книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

Т а б л и ц а 4

Агрегатное состояние воды и причины миграции (по М. П. Сумгину)

нлед)

II.Жидкость 1. Закон тяготения

2.Напряжение в грунте при его замерзании

3.Капиллярные силы (передвижение по капиллярам,

вчастности по порам замерзания)

4.Изменения молекулярного давления под влиянием градиентов: температуры, влажности, кристаллиза­ ции, концентрации растворенных веществ, электри­ ческих и других потенциалов

III.Твердое тело 1. Внешнее давление

2.Напряжение в грунте при его замерзании

Пр и м е ч а н и е . В процессе замерзания грунтов может, помимо льда, миг­

рировать и минеральная твердая фаза; причины те же, что и для миграции воды в фазе льда (случай III).

Вусловиях естественного залегания тонкодисперсные нороды обычно уплотнены и диффузия паров в них затруднена. Мигра­ ция воды в парообразном состоянии преобладает при влажности пород, не превышающей содержание нрочносвязаннои воды (мак­ симальной гигроскопической влажности).

Вприродных условиях доминирующее значение имеет мигра­ ция воды в жидкой фазе.

Первые гипотезы миграции жидкой воды были предложены

русскими инженерами В. Штукенбергом в 1885 г. и Н. С. Богдано­ вым в 1912 г. для объяснения пучения грунтов при промерзании. Эти исследователи связывали миграцию влаги с возникновением в зоне промерзания трещин вследствие увеличения объема воды при переходе в лед и подтоком последней по этим трещинам к про­ мерзающему слою.

В. Н. Сукачев, К. Никифоров и Д. А, Драницын объяснили деформации влажных грунтов при промерзании возникающими напряжениями.

Впоследствии М. И. Сумгин [12, стр. 47] расширил и развил представления о миграции воды в промерзающем грунте под влия­ нием напряжений для объяснения образования пучин на дорогах; при этом он рассмотрел случаи образования пучин без подтока воды (замкнутая система) и с притоком воды (открытая система) и дал соответствуюцие уравнения для бугров пучения и наледи. А. Е. Фздосов на основании опытов по замораживанию водона­ сыщенных глинистых грунтов пришел в 1935 г. к выводу, что при образовании льда в грунте возникают давления, подобные компрес-

.18

«ионным; в определенных участках происходит внутриобъемная

рераспределение не только жидкой, но и твердой фазы грунта. Принимая за основную причину миграции воды напряжения, возникающие в замерзающем влажном грунте при увеличении его объема и образовании пор замерзания, М. И. Сумгин допускал в качестве второй причины действие сил кристаллизации растущих

кристаллов льда.

Американские исследователи Тэбер и Боюкос объяснили ми­ грацию воды силами кристаллизации растущих кристаллов льда и наличием на его поверхности адсорбированной пленки воды, обладающей большой прочностью на растяжение. При этом Тэбер подчеркивал значение капилляров только как путей миграции воды. Однако, как было показано опытами А. II. Боженовой и Ф. Г. Бакулина, силы кристаллизации имеют второстепенное значение.

Впервые уравнение миграции воды на основании представления о капиллярном потенциале, который характеризует притяже­ ние воды к поверхности грунта, дал в 1907 г. Букингэм.

Большинство гипотез миграции влаги в промерзающих тонко­ дисперсных горных породах исходит из представлений о законо­ мерностях передвижения водной пленки, сформулированных в общем виде А. Ф. Лебедевым. В той или иной степени эти гипо­ тезы учитывают взаимодействие воды с минеральным скелетом.

Вопросу о механизме миграции влаги при промерзании тонко­ дисперсных горных пород посвящено много работ советских и зарубежных исследователей. Большинство из них приходит к вы­ воду, что миграция осуществляется под влиянием ряда градиен­ тов и различными механизмами, но основным механизмом мигра­ ции жидкой воды признается в настоящее время пленочно-кри­ сталлизационный, обусловленный наличием водных пленок на поверхности частиц породы и формирующегося в них льда. В связи с этим приобретает особое значение активная поверхность твер­ дых составляющих промерзающей породы: минерального скелета породы и льда.

Интенсивность миграции воды в промерзающих тонкодисперс­ ных горных породах зависит от следующих факторов:

1)природы минерального скелета (дисперсности, минерало­ гического и химического состава, обменных катионов);

2)плотности;

3)температурного режима;

4)наличия источника поступления воды, т. е. возможности промерзания в условиях открытой системы.

Величина удельной поверхности, пористость и ультрапори­ стость породы, минералогический состав глинистой фракции и природа обменных катионов взаимосвязаны и в совокупности оп­ ределяют толщину и подвижность водных пленок и капиллярные

39

влаги и пучения наибольшая, когда в глинистой фракции содер­ жатся минералы группы каолинита, а обменные катионы представ­ лены Н-ионамн или многовалентными катионами, которые ока­

зывают агрегирующее действие и улучшают капиллярные свойства породы.

В опытах 3. А. Нерсесовой с образцами глуховецкого каолина, насыщенного различными катионами, удалось проследить влияние активной поверхности на интенсивность миграции. В результате промораживания в условиях открытой системы, т.е. с возможностью подтока воды, в образцах каолина с многовалентными обменными катионами и Н-ионом наблюдались интенсивная миграция влаги

исегрегационное льдообразование (см. рис. 4, б).

Вверхней части образца Fe-каолина образовались прослойки чистого льда, суммарная влажность нижележащего слоя превы­ шала 400%; в образцах Н- и Са-каолина также формировались

прослойки сегрегационного льда, но несколько меньшей мощности; суммарная влажность подстилающего слоя составляла 180—230%; в образцах каолина, насыщенных катионами Na и К, образовались тонкие прослойки льда, но преимущественно вследствие перерас­ пределения содержавшейся в образцах воды.

Как следует из данных табл. 1, дисперсность и водные харак­ теристики каолина не изменялись при различном составе обмен­ ных катионов, но капиллярные свойства отражали их влияние. Очевидно, отмеченные особенности миграции влаги и льдообра­ зования были обусловлены' различной активной поверхностью образцов. При этом активные центры поверхности — обменные катионы — оказывали влияние не только на интенсивность сегре­ гационного льдообразования, но и на структуру льда.

Сложение и плотность породы определяют ее капиллярные свойства, т. е. пути миграции влаги. Существует критическое зна­ чение плотности, соответствующее максимальной интенсивности миграции воды, льдовыделения и пучения.

Скорость промерзания наряду со скоростью подтока влаги является одним из основных факторов, определяющих интенсив­ ность миграции влаги, толщину ледяных включений и интерва­ лов между ними. Для тонкодисперсных горных пород существует оптимальная скорость промерзания, которая зависит от состава, сложения и влажности породы. Е.А. Втюрина считает, что это та скорость, при которой интенсивность кристаллизации слабосвя­ занной воды соответствует максимально возможной интенсивности ее миграции. В работах зарубежных исследователей последних десятилетий (Лоу, Пеннер, Уинтеркори, Юмикис и др.) также признается большое значение минералогического состава и фи­ зико-химических особенностей тонкодисперсных горных пород для процессов миграции влаги и пучения при промерзании [18, 19]. Вместе с влагой в промерзающих породах перемещаются раство­ римые в ней соединения, что сопровождается химическими реак­ циями обмена, растворения и др.

41

Миграция воды происходит не только в промерзающих тонкодисиерсных породах, но и в мерзлых, что доказано опытами А. А. Лнаняна по электроосмосу в мерзлой глине и наблюдениями И. А. Тютюнова в природных условиях. При этом, как указывает II. А. Цытович, движение пленок незамерзшей воды начинается лишь при определенной величине температурного градиента.

Коагуляция и агрегирование. В процессе промерзания тонкодисперснкх горных пород возникает коагуляция их коллоидной фракции и агрегирование. Специальными лабораторными опы­ тами показано отчетливо выраженное агрегирование некоторых грунтов и глин в результате их промерзания в условиях «открытой системы».

При замерзании водонасыщенных тонкодисперсных пород ко­ агуляции и агрегированию способствуют компрессионные про­ цессы, обусловленные образованием льда.

И. А. Тютюнов [14] связывает пылеватость, характерную для тонкодисперсных пород северных районов, с необратимой коагу­ ляцией и агрегированием их глинистой и коллоидной фракций при промерзании. А. И. Попов [15], признавая агрегирование глинистых частиц специфическим процессом криолитогенеза, все-таки основную роль отводит дезинтеграции пород и механи­ ческому разрушению. Согласно А. И. Попову, криолитогенез как особый тип литогенеза, свойственный зонам охлаждения земли, включает криогенный диагенез и криогенное выветривание. Крио­ генному диагенезу присущи следующие физические процессы: миграция рыхлосвязанной воды к фронту промерзания и обезво­ живание, уплотнение и внутриобъемное сжатие минеральных аг­ регатов. Особенностями криогенного выветривания являются дезынтеграция плотных пород до вторичного пылеватого про­ дукта выветривания вследствие процессов сезонного промерзания и оттаивания и механическое разрушение пород в результате замерзания свободной воды, циркулирующей в трещинах.

Однако криогенное выветривание не ограничивается процес­ сами физического выветривания. Как было показано И. А. Тютюновым, в мерзлых тонкодисперсных горных породах протекают реакции обмена между минеральным скелетом и соединениями, растворенными в незамерзшей воде, т. е. процессы химического выветривания.

Физические процессы при оттаивании. При оттаивании тонко­ дисперсных мерзлых пород ослабляются и разрушаются цемента­ ционные связи. Часть воды, образующейся при таянии льда, идет на гидратацию обезвоженных при замерзании частиц и их агрегатов и на набухание, часть остается в виде капиллярной воды, остальная масса воды перемещается под действием гравита­ ционных сил. Одновременно происходит уплотнение породы за счет отжатия воды и уменьшения пористости.

В природных условиях уплотнение при оттаивании преобла­ дает над набуханием и приводит к осадкам и просадкам.

42

Г л а в а I V

СЕЗОННОЕ ПРОМЕРЗАНИЕ И ПРОТЛИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

С е з о н н о е п р о м е р з а н и е представляет собой про­ мерзание горных пород, средняя годовая температура которых выше температуры замерзания ts (£3<l0o); происходит оно вслед­ ствие теплопотерь горных пород за зимний период. Сезоннопромерзающий, или сезонномерзлый, слой подстилается всегда не­ мерзлыми породами. Мощность сезонномерзлого слоя обычно меньше возможной глубины оттаивания за летний период. Поэтому

вэтот период сезонномерзлый слой полностью оттаивает.

Вотдельные годы могут наблюдаться существенные измене­ ния в условиях промерзания н оттаивания горных пород. В част­ ности, в малоснежные зимы промерзание может быть настолько значительным, что-промерзший слой не успевает за лето полностью оттаять. Если аномально интенсивное охлаждение пород происхо­ дит из года в год, начинается многолетнее промерзание земной коры и образуется мерзлая зона литосферы с температурой ниже темпе­ ратуры замерзания.

Влетний сезон мерзлые породы протаивают на некоторую глубину. С е з о н н о е п р о т а й в а н и е представляет собой протаивание мерзлых пород, средняя годовая температура которых ниже температуры замерзания; происходит оно вследствие теплоприходов в горные породы за летний период. Сезоннопротаи-

вающий, или сезонноталый, слой всегда подстилается мерзлыми породами. Мощность сезонноталого слоя обычно меньше возмож­ ной (потенциальной) глубины промерзания за зимний период. Лишь у южной границы мерзлой зоны мощности сезонноталого слоя и возможные глубины промерзания постепенно сближаются. Даже в самых северных районах с мерзлыми породами природные условия обеспечивают сезонное протаивание пород. Так, на Земле Франца-Иосифа протаивание на конец лета достигает глубины

40 см.

Получить представление о возможной глубине сезонного про­ мерзания в районах мерзлой зоны можно только в том случае, если мерзлые породы залегают глубоко или совсем отсутствуют (т. е. имеется талик). В некоторых районах мощность слоя сезон-

44

ного промерзания достигает 4—5 м. Однако чаще всего слой зим­ него промерзания оказывается значительно меньшим, так как через некоторое время после начала промерзания он смыкается с мерзлыми породами.

Сезонноталый слой промерзает как сверху, так и снизу. В боль­ шинстве районов с резко континентальным климатом промерза­ ние снизу составляет незначительную долю. Только в условиях морского климата, когда промерзание сверху протекает относи­ тельно медленно, промерзание снизу можно сравнивать с промер­ занием сверху.

Слой сезонного промерзания и протаивания (деятельный слой) является наиболее термодинамически активным слоем горных пород в отношении суммарных годовых теплооборотов. Г о д о ­ в ы м т е п л о о б о р о т о м называют, по М. М. Крылову, полу­ сумму прихода-расхода тепла, которое поступает в породы за весь теплый период и выделяется ими за холодный. Суммарные годовые теплообороты в породах слагаются из изменения их тепло­ содержания, расхода тепла на испарение (или приход тепла с осад­ ками), затрат тепла на таяние (замерзание) поровой влаги.

Деятельный слой имеет исключительно важное значение в прак­ тической деятельности человека, Процессы, происходящие в нем, оказывают существенное влияние на устойчивость промышлен­ ных и гражданских зданий, коммуникационных сетей, дорожных магистралей. Особенности деятельного слоя отражаются на от­ крытых горных работах, а также в гидротехническом строи­ тельстве.

Теплофизическая сущность сезонного промерзания и протайванпя горных пород. Промерзание и протаивание влажных гор­ ных пород неразрывно связано с движением границы (или неко­ торой зоны) кристаллизации поровой влаги.

При промерзании крупнозернистых пород влага замерзает при температуре около 0°, образуется граница промерзания, разделяющая мерзлый и талый слой.

Скорость продвижения границы промерзания (называемой также фронтом промерзания) в первые 1—2 месяца с момента перехода температура воздуха от положительных значений к от­ рицательным близка к постоянной. Затем она резко уменьшается. В последние месяцы зимы глубина промерзания практически не изменяется во времени. Наибольшая глубина, на которую про­ мерзает порода за зимний сезон, называется глубиной сезонного промерзания.

Во многих работах содержится предположение, что при промерзании крупнозернистых пород, в которых пленочной влаги практически нет, вода полностью кристаллизуется на месте; тем самым отрицается перемещение (миграция) влаги к фронту промерзания. Однако исследования последних лет, в частности Л. В. Чистотинова на гаммаскопической установке в Институте мерзлотоведения СО АН СССР, доказали возможность миграции

45

парообразной влаги к фронту промерзания в песках. С увеличе­ нием влажности сверх полной влагоемкости начинается движение влаги в обратном направлении (отжатое).

Процесс промерзания тонкодпсперсных пород протекает ина­ че. В них при отрицательных температурах всегда содержится незамерзшая вода. Чем ниже отрицательная температура пород, тем большая часть воды в них превращается в лед. При промер­ зании тонкодисперсных пород образуется зона промерзания (слой, в котором происходят значительные фазовые превращения воды), разделяющая полностью промерзшей и талый слон. Верх-

няя часть промерзшего слоя представляет сооои твердомерзлую породу, в которой замерзла вся свободная вода и значительная часть рыхлосвязанной воды, нижняя часть (слой льдовыделения, по М. II. Гольдштейну)— пластичномерзлую породу, в которой замерзла только свободная вода. Нижняя граница зоны промерза­ ния, названная М. Н. Гольдштейном фронтом льдообразования, со­ ответствует появлению кристаллов льда и определяется темпера­ турой замерзания грунта t3, верхняя граница — ориентировочно температурой —1° для суглинков и —1,5° для глин.

В процессе промерзания увлажненной тонкодисперсной по­ роды влага из талого слоя подтягивается к фронту льдообразо­ вания и частично перемещается (мигрирует) в зону промерзания. Миграционный поток в эту зону может достигать 30—50% от сум­ марного потока, поступающего к фронту льдообразования. В ре­ зультате миграции влаги вблизи подвижной границы льдообра­ зования влажность пород понижается до некоторого критического значения WKр (рис. 5, а), тем самым образуется тонкий обезвожен-

46

иып слой, который сравнительно быстро промерзает. После этого начинается промерзание нижележащего слоя породы с интенсив­ ным льдовыделением до тех пор, пока не образуется новый обез­ воженный слой. Таким путем промерзшие породы дифференци­ руются на обезвоженные минеральные прослойки и прослойки льда. Следовательно, при промерзании тонкодиснерсных пород изме­ няется их текстура. Согласно экспериментальным данным, влаж­ ность образовавшихся минеральных прослоек WnaH соответствует той влажности WKV, при которой затрудняется передвижение поровой влаги. Эта влажность близка к влажности раскатывания. Толщина прослоек льда зависит от скорости промерзания, сте­ пени дисперсности и влажности пород. Очень тонкие прослойки образуются при быстром промерзании. С уменьшением скорости промерзания их толщина увеличивается. Прослойки, образую­ щиеся при промерзании пылеватых пород, гораздо толще, чем при промерзании песков и глин. Это объясняется тем, что в пы­ леватых породах, в отличие от песков, содержится значительное количество способной! к передвижению связанной влаги, а коэф­ фициент их влагопроводности, обусловливающий интенсивность миграции влаги, больше, чем в глинах.

Миграция влаги приводит к тому, что максимальная льдонасыщенность отмечается в верхней н пижней части сезонноталого слоя (см. рис. 5, в).

Образование прослоек льда в тонкодпсперсных породах при­ водит к пульсирующему по глубине характеру тепловыделений от кристаллизующейся в них воды. Вследствие этого глубина промерзания изменяется во времени не плавно, а как бы ступенями (по Р. Мартину, ритмически). В результате миграции влаги ниж­ ние горизонты деятельного слоя обезвоживаются, а верхние — насыщаются влагой (см. рис. 5, б, в). Миграция влаги, вызванная промерзанием, в свою очередь, уменьшает скорость и глубину сезонного промерзания пород.

При переходе температуры воздуха к положительным значе­ ниям начинается оттаивание сезонномерзлого слоя. Происходит оно как сверху вследствие установления положительных тем­ ператур воздуха, так и снизу в результате притока тепла из ни­ жележащих талых толщ. Таким образом, устанавливаются два фронта оттаивания (рис. 6). Интенсивность оттаивания снизу, пропорциональная средней годовой температуре пород, ие пре­ восходит is целом нескольких сантиметров. Сезонномерзлый слой оттаивает преимущественно сверху.

Процессы сезонного протаивания и промерзания пород в тепло­ физическом отношении не совсем идентичны. Это объясняется тем, что в период протаивания мерзлые, а следовательно, и более холодные породы находятся внизу. Поэтому влага из сезонно-

47