Физико-механические властивості мёрзлых грунтов

Фізико-механічні властивості мёрзлых грунтов.

МДУ им. М. В. Ломоносова геологічний факультет кафедра геокриологии.

Кудашов Владимир (1 курс 2001;2002).

Площа поширення многолетнемёрзлых порід становить до 25% всієї суші земної кулі і більше 65% площі Російської Федерації. Суцільне поширення многолетнемёрзлых порід зокрема у Антарктиді і прилеглих до неї островах, в Гренландії, і навіть на високогірних ділянках у Америці в Африці. На терені Росії многолетнемёрзлые породи поширені узбережжі європейській частині і займають значну територію на Северо-Востоке країни. Австралія єдиний континентом, де немає спостерігається поширення многолетнемёрзлых толщ.

Поширення мёрзлых товщ підпорядковане широтной і висотної зональности. По середньорічним температур, характеру поширення і потужності на многлетнемёрзлых порід виділяються п’ять зон. Географічна кордон поширення мёрзлых порід біля Росії зазначена на карті (рис1).

Безперервність мёрзлых товщ по простиранию спостерігається лише у самих північних районах. Але й там під великими водоёмами й у місцях посиленою циркуляції підземних вод можна зустріти ділянки зі наскрізним протаиванием. Такі ділянки називаються «таликами», у своїй розрізняють «наскрізні талики» і «несквозные», чи «хибні» талики. Кількість та Європейська площа таликов зростають у напрямі від північних областей поширення мёрзлых порід до «південному кордоні», чи, точніше, у бік, перпендикулярному геоизотермам у цій области.

Географічна південна кордон поширення многолетнемёрзлых порід є лінію, оконтуривающию з півдня сфера поширення мёрзлых товщ, крім окремих високогірних ділянок мёрзлых порід в субтропічних і тропічних зонах. Короткочасне промерзання грунту пов’язані з нічними заморозками; сезонне промерзання порід викликається наявністю середньодобових негативних температур грунту взимку близько через відкликання сезонними коливаннями клімату, а причиною існування многолетнемёрзлых порід є тривале існування негативних середньорічних температур порід внаслідок багаторічних коливань теплообміну на Землі, періодично створюють температуру в верхньому прошарку литосферы.

За глибиною мёрзлые породи можуть неоднорідне (рис.2).

Ю 1 С.

3 2.

Рис. 2 Схема вертикального розтину мёрзлых товщ під час руху з півдня північ: 1-слой сезонного промерзання (протаивания); 2-современные сливающиеся; 3- сучасні несливающиеся толщи;4-древние сливающиеся і несливающиеся толщи.

Зокрема, кратковременномёрзлые і сезонномёрзлые товщі представляють собою зазвичай безперервні за вертикаллю верстви, верхня чия поверхня збігаються з денний поверхнею, а нижня поверхню перебуває в деякою небольшой (от сантиметрів до одиниць метрів) глибині. Залягання многолетнемёрзлых товщ складніше. Їх верхня поверхню залягає в різних глибинах нижча від денної поверхні внаслідок процесів сезонного чи багаторічного протаивания. Многолетнемёрзлые товщі називаються «сливающимися», якщо їх верхня поверхню збігаються з нижньої поверхнею шару протаивания; якщо їх верхня поверхню перебувати глибше підошви шару сезонного протаивания чи промерзання, вони називаються «несливающимися». Наблюдаются також залягання двох і більше шарів многолетнемёрзлых порід друг над іншому, розділених талими прослоями їх називають «багатошаровими чи слоистыми». Такие глибоко які несливающиеся древні мёрзлые товщі могли трапитися значно південніше південної кордону поширення сучасних чи порівняно молодих мёрзлых толщ.

Зона суцільний мерзлоти характеризується потужностями мёрзлых товщ від 500 і більше до 300 метрів і найнижчими температурами от-10(С і від. Острівна мерзлота характеризується малими потужностями вечномёрзлых порід і від кількох десятків метрів за кілька метрів і температурами, близькими до 0(С. розподіл температур многолетнемёрзлых грунов по глибині показано на рис. 3.

1 (0.

(п.

— ((З 0.

+((С.

hот.

h0 2.

h, м.

Рис. 3 Розподіл температури грунтів (() в криолитозоне по глубине (h).

1-поверхность грунта;2-огибающие температури; (птемпература на поверхности;(0-температура лише на рівні нульових річних амплитуд (среднегодовая температура грунту); hот -глибина сезонного відтаювання; h0 -глибина рівня нульових амплитуд.

За характером промерзання многолетнемёрзлые породи поділяються на два типу: 1) сингенетически промёрзшие породи, тобто. накапливающиеся і промерзающие в геологічному сенсі одночасно, і 2) эпигенетические промёрзшие породи, тобто. ті, які перейшли у многолетнемёрзлое стан по тому, як процес їх нагромадження завершився і вони зазнали диагенетические зміни, перетворившись з осаду в породу.

У криолитозоне спостерігається ряд геокриологических процессов.

Термокарстє освіту просадочных і провальних форм рельєфу внаслідок вытаивания підземних льодів чи відтаювання мёрзлого грунту. Механізм процесу в ущільнення відталих сильнольдистых порід чи порід, містять мономинеральные поклади льоду. Причиною виникнення термокарста є така зміна теплообміну лежить на поверхні грунту, у якому глибина сезонного відтаювання починає перевищувати глибину залягання підземного люду чи сильнольдистого многолетнемёрзлого грунту, або відбувається зміна знака середньорічний температури і розпочинається відтавання мёрзлых толщ. При розвитку термокарста по повторно-жильным льодів утворюються положителные форми рельєфу: байджерахи і горбисті полигоны.

Морозобойное розтріскування. Механізм процесу в тому, що з охолодженні в соот ветствии із розподілом температур по глибині в мёрзлых породах виникають стискаючі і розтягують напруги, накопичення яких призводить до розриву порід й освіті трещин.

Морозне пучение-дисперсных порід це підняття землі, обумовлене збільшенням обсягу замёрзшей вологи і льдообразованием (вследствие міграції води) при промерзании. У умовах розвитку відкладень, містять як мелкозём, так і крупнообломочные грунти, відбувається выпучивание крупнообломочного матеріалу й освіту на поверхні кам’яних полів (курумов), чи сортування грунтів з освітою кам’яних полігонів чи смуг на склонах.

Для прогнозу можливість виникнення геокриологических процесів, періоду перебігу, і навіть з оцінки мёрзлых грунтів, як підстав споруд необхідні знання фізичних, механічних і тепломасообмінних характеристик, основні у тому числі розглядаються в справжньої работе.

Мал.1 Карта поширення многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева, 1976).

1-Зона редкоостровного і массивно-островного поширення ММП зі середньорічними температурами (tср) від +3 до -1С і потужністю мёрзлой толщи (М) від 0 до 100 м;2−5 зона суцільного поширення ММП: 2- tср від -1 до -3, М від 50 до 300 м; 3- tср від -5 до -9 Ю, М від 200 до 600 м; 5- tср від нижче -9С, М від 400 до 900 метрів і більш ;6- кордон зон ММП;7 південна кордон криолитозоны.

Глава 1. Основні фізичні характеристики мёрзлых грунтов.

1.1Вводные понятия.

Термін грунт увійшов в термінологію грунтоведческих наук у 18-ти столітті. У сучасному определении (Сергеев, Голодовская і др.1973) грунт-это будь-які гірські породи, грунтів та техногенні освіти, які мають певними генетичними ознаками і аналізовані як багатокомпонентні динамічні системи, які під впливом інженерної діяльності человека.

Порода — природний мінеральний агрегат певного складу і будівлі, що сформувався внаслідок геологічних процесів, в відповідність до якими їх поділяють на осадові, магматичні і метаморфические.

Мёрзлыми грунтами, породами і ґрунтами називають грунти, гірські породи, грунтів та дисперсні матеріали, мають негативну чи нульову температуру, у яких хоча би частину води замёрзла, тобто. перетворилася на лід, цементуючи мінеральні частки. Скельні грунти, мають негативну температуру і містять у своєму складі води та льоду, називаються морозними. Крупнообломочные і піщані грунти, мають негативну температуру, але з сцементированные льодом і які мають силами зчеплення називаються сыпучемёрзлыми («суха мерзлота»).Грунты і породи, у яких, попри негативну температуру лід не кристалізувався називаються охлаждёнными породами і грунтами.

Класифікація мёрзлых грунтів за гранулометрическому складу окреслюється й у немёрзлых грунтів. Вирізняють класифікації по Охотину, Сергєєву. З іншого боку, мёрзлые грунти додатково класифікують по ГОСТ 25 100–95, також із: часу перебування у мёрзлом состоянии (табл.1.1); по льдистости (табл.1.2);по засолённости (табл.1.3); по заторфованности (табл.1.4).

Таблиця 1.1.

Класифікація грунтів за часу перебування у мёрзлом стані за даними різних джерел. |Найменування мёрзлых |Час існування в| Джерела | |грунтів |мёрзлом стані | | |Многолетнемёрзлые |Роки, сотні, тисячі |В.А Кудрявцев | |Сезонномёрзлые |років |Б.А, Достовалов, 1978| |Короткочасно |Місяці | | |мёрзлые |Доба |Э.Д.Ершов, 1990 | |Вечномёрзлые |Століття, тисячоліття |Н.А.Цытович, 1973 | |Многолетнемёрзлые |Від кілька років до | | | |кількох | | |Сезонномёрзлые |десятиліть | | |Короткочасно |Від 1 до 2 сезонів | | |мёрзлые |Від кількох годин | | | |за кілька діб | | |Вечномёрзлые |Три і більше року |Нормативні документи| |Перелетки |Від 1 року по трьох лет|по будівництва та | |Сезонномёрзлые | |інженерним здобутків| | |1-ї холодний сезон | | | |року | |.

Таблиця 1.2.

Класифікація мёрзлых грунтів за льдистости рахунок видимих крижаних включений.

|Різновид грунтов|Льдистость рахунок видимих крижаних | | |включень | | |i, д.е. | | |Скельні і | Дисперсні | | |полускальные |грунти | | |грунти | | |Слабольдистый | 0.20 |>1.00 |.

Таблиця 1.4.

Класифікація грунтів за змісту органічного вещества.

| Назва | Зміст органічного речовини (%) | | |в | | | глинистих |пісках | |Сильнозаторфованные | 50−40 | - | |Среднезаторфованные | 40−25 | - | |Слабозаторфованные | 25−10 | - | |З домішкою | 10−3 | 10−3 | |орг.веществ | | | | | | |.

Мёрзлые грунти залежно від своїх температури, розміру й часу зовнішнього впливу можуть поводитися, як твёрдые чи пластичні. Чим менший і що триваліша вплив, тим, у більшою мірою грунт виявляє пластичні властивості. Освіта льоду при промерзании грунту приводить до підвищення міці й опору деформируемости, що пояснюється виникненням перетинів поміж мінеральними частинками рахунок льоду. Із зниженням дисперсности, засолённости і температури міцність структурних зв’язків зростає. При тривалому часу дії навантаження роль льдоцементационного зчеплення знижується, що з проявом реологічних властивостей льоду. Розроблено класифікація мёрзлых грунтів за температурно-прочностным свойствам.(табл.1.5).

Таблиця 1.5.

Класифікація по температурно-прочностным свойствам.

| | Різновид грунтів | |Вигляд грунтів | | | |Твёрдомёрзлый|Пластичномёрзлый|Сыпучемёрзлый | | | |(p>0.1 кПа-1 |при t супесь> пісок. Збільшення деформируемости грунтів зі зростанням дисперсности викликано, передусім, збільшенням змісту незамёрзшей води, а великі деформації льоду пов’язані особливостям його структурної ґрати, які надають властивості ідеального реологического тела.

Деформируемость і міцність великоуламкових мёрзлых грунтів обумовлена мелкодисперсными мінеральними заповнювачами, або крижаними включеннями. У цьому необхідно враховувати вид напруженого стану. Якщо при щільною упаковці мінеральних частинок опір стиску мёрзлых великоуламкових грунтів може перевищувати міцність мелкодисперсных грунтів рахунок жёсткости скелета, то опір розтяганню, або зрушенню може бути досить незначним у зв’язку з низькими цементационными зв’язками між окремими обломками.

3.2 Вплив льдистости.

У цілому нині, мёрзлые грунти мають вищої міцністю (на кілька раз, іноді навіть кілька десятків) проти талими .Це зумовлено цементацией льодом частинок грунту, перетворення його за агрегатному стану в твердий тело.

Залежно від інтенсивності промораживания (величини температурного градієнта) і граничних условий (одностороннего промораживания чи промораживания з кількох сторін), наявності подтока води та затримок в просуванні кордону промораживания, у процесі промерзання грунтів формується своєрідна кріогенна текстура, істотно визначальна й видатна властивості (рис 3.1) [pic] Рис 3.1 Основні види кріогенної текстури в мёрзлых грунтах. (Цытович, 1973) аслитная (массивная); б-слоистая; в-ячеистая.

Зволоження дисперсних грунтів до вологості відповідної приблизно 0.8−0.9 від повної влагоёмкости побільшує їхні міцність при промерзании. Це пов’язано з зростанням кількості цементационных зв’язків льоду з частинками грунту, водночас формується монолітна криогенна текстура. Проте, показано, що міцність льодистих грунтів залежить тільки від загальної льдистости, а й кількості і товщини крижаних шлиров, і навіть вологості грунтових прослоев, а оскільки подальше зволоження призводить до распучиванию, освіті крижаних прошарків і включень, то збільшення льдистости рахунок включень приводить до зменшення міцності. Під час перебування чергу, розташування прослоев льоду має впливом геть гранично тривалу міцність. Суперечливі результати виходили в різних авторів при дослідженні залежності площі контакту мінеральних частинок грунту та льоду: тільки в випадках велика площа, яка велику кількість крижаних прослоев, обумовлювала велику міцність, тоді як зразками грунту мають менше крижаних прослоев більшої величини, при однаковою льдистости. Проте незатухающая повзучість льоду поза залежність від розташування шлиров та його розмірів призводить до тривалим деформаціям, протекающим у процесі всього терміну експлуатації мёрзлого грунта.

Проте, характер впливу влажности-льдистости на міцність грунту тісно пов’язані з дисперсностью грунту, його мінеральним складом, температурой.

3.3 Вплив засолённости.

Присутність легкорозчинних солей в ґрунтовий волозі істотно впливає механічні властивості грунтів. У засолённом грунті спостерігаються зниження міці й збільшення деформируемости (Ю.Я.Велли1990,В. И. Аксёнов, 1978 та інших.). Це пов’язано з, в основному, зміною складу порового розчину, що зумовлює зниження температури його замерзання і підвищення кількості незамёрзшей води. Експериментально встановлено впливом геть механічні властивості мёрзлых засолённых грунтів як кількості солей, а й їхні хімічного состава.(Роман, 1994;Роман, Свинтицкая, 1996).

Засолення мёрзлых порід зумовлено їх генезисом, специфічної геохимической обстановкою, різної для эпигенетического і сингенетического способів промерзання порід. Проте, всім типів порід якому будуть властиві всі типи елементарних реакцій: розчинення, гідратація, гідроліз, заміщення, окислювання -відновлення. Розрізняють морської, континентальний і техногенний типи засоления.

Морський тип засолення зокрема у мёрзлых грунтах самих північних територійвздовж арктичного узбережжя Росії й за островах. Для морського типу засолення характерно наявність хлоридів, зокрема NaCl. Наименьшее значення Dsal =0.2−0.5% йдеться у пісках; в супесях, суглинках і глинах засолённость коштує від 0.4 до 2.1%.

Континентальний тип засолення зокрема у областях, де поєднання високих літніх температур повітря з негативним балансом вологи сприяло соленакоплению у ґрунтах і подстилающих грунтах. У солевом складі грунтів континентального типу засолення присутні ионы: SO42-Cl-, HCO3-, Na2+, Ca2+, Mg2+.

При промерзании пухких відкладень насамперед відбувається освіту твердої фази водильоду. Морські води з мінералізацією більш 30 г/л кристалізуються при високих температурах, близьких до -1.5…-2(С, а рассолы можуть замерзати за температур -20(С і від., створюючи криопэги. Процес замерзання води супроводжується сильної диференціацією солей між твердої і переробки рідкої фазами води. Частина солей, растворённых у питній воді, виявляється вовлечённой в лід, частина менш розчинних у питній воді солей випадають в осад, а частина віджимається в нижележащие верстви води, що призводить до підвищення мінералізації цих вод.

Поступове промерзання призводить до утворення слабоминерализованных льодів, а нижче кордону промерзаннявисококонцентрованих вод порядку 200 г/л і більше, що забезпечує існування горизонтів води при негативною температурі. Процес засолення породи характеризується виникненням особливостей фізико-механічних свойств.

Слід зазначити, що ступінь впливу растворённых солей обумовлена не характеристикою засолённости Dsal, а концентрацією порового розчину Кпр, несформованого у процесі промерзання. Лише при й тією самою засолённости концентрація порового розчину буде знижуватися зі збільшенням вологості. Отже, і вплив засолённости на опір мёрзлых грунтів навантажень буде знижуватися із збільшенням сумарною вологості. Бо у природних грунтах часто-густо вологість грунту близька повної влагоёмкости, то ряду, в якому збільшується влагоёмкость: пісок.