениях. Для этих целей в pa
боте В. Р. Реrеля с соавторамп [1974] ИСПОЛЬ30валась фуню ин
19 t 1/Т. Выбор арrУ ШНТШl веЛIIЧИНЫ 1/Т основан на предстаl3
лении о теР1l10фЛУК1уационном механизме разрушеНIIЯ, которыЙ ле
жит в основе кинетической теОРИII прочности.
Для твердых тел зависимость 19 t 1/Т при одном и том llie
напряжении ЛIIнеЙна. Прямые, отвечающие каJБДОМУ значению а,
образуют температурныЙ веер с полюсом, лежащим на оси ордпнат.
Абсцисса ero равна 19 t o (рис. 4.3, 6).
Обработка аналоrичным образом опытных данных для мерзлоrо
торфа показала, что зависимость 19 t 1/Т в пределах от 81['3
дО 80C нелинейна, и только коrда температура испытанных об
разцов ниже 80C, может быть представлена в виде прямых,
каждая из которых соответствует определенному значению напрн
жения.
На рис. 4.3, а приведен при шр rрафиков 19 t 1/Т дЛЯ торфа,
построенных по опытпым даПНЬНl, представленным на рис. 3.Н).
НелинеЙные участки rрафиков таЮБе сходятся в едином полюсе,
ордината KOToporo равна 19 t o , а абсцисса близка к обратной веЛИЧIl
не температуры начала замерзаНIIЯ rрунтовоЙ влаrи (1/273 == 3,66.
.103 K I). Выражение кривых этой зависимости имеет вид
1
I
(1jв) (lgHIgtO) 1 + 1/Т 1/Т н . з ,
(4.5)
{'де Ь КОЭффIIЦIIент, обусловленный напряжеНIIем и видом {'рунта.
127
7.gt с а
6
.
4 ,
2 .
I ,
t::,
о 3,!? 4,0 1Оут
2 Zgt,c 6
8
4
4
6
I О
8
4
1O
8
12
12 2 4 1Оз;т,к 1
14
Рис. 4.3. 3ависимость 19 t 1IT при различных наиряжениях:
а для ICрзлоrо торфа, построенные по опытны"[ данным автора; б для алю..и
нин по данным В. Р. Реrеля и др. [1974].
Отличие температурно временной зависимоСТИ прочности Mep!
дых торфяных rpYHToB в диапазоне температуры от 8 н . з до 8 С
от таковой для твердых однородных тел (см. рис. 4.2 и 4.3), видимо,
вызвано структурными преобразованиями, происходящими в про
цессе кристаллизации rрунтовой влаrII, которые определяются пе
только количественным увеличением содержания льда, учитыва
eMoro нами при обработке опытных данных введеНIIe!,f коэффициента
Ке, но, вероятно, и упрочнением кристаллическои решетки льда
в результате понижения температуры.
Для получения уравнения длительноЙ IIРОЧНОСТИ необходимо
выполнить обобщение физических свойств и факторов, вЛИЯЮЩIIХ
на долrовечность. С целью более четкоrо выявления влияния этих
факторов на прочность нами проведено объединение их в симплексы.:
Обычно в этих случаях принимаются отношения текущих значении
определяющих одноименных характеристик к предельным. Предель
ным значением BpeMeHHoro фактора является период свободноrо KO
лебания атомов t o , а текущим времЯ до разрушения при заданном
значеНИII напряжения и температуры t. Этот симплекс tlt o присутст
вует в уравнеНИII (4.3), которое можно записать в виде t/t o ==
==ехр и о и у . Предельной величиной температуры для мерзлых
kT
128
rpYHToH 1\101I HO считать температуру начала замерзания rрунтовой
влаrи е н . з . ИlIIенпо с этой температуры начинается существованне
мерз;'IЫХ rруптов. Аналоrично временпому температурный СИМIIлекс
запишется в виде е/8 п . з (или при выраlI ении в абсолютных теl\Jпе
ратурю: Т/Т п ,з). ПодтверlI дениеlll Toro, что указаIIНЫЙ те!\Iператур
ныЙ CIншлекс явлнется обобщаЮЩИlll, СЛУ;-ЮfТ факт равенства проч
ности раЗЛIIЧНЫХ металлов при температурах, составляющих одина
ковую долю от те;\шературы плавления.
I{aK было показано ранее. ОСНОВНЫ)l параметром. объеДИНЯЮЩII:\I
влияние физических своЙств на прочиость, ееть симплекс водных
характеристик (отношение влажности за счет льдистости к полной
влаrоемкости W лl JV п ) , который отраа;ает степень кристаллизации
rрунтовой влаrи, а, кроме Toro, определяет плотность и пористость.
:Использованпе указанных симплексов позволяет более четко BЫ
явить закономерности заВIIСIВIOСТИ прочности от температуры и Bpe
менп деЙствия наrрузки.
J\:aR пока щла обработка опытных данных, заВНСН:\fОСТЪ проч
)1111"'1'11 Щ'Р:I,II()I'О торфа от вреlllенп деЙствия наrРУЗRИ оказалась лп
Jlf'iillOii 11 ,'I()I'аРllф lII'[('СЮIХ -координатах 19 (1 19 t, при ЭТШI пря
I\lые u(,раауют 1Il'l'[)(юfiра:IIIЫЙ пучок с полюсом, абсцисса KOToporo
раllllа 13, а ОРДlIната 19 (10 зависит от фи;шчеСКIIХ своЙств rpYHTa.
II а rрафиках рис. 4.4 4.6 приведены заШIСIа10СТИ СОПРОТIIвлепия
растяжепию ар, СДВИl'У по поверхностям С;\lерзания 't и эквива,пент
Horo сцепления С З от времеии деЙствия наrрузки в лоrариф;\шческих
координатах, перестроенные соответственно по даИНЬВl рпс. 3.10,
3.11, 3.26.
При этом ар, 't и С З отнесены к тверДЫl\1 КОlllпонеНТЮI rpYHTa (час
ТИЦЮl и льду), для чеrо снятые с rрафикоп величины ар, 't и с з былп
разделеIIЫ на коэффициент Кв, вычисленныЙ для каihдоrо значения
температуры (табл. 4.1).
т а б л [[ Ц а 4.1
3начсшIЯ Кв' вычисленные для испытанных образцов торфа
ВIIД IIспытаПJ[fI I Основные физичесние СRойства 1 Т "шрра I Кв
тура, '.с '"11
Растяженпе Р 0,88 r/cl\1 3 , Р. 1.57 r'c1\l3, 4,5 2,4 0,45
W c 4,25, Pd 0,17 r/c)]3 6,5 1,75 0,б1
8 1,05 0,7
20 0,9 0,73
СДВIII' ио поверхностп Р 0,98 r/cl\1 3 , Р. 1,5 1'/{;)[3. '1,8 3 0,33
смерзаНIIЯ торфа с M0 W C 3,6, Pd 0,24 2,5 2,1 0,58
деЛЯl\1И сваlI 0,29 I'/cl\1 3 4,5 1.2 0,82
6 1,0 0.87
Вдавлпванпе сферическо Р 1,08 r/cl\1 3 , W c 6,47, 2.5 3,8 0,46
1'0 штампа Ps 1,56 r/cl\l3, Pd 4 2,6 0,68
0,14 r/cl\l3 6 1,8 0,74
8,5 1,4 0,80
9 л. Т. Ро:ман 129
19б
"). к
4
'
':-.
'\, ,
:'
""-".'-.
"",". "-
"r"- ,,,
" .;:-..,:.
"."-:':.... 1
1 ". ":-8'2
... .,,:"=......
, '3
.
'4
3
2
о
12 8 4 О 4 Zgt,c
Риа. 4.4. 3ависимость сопротивления
растяжению мерзлоrо торфа от Bpe
мени в лоrаРИф1\!пчеСКIIХ коордпна
тах. е, ос 20 (1), 8 (2), 6,5
(3), 4,5 (4).
Zgсэк а
1
О
12 8 4 О 2 4 6
о
: ......
.t:..
--.
1
3
о
12
8
4
о 2
19t,c
19<{K
\
2
1I1111'IIIUСТИ:
1,5
"
'\. "
,
'\.
'\. "
"
" 2
" I
" ..... 1
'\. ".\. .,
'\. ....,
" '
... 3
..,
4
t t o (оон/он)В вн ;
<У он
Одл (tfto)I/fJAH '
I'; C (11'J1{ KOTanreHC уrла наклона ПрЯl\lЫХ 19 О., 19 t при теl\lпе
ратурс 8, (J напряжение, обусловливающее абсциссу полю
с'а Ig' оuи'
Нак можно видеть из (4.7) 1I (4.8), выражение зависимости
Н,{ t в ЛОI'арифмических координатах есть пе что пное, как пред
С'Т;Ш,'Il'lIие ее в симплексном виде Оон/Он; t/t o ' Как показывают pe
:SYJlI,"I'aTt.! обработки опытных данных, величины Оон и t o ' хотя и опре
ДС'.11I1IОТСЯ в результате далекой экстраполяции, l\IorYT быть при
1111'1'1>1 11 качестве исходных для практических расчетов Одл И t p по
ФОРМУJIa!\1 (4.7) и (4.8). При ЭТОl\l t o I\lOiEHO взять равным 10 I3 с, а
С1"'I J о.юI\IIО ()пределяться с ПОl\lОЩЬЮ rрафиков 19 он 19 t, для чеrо
:Щ('IIС'I'IIl\1С'llтально необходимо наЙти прочность не l\Iенее чеl\l для
ДIIУ\ :11I;l'lClшii времени с достаточноЙ для статистическоЙ обработки
1IOII"I'Ol'IIOI:"I'I>IU опытов, выполняеl\lЫХ при ПОСТОЯIIНОЙ теl\lпературе е.
Л(jСI иссе полученноЙ пря юй, рапноЙ 19 t o , будет COOTBeTCTBO
lIа \'1. ()рюшата IIолюса (ln Оон) для даIIноrо rpYHTa, которая постоян
1101 111111 JIIобоЙ температуре НИiне 8 н . з . Это позволяет построить по
())\II(ШУ зиачению прочности (лишь для одпоrо l\IОl\lента вреl\lени) пу
'101' "I'IIМЫХ, каждая из которых соответствует заданпоЙ те lперату
р". ()III'l')\СJIIШ параl\lетр fJHi как котанrепс уrла их наклона к оси
a(j('I III'[', MOiI,l'l\1 рассчитать время до разрушения t под действием
Halllloii lIаl'РУЗIШ по (4.7) или длителыIюю прочность Одл.н по (4.9).
[ITOfil,1 O"l'llCeTII :Jпачение длительноЙ прочности, как это принято,
" I'CII II'TPI[lICCI,oii площади сечения, следует Уl\lПОffiИТЬ он на пара
мС'тр Кв:
(4.7)
(4.8)
1
0,5
12
B
4 О
19t,c
4
Рис. 4.5. 3аВИСlI'ЮСТЬ от вре:l<!еНП
сопротпвления СДВlll'У ио поверх
ностям С Ieрзания вмороженных
в торф моделеll свай (а 27 мм;
l 36 мм) (в лоraрифмичеСКIIХ
координатах). е, ос 6 (1),
4,5 (2), 2,5 (3), 1,8 (4).
(Jдл ОДlI.нКв,
(4.9)
Рис. 4.6. 3ависимость 19 С Зn от
19 t для верховorо торфа.
а Р 1,08 r/см З ; w 6/,7; Ps
1,56 r/см З , в, ос 28 (1), 13 (2),
6 (3), 2,5 (4); б Р 2,01 r/смЗ;
"fV 3,1; Р; 1,5 l'/смЗ, в, ос
7 (1), Z,,5 (2), 2,5 (3).
Обработка опытных данных показывает также, что если проч
1101''1'11 1>1 С -..::арактеристики (сопротивление сдвиrу, эквивалентное
CI CII.J[CIII1C 11 Т. д.), полученные с учеТШI параl\Iетра Кв, УМНОп,ПТЬ
1101 UТIIOIIIClПЮ влаiI,ПОСТИ за счет льдистости к полной влаrое IКОСТII,
то IIС,'I1IЧШIa 19(оокWл/Wп) стаповится постоянноЙ, пезаВИСИМОlI от
Вllда торфа, степени ero раЗЛOiЕеНIIЯ и друrих фпзических своЙств
(рис. 4.7). Как l\IОЖНО видеть, различные значения 19 С о . ЭIР равные
1,5 11 2,5, сБЛИiнаются и полюс для обеих серпй образцов ]\[ожет
(iыть принят ПОСТОЯННЫI\I, а величина 19 (С о . эк wлl w п ) равной 2,7.
)l,.'IЯ l\IlIнеральных rpYHTOB заВИСИl\lОСТИ прочности от вре lеПlI
сiiСТIIIIЯ lIаrрузки в лоrаРИфl\IичеСЮIХ коордппатах танже лпнеЙны
[Вялов и др., 1981]. Их экстраполяция ВЫЯВЛШJТ паличие полюса
ДЮI,С без учета параl\Iетра Кв (рис. 4.8). Это связано с тем обстоя
теЛЬСТВОI\I, что приведенные данные относятся к температуре НПiEе
диапаЗОIIа интенсивных фазовых псреходов, т. е. коrда количество
неЗЮlерзшей воды остается практически неIIЮIеНПЫl\I и оказывает
одинаковое влияние на прочность.
СПРЯl\Iление rрафиков в лоrаРИфl\Iических координатах п нали
чие полюса облеrчают вывод уравнеНIIЯ заВИСИl\IОСТИ Прочности от
вреl\Iени деиствия наrрузки при постоянноЙ температуре. ОП CBO
ДИТСЯ К следующеl\IУ:
19 <У он 19 <Ун
la t 1 9 t tg О:н'
" О
(4.6)
Об . 19 t 't o
ознаЧИl\I 1'tg а == , тоrда. 1 вH' ОТСIOда :МОЖIIО леrко
g аон/а н
получить ВЫРЮI,ение для дслrовеЧНОСТII, а также для ДЛlIте.:.rыюй
130
9*
131
Ig(to/t)
и6 , кнол/мо.rь
15 ...................... Q
10
I"
5
О
о
.1
12
I
/
</.:.-1 Ig(to/t) б
............... 1 -----/:
....... ......
....... ---- ----
........ /
I .y !! I
01 .
Рис. 4.11. 3аВIJСII)ЮСТИ ;JНерI'IJИ aK
тивацпи мерзлоrо торфа от величины
эквивалентноl'О сцеплеНIJЯ, рассчи
танные по фОР)lулам (4.18) и (4.19).
е, ос 2 (1), 6 (2), 13.5 (3),
28 (4).
15
1O
/
/......-
....... ........
//...............
......................
......./. ........
/,/........
д"'........
0,5
. 1 02
1,0
х3 04
6,МПо
5
о
0,4
0,8
1,2
Т н . з /Т
..
Точки на rрафике И'" а для мерзлоrо торфа (Ии ВЫЧИС.ТIЯJIOСЬ
COr.ТIaCHO (4.16) по ОПЫТНЫМ дапным (см. рис. 4.4» раСПО.ТIаrаются
ступенчатоЙ СИСТЮIОЙ rрупп (рис. 4.11), однако ОНl1 раСПО.ТIошены
весьма близко и дают возможность провести одну .ТIIIНИIO на все
семеЙство точек. Ее экстрапо.ТIЯЦИЯ к а === О позволит получить зна
чение энерrии аКТl1вации, которое и может быть принято за И О '
Таким образом, уравнения (4.15) и (4.16) МОЖНО испо,пьзовать
для выраженпя заВИСИМОСТII параметров eH, SI и SII от энерrии aK
тивации.
Лоrарифмируя (4.7), ПОЛУЧНl\I 19 (t/t o ) === eH Ig(aoH/a); из ypaB
нения (4.16) 19 (t/t o ) === И и /2,3RТ. Тоща e" 19 (аон/а) === И 1 /
12,3R Т;
Т н . з / 7-
/1
Рис. 4.10. 3ависшlOСТИ 19 (toft) т н.э fТ .
а ТР ж чrо и Н1 ри . 4.5, на по rроенные для диапазона температур ниже 80C; б
05Щ"li в:ц rрэ.(J,[,шв с э,, rрэ.!10;rяцией харантерных y'IaCTHOB 1 и II в полюсы,
фа в диапазоне температуры интенсивных фазовых переходов за
висит от температуры {'рунта и температуры начала замерзаIIИЯ {'pYH
товой влаrи. При температуре нише 80C остается лишь влияние
температуры начала замерзания.
УравнеIIИЯ (4.8), (4.11) и (4.13) получены на основе обработки
экспеРИ Iентальных данных для одних и тех же образцов и выражают
зависимость между долrовечностью t o , напряж:ением и температу
рой. При этом в (4.13) параметром eH учитывается влияние темпера
туры, а в (4.11) и (4.13) эмпирическими параметрами SI и SII
влияние напряжения.
КакоЙ же вид будет иметь уравнеIIие длительноЙ прочности
мерзлых торфяных {'рунтов с позиций кинетических представлениЙ
о процесс е разрушепия? НаЙдем заВИСИIIЮСТЬ эмпирических парамет
ров eH' SI, SII от энерrии активации Ии. Для определения Ии ПО
ОПЫТНЫ 1 данным воспользуемся методом, предложеппым в работе
В. Р. Реrеля с соавторами [1974] для структурно неустоЙчивых Ma
териалов. Соrласно этому методу усложнения зависи IОСТИ долrо
вечности от а и Т вызываются нестабильпостью КОЭффl1циента KOH
центрации напрящениЙ у в уравнении (4.3), т. е. ero непостоянством
при различных напряжениях и температурах. В этом случае можно
допустить, что семеЙство точек t(a, Т) снекотороЙ ТОЧIIОСТЬЮ опи
шется выражением
Ии
eH === 23RТl .
, g (аоюа)
Таким же спосоБШI получим и выражения SI и Sп, Лоrарифми
руем (4.12) и (4.13) и, приравнивая 19 (t/t o ) к И и /2,3RТ, будем иметь
2'3 I (Т н.з Т) И и .
19 (t/t o ) === Т === 2,3RT '
19 (tJt o ) === 2,3 T н.з Ии
2,3RT '
(' .17)
Отсюда
Ии
SI === 2 3R (Т Т) ,
, П.З
Ии
SII === 2 3RT
, п.з
( 4.18)
(4.19)
и '1' (а, Т) а
t === t o ехр о kT '
{'де у(а, Т) усредненное значеНIIе коэффициента у в данном
интервале а и Т, тоrда
( 4.15)
Подстановка выраженнЙ e", БI, SII соответственно в (4.8), (4.12)
и (4.14) показала, что эти уравнения приводятся к еДl1НОМУ виду,
соответствующему уравнению долrовечности, полученному соrласно
кинетической теории прочности твердых тел:
Ии
t p === t o ехр kT '
rде Ии === И О уа, чем УЧIIтывается заШIСI'!:\IOСТЬ энерrии активю\ии
Ии ОТ напряжения (и о исходное, при а === О значение И). Однако
в отличие от твердых тел, у которых у === const, Д.ТIЯ мерзлых TOp
фяных rpYHToB у есть фупкция температуры и напряжения, т. е.
{'де R универсальная
2.10 3 ккал/моль ос.
rазовая
постоянная;
(4.16)
R === kN А
И и === И О у (о, Т) === 2,3RT (lg t 19 t o )'
135
134
[Т а == Y(O"lT)O". Этим учитывается влияние нестаБIIЛЬНОСТИ CTPYK
туры :мерзлых торфяных rpYHToB.
Такпм образом, описание долrовечности мерзлых торфяных
rруптов моашт быть основано на кинетических представлеНIIЯХ о
прочности твердых тел с учетом мноrокомпонеНТIIОСТИ и фазовых пс
реходов влаrи. В результате термоф,тrуктуационноrо разрушепия
связей, восстановлению которых препятствует внешняя- наrрузка,
происходит постепенное накопление разрывов, образуются дефекты
структуры, нарушается сплошность.
ВесЫ\ш ваi-IШО установить связь между поврежденностыо и oc
повНЬПI уравненпем длительной прочности.
Микроструктурными исследованиями [Вялов и др., 1973] для
мерзлых минеральных l'рУНТОВ установлено, что измеIIение CTpyK
туры существеНIIО зависит от Toro, является ли процесс деформиро
вания затухающим И.ЛII не:штухающим. При незатухающей ползу
чести отмечается образование J\1ИКрО и :макротрещин. Показателем
процесс а пх развития является сте'пснь поврежденности (отношение
площадИ дефектов к общей площади сечения), которая, как пока
зано Р. В. МаКСЮ\IЯI{, в момепт разрушеНIIЯ остиrает критическоrо
:шач(чтия, постоянноrо для данноrо вида rpYHTa и температуры.
При оценке интенсивнОСТИ процесса длительноrо разрушения
:мерзлых торфяных rpYHToB пами IIспользовался подход, припятый
для шшеральных rpyHToB [Вялов, 1978]: скорость роста дефектов
рассматривалась как функция паПРЯi-IШНИЯ И времени
УраВIIение (4.23) является выра;ненпем длительноrо разруше
ния, вытекающим из условия (()р == const и позволяющим учитывать
реЖИ I заrружепия, пере:\IeННОСТЬ наrрузки, изменчивость свойств
rрупта во времени.
Разрушенис наступит в тот ИОI\ШНТ, коrда отношение неповреi-I,
денной площади единичноr поперечноrо сечеIIИЯ в дозаrРУЗОЧНШI
состоянии к неповрежденнои площади, сфор:\ш:ровавшейся за период
воздействия наrрузки, достиrпет критическоrо значения. ОбознаЧIIМ:
1 1 (O
ln --------------д == v (4.24)
х 1 (ор ,
тоrда для случая о" == const будем и:\шть:
О"он/О"н == ln (t:t o ). (4.25)
Так как IIЗ (4.8) выражение для О"он/О"н юшет вид
о"он/а н (t/to)I/BeH,
то, учитывая 4.26, :\южно заIIисать
о"он/ан == ( eH/v)ln(O"OH/(JH);
(4.2G)
aoHv
eH ==
ан ln (аон/а н ) .
(4.27)
(4.28)
d(O
dt 1(0", t).
(4.20)
ВыражеНIIе (4.28) позволяет рассчитать по эксперимептальныl\[
данным степень повреждеНIIОСТII rpYHTa в перп()д разрушения. что
Bec :мa важно для оцеики условнй подобия работы ююроа,eIIПЫХ
сваи в мерзлых ТОрфЯIIЫХ rpYIITax.
Функция 1(0", t) устанавливалась па оспове зависимости, по
лученной микроструктурпыми исследованиями, по с учетом ypaB
нения длительной прочности (4.9). Как показано [Вилов и др."
1973], закономерность, выражающая связь между поврежденностью,
времене:\I и наПРЯ;-Iшниеl\l, имеет вид:
1 (() == (1 (()o)(t +- 1) xи,
(4.21)
rЛАПА
5
ФИЗИЧЕСКОЕ l\ЮДЕ:IИРОВАНИЕ
ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРОЧIIOСТНЫХ
И ;J,ЕФОРМАТИВНЫХ СВОНСТВ
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
rде (() степень поврежденности в l\Юl\ШНТ времени t, после прило
женил наr у3l\И; (()о степень повреЖДСНI10СТИ в незаrружеННОl\I
состоянии; о" уровень напряжений; Х параметр.
у становленная нами выше зависи:\юстЬ между 0", t (4.8) и
(4.9) IIозволяет уровень напряжений принять
5.1. ПОСТАНОВКА ИССЛЕДОВАНИЙ
tp
J ' (и 1 1 (00
O", ln .
t Х 1 (ор
t o
(4.23)
Все вопросы, связаиные с моделироваНIIШI ПрII опре
делеIIИИ прочности и дефОРl\fируемости мерзлых rруптов, 1I1O;-I{HO
классифицировать по двум основным паправлепияи.
1. Моделирование процессов изменения прочности и дефор:\Пl
руемости во време!ш, которое позволило бы по даННЫ:\I KpaTKOBpe
менных испытаIIИИ проrнозировать длительную, сопоставимую со
сроками службы сооружения, прочпость II осадку rpYHToB.
2. Моделирование, направленпое на получение сопоставимых pe
зультатов испытаний образцов различных размеров, которое дает
ВОЗJlЮFhНОСТЬ переносить данные лабораторных опытов в натурные
УСJIОВИЯ.
а == 0"/0"0'
(4.22)
а интервал вреl\Iени задать от t o до t p .
Тоrда сначала продиффереIIцировав, а затем проинтеrрировав
(4.21), ПОЛУЧШI
137
136
Задачи первоrо направления составляют основу теории длитель
ной прочности идеформируемости. Применительно к мерзлым TOp
фянъш rpYHTaM они рассматриваются в соответствующих разделах
настоящей работы (см. rл. 3, 4, 6).
В данной rлаве приводятся результаты исследований по BTOpO
му направлению выявлению влияния масштабноrо фактора при
проведении основных видов испытаIIИЙ мерзлых торфяных rpYHToB.
Решение этих вопросов имеет важное практическое значение. Деiiст
Бительно, если от размеров модели завиСят конеЧIIые результаты ис
пытанпи, то, не зная перехода от .модели к натуре, неВОЗ lОпШО по
ЛУЧIIТЬ достоверные данные.
Практика изучения льда п мерзлых rpYHToB показала, что влия
иие веЛИЧИIIЫ образцов весыш существенно. Правильная оценка
прочности ледянOl'О покрова по данным лабораторных испытаний
может быть достиrпута лишь в том случае, если при приrотовлении
образцов реrулировать размеры кристаллов [Лавров, 1969]. В не
меньшей степени влияние масштабноrо фактора сказывается при
проведении ИСП'.IТаниЙ l\юделей свай, вмороженных в вечномерзлый
rpYHT [Цытович, Волоrдина, 19 6; салтыRв,, 1959; Вялов, 1959;
Тречищев, 1966; Велли и др., 1966; Кардымон, 1967; и др.].
Несмотря па то, что Этот вид испытаний являетсЯ ОДНИl\I из наи
более применяеl\IЫХ, способ перехода от данных таких испытаний
к расчетным характеристикам до сих пор не разработан, хотя были
преДIIрИНЯТЫ попытки нахождения эмпирических коэффициентов,
позволяющих учесть масштабный фактор [Кардымон, 1967; Велли
и: др., 1966], а также попытки IIрименить для этой цели физическое
и мате штическое моделирование [Тябин, 1951; Вялов, 1959; rpe
чищев, 1964].
Первый путь весьма трудоемок, полученные данные СIIраведли
ВЫ лишь для данных конкретных условий. Результаты BTOpOl'O не
далп исчерпывающих ответов. Так, решеНIIе осесИl\ПЮТРИЧНОЙ Tpex
мерноЙ задачи о течении мерзлоrо rpYHTa BOKpyr вдавливае IOrо
ctePIl-;НЯ [Вялов, 19591 показало, что прп одинаковой плотности,
ВЯЗКОСТII, предельном напряа;:ении сдвиrа размеры натуры и модели
ДОЛi-IШЫ быть равны, иначе условие IIодобия неВЫПОЛНIIМО. Распр'е
делеШlе наIIряжений и очертания пластичеСКIIХ областей натуры
И моде:rи будут подоБIIЫ только В том случае, если IIЛОТНОСТЬ rpYHTa
модели увеличить во столько раз, во сколько модель меньше натуры.
ПрII IIсследовании мерзлых rpYHToB такое задание плотности прак
тичеСКII неосуrцествимо. С. Е. rречищеВЫl\I [1966] в качестве OCHOB
Horo фактора, влияющеrо на СОПРОТIIвление сдвиrу по поверх
IIОСТЯ l сиерзания lIюделей различных раЗlllеров, выделен процесс
формирования криоrенной текстуры rpYHTa BOKpyr моделей. OT
мечено, что в подобных моделях ввиду различной ширины rpYHTa
BOKpyr модели неодинакова скорость ПрОlllерзания. Это обусловли
вает различные раЗ IeрЫ ледяных кристаллов И кольцевых шлиров,
изменение nopoBoro давления и, как следствие, неодинаковые
силы смерзашIЯ.
138
I
Вопросы подобия при исследовании lIIерзлых торфяных rpYH
тов приобретают особо важную роль, так как влияние масштабноrо
фактора усиливается большим льдосодержанием и неодпородностью
структуры. Для этих rpYHToB условия подобия должны быть приня
ты во впимание не только С целью получения достоверных xapaKTe
ристик по данным лабораторных испытаний, но и с целью выявления
возможности ПРИlllененпя стандартпых приборов, так как сущест
вующие rосты на lIIерзлые торфяные rpYHTLI не распространяются.
При ПрОБедении исследований весьма важно сопоставить свой
ства торфяных и минеральных rpYHToB. Для этой цели таКlБе пеоб
ХОДИllIO выявить влияние lIшсштабноrо фактора, разработать способ
ero учета, чтобы была ВОЗlllОЖНОСТЬ сравнивать Jlдентичные pe
зультаты.
Нами Iспользовались предпосылки, основанные на теОРИII MO
делирования работы твердых деформируемых тел, Б которой Bыдe
ляют условия простоrо и расширеНlIоrо подобия [Назаров, 1 !:I651.
В случае простоrо IIодобия деформативно напряженно временныe
зависимости для модели и натуры совпадают, т. е. если к двум reo
метрически подобным телам (А и А') одновременно в сходственных
точках приложены повеР,ПIOстные силы одинаковой направленности
и с интеНСIlВНОСТЬЮ, обратно пропорциональпой линейным раЗllIе
рам тел, то напряжения о" и относительные дефор raЦIlИ б в CXOДCT
венных точках по ВСЮI осям (х, у, z) обоих тел совпадают в Катдый
заданный момент времепи t. Это условие можно записать для тела А:
о" == f(б, х, у, z, t);
(5.1)
для тела А':
О"==f(б, х'/n, у'/n, z'/n, t),
(5.2)
rде n множитель rеометрнческоrо подобия.
Уравпения (5.1) и (5.2) являются условиями простorо подо
бия тел.
При расширенном подобии дефОРlllативно наПРЯ;I;:енно вреlllен
ные зависимости модеЛII и натуры не совпадают и отличаются на
опреде.'IеНIIые lIIнтн:ители подобия. В этом случае, если выразить
связь между паПРЯlБенияыи и деформациями в теле А уравнениеl\l
(5.1), то для подобноrо ему тела А' аналоrичная заВИСИ:lIOСТЬ будет
иметь вид:
О"'/В == f(б/у, х'/n, у'/n, z'/n, t/Yj) ,
(5.3)
rде В, у, yj множите.ПИ подобия соответственно для напряа;:еНIIЯ,
деформации и nремени.
Уравнения (5.1) и (5.3) являются условием расширепноrо по
добия, IIрИ котором :можно IIОЛУЧИТЬ уСКо,рение процессов дефор lИ
роваIIИЯ с целью проrноза длителыIйй прочности или дефОРМIIруе
мости.
Для Toro чтобы учесть влияние размеров образцов или моделеЙ
на численные значения IIрОЧНОСТНЫХ и деформативных характерис
тик, нет пеобходимости ускорять процессы деформирования, поэто
139
метра свай несущая способность убывает (опыты 1 3; 7 9; 1O 13;
14 16; 17 19). Такая п e закономерность ОТlIffiчается и при соблJO
дении полноrо rещreтрическоrо подобия (опыты 4 6), т. е. в том
случае, коrда при увеличении диаметра пропорцнонально увеличп
ваетСя длина сваи. .
Измененир только одной длины при постоянном диаметре CKa
зывается в меньшей мере на несущей способности И, экспеРlпreнталь
ные данные опрецеляют ее влияние неоднозначно. Так, по данным
Н. А. Цытовича, И. С. Волоrдиной [1936] мrновепное сопротивление
сдвиrу по боковой поверхностИ lllIюроа,енных в rлинистые rpYHTbl
деревянных моделей с увеличениехl их длины увеличивалось, в пес
чаные rpYHTLI уменьшалось (что, в общем, труднообъяснимо).
С. С. Вялов [HJ59] отмечает увеличение прочности смерзашIН с YBe
личениехl ДЛIlIIЫ свай (опыты 2 6). Такая а.е закономерно ть no
лучена нами при определении СОПРОТIIвления сдвиrу по боковой
поверхности моделей, вмороженпых в торфяные [рунты. При этом
исследоваЛIIСЬ модели нескольких типоразмеров с соблюдени:ехl пол
Horo rеометрическоrо подобия 1I1eflЩУ НШ.1Il (dJd === lJl === п ===
=== const), а таЮ-I>е испытаны два типа моделей свай, для которых
соБЛJOдалось афинное подобие: для первоrо типа диаметр OCTa
вался постояпным, менял ась тодько длина; для BToporo длина
оставалась постоянной менялся диаметр. Опыты доводились до
продавливапия (срыва) ;\юделей с фиксацией времени, через которое
произошло продавливание. J\lеТОДIlка испытаний II результаты об
работки опытных данных рассмотрены в rл. 3.
Результаты опытов показали, что характер заllllСИllЮСТИ сопро
тивления сдвиrу от размеров моделей, ЮlOрожепных в торфl, OCTaeT
ся таким же, как и при вмораживании их в минеральные [рунты.
ПРОЧIIОСТЬ смерзаIIИЯ торфа снижается с увеЛIIчением коэффи
циепта п при соблюдении IIолноrо rеометрическоrо подобия (п ===
=== d i / d 1 === li/lI === const), т. е. при
ПрОПОрI ИОIШЛЬНОМ росте диамет ct,ю5Па
ра и ДJШНЫ модели (рис. 5.1). YBe
личеIIие ТОЛЫЮ диаметра или толь
КО ДЛИIIЫ така;е обусловливает
умеIIьшение прочности смерзания.
Таким образом, опытные дaH
ные показывают, что условия прос
му достаточно задать условия простоrо подобия, при котором Ha
пряжения, относительные осадКИ в сходственных точках образцов,
незаВИСIIlIIО от размеров последниХ, в одни и те же промежутки Bpe
мени одинаковы, т. е. В === '\' === 11 === 1.
Основная задача при моделировании состоит в том, чтобы BЫ
яснить, соблюдается ли это условие для данноrо вида испытаний
и установить меру несоответствия скорости затухания осадок и сни
жени я прочности во времени для образцов различпых размеров.
Нами рассматривались условия подобия при определении сопротив
леНIIЯ сдвиrу мерзлоrо [рунта по боковой поверхности свай и при
ОIIределеIIИИ осадок с помощью шта;\шов.
5.2. УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ
ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ сдвиrу
ПО ПОВЕРХНОСТЯМ СМЕРЗАНИЯ
Как уже отмечал ось выше, условие npoCToro подо
бия (5.1) (5.2) при определении сопротивления сдвиrу по боко
вой поверхности свай не соблюдается (табл. 5.1). С увеличение;\l диа
Т а б л 11 Ц а 5.1
Опытные данные, IIШIюстрирующие заШIСИl\ЮСТЬ сопротивления сдвиrу по
(оковой поверхности Вl\юрожепных моделей от их раЗl\lеров
,
"
:. "i Длитель
о О
М р. :. Т"мпера ное сопро
... -
Вид испытания опыта О)=- ro:, тура, 'с ТИВ:Iение источник
:." :':0
,: сдниrу,
10 МПа
c:
1. БыдеРl'пванпе моделеЙ 1 1,5 10 0,4 3,2 [Вялов,
сваll, ШlOроженныХ в 2 3,5 10 0.4 2,5 1959)
супесь (заrруженпе 3 7.0 10 0,4 1,8
ступеНЯМlI) 4 1,75 8,75 0,4 4,2
5 3,5 17,5 0,4 3,5
6 7,0 35 0,4 2,1
2. ТО же. [I'HOBC'Hlloe за 7 1,75 10 0.4 5,1
I'руженпе 8 3,5 10 0,4 4,1
9 7,0 10 0,4 3,4
3. Быдерrпванпе метал 10 3 10 3,8 3,8 [Беллп, !{ар
ЛllческПХ юделеii, пов, Иванов
вмороженных в суrлп 1966)
HOI,
4. БыдерrпваНJ е бетон 14 3 10 4,5 4,5
ных )юделеII, в юро 15 5 10 4.5 4,2
тенНЫХ в суrШIIIШ, 16 19,2 10 4;5 3,5
(W == 0,27)
5.. Продавлпванпе бетон 17 5,1 9 0,5 1,05 [Т{аРДЫМ0Н,
ПЫХ lОделеIr, в юро 18 8 9 0,5 0,62 19(7)
женнЫХ в мелв:озер 19 1.4 9 0,5 0,52
нпстыii песок (р ==
== 1,83 l'/см 3 , W==
== 0,2)
Рис. 5.1. Временная заВIIСIПIОСТЬ co
lIротивлеПIIЯ сдвпrу по поверхносп])[
смерзания металлических юделеii cBaii
разлпчных раз)шров с BepXOBЫ 1 cpeд
нераЗЛОlliIШIШПIСЯ торФш[. IIмеющпм
влажность, близкую к ПОЛНОll влаl'uеМ
KOCTII.
а е l, 5 0 С, б В 6 ?ОС 71
1 (1), 2,2 (!п, 3,33 (3), 1 (4), 1,875 (5) 18,75
(6) ,
140
'" а
:
4 2
3
2
2 б 10 14 18 22 26 t,ч
<t,1О 5 Па
tf
..
: =a
о 10 20 30 40 50 t,ч
141
\
'Ioro подобия (5.1) (5.2) ПрII испытании моделей вмороженных
сваЙ не соблюдаются. Выполнение этих условиЙ наблюдалось бы
в том случае, если бы период от начала заrРУ3ЮI до срыва моделеЙ
был одинаковым для rеометрически подобных моделеЙ при одной
11 той же удельноЙ HarpY3Ke и прочих равных условиях (одинаковый
материал моделеЙ, физические своЙства и температура rpYHTa). Как
можно видеть по данным мноrих авторов для минеральных rруитов
(см. табл. 5,1), а также по нашим данным, для торфа (см. рис. 5.1)
этот IIериод обратно пропорционален размерам rеометрически по
добных моделей, т. е. несущая способность меньших моделеЙ выше.
Рассмотрим известные решения, паправленные на выявление
зависимоСти осадКИ от напряжения, времени ero воздеЙствия п раз
ыеров сваЙ. Эти уравнения получены теоретически при рассмотрении
задачи о свае в осесимметричноЙ постаIIовке на ЭВМ методом конеч
пых элементов В. r. Федоровским [1972] в пределах ЛИIIеЙноЙ
зависимоСТИ осаДКИ s от наrрузки Р и 1\1. Э. СлепаКО I [1980] с уче
том пелинеЙности функции s == f(p).
По данным В. r. Федоровскоrо, завиСимость между осадками
сваи, наrрузкоЙ и размерами сваЙ имеет вид
s == Р [0,16 ln (l/d) + 0,17 0,24 t].'GI, (5.4)
rде s осадка сваи; Р HarpY3Ka; G модуль сдвиrа; 1 дли
на сваи; d диаметр сваи; t козффициент Пуассона.
Сравним интенсивность наrрузки в сходственпых точках BOK
I! 1 )
pyr подобных свай (модуль rеоиетричеСIшrо подобия п == I I == t-;,
при ОДИIIаКОВОllI значении относительноЙ осадки основаIIИЙ
(б == S/1L, rде h расстояние от торца сваи до точки, в котороЙ опре
деляется б). Решая (5.4) отпосительно р, ПОЛУЧШ1
Р == sGl/[О,1б ln(l/d) + 0,17 0,24 ].
Наrрузки, которые обеспечат равенство относительных осадок
rеометрически подоБIIЫХ сваЙ 1 и 2, будут равпы:
PI == бh I I I G/[О,161п(II/ d l) + 0,17 0,24 t],
Р2 == б/L 1 пI 1 пG/[О,161п(II'd I ) + 0,17 0,24 t].
И3 получеНIIЫХ вырааiений видно, что PI И Р2 связаны COOTHO
шением
Р2 == Pl п2 .
Если примем распределение напрюн:ениЙ только по бuковоЙ поверх
ности сваи, то наrрузки PI Il Р2 можно выразить слеДУЮЩИ I обраЗ0М:
PI == 'Т2лr I I I ;
Р2 == 'Т2Ю'I пI I ТI .
При восприятии УСИЛIIЙ боковоЙ поверхностью и торцом PI И Р2
будут равны:
?
Р 1 == 'Т2лr 111 + алr)';
? . l 2 2 2
Р2 == 'Т Л1 1 l п + алr1п .
Таким о(iра3ЩI, в обоих случаях Р2 == Plп Z ; следовательно, решение
(5.4) получено И3 условия, что равенство относительных осадок
в CXOДCTBeHHЫ точках rpYHTa BOKpyr подобных моделеЙ обеспечи
вается одинаковыми иаПРЮI.шшями в зтих точках. ТакоЙ же pe
зультат дает анализ решения, полученноrо М. Э. Слепа ком [1980]
для условиЙ неЛИIIеЙпоЙ зависимости осадКИ свай от наrрузки
(с учетом фактора ВрЮlепи):
s == I(PX/AP)I/mla, (5.5)
rде Х безра3111ерпыЙ коэффициент, заRИСЯЩИЙ от отношепия д,;ш
ны .; диа штру l/d 11 нарЮIeтра Iп, характеризующеrо нелинеЙность
связи меащу наПРЯiБения 1И: и деформациями; .4 параlllетр, aHa
лоrичпыЙ модулю сдвиrа, по для нелинеЙноrо закона; t OTHO
шение времени работы сваи к ero начаЛЬНОlllУ OTpI:J3KY, равному 1 ч.
При соблюдении ус.nовиЙ простоrо подобия параметры для reoMeTpII
ч ски подобных сваЙ ДОЛтIШЫ быть одинаковыми. Относительная
осадка б в сходственных точках определится:
б == (llп/1Llп) (-'шriп2х/Аliп2)I/m t a , (5.6)
rде lL расстояние до точки, в котороЙ определяется относитель
пая осадка. И3 уравнения (5.6) леrко JНщеть, что одинаковые OTHO
сительные осадки в сходственных точках вызываются ОДНJПI и тем
же напряжением 'т.
РаССМОТРIШ решение Р. М. ХафИЗ0ва [1972], ОПlOсящееся
к ОIIределению зависимости меrlЩУ СДвиrающпми наIIряжениями
по боковоЙ поверхности вмороженных сваЙ 11 их раз reраl\lИ;
't z == (P/sI) ( 1 + ko o/ktSI ). (5.7)
rде ko коэффициент постели, равныЙ F/O,79cl(1 t2); kt KO
эффициент сдвиrа, равныЙ 1/ul[P/s koFu]; ро площадь попереч
Horo сечения сваи; s осадка свап. Решая (5.7) для rеометричеСКII
подобных сваЙ, получим, что 't z по всеЙ I'лубине задеДКlI сваЙ в мерз
лыЙ трунт в сходственных точках одинаковы.
Таким обраЗ0М, все имеющиеся решения, устанавливающие
СВЯ3Ь МШl>ДУ деформациями и напрятт.еНJШ)lИ но боковоЙ поверхностп
сваЙ. получены n предполоа.еНПJ1 соблюдения условиЙ простоr[l по
добия. Это значит, что при заrружепии rеOlllCтрически подоБIIЫХ
сваЙ спла ПI одинакоnоЙ направленности и интеНСИВНОСТII напрн
жения п относительные дефОр IaЦИИ в сходственных точках подобных
моделеЙ долашы совпадать, IIериод вре.'l!Е'НII от начала заrРУiБетшя
До срыва подобных 1IlОделей, заrру;.\.енных одпнаковоЙ уцельноЙ
IIarpY3Koii, ДОЛfI>ен быть ОДНJПl И Te 1 а,е. Однако, как бы,тто IIоказа
но выше, опытные данные не подтвера;даlOТ указаННЫI:J заКОНО)lер
ности: lOдели малых размеров uб.тшдают повышенной удельноЙ пе
сущей способностью, причем это несоответствпе убывает с увеЛJlче
ннеы раюreров моделеЙ. Как отмечено Н. П. Салтыковым, влияние
на удельную несущую способность ДИЮlетра свай пеРl:Jстает еказы
ваться, коrда он превышает 20 см. Это IIuзволяет преДllОЛО;'I>ИТЬ, что
143
142
/
основным фактором, обусловливающим несоблюдение УСJIOJ}ИЙ прос
Toro подобия, является ыасштабный эффект. /
В теории подобия наиболее распространенное толкование Mac
штабноrо эффекта связано со статистической теорией прочности
хрупких материалов [Назаров, 1965]. Сущность 3ТОЙ теории за
ключается в следующем. Любой материал является неоднородпым
и в нем и:меются дефекты различной величины, ослабляющие ero co
противляемость. С увеличением размеров образца вероятность Ha
личия в He:\-I крупных дефектов возрастает, чем и оБЪИСIIяется СНИ
жент,те ero прочности. Установление количественной заВИСIJ IOСТИ
прочности образцоn от распредепеНIIИ дефектов представляет собой
слтJШУЮ задачу, поэтому при построеНИIJ статистической теории
прочности прибеrают к тем ИJШ иным упрощающим предпосы.'Iам..
Чаще Bcero дли КЮI-;доrо КOIшретноrо материала и раЮJeрОВ образ
цов, основываясь на статистической теории, выводят переходные
коэффициенты, ПО31.lOлиющие учитывать масштабный эффект.
Влияние масштабноrо зффекта при определении фПЗИКО Jeха
нических свойств rpYHToB отмечено К. В. Руппенейтом [1954].
IIспользуя решение Ф. С. ЯСIIнскоrо [1897] о распределешш Ha
пряжений в мелкозернисты те,:шх в зависимости от размеров зерен,
он показал, что rрунты удовлетвориют условии:м СПЛОШНОСТТl J[ Ha
значил ПlНlПIaльные размеры образцов некоторых видов rpYHTOB
для условий механических ИСIIытаний.
Нами сделана попытка наЙТII закономерность в распределении
дефектов по повеРХНОСТИl\I смерзания. На рис. 5.2 представлены reo
)lетрически подобные сечения, составленные из одинаковых KBaдpa
тов, длина стороны которых ПРШIЯта равной единице. Если допус
тить, что ослабление сечения происходит на стыке этих квадратов
JI за один дефект ПРИIIЯТЬ сторону TaKoro квадрата. то леrко убедпть
ся, что количество дефектов. прпходящихся на ед ПlПЦУ rеометри
ческой площадп сечении. с увеличением размеров сечения растет.
Так, из площади 2х 2 квадрата размещается 4 дефекта, т. е. на еди
ницу площаДИ приходится 1 дефект. При увеличетпш лпнейных раз
юров сечения в 2 раза на единицу площади приходится уже 1,5 дe
а
d
T: m +T
.::-ц.... 'i:j-
2..j + +i
t4I
. + , О О О @.
@. . '@ @ о о
о · '@О О о. f!d. ·
<O l 6.ri. @ o@ ·
1,5 O .. @, .
+ + @U@
8 з,6 .O Q.'Q .
I @ O @
5,44
Рис. 5.2. Примеры возможноrо количества дефектов (Д) в заВИСIIМОСТИ от
площади сечения (F) при различном модуле rеОll1етрическоrо подобlIЯ (п).
а схема ивадратноrо сечения; б схема крис а -ша льда.
144
\
фекта, Ь. при увеличеНИII в 4 раза 1,755 дефекта (рис. 5.2, а). Под
счет количества «дыр» (пространство, заключенное между беЛЫМII
и черными кружочками, изобра;.т ающими атомы кислорода и BOДO
рода) в схеме строеIIИЯ кристалла льда, заимствованной из работы
А. И. Китайrородскоrо [1977] (рис. 5,3, 6), также IIоказывает. что
с увеличением размеров площаДИ количество «дыр», ПРИХОДЯЩliХСЯ
на единицу ПЛощади, увеличивается: при условном диаметре по
верхности льда, равном 1,5, на единИЦУ площади ПРIIХОДИТСЯ 0,56
дефекта; при диаметре 3,6 0,69 дефекта и т. д. ТаКИl\I образом,
уменьшение сплошности сечения можно связывать не только с дe
ФеJ{тами, возникающи lИ в результате образованпи трещин, но, оче
видно, и с особеННОСТЯМII lIюдекулярноrо строения. Как в том, так
и в друrом случае ПРОСЛЮJшвается затухающий закон нарастания
количества дефектов, приходящихся на едиНицу площаДИ, при YBe
личепии размеров образцов.
На рпс. 5.3 даны rрафики зависи юсти количества УСЛОНIJЫХ
дефектов (опреде.1Jяе IЫХ по схеме рис. 5.2, а), ПрllХОДЯЩИХСН на
еДИНИЦУ площади. от МНО;'I-;ителя rеомеТРllческоrо подобия для fiOKO
вой поверхности свай квадратноrо сечения, коrда соблюдается
полное l'еометрическое подоБIIе (Ь п == пЬ 1 ; l п == пl 1 ) кри
вые 1, 2);
афитiное подобие ШПРIIна сечеНIIЯ (Ь) возрастает (Ь п == пЬ 1 ),
а длина сваи (1) остается постоянной кривая 3;
афинное подобие ширина постоянна, а ДЛJша увеличивается
(ln == nl1) криnая 4.
Все кривые иоказывают, что количество дефектов, приходящих
ся на единицу площаДИ, с увеличениеы множителя подобия увеJIИЧИ
вается, однако скорость этоrо увеличения затухает с ростом 11; при
этом влияние ширпны сечения сваи (диа тетра) сказьшается в боль
шей мере, чем длины. Это соrласуется с приведенными выше экспе
риментальными данными о несущей способности В ЮрОп",еJIНЫХ MO
делей свай (см. рис. 5.1), в частности, с выводом о том, что при диа
метре более 20 см раз тер .\-юдеЮI прак
тически перестает сказываться на удель
ной (отнесенной к еДПНJще боковоi'I по
верхности) несущей спос.обпости [Сал
тыков, HJ59; Вялов, 1959].
Несмотря на то, что rрафики,
представленные на рис. 5.4., отобра;.J",а
ют зависимость условных дефектов
от множителя IIодобия, характер этой
l'
I
Рис. 5.3. Зависимость количества дефектов,
нриходящихся на едиНIЩУ илощаДII (Д / F),
от множителя Ilодобия lOд()леlI.
1 для боиовоЙ повер,ности при ПU, НОi\! подобии
МDде.ТIеЙ; 2 ДO-;:IH поперечноrо С{'I.Iения при полнОI\I
подобии модезей; 3. ДJЯ боиовой поверхности при
неполном подоБИl! (меняется радиус, ДЗlIна остается
постоянной); 4 для боиовоЙ поверхности при по
стоянном диаметре и меняющеiiся длине.
10 Л. Т. Ром3!Н
Д!F
1.8
3
1,6
1,4
1,2
о
2
л
4
14!)
м кривоЙ
на р][С. 5.
Вид подобных поверхностей
а
ПРII.llОil-.:сиин lШl'рУ3!Н! 11 II MO I('lIl' ра:IРУIlICIIИН:
В ( ::)l/ Х , (5.9)
rде (J)r == (РО + Fr)IF степень поврежденности в момент разру
шения; (J)o == Folp степень поврежденности до заrрузки; Рт
площадь дефектов, образовавшихся в процессе работы rpYHTa от l\Ю
мента приложения наrрузки до разрушения; РО площадь, заня
тая дефектами до заrрузки; Р общая (rеометрическая) площадь
боковой поверхности модели.
Этими же исследования ш было показано, что степень повреi-К
денности в мо:мент сдвиrа (разрушения) (J)r для данноrо rpYIITa при
одной и той же те шературе является постоянной величиной. Сле
довательно, для всех IIодобных моделей МОЖНО записать
(P 01 + P rI )IP 1 == (Р О2 + P r2 )IP 2 == (Ро; + РТ;)/Р; == const. (5.10)
ТаКИ 1 образом, числитель в уравнении (5.9) для всех моделей яв
ляется постоянным, меняется ЛIIШЬ зна!\lенатель. Так как исходных
дефектов в большей модели больше, то и степень повреа.;деННОСТII
для нее до приложения наrрузки больше. Отношение неповрежден
ной площаДИ сечения в момент разрушения к rеШIeтрической ДJJИ
данноrо rруита является постоинной величиной:
Значение napal\leTpa а
т а б л и ц а 5.2
I
1
2
3
4
БOIшвая поверхность сваи при Ь N b I II; ln /1111
Н:вадратное сечетlе
Бuковая поверхность сваи при 1 const, Ь N Ь 1 п
БОIшвая поверхность сваll при Ь const, In II п
0,25
1,0
0,20
0,10
заВIIСИМОСТИ остается справедЛIШЫМ для любоrо количества дe
фектов, ПрIIХОДЯЩИХСЯ на единнцу площаДИ, т. е. изменится толь
ко масштаб. Поэтому полученные rрафики MorYT быть ИСIIОЛЬ
зованы для выявления зависимости фактпческоrо количества дp
фектов от МНОiI,штеля подобия, при этом ИСХОДНЫМ параметром яв
ляется количество дефектов, приходящихся па единицу площаДП
первой модели (ДI/ P 1 ). Нами сделана попытка подобрать уравнеппе,
справедливое в общем виде дли всех представленных rрафиков.
Наиболее соответствующим оказалось следующее выраi-кение
, 211 1 а
Д"IР" (ДI/ Р l) \ ) ,
(5.8)
[Р (Ро + Рт) ]/p == const.
(5.11)
rде Д nl Р n количество дефектов, приходящихся на единпцу пло
щаДИ большей модели с множителем подобия n: Д1IР 1 количество
дефектов, приходящихся на еДlIJlИЦУ IIлощади модели с мпожителе:\!
подобии п == 1; а безразмерпый коэффпцпент, зависящий от
ВИДа подобных I'оверхностей (таБJJ. 5.2).
Кривые рис. 5.3 раскрывают только общпй характер завпсп
:мостп количества дефектов от штI-,:ителя подобия, по не дают воз
l\ЮЖНОСТИ определить площадь дефектов. Задачу :моделирования
l\ЮiЪ:НО считать разрешенной в том случае, еСЛII мы cMollieM опреде
лить площаДЬ повреi-I.;денности по IIоверхности смерзания моделей
свай с rpYHToM. Это позволит для каiRДОЙ модели рассчитать факти
ческое наПРЯiI{CIше ." приходящееся на «СШIOшную» (без дефектов)
поверхность смерзания. Ero величина в момент сдвиrа для юделей
любых раЗ lеров ДОЛiI-.:на быть одинаковой IIрИ прочих равпых yc
ловиях.
П римеЮВI к оценю: СВЯЗII количества цефектов и l\ШОi-I-':ите,пя
подuбия теорj[ю длительпоrо разрушения rpYHToB, разработанную
С. С. Вяловым И Р. В. МаКСИ!\1ЯК [Вилов, 1973] на основе исследо
ваниЙ на шкроскопическом уровне заКОIIО lерности развития по
nреа.;деНIJОСТИ rpYHTa при ero деформации и разрушении. Этими ис
следовапиямп было, в частности, устаповлено, что параметр В в
уравнеНИII длительной прочности .дл == B/ln при рассмотреIIПП
сопротпвления сдвиrу по боковой поверхности Вl\Jорожепных свай
характеризует повреiкденность rpYIITa по площади с юрзапИя до
146
Так как до заrрузки в большей модели дефектов па едппицу площаДИ
больше, то чтобы соблюдалось постuянство ОТIIошения (5.10) и (5.11),
большая модель в процессе работы от начала заrРУЗЮ'1 до разруше
ния должна приобрести меньше дефектов, т. е. ее разрушение Ha
ступит быстрее. Это еще раз IIодтверlliдает ВЫВОД о влиянии lI1ас
штабноrо эффекта на несущую СIIособность ВlI10ро;.nенных :моделей
свай. Разработка практически ДОСТУПIIоrо способа учета дефектов
выполнялась нами на оспове зависимости параметров в уравнеПlllI
длительной прочности от степени IIОВРЮI{депности.
ОТ Ieченная выше связь параlllетра В со стеIIенью ПОВр iБден
ности до прило;.nения наrРУЗКII 11 в момент разрушения (уравнеIIие
(5.9)) получена С. С. Бяловьш [1978] путем сопоставления ypaBHe
ния длительной прочности, вьшеденпоrо IHl из условпй кинетической
природы развития дефектов структуры, с ЭМIIирическим ypaBHe
ниеll1. Используя такой же подход, мы получили выражение связи
степени поврежденности с параметром e в ЭМПIIрическом ypaBHe
нии длительной проqности мерзлых ТОрфЯIIЫХ rpYIIToB (см. rл. 4,
уравнение (4. 9)).
Как было показано в rл. 3, с целью проrIIоза Д.тштельноrо co
противления сдвпrу по поверхностям СlllерзаНllЯ с rpYH rами неболь
той заторфоваНIIОСТИ (J OT < 0.3) ПРЮIeШВЮ уравнение длительной
прочности, полученное С. С. Вяловым для минеральных rpYHToB
.дл == B/ln(tp/B). Зависимость 1/. 19. для таких rpYHToB, как
и для минеральных, линейна (рис. 5.4). Для случая справедливости
этоrо уравнения нами рассмотрена ВОЗМОiI{НОСТЬ рассчитать степепь
10*
147
12
8 4
о
4
8 7gt,c
Критическuе значение .сп (т. е. то значение наПРЯFI,ения, при
котором ПрОИСХОДIIТ сдвиr), приходящееся на единицу площади
смерзания без дефектов, будет одинаковым для всех моделеЙ сваЙ,
незавиСимо от пх размеров. ТаКИ 1 образом, заВИСИlllОСТЬ 1/.[ ==
== f(ln t) (t время от начала заrрузки модели до срыва, а .[
напряжение, приходящееся на единицу rеометрическоЙ площади)
выражается для каihДОЙ модели сваЙ прямоЙ 1/. сп == f(ln t), общеЙ
Д.'lя всех подобных моделеЙ при IIрОЧИХ равных условиях.
Как IIоказали исследования [KoHoBa.тroB, Роман, 1975б], пря-
мые 1/. == f(ln t) для подобных моделеЙ имеют общиЙ полюс, абе
цисса KOToporo зависит от ВИДа rpYHTa и температуры (см. рпс. 5,5).
Зависимость 1/. сп == f(ln t) таКп,е ДОЛFI.на выходить из этоrо полю
са, так как в противном случае не будет обеСIIечена ее единствеlI
ность для подобных моделеЙ. Параметр Всп для даНIIОЙ прямоЙ MO
а.ет быть наЙден из СООТIIошения В J Всп:
(BJBcn)k == (1 шосп)/(1 Шoi)'
== О, так как прямая 1'.сп == f(ln t) ОТIIОСИТСЯ к по
дефектов, ПОЭТОМУ
(BI1Bcn)k == 1/(1 Шoi),
(5.18)
1/.,; '105 Па
о
3/
/.
.
/"'. I 2
· "/"'"1
А."/"
/'" .;:: ... СП
/ ......-'"" .
-::::- :::::-----.
Рис. 5.4. Зависимость 1/'1: 19 1,
полученная при продавливаНI1И Me
таллических моделей cBaii, BMOpO
женных в заторфованныii песUl{
(J от 0,05; е 6,20C).
1 <1 номера моде,1lеЙ; СП условная
моде..ь с бездефеитноЙ поверхностью CMep
зашш. Модель 1: d т= 1,1 C I, 1 8, 11
1, модель 2 соответственно 2, 2,15,
1,875; мuдель <I 22, 150, 18, 75.
0,4
0,2
.....-:
4--
.-:;::;-
I10врежденности lIIоделеЙ по величипе параметра В. ДЛЯ rеометрп
чески подоБIIЫХ 1IюделеЙ (1, 2, 3...), ЮlOроженных в одинаковыЙ
rpYHT, В можно соответственно выразИть в виде
B 1 == [(1 (J)r)/(1 (J)OI) ]1/Х;
В 2 == [(1 (J)r)/(1 ШО2) )1/)(; (5.12)
ВЗ == [(1 (J)r)/(1 Шо;) )1/1<.
Взяв соотношение B1IB i , ПОЛУЧIПI
(B 1 IB i )k == (1 (J)oi)/(1 шы),
Величина Шосп
верхноети без
(5.19)
(5.13)
откуда
ШО1 == [ ( : ) k 1 ] / l ( : ) k Сп п 1 ) а ]-
ln В сп == ln В ; + ln(-l (J)oi)lk. (5.20)
ТаЮПI обраЗШI, испытав две IIодобные lIIодели. 1IlOa.eM опреде
.тrить положенне полюса и ln В сп , построить зависимость 1/.f'П ==
== f(ln t), по котороЙ, пользуясь приведеННЫl\l выше урюшеШIe 1
длительноЙ прочности С. С. Вялова, рассчитаем .СП.дл' Длительная
прочность СДlllIl'а моделеЙ, подобных испытанным, ВЫЧIlСЛIlТСЯ по
формуле
Учитывая, что для подобных моделеЙ заВIIСШ,lOСТЬ отношення пло
щаДИ дефектов к общеЙ площади выраrI.ается уравнение 1 (5.9), 1I1O
ЖЮI записать связь между ШО в rеометрически подобных моделях
ШО; == ШОl[(2п 1)ln a ]a. (5.14.)
Подставляя (5.14) в (5.13) и решая уравнение относительно ШО1, по
ЛУЧIВI зависимость степени повре;-l.деННОСТII от параметров B 1 , В п :
(5.15)
.дл.[== .сп.д,,!(1 (J)Oi),
(5.21)
Такн)! образом, ОIIределив экспериментально параметр В для двух
rео:метрпчески подобных моделеЙ, 1IIOffiHO рассчитать повреждеп
ность одной из IIИХ, а затеlll по (5.14) ВЫЧIIСЛIIТЬ поврежденность лlO
боЙ подобноЙ lIIодели,
Показатель степеНII k для даНIIоrо вида rpYHTa и температуры
постоянен. Ero 1I1OJ-IШО опреде.тrить, используя ураnнеНIIЯ (5.15),
приравняв ДРУI' к друrу ШО1' вычисленные по значению параметров
В для трех подоБIIЫХ моделеЙ, соответственпо по значениям B 1 В 2
И В] Вз. По lIеJIИЧIlне (J)OI леrко ОIIределить сплошную, не повреfl.
денную дефекта IИ, ПJIощадь F сп этоЙ модели:
F сп == F 1 (1 ШО1)' (5.Ш)
НаПРЮI,ение .сп> приходящееся на ЭТУ площадь, будет paBIlo
1(1 ) \ "; .1 ')
.сп ==.1 . (J)OI , U
rде .1 напряжеНIIе на rеомеТрIIческую площаДЬ боковоЙ поверх
ности 1IIOдеJIИ 1.
rде ШО; степень поврежденности i Й 1I1OдеJIИ.
При расчете поврежденности моашо ИСКJIЮЧIIТЬ необ\:одп:.IOСТЬ
нахождения парюютра k, если ИСIIользовать длитеJIыIеe СОПРОТIlВ
дение сдвиrу двух подобных моделеЙ .1 и .2' Величина .сп опреде
ЛIIТСЯ:
.сп == .1/(1 (J)OI) == .2/(1 (002)'
(5.22)
Выражая Шn2 через (J)OI соrласно уравнению (5.14) и реmая по
лучеНllое соотношение относительно (J)OI, получим
'1:1 '1:2
(J)
01 [(2п 1)/п а ]" '1:1 '1:2
(5.23)
ТаКИ 1 образо]\[, определив длительное сонротивление сдвиrу
для двух подобных моделеЙ, 1IIOrheM рассчитать степень повреп,ден
ности одноЙ из IIИХ, зате]\[ по (5.14) вычислить повреащенность l\1O
делей при любо]\[ модуде rеомеТРIIческоrо подобия, в то]\[ числе и
свай натурпых размеров.
148
149
Рис. 5.6. 3авпсшюсть 19 .. 19 t для Moдe
леЙ разлпчных раЗ IeрОВ при соблlOДСНIШ
афllнноrо подобllЯ. 0,4
а ддина модели постоянна; б диаметр модели
постоянныЙ (rpYHT торф; 8 6,20C). d и 1 (см)
соответственно модель 1 1,1 и 8, модель 2 О
6 и 8, модель 3 2,2 и 15, модель 4 2,2 и 3. 12 8 4
Полученное решение подтверждается экспериментальными дaH
ньши (см. рис. 5.4). Так, за IIериод времени 19(t, с) == 4 сопротивле
ние сдвиrу для первой модели Тl == 7,7.105 Па, для второй Т 2 ==
== 6,6.105 Па, тоrда начальная поврежденность первой модеШl, BЫ
численная пп (5.23), составит
<U 01 == 7,7 6,6 == О 37
[(2.1,875 1)/1,8750,25]0,25 Х 7,7 6,6 ,.
Сопротивление сдвиrу для этоrо же l\lОl\юнта времени (lg(t, с) == 4)
по УСJlOВНОЙ «сплошной» поверхности, не имеющей поврежденности,
независимо от размеров моделей (Т сп ) определится по (5.22):
Т сп == TI!(1 <UOI) == 7,7/(1 0,37) == 12,22.105 Па.
0,4
о
12 8 4
о
4 7gt,c
Рис 5.5. 3аВllСШЮСТЬ 19 1: 19 t для подоб
ных моделеЙ свай (1, 2, 3) II УСЛОВНОII модели
с бездефектноЙ СПЛОШНОII поверхностью CMep
зания (СП) (е 0== 4,50C). Модель 1 d 0==
0== 2,7 см, 10== 3,6 см, п 0== 1; модель 2 co
ответственно 6, 8, 2,22; модель 3 9, 12,
3,33.
Зная Т сп И <U оз , можем определить Тз за то же время (lg(t, с)== 4):
Тз == 'L сп (1 <Uоз) == 12,22(1 (),75) == 3,03.105 Па.
Полученное значение ТЗ весьма близко совпадает с опытным.
Так, соrласно рис. 5.5, для третьей модели при 19(t, с) == 4 Тз, опре
делепное экспериментально, равно 3,15.105 Па.
Обработка опытных данных для моделей, вмороженных в торф
и заторфованные rpYHTbI (ПрII J om > 0,3), в лоrарифмических KOOp
динатах показала, что rрафИЮI 19 Т 19 t, соответствующие по
доБIIЫМ моделям, линейны и имеют общий IIОЛЮС, т. е. отличаются
только параметром (рис. 5.5, 5.6).
Расчет IIоврежденности по поверхностям смерзания в этом слу
чае может быть выполнен на основе IIолученной намы ранее зависи
мости от повреilщенности (см. уравнение (4.29». Так как для всех
1 1 00
подобных моделей в выражешш 'v === ln при прочих раn
Х 1 ОО р
ных условиях (ОДlшаковом виде rруита и ero физических свойствах,
температуре) параметр Х и IIоврежденность в момент разрушения
<U p должны быть одинаковыми, следовательно, отличие в значении 'V
для подобных моделей обусловлено только единственным парамет
pOl\I начальной поврежденностью <Uo.
Используя уравнение (4.29), l\lOit;el\I определить 'Vi для каiIЩОЙ
из подобных моделей (1, 2, 3) по опытным зпачениям Т и e:
'V === Ви ln ( 11 а о , (5.24)
При этом аналоrично тому, как это было принято для параметра 8,
можно записать:
о
41gt,c
1 1 0001
'V 1 == x ln 1 00 '
, р
1 1 0002
'V === ln 1 "
х ОО р
1 1 ОО оз
'V з === ln .
х 1 ОО р
Если возьмем отношеIIие параметров для двух IIодобных Moдe
лей, то получим
(5.25)
'V 1 (1/Х) ln [(1 (001)/(1 ОО р )]
'V 2 (1/Х) ln [(1 (002)/(1 (й р )]'
И::IИ, сокращая, будем иметь
'Vl/'V2 === (1 <UoI)/(1 <U02)'
(5.26)
(5.27)
ПодсташIВ вместо параметров 'VI и \'2 их значеппе, рассчитанное co
rласно (5.24) для различных моделей, получим
Начальную lIовреiкденность третьей модели моашо рассчитать по
формуле (5.14):
<UOI == 0,37 [(2.18, 75 1)/18,750,2-5 ]0,25 === 0,75.
150
IaI ln (а о /а 1 )
=== ( 1 <U )/( 1 <U )
2a21n (а о /а 2 ) 01 02
(5.28)
151
или
<UOI)/ (1 <U02)'
B.tB2 == (1
ТаНИIII обраЗ0М, параметры В для подобных модеш й относятся нан
степени их повреilщенн.сти. С учетом вырашения (5.14), устаНaI!ЛИ
вающеrо связь между IШ-'ШЛЬНЫllIИ поврежденностя ш двух подоб
вых моделей 11 lIШОiюпелем подобия, найдем уравнение для расчета
начальной повреп,ценности первой модели
1 (001
BI/Bn == (001 [(2п 1)jn,,]a '
отнуда
1
%1== .
I/ п [(2п 1)jn Q ]a + 1
(5.29)
Дальнейший ход рассуждений остается аналоrИЧНЬНI ТЩIУ, ню, это
было припято при ИСПОЛЬЗ0вании параметров В для нахоащения
поврежденности: зная понрежденность первой модеЛII по (5.14),
леrно найти поврежденность любой модели, определпть 'сп И по
(5.21) рассчитать длительное сопротивление сдвиrу любоЙ модели.
СОIIоставление опытных и вычисленных значений . поназало
их хорошую С ОДИ1ll0СТЬ. Тан, по данным, представленным на
l
рис. 5.6, BI==10; В2 == 1,8; <U 01 == 10 2.2,22 1 ] 0.25 == 0,27.
4.s l 2,220.25 + 1
Для 1I1ОlIшнта времени 19(t, с) == 4 . == 6,7.105 Па: тоrда 'f'п ==
== 6,7/(1 0,27) == 9,2.105 Па. Поврежденность по поверХНОСПl
смерзаIIИЯ третьей модели вычислится по (5.14): <UO == 0,27[(2х
х 3,33 1)/3,330,25 ]0,25 == О,4; Torдa на тот же период времени
19 (t, с) == 4, 'з == 'сп (1 <Uo:;) == 9,2(1 0,4) == 5,5.105 Па. Опыт
ное значение 'з равно 5,01.105 Па.
Таним: обраЗ0М, незаВИСИ1ll0 от способа обрабоТIШ опытных дап
ных и вида уравнения длительной прочности, испытание двух по
добных моделей позволяет определить 'сп И IIовреilщенность при лю-
б01ll lIIНоа,ителе подобия и затем рассчитать СОПРОТIШJlение СДВИI'У
для моделей любых размеров. Хорошее совпадение опытных данных
свидетельствуf'Т о справедливости преДЛОiI-,еНlIоrо нами УСЛОВIIЯ по
добия, исходящеrо И3 толнований lIIасштабноrо эффента в стаТIIСТl1
чесной теории прочности хрупних материалов и справедливости BЫ
веденноrо нами уравнения (5.23), устанав.пивающеrо связь меiБДУ
наIIряжением и IIовреiIщенностью по повеРХНОСТЯ;\I смерзания. С Ta
них позиций вопросы подобия работы свай в мерзлых rpYHTax pac
с штриваются впервые. Полученные решения имеют важное пран
ТIIчесное значепие, тан нак позволяют по данным испытаний Moдe
лей определить несущую СIIособность свай натурных размеров.
152
I
5.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНIIЮ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАll
В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ rpYHTAX ИСПЫТАНИЕМ МОДЕЛЕll
Как известно, натурные испытания свай ТРУДО8l'.ши
и требуют устроЙства сложных заrРУЗ0ЧНЫХ приспособлений. В CBH
3И С этим прпобретают прантичеСКIIЙ интерес испытания пнвентар
ных 1lОделей.
РеномендаЦIIП по ВЫIIолнению TaKoro испытания и по расчету фaI'
тичесной несущеЙ спосоБНОСТII сваЙ MorYT быть разработаны на OCHO
ве полученных нами результатов :исследованиЙ условиЙ подобия
работы моделей, Вl\10рошенных в мерзлый rpYHT. ,l\'Iетодина испыта
ний СВОДIIТСЯ к СJlедующему.
1. НеоБХОДII)1O одновре;ненно выполнить параллельные испыта
ния в натурных условиях инвентариой модеJlИ, сечение ноторой мрпь
rnе, а длина равна мансималыIйй преДIIолаrаемой длине сваи патур
ных ра3111еров, п в лабораторных условиях неснольних подобных
lIIоделей для харантерных слоев rpYHTa и ero температуры. Форма
сечf'НИЯ и материал моделей должны соотпетствовать натурным CBa
Яl\I. Как оптимальный вариант, можно реномендовать для натурных
испытаний mелезобетонные нвадратные сваи сечением 15х 15, дли
пой 10 м.
2. Методика испытаниЙ натурных моделей и схема их заrру
З0чноrо УСТРGйства должны быть такиr.НI же, нан и ДЛЯ обычных
свай (в соответствии с «Руноводством по полевым испытаниям свай
в вечномерзлых rpYHTax>) [1979]). При этом появляется В03 ЮFI,НОСТЬ
ШИрОIЮ ИСIIО.'1ЬЗ0вать заrРУЗ0ЧНУlO ПJlатформу и отназаться от более
трудоемной установни аннерных свай, тан нан HarpY3Ka на модель
в 3IIачительной мере меньше, чем при испытании сваЙ натурных
размеров.
3. Технолоrин установни натурных моделей должна COOTBeTCT
вовать предус)ютрerшой проентом для рабочих сваЙ. Диаметр CHBa
жины при буроопуснном СIIособе поrружения или диаметр оттаян
Horo п;плиндра rpYHTa следует задавать с учетом модулн rеометри
чеСНОI'О подобия. Необходимо ВЫIIОЛННТЬ обсадну !IIоделей на rлу
БИIIУ слоя ce30HHoro оттаивания, а танже предусмотреть установну
теРМОll1етричесних снважин.
4. 3arpY3Ka l\Iоделей, проведение испытаний и определение пе
сущей способности производятся таним: же обраЗ0М, нак и для сваЙ
натурных размеров.
5. Выделяется несущая способность моделей, приходящаяся
на торец (фт) и боновую поверхность (Ф П )
Ф == Ф Т + Фп; Ф!ФТ == 1 + Фп/Ф т == 1 + RсмFп/RF т ; (5.30)
Ф Т == Ф / ( 1 + ); (5.31)
Ф П
Ф ФТ,
153
rде Ф общая IIесущан спосuбнuсть МЙДСШ[; с == Р) Р т ; (l == J!......;
Л СnI
F n площадь боковоЙ поверхности; р т площаДЬ торца; R
расчетное давленне на иерЗJIЫЙ rpYHT под ниашим торцом сваи
(СНиП II 18 76); RCM расчетные СОIIротивления l\Iерзлоrо rpYH
та сдвиrу по IIоверхностям смерзания (по СНиП II 18 76). При опре
делении d те шература задается равноЙ таковоЙ под торцом модели.
Выделяются слои rpYHTa, характерные по ФIlзичеСЮIМ своЙстваи
11 температуре, ДJIЯ которых распределяется доля песущеЙ способ
ности Фпi пропорционально расчеТНО:\IУ значению, полученному по
СНиП II 18 76.
6. По значениям Фт и Фпi рассчитываются опытные величины
сопротивления rpYHToB сдвиrу по боковоЙ поверхности для xapaK
терных слоев rpYHTa II ero температуры Ti, а также давлеНIIЯ под
торцом а:
сущую ('IIO('OrillO('Th:
ют == ю .А т ,
(5.38)
(5.39)
(5.35),
(i)ni (O i. Ani-t
ю == (аЛ аН)j(Ата Л аН),
(5.33)
(5.34)
rде A ni и А т параметры, рассчитываемые по формуле
прп этом МНО;.Битель IIодобия п равняется п == bJb.
11. По условноЙ несущеЙ способности по боковоЙ поверхности
и торцу степени поврешденности для сваи патурных размеров опре
деляется сопротнвление сдвиrу для условиЙ кал,доrо слоя rpYHTa
и СОIIротивлеНIIе нормальному давлению ПОД торцом:
Ti == Т у (1 Юni), (5.40)
и т == а у (1 ют), (5.41)
12. Несущая способность свап натурных размеров определится:
Ф == L.TiFni + итР т . (5.42)
13. Если модели сваЙ испытаны в однородных rpYllTax, то 1I1ОЖ
но дпфференцировать Т в завиСИМОСТИ от температуры. Рассчитан
ная по (5.40) величина Ti является осреднеНIIОЙ в выделеНIIОМ слое
заделки сваи и соответствует среднему ЗIIачению сопротивления
сдвиrу при среДIIей температуре этоrо слоя па IIериод испытания.
Температура, при котороЙ получено значение и, соответствует Ta
ков оЙ па rлубине заделки торца модели в период ИСIIытаниЙ.
14. 3наченпя Т и и при друrих температурах II влажности, БЛIIЗ
кой К полноЙ влаrоемкости, 1I1OrYT быть вычислеIIЫ по формулам:
а) для мннеральных rpYHToB на основе установленноЙ С. С. Вя
ЛОВЬВl линеЙНОСТII зависИМОСТИ Т V 181 :
Ты == Те To(V 1 8 1 V\ 8 i l ),
ио( V 18\ V I8 i \);
ае i == ае
б) для торфяных rpYHToB на оспове
r
ноЙ завиСПllIOСТП Т JI е (см. rл. 3):
(5.43)
(5.44)
Ti == ФпJF пi;
а == Ф /Fта
(5.32)
7. В лабораторных условиях выполняются испытания Moдe
леЙ, rеометрически подобных участкам натурноЙ lIIодели, раСIIОЛО
женным в IIределах каждоrо слоя (dн/d л == l'Ji/lл == п). Материал
:моделеЙ для лабораторпых испытаниЙ, своЙства rpYHTa II ero TeM
пература ДОШБНЫ соответствовать таковым при полевых испы
таниях.
8. По данпым испытаниЙ рассчитывается начальная повреш
депность по поверхноети смерзания для каждоrо xapaKTepHoro слоя
rpYHTa и поврежденность площади опирапия торца:
ю i == (Tf Tr)/(AnTf T );
rде А n и А т параметры, ВЫЧIIСЛЯЮlые для боковоЙ поnерхности
и торца по формуле
установленноЙ нами ЛИIIеЙ
А == [(2п 1)/п а ]а,
(5.35)
Tei == Те то (}/ I 8 I } /1 8 i 1 ),
<Jei == ие и е (t I е 1 У \ 8 i 1 ),
(5.45)
(5.46)
rде п МIIOJъ:итель подобия п == ЬН/Ь Л ; Ь ширпна сечення MO
де.тIеЙ сваЙ; а показатель степени, принимаемыЙ в зависи,\IOСТИ
от характера подобия (см. табл. 5.2).
9. Определяются условные значения сопротивления rpYHTOB
сдвпrу по боковоЙ поверхности и СОIIротивлеIIИЯ давлению под TOp
цом для случая, коrДа поврежденность ПОЛIIОСТЬЮ отсутствует и раз
меры сваЙ пе оказывают ВЛIIЯНИЯ на эти характеристики:
Ту == Т Л /( 1 ю ),
и у == a<J./(1 ю ).
(5.36)
(5.37)
rде ТО и ао (МПа) парас.I8ТРЫ, зависящие от вида rpYHTa. Вычислен
ные по экспериментальным данпым СНиП II 18 76 зависимости то
и а о от заторфованности приведены на рис. 5.7.
П редлаrаемая методика определения несущеЙ способности сваЙ
по данным испытаНIIЙ rеометрически подобных моделей проверена
Б лабораторных условиях. Опыты выполнены намн совместно
с 1\1. Э. СлепаКОl\l, RОТОРЫП использовал опытные данные для про
верки методики расчета осадки сваи. Испытывались железобетонные
модеЛII (табл. 5.3). Модели диаметром d поrружались на рабочую
длину 1 в rpYHT, НЩI8щеIIНЫЙ в металлические цилиндрические eы
155
10. Рассчитывается повреfIщенность боковоЙ поверхности и TOp
ца сваи натуриыХ размеров, для котороЙ неоБХОДИlllО определить He
154
ба] МПа а 7:01 МПа б
2,0
1,8
Ц2
1,6
о
Ц4
Ц6
Ц8 :Тот
о
2'1
WJ 72
р 2700
96
120
1'1"
168
192
216 (,"
0.2
1
р 52Ю
f Р 770Н
" P=9 О Н
3 P=6550 ; б Р=8"90 Н
0,1
0,3
ЦI
О
s,,,,,,,
48 :Тот
46
44
Ц2
Рис. 5.8. Зависи)IОСТЬ осадКИ lОделеЙ сваЙ от веЛИЧIIНЫ и врю[еНII воздеiiСТВIIЯ
наrрузки (1, 3, 4, 6 номера моделеЙ соrласно табл. 5.3).
Рис. 5.7. 3ависш1ОСТЬ пара
метра а о (а) I1 '1:0 (6) от затор
фованностп для заторфован
ных rpYHToB:
1 песчаных: 2 I'ШШIIСТЫХ.
rpYHTaX») [1979] и сраВНIIвалась с вычпсленпой по прпведенной
выше меТОДИRе.
Тип l\'Iоде.сIИ Ф OII . JOH Ф расч ' 10Н Ошибиа, %
3 3 06 3395 o 3
6 3575 3615 +1;0
Расчетные данные веСЬ),la БЛИ3RИ R оиытным. Это еще раз подтверж
дает принятое ПОЛОiнение о том, что основной причиной заВIICIВШСТИ
удельной несущей способности вмороа;енпых свай от их размеров
является масштабный эффеRТ.
Результаты испытаний двух подобных моделей позволяют опре
делить несущую способность свай натурных размеров, для ноторых
соблюдается условие полноrо rеометричеСRоrо подобия. Расс),штрим
ПрIПШр TaRoro расчета для двух свай: сван 1 имеет рабочую дли
ну 1 == 300 см; диаметр d == 30 см; свая 2 1 == 400 см; d == Ю см.
Для УRазанпых свай выполняются условия полноrо rеО1\1етричеСRоrо
подобия с l\lОдеЛЯl\Ш 4 и Ij (см. табл. 5.3), по отношению R l\шделп
4 они имеют l\lНожителп подобия соответственно равные 15 и 20 (табл.
5.4). Выделяем несущую спосоnность моделей, приходящуlOСЯ на
торец (ФТ) и БОRОВУЮIIоверхностьФ п , Фт==Ф/ (1 + d C R } Фп==Ф Фr,
т а б л II Ц а 5.4
IЮСТИ. Радиус Ю1RОСТII и расстояние от ее дна до торца моделей paB
пялись 5а. rpYIIT отобраII в IIойме р. Лены и представляет собоЙ cy
песь с ВRЛlOчепием растительных остатнов. Замораживание и пспы
тание .осуще JВЛЯЛИСЬ в подземноЙ лаборатории при темнературе
4,4 "'7"' 4.' С. HarpY3Ra IIриюшдывалась стуIIенями с по),шщыо
ДOMHp Ta. Осадна моделей замеря,тшсь ИIIДИRатораМlI часовоrо типа
с ценои деления 0,01 мм. Каждая ступень HarpV3KII вьщеРЖIIвалась
до условной стабилизации осаДRИ. за ROTOPYI принималась CHO
рость осаДRИ, равная 0.02 мм/сут. rрафики зависимости осаДRИ от
времени IIрИ RаiIЩОЙ ступени наrрузки даны на рис. 5.8. Предель
ная несущая СIIособность моделей определял ась по опытным данным
соrласно «Руководству по полеВЫl\l испытаниям свай в веЧНОl\1ерзлых
Размеры моделей сваи
т а б л 11 Ц а 5.3
Тип l\10де Диа lетр Рабочая :Множи \множите.'1Ь афинноrо
те.,ь по.;r подобия
;JИ d, см Д.11ина Horo по--
1, см добия 11 I I
111 111
1 2 12 1 1
3 6 36 3 1
4 2 20 1,67
6 6 60 1,67
Результаты расчета несущей спосоБНОСТII свай по данпым
IIсиытаНIIЯ l\lОделей
Тип модели d, см 1, см \Ф оп , 10Н I Ф расч '
11 свай n
10Н
!\IодС'ль 4 2 20 1 556
Модель 6 6 60 3 3575
Сван 1 30 300 15 42 877
Свая 2 40 400 20 68719
157
156
:моделей;
5.4. УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ
ЭКВИВАЛЕнтноrо СЦЕПЛЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ
ТРУНТОВ СФЕРИЧЕСКИМИ ШТАМПАМИ
Исследование влияния размеров сферическоrо шта l
па па величину эквивалентноrо сцепления для минеральных rpYHToB
выполнялось С. С. Бяловым [1959]. Сопоставительными испытания
1\IИ супеси при температуре 1,40c штампами диамеТРШI 14,3; L5;
60,5 мм показана инвариантность величины длительпоrо сцепления
по отношению к диаметру штампа, но при этом отмечается, что для
оценки прочности мерзлых rруитов, содержащих ледяные ВК.'Iюче
пия, следует применять штампы достаточпо большоrо размера.
Для 1\Iерзлых торфяных rpYHToB, как обладающих значитель
пой льдистостью, выявление влияния масштабноrо фактора имеет
большое практическое значение, так как позволит не только назна
ЧIIП, оптимальные размеры ШТaJ\ШОВ, но и определить возможность ис
,ЮЛ "зопания rOCTa 21048 75 па методику определения эквивалент
11111'0 СI епления, который на торфяные rрунты не распростра
IIHPH'H.
С :IТОЙ целью нами выполнено пспытание мерзлоrо BepxoBoro
IШl\lилскспоrо торфа при температуре 4.20C сферическими штаlllпа
11111 различных ДИЮJeТРОВ (d 18; 22; 36; 220 мм). Нarрузка
на штамп задавалась кратной квадрату множителя подобия (п
(L/d,). Характеристики основных фпзических свойств образцов
составляли Р 1,05 r/cM 3 ; ш 3,6: Рв
1,51 r/c1ll 3 ; D 15 %. rрафшш C t
выявляют тенденцию к незначительному
умеиьшешпо сцепления с ростом дпа),Jeтра,
прпчем с увеличением продола;:ительпости
опытов влияние диаметра на величину Са
умепьшается, по псе же остается даа-,е при
Д,;Jительпых испытапиях (рис. 5.9). Здесь. как
Jl при исследовании сопротивления сдвиrу
по боковой поверхности, сказывается влия
нпе масштабнorо эффекта. Но если при pac
С).lОтрении условий подобия работы ШlОро
женных lIюделей свай оказалось достаточ
НЬПI учесть развитие поврежденпости He
посредственно по поверхностям смсрзапия,
.тде Ф опытное значение песущей способности
F 21 . ' н . 2.20 2.БО " о .
с п/Fт 7' dR R см, С 4 С 6 з--- "i
d 6 6 (соrласно приложению 6 к СНиП II 18 76 дЛЯ
ваннorо песчанorо rpYHTa при температуре 4,50C);
ФТ4 1 /6 72,5 (10Н); ФП4 556 72,5 484 (10Н);
ФТ6 1 5 /a 466 (10Н); ФП6 3575 466 3109 (10Н);
'-4 ФП4/ F П4 484/125 3,95 (105 Па);
'-6 ФП6/ F п6 3109/1130 2,8 (105 Па);
T4 T6 3,9 2,8 04'
Ш О . 4 [(2п 1)/п а ]а -r 4 "t6 2, 7 "
'-у 3,95/(1 0,4) 6.6 (105 Па).
d 4
заторфо
Поврежденность по боковой поверхности свай натурных размеров
определится как
О 4 [ 2 .15 1 ] 0.25 О 8
Ш 01 , 15°.25 ' ,
О " [ 2.20 1 ' ] 0.25 О 8 ?
Ш О ? ,Ч- , "-'.
2UO. 25
с"М!lа
1
34 ,
3.2 . 1
3,0.
Сопротивленпе сдвиrу по поверхностям смерзания свай натурных
размеров будет равно:
'-1 6.6. (1 0,8) 1,32 (105 Па),
'-2 6,6(1 0,82) 1,19 (105 Па).
Несущая способность, обусловленная сопротивлением сдвпrу по бо-
ковой поверхности,
ФП1 1,32.2.3,14.15.300 37303 (10Н);
ФП2 1,19.2.3,14.20.400 59786 (10Н).
2.8 о
Так как в нашем примере c/d R одипаково для моделей и свай HaTYP
ных размеров п равно 6.67, то воспользовапшись СООТНОШelПШ 1
Ф фт + Фп, можем определить Ф без расчета поврежденпости
по торцу спай
.
1.6
.1
02
хЗ
'I
Ф Ф Ф
1 + б,67 + п,
;"
Т,4 .
о х
2
O О 40 80 200 2/tO
Ф П
отсюда Ф 1 1/7,67 ;
Ф 37 303 4? 8 7 ( 10Н ) '
1 1 1/7,67 I ,
Ф 59786 68719 ( 10Н ) .
2 1 1/7,б7
/'I/r, 5 9. Результаты определения ЭКВI1валептноrо сцепления мерзлоrо торфа
IIIl'Юlllам I[ раЗЛlIчноrо Д1Iall1стра и пuд различноii наrрузкоii при температуре
4.20C.
1 ,/ IH мм Р 27 Н. 2 d 22 мм. l' 40 н; 3 d 36 Ш, l' 108 н; 4 d
. . 220 мм. l' 60ОО н.
158
139
1'0 при выяв,пепии влияния раЮlеров сферическOl"О штампа на Be
личину эквивалентноrо сцеплення необходимо учитывать образо
ванне дефектов под ШТЮIШОМ в объеме rpYHTa, в которои напряж&-
ние превысит некоторое критическое зпачение, вы3вающееe пакоп
ление повреждепностей.
CTpOl'oe решение такой задачи чрезвычайно сложно, так как
напряашние в rpYHTe п()д ШТЮIШQ;\I меняется как в пределах площади
контакта штампа с rpYHTo;lI. так и по rлубl1не rpYHTa. Соrласно
решению теории упруrости [Безухов, 1961], энюра распределения
дав:rения по площади коптакта представляет полушар с llIaКСIlllIaЛЬ
НЬП\I давлением в центре п IIIИНП'>ШЛЬИЫМ (нулевым) на контуре Ka
саНIIЯ. Кро.'\ш Toro, наПРЯj-{,ение не остается ПОСТОЯННЫМ во Bpe
мени, так как постененное поrРУj-{,eIше шта ша обусловливает YBe
личенпе площади ero коптакта с rpYHTo,>[, приводящее к Уl\[еньше
пию нанряжения .
В процессе уплотнения rpYHTa происходит «залечивание» по
врежденпостей. которое весьма трудно оценить количественно. IIап
более интенсивно процесс образования и залечивания повреj-{щеп
ностей протекает в зоне контакта rруита со штаIlШQ;\I. Так как для
сопоставления ВЛIlЯНИЯ раЗl\ШрОВ штампов на веЛIlЧИНУ эквивалепт
Horo сцепления достаточно оценить относительное влияние повреfБ
денностп, ВЬ13ванное масштабным эффеКТОl\I, то представляется воз
МOIЮIЫIII дЛЯ этой цели проанализировать образование дефектов не
в объеме напряженной зоны rpYHTa, а только в пределах площади
контакта со штаl\ШОl\I, так как объем нанряженной зоны ПрОПОрЦIlО
нален ПJ10щади контакта. Исходя из этих условий, нами и прuводи
лось сопоставление эквивалентноrо сцепления мерзлоrо торфа по
данным определенпя штампюш разлпчных диаметров.
Равенство с з для данноrо перIюда вреl\lени по результата:lJ исны
тюшй штампами, ИIIЮЮЩI'ШП диаметры (11 I[ d 2 , будет наблюдаться
в том случае, если напряжения, приходящиеся па скелет rруита
(а), одпнаковы.
а == Pl/(-лd1S1 Р 1 ) == P2 / (-лd 2 S 2 Р 2 ),
(5.47)
l'де PI, Р2 соответственно наrрузка на штампы 1 и 2 дпюштром d 1
И d 2 : SI и S2 осадка штампов; F 1 п Р 2 площадь, занятая де--
фектюlИ.
ЗаШIше:l[ (5..47) в виде
0'== Рl /[ d 1 S 1 (1 n::s I ) ] === Р2![ d 2 S 2 ( 1 31: 2 2 В 2 ) ]- (5.48)
Как 1II0fJШО видеть, выраа,еН1Ш (1 F/-лds), входящее в знаменатель,
представляет степень поврежденности поверхности rрупта в преде
лах площади отпечатка штамна. Для двух штаl\IНОВ, ДIIЮIШТрЫ ко..
торых ОТJ1ичаются в п раз (d 2 1d 1 === п), уравнение (5.48) с учетом
(5.9) мошно записать в впде
1'Ю
Р2
31dISln2[1 FI( 2nna 1)а j31d j S 1 ]'
111'11 выводе соотношения (5.49) предполаrается, что с увеличением
Дllамстра в п раз осаДI\:а также долаша увеличиваться в п раз, т. е.
('о("таll. ЯТЬ для подобных штаl\ШОВ одинаковую долю от диаметра.
:) 1'() ус. овпе будет соблюдено, если наrрузка на rеометрическп по
J,ofil!LIe штампы, имеющие IIIНО;Еитель подобия п, будет подобрана
('ОL'ласно соотношению (5.49)
2 [ 1 Р 1 сп; 1 ( / ndIs 1 ]
Р2 Pl п 1 F d . (5.50)
1/311 S 1
Рl
:rd 1 s 1 (1 F 1 /nd 1 s 1 )
(5,49)
1I,IIOщадь дефектов llIOfJШО определить по результатам двух парал
JIСЛЬНЫХ испытаний штампаlllИ различных диаметров d 1 и d 2 COOTBeTCT
lЮННО под наrрузкой PI и Р2'
С учетом уравнения (5.50) соотношение меащу получеllПЫl\Ш
в этнх опытах значениями сцепления (сзl и С а 2) llIOa,Ho записать:
Са21с31 == Р) PIl1dпs, [(, (5.51)
l'де пd ,>IНО;ЫIтель rеQ;\ютрическоrо подобия штампов (пd=== d/(ll);
11, отношение осадок штампов (п . === s2/SI); [( параметр, xapaт{
теризующий степень понрежденности rpYHTa под штампом:
[(=== 1 Pl(T)a f31d j .\
1 Pl/ndls1
[( === P2CallPICa2пdпs' (5.53)
Результаты расчета [( но ОПЫТНЫIl1 данньш сведены в табл. 5.5. Cpeд
нее значение площаДll дефектов P 1 под отпечатком штаll1па d === 18 MII[
п() данным опытов 1 3 составляет 0,005 C1l1 2 . Зная Р, lIюашо вычис
(5.52)
т а б Jl II Ц а 5.5
ЗначеllШI КОЭффllЦIlента К по данным восьмичасовых испытаШIЙ торфа штам
паl\1II разлпчных диаl\lетров при теl\шературе 4.20C
.N, опыта I Диаметр Наrрузиа Осадка
ШТ31\1П3, на штаl\ПI, штампа, Са' 10' Па 'ТId 'ТI s К Fn, см 2
I 1\1&1 1U Н мм
1 18 4 0,093 13,5 0.0051
22 6 0,166 10,4 1,22 1,78 0,98 0,013
2 18 4 0,093 13,5 0,0048
36 16 0,509 5,21 2 5,47 0,95 0,082
3 18 4 0,093 13,5 0,005
220 600 12,2
4 22 6 0,166 10,4 0,013
220 600 10
11 л. т. Роман
161
лить площадь дефектов под отпечаткаlllИ штампа лю60rо раЗ1\lсра
и учесть при вычислении эквивалентноrо сцепления:
F n /лd ll S'l F 1 /лd 1 S 1 [ 2п: 1 } (5.54)
Рассчитанная по фОР)IУ;:Ш (5.54) степепь поврежденпости для наших
опытов имеет следующие значения:
d, :мм F n':лdllSIl
18 0,095
22 0,112
36 0,143
220 0,162
в цеЛО 1 следует ОТ IeТИТЬ незпачите.'Iьное влишше размсров
штампов на величину ;швивалентноrо сцепления мерзлых торфяных
rруптов. Это обусловлепо спет\ификоЙ ютодики проведепия опытов
и расчета сцепления по эксперпментальным данпьш. Площадь OT
печатка штампа формируется в процессе опыта, а пе задается зара
нее, как площадь кубиков, поверхности моделеЙ еваЙ и т. д., 11 за
висит не только от диаметра штю.lпа, но и от осадки, которая, в свою
очередь, определяетсл наrруэкоЙ. В процессе вдавлинатшя шарика
происходит «залечивание дефектов», что приводит к пезначите,'IЬНО)IУ
ВШ1Янию масштабноrо фактора на ДЛlIте,ТIьное значение сцепления.
Разброс опытных значениЙ с з при испытанпи ШТЮШЮШ раЗЛИЧНhI Х:
диаметров с увеличением продошюпельности пспытания Уlllепь
шается.
Из выполненноrо анализа IIЮiIШО сделать вывод о ПрИНЦИПIlа,пь
ноЙ возмоашости применения для испытанпя lI1ерЗJIOl"О торфа l\IPTO
дики определения эквивалентноrо сцепления. утверпщевноЙ rОСТШI
2104.8 75, за исключение)1 способа опреде.-шния с з по восышчаСОllЬПI
испытаНИЯl\l.
I'ЛАВА
ПРИ;\IEНЕНИЕ МЕТОДОВ АНА.тIоrпii
ДЛЯ ПРоrНО3А ДЕФОРМАЦИfl
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ rpYHTOB
6
6.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
!{ак было показано выше, уравнения ПОЛЗУЧССТII
[Вялов, HJ78] MorYT быть использованы для описания процесеа дe
формирования мерзлых торфяных rpYHToB. Однако установление пе
риода, в течение KOToporo будут достоверны такие проrнозы, за
труднено в связи с тем. что длительное деформирование rpYHTon, co
держащих растительные остатки, протекает, как у льда, l'даВНЫ)1
обраЗо)l в стадии незатухающей ползучести, переходящеЙ в проrрес
сирующее теченпе, а характер последнеrо трудпо учесть параметра
1G2
ми уравнений ползучести, вычисляемыми по данным начальноrо пе
риода заrружения. Кроме Toro, деформирование происходит без Ha
рушения сплошности, что затрудняет четкую фиксацию времени от
момента заrрузки до разрушения. Эти особенности поведения мерз
JIЫХ торфяных rpYHToB под наrрузкой обусловливают неоБХОДИl\10СТЬ
дальнеЙшеrо совершенствования методов с помощью которых IIЮЖ
ПО по данным опыта на нача.'IЬНОlll этапе наrруашния описать про
цесс деформирования за период, сопоставимый со сроком эксплуа
тации сооруit\ениЙ, т. е. превышающий БрЮ1Я опыта на несколько
порядков величин. Нами рассматривается возможность использо
вать Д:JЯ указанноЙ цели методы апалоrиЙ.
Суть методов аналоrий заключается в интенсификацпи процесса
протекания деформациЙ ВJШЯЮЩИl\IИ на Hero факторами (например,
темпераТУРНЫl\IИ, влаiIШОСТНЫМИ УСЛОВИЯllIII, реа":Иl\IaIlШ Harpy;.r..:e
ния). Повышение температуры ускоряет реOJюrпческие процессы:
одна п та же деформация образцов с ОДШIaКОВLТ!\IИ фИЗlIчеСКИl\Ш свой
СТВЮПI при повышении температуры будет достиrнута за мснее KO
роткпп период времени. ТакоЙ ;-l\e эффект получится, ес.ТIИ прп по
стоянноЙ теl\шературе увеЛlIчивать напряжение при статическом,
динюшчеСКОl\I, вибраЦИОННОIll реit\име наrРУit\ения, или определен
пым образом задавать физические своЙства (мепяя влаiЪ:НОСТЬ, плот
ность 11 т. д.). ДруrИl\IИ словами, влияние на деформируемость пере
ЧПС.ТIенных факторов и временп идентично, взаимозаменяемо.
Фпзическпе основы этоrо явления наилучшим обраЗОIll pac
Ерывает уравнение длительной прочностп, полученное с позицпЙ
и уи
Rннетических представлениЙ t (о ехр о kT ' которое еще в
Ю х rодах предлаrалось А. П. Александровым [Алеl{сандров, НJ45;
Адександров, JIазуркин, 1939], r. II. rуревичем [1947] и др. для
уста овления функциональноЙ связи IIЮ;.r..:ду временем, темпера
турои и наПРЮI..:ениеl\I. ДеЙствительно, если достиrается одинако
ная степень поврешденности материала, есди одинаковая величина
деформации. то числитель в подэкспоненциаЛЬНОIll выраil\ении дол
,(;ен быть ОДНИ'I и тем же. JIerKo впдеть, что при различных теl\1пе
ратурах, входящих в знаменатель подэкспоненциальноrо Bыpaa..:e
ния, перпод времени, в течеипе KOTOpOI O будет достиrнута одпа [J та
п..:е деф()р IaЦПЯ. меняе:,ся. Если же раССl\Iaтривать процесс разру
lПешш при ПОСТОЯНIIOИ температуре, но различном напряа..:еНJIИ,
то нз этоrо а..:е уравнения следует, что достижение одинаковых дe
ФОР)Iац й таЮl\е произойдет за различный период Bpel\IeHII (t и ().
fлапнои задачеи при использованпи lIIетодов аналоrиЙ является
уетаНОВ.'Iеюш соотношения IIIРfIЩУ t и t' : аВа == t' /t, которое назы
вается КО:ЭффИЦИРНТОМ редукции, т. е. коэффициентом. определяю
ТЦIПI СДвиr времени достижения одинаковой деформации при Kaa":
дом фТlКсиронаННОl\I значенпп ускоряющеrо фактора.
С целью установления аВа Дж. Ферри [1953] взял за основу
соотношение интенсивности уплотнения каl{ функцию времени и
температуры:
I
1
I
!
1
I
11*
g(t', 60) == (P 0 6 0 /p6)g(t, 6),
«(Н )
1б3
rде g(t, 8) функция интеНСИВНОt;ТП уплотнения; р п 1'0 плот
lIOСТИ, соответствеппо при температуре Е> и 80; t время; t' ==
== t/aB; ав коэффициент температурно времеПRОЙ редукции.
В результате анализа (6.1) получено выраа;ение для нахоаще
ния ав, которое в литературе принято называть формулоЙ Виль
ямса ЛандеШIа Ферри:
С 1 (8 80)
III ав ==
С 2 + (8 80)'
rде С] и С 2 константы, постоянные для данноrо вещества, опре
деляемые из опытов.
А. А. Ильюшпн И Б. Е. Победря [1970] установили взашroза
меняемое влияние температуры и вре юни на соотношение между
напряжение 1 и деформациеЙ, рассмотрев зависимость коэффпциента
вязкости 11 от температуры 8:
11 == Al(i/(B с), (6.3)
(6.2)
rде А, Ь, с константы, различные для различных веществ. Прп
этом анализировал ась модель -вязкоупруrоrо тела в виде COBO
купности упруrих и вязких эле юнтов. Влияние температуры УЧII
тывалось при описании поведеиия вязкпх элементов, своЙства упру
ПIХ ПрИНИ IaЛПСЬ практически постоянными. Характерно, что BЫ
раж:ение для коэффициента редукции оказалось идентичным «(5.2).
Такой же вид уравнения для расчета ав получен в работе
Ю. М. Молчанова и r. А. Андриксона [1967], которые раСС Iатрива
ЛII ае как функцию коэффициентов тепловоrо расширения и темпе
ратуропроводности. Устаповление взаимозаменяемости ВЛИЯНПR пре
юпи и факторов, ускоряющих деформацию (повышение те)lПерату
ры, напряжения и т. д.), дает возможность раСС)Iaтривать раЗВII
тие деформации в ускоренном темпе, использовать экспреСС lIIетоды
испытания п моделировашIН поведепия тел под действием НЮ'РУ
зок. Методы аналоrиЙ наШ.lIИ шпрокое примепение при ПрOl'нозах
прочностп. дефор)шруе:\IOСТП пошшеров [Ферри, НJ53; УРiI\)':\щеп,
Максимов, 1!175; УР;'Бумцев, 1982; и др.]. Разработаны приемы IШ
ражения коэффициента редукции на основании эксперимента:IЬНЫХ
данных. Предлаrается иснользовать для этоЙ цели опыты па ПО,;I
зучесть [Ильюшин, Победря, 1970 J, а таЮI.;е опыты по опредспенпю
податливости [Ура,;умцев, Макси IOВ, 1975J, ПРОВОДIшые в изотерып
ческих условпях при различных температурах. ПОД податливостью
J принято ПОНIПIaТЬ отношение относительной осадки б к напряа,е
нlПО а, т. е. прп линеЙной связи ме;'БДУ б и а податшIВОСТЬ ЯIl.'шется
оfiратной величиной модуля деформации Е:
J == Ма.
(6.4)
Разработаны способы определения податливости по даННЬВI ис
пытаний на одноосное растяжение, сжатие [Уржумцев, Ман:симоп,
1975), а така.;е по вдавливанию шариковоrо штюша [Т akal1asl1i 1\1,
а. О., 1964].
164
I
Как известно, указанные способы испытания широко псполь
зуются В механике мерзлых I'PYHTOB, что значительно облеI'чает
применение методов аналоrий для проrноза деформаций и прочности,
позволяя сократить объем испытаний.
Изменение податливости во времени обусловлено реолоrически
ми процессами, проявление которых весьма существенно зависит
от температуры. С ее ПОНИiI.;ением у.меньшается интепсивность пол
зучести мерзлых rpYHToB при прочих равных условиях. Можно BЫ
делить два основных фактора. влияющих на уменьшение ползучести
ПР::r;'; поню шнпи температуры: 1) уменьшение количества неЗ )Iерз
шеи воды, 2) уменьшение ПОДвижпости кристаллической решетки
льда и молекул частиц rpYHTa. При этом влияние температуры на
величину дефОР:\IaЦИИ взаимосвязано и взаимоэквивалентно с ВЛИЯ
нием времени. Одна и та же по величине деформация в низкотеllше
раТУРНОIl1 rpYHTe наступит через более длительныЙ период, ЧЮI в BЫ
сокотеllIпературном.
Приведенные выше исследования MrHoBeHHoro модуля упру
rости lI1ерзлых торфяных rpYHToB (Cll-I. rл. 3) покаЗЬШ8ЮТ, что при
теllIпературе НИ;.I.;е интепсивных фазовых пере ходов он несуществен
но зависит от тш.шературы, а для льда является практичееЮI по
СТОЯННЫIlI, начиная от 00 и НИ I.;е. Это свидетельствует о TO I, что
IOдель упруrовязкоrо тела, на основе которой получены соотноше
ния для определения коэффициента редукции ае. соответствует по
ведению мерзлых торфяных rpYHToB под наrрузкой. Как бы,тIO YKa
зано выше, в этоп модели принято СИ:Iьное влияние темпера;уры
на поведепие вязких элементов и значительно более слабое иа по
BeдeH e упруrих. ТаЮНI образом, предпосышш теll1пераТУРlIO вре
меннои аналоrии в цеЛОIl1 должны быть справедливы и для lI1ерзлых
торфяных I'PYHTOB, но при их применении ДОШJ';НО быть оценено ШIИЯ
ние фазовых переходов влаrи, оказывающих существениое воздейст
вие на характер термореолоrическоrо поведения.
В теоретических предпосылках, обосновьшающих использопаппе
lIIетода те:\шератур о вреllIенной аналоrии для ПОЛIIlI1еров [YpiJ';YM
цев, МаКСИIlIOВ, 19/:JJ, раССllIатриваются следующие два вида такorо
поведения.
1. Податпивость при ИЮIeнении те)шературы заВIIСПТ то;тько от
подвиашости lIIаКРШIOлеку.т:r. l{ривые -вязкоупруrих податливостеЙ,
полученные для различных значенпЙ температуры, являются по
доБныll1.. Коэффициент редую ии ав, позволяющий построить обоG
щенную кривую при сопостаВИIlIЫХ условиях опыта, есть Фупющя
только одноrо арJ'Уllшнта температуры. rешштрический Оlыел
:этоrо полоа.;ения сводится к ТОIlIУ т что при изменении температуры
к шые податливости .f 111 t «а,естко» сдвиrаются вдоль вре)шн
пои оси. Параллельность их смещения в напраВ.'Iении врю[еннбй
оси (lп t) не нарушаетея. Это зпачительно облеrчает опреде.'IСЮЮ
коэффициента редукции ав (вреllIеннбrо сдвиrа), так как изменение
теllIпературы не нарушает подобия кривых податпивости. Te.l:a, для
которых характереп такой вид дефОР)Jиропания, отнесены к кпассу
теРllIореОЛОI'пчески простых тел.
f
(
165
J
5
l.. na 8=fil1nL.8
'0
4
z: L!"Lna8
i
Д21пае
Опытныи периоа
ЛрО2нозныii пepuoiJ lп t
4
1.." U O =L(lJ"Lna +fllJt,. )
1 1-
/
/
,
:J
б
Опытный перuоа
ПрО2нозныii перuоа 1,п t
Рис. 6.1. Схема построешш оuобщеННОII КрПБоii ДЛИ термореоло
l'I1ческих простых (а) II СЛОШl1Ы"l;: (6) тел.
\
') n ТШ1 CJIY'taC, !{ш'да на процесс ДСфUрll!ИрUllашш оказывают
влияние структурные преобразования или друrие факторы, xapaK
тер зависимости J 111 t осложняется и эти кривые пере стают быть
подобными. Коэффициент редукции становится зависи:мым как от
времени деформирования, так и от температуры. Соответственно кри
вые J 111 t при разных е сдвиrаются не только в rоризонтаЛЬНЫ!\1,
но и в вертикаЛЬПШ-l направлении. Такие тела отнесены к Tep"lO
реолоrически СЛОiI{НЫlll.
Методическая последовательность при обработке опытных дaH
ных и построении обобщенной кривоЙ для теРllIореолоrически прос
тых и сложных тел (рис. 6.1) сводится к сж'дующеllIУ. Сначала pac
считываются вязкоупруrие податливости (J t == /б, rде К! yc
редненные деформации шшзучести; а напряжение); стр()ятся rpa
фики J t 111 t с указанием доверите,JIЬНЫХ интервалов; выбнрается
«базовая» температура е о , значение котuрой практически lIIOiI,eT быть
,т[юБЫl\l соuтветствующим ОПЫТНШIУ, НО нри rрафичеСКО 1 lIIетоде оп
редеJIения коэффициента редукции В о выбирается БЛШI,е к НП;'ЮIему
те шератуРНЮIУ иптерва.т:IУ. Начиная с «базовоЙ» крпвой податли
вости, соответствующей выбранной «базовоЙ» те)шературе 80, по
сж'доватеJIЬНО определнется вреllIепнбй сдвнr L'1;111 ав между кю,,
дой парой соседних кривых. Н том случае, коrда испытываеllIЫЙ
материал относится R теРlllоре()лоrически ПрОСТЫIII телам, L'1;ln ав бе
рется равны'м среднему значению L'1;lп ав в пределах опытпоrо пе
рпода. Экспериментальные величипы L'1;ln ав последовательно CYIll
!\IИРУЮТСЯ. начиная с нулевоrо значения (т. е. при е == 60), далее
строятсн rрафики 111 ав (е 80) (рис. 6.2), которые выраfБаются
в аналитической фор ю lп ав == f(8 80)' Затеlll экспеРИlllенталь
ные точки на кривой зависимости J lп t, раСНО.'10iJ{еннью во BpP
меПНОl\1 интервале опытпоrо периода, «f!,eCTKo» сдвиrаются ВДОЛЬ
лоrаРИфllIическоЙ вреl\lенной оси на соответствующее значение lп ав,
Новое (приведенное) ВрЮIЯ для этих крпвых будет равно:
ln(t.aB) == lп t + [1} ав_ (6.5)
СДВI11'ая эти кривые на величину приведенноrо вреl\ЮПП, ПОЛУЧИIll
обобщенную кривую податливости при «базовоЙ» теl\шературе для
вреllIени, превышающеrо экспеРlll1юнтальный период на несколько
порядков величин. Изложеннан lIIетодика
построения обобщепной кривоЙ примеювra
для теРl\Iореuлоrически простых тел, коrда
ПЗlllенение температуры обусловливает лишь
rоризонтальный, временной сдвиr податли
вости. НаХО;'I,дение коэффициента редукции
для теРlllореолоrическп сло;,],ных тел боле€
трудоемко, ПОЭТОIllУ коrда влияние вертикаль
Horo сдвиrа незначитеJIЬНО, им пренебреrают
ИОв
1
/
e eo
167
Рис. 6.2. Зависимость коэффициента рС'ДУКЦИИ от
в во.
.
и строят обобщенную кривую как для термореолоrпчески простых
матерпалов. Если же такое допущение приводит к существенным
llOl'решНостям, то учет вертикальноrо сдвиrа оеуществляется
на основе функциональной за13ИСИ IOСТИ ко:эффициента редукции от
температуры и вре lени, полученноЙ Дж. Ферри [1953]:
ln nBt == ln ав(8, t o H1 + f(T)], (6.6)
тде t o любое фиксированное «базовое» 13рюlН в начальный период
отсчета; Т приращенпе времени по отн()шению к «базовому» зна
ченню: Т == ln t lп t o .
Первая составляющая уравнения (6.6) lп ав(8, t o ) находится
по rрафику заВИСJШОСТИ ln ав от 8; 80, полученной при фикси
рованном «базовшп) времени отсчета t o . Она является функцией толь
1\0 одното артумента температуры-
Бырюш'пие для вт()рото члена этоrо уравненпя [1 f( Т) ]
опреде.;Iяется частными производными д ln ав(8, t)/aT:
aj(T) 1
дТ ln а в (8, /0)
д ln а в (8, t)
дТ
(6.7)
Для нахождения частных производных необходимо построить rрафп
ЮI ln ав(8, Т) Т (рис. 6.3, а, б), наЙти lП уравнепия. Функцию
дf(Т)/дТ l\юа Но выразить в виде суммы экспоненцпальпых зависи
М0стеIr с неКОТОРЫМIl параметрюш с; и Ь;, постоянньпш для каждоrо
i ro приращеПIIЯ температуры:
i::::=:n
д! (Т) == C . /b . l Tlbi
дТ l .
i I
(6.8)
Испо.'Iьзуя фИКСИРО13анные значения частных производных д III ав Х
Х (0, Т), по формуле (6.7) рассчитывают af(T)/dT, а затем по (11.8)
i3Zпо(} (e,t)/at
т(Т) в
.
Т
т
Т
Рис. 6.3. ВСUОl\lоrательпые rрафшш для определешш параметров в ypaB
Ш'IШIl заВIIСIll\lUСТII КО;JФФIlЦllснта реДУКЦIlII термореОЛОl'llчески сложных.
тС'л ОТ Bpe !CHII и те)шературы.
168
,
определяются пара ш'ТРЫ с и о для фиксированных значепий
и строится rрафик j(T) Т (рпс. 6.3, в).
Полученные функции позволяют рассчитать коэффициент pe
дукции ]п aB,t для каждorо значения (8 80) и (ln t ln t o ) п по
строить обобщенную кривую, сдвиrая эксперпментальные точки
податлююсти вправо на соответствующую величину коэффицпента
редуКЦИИ, которыЙ в данном случае учитывает как вертика:rьный,
так и l'орпзонтальныЙ сдвпr кривых податливостей.
Способы обработки опытных данных, рассмотреНllЬЮ для слу
чая температурно временноЙ аналоrип, остаются справеД,'1ПВЫl\НI
II для напряженно вре IeННОЙ апалоrИll, т. е. котда все опыты BЫ
ПО,llНЯЮТСЯ В изотермических УСЛОВIIЯХ, и фактором, УСКОРЯЮЩИ 1
процесс дефор!.шрования, является увеличение шшряжения. Как
1I10ЖНО видеть, при тер юреОJlоrически: СЛOlI,НОIl1 поведеНИll пспы
тываеМ0ТО lI1атериала построение обобщенноЙ кривоЙ весьма
трудоемко.
При разработке предпосылок применения ыетодов ана.'lоrий
для ПрОПlOза деформируе IOСТИ рассматриваемых наl\lИ мерзлых TOp
фяных трунтов необходимо установить характер термореО:lOrIlче
ското поведения послеДНIIХ под наrрузкой, т. е. устаповить: к Tepl\IO
реолоrически ПрОСТЬПl или сложным телам они относятся.
БеСblШ существенным является также следующее обстоятельст
во. Наибольший практический IIнтерес представляет проrноз дефор
мируеll10СТII и прочности мерзлых торфяных трунтов в об.1lаСТII TeM
ператур естественпоrо залеrаНИR, т. е. IJ пределах от 8".з. дО 100C.
При использованип штода теl\Iпературпо вре:,шнной аналоrИIl обоб
щенпая кривая, которая позволяет выполнять проrноз дефор шциЙ
на длительный перпод, не l\Юiт,ет быть построена для теl\Iператур,
близких R 8 11 . з .. так как из rрафиков рис. 6.1 видно, что опытные
данные при высокиХ температурах являются лишь исходны ш. По
этому для l\Iерзлых трунтов в большей степени, чем для друrпх l\IaTe
риалов, возникает необходимость разработать решение обратной
задачи, по данньш обобщенной кривой проrнозировать дефОр 13ЦIllО
трунтов па длптельный период при любой теl\Iпературе, в TOl\I чпсле
выше «базовой», и при любом папряженпп, в том числе мепьше, че f
«базовое».
6.2. НАПРЯЖЕННО ВРЕМЕННАЯ АНАлоrия
t
П рп использовании метода наПр Я;Еенно временной
ана.1l0rии строится семеЙство кривых податливостей по даННЬПl пспы
таний на ползучесть, выполненных в изотермических условиях CTa
тичеСКИl\fИ наrрузкаl\fИ. При этом необходимо иметь в виду сдедую
щие особенности. Использование методов аналоrпй базируется на
теории нешшеЙноЙ вязкоупруrости, разработанной А. А. Ильюши
HbIl\I И П. М. оrибаловыl\l [1966], в которой рассматриваются матери
алы, обладающие физическоЙ нелинейностью, но проявляющие при
наrружении только вязкоупруrие, обратимые деформации [УРЖУМ
цев, Максимов, 1975].
169
Н мерзлых же, особенно торфяных, rpYHTax большая часть дe
формации не восстанавливается после разrрузки. Характер после
разrрузочноrо деформирования rpYHToB детально рассмотрен в pa
боте С. С. Нялова [1978]. Им показано, что условно r.пновенная
дефОр1laЦИЯ восстанавливается частично или полностью сразу же
после снятия наrрузки. Это относится к упруrой части деформации.
Деформация стадии затухающеЙ ползучести тоже восстанавливается,
но во времени и лишь частично, т. е. она состоит из упруrоЙ и пла
стической деформации. Деформации установившеrося и проrрессирую
щеrо течения полностью необратимы. Суммарная деформация ползу
чести в любой момент времени складывается из ВОССТRнавливающей
ся и остаточной; остаточная, как правило, больше. Применительно
к работе мерзлых rpYHToB общую деформацию ползучести рассматри
nают в виде суммы мrновенной, затухающеЙ 11 установившеЙся
пластично вязких деформаций. Указанные отличия в деформирова
нии 1ШрЗЛЫХ торфяных rруптов по сравнеюпо с идеальными вязко
упруrими теЛЮПI безусловно ДОШIШЫ сказаться на величине коэф
фИI иента температурно временной редукции, а таI{же на особенно
стях характера термореолоrическоrо поведения, которые необходимо
учитывать при обработке опытных данных.
Рассмотрим пример проrноза длительной деформации меРЗЛОI'О
торфа под статическоЙ наrрузкой, выполненноrо методом напряжен
но временноЙ аналоrии по даННhШ испытаний на ползучесть (рис. 6.4).
Для уменьшения влпяния неоднородности физпческих своЙств
при расчете кривых подат,ТJИВ()СТП напряа;еНl1е было отнесено к
твеРДЫ:\1 компонентам rpYHTa введениеr.1 параметра К, вычисленнOl'О
соrласно методике, рассмотренной в rл. 4. Для образцов 1 5, pac
смотренных в rл. 3, значение К было соответственно: 0,53, 0.52.
0,53, 0,55, 0,52.
Н те()ретпческих предпосылках прпмененпя методов аналоrий
указано, что при определении податливости необходимо ИСКJlIO(!аТЬ
1\IrновеННО УПРУl'УЮ деформацию. Н наших расчетах это требование
не выполнялось, т. е. J ПРИНИМRЛОСЬ равным отношению общеЙ
деформации к напряжению. На наш В3I'ляд. такое допущение для
мерзлых торфяных rpYHToB ВОЗl\lOf[ НО в сплу Toro, что MrHoBeHHo
упруrая деформация в них представляет не значительную долю от
общеп деформации, об ЭТО:\I МО,IШО судить, проанализировав пред
став ленные в rл. 3 результаты исследования модуля мrповенноIr
упруr()сти. 1\Irновенно упруrая податливость, взятая как обратная
ве,тшчина .модуля мrновенноЙ упруrости мерзлоrо торфа, составляе'l'
от 1.10 6 до 2 .10 6 МПа 1, тоrда как ПОДRТЛИНОСТЬ, Нh1численная
по общей деформации, равна от 1.1O [; до 8. 1O -l МПа " т. е. на
один два иорядка выше.
Пример статистической обработки податливости приведен в
табл. 6.1; определялись : средняя кв адратическая ошибка отдельноrо
1 "
пспытания A i + t L'l7/(п 1); средняя квадратическая ошибка
среднеrо а рпф:\штическоrо А == .1 J V п; ошибка отдельноrо испы
170
о 5
,
x4-rQ,, Еr:...... a
f'
х
j
J( I
11
2 J(
ПЕп а t
9
I "
E a ; ,
'
J'K-IO ., МПа 1
9
. 1
х 2
о J
II 4
8
7
Б
5
4
J
2
6
Опытныи
10 (2
период
14
16
18
20 Сп t,c
пери а
2
4
Проrнозныи
, \ <
Рис. 6.4. Податливость nepXOBOI'O иушицево сфаl'НОВОI'О торфа ио даННЬПl
испытаниii на одноосное сжатие под ра3ЛIIЧНЬПl напряженнем (1
0,7 МПа, 2 0,6. 3 0,5, 4 0,36, 5 0,2) ПРIl !.емпературе 4,50C
и построенпе обобщенноii кривои.
тания р == (A/J cp ).100%; rде п число повторных испытани:i'I пден
тичных образцов; J cp среднеарифметическое значение податливо
сти; L'li приращение податливостп, равное L'li == J i J('.p.
ПерестроЙка кривых податливоСТИ в лоrарифмических коорди
натах ln J [( lп t (рис. 6.5) показала, что они спрямляются, образуя
семейство параллельных прямых, КЮlщая из которых отвечает CBoe
му значенпю напряп:шнпя. ОдинаковыЙ наклон всех прямых свиде
тельствует о подобии кривых податлпвости. Такпм образом, основное
требование, обусловливающее принадлеашость испытанных об
разцов к классу термореолоrически простых Te.тr, выполняется. По
пробуем постропть обобщенную кривую, учитывая лишь rорпзон
тальную сдвиашу между кривыми податливостей, полученными для
171
Т а б л и Ц а 6.1
ПрИl\lер статистической обработки значений податливости образцов J. К, ис-
пытанных на ОДНООСllOе сжатие ПОД наl'РУЗКОЙ 0.5 МПа
ZпO'1O 4
2
а
ZпO'1O 4
О
6
о
1
БК для образ J.K..l0 4
Время от Ha ца мз,-10 4 :МПа I ..
чала заrруз МПа I I .... l1, l1, l13 А Р. %
1\11 t, С о, A i
'"
I 3, I 33 3, I 3, I 33 I:::
3, 1"" :>;
900 1,7 1 76 1,33 2,72 2,64 1,93 I (),21 05 0,435 0,25 102
2,43 0,29
1800 1,94 2;15 1,68 3,3 3,22 2,44 2,98 0,32 а,24 0'46 0,431 0,24 8;3
3600 2,29 2,57 1,94 3,66 3,86 2.82 3,44 0,22 0,42 0:56 0,52 0,3 8,7
7200 2,88 3,16 2,23 4,61 4,74 3,24 4.2 0,41 0,54 o 96 0,83 0,477 11,3
28 800 3.5 4,21 3,34 5,61 6,32 4,85 5,59 0,03 0,73 0'7 0,715 п,41 73
343 980 5,04 6,07 4,48 8,07 9,1 6,5 7,89 0,18 1,21 1'39 1,3 U.74 9;3
432 000 5,32 6,67 5,31 8,51 10 7,7 8,73 0,22 1,27 1:03 1,16 0;78 8,9
1
1
2
О
1
2
2
lпt,ч 2
1
о
1 lп6,МПа
Рпс. 6.7. Вспоыоrательные I'рафПКII ДЛЯ ОllределеНИj] парЮlетров т (а) и А (6)
уравнеНИll ползучеСТII.
ln аа 16 (а aj).
(6.9)
]\'IаКСIшальныii проrнозный перпод времеЮf составил ln(t, с) 22,2,
что равно ПрIПIерно 139,5 r. ПРОДО.iIfI-;ительность пспытания на
ползучесть наrрузкоЙ 0,2 МПа равнялась 908 ч. Опытные точкп по
лученноЙ «базовоЙ» кривой довольно близко совпали с проrнозиру
е:\IhIll1И (C!ll. рис. 6.4).
Выполнено также сопоставление результатов проrноза деформа
циЙ IIЮТОДОIl! наПРЯd\енно временноЙ аналоrПII II с помощью ypaBHe
ннй ползучести. Как было показано в rл. 3, для описанпя процесса
дефориироваНIIЯ мерзлых торфяных rpYHToB наиболее подходит CTe
пенная формула, которая с учетом подобия кривых ПО,!Iзучести и дo
пущения 60 == О запишется [Вялов, 1978] следующюr образом:
6 == (а!А п )I/m(t'Т*)I3. (6.10)
Преобразуем (6.10) к виду
ln 6 == 1,'тlп(а!А и ) + ln (t/T*). (6.11)
Приняв у == ln 6; х == ln t; Da == ln[(1 'Т*)13 (a!AII)I!m], будем иметь
,тшнеiiное уравнение у == X + Dc' Перестропм !{ривые ползуче
сти в координатах х у и получим семеЙство ПрЯl\JЫХ (рис. 6.7),
пара:Iлельность которых свидетельствует о подобии I{РИВЫХ ползу
чести. TaHreHc уrла наклона прямых определит значение пара
ыетра .
Ддя определеппя параметров т и Ан перестрапваем изохронные
иривые в координатах у ln а; х == ln 6, получая семеЙство ПрЯМЫХ
Д:IЯ различных :моментов времени (рис. 6.7, б). Их параллельность
rоворит о подобпи изохронных кривых, а TaHreHc уrла наклона
даст значение параметра т. Отрезок, отсекаемый прямой, COOTBeT
ствующеii начальному времени (t == t ll ), определит параметр D п ==
=== 1I1A H , откуда находим Ан [П1I. Велпчины Ан и позволят BЫ
'lПСЛИТЬ Т* из выражения
Dt == ln[1/AH(t/T*)l3m].
каащorо напряа,ения в предположении, что коэффициент редукции
завпсит только от rоризонтальноrо смещения.
Для определения а измеряем расстояние по rорпзонталям :меж
ду кап-;доп парой соседних кривых J ln t при нескольких значени
ях ln t в пределах опытноrо периода. Предполаrая, что это расстоЯlПЮ
постоянно, находим среднее из результатов замеров:
ai ai i
l10 ln а
ai ai I
l10 ln а
а 1 ао 2,6 аз а 2 1.6
а 2 (JI 2,0 а 4 аз 2,1
Для выравнивания II осреднения аа строим rрафик зависимости
Li 111 аа от прпращенпя напряжения по сравнению с «базовым»
(рпс. 6.6). Ero уравнение имеет вид
Для нахождения точек обобщенной кривой каащая кривая по
Датливостп сдвиrается вправо на величину L х ln аа (см. рис. 6.4).
E Zt!06
2
8 ,
q
l.п(J'К'10 4J,мпа
4
3
5
4
"
..
1
О
2
1
.;:
172
о
0,2
0,4 6 6i, МПа
Рпс. 6.6. 3авпсш1ОСТЬ Li 111 а ( а
, а
ai)'
Рис. 6.5. 3ависимость 111 J К 111 t.
УСЛ. оБОЗIl. Cn[. рис. 6.4.
Полученные таким образом велпчины параl\Iетров оказались paB
lIЫIlШ: === 0,32; rп === 0,5; А1I == 0,55; Т* == 15,64.
173
наrрузки, составляющеЙ одинаковую
долю от IIIrновенной прочности для
fШiI-;ДОЙ теlllпературы испытаний. Tor
да влияние наrрузки при всех Telll
пературах будет идентИЧНЫМ, сни
пелироваННЫIII, и деформация опре
делятся лишь реолоrичеСКIIII1И процессаlllП, связанными с подвиж
ностыо маКРОlllолекул, увелпчивающеЙся или Уl\lеньшающейся прп
изменении температуры. Велпчина напряа-;ения а; подбирается из
условия
т а б л п ц а 6.2
Сопuставление веЛIl'II1Н ОТНОСlIтельных дефuрмаЦIlii,
ПРОl'нозируеl\[ЫХ l\leTOJIOl\1 напряжеllно вреl\lенной ана
ЛОI'IIII И решеШlеl\1 уравнения ползучеСТl1 (торф, е
4,5CC, cr 0,2 МПа)
/' иС. {j .8. 3aU][CIIMOCTI, 01lЮСlIтслt.ноii ocaд
IШ б от отношения а R, оuредеЛЯl' raя для
подбора напряжениЙ прп испытанпи об
р:rз[1UВ по методу те lПературно времеННОIl
аналопш (осредпенная кривая и доверl1
тельные пределы).
ПерJIОД времени
от начала заrру
:женил
Относительнал деформация мерзлоrо TOp
фа (8 ",5; a 0,2 :МПа), опредеЛСJIнаJl
по опытам I по форму"е I по обобщен
(6.10) ноЙ ириз о:i
908 ч 1,45 1,68 1.39
25 лет 2,31 1,74
50 лет 2,85 3,36
100 лет 3,51 3,48
Таблица 6.3
б/Я
0,6
0,4
6'УЯ
g
о
0,002
0,004
0,006
Значение ДЛIlте;IЬНЫХ относительных осадок l\[ерзлоro
торфа (б.1 o ), ПРОI'НОЗllруеl\[ЫХ методом напряжеНIIО
временной аllаЛОI'IIII.
а; === (aolRe,o)R8i'
(6.12)
rде а о напряжепие, передаваеlllое на образец при «базовоЙ» теlllпе
ратуре; Re,o. Re,i предел кратковременной прочности COOTBeT
ственно при {<базовш.п> и задаННОl\I i :"1 значении температуры.
Отношенпе а о / R 8 ,o определяется слеДУЮЩИIII обраЗОIll. При «ба
зовой» теl\lпературе 80 паходится предел кратковременной прочн()
сти Re,o. Одновреlllенно при этоЙ те ТЮlllературе испытываются
lцентпчньш образцы статическоЙ, но различной для БЮ'J-;доrо образ
ца наrрузкой. Продола-;ительность испытаниЙ ПрПНИlllается равноЙ
'l (1. По получеННЫl\l даННЫIII строится rрафпк заВИСПIIIОСТИ маКСИlllаль
п()й относительной осадки, наблюдаеlllОЙ за 4 '1, от отношения
ai,Re,o (рпс. 6.8). На rрафике фиксируются кривые BepxHero и HIlil-;
Hero предела доверительноrо интервала. а таКп-;е осредненная кри
пая, построенная по методу наименьших квадратов. I1з начала KO
ординат проводится касательная к осреднепноЙ кривоЙ а ср / Re,o
=== 1(6) до пересечения с верхним пределом доверитеЛЬНОl'О интервала.
Ордината точек пересечения дает фиксированное значение отношр
ния a*IRe,o. Напряжение а о , подстав.т:rнеlllOе в (6.12), принимается
:"lеныIIlIl плп равным а*. Для образцов торфа, пспытанных при
теlllпературе зоос, отношение а*, Re оказалось раВНЫIII 0.35. Опыт
ные данные показали, что с точки зрения удобства задания НaI'рУЗОК
на образцы и замера дефОрl\lацпй наиболее ОПТИl\lально соотношение
а, R 8 ,0 === 0,15, что удовлетворяет условию а о :< 0*.
Далее при каждом фиксированном значении теlllпературы опре
деляется предел кратковременноЙ прочности Re, затеlll lIспытывают
ся образцы под наrрузкоЙ, которая создает наПРЯiIюние а8' равное
0,15 от кратковреlllенноЙ прочности при этоЙ iБе теlllпературе (а8 ===
=== O,15R e ). ТакоЙ подбор наrрузок позволяет уравнять влияние
наПРЯiБений на податливость при всех теlllпературах.
РаССIIIОТРИМ построение обобщенноЙ кривой податливостп при
использованип метода температурно вреlllенноЙ анаЛОПIII двумя спо
175
Период
nРРМ('НII,
пет
НаПРJlжение
0,36 0,5 0,6
О,7
0,2
25 1,74 1,82 2,74 3,49 4,78
50 3,36 2,35 3,63 4,58 6,03
100 3,48 2,46 3,82 4,69 6,33
Как lOi],HO видеть, результаты проrноза дефор:"нщий оБОlll\IИ
способами (табл. 6.2) весьма близки.
Линейность зависимости 1п J К 111 t II параллельность этих
прямых позволяют экстраполировать их.на длительный период Bpe
мени, определяя таким образом податливость. соответствующую Bce 1
значениям наПРЯтБений, при которых выполнены испытания (см.
рис. 6,5). МЫ получили методом напряженно вреl\lенной аналоrПll
зиачепия длительных относительных осадок мерзлоrо торфа а .10 4,
е === 4,5CC (табл. 6.3).
6.3. ТЕМПЕРАТУРНО ВРЕМЕННАЯ АНАлоrия
При применении метода температурно временноп
аналоrии прежде Bcero необходимо установить характер термореоло--
rическоrо поведения l\lерзлых торфяных rpYHToB ПОД наrрузкой,
т. е. выяснить, являются ли они термореолоrически с,;тОihНЫIlIИ ПЛИ
ПРОСТЫIlIИ телами.
ВТОрЫIII важным вопросом при определении податливости по
методу температурно вреlllенной аналоrии является заданпе напря
жениЙ. ТаБ как фактором, ВЛИЯЮЩIНI на скорость деформации, ДО ,11-
жна быть только температура, то воздействпе напряа-;ения псоб,
ХОДИIlIO снивелировать, т. е. задать наrрузку таким обраЗОl\l, чтоfiы
ее влияние на дефОр:"IaЦИЮ было приведено к одному уровню во всем
диапазоне опытных температур. Это обычно достиrается заданием
174
J'1O 4
'Lno e ( е, t o > [1+f( Т)]
B5
L II 'Lna e
Во
/
7,0
/
O
В4
L 1Jl,noB
ВО
5;0
O
270
1,0
tnt o =5 б
10
14
18
'Ln t, с
Рис. 6.9. I рпвые податлпвостп Bep"l;:OBOI'O пушицево сфаrновоl'О торфа.
Обобщенная Крllвая построепа для: 1 терМОрС'ОЛОl'lIческп npOCTOI'O тела;
2 термореолоrическп СЛО;КНОI'О тела. е, ос == 1 (1), 2,5 (2), 4,5
(3), 6,5 (4), 8,5 (5), 13 (6).
собамп: в первом случае относя испытанные образцы н термореолоrи
чеСI{И проетым телам; во втором н термореолоrичесни слон-,:
ным. Физпчесюю свойства образцов, условия проведения испыта
иий приведены в I'Л. 3. ЗаВИСИI\IОСТЬ J lп t представлепа нп
рис. 6.9.
1. Построение обобщенной нрпвой в предполоа-.:еНlIИ, что пспы
танный rpYHT является термореолоrичесни ПРОСТЫМ телом. В ЭТШI
случае нривые подаТЛИВОСТlI подобны II с изменением температуры
(</lШСТНQ» пере}lеЩaIОТСЯ вдоль временной оси. Для определения HO
эффициента редунции ав ИЗ lеряется расстояние по rоризонтали ыe;"
ду наждой парой соседних нривых J lп t при несшшьних значеии
ях lп t в пределах опытноrо периода (СI\I. рис. 6. п. ПреДПО.'Iаrая,
что это расстояние !11Il t постоянно, усредняем ero. Временная сдвижна
!11п t метду ТОЧIШМИ соседних нривых с одним И тем же значепие!\1
податливости будет равна лоrарифму ноэффициента температурн
временной редунцни, соответствующему этой же паре нривых !1111 ав,
тан нан ав == t' /t и, следовательно, !11Il aB. e. == ln t . 111 te.,
1 .+1 1+1 1
176
{
\
Получены следующие значения !11Il ав:
B; Bi I 8111ав ei B; l дl11aB
8] 80 1,5 8 8з 2,4
82 81 1,9 е 5 84 1 ,)
8з е 2 2,2 ,
в;
Стропм rрафпн зависимости К lп ав от приращения температу
во
ры (8 i (0) (рис. 6.10). При этом 8 i температура I'РУНТа в
наждом из опытов, 80 температура rpYHTa в «базовом» опыте,
для HOToporo строится обобщенная нривая.
Уравнение нривой (C I. рис. 6.10), полученное методом НaIПШНЬ
ших нвадратов, имеет вид
в;
ln ав == 0,07 (8; 80)2.
ВО
(6.13)
Для построения обобщенной нривой все энспеРИ ICнтадьные
в;
ТОЧЮI J i == f(lIl t) жестно сдвиrаются вправо на величину К ln ав,
е
т. е. трансфор}шрованное время, на ноторое надо переllIести;ь 3HCIIe
рп шнтальные ТОЧЮI податливости, полученные для температуры
8 i , ДОЛЖНО быть равно
е;
lл и, ае;) == 111 t + К lл ае.,
е I
пли с учетом (6.13) о
lп (t, ае;) == lп t + 0,07 (8; (0)2.
(6.14)
(6.15)
Полученная таЮПI образом обобщенная нривая в предположе
нпп, что мерзлый торф Яlшяется термореолоrичесни простым телом,
поназана на рис. 6.9 пуннтирной линией 1.
2. Построение обобщенпой нривой в преДПОЛOlБении, что испы
танные, образцы явдяются термореоло
rичесни сложным теЛШI. В :этом случае
ноэффициент теll1пературно временной
редунции представляет собой фуннцию
температуры и времепи процесса дефор
мирования, и, нан было поназано выше,
определяется соотношеЮЮ}I (6.6). Для
ELJlпoe
12
8
е
Рис. r::.l0. 3ависш1ОСТЬ ln а е от (e i 80)'
во
построенн<1Л по даННЬПl рпс. 6.9 для:
1 фиисированноrо момента времеЮI 111 t 5'
2 средних значений 8 111 ае между lIаждой ароЙ
иривых податливости,
12 Л. т. Роман
4
о
8
8с 8 0
4
177
9 e4 eo
.
. I
) е;! eo
. .
.
5
1
2
3
о
BZпoe(B, Т)дТ
!
;1
Рис. 6.11. 3аВIIСIШОСПI
ln ае(8, Т) (а), д ln а в (8, Т)/
/дТ (6) и f(T) (6) от Т.
.1
tf
0,2
т
f'(T) б
о
1
2
3
нахоа.;дения первой составляющей этоrо уравнения стропм завиСи
IIIОСТЬ ln ав от (8 ; 80), подученную прп фиксироваННШI «баЗ0ВОМ»
временп отсчета t o . Напрrпreр, ПрIПШIlIaeJ\I за «баЗ0вое» вреС\ш ln t o ===
=== 5. По rрафпкам J ln t определяем значения L'lln ае (8, t o ) ме,I,ДУ
каждой парой кривых податЛПВОСТIl (C I. рис. 6.9) и СТРОПIII заВlIcrl
IIIОСТЬ L'lll1 аА (8, t o ) от прпращения теlllпературы (8 ; 80) (кривая
1 па рис. 6.10).
Уравненпе этой зависи roстп, найденнuе, как п в предыдуще 1
случае, спосоБО)I наИ IеНЬШIIХ квадратов. выра;'I.;ается в виде
lnae(8, t o ) === 0,096(8 80)2.
I3сптrorательные rрафпкп lnaB(8. Т) Т, alnaB(8, T)iaT Т,
t(T) Т для нахожденпя BToporo члена уранненпя (6.6), построен
ные д:ш раССlllатриваеlllоrо прпмера, приведены на рис. 6.11. MeToДII
ка их построения прпведена в 6.1.
Таюш обраЗ0М, найдены обе функции уравнения (6.6), что П03
вuляет рассчптать коэффициент редукциП ln aB,t для ка;'Бдоrо значе
нпя (8 80) и (1l1t lnt o ) и построить обобщенную кривую, сдвиrая
экспериментальные точки податливостей вправо на соответствую
щую величпну коэффициента редую ии, который в данном случае
у[!Итывает как вертикальный, так п rОРИЗ0нтальный сдвиr кривых
податливостей. Полученные результаты предстаБ.'JeНЫ на рис. 6.9,
I,ривая 2. Как IlIO,IШО видеть, учет вертикальноrо сдвиrовоrо фактора
приводит к изменению ПОЛОiIШНИЯ обобщенной кривой, и построен
IIая таКИIII обраЗ0М обобщенная кривая более точно соответствует
опытным данным: эксперимента,llьные точки длительной податливо
сти при «баЗ0ВОЙ» температуре совпадают с обобщенной кривой,
построенной как для термореолоrически сложноrо тела.
178
6.4. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФИЗИЧЕСЮIХ
СВОИСТВ МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
при ПОСТРОЕНИИ ОБОБЩЕННОЙ кривой
Основной причиной, обусловливающей СЛО;'БНЫЙ Tep
l\Iореолоrический характер тел, являются прежде Bcero факторы.
нарушающие сплошность этоrо тела. В :мерзлых rpYHTax к таЮПI
факторам можно отнести налпчие пустот и неза:мерзшеЙ воды. В TOp
фяных rpYHTax, коэффициент пористости которых на порядок BЫ
ше, а незамерзшей воды в которых значительно больше, чем в МIIне
ральных, эти факторы более существенно влияют на сплошность
и однородность. При этом, поскольку влажность за счет не3ЮIерз
шей воды меняется с И311reнением температуры, а исходные крпвые
податливости построены при различной температуре, влияние Б.'1ааi
ности за счет незаllIерзшей воды будет сказываться для каждоЙ И3
кривых в различноЙ степени соответственно изменению температуры.
Эти кривые не являются взаимоподоБНЫll1И и не MorYT быть ПрПБеде
ны к одной обобщающей кривой простой rОРИЗ0нтальноЙ СДБШЫЮЙ.
Необходимо снивелировать влияиие пористости и влаЖНОСТII за
счет не3Юfерзшей воды на деформируемость при всех значенпях
температуры.
Выполненные на ПI исследования показали, что учет влпянпя
rазосодержания и незамерзшей воды на податливость IlIO/heT быть
выполнен в том случае, если напряжение а отнести не ко всеЙ п.'lOща
ди сечения образца, а к площади, занятой частицами rpYHTa и це Iен"
ТИРУЮЩИ I ЛЬДШI. Определить эту площадь IIIОЖНО лишь приблиа;ен-
но, приняв ее пропорциональной относительному содержанию ча
стиц rpYHTa и льда, которое, как было показано выше (см. r;I. ),
I\IОiIШО выразить через их объем в единице объеllIa rpYHTa
К === Pd[1/ps + (W c WH)'Pi)'
Тоrда значение податливости, отнесенное к площади частиц и льда,
будет равно
б
J и K JK.
о
(6.16)
\
Для наши экспериментальных данных, представленных на
рис. 6.7, по формуле (6.16) вычислены с.1Jедующие значения К:
е. ос к В, ос К
1 0,52 6,5 0,83
2 5 0,625 8,5 0,85
<5 0,76 13 0,88
fрафики J К ln t и обобщенная кривая для той ;.Iie температу.
ры ( 13UC), построенная как для термореолоrИЧССЮI простых т(щ
(рис. 6.12), показывают, что введение коэффициента К прпБШliIiает
обобщенную кривую к опытньш данным и облеrчает методику ее
нахождения.
ТаКИIII обраЗ0М, выполненный анализ позволил выявить ПрIIН
ципиальную В0311ЮЖНОСТЬ применения метода температурно вре Iен
12*
"179
/
i
J'К'1О ;МПа 1
3,5
ХК1, nО е
Рис. 6.12. hрпвые податливости с уче
том коэффициента К и обобщенная кри
вая, иостроеlПIая как для термореоло
rически простых тел.
ной аналоrии для проrноза дли
тельной деформируеJi.юсти мерз
лых торфяных rpYHToB, причем эти
rрунты l\lOiI,HO отнести к классу
термореолоrически простых тел,
если учесть влияние на подат.тrи
nость незамерзшей воды и пористо
сти иосредством введения коэф
фициента Кв.
2,5
5
,J
4
8
12
16 1nt,c
6.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
ШАРИКОВЫМ ШТАМПОМ
ДЛЯ проrНОЗА ДЕФОРМАЦПfi
МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ МЕТОДОМ
ТЕМПЕР ATYPHO ВРЕМЕННОП АIlАJIOl'IШ
IIспытания на вдавливание сферическоrо штампа для
построения кривых податливости и обработки их по методу темпера
турно временной аналоrии ПрИl\lеняются при псследовании ПОЛПl\lе
ров lTakallasl1i а. о., 1964]. Так как этот способ испытаний широко
ИСПО,ТIьзуется в механике мерзлых rpYHToB, то представляет практп
чеСЮIЙ интерес рассмотренпе ВОЮlOiБНОСТИ ero применения для npor
ноза дефОрl\lаЦI1Й мерзлых rpYHToB по методу аналоrий.
Ранее было иоказано, что при допущеиии о линейном характере
дефОР \Iированпя мерзлых торфяных rpYHToB их модуль деформации
l\ЮiI,ет быть определен по данным испытаний шариковым штампом
на основе решенпя о вдавливании a,ecTKoro сферпческоrо штюша
в ynpyroe полупространство. При этом радиус отпечатка штаl\lпа,
в одпщпй в качестве исходноrо параметра в указанное решение,
ДОЛiкен быть вычислен как радиус усеченноrо сепreнта, представляю
щеrо собой часть сферическоrо штампа, поrРУiБенноrо в rpYHT. Так
как податливость представляет собой обратную величину модуля
дефОр">IaЦИИ, она может быть рассчитана на основе преобразования
ФОРМУЛЫ (3.23). В каждый фиксированный момент времени подат
ливость (J t ) будет равна
48r/2 «(1 8/)1/2
J t ( 9) ' (6.17)
3 1 I Р
rде s осадка штампа в данный момент времени t, см; d диаметр
штампа, см; fL коэффицпент Пуассона; Р наrрузка на
штамп, Kr.
Нами выполнена серия испытаний шариковым штампом (d ===
=== 22 мм) BepxoBoro пушицево сфаrновоrо торфа, Ш\lеющеrо те же
180
JK1O Ла 1
....-;;.
1
13
15
Zпt,c
9
11
Рис. 6.13. I рIIвые податливостп II обобщенная КРIIвая, построенны('
110 данным псиытания шариковым штампом пушицево сфаl'НОВОI'О TOp
фа. Уел. обозн. см. рис. 6.4.
в. 2.50C. B. 4. в з 6. В 2 8.5; 0, 9.5. 80 13. 8 I
25.5. В 2 280C.
I
физические свойства, что и торф, испытанный на одноосное саштие
(см. рис. 6.9), в диапазоне температур от 2,5' дО 28CC. Наrрузка
на шта">IП подбирал ась таким образом, чтобы еl'О осадка для одноrо
и Toro -Бе момента вре lеIIII при всех значениях те шературы была
одной и той а.е. 3а 15 с ее величина задавалась равной 0,005 d.
Это позвоЛlШО нивелировать влияние наrрузкп на деформацию I'PYH
та под mтампю1.
Сравнение результатов определенпя J К испытанием на OДHO
осное саштис п шаРИКОВЬВl штампоы показывает, что Д.'IЯ приня.тых
условий задания наrрузок, податливость. полученная с помощью
шарпковоrо штампа, несколько больше, '11')1 при ОДНООСНО:lI сжатии.
Так Д,'IЯ перпода времени, paBHoro ln t, с === 15, соrласнО обобщенной
кривой (80 === 13'CC) JK === 2,7.10 4 МПа I по результатам испыта
ний шариковым ШТЮIПО 1 (c 1. рпс. 6.13) п JK === 2,lJ.1O 4 МПа I
по данным одноосноrо Сiкати:я (Сl\I. рис. 6.12). Несовпадение J [(
связано с неодинаКОВЫJ\1 влиянием напр, яа,ения большим разбрОСОl\1
опытных данных при определении мrновенной прочности и i\1rHOBeH
Horo эквивалентноrо сцепления.
В целом такое отличие не выходит за пределы точности ;шепе
РIПlентальноrо определения податливости, на основании чеrо можно
сде.чать вывод о принципиальной ВОЗ lО,I';НОСТИ использования шарп
KOBoro штампа для проrноза деформаций мерзлых торфяных rpYHToB
меТОДО?1 темпсратурно вре reнной аналоrип.
Так как по данным одних и тех же испытаний определяIOТСЯ
как податливость, так и эквивалентное сцепление, то, очевидно, Me
ТОД те">1пературно временной аналоrии приrоден п для проrноза
прочностной характеристикп эквивалентноrо сцепления. Дейст
вительно, весьма леrко получить выражение связп податливосТИ
181
и эквива::Iентноrо СJ еПЛ('НПiI Са. Нз форму.1Ы раечста С" по ДС\ННШ\I
испытапия шаРПКОПЫ)l шта lПО 1 ИОiJ,НО записатr. ныраil>е:шр Д.IЯ Р:
р 0== Сэ,tлds t /О,18 или Р 0== L7,44с: ч ds t .
ПодстаВJIЯЯ (6.18) в (6.17), ПОЛУЧЮl
4s /2 ((1 . д 1/2
It
(1 (2) 17,44с э . t (lSt '
(Н. LK)
(6.1 О)
откуда
0.076 V St (а St)
С э t
. It (1 t2) d
(l1.20)
Вырашение (6.20) позволяет по значению J t опреде,тшть эквиваilент
ное сцеп:rенпе за любой заданный период вре lени t. Однако в ЭТШI
случае необходи ю рассчитать и осадну шариковоrо штампа St за
этот же период, что УСJIОilшяет расчеты. Более просто для проrноза
длительноrо сцепления п прочности ИСПОJIьзовать раСС)lОтреНlIые
выше методы.
6.6. rРАФИЧЕСКИй СПОСОБ ОБРАБОТЮI
ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
Обработка опытных данных по методу как те шера
TypHO , так п напряженно временной аналоrии показала, что Rрпвые
податливости MorYT быть сведены в единый полюс (рис. 6.14). 3наче
пиям коордпнат этоrо полюса 1\1Оа-шо придать определенное то.'шова
ние, основанное на ПОЛОiI,ениях кинетичесной теории прочности
твердых тел. Соrласно этой теории процессы разрушения и деформп
роваНШI раСС)Iaтрпваются нан термофлуктуационные. Нак было
. J'K'1O 8 Па 1
4,0 .
6
а
:1-11'104 МПа
В '
5
3,0
6
2,0
..-
........
..... .....
..... .....
==-::::=:::
12 8 4
о
4
6'
8
--т-'""-т ,
14 :J 6 2 О 2
6
10 "Lnt,c
Рис. 6.14. Экстраполяция I'рафшшв J К lп t в еДIIНЫIl полюс при испыта
ниях по методу анаЛОI'IIП.
а температурно временноЙ; б напряженно временноЙ. УСЛ. обозн. см. па рис. 6.1,.
182
J'1О ;Мпа 1
10
8
6
12
8
4
4
20 "Lnt
о
8
12
16
Рис. 6.15. rрафIIчесК ii способ I10СТрОСНIIЯ обоб енноii IЧJlшоii на пршшре
результатов IIспытаrrПII, пре,J;ставлепных На рпс. Ь.4. (l Y секущпе лучп).
\;
пuказано выше, термоф.'1уктуаЦIlОННЫЙ подход ПРПJl1еЮ'Е\J п н описа
юно ПрOJ есса СНIПRенпя прочности во времени МСрЗJIЫХ торфяных
{'рунтов, при ЭТОМ завпсимости СНИFI,ения прочностп во npeMeНIl
в лоrарифмических координатах IВlеют общий ПОJIЮС, абсцисса KOTO
poro равна 1l1t o (t o перпод свободноrо колебанпя атшlОВ), а ордина
та определяется напряжением, заВИСЯЩИ l от впда {'рунта (C l. rл. 4).
В пучке RРИВЫХ подаТЛIIВОСТСЙ абсцисса полюса таБа,е оказалась
равной lnt o , а ордината значению мrновеН}lО упруrой подат
ливости, равной 1'Е у (рпс. 6.15). При построенпп RрПВЫХ податливо
степ !\lrновеино упруrпе деформации не учптывались как составляю
щие незначите,ТIЬНУЮ долю от общей дефОР IaЦПП. ЕСШl прп определе
нип lОдуля мrновенной упруrости напряа,ение относить не к {'eo
JI1етрпческой площади образца, а лпшь к СПЛОШИО IУ сечению, заня
тому частицами {'рунта п льдом. то с ПОНИiI\ение I температуры модуль
I\IПlОвенной УПРУI'ОСТИ будет :меияться незначительно и ero I\lОашо
прпнять велпчиной, постоянной для данноrо вида {'рунта, что и дарт
ВОЮlОiI,ИОСТЬ определить единый полюс не ТОЛЬRО прп испытанип
по ШТОДУ наПРЯiI,еН}IO ВРС!\1енной, но п теыпературнu вре!\1енноп
анадоrпп.
Наличие полюса позвоЛIIЛО разработать rрафпческпй способ
построения обобщенной кривой, который заключается в следующем.
Из полюса проводятся произвольн() лучи (1, 11, 111), перссеRающис
Rрпuые податливостей (С!\1. рис. 6.15), определяlOТСЯ координаты
точек пересечения лучей с каждой кривой и строятся заВПСИ!\10СТИ
JK п lпt от (ai а о ) прп наПРЮI,енно времеНIIOЙ аналоrип и от
(8 i 80) при температурно вре!\1енной (а о и 80 COOTBeTCTBeH
183
r"
J.KfO 4,Mr1a 1 а
10 20
8 16
6 12
4 8
2
о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
6 60' МПо'
Рис. 6.16. ВСПШIOI'аТIJльные rрафюш для построенпя обобщенноЙ I{РПВОЙ.
3авпсшюсти J К (а а о ) (а) п III t (а а о ) (6) соответствуют точ
КЮ[ пересечения лучеЙ I V с :крпвьпш подаТЛИВОСТl1.
но напряженпе и температура, прп которых получепа «базоваю)
кривая). Эти завпсш,lОСТИ оказались ШIНейны ПI. Экстраполпруя
полученные прямые к оси ординат, найдюr величины J К и lпt. COOT
ветствующие значепию (а; а о ) о пли (8; 80) о, т. е'. най
дем координаты точек пересечения секущих лучей с «базовой» кри
вой. Далее строим «базовую» кривую, откладывая этн координаты на
соответствующих секущих лучах.
Пример rрафическоrо построения обобщенной крпвой податли
вости, приведенный на рис. 6.15, выполнен на основанип результа
тов испытанпй мерзлоrо торфа по методу наПРЮl.енно временной aHa
лоrии, paCC IOTpeHHЫX выше (см. рис. 6.9). Как l\ЮII.нО видеть из
сопоставления рисунков 6,9 и 6.15, обобщенная крпвая, построенная
с помощью секущих лучей, практически совпадает с кривой, полу
ченной обычным способом «}!.есткой» rоризонтальной сдвижкоii
вправо кривых податливостей, на величпну, равную коэффициенту
редукции. Предлаrаемый способ секущих лучей менее трудоемок,
кроме Toro, он позволяет увеличить период проrноза деформаций.
Серия опытов, выполняемая для построенпя обобщенной кривой
податливости, дает возможность проrнозировать длительные дефор
мации не только прн «базовом» наПРЯ'hении. Обработка опытпых
данных показывает, что rрафические зависимости IllJK (ai а о ),
полученные для каждоrо фиксированноrо значения времени, uбра
зуют семейство параллельных прямых (рис. 6.16), поэтому .'IerKO
получить прямую InJ. К (ai а о ) для времени, paBHoro любо rу
значению в пределах проrнозноrо периода, в том числе псамому
l\Iaксимальному (t шах ), для KOToporo найдена податливосТь по «базо
вой» кривой: отложив на оси ординат значение InJ К, взятое с «базо
вой» кривой, соответствующее заданному моменту времени, проведем
184
1
\'
,!
. '!
lпJ.J{- fO Мllu
4
"LI1J'К'1О ;мпа 1
+ 1 о 2
х 3 04
* 5 ю 6
l!. 7 · 8
.3
2
2 1
1
О
lnt,c
О
1
1
2
2
0,2
о
0,2 6 60' МПа
Рпс. 6.18. 3авпсимость III J К ln t для
ПРОl'ноза длительноii ПJдатлпвостп (по
строена ПО даННЬНl рис. 6.13). е, сс === 2,5
(1), 4,2 (2), 6 (3), 8,5 (4), 9,5 (5),
13 (6), 25,5 (7), 28 (8).
Рис. 6.17. 3ависшюсть III J К от
а а о для различных MO leHToB
времени. Цифры у нривых
ln (t, с).
через эту точку прямую параллель
ную заВlfСИl\IОСТЯМ InJ К (ai а о )
(рис. 6.17, пря:мые для t 50 лет).
При применепип метода теl\IпераТУРIIO вреыенной аналоrии для
проrноза длительной податЛИВОСТИ можно воспользоваться завИСII
l\IОСТЮ1И InJ К lnt (рис. 6.18).
ТаКlfМ образом, используя метод напряа.енно вреl\Iеннбй анало
rни, Ю'hем получить длите.'IЬНУЮ деформируемость мерзлых rpYHToB
в широком диапазоне изменения напряжений при постоянной темпе
ратуре, а примсняя метод температурно временнбй аНШlOrии дли
тельную деформируемость для песколькпх фиксированных значенпй
температуры при напряжении, составляющем ОДlfнаковую долю от
нратковременной прочности мерзлоrо rpYHTa.
С целью BcecTopoHHero изучеНlfЯ деформаций целесообразно па
ралле.'IЬНО выполнять испытанrrя по обоим MeToдa ! ана.rrоrий.
6.7. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАльноrо
ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУ ЛЯ ДЕФОРМАЦШI МЕРЗЛЫХ
ТОРФЯНЫХ ТРУIIТОВ МЕТОДАМИ АНАлоrии
Используя методы ана.rrоrий, мы определили ДШI
ТСJIЫIЫll l\IОДУДЬ деформации мерз.rrоrо торфа Ео (на период 50 дет)
д.т:ш раз.1IИ пrОll тюшераТУРJi[ и папряш:ения.
185
:Испытания по Iетоду те шературно вре lенной аналоrип выпол
нены шариковым штюшои (d == 22 ш). ИСПОЛЬЗ0вался низинный
среднера3ЛОflШВШИЙСЯ торф (плотность 1 ;12 riCM 3 , плотность чаСТIlI
1,9 r/см З , влаа,ность 2,4), а такше верховой среДнера3ЛOlпИВШИlJСЯ
(D == 18 20 %) пушицево сфаrновый торф (плотность 1.03 r !С Iз,
плотность частиц 1,5 r сиЗ, влаj-ТШОСТЬ 4,95, температура начала за
мерзания rрунтuвой влаrи 0,08 С С) и для сравнения 1C.тrкозернп
стый песок (плотность 1,8 r'Сl\I З , плотность частиц трунта 2,66 r/СJ\lз,
влажность 0,23). Определения податливости вьшолнялпсь в дшшазо
не температуры от 8 н . з до 30cC для торфа и до 80C для песка.
HarpY3Ka на штаJ\lП задавалась таЮПI обраЗ0М, чтобы обеспечпть
одинаковые осадки в равные l\Ю ШНТЫ временп, т. е. наПРЯj-I,енпя прп
всех температурах составляли ОДИНaJЮВУЮ долю от J\lrновенной
прочностп, каj-I,ДОС пспытанпе проводплось в теченпе 24 ч, а заТЮI
путем обработкп опытпых данных СТРОИЛI СЬ rрафики пша 6.13,
обобщающая кривая и rрафпкп типа 6.18, определяющие П3l\lененпе
J == 11 Ео во ВРЮlеНII при ра3ЛПЧНОlJ температуре. По атому rрафику
находилось значение Ео для t == 5О лет. С ПОIПlj-j,ением температуры
длительный lOдуль общей дефОР IaЦIIП уве.'шчпвается (рпс. 6.19).
Для торфа IaКСИl\IaЛLНЫЙ теl\Ш увели:ченпя ОПlечается в пределах
пнтенсивных фаЗ0ВЫХ переходов nлаrп.
Для песка прослеj-ЮlВается линейная заВПСИJ\IОСТL модуля дефор
:мацпи: от те шературы. Сопоставление значенпй Ео торфа п песка
(табл. 6.4) показывает, что прп температуре, БЛИ3пОЙ к нача."IУ за
мерзания rрунтовой влаrи, модуль дефОр IaЦИИ песка примерно на
порядок ВЫше, че I BepxoBoro торфа. 3aTel\I по мере поют,ения теl\ше
ратуры в сиду большеrо количества превращающейся в лед В:lаrп
пнтенсивность возрасташт модуля дефОрl\IaЦПИ торфа становится
больше, ЧЮI песка, и разнпца в их велпчинах несколько УJ\lеНLшает
ся, но ДЮJ-;е прп 5 С длитедьный модуль дефОРМЮ ШI песка более
чем в 3 раза выше по сравнению с Ео nepxonoro торфа и в 2 раза
низинноrо. Пос;rе прекращения интенсивных фаЗ0ВЫХ переходов CKO
рость возрастания модуля дефОр IaЦШI торфа замедляется и зависи
мость Ео от 8 становится бдизкой к линейной, причем иитенспвность
возрастания Ео для торфа и для песка оказывается одинаковой. Это
Т а б л п Ц а 6.4
Сопоставление ;J.;штельных (за 50 лет) ЗlшчеlШЙ (МПа) l\lерзлоl'О ТО}Jфа п песка
в заВIIСIll\IOСТII от теl\шературы
( ), ос
Тр)'НТ 6 7 8
0,5 1 3 5 Р
Торф BepxoBoii E OP1 40 75 190 23u 255 280 300 "
Торф НIIЗIIННЫЙ Е ОР2 340 425 470 490 510
Песок
Е оп 400 495 650 710 940 1030 1100
Eor/ E OPl 10 6,6 4,34 3.1 3,7 3,7 3.7
Еоп/ЕОР2 1,9 1,7 2 2,1 2,1
183
}f
'1
Ео'fO мПа
Ео,МПа
.
5
.
50
.
2
4
.
.
.
2 -/'
.
о
о
0,3
0,5
о
10
Ео'1О, МПа
Рис. 6.20. 3ависшюсть ДЛI1тсльноrо (за
50 лет) модуля общеЙ дефор raции nep
XOBoro IlУШllцево сфаrноnоrо торфз от
напряжснин (р === 1,07 r 0[\ Р. ===
=== 1,97 r/C)13; fV === 2,3; fV п === 1,3;
е === О.О1 С С, е === 4,5 С).
н.з
7,5
Рис. 6.19. 3авпсшюсть ДЛI1тС'лыюrо MO
дуля общеii д формаЦIlII от те)шературы.
" д,т торфа (I Iшзшшоrо; 2 BCpXO
Boro); 6 П.IЯ прсн:а.
5,0
2,5
О
6
е,Ос
2
4
свидетельствует об упрочненип кристаЛ."Iической решеткн льда 11
о термофлуктуаЦIlОННОЙ природе деформируемости ICР3ЛЫХ rpYHToB.
Полученные по методу напряшеНIIO вреJ\lеннои аналоrпп значе
ния д.:rrительноrо модули деформации позволяют проанализировать
их завпсимОСТЬ от напряп:-;ения (рис. 6.20). Испытания выполнялись
на одноосное Сffiатие при теJ\lпературе 4,5CC. Основные физические
свойства торфа составляли: плотность 1.o7 riсм З , плотность частиц
I'PYHTa 1,91 l'/СМ З , влаа,ность 2,3, влаа-;ность за счет незамерз
шей воды 1,3. Температура начала замерзания rрунтовои влаrи
0.01 СС. С увеличением напряа,ения от 0,2 до 0,7 МПа J\lОДУ.тrь дефор
lIIaЦИИ уменьшился от 100 до 15 МПа, т. е. в 6,7 раза.
6.8. СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦlIII
МЕрзлоrо ТОРФА,
ОПРЕДЕЛЕННОЙ ПЛОСКИМ ШТАМПОМ
И ПОЛУЧЕННОЙ проrнозом ПО METO,l АНАлоrllЙ
Достоверным способом определения деформации
мерзлых rруитов считаются IIспытания ПЛОСКИ I штампом как паибо
лее соответствующие характеру передачи HarpY30K от фундаментов
на основание. ПоаТОi\!У с целью оценки точности проrиоза дефОрl\lа
ЦIIII мерзлых торфяных rpYHToB методами аналоrИII нами выполне
ны исследоваиия, направленные на установление сопоставимости
результатов TaKoro проrноза IJ IIIта?шовых испытаний.
U подзеl\IНОЙ лаборатории в слое песка eCTeCTBeHHoro сложения,
IВlеющеrо, температуру 40c, устраиваJlСЯ цилиндричесКИЙ шурф,
187
а
е
1,ОМПа
60,8
04 о,
,
. - . . - . . . .
50
40
.... ' " .
. .'. "
"':' :"': :I J
v v v v .,.....Т
v v v v .,1.:-7..:-
v v 1 v v . L I.: ":" J " h dш
V v V v . .
0,44
0,55 МПа
6
о
2
....... B .':!.f!c:.. .....
...r!: . . ..
....? .... ....
'.
'. 1,0
....... .....
......
в
1
3
О
400
;ffiШ
t,ч О 0,4 0,86,МПа
100
200 300
Рис. 6.21. Испытание торфа жеСТЮПl шта'IIIШl ПРIl 8 == 40C.
а CXel\Ia установни: 1 торф, 2 штамп, 3 рама, 4 ДlIнаМОl\IСТ!J, 5 ВIIПТОВОП
пресс, б индииаторы, '1 вечномерз.i1ЫЙ песон; б развитие осадни времеИII; в
заВllСИ:МОСТЬ осаДНII от даВ "l{'НIIЛ р; z раСПрf>де.."lСНIIf? напряжеНllй U z по rлуб.ине.
дпа!\IeТрОl\I 30 см, rлубшюй 17 см п заПОЛНШIСЯ торфяной массой с
ПОСЛОЙНЬПI ТРЮlбовапием. Основпые фпзичеСКIIС свойства торфа,
определенные после испытании, составилп: Р == 1,12 r/c"Jo1 3 ; W == 2,8,
Ps == 1,7 {'/см 3 (торф верховой, осоковый с ПрШ\1есью песчаных час
тиц). Испытанпя ВЫПОЛНЯЛIIСЬ после ПРЩlерзания и устаНОВ.'1енпя
стабильной те IПературы. Жесткий lета.'1.Т.шчеСКJIЙ штамп дпаметрщ[
17 см заrруа-;ался ступенчатой наrрузкой, создаваемой ВJIНТОВЬШ
ДOJ\шраТО l, упираеl\lЫlll в раму, ЮIOроа;енную в {'рунт (рис. 6.21, а).
Величина наrРУЗRИ фIшсировалась ДТШа lОмеТрОllI. I-\:ют;дая СТ ТIlень
выдерживалась до условной стабилпзаЦIIIТ осаДЮ-I, НС превышающей
0,02 мм за 12 ч. Протекание осадки штампа во времени и ее заВИСJ[
мость от давления приведепы на рис. 6.21, 6, в. Распределенпе IIа
пряженпй прп всех ступенях паrРУЗ0К вычислялось как в слое I'PYH
та оrраппченной толщины на HCC,J-;Иl\IaЮIО I осповаНШI [Цытович,
1983]. Результаты вычислений предстаВJIены па рис. 6.21, е [] н
табл. 6.5.
Параллельно на основании испытаний па одноосное сrr-;атие
определялась податливость lIIерзлоrо торфа при той ше ТЮIIIерату
ре ( 40c) методом напряженно вре Iеннбй аналопш. Образцы Диа
метром 4 CllI, высотой 11 CllI rОТОВИЛI1СЬ И3 той же rрунтовой массы 11
пспытывались на одноосное С,I-;атпе с ПОllIОЩЬЮ рыча,ыюrо пресса.
188
'
1,
Ч
. .,
С.
)
т а б л 11 Ц а 6.5
.:111'..\11111' :11111'11'111111 ШlIIlIШIЮlllfЙ (uz, МПа) по rлубпне
\JIII ЮIЖДllii ступеНll наrРУЗRИ
)1..111.11'111111 IICIJI
1111jt111II1111"
U.T!J\III,!
r..уБИllа, см
4 8 8 12
12 17
() '.
11,.'0 0,39 0,36 0,3 0,25
1I.li 0,59 0,54 0,45 0,37
II, 0,79 0,72 0,6 0,46
1,0 0,98 0,9 0,76 0,62
По результатам испытаний построены крпвые податливости и оБGБ
щенная кривая, Боторьте ПО3ВОЛИЛll найти завпсимости относитель
ной осадки от папряа-;еНIIЯ для периодов nреllIени, соответствующих
продолжительности уплотнения торфа под штаl\IПОJ\l ра3ЛИЧНЫllIИ CTY
пеНЯllIИ HarpY30K (РIlС. 6.22), при aTOllI соrласно rрафику заВИСJПIOСТИ
осадки штампа от nре Iени (см, рис. 6.21, 6) продолжите.тrьность
уплотнения До стаБИJIПзации первой ступенью составила 144 ч,
J'K'1O ; МПа 1
10
а ./
./
./
1/../
./
./
!II /
/
/
Б'1О 2 О
1,5
VII 1,0
0,5
10 14 18 Znt,c О 0,4
8
6
о
2
6
0,8 б,МПа
Рис. 6.22. Результаты испытанпя BepXOBOI'O торфа по методу напряжеIПIO ВрС
MeHHoii анаJIОI'IШ при 8 == 40C.
а ирины'" ПОД(\Т 111ВОСТ.II; б заВII II.\IОСТЬ ОТНОсIlТс....ьНОй осадни от НаIlрлж Н(fл за П('РIIOД
вреl\1"llll: 1 Н4 ч; 2 100 ч; 3 72 ч, I '7II Сf'НУЩllе .IY'lII. Цифры У ИрllDЫХ Ha
ПрЛШf'нность (МПа).
189
Т а б л II Ц а 6.6
Относительная осадка торфа (lI.IО 2) под штаl\lIlOl\l, обуслов-
ленная СiКlll\IaЮЩИl\1 наПРЯiКениеl\1 О, и временем воздействия
IШiКДОЙ ступенн наl'рузlШ
Пер'IOД уп Давление ПОД r:I"убllна С..I0П, Cl\[
лотненин ПОДОШВОЙ I I I
RЮl\ДОЙ CTY штампа,
ленью lIа l\iПа 0 4 4 8 8 12 12 17
I'РУЗШl, ч
144 0,4 0,3 0,2 0,2 0,14
72 (),6 0,5 0,4 (),25 0,18
100 Н,8 1,1 0,92 0.73 0,5
144 1 1,9 1,6 1 0,6
второЙ 72 ч, третьеЙ 100 ч, четвертоЙ 144 ч. Но пuлучен
НОМУ rрафику б а (C I. рис. 6.22, 6) паходПJIИСЬ значения относи
тельноЙ осадки для каfl,ДО1'О слоя СflШl\lаеllIОЙ толщи в заВПСИIlIОСТП
от I:редне1'О напря;:nеНIIЯ и перпода уплотнения каждой ступенью
на1'РУЗКИ (табл. 6,6). По.'Iученное значение относительной осадки
IIСПО;Jьзовано для определения общей осадки шта:\IIIа 8а расчетным
способо::\!. ПРU1\1енен метод ПОС.'Iойно1'О СУl\вшрованпя
n
8а ба]],i,
о '
(6.21 )
1'де ба; относительная осадка i 1'o слоя СО1'ласпо табл. 6.5; 1],;
толщина i 1'o слоя;
80,4 ==: 40(0,003 + 0,0025 + 0,002) + 50ХО,0014 0,37 1\1М;
80,0 == 40(0,005 + О,ОО4 + 0,0025) + 50ХО,0018 == 0,55 l\П\I; (6.22)
80,8 == Ю(О,О11 + 0,0092 + 0,0073) + 50хО,005 == 1,35 J\ill-l;
81,0 40(0,019 + 0,016 + 0,01) + 50хО,006 2,18 ЮI.
Сравнивая расчетные осадки штампа, полученные на основе
ОТI осительных осадок, определенных .меТОДОl\1 наПРЯffiенно времен
нои анало1'ИИ, и e1'o опытные осадки при различных ступенях па
1'рузкп (см. рис. 6.21, 6), l\lОflШО видеть, что для начальных ступеней
}]а1'Р 'ЗОК получено весьма близкое совпадение. Для последНI Х CTY
пенеи вычисденные величины несколько меньше опытных. Это
является резудыаТОl\l неучета (шредысторию) за1'руа,ения, т. е. To1'o
факта, что часть на1'РУЗКИ была задана ранее, па предыдущих CTY
пенях. В цеЛОl\l следует отметить, что ддя случая за1'ружения по
стоянпой на1'РУЗКОЙ ПРО1'ноз осадок, в котором исходныlпI парамет
рЮIll являются характеристики, подученные :метода1\1И временных
анало1'ИЙ, весьма достоверный. Он всесторонне учитывает проявле
ние реОЛО1'пческих свойств 1'рунтов ВО времени.
190
{,
\1
rЛАВА
РЕI{Оl\IEНДАЦИИ
ПО ИСПО'лЬЗОВАНИЮ ТОРФЯНЫ-Х ПJУНТОН
НАН ОСНОВАниil В СЕВЕРНЫХ ТС.IIOВШI\.
7
7... ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ III J ОШ'ТllrОIl.\IIШI
ОСНОВАНИй НА 3АТОРФОНЛIIIIЫ\. У" \'''1'1( \\.
В РАИОНАХ РАспРоr.ТРАIШIIШI
ВЕЧНОМЕРЗJIЫХ rrYllTOH
Так кю< lI('сущаJl I"llщ'оrillОП'lo M(,P:I.III,I\ ТОРфJlIII.IХ
rруптов в несколько ра:\ BI,IIII(', 'H' I В та.ll(Ш ('0(' l'OJl 11 1111, то, CI::II! IIO
зволнют прпродпые YC.JIOBIIII 11 Т('\IIII.IIOI'II'Н'I:IШС uсuGl'IIIIOСТП ЗДaIНIЙ И
сооружений, це,1lссоuriра:Н'11 111'I'B...ii Jlрll1ЩНП использования вечно
мерзлых ТОРфПII"''' l'PYllTOB В Ю\'JСt"Тl3е uснования: с сохранение)1
l\1(,Р:JЛО1'О ('ОСТШIIIIIН в IIt'pIIOH ('троительства и эксплуатации.
13 УС.JIOВIIП'\: BC'!IIoii мсрзлоты торфяные :залеа.:и обычно прнуро
ЧСIIЫ к ПОВСРХIIОСТII. 11x обводненность 11 заболоченность требуют
ИЮI.:СflСрНОЙ подrотонКИ территории для застройки, В Т01\l чпс:ш и
при пеРВО1\l принципе, так :как В ,летний период поверхностный слой
1'рунтов находится в талом переувлаа;пеННОl\l состоянии. В этих
условиях предпостроечная 1\Iелиорация торфяиых l'pYHTon в ПрIIНЦII
пе мотет быть осущеСТll.Jlена теми а,с способами, что и n районах
се:ЮПIlО1'О Пр01\lерзания 1'pYHTOB, выторфовывапие l, осушенном,
подс"'ш<оп.
UДllако llыторфовьшюше даа.:о иа талых l'руптах ТРУДОЮШО,
СВП:\allO со :lJIаЧ\lТСЛЫI...М\I 1Iштср"аЛЬН...1I1I1 затратами п ПjJияеняется,
каи IIpaBII.JIO, толы\U в IIPC) C.Jla" oellOHallllH СООРУ<l,еIlIlЯ. Уда.'1ение
торфа 11 ('1'0 :!a It'lla ШIIIl'ра.III,III.ши 1'РУlIта)!II в раЙОllах аJlСI'аIlИН
неЧllоij !IIСрЗ,1l0Т'" IIРШП\l'It'("ИII /lСВО:l1l1O;'I.;IIЫ. Ilpll I3ЫПО,1lIll'III!II pafioT в
:нашип пориод IIсоGходlНЮ преДl3арительно ТОрфЯIIОЙ слоЙ разр"'х
лить, а В летний ПОНlшяетсн опасность термокарстопых ЯВ.'Iений,
R тому же затрудняется ПРОХОiIщенис разрабатывающих И транспорт
ных механизмов.
Uсушенпе тало1'О торфяно1'О массива 1\Iожет быть осуществлено
систе1\l0П 1'лубоких дреп и водоотводных каналов. Этот прие1\l позво
ляет улучшить санитарно rиrиенические условия территории, повы
сить прочность И У lеньшить деформации торфяпо1'О Iaссива. УП.'lОТ
нение при осушении проис\:одит длительное вре 1Я, так как торф
медленно дренирует воду, КО:Jффициент филыраЦИII при УП';IOтне
нии уменьшается.
Опыт строительства в АрхаН1'ельске, 1'де этот метод шпроко
применяется, показал, что осушение длится десятки лет и сопро
воащается медлеННЫ1\I, часто нераВПОl\lеРНЫl\1 оседанием поверх
пости на 30 50% от l\IОЩНОСТII торфяно1'О слоя [MopapecKV.JI,
Н.I75 J. ЭТО прнводит К TO IY, что В период эксплуатации ПрОИСХОДIIТ
осадка ПО,ТlОтна доро1', тротуаров. подзе1\lНЫХ КОl\l1\lуникаций, полов
первых :JТаа.:еп зданий, обна;'l,аются свайные фундаменты.
191
v V I I
\/
V V V V V I v v v v
v v v v v v v v v v I
v v v I
v I
v v v v v v v I v v v v v
v [
v v v v v v 1 v v v v v
L J
1 2
ITTT 1 з I'T'T'1 4
б
а
8
1.' : .' .
'Т:Т
1 1 " ': .'. . . .
. . . . .
1:-:-:->:'
Рис. 7.1. Основные схемы работы торфяных I'рунтов при IIнженерноu
ПОДl'отовке террIIТОрПИ под заСТРОIlКУ ПОДСЫПКОII ИЛI1 намывом.
и торфяной С.'lой ПО:JНОСТЬЮ ВОСПРlIнимарт наrрузиу, подсыпиа примеllяется Д.'1я
П.'1аНIlРОВИИ; б торфнной"::слоЙ служит OCHOBaНllenr cOB lecTHO С подсыпиой; в
осноnан:ием С ilУЖIlТ тозы\o насыпноЙ СЛОЙ, давление на торфяные rр)7НТЫ не пере...
дается; 1 насыпной rpYHT; 2 торфяноЙ rPYHT; 3 верхнrrя rраница врчноnrерз
лой тО.llЩИ В естественных УС.1l0ВIIЯХ; 4 то же, ПОС:Jе ПОДСЫПКII.
В условиях вечной мерзлоты осушение связано с еще большп
ми ТРУДНОСТЯМИ, так как вечномерзлая толща является ВОДОУПОр01\l
и ПРIВIенение дрен не обеспечивает оттока ВОДЫ. Осушение здесь
моа;ет быть осуществлено с помощью дренаашых каналов, располо
а,енных в толще торфа, но их устройство :малоаффективно и техни
чески трудно выполнимо.
Наиболее целесообраЗПЫ1\l способом иншенерпой подrотовки за
торфованных территорий n условиях вечной lIIерзлоты ЯБ.1шется
приrрузка торфа слоем минеральноrо rpYHTa подсыпкой или НaJ\IЫ
вом. Если намыв rpYHTa, способствующий оттаиванию ПОДСТШIaЮ
щеrо торфа, ИДIl подсьшка осуществляются в летне осенний период.
коrДа rpYHT оттаял в естественных условиях, торфяной слой уплот
няется, ero прочность увеличивается. При последующем пр/)мерза
ппи торфа в уплотненном состоянии отмечается более высокая пр
с.ущая способность, чем у торфа, замерзшеrо в естественных
условпях.
При инженерной подrотовке территории намывом пли подсыпкой
!\1OFпНО выделить три основные схемы работы торфа (рис. 7.1): 1) под
стилающие торфяные rpYHTLI полностью воспрпнимают наrрузки
1 (.?
и
от COOPYil;l'llllii, т. е. используютсн 1\;11\ 0('111111<111110; 2) торф работает
как OCI!Ollalllll' совместно с ПСКУССТIН'IIIIII ('О:Щ<llIllЫМ слоем IIIпнераль
Horo rpYIITLI; :\) оспование I слуа\llТ юл...(() Ш'I\уественпый слой rpYH
та, наПРШI,t'IIIЮ па торф не пеР('J(аI'IТII.
В ЗЮ\llеlll\IОСТП от cxe !ы I'а "(II' 1.1 11 IIрllпцппа пспользования
rpYHToB II качестве ОСНОШII 11 1 ii 111.1 ri 11 1',110 I'ея оптимальные условия
отсыпкп пли намыва l\IПНСl'а.'I"'IOI'О l'I'YIITa, Дли первой и второй cxe
мы прп пспользоваППII "I' 111'011 11 1\;I'It'C-Тllе основапий по первому
прпнцппу нап,ТfУЧШП(' У("ЛОIIIIII фОI'l\Illроваппя несущей способностп
торфа будут обеспt''II'III,I, 1(00'l(а III'III'РУЗОЧНЫЙ С.'10Й устраивается n
период IlIaKCIIIIIH,III.IIIII'O 110:1\111,1\1101'0 оттапваипя II el'o промерЗLlппе
начнется 110(".111' YII,IIOI'III'IIIIII.
ТаЮ!l\I oril'a:IOl\I, 1'('.1111 1111";t'lюрная ПОДI'отовка осуществляется
спосо(i())[ Ilallll.llla, .II '1IIIIIii IIt'РПОД ее пропзводства nесеппиii;
в процссес Ilallll.llla 111'001:lOiiJ(t'T оттапванпе подстилаЮЩeI'О слоя, за
тем ПОСТl'III'IlIIЩ' 1I.'IO"l'IIPlllle, для KOToporo обеспечпвается lIIаксп
малыю 1!O:l lOil"II.1 ii 1lIIOIIIPiI.YTOK вреllIенп от конца намыва до нача
ла ПрОIlН'р;Jаllllll. 1-;('.1111 НЛaIшровка осуществляется подсьшкой, то
лучшпп ПРрlIОД ДШI I'Р уетройства осеннпй, так как прп атом про
пзойдет предеJl 1.110(' оттаllванпе торфа в естествеппых условиях.
ПРП Ieненпе средств I!CKyccTBeHHoro уплотненпя (катков, TpaHC
порта) позволпт OUi-"ап, торфянпк, а последующее промерзанне под
прпrрузкой обусловит формировапие более высокой несущей спо
собпостп. Вместе с теы IIЮi-hет оказаться целесообразным сохранение
]\ мерзлом состояппи поверхностноrо слоя торфа eCTecTBeHHoro 'сло
iI.РII!Ш без ДОПОЛlштельноrо ero обжатия, тоrда подсыпку необходи
'110 ос.ущеСТВЛRТЬ в конце юпшеrо периода, не допуская оттаиваппя.
J лп третьей cxe lbI раБO'lЫ це,:rесообразно не допустпть или пре
j(l',III,ПО оrраничить оттапвание. Это cOKpaТllТ СрОЮl промерзанпя,
а C.'lI'j(OllaTe.тrLHO, и сроки строительства.
111111 использовании торфяных rpYHToB в качестве основанпй по
III'ОIНШУ IIРIlНl(JШУ, незавпспмо от принятой схемы, С,lIедует PYKO
1I0j('I'IIОllа"l'Ы'П общими рекомендаЦПЯ Пl, разработаппымп для .i\lине
(lаЛ"'II.1 \ I'I'YIITOII [Цытовпч, НП3; Жуков, HJ58; п др.], Ol еНIlВая
11 (ll'iI.J(1' 11('1'1'0 11 pOI(ecc развптия дефОР IaЦII:Й, так как повышенная
}(P(IIOI'III1I l' YI'IIIO("I'I> :II'II\: rруптоп в таЛО I состояннп IIЮi-I,ет привестп к
]IOTI'II(' Y('Toii'IIIII(J('TII :сдаllllЙ II COOPyi-l.ений.
Ври lIШ1I1'111I1 11 Оl:llOlIarlllЯХ слоя торфа пли rруптов с высокой
ааТОРфОШllllI(J(' 1....0 }(." Н о()сспечснпя требуемой песущей способности
обычно ПРДО("I'аТО'111O 11 I'l'дпостроечпоrо оттаиванпя, а необходи lO
дополнптельное YII (10'1111'11111' уплотнением или друrПIIIИ способа ш:.
Прн первоЙ н BTOpoii ('ХI'IIIC работы торфяных rpYHToB можно peKO
мендовать устройство IЮС'ШIlЫХ дрен, а taKi-hе lIIеханическое уплот
ненне. В третьеЙ схеме ()УДl'т достаточно уплотненпя приrрузочным
СЛОЮI. ВО всех случаях необходи?\lO пазначить срокн начала строп
тельства с учетом консолидаЦlIОП1l0rо периода, в течение KOToporo
осуществптся основпой объем уплотнепия.
13 л. Т. РШIaН
193
7.1.1. Определение несущеii способности
I\fep3JtbIX торфяных I'РУПТОВ при первШf принципе
llХ IlCПОЛЬЗ0ваНIIЯ IШR оснований
Как отмечено выше, значптельное вла1'осодера,апие,
наличие пезаl\1ерзшей воды, ползучесть скелета обусловливают
пластИЧНО l\Ieрзлое состояние заторфованпых 1'рунтов при J ОJП
0,25 и торфа незаВИСИl\10 от теl\1пературы. Для 1'рунтов, Иl\1еющих
l\1еньшую заторфованность, ТЮlпературпый диапазон плаСТИЧНО lерз
.'101'0 состояния также довольно велик. ТаКИl\1 образом, практически
все основания, сложенные ТОрфЯНЫl\Ш 1'рунтаll1И, необходимо раССЧIl
тывать по двум 1'руппаl\1 предельных состояний по несущей спо
собности и деформацпям.
СО1'ласно СНиП II 18 76 па1'рузка на фундаl\1енты N дола-ша
назначаться из условия
N Ф/kll'
(7.1)
1'де Ф несущая способность основанпй; k H коэффпцпент надеж
ности.
Для торфяных 1'рунтов так а,е, как и для сильнольдистых, l\IOЖ
но допустить пони,кеиие коэффициента надеа':Ности, если xapaKTe
ристики определены в результате испытаний образцов ненарушенно
1'0 сложения в лабораторпых условиях или несущая способность
определена штампаl\1И н испытаниеl\1 свай. Как показывают данные
В. В. Докучаева [1968], в ЭТОl\1 случае значение коэффициента Ha
деашости можно принять равныы 1 для оснований СООРУп.;ений, срок
службы которых не превышает 10 лет, и равныы 1,1 при сроке служ
бы сооруженпй более 10 лет.
Несущую способность свай следует ПрИl\1епять как l\lеньшее из
двух значений, получаеl\1ЫХ в заВИСИl\IOСТИ от сопротивления сдви1'У
сваи по поверхности ее контакта с 1'pYHTOBbIl\1 раствором ФI и пu
поверхпости контакта раствора с ТОрфЯИЫl\1 1'pYHTo 1 природно1'О
слО,I,еНIIЯ Ф2 (СНпП II 18 76):
Фl ( . Rсд.i.сFСД,i.с + RFc ) т, (7.2)
, 1
Ф2 ( i Rсд.i.рFсд.i.с + RF p ) т.,. (7.3)
t I
{'де т коэффицпент условпй работы; R сд . i . с расчетное co
противление сдшпу торфяно1'О 1'рунта плп 1'pYHToBo1'o раствора по
поверхностп Сl\1ерзанпя со сваей; F сд.i.с рабочая площадь бо
ковой поверхности сваи в пределах i 1'o слоя, CJ\I 2 ; R расчетное
сопротивление НОрl\1аЛЬНОl\1У давлению, l\IПа; F с площадь по
перечно1'О сечеппя сваи, Cl\1 2 ; R сд . i . Р сопротивление сдви1'У по
контакту 1'pYHTOBo1'o раствора с торфяным {'рунтом, МПа; F сд . i . Р
площадь поверхности СДВП1'а, равная площадп боковой поверхностп
скважины в i J\l слое; п количество слоев, на которое разделено
основанпе в расчеТНОl\1 слое; R расчетное сопротивление НОрl\1аль
194
.
.'
J
j
""':
1'-
ro
t:f
:::
\.=>
ro
Е--<
13*
ro
1::
:;.:
5-
о:
t ':.J
ro
::>. '"
:.'. ""
:а
с'\1
:':: I
;;..
E--i
:::
о:
о
...
...
;;.
Е'
><
:s
>&
:?-
Е::
;:
са
t:"::
<)
g
аз
s
1=
с
g-
о
<)
а;>
:s
Е:
р..
;;
I
""
I
"""'
I
""
I
":
I
I
'"
о
о
I
""
о
I
11')
'<I'
С
i.Q ::=J
М с\1 С']
000
1'- "
м с'\1
o"JO:=>
N '<1' со
м С']
::500
,."
(Y)
О
О 11')
М С'] "'""'"
000
11') 00'<1' N
C'l..."'I:""'I
:::>000
Lr:: m lJj
N ..-<..-<
000
О
(у)
о
I со
N ..-< ..,...
со :::> О
(у) ..-<
C'l...."<:""4 "<:"'"4 00:-4
:::>000
..-< <D (у)
t;',] "'0:"'"'1
00':::>
Н')
N
О
(у) (у)
С')
000
'<f< ф 00
О.... О....
0000
<D N Ф
О....
с> О О
00
..-<
О
<D ..-< 00
..-<..-< О
000
['-000 c:.=J...."'t'
"'1:""'0 О О О
0000
м а:: t""-
О О....
000
11')
11')
..-<
::5
'<f< 1'- Q
6;;6
ф 11') '<f< (у)
O O O O
00::>0
' <D
O O
О О о
N
..-<
О
L"O '<1'
566
t""- .....j1 м С']
со O O O
0000
с:> 11') '<f<
О O О
000
11')
1'-
О
О
<D (у) N
:::> C O
::500
11') м с'\1 ""='"""
O OO O
0000
1'- '<f< (у)
О O О
0':::>0
11')
'"1'
О
00
(у) ..-< О
:::> О О
:::>00
11') (у) N
N О О О
OOO O
0000
11') (у) N
О O О
000
:Le
\о ё::
= Е" s.
....
::Е ..::1:::
. ..::1
...... t; s ::s ...
t;; >&:::"" ;;
as p,t) IO C.=J ....l1')
Р-.[; [:::<:00 N 0>&0 N О
О С 0>&\// О \// р-.\// О \//
p:: Q;O;:P-.Y/ V/ У/ Y/ v/ У/
Q:.'. Q[:: "'
o.. ------ 8 о s оМ о S о
g ie :::""" ......0...... а...... о......
Е-<Н' <:[;;;V V v.з v ...... V
с,,) со j.I.j о::а V
c'j о ;:r::M L1.) t)L1.) L1.)
E: [ O... с'\1 :::::0 C'J...
.... '" о I!' О О О Е5 о О о
-fЗ
:=a o
Q о"""""" ro
g E--tU'--' E-I
'" О
Е--<
s
53
'"
'"
""
с.о
;;:
с.о
""
'"
Е-<
:<:
'"
о.
'"
:>1
1'-ОО:=>'<I'
с'\1 -.::""'4 -.::""'4
О О 00
'<1' N"-<
C'J '<:""'I
L..) О О О
ООС'] с":>
-.::""'4""="",,,'<:""'10
0000
MmCOl'o
..-< О О О
О 000
C:.=J Lr:!
-.::""'4 О С О
О О 00
11')
00 L1.) м С'I
O O OO
О О 00
00
ф м С'] О
C> OO
с О 00
с":>
'<f< N ..-< О
O O
':::> О О':::>
11')
с'\1 -.::""'4 ОМ
':::> OOO
::> 000
S
S3
с.; о
:<:\Q
;:1
Q >:; О
с;а CJ :::S
8ЕЗ:Е
:з:: t-Ч =-.::""'4 L1.) C:.D L1.) с
1=[ :з:: r C'J 2 ""=""'... С")
о о:: .. O О О О О
8.S V/ 'VJ v/ V/ / v/
......... С,) t:; р., Е о ..... У/ с:'!
<:[t;[:: О Б 13 5
::EQSro...... о...... "'...... о......
[ V ...... V :'а v ...... v
O" M V L1.) bL1.) V L1.)
O roc O -.::""'4 с'\1 ......:=> '00:."""1 С']
ClJ I!'OOOSooo>&
о з=
E-I:з:: E-I
So::E
5:
с
Е--<
Р-.
195
Т а б л 11 Ц а 7.2
Расчетные СОl!рОТIIБ-'IеНlIЯ l\Iерзлых песчаных подушек, устроенных в торфе,
а таЕЖе торфяных ['рунтов нор'маЛЬНОl\lУ давлеНIIЮ, МПа
I Те1\шерат)'ра, "С
o,21 o,o,,1 1 I 1,51 2 I 3 I 41 61 10
Т а б .'1 II Ц а 7.3
Длительная IIодатливость BepxoBoro среднераЗЛОЖIlВшеrося торфа l\ЮlIOЛIIТНОЙ
Rрlюrенной текстуры, МПа
Впд rpYHTa
Вид Topl>a
I o,3 I O,5 I 1
е, "с
Крупнооблшючные 11 песчаные
ПОДУШКИ (СОl'ласно PYROBOJI 0,55 0,95 1,25 1,45 1,6 -1,95 2,2 2,6 3,3
ству к СНпП П 18 76)
Торфяные I'руиты:
песчаные заторфованные
npIl 0,35 0,55 0,9 1,2 1,5 1,9
0,03 < J om о;;;; 0,1 0;12 0,18 0,25
0,1 < J от о;;;; 0,25 0,07 U,12 0,19 0,3 0,33 0,6 0,861 1,3
0,25 < J om о;;;; 0,6 0,05 0,09 0,13 0,22 0,31 0,46 0,65 0.75 0,9
I'ЛlШIlстые заторфованные
ПРIl
0,05 < J om о;;;; 0.1 0,08 0,12 0,2 0,32 0,48 0,7 1 1,1 1,5
0,1 < J от о;;;; 0,25 0,06 0,09 0,15 0,25 0,35 0,54 0,7 0,82 1,0
0,25 < J OIп о;;;; 0,6 0,04 0,06 0,1 0,18 0,28 0,43 0,57 0,67 0,8
то 0,02 0,04 0,06 0,12 0,2 0,32 0,45 0,52 0,6
НIIЗПННЫll 0,1 0,077 0,067 0,05 0,043 0,036 0,026 0,022 0,018
Верховой 0,25 0,167 0,142 0,111 0,10 0,067 0,05 0,04 О,()3
I 1,5 I 2
3 I 4 I 6 I 10
ваЮЩИ IП жесткость конструктивной схемы, величпны Sпр получены
Ю. М. Мосенкисом [1971]. Фактическую осадку, проrнозируемую
расчетом Sp, MOrI-аю вычислить по формуле
7
n
Sp б/l i Sпр,
i l
(7.5)
рф
5
6
7
rде ]li толщина СЖIП\raе юrо i ro слоя; б i относптельная осадка
i ro слоя за период эксплуатации сооруа;ений при расчеТНОJ\I саш
lIIающем напряженип ai' Зпачепие б i необходимо ВЫЧIIСЛЯТЬ С учетом
нелпнейной ползучестп. Учесть нелинеЙность дефор шрованпя воз
можно в том случае, если при определенпи характеристик С;-Юll\raе
lIЮСТИ (относительной осадки или модуля деформации) дифференциро
вать их в зависимости от величины наrрузки 11 времепи ее воздейст
вня. Это условие выполняется в TO:ll случае, Rоrда деформационные
свойства оцениваются методаllIИ аналоrпй, ПОЗВОЛЯЮЩIНШ выявить
нешшейный характер длителыlrоo дефОР:lшрования.
Выполнеппые нами исследования по проrнозу податшIВОСТИ
мерзлых торфяных rpYHToB позволяют назначить расчетные значе
НIШ относительной осадки мерзлоrо BepxoBoro среднеразлоа,ивше
rося торфа монолитной крпоrенной текстуры при суммарной влаж
ности, близкой к полной влаrоемкостп.
В табл. 7.3 приведены расчетные значения длительной (на пе
риод 50 лет) податливости торфа, которая равна отношенпю OTHO
сптельной осадки к напряа;еншо (} б1а). Используя данные
табл. 7.3, lIIОЖНО рассчитать длительную осадку lIIерзлоrо торфяноrо
основаНIШ ыетодом послойноrо суммирования, представив формулу
(7.5) в виде
вому давлению под торцом сваи, МПа; Р р площадь поперечноrо
сечения скважины.
Примепительно к уСЛОВИЯIl1 установкп свай в мерзлые торфяные
rрунты характеристики и параметры, ходящие в формулы, lIюrут
юшпачаться из следующиХ соображении. Учитывая неоднородпост
и повышенную ползучесть торфяных rpYHToB, коэффицпент условии
работы свай рекомендуется принимать 111 1. Для случая забивкн
свай в плаСТИЧНО lIteрзлые торфяпые rрунты, а таЮ-I,е при установке
их в пробуренные сквааш:ны, заполненные rрунтовым раствором,
значение расчетных сопротивлений сдвиrу и НОРlllальнОМУ давлению
при отсутствии оиытных данных можно принять осреднеННЫIII. Pe
зультаты наших исследований эквивалентноrо сцепления, сопрот :в.
лени я сдвиrу rpYHToB и сдвиrу по иоверхности смерзания, а таКп,е
обобщение данных друrих авторов позволили получить расчетные
значения этих характернстик (табл. 7.1 и 7.2) для rpYHTOB !I10НОЛИТ
ной криоrенноЙ текстуры, в которых все поры заполпены льдом
цементом.
Расчет по деформациям
сравнении расчетных осадоК
соrласно СНиП II 18 76 основан на
Sp с предельно допуСТИМЬПIИ Sпр
Sp Sпр.
Значения предельных осадок ПРИНИllIаютс в зависимост от KOHCT
руктивных решений, срока службы здании и соо уженпи, эксилуа
тационныХ требований. Для зданий и сооружении MaccoBoro строи
тельства они приведены в строительных нормах и правил ах (СIIиП
Il 15 74). Для ЗДaIШЙ с КОНСТРУКТIIВВЫ1l1П особrнпостюш, увеЛIlЧП
(7.4)
n
Sp Jiai]li,
о
rде J i податливость i ro слоя торфа, соответствующая расчетной
температуре этоrо слоя; ai дополнитедьное к природному давле
ние в середине i ro слоя; ]1i толщипа i ro слоя; 1l количество
слоев, на которое разделяется основание в зависимостп от расчетной
температуры. Величпны напряп-;ений, ЮIН которых обобщена подат
лпвость, находятся в пределах 2R> а R, rде R расчетное co
противление торфа нормадьному давленшо, соrласно табл. 7.2.
(7.6)
193
197
7.1.2. Предпосышш расчета торфяных rpYHTOB
ПрIl ВТОIЮl\r прпнципе их I1СПОЛЬЗ0вания
в Iшчестве ОСlIовапИll
а hK/s np .6
20 40
1
2 20
3 2
4 3
4
5 5
О 0,1 0,2 0,3 О 0,1 0,2 р,МПа
'l'аКИl\I обраЗОI\I, если длительная осадка ОКЮЕется l\Iеньше Д04
ПУСТИl\IОЙ для данноrо вида сооруженпй, наrрузка на торфяное OCHO
ванпе I\lOa,eT быть увеличена до зпачеНIIЙ, превышаЮЩIIХ расчетное
сопротивление НОрl\IaЛЬНОl\IУ давленпю.
Как было ОТl\Iечепо выше, повышенная дефОРl\Iпруе
J\IOCTb торфяных rpYHToB в оттаявшеl\I СОСТОЯПIIИ обусловливает rлав
ПЫl\I образом необходимость предпостроечноrо оттаивания и упрочн
ния при втором припципе ПСПОЛЬЗОВaIПIЯ ЭТИХ rpynToB как осн вании.
Однако при незначительной заторфованности и небольшои J\IOЩ
ности торфяных rpYHToB, в TOl\l случае, коrда опи подстилаются плот
НЬПIИ :минераЛЬНЫl\IП, моа,ет оказаться допустимым оттаивание rp)'H
тов основапий в процессе строительства и эксплуатации здании П
сооружений.
Поэтому в общем случае для торфяных rpYHToB ВОЗI\IOЖНО 1) до:
пустить оттаивание в процессе строительства и эксплуатации здании
и сооружений; 2) ВЬШОЛШIТЬ частичное или полное предп строечное
оттапвание на всю rлубину предельнои чаши оттаивания, 3) пред
принять предпостроечное оттаивание и упрочнение.
Наиболее выrОДНЫJ\1 в ЭКОНОl\IичеСКОl\l отношении является пер
вый способ, но он может быть ПРИl\lеНПl\l только тоrда, коrда oca Ka
основапий при оттаивании их в процесс е эксплуатации здании I
сооружений будет меньше предельно допуСТИI\IOЙ, обеспечивающеи
надежность работы коиструкций. D противном случае применяется
второЙ или третий способ с предностроечным: оттаиванием п и с
предпостроеЧНЫl\I оттаиванпе)1 п упрочнениеl\I rpYHToB основании.
Выбор Toro ИЮI JlHorO способа производится на основапии cpaB
пения расчетных осадоК с предельно допустимыJ\ll по условию (, .4).
Предельные осадки соору;-кеиий остаются теми а,е. а фактические
проrнозируются с учетом характеристик оттаивания и C;-I,Иl\Iаеl\IОСТИ
методом послойноrо суммирования.
Если приравнять вычнсленные значения осадок nP!1 различных
напряа,ениях к предеЛЬНЫl\I для проектируеl\IЫХ зданпи и coopya,e
нпЙ. то l\IОЖНО рассчитать ТОJlЩIIНУ слоя торфяноrо rpYHTa в OCHOBa
ния , которая обусловит при данной наrрузке предельную веЛIIЧIIН
осадки, т. е. критическую мощпость торфяны-х: rpYHToB в основаниях
сооруа,енпй ' K:
Рис. 7.2. 3ависи)IОСТЬ отношения КРIIТlIческоЙ толщи торфяноrо слоя
к предельноЙ осадке от давления.
а при оттаиваН111I ПОД даВJеНllем; б при предвар"те:JЬНОМ оттаllваН111I с ПОС.,е
ДУЮЩИМ уплотнением; 1, 2 песчаные, 3, 4 rШlНистые заторфованные rpYHTbI,
5 торф. Цифры У нривых заторфованность.
17 и === Sпр / 1 б i ,
(7.7)
п давления. При этом использовались значения максимальпо воз
J\lO;-КНЫХ для даппоrо давления длительных относительных осадок.
Полученные результаты (рис. 7.2) позволяют выбрать способ подrо
товки торфпных rpYHTOB при нспользованин их в качестве OCHOBa
пий по ВТОрОJ\lУ принципу. С ИХ ПОl\IОЩЬЮ мо;-кно определить отноше
нпе критической толщины каждоrо ВИДа торфяноrо rpYHTa, залеrаю
щеrо в основании, к предельноЙ величине осадки данноrо здания
или сооружения hи/s пр в заШIСIПlOСТИ от давлепия под подошвоЙ
фУНДЮlента. Задаваясь величшlOЙ Sпр, взятоЙ I1З нормативных ДOKY
ментов, по найдеННОl\IУ из rрафика соотпошению hJslIP леrко вычис
лнть критическую ТОЛЩIIНУ торфяноrо слоя /7 и . Сравнивая ее с фак
тпческой l\IОЩНОСТЬЮ торфяноrо rpYHTa в основании, l\IОЖНО выяснить
в пеРВ01\l приблиа,ении ВОЮIO;-кность допущения оттаивания в процессе
строительства и эксплуатации или выявить необходr-пIОСТЬ пред
построечноrо оттаивания и упрочнения. Ес.пи фактическая толщина
торфяноrо слоя под подошвоЙ фундамента l\Iеньше критической, BЫ
ЧllсленноЙ для условий оттаиваПIlЯ под давлениеи (по рис. 7.2, а),
то осадки будут меньше предельных и .mOJ-l,НО допустить оттаllвание
основаннй в период строительства и эксплуатации зданиЙ. В случае,
коrда это условие не соблюдается, осадки будут заведоио больше
предельных и ВОЗJ\lOжен только второй или третий способ с пред
построечным оттаиваННЮI НJШ с предпостроеЧНЫl\I оттаиванием и
упрочнение)l.
Второй способ только предпостроечноrо оттаивания без
упрочнения ДОПУСТИl\l, еСЛIl толщина торфяноrо слоя под подош
вой фундамента больше критической величины, полученной для
условия оттаивания под давлением (рис. 7.2, а), но l\Iеньше таковой,
вычисленной для СJIучая предварительноrо оттаивания и последующе---
ro уплотнения (рис. 7.2, 6).
В случае, коrда веЛИЧllна слоя торфяноrо rpYHTa в основаниях
превышает ее критическое значение для предварительноrо оттаива
ния, МОЖНО ПрIПlенить лишь третий способ фОР!\lирования OCHOBa
rде б j относительная осадка от!аивания и уплотнения торфяно
ro rруита ПОД данной наrрузкОИ.
Нами выполнен расчет критической ТОЛЩIШЫ торфяных rpYHToB,
уплотняемых после оттаиванпя, а также УНJIOтняеl\IЫХ при .?ттаllва
нии под давлением, в заВИСИl\lОСТИ от внда rpYHTa, предельнои осадки
198
199
а
к,
1,2
1,0
0,8
0,6
.0,4
О
ний, сложенных ТОрфНПЬНПI rруптю1И, предпостроечное оттаива
ние п упрочненпе.
rрафики критпческой толщины торфяных rpYHToB построены для
rpYHToB, имеющих ВЛЮRНОСТЬ, равную полной влаrоем:кости. Давле
ние ПРИНИ:\IaЛОСЬ равным среднему дополнительному к прпрод
ному РеР'
Следует отметить, что все выводы, относящиеся к выбору спо
собов пспользованпя rруптов в качестве основаниЙ по критическому
значению ТОРфЯНОI'О с.:rIOя, справедливы только в том случае, коrда
этот слоЙ подстплается ПрОЧНЫI\IИ мпнера.lIЬПЫI\IИ rрунтами пли Kor
да rлубина НIIiRней rранпцы чаши оттапванпя не превышает крити
ческой ТОЛIЦIШЫ торфяноrо слоя. Если rpYHTbl, подстилающие торфя
ной С.lIОЙ, имеют повышенную льдистость пли дают значите.lIьные
осадки прп оттаиванип, то в КЮIЩОМ конкретном С.lIучае необходимо
рассчитывать возможную осадку п в завпсимости от ее величинЫ BЫ
бпрать способ оттапвания rpYHToB. При проектировании по второму
принципу непремеННЫ:\I УСДОВlшм является обеспечение оттока rpYH
товой влаrп пз оттаивающеrо п уплотпяемоrо торфяпоrо слоя, для
чеrо площадь оттаиваемоrо масспва доюкна превышать размеры в
плане ВОЗВОДШIЫХ объектов, ДОЛII,на быть предусмотрена сеть BOДO
отводных спстем с пскусственным ПШI естественным водопонп
шенпем.
0,8
6
О
Ifc/W n '
-0,4
0,8
Рис. 7.3. 3аВИСИМОСТII коэффициента 1(] от Вl1да трунта, степеНI1 влаЖНОСТI1.
а заторфованные песчаные; б заторфованные r.ТПIНистые rpYHTbI. Цпфры У иривых
за торфованность.
rде k I коэффицпент, заВИСЯI!;I;ИЙ от вида rpYHTa, заторфованиости,
степени водонасыщения (рпс. '.3); k 2 коэффпциент, зависящий от
физических свойств rp}HTOB (рис. 7.4); "'3 :коэффпцпент, учпты
К 2 вающп отклопенпе летних п ЗИI\1НИХ те Iператур от
среднеи мпоrолетнеи, равный 1,07 прп оттаивании
и 1 ,03 прп промерзапии.
Подсьшки на торфяных rpYHTax, как и на силь
ПО.lIьдистых, рекомендуется проектировать сплош
НЫI\IИ на вс й застраиваемой территорпи, в преде---
лах которои производится единая вертикальная
П.lIанировка. Устройство местпых подсьшок (только
под зданиями, СООРУШСППЮ,ПI и проездами) обычно
не приводит к желаемым результатам: оставшпеся
пониженпя рельефа служат водосборникамп, повы
шаЮЩИI\ПI температуру rpYHTa.
В случае Отсутствпя песка илп крупнообломоч
ных rpYHToB Д.lIя ПОДСЫПШI незастраиваемой части
территорпи допустимо применение мелкодпсперсных
rpYHToB. Толщппа планировочной подсьшки при cox
рапеНIIII мерзлоrо состояния
rруптов дола,на назначаться,
7.2. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ rлуБины
ОТТАИВАНИЯ 11 ПРОМЕРЗАIIIШ ТОРФЯНЫХ ТРУНТОВ
Намыв п:ш подсьшка rрупта прп ПЮI,енерной под
rOToBKe заторфовапных участков приведет к пзмененпю скоростп
промерзаНIIЯ п оттапванпя. пзменит пх rлубину. Обычпо rрунты,
применяемые для подсьшкп пли намыва, по своему составу п 'I"епло
физпчеСЮI:\I свойствам ОТШlчаются от торфяных rpyHToB прИрОДНОI'О
сло;.:кения, поэтому при расчете rлубпны промерзания п оттаивапия
следует рассматривать тешюфизическп пеоДRОрОДНУЮ двухслойную
илп даже трехслойную среду и воспользоваться прибшы,енными фор
му;rюш [Вялов И др., 1976)
Н == Н 2 + (1 н 2 /н 1 );
Н == Н3 + 1Ll(1 Н з /Н 1 ) + 1L2(1 Н з /Н 2 ),
(7.8)
(7.9)
rде 1Ll и lz'2 толщпны первоrо (сверху) п BToporo слоев; Н 1 , Н 2 ,
Н3 rлубпны оттаивашIЯ (промерзания) rpYHToB для первоrо, BTO
poro п TpeTbero слоев, определяе:\Iые как для однослойной среды.
Ранее вьшолнеННЬПIII исследованиями [Коновалов, Роман, 1975;
Цеева, Роман, 1977] получены переходные коэффицпенты, позво
ляющпе рассчитать rлубину оттаивания (промерзания) основных ВП
ДОВ rpYHToB (в том чпсле п торфяных) с различными физическп:\ш
свойствами по величине rлубины оттаивания и промерзанпя для
песка (Ни), пмеющеrо плотн сть 1,64 r/cM 3 и влажность 10%:
Н == Н п k 1 k 2 k з , (7.10)
200
З,*
2,6
1,8
1,0
0,2
О
0,4
0.8 1,2
Pd (W c IOI H )
Рис. 7.4. 3ависимость коэффициента
1(2 от Pd(W c W H ).
201
исходя из условия подъема верхней rраницы вечной мерзлоты до ypOB
ня естественной поверхности или j-I,e сохранения СJIOжившеrося в прп
родных условиях поло;+;енин указанной rрапицы. Устройство He
большой по мощности подсыпки (25 30 см) нерациональпо. Опыт
строптельства на севере Западной Сибири, в Южной Якутии п друrих
районах показал, что коrда насыпи дороr отсыпаШIСЬ не на всю про
ектную высоту с целью ускорения их IIспользованпя, они за один
теплый сезон полностью поrружались в оттаявший слой п требова
лась повторная отсыпка. Уменьшить объем подсыпки мошно в TO I
случае, если в ее состав ввести слой эффективной теплоизолнции.
РеЗУ.:Iьтаты псследований А. В. ПаВЛОllа [1975] позволяют раССЧIl
тать необходи:иые параметры такой подсыпи,, оценить ее эффек
тпвность.
rрунты подсыпки обычно обладают ХОРОШИМИ дренпрующшIП
СВОЙСТВЮIИ И ПОЭТОМу вся влаrа, способная перемещаться под дейст
вие I rравитацип, удаляется. Остается только влаrа, удеРЖIJваемая
1\ю.тrекулярными силами. В.тrажность устанавливается равной максп
мальной молекулярной влаrоемкости, которая в песчаных rpYHTax
средней крупности равна 3 5 % .
Эти условин являются блаrопрпятными для прпмененпн в Ka
честве теплоизоляции cyxoro торфа, который должеп быть УJIожен в
TeJIe насыпи выше уровня каПIIллярпоrо поднятия влаrи ыипераJIЬ
ных rpYHToB подсыпкп. Н-онструктпвно устройство такой изоляцип
выrлядпт следующим образои: на заболоченную поверхность OTCЫ
пается слой lинеральноrо rpYHTa, толщина KOToporo на 20 30 см
превышает капиллярное подпятие влаrи. После стока rравитаЦIIОН
ной воды укладывается воздушно сухой торф, УП.'lотпяе1\IЫЙ послой
110 давленпе 1 более 0,3 J\IПа. Затем производится подсыпаa 1\шне
раЛЫlOrо rpYHTa толщипой не менее 0,5 1\1. rдубпна сеЗОПIlоrо оттаи
ванпя при таком способе подсыпки 1\ЮII,ет быть оценена по приве
денной выше методике, а мощность торфяной пзоднцип назначена нз
условпй заданной rлубины оттапванпя.
а
15CM
. о ..
.', : ..
'..-. о. -' : ..
v ,- v
-т- -т- -т- -, -т- -т- -т-
V V
V V V
V V
V v V
v v
v V v
v v
v v v ]
v v
v v v л\
V V v v
v v v v
6
. о " : 0-
'. ".а".. '- . . . .4.
,. . о: . "'-0.
v v
-т- т -- т т
v v
v v
v v
v v
v v
v V
v v
v v
v v
v v
v v
V V v
v v
в
.' ь"' ".С: .
". : '.: "."..
. . : :.9 "(1."
: . ':O:. .
v
v
v v
v
V V
V
V V
". v
v v v v
v v v
V v v v
Рис. 7.5. Типы сваll, реКШICндуемые для установкп в lерзлых торфяных
трунтах.
а типовая железобетонная свая с песчаноЙ подушиоЙ под торфом 11 песчано извест
иовоЙ рубашиоii воируr сваи; б свая с армаТУРНЫМII выпусиами по БОJiовоii по
веРХНОСТII и увеличенноЙ ПJощадью торца; в сван с наИЛОННЫМII боиовьшш rраНЯМII.
J om > 0,4 свайные фундаменты реКШlендуется поrрущ:ать в предва
рительно пробуренные скважины, диаметр которых превышает наи
большпй размер сечения сваи на 10 15 см, а расстояние между бо
ковой поверхностью и стенкамп скважины заполняется песчано
пзвеСТКОВЬПl раствором. При этом свап устанавливаются так, чтобы
под их торцом образовадась песчапо известковая подушка высотой
пе шнее 0,5 1\1. Торец сваи вьшолняется без заостренпя.
Целесообразно ПрП IeНЯТЬ сваи с КОНСТРУКТИВНЫ1\Ш особепностя
ми, IIовышающими их несущую СIIособность в мерздых rpYHTax
(рис. 7.5). н- таким сваям можно отнести сваи ершн, по боковой по
верхностп которых в зоне заделки в вечномерздый rpYHT выпущены
арматурпые штыри [Роман и др., HJ78]. НаШIчие штырей увеличи
вает пдощадь смерзапия, вкдючает в работу бодьшпй объем rpYHTa,
OKPYj-т,ающеrо сваю, при этом под штыршш rpYHT работает на сжа
тие, а, как известно, сопротивлеппе мерзлоrо rpYHTa сжатию в HP
скодько раз выше, чем сдвиrу. Несущая способность таких свай
опредедится
7.3. РАЦIIOНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ
НА МЕРЗЛЫХ ТОРФЯНЫХ ОСНОВАНИЯХ
При Ilспользованип торфнных rpYHToB в качестве
основаниii в мерзлом СОСТОЯRIПI пет необходимости отступать от Tpa
дицпонных свайных, столбчатых, плптных фундаментов. Повышение
несущей способности основаиий может быть достиrнуто устройство r
подсьшок, подушек, которые частично пли полностью воспримут
даВJIенпе от фундамента.
С целью увеЛIIченпя сопротивленпя сдвиrу по боковой иоверх
ностп свай их установку в заторфованные rрупты, имеющие затор
фованность J om < 0,4, целесообразно проводить способом забивкп.
Такой способ техническп осуществим, так как в большипстве с.пу
чаев, как было показано, заторфованные rpYHTbl находятся в пла
стично меРЗЛо)l состоянии. В торф II заторфованные rpYHTbI прп
202
ф 1,1 ( RCM.iFcM.i + Riлrlk i + RF):
(7.11 )
rде R сд .; расчетное сопротивленпе rpYHToBoro раствора сдвиrу
по поверхности смерзания для середины i ro слоя веЧНОJ\1ерзлоrо
rpYНTa; F см.; площадь поверхности смерзания i ro слоя вечно
203
мерз:юrо rpYHTa с боковоЙ поверхностью свап; R i расчетное дaB
ление на мерзлый rрунтовый раствор для середины i ro слоя; R
то же под НlIiI,НИI\I KOHЦO I сваи; r, 1 соответственпо радиус и длп
на выступающих арматурных стержпеЙ; " ; количество стержней
в пределах i ro слоя; F площадь поперечноrо сечения сваи; п
число слоев вечномеРЗ.'Iоrо rpYHTa, на которое в расчетной схеме
разде:Iяется основание.
На:Iичие вьшусков из арматурных стерашей повышает несущую
способность сваи на 20 30 %. Примерно такой же эффект дает
устроЙство шероховатостеЙ па поверхности сваЙ, повышающих силы
смерзания с rpYHTOI\I.
Несущая способность rpYHTa используется более полно, еслп
поверхность сваи вьшолнить наклонной. В ЭТШl случае rpYHT рабо
тает не только на сдвиr по поверхпости смерзания, но и частично
на са,атие. По этой СХЮlе работают коническпе и пираl\Iидальпые
свап, нашедшпе применение в талых rpYHTax. ЛабораТОРНЫI\Пl опы
тами [Роман, Пльиных, 1976] устаНОВJlепа ::Jффективпость примене
нпя пираl\Iидальных сваЙ п в мерзлых rpYHTax. П. И. rУШlIIЬПI
[1981] в результате натурных испытаниЙ таких свай в условпях
r. Якутска показано, что при одинаковом объеме с круrЛЫl\lП или
призяатичесюпш несущая способность пираl\IидальнЫх свай на 20
50% выше. Чтобы исключить лишниЙ расход бетона, уменьшить BЫ
пучивание, целесообразно R деяте.'IЬНОI\I слое выполнять поверхность
свап вертикальноЙ, а уклон задать только в «рабочеЙ» зоне. пи;.ке
верхнеЙ rраницЫ ве'птояерзлых rpYHToB (рис. 7.5, е). Нами получена
расчетная схе ш работы сваи с наклонной боковой поверхностью
в мерЗ:IОI\I rpYHTe. При этом принято предположение, что силы CMep
зания rpYHTa с боковой поверхностью свай не зависят от уrла накло
на поверхности, т. е. удельное их значение одинаково для сваЙ с
вертикалыюЙ и наклонноЙ боковой поверхностью при прочих paB
ных условиях. УВСJIиченпе несущей способности сваЙ, имеющПх
наклонную боковую поверхность, происходИТ исключительно за
счет сопротивления саштию "шрзлоrо rpYHTa BOKpyr сваи, и это co
протнв:шние будет тем больше, чем больше уrол наклона поверх
ности. Сопротивление внешнеЙ наrрузке сван с наклонной боковоЙ
поверхностью так ;'1',1', как обычной, направлено вертикально п про
тивопо.'IОЖНО этоЙ наrрузке. Ero величину можно разлоа,ить на co
противление сдвиrу, параллельное боковой поnерхности, и сопротив
ленпе сжатию.
Схеиа предельноrо напряженноrо состояния в спстеме свая с
наклонноЙ боковой поверхностью l'PYHT может быть представлена
в виде rрафика (рис. 7.6, а). Радиус Kpyra ОА и меньшиЙ катет Tpey
rольннка ОС пропорциональны сопротивлению сдвиrу по боковой
поверхности вертикальной сваи R сМ" ВтороЙ катет треуrольника
CD ПРОПОРЦIIонален сопротивлению С;'I,атия мерзлоrо rpYHTa R сЖ'
Если пз точки О под уrлом а, равным уrлу наклона боковой поверх
ности пирюшдальной сваи, провести прямую и из точки ее пересече
нпя с окружностью А' опустпть перпендикуляР до пересечения С
ПрЮlОй OD, то ero величина А' В будет пропорциональна удельному
204
IN
I
: . '
I . R йт
а
д
д'
6
,/J/
,
........
1.
Рис. 7.6. Воз)южные варпан
ты разложеНl111 УСИЛI1I1 в pac
четноЙ СХЮlе сваи с НaI,ЛОН
ноп БОКОВОIl поверхностью.
Пояснения в тексте.
еопротивлению мерзлоrо rpYHTa по боковоЙ поверхностп пираl\IИ
дальной сваи R. Из rрафика впдно, что С увеличение"l уrла наклона
поверхности R увеличивается, и если а == :Ю, то R == Rсн;'
Распределение усилиЙ в расчетноЙ схеме пирамндальноЙ сваи
можно представить также следующим образом (рис. 7.6, 6). Сопро
тивление сдвиrу направлено вдоль боковой поверхности, а сопро
тивлеНllе сжатию перпендикулярно ей. Тоrда суммарное сопротивле
ние Rc может быть наЙдено из треуrольника сил. Прп вертикальной
наrрузке на сваю удельное сопротивление rpYHTa по fiоковой поперх
ности R будет равно вертикальноЙ проекции силы R с' Такая pac
четная схема апробирована П. И. fунпным [1981]. Аналитическпе
выраженпя зависимости удельноrо общеrо сопротивленпя свап с
наклонной боковоЙ поверхностью R от уrла наклона а, сопротпвле
ния сжатию мерзлоrо rpYHTa R сж и СОПРОТIlвления сдвпrу по верти
кальноЙ боковоЙ поверхности по обепм расчетным схемам совпадают
п И ШIOТ ВI1Д
R == R C !\1 cos а + R сж SiIl а. (7.12)
Анализ расчетноЙ СХЮIЫ, прсдставленпоЙ на рпс. 7.7, 6, пока
зывает, что максимальная несущая способность основания будет
обеспечена в том случае, коrда направление внешней наrрузкп .У
будет параллельньш силе Rc. Весьма эффективным на торфяных
rpYHTax может оказаться ПРИl\Iенение сваи с шайбой рис. 7.7 [Поле
щук и др., 1981]. На рис. 7.7, а представлена конструкцпя свапс
шаЙбой, которая рекомендуется к применению на заторфованных
участках, при инженерной подrотовке территорпи подсыпкой ИЮI Ha
.l\1ЫВЩI. В зимний период до начала НЮIыва поrружают в торфяной
rpYHT eCTecTneHHoro сложення с отметкоЙ А трубчатую сваю 1, ]Пlею
щую поперечные сквозные каналы 2. Часть сваи 4 ниже каналов
может быть выполнена сплошной. На сваю 1 свободно надевают ;'I,еле
зобетонную шайбу 5, которая снабжена предохранптельньш Фарту
205
а
6
шайбой и заполняется раствором верхнпii РRсширенныii участок
скваашНЫ.
Целесообразны на заторфованпых участках фундаыенты с раз
витой площадью опоры. Среди них заСЛУiтшвают ВНlпrанпя ПрОСТ
ранственные фундаменты [rончаров, Н.УТВПЦКRЯ, 19791, которые
имеют большую поверхность оппрания, передают неЗНRчптельную
наrрузку, обеспечивают естественное охлаiт;:дение оснований в ЗПI\J
ний период, сохраняя ero в мерз.ТЮI\I состоянтш.
Вследствие большой rиrроскоппчностп II шлой теплопровод
ности торф сдертивает интенсивность сезонноrо про,\1ерзания. Прп
влажности, меньшей полной влаrоемкости, силы смерзания торфа с
поверхностью фундаментов не значительны или совсем отсутствуют.
Блаrодаря этим свойствам торф рекомендуют применять в качестве
противопучинной изоляции фундаментов [В ялов и др., 1969].
Защита фундаментов от действия касательных сил пучения ocy
ществляется в результате заполнения пазух котлованов и траншей
ТОРфШI. Нормальные силы пучения можно предотвратить устройст
BOI\I торфяной подсыпки под подошвой фУНДRI\Ieнта. Однако ее псполь
зование целесообразно лпшь для сооружений с незнаЧIIтеЛЬНЫl\lИ Ha
rрузкюш на основание (например, резервуаров).
В КраСНОЯРСКОl\l ПРЩIстройНИИпроекте вЫНОЛНЯШIСЬ тепловые
расчеты [Коновалов, Роман, 1972; Роман, Пахомова, Н)74] по BЫ
явлению оптимальных размеров торфяной изоляцип. Результаты Ta
ких расчетов ПОКRзали, что торфяная засыпка пазух траншей и KOT
лованов значительно уменьшает rлубину нромерзания около стен
оттаиваемых зданий (до U,1 0,2 м). При этом достаточно ТОЛЩIIНУ
засыпки принимать в пределах 1 1,5 м, так как последующее ее
увеличение несущественно снпзит промерзание. Применен.ие засып
ки позволяет уменьшить rлубину заложения фундаментов, обусло
вив ее только несущей способностью {'рунтов оснований.
Аналоrичные расчеты, выполненные нами для торфяной пзоля
ции в основаниях необоrреваем:ых емкостей в условиях севера За
падной Сибири, показали, что слой торфа высотой 1,2 м с влаж
ностыо 300% и плотностыо cyxoro {'рунта Pd == 0,3 r/c!\I 3 полностью
исключает промерзание и оттаивание подстилающи"\. rлинистых {'pYH
тов п, следовательно, предотвращает деформацпи, ВОЗI\ЮiI;:ные при
пученип и оттаивании.
В качестве противопучпнной ИЗОЛЯЦШI предпочтительно исполь
зовать слабо и среднеразложившийся торф с влажностью, не пре
вышающей 200 300 %; укладку производить слоями 15 2U см с
тщательным послойным уплотнением. При этом давление от трамбов
ки пли катка должно составлять не менее U,3 МПа. Уплотненный
торф I\IOiI,eT выдержать давление 0,05"':"0,08 МПа и слушить OCHOBR
нне,,! отмостки и тротуаров.
Для устройства изоляции фундаментов достаточно заполнить
торфом пазухи котлованов и траншей. Поверхность торфяной засып
ки должна быть покрыта слоем бетона илп щебня п асфальтирована.
. '.
." .-.о
fD
,о А
в
-.. . .. ..
// /// / /,
:... '1'. -: ....
:::.''-:'\ '::
+. t
.0
.' ..... .: :
: e.
..
. . .
. '.
. . . . . .. .
. '.. . . ....
"... ..
.. о"..
., '::.". .:::: .':': '.' './8
; ;>i: =:: >::'f2
. . IA
I -: . . J..
".' '. ':. I С
'. .-т:."",' -т ."'Т'"
.'5
"'ТТ"'ТТТ,.......
2\
9
Т-ТТТ_ТI"
'--4
W
11
Рис. 7.7. КОНСТРУКЦИЯ сваи с шаiiбоii ДЛЯ установки.
а при иннwнерноЙ подrотовие территории под заСТрОIШУ намывом пли подсыпиой'
б буроопусиньш способоы в вечноыерзлые I'рунты. Остальные полсненин в теисте:
ком 6 п уплотнптеЛЬНЫI\IИ манжетамп 7 для преДОТВращения попада
ния в полость сваи намываемоrо {'рунта 8. В шайбе на ее внутренних
плоскостях предусмотрены уrлубления 9 для скреПJIения шайбы со
сваей. ПОСJIе установкп шайбы намывается {'рунт до требуеl\ЮП OTMeT
ки В, происходит ero постепенное УПJIотнение. Шайба независимо
от свап уплотняет под собой оттаявший {'рунт eCTecTBeHHoro СJIоже--
ния и вместе с УПJIОТНЯЮЩПI\IСЯ {'рунтом опускается внпз от отметки
А до отметки С;. Коrда осадки стабllJIIIЗПРУЮТСЯ, через внутреннюю
полость верхнеи части сваи в полости шайбы наrнетается раствор.
После ero затвердевания свая и шайба становятся I\ЮНОJIИТПО связан
НЫI\Ш между собой и работают совместно. Под подошвой шайбы {'рунт
воспрпнимает нормадьное давленпе, по боковой поверхности сван
оказывает СОПРОТИВJIение сдвиrу.
Возведение таким обраЗОl\1 свайноrо фундаl\1ента с шайбой обес
печивает созданпе надлежащей плотности {'рунта под шайбой и бо
лее полное ИСПОJIьзованпе ero несущей способности. Установить
сваю uC шайбой l\IОЖЗ;О также БУРООПУСКНЫ:\l спосоБО:\I (рис. 7.7, 6).
С этои цеJIЬЮ до rлуоины заде.тrки подошвы шайбы, которая доджна
находиться ниже верхней rраницы веЧНОl\1ерзлоrо {'рунта, бурится
скважина диаметром d 1 , превышаЮЩИl\1 наибо.тrьший размер шайбы в
плане на 5 см. rлубже ЭТОЙ отметки размеры скважины должны
отвечать требоваНИЯl\1, излтн:еННЫI\I выше (d 2 Ь + 15 см; h > hc +
+ 50 см). Участок скважины, имеющий диаметр d 2 , заПОJIняется пес
чано известковым раствором, объем KOToporo подбирается из условия
полноrо заполнения пространства между поверхностью сваи и CTeH
камп скважины. Затем с ПОl\IОЩЬЮ крана устанавливается свая е
205
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
торфяные rрунты различноrо rенезпса, состава и строения как едп
ную rрунтовую систему.
3. Для проrноза дзительной прочностп мерзлых торфяных
rpYHToB ПрИI\IeНIJ:\IЫ основы кпнетпческой теории прочностп твердых
те.lI, рассматривающей разрушение как термофлуктуацпонный про
цесс. При этом необходимо: учитывать мноrокомпонентность, CTPYK
турпую неоднородпость мерзлых торфяных rpyHToB посредством YCTa
новления корреляционной зависимости прочностньп: характеРIl
стпк от обобщенных показатеJIей физпческих свойств, времени и
температуры; отпоспть передаваемое напряженпе не к rеометриче
ской ПЛощади сечения, а к площади, занятой твердыми компонепта
I\Ш (частицами rpYHTa и льдом).
4. Для проrноза длительной деформации мерзлых торфяных
rpYHToB применимы методы те]l,шературно и напряfI,енпо временпыIx
аналоrпй, сущность которых заКJIlочается в интенспфикации CKO
рости деформирования повышением температуры плп уве.1lичение 1
напряжения, что идентично ВШIЯнпю времепнбrо фактора. Повы
шением температуры ИШI уве.1lичением напря;.t;еНI1Я достиrается
одна и та 1I,e ве.1lичина деформации rpYHTa за более короткий пе
рпод, что позволяет по даННЫ)1 кратковременных пспытапий про
rнозировать дефОр)IaЦИII на ДJПIтельпый период, сопостаВIIМЫЙ со
сроком службы СООРУfl,епиЙ.
5. Разработанные в механике мерзлых мелкодисперспых
минеральных rpYНToB методы IIспытаНIIЙ примеНIJ:\IЫ и для торфя
ных Прl1 УС.1l0ВИИ учета особенностей их свойств п характера пове
дени я под наrрузкамп. Основной причиной ВШIЯнпя масштабноrо
эффекта на результаты пспытаниЙ является зависпмость начальноЙ
поврежденностп (различноrо рода дефектов, в ТЮI ЧПС.1lе CTpYKTYP
ных) от размеров испытываемых моделеЙ. С достаточной для прак
тпческих целей точностью КО.1lIIчественное определепие попрсшден
ности различных моделей МОтет быть выполнепо по эксперимен
тальным данным на основаННII представлений о том, что длительная
прочность зависит от отношеНIIЯ степени повреащенности в момент
разрушеНIIЯ к степени поврежденности до ПРИЛОJI,енпя наrрузки.
6. Мерзлые торфяные rрунты MorYT служить надежпыми OCHO
ваНИЯI\lИ зданий и сооружепий. В ряде случаев целесообразно ocy
ществлять инженерную подrотовку террIIТОрИИ, папраВ.1Iенную па
увеЛIIчение несущей способности, уменьшение деформируемости,
реrулировапие теl\lпературноrо режима. Рациональными типами
фундаментов па веЧПОllIерзлых заторфованных rpYHTax являются
фундамепты с развитоЙ площадью опоры, а также свайные опоры
с КОНСТРУКТИВНЬJ:\Ш особенностями, повышающимп их несущую
способность.
Дальнейшее развитие исследований в облаСТIJ физикп п Mexa
нпки мерзлых торфяных rpYHToB ДОЛJIШО заключаться в уrлублепии
представлений о физической природе прочности идеформируемости
всех rенетических разновпдпостей промерзающих п оттаивающих
rpYHToB, о характере поведения их в массиве прп освоенпи и застройке
заторфованных террпторий.
На данном этапе, в том числе с учетом результа
тов, изложенных в настоящеЙ работе, основные итоrп исследований
формирования фПЗИКО l\Iеханических своЙств мерзлых торфяных
rpYHToB сводятся к следующему.
. 1. Большая водоудеРiIшвающая способность растительных OCTaT
ков, их подаТJIlIВОСТЬ, особый характер взаимодеЙСТВIIЯ с rрунтовоЙ
влаrой формируют следующие основные особенностп мерзлых торфя
ных rpYHToB:
высокую льдистость и значптельное количество незамерзшей
воды, существенно зависящее от начальпоЙ ВЛЮI,НОСТИ;
ярко выраженные реолоrические свойства, включающие все
характерные стадип (неустановппшуюся ПО.1lзучесть, пластично
вязкое течение, проrрессирующую ползучесть). D меРЗЛО)1 торфе II
СИ.1lЬНО заторфованных rpYHTax преобладает стадия установившеrо
ся вязкоrо течения. Для них расчетное напряжение С.1lедует прини
мать равпым пределу длптельноЙ ПО.1lзучести (по Н. Ф. ВоЙтков
скому) апалоrпчно льду. Для слабозаторфованных rpYHTOB xa
рактерна как стадпя незатухающей ползучести (прп больших Ha
пряжениях), так и незатухающей. Расчетное напря;.t;енпе таких
rpYHToB следует назначать равным пределу длительной прочностп
(по С. С. Вялову) аналоrично l\ш.неральным rpYHTaM.
2. ОбобщаЮЩИl\III показателшПl фпзпческпх своЙств мерзлых
торфяных rpYHToB раЗJIIIчноrо rенезпса, состава п строения, а такл;е
факторов, определяющпх скорость криоrеппых процессов, яв
ляются:
заторфованность;
спмплексы водных свойств (отношение СУJ\lмарной влаJI,НОСТИ,
колпчества незамерзшеЙ воды к полной ВJIаrоемкости);
относительпые содера,ашIЯ твердых компонентов (частпц rpYHTa
и дьда) в едишще объеJ\lа;
отношенпе текущеrо значения температуры к температуре Ha
чала замерзания rрунтовой влаrи (rомолоrическая температура);
отношепие периода протекания рассматриваемоrо процесса к
перподу свободноrо колебания атомов.
Использование обобщающих показателей позволяет обобщить
опытные данные по опредеJIению теплофпзпческих, деформацпонпых
и прочностных свойств, выявить основные закономерностп их из
)Ieнения в ШПРОКО)I диапазоне температуры, физическпх свойств
11 BpeMeHHoro фактора; дает ПОЗМОJI,НОСТЬ рассматрпвать мерзлые
208
14 л. Т. Роман
209
ЛИТЕРАТУРА
liошеJlOlШ А. Н. ]\IIСТРУНПIВIIЫI' УIЫ:lillll!Л но J1аuораторIlЫ 1 ЮТОi\а 1 Ollpe
делеНI1Я температ р п('реохлаждеНlIЯ I1 начала за LCрзаllllЯ rpYHToB. В КН.:
l\Iатериалы ио лаоораТОРНЫ)1 исследованИЯl1 мерзлых rpYHToB. Вып. 2. M.
Л.: Изд во АН СССР, 1954, с. 16 32.
Бойко И. В. О ВОЗ)ЮЖНОСТI1 I1спользования зависи)юстеll ХI1мпчеСКОII Tep
l\ЮДlIна ПШI1 для КОЛI1чественноrо Оllисания водно физпчеСКIIХ свопств дисперс
ных rpYНToB. В КН.: Матерпалы Всесоюз. нау'шоrо совещанпя по мерзлото
ведению. М.: Изд во МТУ, 1972, с. 301 312.
Бондаренко Н. Ф.. I\оваленко Н. П. Водно фпзическпе свопства торфяни
KOB. Л.: rI1ДРОl1еТ('Оllздат, 1979. 159 с.
Бровка Т. П. Исследованпе характеРИСТI1Н BHyтpeHHero теI1ЛО I1 l1acco
переноса в торфе с цел ю проrноза водноrо и теиловоl'О режшюв при ПрО)ICрза
нии торфяных залежеи: Автореф. канд. дис. Минск, 1981. 22 с. (Пн т
торфа БССР)
Бродская А. Т. Сжшше)юсть IeрЗЛЫХ rpYHToB. М.: Изд во АН СССР,
1962. 98 с.
БРОНЗ0В А. Я. Верховые болота Нарьшскоl'О края (бассеI1Н р. ВаСЮl'а
Ha). М., 1930. 100 с. (Тр. Ин та торфа, вып. 3)
Васильев Б. Д. Возведение капитальных здаНИIl на сильносжимаЮIЫХ oc
нованIlЯХ. Л. М.: СТрОllпздат, 1952.
ВаСЬКОВСКIIЙ В. Торфяное дело на ЛИНI111 СllБИРСКОIl железноii ДОРОI'П.
СI1б., 1901.
Варлыl'IШ П. Стеиень разложеНIIЯ и стеиень rУl1lIфинаЦIIП торфа. В КН.:
Труды Центральной торфяноii станЦПII, 1930. вып. IV, с. 5 53.
Варлыl'ИН 11. Стеиень разложения I1 стеиень I'У ШфI1каIIIIII торфа. В кн.:
Труды Центральноii торфяноЙ станцип, 1969.
Велли Ю. Я.. Карпов В. М., Иванов В. Н. Результаты иолевых и лаfiора
торных lI следоваНI1ii сил смерзания меРЗЛЫ"l;: rpYHToB. Тр. совещания сеМII
нара по 0Оl1ену опыто ! строптельства в сурUВЫХ КЛIПIaТlIческпх условпях. Bop
кута: изд. l1.раСНОЯРСКИРШIстроiiНИИпроекта, 1966. 6 с.
Вентиель Е. С. Теория вероятности. М.: Наука, 1964. 785 с.
Винокуров Ф. П., ТетеРЮIII А. Е., ПIlтерl\ШН Н. А. Строительные своЙства
торфяных rpYHToB. Минск: lIзд во АН БССР, 1962. 283 с.
Вихляев И. И. к вопросу о торфяном образованИII I1 пзучеНIIИ ТОрфЯНОI'О
дела. Вестн. торфЯНОI'О дела, 1922, .N'2 1 2, с. 9 17.
Войтковский К. Ф. l\1еханические свойства льда. М.: Изд во АН СССР,
1960. 99 с.
Воларович М. П., Чураев Н. В. l'Iсследование торфа при I10МОЩИ радио
aRТИВНЫХ нзотопов. М.: Изд во АН СССР, 1960.
Воларович М. П., Чураев Н. В. Современное состояние II методы фИЗIШИ
п фIIЗI1КОХИl\IIII1 торфа. В КН.: Труды Междунар. KOHl'p. I10 торфу. Л., 1963.
Вотяк'?,в Н. И. Фпзико шханпчеСКI1е своllства МНОl'олетне юрзлых rpYHToB
Центральнон ЯКУТIIИ. М.: Изд во АН СССР, 1951. 62 с.
" Вотяков Н. И. ФИЗlIко механичеСКllе CBOnCTBa rpYHToB ЯКУТI1И. HOBO
СI10ПрСК: Наука, 1975. 175 с.
Вялов С. С. Длительная I1рОЧНОСТЬ веЧНШIeРЗЛЫХ I'рунТОв и доиускае)IЬЮ
на них давления. Тр. Иl'ар. науч. исслед. станции, 1954, ВЫII. 1.
Вялов С. С., Цытович Н. А. Оценка несущеЙ спосоБНОСТI1 свЯЗНЫХ I'рунтов
ио веЛИЧlIне вдаВЛI1ваНIIЯ сферическоrо штамиа. Д окл. АН СССР 1956 т 111
;N!! 6. ' ,. ,
Вялов С. С. РеОЛОI'I1чеСКI1е своЙства и несущая СI10собность мерзлых rpYH
TOB. М.: Изд во АН СССР, 1959. 188 с.
Вялов С. С. Длительная прочность мерзлых rруитов I1рИ иереl1еИНОIl Ha
I'рузке I1 тюшературе. В КБ.: Труды V Всесоюз. совещания семинара ио об
М,ену ОИЫТОl1 стрuительства в суровых КЛlIматических УСЛОВIIЯХ. Т. VI, ВЬШ. 5.
Красноярск, 1968, с. 5 17.
ялов С. С. Длительное разрушеНlIе l1ерзлоl'О I'рунта как термоактивиро
ванныI1 процесс. В КН.: Труды 11 Междунар. конф. по мерзлотоведеПI1Ю.
ВЫI1. 4. Якутск, 1973, с. 16 26.
Вялов С. С. РеОЛОl'lIческие основы механики rpYHToB. М.: Выст. шк.,
1978. 447 с.
Аболин Р. 11. rеоботаническое I1 иочвенное ОI1псанпе Ле
но Вилюйскоii раВНI1НЫ. Тр. КШllIС. АкадеМI1И наук I10 изучеНIIЮ ЯАССР,
1929.
Аксенов А. П., Докучаев В. В. l\:ритеРI1П пластпчно юрзлоrо состоянпя
засоЛ('нных rpYHToB. Науч. тр. Лен3НИИЭП, 1978, с. 13 18.
А:Iександров А. П., ЛазурюIН Ю. С. ВысокоэлаСТI1ческая деформация
ПОЛШlеров. ЖТФ, 1939, т. 9, вып. 14, с. 1249 1261.
А.'lCксандров А. П. МОРОЗОСТОЙIЮСТЬ ВЫСОRо)юлекулярнЫХ соединеНlIii.
В кн.: Труды I 11 11 конф. по высокомолеКУЛЯРНЬПl соеДlIненпям. М.: Изд во
АН СССР, 1945, с. 49 59.
Антонова А. А. Результаты псслеповаНIШ тепловых своЙств I'орных I10рОД
Якутпп. В кн.: Тепло и массообмен в l1ерзлых почвах 11 I'орных породах. М.:
Изд во АII СССР, 1961, с. 121 128.
Аl\Iарян Л. С. Структурно механичеСКlIе cBoiicTBa торфяных залежеii: AB
тореф. докт. ДI1С. КаЛIIНI1Н, 1967. 51 с. (l-'о:алIlНIIН. ИОЛlIтехн. пн )
Амарян Л. С. Про'шость И дефОРМlIруемость торфяных rpYHToB. М.:
Недра, 1969. 192 с.
А!\шрml Л. С. ФПЗlIко химические основы классификац!ш CTpYKTYPHO IC
хаНlIческнх своЙств торфяных rpYHToB. В КН.: Матерпалы к I Всесоюз. конф.
по СТРОI1тельству на торфЯНЫ"l;: I'руптах. Ч. 1. l,аЛIIНlIН: пзд. иолитехн. I1н та
1972, с. 165 178. '
Аl\ШрЯН Л. С., MllpOHOB В. А., rалкнн Н. Н. I вопросу IIсследованпя ыe
ханичеСКIIХ характеРI1СТIIК мерзлых торфяных I'pYHTOB. В КН.: Тез. докл.
ВсесоIOЗ. совещ. «011101'1' строительства основанпii на веЧНОl1ерзлыХ I'pYHTa ).
М.: I1ЗД. НИПОСП, 1981, с. 17() 171.
АНДРIШНОВ П. И. Те11пература за lерзаниЯ I'pYHTOB. М.: Изд во АН СССР,
1936. 16 с.
АфанаСI1К Т. И. Исследование водно тепловоl'О реЖlIма НИЗI1ННЫХ торфя
ников В ЗШ!Нllii IIериод: Автореф. канд. ДIIС. Минск, 1965. 25 с. (Ин т TOP
фа БССР)
БаКУJIIН Ф. Т., Жуков В. Ф. Деформация мерзлых ДIIСllерснЫХ rpYHToB
ПрI1 оттаивании. Изв. АН СССР. Отд. техн. наук, 1955, ;N!! 7, с. 86 117.
Барковская Е. Н. 3акономерностп формпроваНI1Я теI1ЛОПРОВОДНОСТI1 rop
ных пород различноrо состава и строения I1Pll пршшрзанпп и оттаиванпи: AB
тореф. панд. ДI1С. М., 1982. 27 с. (MrY)
Бартенев r. М., 3уев Ю. С. Прочность И разрушеНI1е высокоиластИЧНЫХ
материалов. М.: Хшшя, 1964.
БаРЫШIlI1КОВ М. К. ОСОКОВО l'lIпновые болота заиадноl'О ВаСЮI'аньЯ.
В КБ.: Бюл. ин та луrоводства и культуры болот. Вьш. 2. ДМIIТрОВ, 1929. 38 с.
Безухов Н. И. Основы теорип ynpyroCTI1, I1ластпчностИ I1 ползучестп.
М.: Высш. шк., 1961. 585 с.
Бел:ов М. П., ОRладнпков О. В., Старков В. Ф. Манrазея. МаНl'азеiiСRИП
lI!ОрСпОЙ xoд. Л.: rПДРЮIeтеоиздат, 1980, ч. 1. 163 с.
Березанцев В. Т. Предельное равновеСlIе связанноЙ среды иод сфеРllческп
J\Ш и Rоничесюшп шта шами. Изв. АН СССР. Отд. техн. наук, 1955, Х2 7.
Бесналов С. Т. ОпределеНI1е теилоеМКОСТI1 торфа: Автореф. канд. дис.
М., 1954. 23 с.
210
14*
211
Вялов С. С., 3арецкий Ю. К., rор()децкий С. э. и др. Прочность И ползу
честь J('рзлых I'рунтов и расчеты ЛЬДОI'РУНТОВЬL"I;: Оl'раждеНIIЙ. М.: Изд во
АН СССР, 1962.
Вялов С. С., rородецкий С. Э., Пекарская Н. К. Методика оиределения
характеристпк ползучести ДЛI1тельноii ПрОЧНОСТII II СЖlшаеМОСТI1 l\1ерзлых rpYH
TOB. 1\1.: Наука, 1966. 87 с.
Вялов С. С., Мельников П. 11., Снежко О. В., ЦЫТОВIIЧ Н. А. Мерзлотове
дение и ОПЫТ строительства на веЧНОМСРЗЛЬL"I;: I'рунтах в США п KaHaдe. 1\1.:
Строiiиздат, 1969. 93 с.
ВЯ;IОВ С. С., 3арецкий Ю. К., МаКСИ!\1ЯК Р. В.. Пекарская Н. К. Нпнетп
ка структурных дефор !ациii 11 разрушенпя I'лпн. В кн.: Труды к VIII Между
нар. KOHl'p. ио l11Сханике rpyнтoB и фундаментостроению. М.: Стройиздат, 1973,
с. 13 24.
Вялов С. С., Докучаев В. В., ШеЙНКl\Iан д. Р. Подзе)шые льды и сильно
ЛЬДlIстые rрунты как основання сооружений. Л.: Строiiиздат, 1976. 165 с.
Вялов С. С., 3арецкий Ю. К., rородецкий С. Э. Расчеты на ирочность и
ползучесть ПрlI пскусствеННШl з3)юражпванпи I'PYHTOB. Л.: Строiiпздат,
1981. 199 с.
rавелис Л. П., МаКСИl\ЮВ Т. Н. Исследованпе I'рунтов района Норильска
пробньпш наl'рузка!\1I1. Основания, Фундаменты п механпка rpYHTOB, 1959.
.м 3.
rаВРlшьев Р. 11., Елисеев С. В. Тепловые свойства торфа. В кн.: Методы
оиределения тепловых своllств I'Oрных пороп. М.: Наука, 1970, с. 139 154.
rа!\1аюнов Н. И. Теило пмассоиеренос в торфяных систе)IaХ: Автореф.
докт. дис. Калинин, 1967. 360 с. (I{аЛI1НИН. политехн. пн т).
rеЙПШII Б. Больше внимания строптельству болотных дороl'. Мелпора
ция II торф, 1931, .N 4, с. 7 14.
rеоте ничеСКIIC вопросы освоения Севера/Под реп. О. Андерсленда,
Д. \HдepCOHa. М.: Недра, 1983. 551 с.
rО;IЬ;:l:штейн М. Н. Деформацип земляноl'O полотна п оснований сооруже
НПll при промерзании и оттаиванlllI. М.: Трансжелдориздат, 1948. 212 с.
rольдштейн М. Н. МеханичеСКI1е cBoiicTBa rpYHToB. Л.: Стройиздат,
1971, 1973, т. 1, II. 367 и 375 с.
rOllчаров Ю. М., Кутвицкая Н. Б. Исиользованпе Фунда 1Снтов оболочек
для охлажденпя вечномерзлых rpYHToB основаниii зданиii. В КН.: Строптель
ство в paiioHax Восточной Сибпри п ftpaiiHero Севера. Вьш. 50. I:-tрасноярск,
1979, с. 82 96.
rончаров Ю. М., КО!\1зпна А. А., Малков Е. Н. Особенностп проеКТlIрова
нпя и устройства основаНИll зданий на мерзлых I'pYHTax. Л.: Строiiпздат,
1980. 240 с.
ТОСТ 24586 81. rрунты. Методы определеНIIЯ арактеристпк прочностп п
дефор)шруеМОСТI1 мерзлых rpYHToB. М.: l'оскшштет по делам строительства,
1981. 32 с.
ТОСТ 25638. Трунты. Методы лабораторноrо пспытания мерзлых rpYHToB
на однооспое сжатпе. М.: rОСI\:шштет по дела 1 строительства, 1963. 21 с.
ТОСТ 2ЫOO 82. Трунты. IiлаССПфШШIIИЯ. М.: rоскшштет по дела 1 CTpO
птельства, 1982. 9 с.
rородецкий С. Э. Ползучесть 11 прочность мерзлых ['рунтов ири сложнш[
напряженном состояНIШ. ОсноваНIIЯ, фундаменты п lеханпка ['рунтов, 1975,
М 5, с. 39 43.
rорячКlШ В. т. Основы теХНОЛОl'lIИ торфяноrо произвопства. М., 1953.
rребеНЩИRова А. А. О влаrое)l1ЮСТИ торфов. Почвоведение, 1956, М 9,
с. 102 103.
rречищев С. Е. Расчет давления прп ПрО 1Срзанип ЗЮ1Кнутоl'О таЛlIка BO
круl' сваlI. В кн.: Труды IV совещаНИЯ СЮlllнара по об)lену ОПЫТШl строптель
ства в суровых климатичеСКIIХ УСЛОIlIIЯХ. ВОРl;:ута: изд. H-раСНОЯРСКПРШIСТРОЙ
НII1Iпроекта, 1966а, с. 2 10.
rреЧllщев С. Е. hритерllИ I10добия механических ироцессов в мерзлых по
ропах. В КБ.: Материалы VIII Всесоюз. междувеДО)IСТВ. совещ. по rеокриоло
rIIlI ()шрзлотоведС'ншо). Вып. 5. Якутск, 1966б, с. 192 209.
rречищев С. Е., Чистотинов Л. В., Шур Ю. Л. I"РИОl'енные фпзико rео
JIОl'пческпе llроцессы I1 их ПрОl'ноз. М.: Недра, 1980. 382 с.
212
rУНI1П П. 11. 1" разработке расчетной схе)IЫ пира шдальноii: свап в
мерзлом rpYHTe. В IШ.: Труды совещ. по проБЛШIaМ rеОКРIlОЛОI'ПИ Забай
калья. ЧlIта, 1981, с. 27 30.
rуреВIIЧ Т. 11. О законе дефОр IaЦИИ твердых п ЖИДКIIХ тел. IН:ТФ, 1947,
т. 17, .м 2, с. 1491 1502.
Давыдочкин А. Н. Полевая оценка ЛЬДI1стостп и просадочности мерзлых
rлlIНИСТЫХ rpYHToB. В кн.: Труды совещ. ио пнженеРНО l'еол()rичеСКИ)1 свой
СТВ1Ш rорных пород и методам пх IIзучения. Т. 11, 1957, с. 249 254.
ДаЛl\ШТОВ Б. 11. Инструктивные указания ио лабораторному оиределению
устоiiчивоii ирочностп смерзанпя rpYHToB с деlJевом п бетоном. В кн.: MaTe
риалы по лабораТОРНЬПl исследованиям мерзлых rpYНToB. Сб. 2. М.: Изд во
АН СССР, 1953. с. 151 161.
Деров А. Ф. Теилозarцпта торфяных I'рунтов ОТ иромерзания. OCHOBa
НIIЯ, Фунпаменты и механика rpYHToB, 1968, .N 6, с. 29 31.
ДерЮl'lIН А. r. О прочностп мерзлых ТОРФОl'рунтов. В КП.: Исследова
нпя и расчеты заторов II зажоров льда. Л.: rпдрометеОlIздат, 1972, с. 132 138.
Динник А. 11. СжаТllе СОllрпкаСaIОЩПХСЯ тел. Избр. труды, т. 1, I{lIeB:
Изд во АН "УССР, 1952.
ДОКТУРОВСКIlii В. С. Болота 11 торфяншш, развптие и строенпе IIX. 1\1.:
Изд во Н 1\3 , 1922. 222 с.
Д()КТУРОВСКlIЙ В. С. Торфяные болота. Происхожденпе, ПРlIрода и особен
ности болот CCCP. M. Л.: ОНТИ, 1935. 224 с.
Докучаев В. В. Расчет фундаментов на вечномерзлых I'рунтах по предель
НЬПl СОСТОЯНИЯI\1. Л.: Стройпздат, 1968. 119 с.
Докучаев В. В., Маркин К. Ф. Свайные фунда !СнтЫ в вечномерзлых
['pYHTax. Л.: СтрОIПlздат, 1972. 152 с.
EBl'eHьeB 11. Е. Строительство автомобпльных дороl' через болота. 1\1.:
Транспорт, 1968.
Ершов Э. Д. ВлаrОllеренос и КРПОl'енные тС'кстуры в дпсперсных породах.
М.: IIзд во Mry, 1979. 214 с.
IКеl\IOЧКIIН Б. Н. Теорпя упруrОСТII. М.: rосстроiiиздат, 1957. 137 с.
ЖIIl\IIIНСКlIЙ И. И. Очерк l'идротехнпчесКI1'\ работ в раIюне Сибпрскоii же
леЗНUll дороl'lI. СПП.: Изд во ОЗУ, 1907. 825 с.
IКИI'УЛЬСКllii А. А. ЭкспеРIIЩЧIтальные псследования сопротпвления мерз
лоrо I'рупта сдвпrу по боковой 1I0верхностп и сжатшо под торцом свап. Тр.
совС'щанпя сеМIIнара по обмену опытом строптельства в условиях CypOBOI'O КЛIl
мата, т. 11. Красноярск: пзд. IiраСl10ЯРСКПРОl\1стройI-lИИпроекта, 1964, с. 77 91.
Жуков В. Ф. Предиостроечное протаиванпс мноrолетнемерзлых rорных
пород при возведенип на них сооружениii. М.: Изд вu АН СССР, 1958. 117 с.
Журков С. Н. Вестн. АН СССР, 1957, т. ХIII. 78 с.
3арецкий Ю. К. Теорпя консолидаЦИII rpYHToB. М.: Наука, 1967. 270 с.
3арецкий Ю. К.. ЧУ!\1ичев Б. Д. Кратковременная ползучесть льда.
Новосиfiпрск: Наука, 1982. 116 с.
lIванов К. Е. Основы l'идролоl'IШ болот леСIIОЙ зоны п расчеты водноl'О
режшra. Л.: l'идрометеоиздат, 1957. 112 с.
Пванов Н. С. Тепло и массоиеренос в мерзлых rорных породах. 1\1.:
Науна, 1969. 239 с.
Пванов Н. С., Чистотинов Л. В., Мандаров А. А.. Савельева Т. Т. О воз
1\10ЖНОСТИ определения тюшературноii зависшюстп содержания незаl\1срзшеii
воды по те шераТУРЮl ее фазовьп:: иереходов в rорпых Hopoдax. В кн.: ЫaTe
рпалы VIII Всесоюз. междувеДОI\1СТВ. совещ. 1I0 l'еокрполоl'lШ ()Ieрзлотоведе
ншо). Вьш. 2. Якутск, 1966, с. 38 45.
lI:IЬЮШIIН А. А. Метод аИНРОКСII)IaЦIШ для расчета КОНСТРУRЦНП по лпней
ноп теории теРI\10вязкоупруrости. Механпка ПОЛШlеров, 1968, .N 2, с. 210
221.
Ильюшин А. А.. Оl'ибалов П. М. о критерип длительноn прочности иолп
MepOB. Мехапика полимеров, 1966, .N 6, с. 828 837.
Ильюшин А. А., IIобедря Б. Е. Основы математическоn теОРИII тер lUIJЯЗ
коупруI'ОСТИ. М.: Наука, 1970. 280 с.
!lНСТРУкция по проектированию оснований и фундаментов зданиЙ п coopy
жеНIIII, ВОЗВОДlIl\IЫХ на заторфованных территориях CH 475 75. М.: Строiiпз
дат, 1976. 22 с.
213
ИСПИрЯlI Р. А., Миронов В. А., Журавлев В. А. АнаЛI1З ВЛI1ЯНИЯ различ
ных параметров на теплопроводность IeрЗЛОI'О заторфованноrо rpYHTa. В кн.:
Тез. докл. и сообщ. Всесоюз. совещ. «Опыт СТРОlIтельства оснований I1 фунда
lI1ентов на вечномерзлых rрунтаю). М.: I1ЗД. НИИОСП, 1981, с. 201 202.
Ишлинский А. Ю. Осесшшетричная задача плаСТIIЧНОСТИ и проба Брпн
неля. В кн.: Прпкладная мате Iaтпка и механика. Т. 8, вып. 3. M. Л.: Изд
во АН СССР, 1944, с. 201 224.
ИШЛIlНский А. Ю. РаСС lОтрение вопросов об устоiiЧПВОСТII равновесия
УИРУl'их тел с точки зрения математическоЙ теОрI1И упруrОСТI1. Укр. ШТ.
журн., 1954, т. 6, .N' 2.
Каl'ан Т. Л. Определение прочностных характеристик )1С'рзлоrо торфа с
учетш! CKOpocTHoro режима дефор шроваНIIЯ. В кн.: Нефть u I'аз Тюмсни.
Выи. 11. ТЮ)lень, 1971'; с. 112 121.
Каl'ан Т. Л., Воевода А. Н. Расчет трасс На промороженных болотах для
транспортнрОВКII буровоrо и ПРШIЫСЛОВОI'О оборудоваНI1Я в Западной СI1бири.
Нефтепромысловое СТРОllтельство, 1974, N! 6, с. 10 15.
Кадников В. В., Маслякова В. Н., rаврилов Т. М. и др. rрадостроитель
ное освоение заболоченных террпторий северноЙ зоны CTpaны. Л.: Строiiпз
дат, 1973. 186 с.
Казарновский Е. д. н: вопросу дорожно строитеЛЬНОll клаССПфlIкацпп TOp
фяных I'pYHTOB. В кн.: МатеРlIалы 1 Всесоюз. конф. ио строительству на TOp
фяных rpYHTax. Калинин: uзд. .hалпнин. политехн. ин та, 1972, с. 112 126.
кардыl\lии А. П. О ВЛИЯНШI rеомеТРlIчески иростоЙ фОр)IЫ поперечноl'О
сечения вмороженных JlЮДелеii свай на удельное соиротивлС'нис С;:l:виrу 110 боко
вой поверхности. В кн.: Строительство в районах Восточноii СпБПрll и l":paЙ
Hel'O Севера. Выи. 10. l":расноярск: изд. КраСНОЯРСКПРО lстроЙНIIИlIроекта,
1966, с. 26 35.
КарДЫl\1ОН А. П. Исследование сопротпвления rpYHTa сдвиl'У по БОКUВUIl
поверхности ЮlОроженных свап разной формы: Автореф. канд. дпс. Влади
восток, 1967. 2"1 с.
Карпунина А. А. К вопросу о ирочностных свойствах засоленных мерзлых
rpYHToB Якутска. В КН.: Строительство в paIIOHax Восточной Спбири и l\paЙ
Hero Севера. I{расноярск: пзд. Краспоярскпрш!строiiНИИПРОf'нта, 1972, .N' 2.3.
Кац Н. Я. О типах болот Западно СибlIрскоii НИЗ)IeННОСТI1 I1 их l'еОl'рафи
ческоii зональности. Торфяное дело, N! 3, 1929, с. 3 15.
Кац Н. Я. fiолота I1 торфяникн. М.: "Учпедl'l1З, 1941. 399 с.
Киселев М. Ф. Способ опреn.елеНIIЯ относительноl'О сжатия )reрзлых rpYH
ТОВ ири оттаиваНIIИ иод наl'РУЗКЮIИ по IIростеiiШИ 1 физичеСЮПl характерпсти
кю!. В КН.: Деформацпп основаниЙ при за Ieрзанни 11 оттаиваНШI I'PYH
тов. Вьш. 19. М.: rосстройиздат, 1952, с. 3 12.
КllтаЙI'ОрОДСКlIЙ А. И. Порядок и бесиорядок в мире атшIОВ. М.: Наука,
1977. 175 с.
Коновалов А. А. К учету изменения тюшературы веЧНШIeРЗЛОI'О I'рунта
во времени при оиределеНIШ el'o длитеЛЬНОll ИРОЧНОСТII. В КН.: Строительство
в paIIOHax Восточноii Сибири и КраIШСI'О Севера. Вып. 29. I":расноярск: изд.
I\:расноярСКПРО'lстроiiНИИпроекта, 1974, с. 139 151.
Коновалов А. А. .h определеншо эффективных значений тешюфпзичеСIПIХ
"l;:apaKTepIICTI1K промерзающпх и Оттаивающих rpYHToB. В КН.: Строительство
в районах Восточной Сllбирп и KpaIIИel'o Севера. Выи. 35. .hрасноярск: пзд.
КраСНОЯРСКПРШ1СтроiiНИИироекта, 1975, с. 163 177.
Коновалов П. А. УстроЙство фундаментов на заторфованных ['pYHTax.
М.: СТрОllиздат, 1980. 161 с.
Коновалов П. А. Закономерностп деформирования основаниЙ, сложенных
заторфованньши I'рунтюш: Автореф. дои. дис. М.: 1982. 46 с. (НИИОСП)
Коновалов А. А.. РOJ\шн Л. Т. I{ определению эффеКТlIвноii теплоеМКОСТII
иромерзающпх I! оттюшающпх I'pYHTOB. В liH.: СТРОllтелr,ство н раЙонах Boc
ТОЧПОll СlIбири 11 KpaiiHel'o Севера. Выи. 23. Красноярск: IIЗД. КраСНОЯРСКПРО)I
строЙНИИироекта, 1972. с. 178 186.
Коновалов А. А., РОl\ШН Л. Т. О теплофизических свойствах торфя
ных rРУНТОв. ОсноваНI1Я, фундюreнты I1 механика I'рунтов, 1973, .N' 3,
с. 21 23.
214
Коновалов А. А., Наумова О. А. О возможности определеНIIЯ количества
НС'ЗЮlерзшеii воды по зависимости температуры фазовых переходов ПрОl\1ерзаю
щеl'О I'рунта от влажности. В кн.: Строительство в района'( Восточной Сибll
рп I1 KpaiiHero Севера. Вып. 38. Красноярск: изд. I\:расноярскпромстроЙНИИ
проекта, 1976, с. 45 68.
Коновалов А. А., Роман Л. Т. Оиределение I'лубпн сезонноrо ПрШlсрза
пия и ОТТaIШания rpYHToB в Заиадной Сибири. Нефтепромысловое строитель
ство, 1975а, N! 4, с. 8 11.
Коновалов А. А., РOJ\ШН Л. Т. ОllределС'ние параметров в уравненип дли
тельноn ирОЧНОСТII вечншшрзлых I'pYHTOB. В кн.: Тез. докл. наУЧ. ехн. co
всщ. по основашIЯМ и фундаментам (Воркута). М.: изд. НИИОСП, 1975б,
с. 87 89.
Коновалов А. А.. Конюшенко А. Т.. РОl\ШН Л. Т. I\оличсственная оценка
ВЛПЯНI1Я растворенных солсй на тс)шературу начала зюreрзания rpYHToBOII
влаrи. В кн.: Строительство в lJallOHax Восточноii СибllрИ и I\:paiiHel'o Севрра.
Вып. 35. Красноярск: изд. I":расноярскпромстроiiНИИпроекта, 1975, с. 143
163.
Константинов И. 11.. Махотко С. П., ЛII Т. Е. ПрОl'нuз температурнOI'О pe
жима намывной насыпи п ее основания. В кн.: Инженерные I1сследования
мерзлых rpYHToB. Новосибпрск: Наука, 1981, с. 121 134.
Конюхов А. В. О содержанИII незамерзшеЙ воды в торфяных rpYHTax.
n Юl.: Тез. дuкл. Всесоюз. совсщ. по основания)! и ФундаJl[ентаJll зданиii и coo
ружений на ВС'ЧНOJ\reрзлых I'рунтах. М.: изд. НIПI()СП, 1975, с. 85 8R.
Конюхов А. В. Исследованпе теилофизпческих cBoiicTB и ПрОJ\lерзанI1Я
торфяных I'рунтов в строительных целях. М.: изд. НИIIОСП, 1978. 20 с.
Корчунов С. С. ТеилопровоДНОСТЬ торфа. Торфяная промышленность,
"1948, 2, с. 15 19.
Корчунов С. С. Исследованис фИЗIIКО Jllе"l;:анических свопств торфа. l\1.
.п.: 1935. 235 с.
КОСТlOк Н. С. ФlIзпка торфа. Минск: Высш. шк., 1967. 290 с.
Кузнеl ОВ Н. 11. Лаiiды в 111130ВЬЯХ Енпсея, пх строение, образование и
место в классификационноЙ схеме болотно лесных ufiразuваниii. Тр. IIUЛЯр
ПОй кшшс., 1932, .N' 12, с. 5 40.
Кузнецова Н. П. Изучение болот с ТОЧЮI зрения дорожноl'O дела.
М.: ТранСlIздат, 1936. 95 с.
Кулаков Н. Н. ВвС'деНllе в физику ТОjJфа. М.: I'ос:шерrоиздат, 1947.
230 с.
Лавров В. В. Деформация 11 прочность льда. Л.: rидромстеоиздат,
1969. 205 с.
J1llштван И. И.. Король Н. Т. Основные cBoI1CTBa торфа и leTOДЫ их ои
]JедеЛС'IП1Я. Минск: Наука п техника. 1975. 319 с.
Лиштван 11. И., Бровка Т. П., ДаВIIДОВСКIIЙ Н. П. Метод определенпя теп
ЛОфИЗlIческих характеристик ТОIJфа и ТОрфЯIIО болотных IIОЧВ. В кп.: Проб
лемы псиользования торфа п торфяных месторождениЙ в сеЛЬСIЮJlI ХОЗЯI1Стве.
Минск: изд. Ин та торфа БССР, 1976. с. 245 251.
Лиштваи 11. 11., Бровка r. П., Давпдовский П. Н. Исследование фазовоl'О
состава воды в ТОрфС' ири нпзких те llIературах. I":ОЛЛОIIД. журн., 1979, т. XI,
N! 6, с. 1095 1099.
Лундин К. П. Осадка торфа под наСЬШЯШl. Мпнск: Всесоюз. науч.
псслед. ин т болотноrо хозяйства, 1935. 94 с.
Лундин К. П. Водные свойства торфяноn залеЖI1. Минск: Урожаn,
1U{j4. 211 с.
Лыков А. В. Теория теилоироводности. М.: Выст. шк., 1968.
Лысенко М. П. Состав I1 фИ3IIКО J\1еханичеСКIIС своlIства I'pYHTOB. 1\1.:
Недра, 1972. 319 с.
Мазуров Т. П. Физико механичеСКI1е свопства J\1ерзлых I'pYHTOB. Л.:
Стройпздат, 1975. 215 с.
Манеев А. П. OCBOeHI1e заторфованных террllТОрИЙ для rрадостроитель
ства. 1\1.: Стройиздат, 1981.
Мартынов С. А. К выводу OCHoBHoro уравнения теI1ЛОИРОВОДНОСТИ для
промерзающих и оттаиваЮЩI1Х I'PYНТOB. Материалы к OCHOBaJlI учения о J\1ерз
ЛЬL'( зонах зеJ\1НОЙ коры, 1956, вьш. 3, с. 121 136.
215
Маслов Н. Н. Основы механики rpYHToB II инженерной rеолоI'ПИ. М.:
Высш. ШК., 1968.
Миронов В. А.. Трофшюв В. И. Опре/1еленпе прочностных и дефОР Ia
ЦIIОННЫХ характеристпк Iерзлых торфов в условиях eCTecTBeHHOI'O залеl'ания.
В КН.: Тез. докл. и сообщ. Всесоюз. совещ. «Опыт строительства основаНlIй п
фундаментов на веЧНШIeРЗЛЬL"I;: rpYHTaX)}. 1\-1.: JIЗД. НИИОСП, 1981, с. 221 222.
Молчанов Ю. М., Андриксон Т. А. Тер)lOдина 1Ическос ОlIределение фак
тора Ирlmедения. J\Iеханика ПОЛШIeрОВ, 1967, М 4, с. 676 685.
Морарескул Н. Н. Псследование основаНlIй II ФУНДЮlентов сооружений в
торфяных I'рунтах: Автореф. докт. дис. Л., 1975. 32 с. (ЛИСИ)
Морарескул П. Н. Основания н Фундаыенты в торфяных rpYHTax. Л.:
Стройиздат, 1979. 78 с.
МосеНЮIС Ю. М. Исследование дефОР)IaЦИIl зданий на вечномерзлы)(
rpYHTax в условиях 3абaiiкальскоii железной ДОрОl'и и разработка )lCропрпя
тиЙ по обеспечеНI1IО пх устоЙчпвости: Автореф. канд. дпс. Владивосток,
1971. 21 с. (Дальневост. промстроЙНИИпроект)
Назаров А. Т. О reханпч('скоы иuдоБИII твердых деФОР)ШРУЮIЫХ тел.
Ереван: Изд во АН Ap [CCP, 1965. 217 с.
HaYl\lOB В. П. Исследовани(' прочностных своЙств )lерзлоro торфа.
В кн.: Тез. докл. и сообщ. Всесоюз. совещ. «Опыт СТРUlIтеш,ства основаниii п
фундаментов на вечншюрзлых rpYHTaX)} (13 15 октября 1981 r., Воркута).
М.: пзд. НИИОСП, 1981, с. 224 225.
Нейштадт М. Спбирские торфяники. J\Iелио р ация п то рф 1932 М 1
с. 43 48. ' , ,
Нерсесова З. А. Инструктивные указания по определенпю количества
незамерзшеii воды п льда в lCрзлых rpYHTax. Материалы ио лабораТОРНЫ)I
исследоваНIIЯМ lIерзлых I'рунтов, 1954, М 2, с. 55 77.
Ордуянц К. С. "YcTponcTBo железнодорожных насьшеii на болотах. М.:
ТрансжеЛДОlJl1здат, 1946. 247 с.
Орлов В. О. I\риоrенное IIучение тонкодисиерсных rpYHToB. М.: I1З;J; ВО
АН СССР, 1962. 188 с.
Павлов А. В. Теилооб reн иочвы с аПlOсферой в северных и умеренных
широтах теРРИТОРШl CCCP. Якутск: КН. IIЗД ВО, 1975. 302 с.
Павлов А. В. ТеПЛОфllзика ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1979.
291 с.
Павлов А. В., Прокопьев А. Н. Теплофпзпческпе исследования экспери
lI1ентально HaMblToii насьшп и 1I0ДСТllлающпх I'рунтов в иоii Ie р. Лены. Ииж.
rеолOl'ИЯ, 1982, М 2. 120 с.
Павлова К. К. ТеlIЛовые свойства деятельноl'О слоя болот. Тр. rrи,
1970, вып. 177, с. 211 235.
-9аталеев А. В., Маев Т. С. О величине СIIЛ выпучиванпя ФУН;J;аментов
в XaoapOBCKe. Основания, ФУНДЮlенты и шханllка rpYHToB 1965 .N' 6
с. 12 15. ' , ,
Паундер Э. Ф. Физика льда. 1\-1.: J\Iир, 1967. 189 с.
Пекарская Н. К. К воиросу О ПрОЧНОСТII мерзлых I'pYHTOB. В кн.: Иссле
дованllЯ ио физике и lI1еханике мерзлых I'рунтов. М.: Изд во АН СССР, 1961.
137 с.
Пекарская Н. К. Прочность мерзлых I'рунтов ири СДВlIrе и ее завИСИ)lOсть
от тшшературы. 1\-1.: Изд во АН СССР, 1963. 108 с.
ПИl'улевскал Л. В., Раковский В. Е. Изменение ХИШlчес-.;оl'О состава OT
дельных впдов торфа в зависимости от IIХ возраста. Тр. Пн--'Та торфа.
1\'lинск, 1957, т. 6.
Пичуrпн А. В. ТОРфШIью lCсторождения 11 их использование. М. Л.:
ОНТИ, 1937_ 108 с.
ПИЧУI'IIН А. В. Торфяные месторождения. 1\-1.: Высш. шк., 1967. 225 с.
Поклевский Козел И. И. Методы устройства Фундаыента на болотах II
плывунах. Спб., 1896.
Покровский Т. Н., Синельщиков С. П. Определение связанноЙ воды в TOp
фе методом количества замерзающеЙ воды ири O-C. ЖТФ, 1938, т. VIII, М 21.
Полещук В. Л., РОl\ШН Л. Т. Предиосылки IIсиользования I'рунтов как
оснований Прll инженерноЙ подrотовке теРРИТОРИII Нal\IЫВШl в условиях вечноЙ
216
,
мерзлоты. 11 1;11.: 'l\'I!ЛО и массообмен в IIнженерных сооружениях и стро-
птелыыыx lаl"<'рЩlJlах в условиях CeBepa. ЯII:УТСК: изд. Якут. YH Ta, 1982,
с. 31 42.
ПОЛ{'ЩУ" ll. Л., РOl\шн Л. Т., КарелIIН В. И., Бадьянова Л. 11. Фундамент.
Авт. СШ1}\t"П'JIЫ"ПIO 821655, 1981, Б. И. .N' 1 . "
ПОШШIШ ll. 11. ДОрОfИ на болотах. Со. ЛеНШlrр. автШlOО. ДОР. ин та,
1932, .N' 2, с. 38 44. .
Попов А. 11. Происхожденис буl'РИСТЫХ торфяников ЕнисеlIско rазовско
1'0 М(,ЛЩУJlI'ЧЬЯ. В кн.: Реф. наУЧ. исслед. работ за 1944 r. М., 1945, с. 108
129. Ф
Порхаев Т. В., Фельдман Т. 1\1., Федорович д. 11. Тепло изика промерза
ЮIЦlIХ II нротапваюЩИХ rpYHToB. М.: Наука, 1964. 197 с. _
Порхаев Т. В. Тепловая аНIIЗОТРОПНОСТЬ l\IНОl'олетне)re лых I'pYHTOB.
В КН.: Матерпалы к основам учеНIIЯ о мерзлых зона"l;: зе)пlOИ коры. Выи. 6.
:1\-1.: Изд во АН СССР, 1960.
Пчелинцев А. М. Проrноз просаДКII при оттаивании веЧНОllерзлых rpYH
"ТOB. В КН.: Труды Иl'ар.иауч. исслед. revзлотноii станцпи. Вып. 1. М.: Изд во
АН СССР. 1954.
ПьявчеlIКО Н. И. I>Уl'ристые торфяники. 1\-1.: ПЗk ВО АН СССР, 1955.
280 с.
Пьявченко Н. П. О тииах болот и торфа в болотоведении. В кн.: Oc
НUlJНЬЮ принципы изучеиия болотных биоrеоценозов. Л., 1972.
Раковский В. Е. Хшшя твердоrо ТОlIЛива. Ч. 1. М.: Пзд-во I\-1ХТИ
Шl. Менделеева, 1939. 132 с. "
Раковский В. Е. I>ИОJlOrически активные вещества торфа. Тр. hаш1НПН.
политехн. ин та, 1967, вып. IП.
Ребшщер П. А. О фор raх СВЯЗII влаl'И с матеРllаЛШl. 1\-1.: Профиздат,
1936. -
Ребиндер П. А. Адсорбпионные слои 11 их влияние на свопства ДИСllерсНЫХ
систш[. Изв. АН БССР. Сер. ХШl., 1936, .N' 5.
Реrель В. Р. Связь разрушения с иодвшкБостыo 1I1OлеI,УЛЯРНЫХ цеиеlI.
ВЫСОКШlOлек\"лярные соединения, 1964, М 6, с. 395 405.
Реrель В. Р.. Слуцкер А. 11., ТомашеВСКlIЙ Э. Е. hlIнеТllческая природа
ПРОЧIIОСТИ твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
РеЙIIeР 1\1. РеолоI'ПЯ. 1\-1.: Наука, 1965. 224 с.
Рекомен ацml по оиределению теплофизических характеристик торфя
lIЫХ I'руНТОВ 11 расчета 1 их ИрО1\1ерзания 11 оттапвания. М.: И3Д. НИИОСП,
1978. 54 с. Ф
Роман Л. Т. ФИЗИКО lIIeханичеСКIIе свойства ыерзлЫХ п тор яных I'pYH
TOB. Новоспбирск: HaYI{a, 1981. 134 с,. " "
Ромаи Л. Т., ПлыlНЫХ В. 11. Несущая спосооность сваlI с наклоннои oo
ковой поверхност'ью, работающих в веЧНОllерзлых rpYHTax. В КБ.: ,Строи-
тельство в рапонах Восточной IБИРIl и I\paiiHel'o Севера. Вып. 38. l...pacHo
ярси: изд. I\раСНОЯРСКПРО lстроиНI1Ипроекта, 1976, с. 114 122. . ')
Роман Л. Т., Пахомова Т. М., НаУl\ЮВ В. П. Свая. Авт. свид. .N' 60б9 6,
1978, Б. И. J\1! 18.
РOl\шн Л. Т., ПаХОl\Iова Т. М. Исследован. 1С ПРОТИВОПУЧII НЫ СВОI1СТВ. TOp'
фяноii I1ЗОЛЯЦИП. В кн.: Строительство в рююнах ВОСТОЧНОII С оири и l paII
Hero Севера. Вьш. 29. l;:расноярск: изд. КраСНОЯРСКПРО 1СтроиНИИироекта,
1974, с. 232 241.
Романенко 11. 11., ДаВIIДОВСКПЙ П. Н. Исследование длптельноrо разру
шения меРЗЛОfО торфа. В КН.: Тез. доил. и соciбщ. Всесоюз. совещ. «Опыт
строительства основаНИIl и фунда IeНТОВ на вечномерзлых rрунтаю). М.: IIЗД.
НИИОСП, 1981, с. 226 228.
Романов В. В. Болота иих своЙства. Л.: rидр01l1етеоиздат, 1953. 54 с.
Романов В. В. rllдрофизика болот. Л.: rидрометеОlIздат, 1961. 359 с.
Рубии Б. А. I ypc фИЗIIОЛОI'IШ pacTeHlli ; М.: Бысш. шк., 1976. 576 с.
Руднев В. О химическом составе и своиствах торфа. Известия ПетроВ
ской академии, 1889, .N' 2, с. 159 178. . .
PYKOBO CTBO по полевым I1сиытаниям сваи в вечномерзлых I'pYHTax. 1\1..
IIЗД. нИИОСП, 1979. 32 с.
217
Руководство ПО про ктированIПО основаНИII и ФУИДЮIeИТОВ на веЧНШIeрЗ
l1ЫХ rpYHTax. М.: Строииздат, 1980. 304 с.
РУllиенейт К. В. Некоторые вопросы меХaIШКИ rорных иород. М.: YI'
летехиздат, 1954. 384 с. '
Савельев Б. А. Термика и )Ieханика природных Льдов 1\1' На"ка
1983. 223 с. '" J'
СаДОВСКIIЙ А. В. ФIIЗИКО )lеханичесю1С свойства тундровоrо )юхово тор
фЯIlОI'О покрова. Б КН.: Матерпалы к ОСНОВЮI учения о мерзлых зоиах ЗЮ1ll0ii
коры. Бьш. 6. М.: Изд во АН СССР, 1960.
Салтыков Н. И. Основания и Фунда 1СНТЫ в рапонах распространеиия MHO
rолетнемерзлы I'PYHTOB. М.: Изд ВJ АН СССР, 1959. 206 с.
Сеl\lеНСКШI Е. П. ТехническиIr анализ торфа. М.: Недра, 1966. 231 с.
Cepl'eeB А. И. Методика инженеРНО l'еолоrическоrо изучения торфяных
массивов. М.: Наука, 1974. 134 с. .
Cepl'eeB В. М. Исследование болот ио линии А)lурскоlI шелеЗНОII дороrи
Пзв. иРrо, 1898, т. XXXIV, вып. 4, с. 483 489. .
Cepl'eeB Е. М., rолодковский т. А. п др. rрунтоведение 1\1' Пзд во
Mry, 1973. ..
Слепа М. Э. Метод расчета осадок свап в rЛIIНИСТЫХ rpYHTax. Научно
техничеСКИI1 рефuраТИlJныii сборпик. Специальные строительные работы. М.
1980, вып. 2, сер. У, с. 17 19. '
СУl\ачев В. Н. Болота, их образование Р азвитие и cBoi l ' cTBa Пт
1Ш5. 162 с. ' . ..,
Сукачев В. Н. Болота, их образuвание , Р азвитие П сво и ст в а 1\1 . Т' Iзд во
НН:3, 1923. 128 с. . .. J'
СУl\lrин М. И. Условия почвообразоваНIIЯ в областн вечноii :\IeрЗЛОТЫ.
Почвоведение, 1931, М 3, с. 5 17.
Стр ительные нормы и правила. Ч. Н, rл. 15. Основания зданий и co
орушении: СНиП H 15 74. М.: Строiiиздат, 1975. 64 с.
Строительные нормы и пранила. Ч. Н, I'л. 18. Основания и фунда IeНТЫ
на вечномерзлых rpYHTax: СНиП H 18 76. М.: Строiiиздат, 1977. 46 с.
1980. CT T ЬCTBO промысловых соорушеНlI1I на :\lерЗЛЮl торфе. 1\1.: Нецра,
Танфильев Т. 11. Болота и торфяники. Б КН.: Сельскохозяпственная
ЭНЦИКЛопедия Девриена. Т. 1. М., 1900, с. 484 500.
Тl\аченко А. А. Дорожно строительная I\лассификация болот. Лесн.
журн., 1962, М 5, с. 55 62.
Ткаченко А. А. Расчеты осацок насыпеlI и исчисление дополнительных
объемов земляных работ при строительстве автшюбильных дороl' на болотах.
М.: изд. ЦНИИ8М, 1964. 54 с.
. ТУТI\О!lСКИЙ п. rеОЛОl'ические исследования ВДОЛЬ строящеiiся :Киевско
:Ковальскои железнои ДОрОI'И. ИзвеСТIIЯ rеОЛОl'ическоl'О J-tШШТ!JТа М 190?
Т. 21, М 5 6, с. 325 486. . ., . ,
1940. Тюr IН С. Н. Торфяные :\Iесторождения. M. Л.: rостоптехиздат,
Тюреl\IНОВ С. Н. Торфяные lесторошдения. М.: Недра, 1976. 485 с.
,> ТябllН Н. В. Основные уравнения реолоl'ИИ вязко иластическоii cpeды.
I...оллоил. шурн., 1951, т. XIII, выи. 1.
УРЖУl\щев Ю. С., МаКСIIl\ЮВ Р. Л. ПРОI'НОСТlIка дефОР IaТИВНОСТИ ПОЛII
мерных материалов. РИl'а: Знание, 1975. 416 с.
УРЖУl\щев Ю. С. ПРОl'нозирование длительноl'О соиротпвления ПОЛИ)IeР
ных :\Jaтериалов. М.: Науна, 1982. 222 с.
Успенскпй Н. Н. Указатель русскоЙ литературы по торфу. М.: Hry
БСНХ, 1930. 409 с.
УспеНСl\ilЙ Н. Н. БlIБШlOl'рафпчеСКllii указатель литературы по торфу
за иервую пятилетку. 1\1.: НТУ БСНХ, 1934.
Уш шлов В. П. Определение КОЭффllЦИСНТОВ СЖИ)Jaемости I'рунтов HeHa
рушеннои структуры, оттаивающих ПОД давлеНИЮl. Тр. НИl10СП 1955
.N' 26, с. 53 91. ' ,
Ушкалов В. П. Исследование работы протапвающих основаниii и их pac
п иредеЛЬНЫ)1 деформацИЮl сооружеииii. М.: Изд во АН СССР, 1962.
218
УпшшНш В. П., РОl\ШН Л. Т. I\: оиределению ОСНОШIЫХ характеРИСТIIК фll
зичеСЮIХ clloiit".'1I мерзлых 11 талых заторфованных I'руНТОВ II торфов. Б КН.:
Труды V I СОllсщаНlIя се)шнара IlO обмену ОIIЫ:ОМ строительства суровых
кшшаТИЧССIШХ условиях. I-{расноярсн: IIЗЦ. I...расноярснпршICТРОИНИИПРО
екта. Т. 5. IIЫП. 5, 1970, с. 56 63.
ФЩШ'":Jl\1 Р. С. I-{лаССlIфинаЦIIЯ торфа в СоеДIIНСННЫХ Штатах. Л.,
1!J63. 23 с.
ФеДОJ!IIIШЧ Д. И. Методика комплеIЮНЫХ теплофизичеСКIIХ исследоваНШI
I,ерновых образцов меРЗЛЫ"l;: rpYHToB в полеВ, IХ УСЛОВII Х. Б. кн.: Строитель:
СТВО на IJ('чномерзлых I'рунтах. Т. 6, выи. 4. I,-расноярсК. l1ЗЦ. I..расноярскпром
СТРОIIНИИпроекта, 1968, с. 75 92.
ФедороВПЧ Д. Н., Конюхова А. В. Методика определеНIIЯ тепловых своиств
-торфяных rpYHToB. Б кн.: Тез. докл. Бсесоюз. СОIJСЩ. ][0 oCHoBaНl M и фун
ла [ентам зданиii 11 сооружениii на IJечншшрзлых I'рунтах (IIЮНЬ 19/5 r., Б0р
.кута). М.: IIЗД. НИИОСП. 1975, с. 81 83.
ФеДОрОВСRIIП В. Т. Расчет напряжеННО Д(,ФОР)JaТИВНО О состоянпя MHoro
слоiiноrо полупространства под деI1Ствием сосредоточеннои иаI'РУЗКИ. Осио
ванпя фундаменты и механпна I'руИТОВ. 1972. .N' 5.
Федосов А. Е. ПрОl'ноз осадок сооруженпii ПрlI оттаивании I'РУНТОВ осио-
ваНИII. Тр. IIH Ta меРЗЛОТОIJедеНIIЯ, 1944, т. 4, с. 3 124.
ФреНl\ель Я. И. l"lIнетическая теория ЖlIДностеI1. М.: Изд во АН СССР,
1945.
Феррll Дж. БЯЗКОУПРУl'lIе своlIства полпмеров. М.: ИЛ, 1953. 535 с.
Хафизов Р. М. Напряшенно деформаТlIlJное СОСТОЯНII центрально ;
I'руженноii СIJЮI в ОДнОРОДНШI I'pYHTe. Строительство труоuпрuводов, HIi ,
J'.:"2 5, с. 21 23. .. i1
Хрусталев Л. Н. Научны!' ОСНUlJЫ выбора оптимальных решеНI1И по о )ec
леченпю УСТОIIЧI1ВОСТIl здаНlI1I на вечномерзлых rpYHTax: Автореф. докт. дпс.
М., 1975. 49 с. (НИIlOСП)
Цеева А. Н.. Роман Л. Т. 1'- определенIПО Н .I):IJaТI1ВНЫ .l'луБI1Н сезонн?l'
{Jттапванпя 11 нромерзаш!Н I'рунтов для условии Янутскои ACCP. Б .I'H..
Строительство в paiioHax БОСТОЧНОI . Сибири п l\раЙне CeB<,\ a. Бып. 43. I,-pac
нuярек: изд. I"раСНОЯРСКИРШ1СтропНИИпроекта. 1911. с. 8/ 95.
ЦытOIШЧ Н. А. ПРIlllЦIШЫ мехапПlШ мерзлых I'pYHТOB. М.: IIзд во АН
СССР, 1952. 1611 с.
ЦЫТОВIIЧ Н. А. Инструктивные уназани по опредеЛ('НIIIО сил сцеплеНI1Я
ыерзлых I'PYHTOB. Б кн.: Матерпалы ]lU лаоораТОРНЫ: l II( леДОlзаНИЮl мерз
.Т[ых I'РУНТОН. Сб. 2. М.: IIзд во АН СССР, 1954, с. 162. 1/5.
ЦЫТОВIIЧ Н. А. Механика I'PYHTOB. М.: rосстрошшдат, 1963. 6 6 с.
ЦЫТОВIlЧ Н. А. МехаНlIка мерзлых I'PYHTOB. М.: Бысш. шк., 19/3.
446 с
ЦЫТОВIIЧ Н. А. Мсханика I'PYHTOB. М.: Бысш. шк., 1983. 288 с.
Цытович Н. А., ВОЛОl'дина 11. С. Лабораторные псследоваНIIЯ ыехаНllче
СКI1Х своЙств мерзлых I'PYHTOB. М.: IIзд во АН СССР, 1936. . 83 с.
ЦЫТОВII'I И. А., Тер МарТllрОСЯН З. Т. Основы IIРИКЛаднои 1СханП1Ш в
строительстве. М.: Бысш. шк., 1981. 317 с.
ЧаПОВСКIIЙ Е. Т. Лабораторные работы по I'рунтоведеншо и механике
rpYHToB. М.: Недра, 1975. 302 с.
Чертоляс Н. Ф. Оценка ИРОЧНОСТНЬL"I;: п дефор)шцпонных СВОIIСТВ свя ых
трунтов вдаВЛlIlJаНllем шаровоl'О шта ша: Автореф. канд. ДIIС. М., 19/ /.
21 с. (1\ПIСИ)
ЧУДllOВСЮlii А. Ф. Теплообмен в дпсперс.ных срелах. М.: Изд во АН
СССР, 1954. 456 с.
Чураев Н. В. Бодllыle cBoI1CTBa структуры и процессы пере оса влаrп в
торфе: Автореф. ДОКТ. дпс. МIIПСК, 1961. 26 с. (Ин т торфа оССР)
ШаПОШllI1КОВ М. А. ОбеСlIеченпе устоi'rчпвостп насыпей на болотах (при
стрОlIтельстве ДОрОI'). АВТЮlOбильные ДОрОl'll, 1966, М 8, с. 12 13.
ШаllОШIIПRОВ М. А. rеотеХНlIчесюIC исследования болотных I'рунтов для
СТРОlIтельства. Л.: Строiiпзцат, 1977. 126 с.
шукле Л. РеОЛОl'ичесние пробле IЫ механпки I'PYHTOB. Л.: Строiiиздат,
1973. 485 с.
219
коэФФ Jl Н П Т Н :: p O: : П РУ Р l е I д т е о л в ения коэффициента оттаивания и
б ири оттаиваНIIИ В кн' М
l tf.Ы по ла ораторпым исследованиям мерзлых I'рунтов. 1\1.: ilзд во АН CC:g
ШушеРIlна Е. П. Сопротивление мерзлых дисперсных по о
ВУ в облаСТII НИЗЮIХ теШlератур (до 60"C ) 1\1 Р д n льда разры
вып. 14, с. 179 189. . ерзлотные исследования, 1974,
ШушеРIlна Е. П., РнчеВСКIIЙ Б С Отро О П и
пературных деформаций мерзлых 1'0iJИ ;X пор енк . . М сследование Te)l
дования. Вьш. Х. М.: Изд во МТУ, 1970 , с. 273 283. н.. r ерзлотные иссле
Щебенко В. Ф. Тепловой режим торфяных почв. В IШ' Т Р " д ы ко Ф
реНЦllИ по IIlеЛllорации и освоенпю боло б .. J Н e
Изд во АН БССР, 1966, с. 127 163 тистых и за олоченных почв. Минск:
ЯСlIНскип Ф. С. Теория . С
1897. УIlРУI'ОСТИ. по.: ЛИТОl'рафированное пзд.,
Bishop А. W., Lovenbury Н Т С h t"
clays Pl'OC 7 th ICSMF E . 1 М . r ep с arac епstшs о.. t\VO undistllrbed
" . ' v eXlCO, 1969.
f . Farlane А. М. А reVleW of the engineering characteristics
о olls МесЬ. and Pound Division Р АБСЕ, 1959, у. 85. of peat. J.
. Kersten. М. S. Therrnal pl'Opertis of soils ВпН 28 En g Е' S tatl ' on Unl '
verslty of Мшпеsоtа, 1949. . хр.
Proceedings of the IlI IX Iпtеш Сош of S '1 h 1
i : ! i 'i: ; , L f ' 1957; Pal'is; 1951; lY n:: I, I1 (5; . 1 ;
Takahashi М. Len М Taylor R Т Ь 1 k А М
phous polYf!lers. 'J. appl.' P lyrner SCi. 9 4: У" 4 e 5c 've fi ' some anlOr
Тап T]ong llIe. DeforrnatlOn of the rh 1 . 1 ' .
efficients of cla"s IVTA 1\ K S . G e b o l og1ca parameters ашl hardling co
J . "lmp. reno е, 1966.
Оl'Л.\В.1ЕНПЕ
П реДIlсловие
.. . . . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. ..
f л а в а 1. Современное СОСТОЯНIIC 11 за ачи исследоваНlIЙ l\lерзлых
торфяных I'рунтов как оснований сооружений . .
1.1. Совре;\lенные представления об основных физпчеСКИ"l;: cBOII
ствах торфа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Состояние исследоваНПll физичеСКIIХ n механическп-х: свопств
мерзлых торфяных I'рунтов .. . . ., . - . . .
f л а в а 2. ФИЗПЧССКllе свойства l\lерзлых торфяных I'рунтов
2.1. Строительная классификация и номенклатура торфяных
I'рунтов . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. 3аторфованность . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Равновесная те шература фазовых иерехоцов влаl'И . . . .
2.4. Водные свойства промерзаЮЩl1Х и оттаиваЮЩIIХ торфяных
I'рунтов .................. - . . . . .
2.4.1. Влияние ЦИКЛОВ промерзания оттаивания на влаl'О
e:llKOCTb . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2. ФазовыЙ состав влаl'И . - . . . . . . . .
2.4.3. ВодоудеРШl1вающая сиособность торфа при оттапваюш
и уплотнснип . . . . . . . . .
2.4.4. Обобщенные параметры водных свопств . . .
2.5. Плотность :llерзлыХ и оттаянных торфяных I'рунтов . . . .
2.6. Теплофпзические cBoiicTBa торфяных I'рунтов при ПрЮIeрзаНИII
и оттапвании . . . . .
2.6.1. Теилопроводность . . . .
2.6.2. Теплоешость . . . . . .
2.6.3. Тешературопроводность . .....
2.7. ИЗ 1Снение объе)Ia торфяных I'рунтов при ПРШIeрзаНИII. Te:l[
пературные деформации . . . . . . . .
f л а в а 3. Me.-х:аНll'Iсские свойства мерзлых торфЯНЬL-Х: I'руитов . . .
3.1. Ползучесть )JeРЗЛЫХ торфяных I'рунтов на иримере исиыта
ния на одноосное сжатие ., . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Одноосное растяжение. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Математическое оиисание процесса дефор)шроВания )IeРЗЛЫХ
торфяных I'рунтов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Эквивалентное сцепление :lIeрЗЛЫХ торфяных I'рунтов .
3.5. -Кюшрессионные cBoncTBa )IeРЗЛЫХ торфяных I'рунтов
3.6. СОПРОТI1вленпе СДВПI'У по поверХНОСТЯ:ll смерзания
3.7. Модуль дефОР)IaЦИИ мерзлых торфяных I'рунтов . - .
3.8. Мl'новенный )lОдуль дефОРII[ации . . . . . . . . . . .
3.9. Температурная I'рашща IIластично мерзлоl'О и твердомерзлоl'О
состоянпя торфяных I'рунтов . . . . . . . . . . . .
3.10. Дефорт.raцпоные свопства торфяных I'рунтов при оттаивании
11 УIIJlOтпеШПl . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
7
10
15
16
20
22
29
34
38
40
44
49
52
58
60
65
68
76
91
93
98
104
107
110
r л а в а 4. Заl\ономерности длительной ПРО'IНОСТII мерзлых торфяных
I'рунтов . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Основные предпосылкп . . . . . . . . . . . . .
4.2. Уравненпе длптельноii прочности меРЗЛЫ"l;: торфяных I'рунтов
r л а в а 5. ФllзичеСlюе моделирование npll uпре;:l:ел:енип прочпuстных и
дефоРl\ШТIIВНЫХ свойств l\ICРЗЛЫХ торфяиых I'руптов . . .
5.1. Постановка исследований . . . . . . . . . . . . .
5.2. Условпя lIодобllЯ прн определеНIШ сопротпвленпя сдвиl'У
по повеРХНОСТЯ)1 СJ\lерзанпя .. . . . . . . . . . . .
5.3. РеКО)lС'ндаЦIIII по определеНIIЮ несущеii способности cBaii в
вечномерзлых I'рунтах ИСПЫТaIПIС')I моделеii . . . .
5.4. Условия подuбия при опредеЛСНIIII ;швивалентноl'О сцепления
мерзлых торфяных rpYHToB сферпчеСIШJ\lИ штаJ\lпа ш . . . .
r л а в а 6. Прlll\lенеНlIe l\lетодов аналоl'ПЙ для НрОI'I10за дефОРl\ШЦПЙ
l\lерзльп:: торфяных I'рунтов . .
6.1. Основные предпосылки . . . . .
6.2. Напряшенно временнзя аналоl'ПЯ
6.3. Температурно временнзя аналоl'ПЯ . . . . . . . . . .
6.4. Учет ВЛIШIШЯ особенностеЙ фпзпчеСЮIХ свойств мерзлых TOp
фяных rpYHToB прп построенпи обобщенноii кривоЙ . . . . .
6.5. Использование результатов пспытаний шаРИКОВЫ 1 штампом
для ПРОl'ноза дефОР Iaциii мерзлых торфяных I'рунтов методом
температурно врС'меllнбii аналоl'ИИ .. . . . . . . . . . . . _
6.6. rрафпческпЙ способ обработки опытных данных . . . . . .
6.7. Результаты экспеРlшентальноl'О определенпя lOдуля дефор
маЦИII )шрзлых торфяных I'рунтов методами анаЛОl'пii . . .
6.8. Сопоставление дефОР)IaЦIIИ мерзлоrо торфа. определенноЙ
ИЛОСК1Вl штампом и полученноЙ ПрОI'НОЗО IПО методу анаЛОI'Иll
r л а в а 7. РеКОl\lендации 110 использованию торфяных I'рунтов как oc
новаНlIЙ в северных условиях . . . . . . . . . . . . . .
7.1. ОбщпС' особенностп проектированпя основанпй на заторфован
ных участках в районах распространенпя веЧlIомеРЗЛЬL"I;: I'pYH
тов ..........................
7.1.1. Определение нС'сущеii способности мерзлых торфяных
I'рунтОв при первом принцппе пх пспользоваНllЯ как
основанпii ....................
7.1.2. Предпосылки расчета торфяных I'рунтов при ВТОрШl
принцппе пх использования в качестве основаПIIIl . .
7.2. Предлошенпя по расчету I'лубины оттапванпя и проыерзания
торфяных I'рунтов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Рациональные КОНСТРУКЦИII ФУНДЮlентов на мерзлых торфя
ных основаНIIЯХ . . . . .
Заключепие . .
Литература . .
120
123
137
14О
153
159
162
169
174
179
180
182
185
187
191
194
198
200
202
208
210
I
i '
I
}I
I
l
1
\
\
i.
ЛllдllЯ Тарасовна РО.маu
МЕРЗЛЫЕ ТОРФЯНЫЕ ТРУНТЫ
КАК ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИй
Утверждено к печаТlI
ордена Трудовоl'О KpacHol'o 3ню[С'ни
Институтом lI1ерзлотоведеНIIЯ СО АН СССР
Редаитор издатеJьства Н. А. Лившиц
Худоншии С. Н. Машков
ХудожественныЙ редаитор В. И. ШУМaIЮВ
ТсхничесииЙ редаитор Н. М. Бурна'шнко
Rорреh'ТОр r. д. Смоллк
НЕ М 30176
Сдано в набор 05.01.87. Подписано и печати 19.05.87. :МH 05287. Формат 60X90'/'t. 6 '
EYMara инижно журнальнан. Обьшновеннал rapHHTypa. Высоиал печать. УСЛ. печ;, Л,. 1,.
УСЛ. IIp.--ОТТ. 14. УЧ. lIЗД. Л. 15,5. Тираж 1000 8ИЗ. Заиаз М 613. Цена 2 р. ,О и.
Ордена ТрудовоrО RpacHoro ЗнамеНII издательство «Науиа», Снбнрсиое отдеЛСН!lе.
630099, Новосибнрси, 99, Советсиан, 18.
4 л Тlшоrрафия издательства «Наую\». 630077, Новосибнрси, 77, СтаШIс'-швсиоrо, 25.