Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012

Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time

Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb ‘Raum und Zeit‘

Человек и среда обитания Man a nd Livi ng Enviro nment / Mensch u nd Lebensraum

УДК 551.321.7:551.342:551.578.465

Геворкян С.Г.

Критические коэффициенты интенсивности напряжений

мёрзлых грунтов, содержащих органическое вещество Геворкян Сергей Георгиевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Фундаментпроект» (Москва) E-mail: [email protected] В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований зависимости критических коэффициентов интенсивности напряжений КIC мёрзлых грунтов от содержания в них органического вещества.

Ключевые слова: растрескивание, морозобойные трещины, мёрзлые грунты с содержанием органического вещества, коэффициент интенсивности напряжений (КИН).

Введение Морозобойное, или криогенное, растрескивание грунтов особенно интенсивно проявляется в климатических условиях Крайнего Севера.

Образующиеся морозобойные трещины имеют протяжённость от десятков до сотен метров. Глубина возникших трещин может достигать нескольких метров (до 5—10 м), а ширина раскрытия — до 10—15 см. Трещины располагаются примерно на одном и том же расстоянии друг от друга, образуя периодическую систему. Перпендикулярно им образуется подобная же система трещин, вследствие чего породы с поверхности оказываются разбитыми на прямоугольные в плане блоки-полигоны в однородных породах, и неправильной формы многоугольники — в неоднородных породах.

Многоугольники-полигоны, ограниченные трещинами, имеют в поперечнике от одного двух десятков до нескольких сотен метров. В зависимости от состава грунтов, температурного режима полосы вдоль морозобойных трещин могут возвышаться над уровнем полигонов или быть ниже их.

Возникающие морозобойные трещины проникают в толщу мёрзлого грунта гораздо глубже, чем мерзлая порода может оттаять летом. Весной эти трещины заполняются водой, осенью вода замерзает и расширяет трещины, в которых постепенно образуются ледяные жилы. Глубина проникновения ледяных жил в толщу грунта может достигать до 40 м.

Морозобойные трещины приводят к изменению глубины промерзания грунта, наносят ущерб дорожному полотну, зданиям, инженерным сетям, подземным сооружениям и линиям связи. Этот процесс оказывает серьёзное влияние на ведение горных работ в условиях Севера. Морозобойное растрескивание дневной поверхности грунтового массива необходимо учитывать при расчётах устойчивости кровли подземных выработок неглубокого заложения. Морозобойное растрескивание возникает в стенках и кровле самих подземных выработок при проветривании их в зимнее время. При открытом способе разработки морозобойное растрескивание пород снижает устойчивость бортов карьеров.

Морозобойные трещины часто предопределяют основные черты развития форм рельефа, благоприятствуют эрозионным и оползневым явлениям, способствуют глубокому промерзанию грунта и неравномерному распределению влаги в нём, изменяя гидротермический режим почв. Трещины способствуют разрушению пород и сносу рыхлого материала со склонов, являясь путями, по которым особенно интенсивно происходит выветривание. Повторножильные льды, формирующиеся в морозобойных трещинах, при последующем их протаивании могут привести к активному термокарсту или оврагообразованию, угрожающим устойчивости различных сооружений.

Таким образом, необходимость изучения закономерностей морозобойного растрескивания грунтов тесно связана как с воздействием этого процесса на различные инженерные сооружения, так и с той важной рельефообразующей функцией, которую он выполняет в природе [Познанин, Геворкян 2000].

Причиной образования морозобойных трещин являются деформации и напряжения, развивающиеся в массиве мёрзЭлектронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time Man and Living Environment Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb ‘Raum und Zeit‘ Mensch und Lebensraum

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

лого грунта при резком понижении температуры на его дневной поверхности в холодное время года. Трещинообразование в первоначально сплошном (без трещин) массиве происходит, если температурные напряжения в нём достигают предела прочности мёрзлого грунта на разрыв [Гречищев и др. 1980; Григорян и др. 1987]. Дальнейший рост морозобойной трещины вглубь мёрзлой толщи определяется величиной концентрации напряжений в вершине трещины.

Одной из важнейших характеристик напряжённого состояния в окрестности вершины трещины является коэффициент интенсивности напряжений (КИН). Если у двух тел с трещинами одинаковые значения коэффициента интенсивности напряжений, то напряжённые состояния в окрестностях вершин трещин будут в обоих случаях одинаковыми. Согласно критерию Гриффитса-Ирвина, развитие трещины начнётся, если коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины достигнет некоторой критической величины [Броек 1980; Григорян и др. 1987]. Эта величина является физической константой материала и называется критическим коэффициентом интенсивности напряжений или же коэффициентом вязкости разрушения. Для трещин отрыва критический КИН принято обозначать символом КIC.

В связи с активным хозяйственным освоением Крайнего Севера большое значение приобретает количественный прогноз основных параметров процесса морозобойного трещинообразования: мест возникновения трещин, расстояния между ними, глубины их проникновения в мёрзлую толщу. Однако без определения прочностных характеристик мёрзлого грунта, в частности, не зная величину КIC, выполнить такой прогноз будет невозможно.

Ранее С.Е. Гречищевым совместно с В.И. Аксёновым и Ю.Б. Шешиным были выполнены экспериментальные определения критического КИН КIC на искусственно приготовленных образцах мёрзлого грунта [Гречищев, Шешин 1971; Гречищев, Шешин 1974; Гречищев и др. 1980; Гречищев и др. 2000; Шешин 1974; Шешин 1975]. Значения критического КИН КIC для льда и для снега были получены В.П. Епифановым [Епифанов 2006; Епифанов, Осокин 2009; Епифанов, Осокин 2010; Епифанов, Юрьев 2006]. Впоследствии нами были определены значения критического КИН КIC для мёрзлых грунтов естественного сложения [Геворкян 2011].

При обустройстве месторождений нефти и газа в области распространения многолетнемёрзлых грунтов встречаются территории, занятые торфами, а ещё чаще — минеральными грунтами с содержанием растительных остатков. Как показывает практика, даже небольшое содержание торфа самым серьёзным образом влияет на прочность мёрзлого грунта. По этой причине нами были выполнены специальные экспериментальные исследования зависимости критических коэффициентов интенсивности напряжений КIC мёрзлых грунтов от содержания в них органического вещества1. Эти исследования Органическое вещество — органические соединения, входящие в состав грунта в виде неразложившихся остатков растительных и животных организмов, и также продуктов их разложения и преобразования.

Торф — органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50% (по массе) и более органических веществ.

мы проводили на искусственно приготовленных образцах мёрзлого песчаного грунта с различным содержанием органического вещества Ir. Результаты этих исследований приводятся в настоящей работе.

Методика подготовки и проведения экспериментов Для приготовления образцов были использованы песок мелкий и торф, отобранные на северо-восточном побережье п-ова Ямал. Физические характеристики грунтов приведены в табл. 1.

Таблица Физические свойства грунтов, использованных в экспериментах Содержание частиц, % Менее 0,05 мм Свыше 0,5 мм 0,25—0,10 мм 0,10—0,05 мм Приготовление образцов выполнялось по методике В.И. Аксёнова [Аксёнов, Геворкян 2012]. Высушенный и размолотый до порошкообразного состояния высокозольный торф (размеры полученных фракций от 1 до 3 мм) добавлялся по массе в замес для изготовления образцов для испытаний. Так, например, если к массе сухого песка 2160 г добавлялось 30 г торфяного порошка, содержащего, по данным лабораторных определений, 62,08 % органического вещества, то такая пропорция будет соответствовать относительному содержанию органического вещества Ir = 0,86 %, поскольку согласно ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» [ГОСТ 25100-95 1996], относительное содержание органического вещества Ir — это отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Для целей нашего исследования мы готовили образцы с содержанием органического вещества в пределах от 0,86% до 5,6%. Заметим, что, как показывает практика [Аксёнов, Геворкян 2012], для грунтов Ямала содержание органического вещества в мелких песках не превышает 0,2%. Для пылеватых песков мы наблюдаем содержание органического вещества от 0,5% до 1% и выше. Глинистым же грунтам присуще содержание органического вещества от 1% и выше — до 9%.

Тщательно перемешанная смесь песка с размолотым торфом заполнялась в сухом виде в металлические цилиндрические обоймы (размер обойм: h = 11,7 см, d = 4,5 см), уплотнялась путём постукивания по корпусу цилиндра. Изнутри стенки обойм выкладывались фольгой для облегчения последующего извлечения из формы приготовленных образцов (тем самым исключается возможность примерзания образцов к стенкам обойм).

Далее обоймы с песчано-торфяной смесью помещались в ёмкость с дистиллированной водой для пропитывания этой смеси влагой снизу вверх. При появлении на верхнем торце обоймы плёнки воды пропитка прекращалась (обойма извлекалась из ёмкости с водой). После этого обоймы с влажным грунтом взвешивались для последующего определения его плотности, и помещались под небольшой нагрузкой на торцы обойм( = 0,04—0,06 МПа) в морозильную камеру для промораживания при заданной отрицательной температуре (Т = -3,5 оС). В процессе промораживания, который длился 3—4 суток, при помощи мессур велось наблюдение за вертикальными деформациями образцов до полной стабилизации.

После промораживания образцы извлекались из обойм, торцевались2 и взвешивались для определения плотности мёрзлого грунта.

Для определения критического коэффициента интенсивности напряжений (коэффициента вязкости разрушения) мёрзлого грунта мы использовали метод изгиба двухопорной балки с надрезом [Геворкян 2011]. Сущность метода заключается в измерении значения усилия, вызывающего разрушение образца при его изгибе. Поэтому, для наших экспериментов из замороженных цилиндрических образцов нами вырезались небольшие бруски (параллелепипеды) длиной от 62,4 мм до 66,6 мм, высотой от 33,2 мм до 33,4 мм, и шириной от 32,2 мм до 33,4 мм. Для обеспечения параллельности граней и правильности геометрической формы полученных параллелепипедов, с помощью угольника и тонкого ножа выполнялась «доводка» этих брусков. После этого поперёк одной из длинных граней параллелепипеда делался небольшой, глубиной в несколько миллиметров, надрез (см. рис. 1). Подготовленные таким образом образцы заворачивались в полиэтиленовую плёнку (для защиты от выветривания) и не менее суток выдерживались при той отрицательной температуре, при которой предстояло провести намеченные испытания.

Разумеется, все работы по изготовлению и подготовке образцов проводились в специально оборудованных морозильных камерах при отрицательной температуре.

В качестве испытательной машины была применена установка АНС-1 конструкции Д.Н. Кривова [Кривов 2009]. На этой установке силовое воздействие производится пневматической системой, управления которой осуществляется компьютером по специальной программе. Технические возможности установки АНС-1 и алгоритмы управления нагрузками позволяют задавать и поддерживать постоянными усилия в диапазоне от 4 до 650 кг (точность установки нагрузки составляет 0,15 кг). Установка позволяет вести наблюдения за деформациями образца, нагрузкой и температурой в режиме реального времени (точность измерения деформации — не хуже 0,002 мм, нагрузки — не хуже 0,1 кГ, температуры — не хуже 0,05 оС). Вся информация об опыте сохраняется в электронном виде.

При проведении опытов образцы (бруски) укладывались на две опоры, высота которых составляла 10 ± 1 мм.

Нагрузка на образец передавалась через металлический валик диаметром 10 ± 1мм, приложенный по всей ширине образца на равном расстоянии от опор. К нагруженному валику подводится шток пневматической системы, и производится плавное увеличение нагрузки вплоть до разрушения образца (рис. 2, 3). В рабочей камере в течение всего времени испытаний поддерживалась температура Т = -3,5 оС.

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

По результатам выполненных испытаний нами были определены значения критического КИН КIC, которые вычислялись по следующей формуле [Броек 1980]:

где P — разрушающее усилие, L — расстояние между осями опор, a — ширина образца (бруска), b — высота образца, h — первоначальная глубина пропила (надреза).

Вычисленные значения КИН представлены в табл. 2.

мёрзлого мелкого песка с различным содержанием органического вещества Ir.

Ниже, в табл. 3, приведены значения КИН КIC заторфованных и засоленных грунтов естественного сложения. Эти значения определялись нами в соответствии с методикой, описанной в нашей предыдущей статье [Геворкян 2011].

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Критические коэффициенты интенсивности напряжений КIC мёрзлых грунтов естественного сложения с различным содержанием органического вещества Ir и различной засоленностью Dsal.

Из представленных таблиц видно, что увеличение содержания органического вещества в грунте приводит к уменьшению его КИН КIC. Если же в грунте, помимо органического вещества, содержатся ещё и соли, то значения КИН КIC ещё более уменьшаются; при этом происходит своего рода наложение, «суперпозиция» влияний соответственно органического вещества (торфа) и солей на величину коэффициента КIC.

По данным табл. 2 нами были построены диаграммы зависимости КИН КIC от содержания органического вещества Ir (рис. 4, 5).

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Эти диаграммы показывают, что увеличение содержания органического вещества (Ir) в мёрзлом грунте приводит к снижению его критического коэффициента интенсивности напряжений по гиперболическому закону:

Здесь безразмерная константа Со определяется видом грунта, его суммарной влажностью (Wtot) и температурой. При прочих равных условиях, чем ниже температура грунта Т и чем больше влажность Wtot, тем медленнее происходит снижение КИН КIC при увеличении содержания органического вещества Ir ; соответственно, и константа Со будет при этом меньше (рис. 5). Так, при фиксированной температуре Т= –3,5 оС для мелких песков при суммарной влажности Wtot = 15,7 19,4% величина Со будет равна 0,75; а при Wtot = 23,5 31,6% имеем Со = 0,21.

Чтобы оценить суммарное влияние влажности и органического вещества на прочность мёрзлого грунта, введём характеристику, связывающую воедино суммарную влажность мёрзлого грунта Wtot и содержание в нём органического вещества Ir (см. табл. 2):

Эту характеристику можно назвать «условной концентрацией органического вещества в грунте». Условность же характеристики FIW состоит в том, что вычисляется она по формуле, аналогичной формуле расчёта концентрации растворённых в грунтовой влаге солей, тогда как торф не растворим в воде.

Диаграмма на рис. 6, построенная по данным табл. 2, показывает, что изменение критического КИН КIC с увеличением «условной концентрации» FIW можно описать гиперболической зависимостью:

где безразмерная константа СF определяется видом грунта, его температурой и суммарной влажностью. В данном случае СF = 25,0.

0,05 орг.вещества, доли ед.

Эти выводы хорошо согласуются с результатами других исследований, в ходе которых с применением метода одноосного сжатия изучалась зависимость модуля деформации (Е), предела длительной прочности (дл) и сопротивление нормальному давлению (R) мерзлых грунтов от относительного содержания в них органического вещества [Аксёнов, Геворкян 2012]. Для сравнения некоторые из этих результатов приводятся ниже на рис. 7, 8.

Снижение прочности мёрзлых дисперсных грунтов с ростом их заторфованности (т.е. содержания в них органического вещества) связано с тем, что чем больше содержится в мёрзлом грунте органического вещества, тем бльшим будет (при фиксированной отрицательной температуре) содержание в нём незамёрзшей воды [Роман 1981; Роман 1987]. В свою очередь, чем больше содержание незамерзшей воды в мёрзлом грунте, тем ниже будут его прочностные и деформационные характеристики [Аксенов 2008].

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

На важную роль незамёрзшей воды в мёрзлых грунтах и на необходимость учёта фазового состава содержащейся в них воды указывал ещё Н.А. Цытович. В частности, он отмечал, что «…без учета изменений фазового состава воды в мерзлых грунтах определение тех или иных показателей их физико-механических свойств будет давать значительные погрешности и ни в какой мере не будет отражать специфических особенностей мерзлых грунтов» [Цытович 1954].

Методика определения фазового состава влаги в мерзлых грунтах к настоящему времени не нормирована. Однако методы определения фазового состава воды в мерзлых грунтах подробно разработаны, применяются в практике инженерных изысканий и подробно описаны в учебной литературе [Лабораторные методы… 1985] и руководствах [Руководство… 1973]. К настоящему времени предложено несколько методов, как табличных [СНиП 2.02.04-88 1990], так и аналитических [Истомин и др. 2009; Левкович и др. 1987; Пермяков 2004; Роман 2002; Старостин 2008], позволяющих расчётным путём определить для основных разновидностей мерзлых дисперсных грунтов содержание в них незамёрзшей воды при заданной отрицательной температуре. По результатам многочисленных исследований фазового состава незамерзшей воды в спектре отрицательных температур они показывают хорошую сходимость.

Один из наиболее практичных расчетных методов основан на формуле И.В. Шейкина [Шейкин 1986]:

где Wtot — суммарная влажность мёрзлого грунта; Т, Тbf — соответственно текущая температура мёрзлого грунта и температура начала замерзания грунта (грунтовой влаги); Wp — влажность грунта на пределе раскатывания. При этом Wtot, Wp и Тbf определяются в стандартной грунтовой лаборатории. Основным достоинством метода является возможность его применения при широкомасштабных (массовых) инженерно-геологических исследованиях в области распространения мерзлых грунтов. Но применять его можно только для глинистых грунтов.

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Профессором Л.Т. Роман было предложено соотношение, описывающее по логарифмическому закону изменение содержания незамёрзшей воды в мёрзлом грунте в зависимости от его температуры:

Здесь Wtot — суммарная влажность мёрзлого грунта; Т, Тbf — соответственно текущая температура мёрзлого грунта и температура начала замерзания грунта (грунтовой влаги); (Т / Тbf) — относительная температура. При этом, Wtot и Тbf определяются опытным путём (лабораторными методами) [Боженова 1954; Лабораторные методы… 1985]. Однако это формула даёт довольно большие расхождения в сравнении с результатами экспериментального определения незамёрзшей воды в мёрзлых грунтах, особенно для песков.

Гораздо лучше соответствует эксперименту предложенное в РСН 67-87 соотношение, описывающее изменение содержания незамёрзшей воды в мёрзлом грунте от температуры по гиперболическому закону:

где А, В, С — экспериментально определяемые коэффициенты (зависящие от свойств исследуемого грунта), а Т — текущая температура мёрзлого грунта.

Эта формула, будучи в целом удачнее формулы Л.Т. Роман, не учитывает, тем не менее, такую важную характеристику, как температура начала замерзания грунта (Тbf).

На основании анализа и обработки большого числа (нескольких сотен) выполненных магистром геологии Э.С. Гречищевой лабораторных определений количества незамёрзшей воды в различных мёрзлых грунтах при различных отрицательных температурах нами была предложено новое соотношение, связывающее содержание незамёрзшей воды в грунте с его температурой по гиперболическому закону и, вместе с тем, учитывающее температуру начала замерзания грунта (Тbf):

Здесь W — это содержание незамёрзшей воды в грунте при температуре Т < –25оС; W* — содержание незамёрзшей воды при температуре Т*, при этом наилучшие результаты получаются при –1оС Т* –2оС. Показатель m зависит от вида грунта; по нашим данным, для глин и суглинков Ямала m принимает значения от 0,9 до 1,3 (среднее mср = 1,12);

для супесей m принимает значения от 1,23 до 1,89 (при mср = 1,69); для мелких песков m принимает значения от 1, до 1,73 (при mср = 1,33); для пылеватых песков m принимает значения от 1,65 до 2,3 (при mср = 1,92). Как видим, при выполнении практических расчётов можно принимать для глин и суглинков m = 1; для супесей и мелких песков m = 1,5; для пылеватых песков m = 2.

На рис. 9—11 представлены результаты лабораторных определений содержания незамёрзшей воды в мёрзлых грунтах Эксперименты по определению содержания незамёрзшей воды Ww в мёрзлых грунтах выполнены магистром в сравнении с расчётными кривыми, построенными по соотношениям (8), (9). Видно, что соответствие опытных и расчётных данных достаточно хорошее.

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 2 • 2012 Человек и среда об итания

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES

1. Аксёнов В.И., Геворкян С.Г. Исследование зависимости проч- 1. Aksenov V.I., Gevorkyan S.G. (2012). Issledovanie zavisimosti ностных и деформационных характеристик мерзлых грунтов от prochnostnykh i deformatsionnykh kharakteristik merzlykh относительного содержания органического вещества. М.: Фун- gruntov ot otnositel'nogo soderzhaniya organicheskogo 2. Боженова А.П. Инструктивные указания по лабораторному 2. Bozhenova A.P. (1954). Instruktivnye ukazaniya po laboratorметоду определения температуры переохлаждения и начала nomu metodu opredeleniya temperatury pereokhlazhdeniya i замерзания грунтов // Материалы по лабораторным nachala zamerzaniya gruntov. In: Materialy po laboratornym исследованиям мёрзлых грунтов. Сборник 2. Инструктивные issledovaniyam merzlykh gruntov. Sbornik 2. Instruktivnye 3. Броек Д. Основы механики разрушения / Пер. с англ. М.: Выс- 3. Broek D. (1980). Osnovy mekhaniki razrusheniya. Per. s angl.

4. Геворкян С.Г. Значения критических коэффициентов интенсив- 4. Gevorkyan S.G. (2011). Znacheniya kriticheskikh koeffitsientov ности напряжений мёрзлых грунтов естественного сложения. // intensivnosti napryazhenii merzlykh gruntov estestvennogo 5. ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация». М.: ИИК 5. GOST 25100-95 «Grunty. Klassifikatsiya». IIK Izdatel'stvo 6. Гречищев С.Е., Казарновский В.Д., Кретов В.А., Аксёнов В.И., 6. Grechishchev S.E., Kazarnovskii V.D., Kretov V.A., Aksenov V.I., Шешин Ю.Б. Термореологические и контракционные свойства Sheshin Yu.B. (2000). Termoreologicheskie i kontraktsionnye для мёрзлокомковатых грунтов // Криосфера Земли. 2000. Т. svoistva dlya merzlokomkovatykh gruntov. Kriosfera Zemli. T. IV.

7. Гречищев С.Е., Шешин Ю.Б. Исследования температурных де- 7. Grechishchev S.E., Sheshin Yu.B. (1971). Issledovaniya temформаций мёрзлых супесчаных грунтов Центральной Якутии // peraturnykh deformatsii merzlykh supeschanykh gruntov TsenТруды ВСЕГИНГЕО. Вып. 42. Вопросы геокриологии. М.: ВСЕ- tral'noi Yakutii. In: Trudy VSEGINGEO. Vyp. 42. Voprosy 8. Гречищев С.Е., Шешин Ю.Б. Экспериментальное исследование 8. Grechishchev S.E., Sheshin Yu.B. (1974). Eksperimental'noe температурных напряжений в образцах мёрзлых грунтов // issledovanie temperaturnykh napryazhenii v obraztsakh merzlykh Труды ВСЕГИНГЕО. Вып. 70. Физико-геологические процессы в gruntov. In: Trudy VSEGINGEO. Vyp. 70. Fiziko-geologicheskie промерзающих и протаивающих породах. М.: ВСЕГИНГЕО, protsessy v promerzayushchikh i protaivayushchikh porodakh.

9. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико- 9. Grechishchev S.E., Chistotinov L.V., Shur Yu.L. (1980).

геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980. 384 с. Kriogennye fiziko-geologicheskie protsessy i ikh prognoz.

10. Григорян С.С., Красс М.С., Гусева Е.В., Геворкян С.Г. Количе- 10. Grigoryan S.S., Krass M.S., Guseva E.V., Gevorkyan S.G.

ственная теория геокриологического прогноза. М.: Изд-во (1987). Kolichestvennaya teoriya geokriologicheskogo 11. Епифанов В.П. Хрупкое разрушение пресного льда // Материа- 11. Epifanov V.P. (2006). Khrupkoe razrushenie presnogo l'da. In:

лы гляциологических исследований. Вып.100. М.: ИГ РАН, Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. Vyp.100. IG RAN, 12. Епифанов В.П., Осокин Н.И. Пластическое течение и разрыв 12. Epifanov V.P., Osokin N.I. (2009). Plasticheskoe techenie i снежного покрова на горных склонах острова Шпицберген // razryv snezhnogo pokrova na gornykh sklonakh ostrova 13. Епифанов В.П., Осокин Н.И. Исследование прочностных 13. Epifanov V.P., Osokin N.I. (2010). Issledovanie prochnostnykh свойств снега на горном склоне архипелага Шпицберген // svoistv snega na gornom sklone arkhipelaga Shpitsbergen.

14. Епифанов В.П., Юрьев Р.В. Вязкость разрушения льда // Докл. 14. Epifanov V.P., Yur'ev R.V. (2006). Vyazkost' razrusheniya l'da.

15. Кривов Д.Н. Закономерности деформирования и разрушения 15. Krivov D.N. (2009). Zakonomernosti deformirovaniya i мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тунд- razrusheniya merzlykh zasolennykh gruntov raiona ры. Автореф. дисс. … канд. геол.-мин. наук. М.: МГУ имени Bol'shezemel'skoi tundry. Avtoref. diss. … kand. geol.-min.

16. Лабораторные методы исследования мерзлых пород. М.: Изд-во 16. Laboratornye metody issledovaniya merzlykh porod. Izd-vo 17. Познанин В.Л., Геворкян С.Г. Элементы иерархии и 17. Poznanin V.L., Gevorkyan S.G. (2000). Elementy ierarkhii i формализация структурной сложности процессов криогенного formalizatsiya strukturnoi slozhnosti protsessov kriogennogo растрескивания и термоэрозии // Проблемы окружающей среды rastreskivaniya i termoerozii. In: Problemy okruzhayushchei и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 2000. № 3. С. 55—63. sredy i prirodnykh resursov. VINITI, Moskva. N 3. Pp. 55-63.

18. Роман Л.Т. Физико-механические свойства мерзлых и торфяных 18. Roman L.T. (1981). Fiziko-mekhanicheskie svoistva merzlykh i 19. Роман Л.Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооруже- 19. Roman L.T. (1987). Merzlye torfyanye grunty kak osnovaniya 20. Роман Л.Т. Механика мёрзлых грунтов. М.: Наука, 2002. 426 с. 20. Roman L.T. (2002). Mekhanika merzlykh gruntov. Nauka, Moskva.

21. Руководство по определению физических, теплофизических и 21. Rukovodstvo po opredeleniyu fizicheskikh, teplofizicheskikh i механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, mekhanicheskikh kharakteristik merzlykh gruntov. Stroiizdat, 22. Цытович Н.А. Механика мёрзлых грунтов. М.: Высшая школа, 22. Tsytovich N.A. (1973). Mekhanika merzlykh gruntov. Vysshaya

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

23. Шешин Ю.Б. Некоторые экспериментальные данные о прочно- 23. Sheshin Yu.B. (1974). Nekotorye eksperimental'nye dannye o сти на разрыв и коэффициентах температурного расширения prochnosti na razryv i koeffitsientakh temperaturnogo мёрзлого торфа // Труды ВСЕГИНГЕО. Вып. 70. Физико- rasshireniya merzlogo torfa. In: Trudy VSEGINGEO. Vyp. 70.

геологические процессы в промерзающих и протаивающих по- Fiziko-geologicheskie protsessy v promerzayushchikh i 24. Шешин Ю.Б. Некоторые данные натурных и лабораторных иссле- 24. Sheshin Yu.B. (1975). Nekotorye dannye naturnykh i laboratorдований прочностных и деформативных свойств мёрзлого торфа nykh issledovanii prochnostnykh i deformativnykh svoistv merzloЗападной Сибири // Труды ВСЕГИНГЕО. Вып. 87. Геокриологиче- go torfa Zapadnoi Sibiri. In: Trudy VSEGINGEO. Vyp. 87. Geokrioские исследования. М.: ВСЕГИНГЕО, 1975. С. 118—122. logicheskie issledovaniya. VSEGINGEO, Moskva. Pp. 118—122.

THE CRITICAL STRESS INTENSITY FACTORS

OF FROZEN SOILS, CONTAINING ORGANIC SUBSTANCE

Sergey G. Gevorkyan, PhD (Physics and Mathematics), Senior Researcher at Fundamentproect OJSC (Moscow, Russia) E-mail: [email protected] The necessity of studying the laws of frost cracking soils is closely related to the impact of this process on different engineering structures, and with important ‘lie of the ground’ function that this process performs in nature. Due to the active economic development of the Far North quantitative forecast of the main process parameters of frost cracking becomes very important. These parameters are locations of cracks, the distance between ones, and the depth of its penetration into the permafrost, and for this forecast it is necessary to determine the strength characteristics of frozen soil. One of the most important characteristics of the stress state in the vicinity of the crack tip is the stress intensity factor (SIF) KIC. In the development of oil and gas fields in permafrost industry is forced to develop the territory that formed with peat, as well as (more often) with mineral soils containing plant residues. Practice shows that even a small amount of peat significantly affect the strength of the frozen soil. For this reason, we have done special experimental investigations of the dependence of the critical stress intensity factor KIC of frozen soil on the content of organic matter.

These studies showed that increasing the organic matter content in the frozen soil resulting in a decrease of the critical stress intensity factor by a hyperbolic law. Based on the analysis and processing of few hundreds of laboratory measurements of unfrozen water in frozen soils under various different negative temperatures we offered a new relation between the content of unfrozen water in the soil with its temperature by a hyperbolic law and, at the same time, taking into account the temperature of freezing soil.

Keywords: fracture, thermal cracks, frozen soils with content of organic substances, stress intensity factor (SIF).

ГЕВОРКЯН С.Г. КРИТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО