Файл: Давыдов В.В. Вскрышные работы на угольных карьерах в зимнее время.pdf

в порах тем ниже, чем мельче частицы грунта.

§ 2. Структура мерзлого грунта

По мере промерзания почвы происходит движение воды из нижних еще талых слоев к замерзающему грунту. Эти притоки могут достигнуть значительных размеров, и тогда в грунте обра­ зуются крупные прослойки и включения льда. В случае, если уровень грунтовых вод залегает неглубоко, то промерзающий слой, впитывая большое количество воды, создает при оттаива­ нии влажность, превосходящую предел текучести.

Замерзание воды в грунте начинается в наиболее крупных порах, где образуются отдельные центры кристаллизации, к кото­ рым начинает перемещаться вода из мелких пор. Эта вода, замер­ зая, увеличивает имеющиеся кристаллы, которые затем превра­ щаются в крупные линзы и прослойки льда.

Если к прослойке льда приток воды прекращается и выделяе­ мой скрытой теплоты льдообразования становится недостаточно., чтобы поддержать температуру на точке замерзания, то охлаж­ дение будет распространяться в глубь грунта, где будут созда­ ваться новые центры кристаллизации и новые прослойки льда. При этом, если воды поступает в промерзающий слой больше снизу (из теплых слоев грунта), то промерзание идет медленнее из-за выделения большего количества скрытой теплоты льдооб­ разования.

9

Нода в различных грунтах замерзает по-разному, так как они имеют различные поры. Песчаные грунты имеют крупные, поры, и вода в них замерзает почти одновременно; линзы льда, как правило, в них отсутствуют. Глинистые грунты имеют мелкие поры, и при замерзании воды в них образуются прослойки льда.

Характер образования льда в грунтах с различными порами приведен в табл. 9.

Таблица 9

Следовательно, замерзание воды в грунтах происходит с об­ разованием или без образования кристаллов льда, причем обра­ зование кристаллов происходит в большинстве случаев при мед­ ленном замерзании. При этом значительную роль играет влаж­ ность грунта (чем больше воды, тем больше видимых.кристал­ лов).

Мерзлый грунт, содержащий прослойки льда, разделен ими на отдельные комочки; грунт как бы имеет трещины, заполнен­ ные льдом. В 'Случае, если в грунте отсутствует прослоек льда, вода при замерзании как бы раздвигает частицы грунта.

§ 3. Влияние отрицательной температуры на вскрышные породы

При производстве вскрышных работ в зимнее время необхо­ димо знать: механическую прочность грунта при различных тем­ пературах; время, в течение которого происходит при определен­ ных температурах замерзание различных пород; глубину промер­ зания за определенные периоды времени.

Это позволит определить возможность разработки различных пород на определенную глубину.

Ю

При замораживании и оттаивании грунтов происходят сле­ дующие основные изменения:

1) меняется структура грунта вследствие перераспределения

внем влаги при замораживании и расширении воды при переходе

влед;

2)снижается устойчивость отвалов сравнительно о его пер­ воначальным состоянием при оттаивании грунтов;

3)повышается прочность грунта при замерзании содержа­ щейся в нем воды, что значительно затрудняет его разработку.

Интенсивность этих процессов у различных грунтов раз­ лична.

В случае, если в грунте содержится немного льда, то он может находиться в нем в виде отдельных кристаллов, отделенных от зерен грунта прослойками воды. В данном случае лед не «цемен­ тирует» грунт, и он сохраняет пластичность. Механическиесвой­ ства этого грунта не будут значительно отличаться от механиче­ ских свойств грунта в талом состоянии с влажностью, равной количеству незамерзшей воды в грунте.

В случае же, если замерзает большая часть влаги, то грунт прочно цементируется льдом и его прочность значительно возра­ стает по сравнению с талым грунтом. При этом прочность грунта зависит от температуры: с понижением отрицательной темпера­ туры прочность грунта увеличивается (табл. 10).

Таблица 10

Зависимость прочности грунтов от температуры

Для определения прочности мерзлого грунта в ФРГ были про­ ведены опыты. Белый однородный песок замораживали при тем­ пературе от —1'2 до —14° С в течение 14 часов. Опыты показали, что увеличение содержания воды значительно повышает проч­ ность мерзлого грунта. При содержании воды в грунте в количе­ стве 3% нагрузка на растяжение достигает 53 кг/см2. Если поры

в грунте неполностью заполнены водой, то кристаллы льда имеют тенденцию заполнить свободную часть пор.

При увеличении содержания воды в грунте до 9% нагрузка на растяжение возрастает до 123 KsjcM2. Разрыв грунта при таких условиях происходит в виде трещин на поверхности и сопровож­ дается потрескиванием. При увеличении содержания воды до 18% нагрузка на растяжение возрастает до 210 кг/см2. В этом случае поры почти полностью заполнены водой й грунт представ­ ляет единый ледяной монолит.

Время и глубина промерзания породы в зимнее время зависят от следующих основных факторов: температуры воздуха; вида породы; физико-механических и тепло-физических свойств поро­ ды (в частности влажности); толщины и плотности снегового покрова; времени выпадения снега и продолжительности лежа­ ния его; наличия растительного покрова; уровня и скорости дви­ жения грунтовых вод, их температуры и. химического состава; интенсивности ветра и его направления; затенения поверхности породы и рельефа местности; миграции влаги в породе; искусст­ венного утепления поверхности; искусственных химических до­ бавок.

Определение времени и глубины промерзания грунтов теоре­ тическим путем весьма сложно.

Существует много формул различных авторов (В. С. Лукьяно­ ва, Г. И. Лапкина, М. М. Крылова, А. Н. Будникова, В. Ф. Утенкова и др.). Приведем здесь только формулы Г. И. Лапкина.

Для определения глубины промерзания Г. И. Лапкин пред­ ложил формулу для следующих типов площадок: оголенных от

1)необходимо принимать неблагоприятные условия и ориен­ тироваться на оголенную площадку;

2)суглинистые грунты наиболее распространены на террито­ рии СССР. Для мелкозернистых грунтов других видов Г. И. Лап­ кин принимает поправочные коэффициенты;

3)при наличии грунтовых вод в зоне промерзания глубина

промерзания зависит от температуры и химических примесей

вэтих водах и скорости их течения;

4)покрывающие породы, если уровень грунтовых вод нахо­ дится ниже, имеют влажность 10—25%; меньшая влажность бы­

вает у .супесей, мелкопесчаных и пылевых грунтов, а большая — у суглинков и глин. Колебания влажности в приведенных преде­ лах незначительно влияют на глубину промерзания этих грунтов. С увеличением влажности грунтов повышается их теплопровод­ ность до предела, примерно равного полному водонасыщению, но

12