книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

Рис. 50. Ледяные жилы, форма которых искажена в результате

солифлюкции или покровного оползания. Черным показаны вклю­ чения вмещающей породы. Стрелка указывает направление уклопа.

а — асимметричная ледяная жила; б — веер элементарных жилок льда у ниж­ него по склону бокового контакта основной ледяной жилы; в — веер элементар­ ных жилок; а — изогнутая ледяная жилка; д — отрыв элементарных жилок от основной ледяной жилы; е — «двуглавая» ледяная шила; мс — ледо-песчаная

жила; з — асимметричная ледяная жилка у нижнего по склону бокового кон­ такта основной — сингенетической — ледяной жилы.

разуются вследствие попадания в трещины растворов гуминовых кислот, растительных остатков и гумусированного минерального материала. Достигая поверхности мерзлого субстрата, растворы гуминовых кислот растекаются по ней и формируют иллювиаль­ ный гумусовый горизонт. В процессе охарактеризованного выше скачкообразного повышения поверхности мерзлого субстра­ та образуется несколько иллювиальных гумусовых горизонтов. Особенно четкие формы потеков образуются на хорошо дрениро­ ванных участках в средней и верхней частях склонов. Здесь морозобойные трещины в течение лета не заплывают и повторяются из года в год в одних и тех же местах. В переувлажненных отло­ жениях, слагающих нижние части склонов и днища долин, морозобойные трещины кочуют, постепенно пропитывая гумусом весь сезонноталый слой.

К р и о т у р б а ц и и связаны с процессами дифференциаль­ ного пучения. В отличие от форм морозобойного растрескивания им свойственно морфологическое разнообразие. Можно различить четыре генетические группы криотурбаций.

П е р в а я г р у п п а соответствует мелким сезонным бугор­ кам пучения—т у ф у р а м (диаметр 30—40 см), которые возника­ ют на заболоченных участках независимо от наличия или отсутст­ вия мерзлого субстрата. Это мелкие волнообразные деформации дер­ нины, ниже которых первичная осадочная слоистость нарушена

156

Г л а в а V I I I

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

МЕРЗЛЫХ ПОРОД

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В предыдущих главах были подробно рассмотрены физические явления, происходящие при промерзании и протаивании пород. В результате этих процессов породы приобретают специфические физические и механические свойства, существенно сказывающиеся на поведении мерзлых и оттаивающих пород при взаимодействии их с инженерными сооружениями. Настоящая глава посвящена

Мерзлые породы представляют собой сложную систему, вклю­ чающую твердую (минеральный скелет), пластично-вязцую (лед), жидкую (незамерзшая вода) и газообразную (пары, газы) состав­ ляющие. Соотношение между ними не постоянное, а непрерывно меняется в соответствии с изменениями внешних условий, в пер­ вую очередь температуры мерзлых пород.

Как показал Н. А. Цытович [3, 4], количество, состав и свой­ ства незамерзшей воды в мерзлых грунтах меняются с изменением внешних воздействий (температуры, давления), находясь в ди­ намическом равновесии с последними.

В инженерной практике [2, 5] мерзлые породы по их состоянию делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлые породы характеризуются тем, что они прочно сцементированы льдом и практически несжимаемы. Пластично­ мерзлые породы обладают вязкими свойствами и способны сжи­ маться под нагрузками.

Основные физические характеристики мерзлой породы — влажность, льдистость, объемный вес породы ненарушенного сложения и удельный вес минеральных частиц.

Влажность мерзлых пород. Вода, содержащаяся в мерзлой по­ роде, представлена, по А. М. Пчелинцеву, ледяными включениями, льдом-цементом и незамерзшей водой. Соответственно различают влажность за счет ледяных включений \¥п, льда-цемента 1¥ц и

Выделяют также величину Wa = Wn -f Wк, определяющую влажность минеральных слоев породы. В тех случаях, когда влаж­

обычно в долях единицы — как отношение веса данного вида воды к весу скелета породы, для Wc берется отношение веса всех ви­ дов воды к весу скелета породы.

Влажность-льдистость как показатель физических свойств мерз­ лой породы. Каждый вид влажности-льдистости характеризует свойства породы в мерзлом состоянии и после оттаивания.

Ледяные включения (WB и Лв) позволяют оценить возможную величину осадки мерзлой породы при ее оттаивании. Так, величина Лв =0,2 означает, что в каждом 100-сантиметровом слое мерзлой породы находится 20 см ледяных включений. При оттаивании максимально возможная осадка от собственного веса породы может быть равна сумме толщины включений на всю глу­ бину оттаявшей зоны. Мерзлые породы без ледячых включений (массивной текстуры) будут давать сравнительно небольшую осадку.

Повышенное содержание незамерзшей воды свидетельствует об относительно малой прочности и о повышенной сжимаемости и деформируемости мерзлых пород.

Наличие ледяных включений замедляет процесс оттаивания вследствие увеличения количества скрытой теплоты; коэффициент фильтрации при оттаивании пород с ледяными включениями

162

оказывается на 2—3 порядка больше, чем у аналогичных не­ мерзлых пород.

Величины влажности и льдистости сами по себе не позволяют еще судить о том, насколько порода насыщена водой. Для такой оценки служит так называемая степень заполнения объема пор мерзлой породы льдом и иезамерзшей водой

с (1.1^ц + ТУд) Ту

(VIII.4)

8минТв

где еМИн— коэффициент пористости минеральных слоев; уп— уделытый вес воды, кг/см3.

Объемный вес. Объемный вес мерзлой породы ненарушенного сложения ум определяется как отношение веса естественной по­ роды к ее объему. Дополнительные характеристики объемного веса — объемный вес скелета уск.м, определяемый как отношение веса сухой породы к ее объему в естественном состоянии, и объем­ ный вес скелета минеральных слоев мерзлой породы уСк.мин, относящийся к мерзлой породе между ледяными включениями.

Удельный вес. Удельный вес уу минеральных частиц мерзлой

ваемые непосредственно из опытов. По этим характеристикам, как показал Н. А. Цытович, вычисляются другие показатели фи­ зических свойств пород:

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Пучинистость грунта, зависящая от его состава, влажности, уровня грунтовых вод и условий промерзания, определяется величиной

песков). Так, для пластичных глинистых пород она равна от —0,2 до —0,4°, для твердых глинистых пород—от —0,6 до —1,2°.

В результате промерзания пород прочность льдоцементацион­ ных связей по сравнению с немерзлым состоянием возрастает в несколько и даже в десятки раз. При оттаивании же льдоцемента­ ционные связи нарушаются, прочность породы резко снижается, а если она переувлажнена, то превращается в разжиженную массу, способную дать провальные осадки.

Деформации мерзлых пород могут рассматриваться в несколь­ ких аспектах.

П р и р о д а п р о ч н о с т и и д е ф о р м и р у е м о с т и

породу компонентами, зависящими от типа породы, ее температуры и влажности. Сцепление мерзлых пород может быть условно подразделено: 1) на собственно молекулярное, вызванное сила­ ми притяжения между минеральными частицами, разделенными пленками воды; 2) на структурное, являющееся следствием мно­ гообразных процессов в ходе геологического формирования гор­ ной породы; при нарушении естественного сложения эта часть сцепления устраняется — прочность искусственно приготовлен­

164

ной породы, как правило, оказывается меньше прочности породы ненарушенного сложения; 3) на сцепление цементацией льдом; эта часть сцепления наименее стабильна, изменяется с колебаниями температуры и полностью исчезает при оттаивании.

Мерзлые породы вследствие наличия в них льда и незамерзшей воды обладают явно выраженными реологическими* свойствами — способностью развивать во времени пластические деформации (явление ползучести) и снижать прочность при длительном воз­ действии нагрузки. Эти явления обусловливаются: 1) сдвигом и перекомпоновкой минеральных частиц; 2) пластическими дефор­ мациями льда в мерзлой породе; 3) вязким течением пленочной воды; 4) плавлением порового льда на контактах минеральных частиц, где возникает концентрация напряжений, пополнением пленочной воды влагой, образовавшейся при плавлении льда,

иотшатнем пленочной воды из более напряженной зоны в менее напряженную.

Как показали микроскопические исследования С. С. Вялова

иР. В. Максимяк, указанные процессы сопровождаются пере­

и к «залечиванию» дефектов — закрытию микротрещин и пустот. В результате происходит упрочнение грунта. С другой стороны, течение льда, его плавление, переориентация частиц и особенно развитие микротрещин ослабляют структурные связи. Если на­ грузка мала, то преобладает процесс упрочнения, и деформация с течением времени затухает, т. е. наступает процесс затухающей ползучести. Если же нагрузка больше некоторого предела, на­ зываемого пределом длительной прочности (ато), то преобладает процесс расслабления и развивается незатухающая ползучесть, заканчивающаяся разрушением породы. Процесс длительного разрушения обусловливается развитием мпкротрещин и наступа­ ет тогда, когда количество микротрещин на единицу объема до­ стигнет некоторого критического значения.

Рассмотренные выше процессы развиваются в мерзлых породах при длительном воздействии нагрузки. Если же нагрузка воз­ растает быстро, то эти процессы не успеют развиться, соот­ ветственно не успеет развиться и деформация ползучести. В этом случае разрушение произойдет в результате быстрого на­ копления деформации, разрыва межчастичных связей и появления микротрещин.

З а в и с и м о с т ь м е ж д у н а п р я ж е н и е м и де ­ ф о р м а ц и е й . Рассмотрим зависимость между напряжением и деформацией, получаемую из испытания образцов мерзлой породы

* Реология — наука о течении вещества.

165