книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение
..pdfРис. 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
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
1.ГО у м с к п й П. А. Основы структурного льдоведешш. М., Изд-во АН СССР, 1955.
2.Подземный лед, вып. I, II, III. Под ред. А. И. Попова. М., Изд-во АН
СССР, 1955.
3. |
В т го р и н |
Е. |
А., |
В т ю р п н |
Б. И. Льдообразование в горных по |
|||||
4. |
родах. М., 1970. |
|
|
|
|
|
|
|||
П о п о в А. И. Мерзлотные явления в земной коре (криолитология!. |
||||||||||
5. |
М., Изд-во МГУ, 1967. |
К у д р я в ц е в |
В. А. |
Общее мерзлотове |
||||||
Д о с т о в а л о в |
Б. |
II., |
||||||||
6. |
дение, гл. IX. |
М., |
Изд-во МГУ, 1967. |
То л е т и х и н Н. И., |
||||||
С у м г н н М. И., |
|
К а ч у р и н С. П., |
||||||||
|
Т у м е л ь |
В. Ф. |
Общее |
мерзлотоведение. |
М.—Л., Изд-во АН СССР, |
|||||
7. |
1940. |
|
|
И. |
А., |
3 а б о л о т н и к С. |
И., К л и м о в - |
|||
Н е к р а с о в |
||||||||||
|
с к и й |
И. |
В., |
Ш а с т к с в и ч |
Ю, Г. |
Многолетнемерзлые горные |
||||
|
породы |
Станового |
нагорья |
и Витимского |
плоскогорья. М., «Наука», |
|||||
|
1967, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.П о п о в А. И. Вечная мерзлота в Западной Сибири. М., Изд-во АН
СССР, 1953.
9.К а т а с о н о в Е. М. Криогенные текстуры многолетнемерзлых аллю виальных отложений.—«Тр. Северо-Восточного отделения Ин-та мерзло
10. |
товедения им. В. |
А. |
Обручева АН СССР.» |
Якутское кн. изд-во, 1960а. |
|||
К а т а с о н о в |
Е. |
М. |
Предварительная |
классификация криогенных |
|||
|
текстур многолетнемерзлых |
делювиальных |
отложений.—«Тр. Северо- |
||||
|
Восточного отделения Ин-та мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН |
||||||
И. |
СССР». Якутское кн. изд-во, 19606. |
|
|||||
К а т а с о н о в Е. М. Криогенные текстуры, ледяные и земляные жилы как |
|||||||
|
генетические признаки |
мооголетнемерзлых четвертичных отложений.— |
|||||
|
В |
кн.: Вопросы |
криологии |
при изучении |
четвертичных отложений. |
||
|
М„ |
Изд-во АН СССР, 1962. |
|
|
12.Рекомендации по методике изучения подземных льдов и криогенного строения многолетнемерзлых грунтов. М., Изд. ПНИИИС Госстроя
13. |
СССР, 1969. |
Ф. |
Склоновые отложения |
Якутии. М., «Наука», 1969. |
|
Г р а в и с |
Г. |
||||
14. |
О р л о в |
В. |
О |
Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. М., |
|
15. |
Изд-во АН СССР, 1962. |
Л. С. Геокриологические |
|||
Ш е в е л е в а |
Н. |
С., X о м и ч е в с к а я |
|||
16. |
условия Енисейского Севера. М., «Наука», |
1967. |
|||
К а т а с о н о в Е. М. Ледяные жилы и |
причины изгибания слоев |
||||
|
в рыхлых четвертичных отложениях.—«Матер. к основам учения о мерзлых |
||||
17. |
зонах земной коры», вып. IV. М., Изд-во АН СССР, 1958. |
||||
К а п л и н а |
Т. Н., Р о м а н о в с к и й |
Н. Н. О псевдоморфозах |
|||
|
по полигонально-жильному льду.— В кн.: Перигляциальные явления на |
||||
|
территории СССР. М., Изд-во МГУ, 1960. |
|
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
рассмотрению этих свойств, исходя |
из их инженерной оценки |
[1] в соответствии с требованиями |
действующих строительных |
норм [2]. |
|
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
незамерзшей воды W K . Все это составляет суммарную |
влажность |
W c = W B - r W n ~ W u. |
(VII 1.1) |
11 Заказ Лё 101н |
161 |
Выделяют также величину Wa = Wn -f Wк, определяющую влажность минеральных слоев породы. В тех случаях, когда влаж
ность мерзлой породы |
Wn нельзя определить |
опытным путем, |
|
ее можно приближенно |
принять равной |
W n~W-p, где W v — |
|
влажность на границе раскатывания. |
и |
Wр выражают |
|
Значение влажности |
Wв, Wu, WH, Wn |
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.
Льдистость |
мерзлых пород. Другая характеристика — сум |
||||
марная льдистость, |
определяемая количеством всех видов льда, |
||||
содержащегося |
в |
мерзлой породе. Различают весовую льди |
|||
стость I, т. е. отношение веса льда |
|
к весу скелета в долях еди |
|||
ницы, и объемную |
льдистость V, т. е. отношение объема льда |
||||
к объему мерзлой |
породы в долях единицы. Суммарная льдис |
||||
тость включает |
льдистость за счет |
|
льда-цемента Лц и ледяных |
||
включений Лв: |
|
Л0 = Л Ц+ |
ЛВ, |
(VIII.2) |
|
причем |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Тл + М ^ - О ’^ н ) |
’ |
||
где уу — удельный |
ц Тл + М ^ е -О .Ш и ) * |
||||
вес минеральных частиц, |
кг/см3; ул —удель |
||||
ный вес льда, кг/см 3. |
|
|
|
||
Иногда используют также понятие относительной льдпстости — |
|||||
отношение веса льда к весу воды всех категорий: |
|||||
|
|
W — W |
н |
|
|
|
|
" с |
|
(VIII.3) |
|
|
|
W„ |
|
|
|
|
|
|
|
|
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
породы определяется как вес 1 |
см3 |
материала частиц породы. |
Удельный вес воды увлЮ,001 кг/см3, |
а льда уя«50,0009 кг/см3. |
|
Вычисляемые физические характеристики. Основными харак |
||
теристиками являются величины |
Wc, i0, ум, уу, устанавли |
ваемые непосредственно из опытов. По этим характеристикам, как показал Н. А. Цытович, вычисляются другие показатели фи зических свойств пород:
Общая суммарная влажность, отнесенная к весу породы в естественном состоянии
Объемная льдистость |
i' |
Объемный вес скелета породы
W°6 ~1 + и у |
|
|
Гм |
w c - w H |
|
~ у В ' |
1 + ^0 |
; |
Тск.м = Тм/(1 |
+ W c ); |
Коэффициент |
пористости |
ем = —----- |
|
|
|
Объем газов |
|
Тск.м |
, |
w , \ ., |
|
в единице объема т/ _ |
/ |
||||
породы |
|
" |
(Ем/Ь ~ |
^ c/Yb) VcK M) |
|
Вес льда ь единице объема породы G = |
YmW06^0; |
||||
То же, незамерзшей воды |
G = ymW06 (1 — i0)', |
||||
То же, минеральных частиц |
G = yK( l —Woe). |
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Пучинистость грунта, зависящая от его состава, влажности, уровня грунтовых вод и условий промерзания, определяется величиной
бпуч= ^ , |
(VIII.5) |
и * |
163 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
22 |
|
|
Классификация пород по степени пучинистости [6] |
|
|||||||||||
Степень пучи |
|
|
Виды пород, |
положение уровня грунтовых вод Z, м |
|
||||||||
нистости при |
|
пески |
|
пески |
|
супеси |
суглинки |
|
|
||||
консистенции В |
|
|
|
ГЛИ Н Ы |
|
||||||||
|
|
|
мелкие |
пылеватые |
|
|
|
|
|
||||
Снльнопучнни- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стые пви |
|
|
|
|
|
|
|
Z <0,5 |
Z<1,0 |
Z<1,5 |
|
||
В > 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Среднепучшш- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стые при |
|
|
|
|
Z<0,6 |
0,5<Z < 1,0 |
Z <1,5 |
1,5< Z <2 |
|||||
0,5< .В <1 |
|
|
|
|
|||||||||
Слабопучини- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стые при |
_ Z<0,5 |
0,6<Z <1,0 |
Z < 1,5 |
1,5< Z <2 |
2<Z <3 |
||||||||
0<.В <0,5 |
|||||||||||||
Условно |
непу- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чинистые при |
|
|
1,0 |
Z>1,0 |
Z > 1,5 |
Z>2,5 |
Z ^3,5 |
|
|||||
В < 0 |
|
|
|
|
|||||||||
П р и м е ч а н и я : |
|
1. В = |
W |
— W р |
где |
W — весовая влажность пород; |
— |
||||||
|
^ — |
, |
|||||||||||
влажность текучести; |
’ |
" т |
" р |
|
раскатывания [7]. |
|
** |
|
|||||
W |
—влажность |
|
|
|
|||||||||
2. Z=H„—Н, где Но — расстояние от планировочной |
отметки до |
залегания уров |
|||||||||||
ня грунтовых вод, |
м; |
Я— расчетная глубина промерзания грунта, м [7]. |
|
||||||||||
где h — толщина |
промерзающего |
слоя грунта; |
Дh — величина |
||||||||||
поднятия (расширения) этого слоя в результате пучения. |
|
||||||||||||
Классификация |
пород |
по |
степени пучинистости |
приводится |
|||||||||
в табл. |
22. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(за исключением |
||
Температура замерзания пород отлична от 0° |
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
м е р з л ы х |
п о р о д . Как показано С. С. Вяловым |
[8], |
||
прочность |
мерзлых |
пород обусловливается |
межагрегатными |
и |
внутриагрегатными |
связями — сцеплением |
между слагающими |
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
ориентацией глинистых частиц и включений |
льда, образованием |
и развитием микротрещин и других дефектов структуры. |
|
Перекомпоновка частиц ведет к их более |
плотной упаковке |
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
на одноосное сжатие (с |
возможностью |
бокового расширения) |
при быстром загружении. |
Если мы будем |
постепенно увеличивать |
* Реология — наука о течении вещества.
165