Структурообразование в промерзающих и протаивающих породах
Широкий спектр физико-химических и физико-механических процессов, сопровождающих промерзание и протаивание дисперсных пород, вызывает значительные структурные преобразовании их органо-минерального скелета. Это выражается в изменении размера, формы, соотношения и ориентации структурных элементов (первичных частиц, минеральных и органо-минеральных элементов). В процессе промерзания может происходить как уменьшение размеров элементов структуры, обусловленное проявлением диспергационных эффектов, так и увеличение (процессы коагуляции и агрегации). При быстром промерзании грунта (около -40 -60°С) и отсуствии миграции влаги, одновременное зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов льда обусловливают преобладающее проявление процесса дезинтеграции частиц и агрегатов. Разрушаются крупнозернисгые частицы и агрегаты минерального скелета (песчаной и крупнопылеватой фракции) как более неоднородные и имеющие большое число дефектов, чем структурнье элементы меньшего размера (рис. 1а). При повышении темперауры замораживания (выше -30 С) процесс укрупнения агрегатов преобладает над процессом их разрушения. Так, для полиминерального суглинка после промерзания при температуре -30 С, так же как и при -60 С, характерно увеличение содержания крупнопылеватых и песчаных агрегатов, но уже за счет агрегации более мелких структурных элементов (рис. 1б). Снижение интенсивности обусловливает возможность миграции внутриагрегатной влаги к центрам льдообразования и улучшает условия пластической перекомпоновки минеральных элементов, что способствует их сближению и укрупнению в результате коагуляции и агрегирования. Быстрые фазовые переходы вызывают лишь, дробление минеральных отдельностей и повышение дисперсности промерзающих пород.
В случае миграции влаги к фронту кристаллизации ведущая роль в преобразовании структуры
промерзающих грунтов принадлежит процессам массопереноса в промерзающую зону, дифференциации и деформированию грунтовой массы при образовании и росте сегрегационных прослоев льда, обезвоживанию и усадке талой части грунта. Перестройка структуры при этом приводит к значительному уплотнению и упрочнению минерального скелета, что наряду с формированием льдоцементационного сцепления ведет к резкому возрастанию прочности породы в целом. В талой обезвоживающейся зоне промерзающих пород при этом происходят дегидратация структурных элементов, и сближение и формирование более крупных агрегатов и блоков. Отмечаются уменьшение пористости и уплотнение минерального скелета, переориентация частиц и агрегатов вдоль направления миграционного потока и формирование щелевидной пористости. Размер, образующийся при обезвоживании и усадке агрегатов и блоков, определяется степенью и интенсивностью обезвоживания, а также характером и степенью развития деформаций и напряжений усадки. Форма структурных отдельностей обусловлена минеральным составом и кристаллохимическими особенностями строения породообразующихся глинистых минералов.
В промерзающей части глинистых пород (т.е. в области значительных фазовых переходов) перестройке подвергается структура, уже преобразованная за счет предварительного обезвоживания и усадки в талой зоне. Вымерзание воды в крупных порах и рост ледяных кристаллов при понижении температуры выбывают распучивание минерального скелета и дифференциацию грунтовом массы. Структурный облик минерального скелета приобретает рыхлость, хотя прочность породы в целом при цементации льдом заметно возрастает. В процессе фазовых переходов могут проявляться частичное дробление я переориентация грунтовых блоков и агрегатов в результате деформации распучивания, но внутри этих агрегатов ориентация элементарных (первичным частиц обычно сохраняется. Вследствие роста ледяных включении преимущественно в крупных порах и по границам структурных отдельностей поры сохраняют щелевидную форму, но увеличиваются в размерах. В процессе дальнейшего промерзания (понижения температуры) фазовые переходы воды осуществляются во все более мелких внутриагрегатных и межчастичных порах что приводит к дезинтеграции грунтовых частиц и дезориентации их в пределах агрегатов и блоков породы. В итоге промерзшая порода характеризуется разупорядоченной структурой, близкой к той, которая имела место до промерзания (в немерзлой породе).
Количественные микроструктурные изменения при промерзали г обусловлены составом и первоначальным строением. Минеральный составом определяет форму структурных отдельностей, образующихся в ходе промерзания. Исходная (до промерзания) дисперсность определяет развитие структурообразовательных процессов в промерзающих грунтах посредством влияния на интенсивность влагообмена льдообразования и обезвоживания пород. Не меньшее влияние оказывает химический состав пород. В условиях глубокого обезвоживания в глинистых породах, содержащих Nа-ион отмечается преобладающее проявление процессов коагуляции и агрегирования структурных элементов. Промерзание глин, содержащих многовалентные катионы (Са2+ и Мg2+), сопровождается диспергацией структурных отдельностей.
При затрудненном влагообмене в плотных грунтах малой влажности отмечаются процессы дезинтеграции структурных элементов. В относительно рыхлых влагонасыщенных породах преобладают процессы коагуляции и агрегирования.
Образование в промерзающих дисперсных породах льда в качестве структурного элемента коренным образом меняет исходную (немерзлую) структуру породы. Отличительным признаком микростроения крупнообломочных и песчаных пород является наличие в них льда-цемента. скрепляющего ранее несвязную рыхлую породу. В зависимости от начального влагосодержания в песчаных породах, например, образуются манжетный (контактный), пленочный (корковый), поровый и базальный типы льда-цемента (рис. 1.2.). Криогенное микростроение глинистых пород (супесей, суглинков, глин) характеризуется наличием микротекстур, которые оказываются подобны макротекстурам мерзлых пород (массивные, слоистые, сетчатые, ячеистые). С увеличением дисперсности происходит увеличение как мощности микропрослоев льда, так и частоты их взаиморасположения
Микростроение засоленных песчаных пород характеризуется повышенным содержанием незамерзшей воды, появлением нового структурного элемента - кристаллов солей, которые выпадают из порового раствора и цементируют минеральный скелет, образуя новый тип контактов - кристаллизационный. Структурообразовательные процессы значительно сложнее протекают в глинистых породах, где, кроме того, развиты процессы ионною обмена, которые в зависимости от состава солей приводят либо к агрегации, либо к диспергации минерального скелета. Формирование криогенного микростроения также определяется условиями промерзания (скорость промерзания, градиентами температуры - наличием или отсутствием подтока влаги). При медленном промерзании агргатов наблюдается более однородное микростроение.
При оттаивании также идет преобразование структуры мерзлых пород. Н большинстве случаев, и особенно при быстром протаивании дисперсных пород, наблюдается общая тенденция к увеличению дисперсности за счет дезинтеграции более крупных элементов. Протаивание сопровождается ослаблением структурных связей, разупрочнением и уменьшением водопрочности элементов грунтовой системы.