Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

при строительстве подземных сооружений для целей водоснаб­ жения, подземных дробильных установок на обогатительных фабриках и т.д. Широкое применение способ замораживания получил при строительстве тоннелей различнЬго назначения в неустойчивых породах, при строительстве подземных емко­ стей для хранения углеводородных газов, при постоянном под­ держании стенок хранилищ в замороженном состоянии.

Следует отметить, что способ замораживания горных пород является одним из ведущих специальных способов и в мировой практике. Большое распространение способ получил в Польше, Канаде, Великобритании, Германии, Румынии, Японии и др.

Широкое распространение искусственное замораживание горных пород получило благодаря тому, что этот способ доволь­ но хорошо развит в техническом отношении. Создано мощное буровое оборудование, высокопроизводительные замораживаю­ щие станции. Способ искусственного замораживания имеет и хорошую научную базу. Проведены теоретические и экспери­ ментальные исследования iio изучению нестационарных процес­ сов теплообмена в массиве горных пород, замораживающих колонках, холодильном оборудовании, накоплены солидные дан­ ные по теплотехническим и механическим .свойствам заморо­ женных пород; разработаны точные и инженерные методы расчета проектирования ледопородных ограждений и холодиль­ ного оборудования. Кроме того, способ замораживания горных пород универсален. Его с успехом применяют при проходке стволов как в трещиноватых, так и в рыхлых водоносных по­ родах в условиях фильтрации подземных вод, их высокой мине­ рализации й температуры. Замораживание может вестись прак­ тически на любые глубины. С его помощью можно Заморажи­ вать массивы горных пород как ограниченной формы, так и на больших площадях.

4.Г.2. Некоторые вопросы теории механики мерзлых пород

Замороженные горные породы являются весьма сложными природными многофазными образованиями, состоящими из твердых минеральных частиц, .вязкопластичных включений льда, жидкой фазы из незамерзшей воды и иногда газообразных компонентов пара и газов. Каждый из вышеназванных компо­ нентов в значительной степени влияет на свойства заморожен­ ных пород- и их поведение в процессе замораживания и оттаи­

стностн Н. А. Цытовичем, которые и положены в основу тео­ рии механики мерзлых пород.

Влияние твердых минеральных частиц на свойства заморо­ женных пород обусловлено их размером, формой и физико-хи­ мической природой их поверхности! Лед является важнейшей' составляющей замороженных пород. Его своеобразные свойст­ ва в большей .мере обусловливают механические свойства замо­ роженных пород. Лед обладает резко выраженной анизотро­ пией свойств: он имеет максимальную вязкопластическую де­ формацию в направлении, перпендикулярном к главной опти­ ческой оси, а в параллельном направлении проявления реоло­ гических свойств во льду настолько малы, что после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. В то же время под нагрузкой лед, даже при весьма малых напряжениях, всегда имеет вяэкопластические деформации (деформации течения),

настолько мал, что область чисто упругих его деформаций не имеет практического значения.

Особым свойством строения льда является подвижность ато­ мов водорода в его кристаллической решетке, которая беспре­ рывно изменяется под влиянием внешних воздействий (измене­ ний отрицательной температуры, давлений и пр.). При. пониже­

ская решетка льда принимает стабильное состояние. С повы­ шением температуры возрастают энергия активизации его мо­ лекул и ускоренная их перегруппировка с ослаблением меж­ молекулярных связей, что существенно сказывается на сниже­ нии прочностных свойств льда.

Из изложенного вытекает, что в природных условиях, где всегда имеют место некоторые изменения термодинамических условий, свойства льда’ могут значительно изменяться, обуслов­

.грунтах может быть в двух состояниях: прочно связанном и рыхло связанном. Прочно связанная вода не замерзает даже при очень низких температурах до —70 “С. Рыхло связанная

Рис. 4.2. График зависимости количе­ ства незамерзшеп воды в горной поро­ де от температуры:

1 — песок: 2 — супесь; 3 — суглинок; 4 — гли­ на; 3 — моитмориллоинтопая глина

вода замерзает при температурах значительно ниже 0°С. В свя­ зи с указанным количество незамерзающей воды в заморожен-^ ных породах уменьшается с понижением отрицательной темпе-'

На рис. 4.2 показана зависимость количества незамерзшей воды (изменение первоначальной влажности- W„ от температуры за­ мораживания i).

Как видно из рис. 4.2, чем более дисперсны породы, тем больше воды остается в иезамерзшем состоянии при данной отрицательной температуре. Это связано с тем, что при увели­ чении дисперсности возрастает удельная поверхность минераль­ ных частиц, а следовательно, породы обладают большей спо-. собностью связывать поровую воду. Таким образом, содержа­ ние незамерзшей воды в замороженных породах и ее измене­ ния под влиянием внешних воздействий во многом определяют физико-механические свойства замороженных пород.

Газообразными компонентами замороженной породы могут явиться пары воды при неполном насыщении замороженной породы водой и льдом. Пары воды в замороженных породах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей устойчивостью (завися­ щей от температуры) к местам с меньшей устойчивостью и в водонасыщенных грунтах могут явиться основной причиной перераспределения влажности в процессе замораживания и от­ таивания горных пород.

Совокупное влияние перечисленных компонентов в значи­ тельной степени изменяет физико-механические свойства замо­ роженных пород в процессе внешних воздействий (изменения температуры, давления и т. д.).

Вышеизложенное легло в основу одного из основных зако­ нов механики мерзлых пород, который гласит: количество, со­ став и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в за­ мороженных породах, не остаются постоянными, а изменяются

в зависимости от внешних воздействий, находясь в динамиче­ ском равновесии с последними. Этот закон, получивший назва­ ние принципа равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах, устанавливает динамическое равновесие между коли­ чеством незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах и вели­ чиной внешних воздействий: температурой, давлением и пр. Этим#- объясняется повышение прочности замороженных пород при. понижении отрицательной температуры, вызывающем уве­ личение льдистости и повышение прочности льда, уменьшение модуля упругости мерзлых пород при увеличении внешнего давления и значительно большее сопротивление мерзлых пес­ ков, чем мерзлых глин. Кроме того, при понижении температу­

сти от соотношения скорости промерзания и скорости фильтра­ ции заключенной в .порах воды ее миграция может происхо­ дить или к фронту промерзания, или в обратном направлении, чем и объясняется пучение» породы в процессе ее заморажива­ ния. Замороженные породы являются телами, в которых на­ пряжения и деформации, возникнув под действием внешней нагрузки, не остаются постоянными, а с течением времени меняются, обусловливая процессы релаксации (расслабления) напряжений и ползучести (нарастания деформаций во вре­ мени) .

Сопротивление мерзлых пород нагрузке является функцией не только их состава и температуры, но и продолжительности действия нагрузки. Значительное снижение сопротивления мерзлых пород во времени объясняется вязким течением пле­ нок незамерзающей воды, что особенно сказывается в области фазовых переходов, а также пластическими свойствами льда, являющимися следствием подвижности атомов водорода в кри­ сталлической решетке льда. При этом деформации установив­ шегося пластического течения мерзлых пород возникают лишь при определенном состоянии. Скорость пластического течения в известных пределах пропорциональна избытку напряжений.

После снятия нагрузки деформация восстанавливается вовре­ мени лишь частично, так как включает-в себя как структурно

При незатухающем процессе деформирования процесс перехо­ дит во вторую стадию ползучести, которой соответствует деформация еи установившегося или пластично-вязкого течения (участок БВ, составляющий 65—70% от общей деформации). При дальнейшем развитии деформации стадия неустановившегося" течения переходит в третью стадию деформации еш прогрессирующего течения (участок БД, составляющий 25— 30% от общей деформации), после чего порода разрушается. Продолжительность и удельная роль той или иной стадии ползучести зависит прежде всего от величины нагрузки. Чем выше величина нагрузки, тем меньше продолжительность ста­ дии установившегося течения и тем скорее наступает прогрес­ сирующая стадия. При очень больших нагрузках, соответст­ вующих разрушающим при быстром приложении, прогресси­ рующее течение наступает почти непосредственно после прило­

так называемого предела прочности на одноосное сжатие, ко­ торую определяют при стандартной скорости возрастания дав­ ления (1,5—2,0 МПа в 1 мин). Практическое значение для рас­ четов ледопородных ограждений (см. ниже) имеет длительная прочность, значение которой определяют в зависимости от ве­ личины нагрузки, действующей в заданный период времени, соответствующий сроку службы ледопородного ограждения (время строительства подземного сооружения). Предельно длительная прочность — это сопротивление, при котором дефор­ мации имеют пластично-вязкое течение, но не переходят в ста­ дию прогрессивного разрушения.

Как показывают исследования, прочностные и деформа­ ционные свойства мерзлых пород в наибольшей степени зависят от типа породы, ее температуры, влажности и от времени дей­ ствия нагрузки.

На рис. 4.4 показаны зависимости предела прочности раз­ личных типов мерзлых пород от температуры: песка 1, супе­ си 2, глины 3.