Вопросы для самоконтроля

Почему грунты криолитозоны в инженерной геокриологии рассматриваются как среда, основания и материалы для инженерных сооружений?

Для каких задач инженерной геокриологии, необходима классификация мерзлых грунтов по времени существования?

Какие массивы криолитозоны называются полигенетическими?

Чем отличаются синкриогенные массивы криолитозоны от эприкриогенных?

Рекомендуемая литература

1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. – М.: Изд-во стандартов, 1995. – 14 с.

2. Достовалов Б.Н. Общее мерзлотоведение / Б.Н.Достовалов, В.А. Кудрявцев. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1967. – 405 с.

3. Ершов Э.Д. Общая геокриология / Э.Д. Ершов. – М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 2002. – 682 с.

4/ Некрасов И.А. Региональное распространение многолетнемерзлых пород // Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири. – Новосибирск: Наука, 1984. – С. 46-58.

Глава 3. Криогенное строение грунтов

Изучению природы, динамики и закономерностей структуро- и криотекстурообразования в мерзлых грунтах в геокриологии уделялось ранее и уделяется в настоящее время большое внимание. Обусловлено это тем, что криогенное строение мерзлых грунтов оказывает значительное влияние на формирование физических, теплофизических и физико-механические их свойства. Под структурой мерзлых грунтов следует понимать размер, форму, характер поверхности обломков и минералов горных пород, включений льда (льда-цемента и льда включений) их взаимное расположение и взаимосвязь. Текстура грунта, в том числе и многолетнемерзлого – это видовая его характеристика. В связи с этим, криогенной текстурой грунтов, мы будем называть пространственное расположение включений льда в их объеме.

3.1. Криогенное строение песчаных и глинистых грунтов

Кинетика формирования криогенной структуры в дисперсных мерзлых грунтах зависит от многих факторов, одним из которых является влагонасыщение (g). В случае, когда g меньше 0,91 д.ед., формирование льда происходит при свободном его расширении в порах и поэтому существенного воздействия на минеральный скелет грунта лед не оказывает. Если и существует трансформация структуры грунта, то это наблюдается лишь внутри агрегатов, в результате миграции влаги к растущим в порах кристаллам льда. В связи с этим, во влагоненасыщенных грунтах структурообразование протекает вяло и не оказывает значительного воздействия на трансформацию структурных элементов.

При g больше 0,91 д.ед. промерзающие грунты увеличиваются в объеме, распучиваются, поскольку промерзающая поровая влага при переходе в лед увеличивается в объеме на 0,9 д.ед. В замкнутых грунтовых системах это может вызвать объемное сжатие с развивающимся кристаллизационным давлением. В результате здесь протекают те же процессы, что и при консолидации в талых грунтах – уплотнение минерального скелета грунта вследствие переориентировки минеральных частиц. В то же время, при быстром промерзании насыщенных влагой грунтов, возникает большое количество центров кристаллизации, и в грунтах начинают преобладать деструкция и дезинтеграция минеральных частиц и их агрегатов. Отсюда следует, при высоких скоростях промерзания, наблюдаемых при температуре ниже -30⁰С градусов в грунтах преобладают процессы дезинтеграции, при температурах выше − 30⁰С – процессы коагуляции и агрегирования. Следует также отметить и то, что в первом случае отсутствует транспортировка влаги к фронту промерзания и поэтому рост кристаллов льда в грунтах происходит разнонаправлено, следовательно, и структура грунта не отличается упорядоченностью. Во втором случае миграция влаги способствует перекомпоновке структурных элементов грунта, его уплотнению в результате их упорядоченности и увеличению прочности льдоцементационных структурных связей и, как следствие, увеличению прочностных характеристик грунтов в целом.

В инженерной геологии, для глинистых грунтов обосновано наличие пяти основных типов микроструктур: ячеистой, скелетной, матричной, турбулентной и ламинарной (рис. 3.1).

В песчных грунтах выделяются, в зависимости от сортировки пески, пески пылеватые и пески гравелистые, а по размеру преобладающих минеральных частиц (песчинок) они подразделяются на грубо-, крупно- и среднезернистые структуры и т.п. [32, 107 и др.] В восьмидесятые годы типизации микроструктур в мерзлых грунтах уделялось большое внимание на кафедре геокриологии МГУ. В результате были выявлены основные их типы в мерзлых грунтах различного дисперсного состава с массивными текстурами, формирующимися при наличии льда-цемента.

Рис. 3.1. Модели микроструктур глинистых пород [82]:

а – ячеистая; б – скелетная; в –матричная; г – турбулентная; д – ламинарная; е – доменная; ж – псевдоглобулярная; з – губчатая

Рис. 3.2. Модели микроструктур песчаных грунтов [50] :

*ГММ – графическое модели микроструктуры грунта и формы льда-цемента их образующих

Согласно рис. 3.2. для тонкодисперсных грунтов были выявлены следующие криогенные структуры: ячеистая (преимущественно сингенетическое промерзание) и обрастания (преимущественно эпигенетическое промерзание), игольчатая (практически для всех типов грунтов и условий промерзания), контактная, корковая, поровая, базальная (песчаные и крупнообломочные независимо от условий промерзания). Позже были рассмотрены особенности формирования структурных связей, предложена их классификация по площади контактов, по энергии физико-химического взаимодействия и природе контактирующих элементов [44, 47].

Формирование микротекстур песчаных и глинистых грунтов зависит от особенностей развития влагопереноса и механизма льдовыделения, обезвоживания и усадки скелета грунтов, изменения компоновки минералов и агрегатов грунтов, диспергации, агрегации и других физико-химических процессов, влияющих на трансформацию компонентов грунтов на микроуровне. Но, при всей сложности сочетания физических, химических и механических процессов, основными типами криогенных микротекстур являются массивные, слоистые, сетчатые, корковые (пленочные) и их разновидности. Эти же типы текстур, как будет показано ниже, характерны и для более низких уровней их формирования.

Полученные знания морфометрических особенностей распределения льда в массивах глинистых грунтов позволили Е.А. Втюриной и Б.И. Втюрину [19] разработать классификацию криогенных текстур, которую, согласно работам Т.Н. Жестковой [49], можно дополнить, вмонтировав в структуру таксонометрии глинистых грунтов, криогенные текстуры песчаных грунтов (табл. 3.1).

Кроме основных типов криогенных текстур указанных в калассификации существуют промежуточные или переходные виды и разновидности.Напримар, неполносетчатые, неполнослоистые и т.п.

Таблица 3.1

Классификация криогенных текстур песчаных и глинистых грунтов [19, 50]

Класс	Тип	Подтип	Вид	Разновидность
Шлировый (глинистые грунты)	слоистый	горизонтально-, косо-, вертикально-слоистый	Редко-, средне-, часто-, микрослоистый	Толсто., средне-, тонко-, микрошлировая
	слоисто-сетчатый		средне-, часто-, микросетчатослоистый
	сетчатый	горизонтально-, косо-, вертикально-сетчатый, беспорядочно-сетчатый	крупно- , средне-, мелко-, микросетчатый
	ячеистый	-	крупно- , средне-, мелко-ячеистый
	атакситовый	-	-	-
Массивный (песчаные грунты)	контактный	полно-контактный, неполно-контактный	-	-
	манжетный	-	-	-
	корковый	полно-корковый неполно-корковый	-	-
	поровый	полно-поровый неполно-поровый	-	-
	базальный	-	-	-

Примечание. Вид, выделяется по интервалу между шлирами: редкослоистый и крупносетчатый – более 100 мм; среднеслоистый и среднесетчатый – 10−100 мм; частослоистый и мелкосетчатый 1−10 мм; микрослоистый и микросетчатый – менее 1 мм, разновидность – по толщине шлиров: толстошлировая – более 10 мм; среднешлировая – 5−10 мм; тонкошлировая – 1-5 мм; микрошлировая – менее 1 мм

Лабораторная работа. Определение криогенной текстуры мерзлых песчаных и глинистых грунтов

Цель работы: Научиться определять текстуры мерзлых грунтов.

Задание: Дать полное название криогенной текстуры глинистых грунтов.

Исходные данные: Образцы (монолиты) мерзлых пород отобранные в горных выработках или специально изготовленные на основе моделирования условий промерзания.

Ход работы:

- зарисовать и сфотографировать расположение основных элементов криогенной текстуры.

- детально охарактеризовать морфометрические характеристики ледяных включений и пространственное их расположение, обратить внимание на вмещающие ледяные включения, песчаные или глинистые грунты, на контакты между грунтами и ледяными включениями, наличие включений в ледяных грунтовых и воздушных включениях.

Наименование криогенной текстуры необходимо присваивать только после детальной характеристики криогенного строения.

Например. Дать полное название криогенной текстуры при мощности шлиров льда 4 мм, расстояние между шлирами выдержано по разрезу и составляет 30 мм, шлиры (прослойки льда) горизонтально ориентированы, в шлирах воздушные пузырьки ориентированы по нормали к дневной поверхности, лед не содержит минеральных включений. Полное наименование по классификации (табл. 3.1.) будет следующее: горизонтально- равномерно-слоистая, тонкошлировая, среднеслоистая, эпигенетическая миграционно-сегрегационная криогенная текстура.

Задание: дать полное наименование криогенных текстур со следующими морфометрическими и видовыми параметрами: толщина шлира 2 мм, расстояние между шлирами 23 мм, в шлирах включения грунта, ледяные пузырьки отсутствуют, цвет льда непрозрачный, шлиры расположены по углами к дневной поверхности;

- дать полное наименование криогенных текстур со следующими морфометрическими и видовыми параметрами: толщина шлира 15 мм, расстояние между шлирами 45 мм, в шлирах включения грунта, ледяные пузырьки отсутствуют, цвет льда непрозрачный, шлиры расположены по углами к дневной поверхности;

- дать полное наименование криогенных текстур со следующими морфометрическими и видовыми параметрами: толщина шлира горизонтальных шлиров 8 мм, вертикально ориентированный - 4 мм, расстояние между шлирами - 30 мм, в шлирах включения грунта отсутствуют, ледяные пузырьки отсутствуют, цвет льда прозрачный;

- дать полное наименование криогенной текстуры ледяные включения находятся в порах между песчинками;

- дать полное наименование криогенной текстуры песчинки покрыты корками льда мощностью менее 1 мм.;

- дать полное наименование криогенной текстуры песчаных грунтов, льда в которых более 60%.