20 Строение мерзлых горных пород

В зависимости, от соотношения зерен льда-цемента с частицами минерального скелета, различают следующие структуры мерзлых пород:

1) межчастичную (интерсальную) - где зерна цемента расположены в единичных промежутках между частицами скелета и не превышают их по размерам;

2) объемлющую (пойкилитовую) - где зерна цемента крупнее частиц скелета и обволакивают их.

Текстура мерзлых пород характеризуется пространственным расположением в них выделений льда при промерзании. Наиболее часто выделяются три основных типа текстур мерзлых горных пород, которые могут иметь различные разновидности (подтипы). К основным типам криогенных текстур относятся (рис. 7.5):

1. массивная, когда лед в виде цемента более или менее равномерно распределен по всей породе

2. слоистая, когда лед выделяется в виде параллельных прослоек, линзочек и слоев; в соответствии с их мощностью породы могут иметь тонко-, средне- и толсто- слоистую текстуры;

3. сетчатая, когда лед выделяется в виде взаимно пересекающихся прослоев, линзочек, жилок и жил, образующих на обнаженной поверхности пород мелко-, средне или крупноячеистую сетку.

Таким образом, строение (структура и текстура) мерзлых обломочных и глинистых пород выражает их неоднородность и анизотропность, обусловленные распределением в них льда Они форми­руются в процессе промерзания пород и замерзания в них воды: а) имеющейся в любых породах, без притока новой; б) свободно движущейся (текущей), например в песках, галечниках и других водопроницаемых породах; в) иммобилизованной и физически связанной в тонкодисперсных глинистых породах, замерзание которых сопровождается перераспределением, и миграцией воды в жидком и парообразном состояниях к поверхности охлаждения под влиянием молекулярных сил, разности упругости пара и других факторов.

21 Общая характеристика физико-механических свойств мерзлых горных пород

Физико-механическими, называют такие свойства горных пород, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и поведение под нагрузками. Соответственно выделяют свойства физические, водные и механические. Для мерзлых горных пород важнейшее значение имеют тепловые (теплофизические) свойства, характеризующие процессы переноса тепла при их промерзании и оттаивании. Обычно их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.

22Физические свойства мерзлых горных пород. Методы определения

Важнейшими показателями физических свойств мерзлых горных пород являются

влажность,

льдистость,

плотность породы в целом

, пористость и с

одержание незамерзшей воды.

Эти свойства определяют физическое состояние пород при данном интервале отрицательных температур. В первую очередь, физическое состояние оценивается по количественному содержанию всех видов влаги, а это позволяет, в свою очередь, косвенно оценивать их прочность, деформируемость и устойчивость

23 Механические свойства мерзлых пород. Методы их определения

Механические свойства мерзлых горных пород определяют их поведение под воздействием внешних усилий – нагрузок. Они выражаются и оцениваются с помощью прочностных и деформационных показателей.

Механические (деформационные и прочностные) свойства мерзлых пород выражаются обычно через количественные по­казатели, которые устанавливают функциональную связь между величиной и видом механического воздействия и реакцией поро­ды на это воздействие.

К деформационным характеристикам мер­лых пород относятся

модули общей и упругой деформации,

ко­эффициент Пуассона,

показатели реологических кривых течения и кривых ползучести,

коэффициенты вязкости и сжимаемости; к прочностным

: кратковременные и длительные значения прочно­сти породы на сдвиг (коэффициент трения и сцепления),

сжатие,

растяжение и

эквивалентное сцепление.

Модуль общей деформации имеет определенный физи­ческий смысл, непосредственно отражая сопротивление мерзлой породы развитию деформации. Он уменьшается с увеличением на­пряжения и времени действия нагрузки. Увеличение дисперсности и повышение температуры мерзлой породы также приводят к снижению модуля общей деформации. На формирова­ние модуля общей деформации мерзлых пород существенное влияние оказывают также физико-минеральный состав, влажность, степень льдонасыщения и другие факторы.

Зависимость между деформациями и напряжениями в упругой области выражается модулем нормальной (продольной) упругости — модулем Юнга (Е, Па) и коэффициентом поперечной уп­ругости (коэффициент Пуассона μ) мерзлых пород.

Модуль нормальной упругости (E=σ/ε) для мерзлых пород располагается в диапазоне 300— 30 000 МПа, что в десятки и сотни раз больше модуля нормальной упругости немерзлых по­род, и его величина зависит от ряда факторов: состава, строения, температуры мерзлых грунтов и внешнего давления. При доста­точно низких температурах модуль упругости песчано-глинистых мерзлых пород может превышать модуль упругости бетона. Модуль нормальной упругости увеличивается при уменьшении дисперсности мерзлых пород.

Модуль упругости льда меньше модуля упругости грунтов с жестким минеральным ске­летом (песок), но значительно превосходит модуль упругости мерз­лых глин, что связано с большим количеством незамерзшей воды в них.

Cоотношение, выражающее про­порциональность между поперечными и продольными дефор­мациями, или закон Пуассона: ε₂=ε₃=—με₁, где ε₁ — относительная деформация в продольном направлении, а ε₂ и ε₃ — в поперечном; μ — коэффициент пропорциональности или коэффициент Пуассона, который является второй основной характеристикой упругого материала. Значительно влияние температуры на коэффициент Пуассона для мерзлых по­род, который при повышении температуры стремится к мак­симальной величине 0,5 (как для идеально пластичных тел), а при понижении температуры — к величинам, характерным для твер­дых тел.

Вязкость представляет собой одно из основных реологических свойств мерзлых пород. Ее можно характеризовать коэффициентом эффективной вязкости η (далее—просто коэффициент вязкости), численно равным отношению величины действующего напряжения σ к скорости вызываемой им деформации течения (е), т.е. η=σ/е. Единицей измерения коэффициента вязкости или просто вязкос­ти является Н*с/м² (Па*с). выделяют наи­большую ηш и наименьшую ηб пластические вязкости Наиболь­шая (шведовская) вязкость определяется из выражения ηш = (σ — σ _кр)/е, а наименьшая (бингамовская) ηб = (σ – σ*_кр )/е. Критические напряжения σ _кр и σ* _кр называются соответственно условно статическим и условно динамическим пределами текучести Отношение пластических вяз-костей служит важной характеристикой породы, отражающей сте­пень разрушения ее структуры в процессе течения при изменении напряжений. Считается, что наибольшая пластическая вязкость обусловлена течением породы с практически ненарушенной струк­турой, в то время как наименьшая пластическая вязкость соответ­ствует деформированию породы с практически разрушенной струк­турой.

Мерзлые тонкодисперсные породы, находясь под давлением вышележащих толщ или инженерных сооружений, уплотняются в результате развития в них сложных физико-механических и физико- химических процессов. Породы обладают значительной сжимаемостью под нагрузкой.

+