Menu

Особенности криогенных пород как упруго-вязких материалов

Очевидно, любая криогенная поликристаллическая порода далека от идеально-упругого твердого тела, в первую очередь из-за содержания жидкой фазы, которое является функцией температуры, а также состава и концентрации поро-вого (или исходного) раствора.

В соответствии со спецификой состава, строения и фазовых преобразований в криогенных породах (см. главу I) рассмотрим их основные особенности как упругих тел.

Поликристаллический лед. Монокристаллы льда обычно имеют гексагональную форму и характеризуются анизотропией физических свойств, в том числе и показателями упругости в соответствии с данной кристаллографической системой.

Однако поликристаллические ледяные образования обычно состоят из зерен или кристаллитов, каждый из которых содержит несколько (или много) сросшихся кристаллов с различной ориентацией главных осей. Размеры кристаллитов льда могут быть от долей и единиц миллиметра до нескольких сантиметров. Как показали исследования [41], граничные зоны между кристаллами внутри кристаллита (субграницы) и между кристаллитами в ледяном теле различны по своему строению и их влияние на физико-механические свойства ледяного образования также неодинаково. 

Известно, что в процессе кристаллизациичлед не образует твердых растворов с имеющимися в воде примесями и солями, поэтому последние в основном вытесняются в межкристаллические граничные зоны, в которых в связи с этим образуются примеси, полости, поры, микротрещины, дефекты, дислокации. Граничные зоны имеют важное значение при рассмотрении физико-механических свойств льда. Установлено, что граничные зоны между кристаллами содержат значительно меньше включений, чем граничные зоны между кристаллитами (зернами). Таким образом, строение ледяного скелета представляет собой многомасштабную структуру, которую в первом приближении можно представить как:

  • макроструктуру, в которой определяющими элементами являются кристаллиты (зерна) льда и граничные зоны между ними;
  • микроструктуру I — кристаллы и межкристаллические зоны в пределах кристаллитов;
  • микроструктуру II, которая обусловлена дефектами строения отдельных кристаллов льда. К ним относятся: включения примесей, воздуха, рассола, захваченные кристаллами при его росте; мозаичное строение кристалла; вакансии и дислокации в решетке кристалла.

При изучении характеристик упругости ледяных образований ввиду малого значения предела упругости (<0,05 МН/м2) льда, определяющей, по-видимому, можно считать макроструктуру поликристаллического льда. В соответствии с изложенным в § 3, 5 главы I можно считать, что основную роль в изменении упругих свойств поликристаллического льда играет динамика граничных зон между кристаллитами, которая тесно связана с содержанием и распределением жидкой фазы, составом и генезисом криогенной породы. В особенности это справедливо для морских (соленых) льдов, в связи с чем ледяные образования, намерзающие на поверхности различных твердых тел и возникающие на поверхности водоемов, имеют существенные различия.

Мерзлые породы. Решающими- факторами, определяющими специфику упругих свойств мерзлых пород, являются количество и формы выделения льда, а также содержание, состояние и^ распределение незамерзшей воды, т. е. формирование и динамика пространственной криогенной кристаллизационной структуры (см. § 3 главы I).

Следует особо подчеркнуть существенное влияние на упругие, свойства начальной влажности породы (степени заполнения" пор)— полное или неполное влагонасыщение пор. Для мерзлых пород в естественном залегании типичен обычно первый случай, хотя может встретиться и второй, например, при промерзании частично дренированных песков или агрегированных глинистых отложений деятельного слоя мерзлоты.

В первом случае мерзлая песчано-глинистая порода становится близкой к поликристаллической среде, прочностные и упругие свойства которой определяются в основном строением, составом и динамикой межзерновых граничных зон. Во втором случае выделяющийся лед играет роль лишь цемента контактового либо пленочного типа и мерзлая порода остается газонасыщенной пористой средой. Однако сжимаемость ее пор при понижении температуры сильно снижается за счет цементирующего действия льда и уменьшения количества незамерзшей воды.

При образовании в мерзлых породах шлировых текстур вышеотмеченные особенности осложняются макроанизотропией их упругих и деформативных свойств в соответствии с характером криогенной текстуры.

Итак, поликристаллические льды и мерзлые породы различного состава в зависимости от условий образования и эволюции благодаря наличию межзерновых граничных зон, содержащих незамерзшую жидкую фазу, и дефектов должны характеризоваться достаточно сложной зависимостью напряжение—деформация.

Малое значение предела упругости у льда, а также большое многообразие состояния криогенных пород при различной температуре обусловливают дополнительные трудности при изучении их характеристик упругости, вследствие чего данные, приводимые различными авторами, оказываются не всегда сопоставимы. Поэтому при изучении упругих свойств криогенных пород необходим единый подход к учету их специфики.

Таким образом, любые криогенные породы представляют собой материалы с несовершенной упругостью, т. е. должны характеризоваться определенной вязкостью,  а также процессами релаксации напряжений, упругого последействия, обратимой  и необратимой ползучести. Для описания упруго-вязко-пластических свойств материалов применяют различные механические модели [45], в той или иной степени соответствующие диаграммам напряжение—деформация, характерным для данного материала.

При изучении упругих свойств криогенных пород ввиду вышеотмеченных особенностей следует вводить комплексный модуль упругости (111.24) — (111.29) и оценивать эффективную динамическую вязкость.

Исследования упругих и прочностных свойств мерзлых пес-чано-глинистых пород и льдов различного состава, выполненные в последние годы в широком диапазоне влажности и температуры, позволяют выделить характерные особенности формирования механических свойств криогенных образований. В данном случае возникает криогенная пространственная кристаллизационная структура, содержащая ослабляющие и укрепляющие дефекты. К первым относятся ячейки рассола, частицы минерального скелета, окруженные толстыми пленками рыхлосвязанной незамерзшей воды, межзерновые граничные зоны с избытком дефектов и примесей. Чем меньше пространственная криогенная кристаллизационная структура содержит таких дефектов (вымерзание жидкой фазы при понижении температуры), тем выше упругость (жесткость) криогенного образования. В противном случае существенно увеличивается его пластичность. Особенности формирования г механических свойств криогенных пород находятся в хорошем соответствии с основными положениями физико-химической механики, согласно которой механические свойства дисперсных сред, определяются разновидностью и динамикой пространственной кристаллизационной структуры.

В следующих параграфах этой главы приводятся данные о характеристиках упругости и динамической вязкости льдов и мерзлых пород. Другие вопросы реологии криогенных пород рассмотрены в работах [13, 15, 41, 58, 85, 107].

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:2581 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:5189 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:2462 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Передмова

Підручник розрахований на студентів негеодезичних вузів, що вивчають курс «Інженерна геодезія». Методично він побудований таким чином, щоб на першій стадії вивчення курсу студенти могли ознайомитися із загальними відомостями з геодезії...

29-05-2011 Просмотров:4274 Інженерна геодезія

Связь между электрическими и механически…

Установление взаимосвязей (функциональных и корреляционных) различных свойств материалов имеет большое научное и практическое значение. Такие связи, с одной стороны, позволяют лучше понять природу тех или иных свойств и являются средством...

27-09-2011 Просмотров:4628 Электрические и упругие свойства криогенных пород

Зависимость электрических свойств мерзлы…

Зависимость электрических свойств мерзлых пород в переменных полях от влажности и минерального состава Влияние влажности и минерального состава на электрические свойства пород в переменных полях особенно важно учитывать при сильно пористых песчано-глинистых породах. Поскольку...

27-09-2011 Просмотров:5748 Электрические и упругие свойства криогенных пород