2.3. Ледяная компонента грунтов

2.3.1. Распространение, состав и свойства льда в грунтах

Рис. 2.27. Карта-схема распространения вечномерзлых грунтов в Северном полушарии

Вечномерзлые грунты широко распространены в Северном полушарии и занимают около 25 % территории суши, из которых на долю территории бывшего Советского Союза приходилось более половины, а в современной Российской Федерации уже превышает 65 % её территории, в том числе занимает 85 % территории Сибири, 95 % республики Саха (Якутии) и т. д. На долю Аляски (США) приходится 1,2–1,5 млн. км² (86–98 % территории этого штата), на долю Канады – в пределах 3,89–5,70 млн.км² (от 39 – до 57 % территории), на долю Гренландии – в пределах 1,6–1,68 млн. км² (от 73 до 77 %).

Рассматривая географическое распространение многолетней мерзлоты (рис. 2.27), необходимо отметить, что в северных и северо-восточных районах они имеют сплошное распространение (зона сплошного распространения многолетней мерзлоты) и мощность их измеряется там сотнями метров, а среднегодовая температура достигает минус 7, 10 и даже – 12 °С. К южной границе распространения вечномерзлых грунтов их мощность уменьшается до десятков метров, здесь чаще встречаются талики, а температура пород изменяется от минус 0,2 до минус 2 °С. Вблизи этой границы вечномерзлые породы встречаются главным образом на отдельных участках (зона островной многолетней мерзлоты), мощность их не превышает первых десятков метров, а температура изменяется от 0 до минус 0,3 °С. В вертикальном разрезе многолетнемерзлые породы также могут либо иметь непрерывное распространение, либо разделяться таликами, т. е. быть слоистыми.

Лед, как породообразующая составная часть мерзлых грунтов, является неустойчивой фазой: при повышении температуры окружающей среды грунт оттаивает, происходит изменение его свойств, а у некоторых грунтов резко изменяются физическое состояние, прочность, деформируемость, водонепроницаемость, развиваются провальные и просадочные (термокарстовые), оползневые и другие явления. При оттаивании мерзлых грунтов сооружения, построенные на них, испытывают значительные неравномерные и резкие осадки (просадки), поэтому часто происходят большие их деформации и даже разрушения.

Переход воды в лед при промерзании грунтов существенно изменяет их физическое состояние, деформируемость, прочность, водопроницаемость, а также электрические, тепловые и другие свойства. Кроме того, промерзание грунтов сопровождается развитием особых мерзлотных процессов и явлений, таких как изменение строения пород (структуры и текстуры), перераспределение влаги в них, морозное пучение, образование морозобойных трещин, наледные явления и др. Все перечисленное показывает, что условия строительства сооружений на таких породах и обеспечение их устойчивости представляет сложную проблему.

Лед в мерзлых грунтах может находиться в виде в виде льда-цемента, льда включений и массивных залежей подземных льдов.

Лед-цемент представляет собой мелкие кристаллы различного размера, вкрапленные в грунтовый скелет и цементирующие минеральные частицы. Лед-цемент, согласно П.А.Шумскому, подразделяется на пять типов: контактный, расположенный в местах контактов частиц скелета; пленочный, покрывающий поверхность частиц, но не заполняющий весь объем пор грунта; поровый, целиком заполняющий поры; базальный, разобщающий минеральные частицы и их агрегаты; корковый лед, обволакивающий крупные элементы крупнообломочных грунтов.

Лед включений представляет собой различные линзы, прожилки и прослойки (шлиры) толщиной от долей миллиметров до десятков сантиметров. Условно принимается, что если толщина ледовой прослойки не превышает 50 см, то лед рассматривают как компонент мерзлого поли­минерального грунта, а не как самостоятельную породу. Ледяные прослойки могут располагаться в горной породе как в виде выдер­жанных горизонтальных или косых слоев, так и в виде пересекающейся косослоистой сетки или прямоугольной решетки. Расстояние между шлирами обычно от 1 до 10 см и более. Если толщина прослойки льда в горной породе составляет более 50 см, то такую прослойку рассматривают как самостоятельную горную ледоминеральную породу, называемую подземным льдом или ледяным грунтом [57].

Мерзлым грунтом называется грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся структурными криогенными связями [34]. По определению Н.И. Толстихина и Н.А. Цытовича: «мерзлыми породами, грунтами, почвами называются породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние» [57]. П.Ф. Швецов предложил породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие льда, назы­вать морозными.

Периодическое изменение температуры горных пород, формирующейся в течение годового (многолетнего, векового) пери­ода, приводит к разному эффекту теплового состояния приповерхностных слоев. По длительности существования мерзлого состояния пород принято различать следующие разновидности: кратковременномерзлые (часы, сутки); сезонномерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).

Многолетнемерзлые толщи горных пород по типу промерзания подразделяются на эпигенетически и сингенетически промерзающие.

К эпигенетически промерзшим (эпикриогенным) относятся гор­ные породы, которые перешли в многолетнемерзлое состояние после того, как завершился процесс накопления осадков и их диагенетического преобразования.

Сингенетически промерзшие (синкриогенные) горные породы формируются из осадочных отложений на мерзлом субстрате, когда геологически синхронно происходят накопление осадка и его переход в мерзлое состояние.

Также выделяются диакриогенные (парасинкриогенные) толщи, которые формиру­ются при промерзании (сверху вниз и с боков) переувлажненных нелитифицированных пород (свежеотложенных осадков и илов).

Мерзлые и ледяные грунты обладают рядом специфических свойств, которые обусловлены их составом и структурой. Кристал­лическую структуру льда можно представить решеткой, в которой каждая молекула Н₂О соединена водородными связями с четырьмя соседни­ми молекулами, находящимися от нее на равных расстояниях (2,76·10^–8 см) в правильном тетраэдрическом размещении. Такая решетка относит­ся к гексагональной сингонии и не является плотноупакованной; поэтому плотность обычного льда (около 0,92 г/см³) ниже плотности воды. В молекуле льда (воды) расстояние между атомами водорода и кислорода составляет 0,96·10^–8 см, а угол в вершине треугольника равен 104,5° (рис. 2.28, а). Фиксированные положения в структуре льда занимают только ато­мы кислорода. Два атома водорода могут занимать различные положе­ния на четырех связях молекулы Н₂О с другими соседями. Только при температуре ниже минус 70 ^оС их положение закрепляется. Ввиду гексагональности решетки кристаллы, растущие в свободном состоянии (снежинки), имеют шестигранную форму. Таким образом, кристаллический лед явля­ется и хорошо упорядоченной средой (по кислороду) и одновременно разупорядоченной (по водороду).

Структуру льда можно представить и в виде тонких прочных, но гибких пластинок, плоскость расположения которых соответствует базисной плоскости, а нормальная к ней ось – оптической оси (рис. 2.28, б). Промежутки между «пластинками», удерживаемые водородными связями, являются плоскостя­ми ослабления, по которым происходит скольжение, что обусловливает повышенную текучесть льда. Сцепление льда по направлению перпендикулярному главной оптической оси (расположенной перпендикулярно поверхности замерзания) значительно меньше, чем по направлению совпадающему с ней. Так, по данным большого числа определений Б.П.Вейнберга (1940), сопротивление раздавливанию льда (θ = -3⁰С) при направлении усилий параллельно главной оптической оси составило 3,1-3,2 МПа, а перпендикулярно – 2,1-2,5 МПа. Отношение сопротивления сжатию в направлении перпендикулярном главной оси к сопротивлению сжатию в направлении параллельном главной оси равно 0,8. Вязкость льда в направлении перпендикулярном главной оси η_┴ = 10¹⁰ – 10¹¹ пуаз, а при силе, направленной параллельно главной оси, η_║ = 10¹⁴ – 10¹⁵ пуаз.

В соответствии с кристаллическим строением льда его свойства зависят от внутри- и межкристаллических связей, которые, в свою очередь, определя­ются геометрией пространственной решетки. Существенное влияние на эти связи оказывает то, что температура многих природных льдов обычно близка к температуре плавления (около 0 °С). Это обусловливает высокую подвиж­ность решетки и, соответственно, высокую деформируемость льда – он способен течь подобно вязкой жидкости под любой нагрузкой, что определяет явно выраженные реологические свойства мерзлого грунта, поскольку лед являет­ся его основным компонентом [50].

Лед, находящийся под внешней нагрузкой, податлив и текуч, его эффективная вязкость составляет около 10¹⁴ П (пуаз). Если его температура близка к точке плав­ления (t = 0 °С при атмосферном давлении), а нагрузка действует длительное время, то во льду развиваются пластические деформации. Пластическая де­формация льда происходит в результате зарождения и движения по кристаллу разнообразных несовершенств структуры: вакансий, межузельных атомов, межзеренных границ и дислокаций. Как было установлено в 30-е годы XX в. именно наличие последних предопределяет резкое снижение сопротивления кристаллических твердых тел пластической деформации (в 10–10⁴ раз по отношению к сопротивлению идеальной ре­шетки). К настоящему времени во льду обнаружены все виды дислокаций, свойственных гексагональной структуре, исследованы их микромеханические и электрические характеристики.

Лед обладает аномальными свойствами, выделяющими это вещество среди гомологов (Н₂S, Н₂Sе, Н₂Tе). Для него характерна очень высокая (среди простых веществ) удельная теплота плавления или кристаллиза­ции (равная 1,4 ккал/моль или 79,69 кал/г) и теплоемкость (0,51 кал/г-град). Лед трудно растопить (при этом его структура уплотняется), а воду – замо­розить. В результате этого климат на Земле достаточно мягок, но при отсутствии воды (например, в пустынях Африки или Центральной Азии) контраст между дневной и ночной температурами значительно выше, чем на побережье океана на той же широте. Кроме того, лед имеет высокую отражательную способность (0,45), являясь на Земле мощным фактором охлаждения, влияющим на формирование климата. Жизненно важным для биосферы является свойство льда увеличиваться в объеме при кристаллизации, а не уменьшаться, как это происходит с боль­шинством известных веществ. В результате лед плавает в воде (его плотность около 0,92 г/см³), а не тонет.Кристаллизация льда в замкнутых порах грунта приводит к возникновению кристаллизационного давления, величина которого может достигать огромных зна­чений, превышающих прочность структурных связей грунта и является причиной опаснейших деформаций пучения.

По величине электрической проводимости и ее экспоненциально быстрому возрастанию с повышением темпе­ратуры (в отличие от металлических проводников) лед относят к полупровод­никам. Удельная электрическая проводимость льда при 0°С около 10^–9 ом^–1см^–1, диэлектрическая проницаемость выше, чем у воды, и при 0°С равна 94. Обыч­но лед бывает химически чист, даже если растет из «грязной» воды или раствора. Это обусловлено низкой растворимостью примесей в структуре льда. В результате при замерзании примеси оттесняются на фронте кристаллизации в жидкость и не входят в структуру льда, благодаря этому примесная проводимость во льду почти отсутствует, и в нем нет свободных электронов, как в металлах [50].