Залежність модуля нормальної пружності від температури при промерзанні гірських порід

Анотація

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 фізико-механічних 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 ⁰C 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.