CC BY
37
УДК 625.711.84
В.С. Морозов, Е.Г. Фомин
Архангельский государственный технический университет
Морозов Владимир Станиславович родился в 1955 г., окончил в 1978 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры строительной механики и сопротивления материалов Архангельского государственного технического университета. Имеет около 45 печатных работ в области строительства и эксплуатации зимних лесовозных дорог. E-mail: v.morozov@agtu.ru
Фомин Евгений Геннадьевич родился в 1984 г., окончил в 2006 г. Архангельский государственный технический университет, ассистент кафедры эксплуатации автомобилей и машин лесного комплекса АГТУ. Область научных исследований - расчет и строительство автомобильных зимних дорог на переувлажненных грунтах. E-mail: FominEG@gmail.com
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛОГО ТОРФА
Рассмотрено влияние вязкости на прочностные свойства мерзлого торфяного грунта. Определены зависимости коэффициента вязкости от температуры, времени действия нагрузки, напряжения, влажности.
Ключевые слова: зимние автомобильные дороги, мерзлый торф, тип болот, вязкость.
Малонаселенные территории Европейского Севера и Сибири с суровыми климатическими условиями и продолжительным зимним периодом имеют слабо развитую сеть усовершенствованных дорог круглогодового действия. В связи с этим большое значение при организации транспортировки массовых грузов приобретают, наряду с водными путями, зимние дороги (снежные, снежно-ледяные и ледяные).
Достоинством таких дорог являются: невысокие стоимость строительства и расходы на содержание проезжей части; возможность устройства простейших переходов через болота и водотоки; хорошая пропускная способность; низкие эксплуатационные затраты и, как следствие, себестоимость транспортировки грузов. Эти дороги часто проходят по заболоченным местностям с довольно толстым слоем торфа, который при создании зимних автомобильных дорог исполняет роль основания и является фактором, сдерживающим их ввод в эксплуатацию.
Мерзлый торф представляет собой многокомпонентную композитную систему, состоящую из четырех фаз: твердой (растительные остатки и минеральные частицы), жидкой (незамерзшая вода), газообразной (защемленный воздух и газ) и кристаллической (лед) [1,3]. Связующим материалом мерзлого торфа служит лед. Кристаллизация воды в порах и капиллярах происходит при температуре ниже 0 °С в результате влияния скрытой теплоты льдообразования.
Прочность мерзлых торфов существенно зависит от сил сцепления между частицами льда и твердого скелета. Эти связи осуществляются через пленки незамерзшей воды, которые обволакивают частицы скелета и ледяные кристаллы. Под действием внешней нагрузки возникает пластическое течение льда, так как при контактах с частицами скелета он плавится, образуя пленочную воду. Вязкое течение воды сопровождается взаимным смещением твердых частиц грунта, что значительно снижает длительную прочность мерзлых торфов, которая может быть в несколько раз меньше кратковременной. Поскольку мерзлый торф можно отнести к дисперсно-структурированным грунтам, чувствительным к изменению температурно-влажностного режима, то все процессы развития в нем деформаций следует рассматривать при постоянной температуре [1].
Целью данной статьи является изучение реологических свойств мерзлого торфа в зависимости от его влажности, температуры, продолжительности нагрузки, действующих напряжений.
Общепринято рассматривать три типа болот [1].
Тип I. Болота с торфяными залежами до твердого минерального дна. Под действием внешней нагрузки происходит в основном сжатие массива торфа в залежи. Торф сильноразложившийся влажностью 400...900 %.
Тип II. Болота с торфяными залежами, покоящимися на мягком основании из минеральных илов и сапропелей (органических илов). При действии небольшой нагрузки происходит сжатие торфяных слоев. При значительной нагрузке, помимо сжатия, наблюдается растекание мягкого основания, залегающего под торфом, что может привести к разрыву торфяного слоя и разрушению проезжей части дороги. Торф среднеразложившийся влажностью 900...1400 %.
Тип III. Болота с торфяными залежами, плавающими на жидком торфе или жидком иле. Имеют небольшую несущую способность. Толщина залежи под нагрузкой постепенно уменьшается за счет выделения воздуха из растительных тканей, что может привести к погружению проезжей части дороги. Эту особенность используют при строительстве ледяных дорог за счет втапливания поперечного настила [1], что позволяет снизить расход воды на поливку. Торф слаборазложившийся влажностью 1400...3000 %.
Строительный тип болот определяет механические свойства мерзлого торфа, дает возможность оценить характер ожидаемых деформаций и наметить методы усиления несущей способности проезжей части. Механические характеристики мерзлого торфа даны в табл. 1. Как видим, при сжатии прочность торфа выше, чем при растяжении, но деформация ниже. Это объясняется тем, что сжатие мерзлого торфа происходит, как у пластичного материала, а растяжение, как у хрупкого. По своим свойствам он занимает промежуточное положение между чистым льдом и мерзлым грунтом.
Таблица 1
Температура Скорость Скорость в нижней движения деформи-половине транспортно- рования,
Модуль деформации, МПа
Расчетное сопротивление (предел прочности), МПа
покрова, °С го средства, км/ч мин-1 Сжатие Растяжение Сжатие Растяжение
-1 0,4 0,02 110 1300 1,0 0,8
0,8 0,04 120 1300 1,5 0,9
2,0 0,10 130 1300 1,8 1,0
4,0 0,20 230 1300 2,5 1,7
10,0 0,50 430 1300 3,7 1,9
-5 0,4 0,02 120 1600 2,8 1,7
2,0 0,10 200 1600 4,0 1,9
10,0 0,50 480 1600 7,3 2,1
-10 0,4 0,02 230 1600 4,5 1,9
2,0 0,10 350 1600 6,0 2,0
10,0 0,50 770 1600 9,2 2,5
Примечание. Влажность торфа примерно 1000 %, коэффициент Пуассона 0,36.
Поскольку мерзлый торфяной грунт содержит в себе лед и неза-мерзшую воду, а напряженно-деформированное состояние изменяется во времени по нелинейной зависимости [3], то его можно представить как реологические тело, проявляющее свойства ползучести, релаксации и снижения прочности. На все эти параметры влияет вязкость (коэффициент вязкости) мерзлого торфяного грунта. Рассмотрим способы определения коэффициента вязкости в зависимости от различных внешних факторов.
Коэффициент вязкости можно найти, например, по уравнению Бин-гама-Шведова [3]:
т - т о = Пу, (1)
где х - интенсивность касательных напряжений; т0 - предельное напряжение сдвига; ^ - коэффициент пластичной вязкости;
У - относительная скорость деформации сдвига.
Уравнение (1) приводим к расчетному виду. Для этого касательное напряжение х выражаем через нормальное напряжение с, деформации при сдвиге у через относительные деформации при сжатии в; относительную
скорость У представляем как отношение приращения Ду к приращению времени Дл Приняв х0 « 0, получим
П =---Д , (2)
' 2(1+ у)(б2 - 81) ' ()
где 82,8Х - относительные деформации для рассматриваемого интервала времени;
V - коэффициент Пуассона.
По уравнению (2) рассчитаны коэффициенты вязкости мерзлого торфяного грунта для различных условий с использованием коэффициентов
В и п (В - коэффициент деформации, п - коэффициент упрочнения) [2] . Оказалось, что непосредственное использование коэффициентов В и п не дает удовлетворительных результатов. Естественный разброс опытных данных не позволял установить по результатам вычислений каких-либо закономерностей в зависимости коэффициентов вязкости от температуры, влажности, времени действия и внешней нагрузки. Поэтому перед началом вычислений потребовалось упорядочить коэффициенты В и п при помощи линейной аппроксимации, так как даже небольшая погрешность вызывает существенный разброс значений коэффициентов вязкости. При линеаризации использован метод наименьших квадратов. Результаты вычислений представлены ниже.
Зависимость коэффициента вязкости от отрицательной температуры показана на рис. 1. Она выражается уравнением вида [4]
П© = и(1 + ©)9, (3)
где и, д - параметры, определяемые из опытов (табл. 2);
16 0 -6 -12 -18е,°С
имость коэффи-ти от темпера-ч; ст = 0,5 МПа
Таблица 2
Влажность Ж, % Напряжение с, МПа Коэффициенты и 1013, Н • с/м и д в моменты времени ^ ч 2
20 120
и д и д
300 0,05 8,079 0,49 23,485 0,15
0,50 2,008 0,70 16,162 0,08
400 0,05 3,801 0,66 22,004 0,12
0,50 1,791 0,71 19,485 0,13
500 0,05 3,165 0,74 18,172 0,09
Рис. 2. Зависимость коэффициента вязкости от времени действия нагрузки: © = -8 °С; ст = 0,05 МПа
600
0,50 0,05 0,50
1,584 2,558 2,107
0,72 0,61 0,64
15,884 17,875 15,753
0,11 0,05 0,08
Из графика видно, что по мере понижения температуры коэффициент вязкости возрастает, что можно объяснить изменением качества льда, а также соотношения количества незамерзшей воды и льда.
На рис. 2 показана зависимость коэффициента вязкости от времени действия нагрузки, которую можно описать уравнением Н.Н. Маслова [4]:
П = Пк " (Пк " П0К
(4)
где Л о, Л к - начальный и конечный коэффициенты вязкости;
г - параметр, определяемый по опытным данным (табл. 3); ^ - время действия нагрузки.
Кривые на рисунке показывают, что с увеличением времени действия нагрузки коэффициент вязкости возрастает (т. е. ползучесть мерзлого торфяного грунта уменьшается), что соответствует физической природе рассматриваемого явления.
Таблица 3
Влажность Напряжение Коэффициент г-103 при ©, °С
W, % с, МПа -3 -8 -17 -25
300 0,05 5,15 5,10 3,83 6,46
15,07 16,90 19,26 17,03
0,50 3, 32 3,23 3,69 4,45
11,56 11,95 16,08 14,06
400 0,05 5,04 6,58 4,45 4,86
18,30 14,93 17,48 17,61
0,50 3,42 4,01 3,83 3,35
12, 51 11,43 13,86 12,70
500 0,05 5,39 4,93 4,77 5,26
15,10 15,86 28,80 14,86
0,50 3,20 2,15 3,93 2,31
11,35 11,47 33,18 9,11
600 0,05 4,96 5,16 4,19 5,44
15,05 12,53 12,45 16,03
0,50 2,61 3,01 3,22 1,01
10,12 10,26 8,87 5,29
Примечание. В грузки 40 ч, в знаменателе -
числителе 100 ч.
- время действия на-
Определенное влияние на изменение коэффициента вязкости во времени оказывает уровень действую-
щих напряжений. Как правило, при небольших напряжениях деформации ползучести затухают быстрее, чем при больших.
Рис. 3. Зависимость коэффициента вязкости от напряжений: г = 120 ч; И = 500 %
Е Значе -
л К ния Л и
а о Ч • 1013,
ж э Н-с/м2,
н ф при ©,
о ф °С
с и _ - _ _
т ц 3 8 1 2
ь и 7 5
И е
, н
т
%
3 Л 1
0 ] ] 1 1
0
Ч - - - -
4 Л 1 1
0 3
0
Ч - - -
5 Л 1
0 ] ] 4 2
0
Л-10,
24
22
20
18
13, Н-с/м2 ч
Рис. 4. Зависимость коэффициента вязкости от влажности:
г = 120 ч; ст = = 0,05 МПа
Таблица 4
0,2
ст, МПа
Ч
Л
Ч
Примечание. Здесь и в табл. 5 в числителе - время действия нагрузки 20 ч, в знаменателе - 120 ч.
На рис. 3 представлен график зависимости коэффициента вязкости от действующих напряжений, который уменьшается с их возрастанием. Зависимость п = /(а) выражается уравнением [5]
Па = По(1 + ¥1паi ), (5)
где п, ¥ - параметры, определяемые по полулогарифмическому графику (табл. 4).
На основании данных табл. 4 построен график зависимости вязкости мерзлого торфяного грунта от влажности (рис. 4). Из графика видно, что с увеличением влажности вязкость уменьшается, что объясняется, по всей видимости, влиянием незамерзшей воды.
Таким образом, подтвердилось предположение о зависимости коэффициента вязкости мерзлого торфяного грунта от таких факторов, как температура, влажность грунта, нагрузка и время ее действия. Поэтому коэффициент п следует определять непосредственно для конкретного вида торфа. В табл. 5 приведены значения коэффициентов вязкости, вычисленные для различных температуры, влажности, интенсивности и времени действия нагрузки на основании данных наших исследований. Полученные результаты могут быть использованы для создания более корректной реологической модели мерзлого торфяного грунта.
Таблица 5
Влажность Напряжение ст, Коэффициент л • 103, Н-с/м2, при в, °С
Ш, % МПа -3 -8 -17 -25
300 0,05 15,934 28,973 23,710 32,724 33,357 36,336 39,870 38,409
0,10 13,579 26,576 20,537 29,748 29,362 32,807 35,425 34,558
0,20 11,710 24,674 18,019 27,385 26,190 30,005 31,896 21,500
0,30 8,514 21,421 13,714 23,346 20,769 20,216 25,863 26,274
0,50 5, 319 18,169 9,406 19,307 15,347 20,427 18,831 21,047
400
500
600
0,05 0,10 0,20 0,30 0,50 0,05 0,10 0,20 0,30 0,50 0,05 0,10 0,20 0,30 0,50
9,450 16,142 25,387 32,325
25,770 28,266 30,591 31,901
8,415 14,446 22,847 29,168
25,207 27,708 30,047 31,363
7,594 13,100 20,831 26,663
24,761 27,266 29,612 30,936
6,193 10,800 17,385 22,379
23,998 26,509 28,872 30,205
4,791 8,498 13,939 18,096
23,234 25,753 28,131 29,474
8,864 16,192 27,100 35,615
20,701 22,341 23,865 24,684
7,846 14,297 23,878 31,347
20,196 21,841 23,368 24,203
7,039 12,793 21,321 27,959
19,796 21,447 22,973 23,821
5,569 10,222 16,950 22,167
19,111 20,770 22,297 23,167
4,278 7,653 12,579 16,375
18,426 20,094 21,622 22,514
5,967 9,194 14,958 18,726
19,131 19,907 20,593 20,967
5,772 9,512 14,578 18,284
18,669 19,452 20,144 20,523
5,617 9,288 14,276 17,933
18,302 19,090 19,788 20,171
5,352 8,905 13,760 17,339
17,673 18,473 19,180 19,568
5,088 8,522 13,244 16,732
17,047 17,856 18,572 18,966
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов [Текст]: учеб. пособие для строит. вузов / С.С. Вялов. - М.: Высш. шк., 1978. - 447 с.
2. Коваленко, Н.П. Деформационные свойства мерзлого торфа [Текст] / Н.П. Коваленко, В.С. Морозов // Лесн. журн. - 1978. - № 3. - С. 43-48. - (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Морозов, В.С. Расчет и проектирование оснований зимних дорог на болотах [Текст]: учеб. пособие /В.С. Морозов. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 1999. - 236 с.
4. Цытович, Н.Н. Механика мерзлых грунтов [Текст] / Н.Н. Цытович. - М.: Высш. шк., 1973. - 446 с.
Поступила 21.05.08
V.S. Morozov, E.G. Fomin
Arkhangelsk State Technical University
Investigation of Rheological Characteristics of Frozen Peat
The effect of viscosity on strength characteristics of frozen peat soil is analyzed. The dependencies of viscosity factor on temperature, time of load action, stress, humidity are determined.
Keywords: winter automobile roads, frozen peat, bog type, viscosity.
