ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2012, № 2, с. 159-167
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.139:536.7
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ1 КАК ХАРАКТЕРИСТИКА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
© 2012 г. В. П. Мерзляков
Учреждение Российской академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер. 13, стр. 2, Москва, 101000 Россия. E-mail: cryo2@yandex.ru
Поступила в редакцию 03.03.2011 г.
В статье показано, что коэффициент теплового расширения - полезная "структурно-чувствительная" характеристика мерзлого грунта, необходимая для построения той части реологической модели, которая связана с температурным деформированием. Его численные значения могут использоваться при анализе морозобойного растрескивания и смежных с ним процессов. Описаны основные особенности коэффициента теплового расширения мерзлого грунта, рассмотрены методы и результаты его исследования.
Дано уравнение состояния системы, содержащее коэффициент теплового расширения, для процесса деформирования, близкого к равновесному.
Указаны внутренние явления в образце мерзлого грунта, которые сопровождают "внешний" теплообмен образца с окружающей средой и влияют на значения коэффициента теплового расширения. Рассмотрен неравновесный процесс "термоползучести". Дано уравнение, выражающее мгновенную деформацию через мгновенную температуру и историю температуры. Показано, что функции "термоползучести", определенные в реальном эксперименте, зависят не только от свойств мерзлого грунта, но также от схемы и параметров теплообмена экспериментальной установки.
Ключевые слова: мерзлый грунт, температура, деформация, внутренняя энергия, термодинамический потенциал, равновесный и неравновесный процессы, время релаксации, "термоползучесть".
ВВЕДЕНИЕ
В северных и северо-восточных районах России распространены морозобойные трещины, образующиеся при охлаждении поверхности массива мерзлых грунтов. Морозобойное растрескивание оснований инженерных сооружений: зданий, взлетно-посадочных полос северных аэродромов, разрушение плотин из местных материалов от температурных напряжений, - основные опасности, связанные с температурным деформированием. В связи с прогнозом напряженного состояния верхних слоев пород, а также исследованием "полигональных образований", необходима разработка адекватной реологической модели мерзлого грунта.
1 В тексте будет использоваться традиционное выражение "тепловое расширение" или "температурное расширение". На сокращение размеров будет указывать знак минус.
Посвящается памяти профессора С.Е. Гречищева
Построение полной реологической модели мерзлого грунта - чрезвычайно сложная задача. Даже при температуре ниже температуры замерзания несвязной воды такая модель, если она когда-нибудь будет создана, должна быть значительно сложнее известных реологических моделей.
Феноменологическая модель мерзлого грунта должна отражать существенные внутренние явления, которые возникают при изменении температуры: фазовый переход воды, структурную перестройку, в том числе трещинообразование при низких температурах, неоднородность температурных деформаций на уровне структуры, возникновение режеляционного движения льда и многое другое. Эти явления влияют на такой важный феноменологический параметр как коэффициент теплового расширения. Числовые значения этого коэффициента для грунта в определенных температурных интервалах отражают происходящие в нем внутренние процессы.
Несмотря на то, что исследования коэффициента теплового расширения мерзлых грунтов проводились разными авторами, и было показано его большое значение, этот параметр в качестве обязательной характеристики наряду с плотностью, влажностью-льдистостью, пористостью, степенью водонасыщения, гранулометрическим составом, текстурой, прочностными характеристиками не рассматривался. Зависимости коэффициента теплового расширения от температуры (или дилатометрические кривые) - не только необходимы при анализе морозобойного растрескивания и смежных с ним процессов, но и являются полезной "структурно-чувствительной" характеристикой мерзлого грунта. Известно, что коэффициент теплового расширения неотъемлемая характеристика строительных материалов, в частности, бетона.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Первые описания воздействия морозобойных трещин на инженерные сооружения относятся к городам Забайкалья и к г. Якутску [2, 7, 9]. В этих работах приводятся сведения о грунтах оснований, температуре воздуха, параметрах трещин, характеру их воздействия на инженерные сооружения. Данных об изменениях температуры поверхности, температурного поля и температурных напряжений в массиве в этих работах еще не приводилось. Однако было ясно, что температурные деформации, вызывающие разрушения такого типа, отличаются от известных деформаций пучения промерзающих грунтов, как по физической природе, так и по результатам воздействия на сооружения. В работе [7] отмечалось, что фактически ни одна из строительных площадок в Якутске не свободна от морозобойного растрескивания. Наряду с описанием систем трещин эта работа содержит оценку температурных напряжений в массиве, предшествующих разрушению, с помощью простейших формул теории упругости. Были проведены первые опыты по измерению коэффициента температурного расширения. Изучалась деформация образцов, свободных от внешней нагрузки, при изменении температуры.
Лабораторные исследования [3, 6] показали, что мерзлые глины и суглинки деформируются более интенсивно в области заметных фазовых переходов, при температуре до минус 12 °С. Сокращение образцов при уменьшении температуры в этом диапазоне связано с процессами преобразования структуры (переходом коагуляционных связей в кристаллизационные, уменьшением трещин и пустот). К сокращению также ведут объемные деформации скелета, льда, незамерзшей воды. Эффект
сокращения снижается в результате расширения воды при ее замерзании. Полученные дилатометрические кривые, показывающие зависимость температурных деформаций от температуры, отражают взаимодействие нескольких процессов.
Результаты опытов обычно представляются либо в виде дилатометрических кривых, либо в виде зависимостей значений коэффициента теплового расширения от температуры. Общий характер зависимости "равновесных" в термодинамическом смысле значений коэффициента теплового расширения от температуры показывает аномально большие по абсолютной величине значения этого коэффициента при "высоких" отрицательных температурах (первая особенность). Такие значения объясняются тем, что в некотором интервале температуры ниже начала замерзания проявляется пучение, которое невозможно отделить от температурных деформаций. При дальнейшем понижении температуры зависимости, как правило, имеют одно нулевое значение, экстремум (максимум), точку перегиба и асимптотическое значение.
Вторая особенность температурного деформирования мерзлых грунтов "последействие" температуры (зависимость деформаций от истории температуры). Было установлено, что образцы мерзлого грунта продолжают деформироваться несколько суток после установления температурного равновесия с окружающей средой. Это явление, аналогичное ползучести грунта при воздействии напряжений, было названо С.Е. Гречищевым термоползучестью, а соответствующее научное направление, изучающее температурное последействие - термореологией мерзлых грунтов.
Варианты ранних методик измерения коэффициента теплового расширения описаны в работах И.Н. Вотякова, С.Е. Гречищева, Ю.Б. Шешина и Е.П. Шушериной с сотрудниками [3, 6, 14] и др. Устройство прецизионных дилатометров и техника измерений с их помощью описаны в работах [5, 13].
В конце 1970-х гг. исследование температурного расширения мерзлых грунтов прекратилось.
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Коэффициент температурного расширения одна из важных характеристик материалов. По определению коэффициентом температурного расширения называется относительное изменение размера образца, свободного от внешних нагрузок, при нагревании на 1° С
а = ■
± Л. 10 Л
(1)
Здесь I рассматривается как функция температуры С в некотором диапазоне ее изменения, /0 - значение размера при начальной температуре
Практически определяются значения коэффициента температурного расширения в интервале температуры Д? = ¿п - ?п-1:
1 (К - 1 п—1 ) а =--, (2)
10 (?п - ?п-0
отнесенные к средней температуре (?п + ?п-1)/2. Если выбраны достаточно малые интервалы измерения (?п-1, ¿п), то а является достаточно хорошим приближением к значениям производной (1).
Известно, что все твердые тела в той или иной степени подвержены ползучести. По аналогии с понятием "ползучесть" для мерзлых грунтов можно ввести понятие "термоползучесть", которое определяется как способность материала, свободного от внешней нагрузки, изменять свои размеры при постоянном значении температуры "Термоползучесть" проявляется в форме последействия температурных деформаций -неравновесного процесса в термодинамическом смысле.
Наблюдая эффект последействия (рис. 1), С.Е. Гречищев выделил начальное а0 и длительное значения коэффициента теплового расширения а„. В качестве а0 можно принять равновесное значение коэффициента теплового расширения, соответствующее начальной температуре и определенное по дилатометрической кривой.
Длительное ("новое" равновесное) значение коэффициента температурного расширения, по определению С.Е. Гречищева, равно
ах = Д Ит е (х) при х-где Д? = - ?0.
(3)
е-102
0.05
. Смесь (глина каолинов 70% -и песок ср. зерн. 30%) ш
10
т, сут
5
0 -5
Температура в образце
10
т, сут
Разумеется, предел при х ^ <х> следует понимать условно. Имеется в виду х ^ х5, где х^ такой момент времени, что при х > х^ деформация е(х) практически не меняется.
На рис. 2 показаны графики зависимостей коэффициентов температурного расширения мерзлых глин от температуры, полученные в одной из наиболее обстоятельных работ Е.П. Шуше-риной с авторами [14]. Графики построены на
Рис. 1. Опытные данные изменения температурных деформаций во времени ("термоползучесть") [6]. Изменение температуры соответствует верхней кривой последе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.