| Popis: |
Процес промерзання ґрунтового шару завжди супроводжується формуванням додаткових полів напружень деформацій в ґрунті і контактуючих з ним об’єктах (борти та уступи кар’єра, трубопроводи, дороги та автомагістралі, фундаменти, стіни, тощо). При промерзанні приповерхневий шар ґрунту різко змінює швидкість проходження сейсмічних хвиль, свою міцність та здатність до поглинання сейсмічної енергії. Очевидно, що достовірна оцінка пружно-деформаційного стану в масиві ґрунту і взаємодіючих з ним конструкцій багато в чому залежить від точності прогонозу температурних полів в масиві гірских порід. Пружні властивості гірських порід характеризуються модулем нормальної пружності, модулем зсуву та коефіцієнтом Пуассона. Модуль нормальної пружності (модуль Юнга) є показником здатності масивів чинити опір розтягу та стисненню при пружній деформації. Його величина залежить від мінералогічного складу, пористості породи, температури, вологості а також від виду деформації і величини прикладеного навантаження. Модуль нормальної пружності для мерзлих порід знаходиться в діапазоні 300 – 30 000 МПа, що в десятки і сотні разів більше модуля нормальної пружності немерзлих ґрунтів. При дослідженні фізикомеханічних властивостей мерзлих ґрунтів важливо правильно охарактеризувати їх фізичний стан, визначити фазовий склад води, установити характеристики основних фізичних властивостей мерзлих ґрунтів і їх вплив на фізико – хімічні і фізичні процеси. Для встановлення залежності зміни модуля нормальної пружності від температури використані експериментальні дослідження для вологонасиченних мілкозернистого (d = 0.1/0.25 мм) та гравійового (d = 1/0.5 мм) пісків. Характер приведених в статті експериментальних залежностей наштовхує на думку, що існує єдина закономірність залежності модуля нормальної пружності від температури, яка може бути описана аналітично. Опираючись на дослідження енергетичних переходів параметрів гірських порід при промерзанні, проведений аналіз показав, що залежність такого типу може бути представлена математичною моделлю, яка представлена в даній роботі. Як результат в даній статті встановлена закономірність зміни модуля нормальної пружності для водонасичених пісків при промерзанні ґрунтів з урахуванням їх температури яка описується подвійною експоненціальною залежністю і підтверджується експериментально. В статті підтверджено, що на зміну модуля нормальної пружності суттєвим чином впливає температура гірського масиву. При зниженні температури модуль нормальної пружності для водонасичених гравієвих та мілкодисперсних пісків зростає приблизно в 7 – 10 разів. Це явище зумовлене збільшенням міцності породи за рахунок утворення цементуючих полікристалічних льодових структур. При підвищенні негативної температури і при переході від грубодисперсних порід до тонкодисперсних і до льоду одна і та ж величина відносної деформації досягається при все більш малому напружені. Аналіз закономірності впливу температури гірського масиву на модуль нормальної пружності Е (модуль Юнга) показав існування значного стрибкоподібного підвищення модуля при зниженні температури. При температурі приблизно нижче -10 C значення модуля нормальної пружності Е незмінні, тому що фазові переходи вже не є суттєвими. При переході породи з мерзлого стану в талий величина Е є незміною і для більшості гірських порід знаходиться в інтервалі приблизно 0,1/10 ГПа. Практичне значення результатів дослідження в даній роботі визначається можливістю в польових умовах (на кар’єрі) виходячи з фактичних замірів температури ґрунту за допомогою отриманої аналітичної закономірності визначити модуль нормальної пружності та оцінити механічні, міцнісні та пружно-деформаційні властивості масиву гірських порід кар’єрного поля. В подальших дослідженнях для підвищення точності знаходження модуля Юнга та отримання ширшого розуміння міцнісних, механічних та пружно-деформаційних параметрів масиву гірських порід та мерзлих ґрунтів необхідно дослідити також вплив вологості, мінералізації та тріщинуватості на модуль нормальної пружності, а також включити їх як параметри аналітичної закономірності. As a result of analytical and experimental studies, the regularity of the change of normal elasticity modulus (Young's module) is established when freezing a rock massif, which allows to predict their strength, mechanical and elasticdeformation properties. The existence of a jump-like increase in normal elasticity modulus of frozen soils with decreasing temperature has been established. Comparison of the results with the experimental data of other authors is carried out. Elastic properties of rocks are characterized by a modulus of elasticity E and a Poisson coefficient ν. The normal elastic modulus (Young's module) is an indicator of the ability of arrays to resist tensile and compression under elastic deformation. Its value depends on mineralogical composition, porosity of rock, temperature, humidity, as well as the type of deformation and magnitude of an applied load. With increasing porosity, the module of normal elasticity of rocks decreases. When stretching the modulus of elasticity decreases with a load increasing, when compressing – on the contrary. The modulus of normal elasticity of most sedimentary rocks is less than the modulus of normal elasticity of the corresponding rock-forming minerals. The elasticity modulus of rocks affects their texture. As a rule, in rocks with obviously pronounced lamellar, the elasticity modulus is more in the direction of lamination than in the direction perpendicular to the lamination, and sometimes there is a reverse phenomenon. In the process of rock freezing, the spatial cryogenic crystallization structure undergoes significant changes. In this case the elasticity modulus will increase as a result of reducing the open porosity, compression of pores, as well as the thickness of the liquid layers between particles of rock. This growth is not only due to the increase of the surface area of contacts of the solid phase, but also this is due to the decrease of concentration of the spatial structure defects. For the determination of dependence of the change of the modulus of normal elasticity on temperature, experimental studies have been used for wet-saturated fine-grained (d = 0.1 / 0.25 mm) and gravel (d = 1 / 0.5 mm) sands. Upon transition to the frozen state, that is, with the emergence of a polycrystalline cryogenic lattice, a sharp jumplike change in the elasticity parameters with the greatest temperature gradient for the Young’s modulus is 300 / 700% (in the range of temperatures 0 / 2 С) of coarsely dispersed rocks such as sand, sub-particles, sandstones. The nature of the reduced experimental dependences suggests that there is a single regularity of the dependence of the module of normal elasticity on temperature, which can be described analytically. Relying on previous studies of energy transitions of rock parameters during freezing, the analysis showed that the dependence of this type can be represented by the mathematical model presented in this paper. The established regularity of the change of the module of normal elasticity for water-saturated sands when freezing the soils, taking into account their temperature, is described by a double exponential dependence and confirmed experimentally. The article confirms that the temperature of a rock mass is significantly influenced by the change of the modulus of normal elasticity. With a decrease in temperature, the module of normal elasticity for water-saturated gravel and finegrained sands increases approximately in 7-10 times. This phenomenon is caused by an increase in the strength of the rock due to the formation of cementing polycrystalline ice structures. The analysis of the law of the influence of the temperature of the rock mass on the modulus of normal elasticity (Young's module) showed the existence of a significant jump-like increase in the module with a decrease in temperature. This phenomenon is caused by an increase in the strength of the rock due to the formation of cementing polycrystalline ice structures. At temperatures below -10 C, the values of the modulus of normal elasticity are unchanged, because phase transitions are no longer significant. In the transition of a breed from a frozen state to the thawing value is unchanged and for most of the rocks is in the range of approximately 0.1 / 10 GPa. The practical significance of the results of the study in this paper is determined by the possibility in the field conditions (on a career basis) based on the actual measurements of the temperature of the soil, the module of normal elasticity and the mechanical, strength and elastic-deformation properties of the rock massif of the quarry field. |
