Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

Физико-механические свойства мёрзлых грунтов.

МГУ им.М.В. Ломоносова геологический факультет кафедра геокриологии

Кудашов Владимир(1 курс 2001-2002)

Введение.

Площадь распространения многолетнемёрзлых пород составляет до
25% всей суши земного шара и более 65% площади Российской Федерации.
Сплошное распространение многолетнемёрзлых пород наблюдается в Антарктиде и на прилегающих к ней островах, в Гренландии, а также на высокогорных участках в Южной Америке и в Африке. На территории России многолетнемёрзлые породы распространены на побережье европейской части и занимают значительную территорию на Северо-Востоке страны. Австралия является единственным континентом, где не наблюдается распространения многолетнемёрзлых толщ.

Распространение мёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовым температурам, характеру распространения и мощности на многлетнемёрзлых пород выделяются пять зон. Географическая граница распространения мёрзлых пород на территории России указана на карте (рис1).

Непрерывность мёрзлых толщ по простиранию наблюдается только в самых северных районах. Но и там под крупными водоёмами и в местах усиленной циркуляции подземных вод можно встретить участки со сквозным протаиванием. Такие участки называются «таликами», при этом различают
«сквозные талики» и «несквозные», или «ложные» талики. Количество и площадь таликов возрастают в направлении от северных областей распространения мёрзлых пород к их «южной границе», или, точнее, в направлении, перпендикулярном геоизотермам в этой области.

Географическая южная граница распространения многолетнемёрзлых пород представляет собой линию, оконтуривающию с юга область распространения мёрзлых толщ, за исключением отдельных высокогорных участков мёрзлых пород в субтропических и тропических зонах. Кратковременное промерзание почвы связано с ночными заморозками; сезонное промерзание пород вызывается наличием среднесуточных отрицательных температур почвы зимой в связи с сезонными колебаниями климата, а причиной существования многолетнемёрзлых пород является продолжительное существование отрицательных среднегодовых температур пород вследствие многолетних колебаний теплообмена на поверхности Земли, периодически создающих отрицательные температуры в верхнем слое литосферы.

По глубине мёрзлые породы могут распространяться неоднородно
(рис.2).

Ю 1 С

2

3 2

4

5

Рис.2 Схема вертикального разреза мёрзлых толщ при движении с юга на север:
1-слой сезонного промерзания (протаивания); 2-современные сливающиеся; 3- современные несливающиеся толщи;4-древние сливающиеся и несливающиеся толщи.

В частности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлые толщи представляют собой обычно непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с дневной поверхностью, а нижняя поверхность находится на некоторой небольшой(от сантиметров до единиц метров) глубине.
Залегание многолетнемёрзлых толщ более сложно. Их верхняя поверхность залегает на различных глубинах ниже дневной поверхности вследствие процессов сезонного или многолетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются «сливающимися», если их верхняя поверхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания; если же их верхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя сезонного протаивания или промерзания ,они называются
«несливающимися».Наблюдаются также залегания двух и более слоёв многолетнемёрзлых пород друг над другом, разделённых талыми прослоями их называют «многослойными или слоистыми».Такие глубоко залегающие несливающиеся древние мёрзлые толщи могут встречаться значительно южнее южной границы распространения современных или сравнительно молодых мёрзлых толщ.

Зона сплошной мерзлоты характеризуется мощностями мёрзлых толщ от
500 и более до 300 м и самыми низкими температурами от-10(С и ниже.
Островная мерзлота характеризуется малыми мощностями вечномёрзлых пород от нескольких десятков метров до нескольких метров и температурами, близкими к 0(С. распределение температур многолетнемёрзлых грунов по глубине показано на рис.3.

1 (0

(п

- ( (С 0

+((С

hот

h0 2

h, м

Рис.3 Распределение температуры грунтов (() в криолитозоне по глубине(h).

1-поверхность грунта;2-огибающие температуры; (п- температура на поверхности;(0–температура на уровне нулевых годовых амплитуд(среднегодовая температура грунта); hот –глубина сезонного оттаивания; h0 –глубина уровня нулевых амплитуд.

По характеру промерзания многолетнемёрзлые породы разделяются на два типа: 1)сингенетически промёрзшие породы, т.е. накапливающиеся и промерзающие в геологическом смысле одновременно, и
2)эпигенетические промёрзшие породы, т.е. те, которые перешли в многолетнемёрзлое состояние после того, как процесс их накопления завершился и они претерпели диагенетические изменения, превратясь из осадка в породу.

В криолитозоне наблюдается ряд геокриологических процессов.

Термокарст -представляет собой образование просадочных и провальных форм рельефа вследствие вытаивания подземных льдов или оттаивания мёрзлого грунта. Механизм процесса заключается в уплотнении оттаявших сильнольдистых пород или пород, содержащих мономинеральные залежи льда. Причиной возникновения термокарста является такое изменение теплообмена на поверхности почвы ,при котором глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного люда или сильнольдистого многолетнемёрзлого грунта ,либо происходит смена знака среднегодовой температуры и начинается оттаивание мёрзлых толщ.При развитии термокарста по повторно-жильным льдам образуются положителные формы рельефа: байджерахи и бугристые полигоны.

Морозобойное растрескивание. Механизм процесса заключается в том, что при охлаждении в соот ветствии с распределением температур по глубине в мёрзлых породах возникают сжимающие и растягивающие напряжения, накопление которых приводит к разрыву пород и образованию трещин.

Морозное пучение-дисперсных пород это поднятие поверхности земли, обусловленное увеличением объёма замёрзшей влаги и льдообразованием(вследствие миграции воды) при промерзании. В услових развития отложений, содержащих как мелкозём,так и крупнообломочные грунты, происходит выпучивание крупнообломочного материала и образование на поверхности каменных полей (курумов), или сортировка грунтов с образованием каменных полигонов или полос на склонах.

Для прогноза возможности возникновения геокриологических процессов, периода их протекания, а также для оценки мёрзлых грунтов, как оснований сооружений необходимо знание физических, механических и тепло- массообменных характеристик, основные из которых рассматриваются в настоящей работе.

Рис.1 Карта распространения многолетнёмёрзлых пород.(К.А.Кондратьева,1976).

1-Зона редкоостровного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами(tср) от +3 до –1С и мощностью мёрзлой толщи(М) от 0 до 100 м;2-5 зона сплошного распространения ММП: 2- tср от –1 до –3,
М от 50 до 300 м; 3- tср от –5 до –9 Ю, М от 200 до 600 м; 5- tср от ниже
-9С, М от 400 до 900 м и более ;6- граница зон ММП;7 южная граница криолитозоны

Глава 1. Основные физические характеристики мёрзлых грунтов.

1.1Вводные понятия.

Термин грунт вошёл в терминологию грунтоведческих наук в 18 веке. В современном определении(Сергеев, Голодовская и др.1973) грунт-это любые горные породы, почвы и техногенные образования, обладающие определёнными генетическими признаками и рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.

Порода – естественный минеральный агрегат определённого состава и строения, сформировавшийся в результате геологических процессов, в соответствии с которыми их подразделяют на осадочные, магматические и метаморфические.

Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»).Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.

Классификация мёрзлых грунтов по гранулометрическому составу определяется как и для немёрзлых грунтов. Выделяют классификации по
Охотину, Сергееву. Кроме того, мёрзлые грунты дополнительно классифицируют по ГОСТ 25100-95, также по: времени нахождения в мёрзлом состоянии(табл.1.1); по льдистости(табл.1.2);по засолённости(табл.1.3); по заторфованности(табл.1.4)

Таблица 1.1

Классификация грунтов по времени нахождения в мёрзлом состоянии по данным различных источников.
|Наименования мёрзлых |Время существования в| Источники |
|грунтов |мёрзлом состоянии | |
|Многолетнемёрзлые |Годы, сотни, тысячи |В.А Кудрявцев |
|Сезонномёрзлые |лет |Б.А, Достовалов, 1978|
|Кратковременно |Месяцы | |
|мёрзлые |Сутки |Э.Д.Ершов,1990 |
|Вечномёрзлые |Века, тысячелетия |Н.А.Цытович,1973 |
|Многолетнемёрзлые |От нескольких лет до | |
| |нескольких | |
|Сезонномёрзлые |десятилетий | |
|Кратковременно |От 1 до 2 сезонов | |
|мёрзлые |От нескольких часов | |
| |до нескольких суток | |
|Вечномёрзлые |Три и более года |Нормативные документы|
|Перелетки |От 1 года до трёх лет|по строительству и |
|Сезонномёрзлые | |инженерным изысканиям|
| |1-й холодный сезон | |
| |года | |

Таблица 1.2

Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.

|Разновидность грунтов|Льдистость за счёт видимых ледяных |
| |включений |
| |i,д.е. |
| |Скальные и | Дисперсные |
| |полускальные |грунты |
| |грунты | |
|Слабольдистый | 0.20 |>1.00 |

Таблица 1.4

Классификация грунтов по содержанию органического вещества.

| Название | Содержание органического вещества (%) |
| |в |
| | глинистых |песках |
|Сильнозаторфованные | 50-40 | - |
|Среднезаторфованные | 40-25 | - |
|Слабозаторфованные | 25-10 | - |
|С примесью | 10-3 | 10-3 |
|орг.веществ | | |
| | | |

Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает. При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств льда. Разработана классификация мёрзлых грунтов по температурно-прочностным свойствам.(табл.1.5)

Таблица 1.5

Классификация по температурно-прочностным свойствам

| | Разновидность грунтов |
|Вид грунтов | |
| |Твёрдомёрзлый|Пластичномёрзлый|Сыпучемёрзлый |
| | |(p>0.1 кПа-1 |при t супесь> песок. Увеличение деформируемости грунтов с ростом дисперсности вызвано, прежде всего, увеличением содержания незамёрзшей воды, а большие деформации льда связаны с особенностями его структурной решётки, которые придают свойства идеального реологического тела.

Деформируемость и прочность крупнообломочных мёрзлых грунтов обусловлена мелкодисперсными минеральными заполнителями, либо ледяными включениями. При этом необходимо учитывать вид напряжённого состояния. Если при плотной упаковке минеральных частиц сопротивление сжатию мёрзлых крупнообломочных грунтов может превышать прочность мелкодисперсных грунтов за счёт жёсткости скелета, то сопротивление растяжению, либо сдвигу может быть весьма незначительным в связи с низкими цементационными связями между отдельными обломками.

3.2 Влияние льдистости.

В целом, мёрзлые грунты обладают более высокой прочностью (в несколько раз, порой даже в несколько десятков) по сравнению с талыми .Это обусловлено цементацией льдом частиц грунта, превращение его по агрегатному состоянию в твёрдое тело.

В зависимости от интенсивности промораживания (величины температурного градиента) и граничных условий(одностороннего промораживания или промораживания с нескольких сторон), наличия подтока воды и задержек в продвижении границы промораживания, в процессе промерзания грунтов формируется своеобразная криогенная текстура, существенно определяющая и свойства (рис 3.1)
[pic]
Рис 3.1 Основные виды криогенной текстуры в мёрзлых грунтах.
(Цытович,1973) а- слитная(массивная); б-слоистая; в-ячеистая.

Увлажнение дисперсных грунтов до влажности соответствующей примерно
0.8-0.9 от полной влагоёмкости увеличивает их прочность при промерзании.
Это обусловлено возрастанием количества цементационных связей льда с частицами грунта, вместе с тем формируется монолитная криогенная текстура.
Однако, показано, что прочность льдистых грунтов зависит не только от общей льдистости, но и от количества и толщины ледяных шлиров, а также влажности грунтовых прослоев, а поскольку дальнейшее увлажнение приводит к распучиванию, образованию ледяных прослоек и включений, то увеличение льдистости за счёт включений приводит к уменьшению прочности. В свою очередь, расположение прослоев льда имеет влияние на предельно длительную прочность. Противоречивые результаты получались у разных авторов при исследовании зависимости площади контакта минеральных частиц грунта и льда: в одних случаях большая площадь, достигаемая большим количеством ледяных прослоев, обусловливала большую прочность, в сравнении с образцами грунта имеющими меньшее количество ледяных прослоев большей величины, при одинаковой льдистости. Тем не менее незатухающая ползучесть льда вне зависимости от расположения шлиров и их размеров приводит к длительным деформациям, протекающим в процессе всего срока эксплуатации мёрзлого грунта.

Однако, характер влияния влажности-льдистости на прочность грунта тесно связан с дисперсностью грунта, его минеральным составом, температурой.

3.3 Влияние засолённости.

Присутствие легкорастворимых солей в грунтовой влаге существенно влияет на механические свойства грунтов. В засолённом грунте наблюдаются снижение прочности и увеличение деформируемости(Ю.Я.Велли1990,В.И.Аксёнов,1978 и др.). Это обусловлено, в основном, изменением состава порового раствора, что обусловливает понижение температуры его замерзания и увеличение количества незамёрзшей воды.
Экспериментально установлено влияние на механические свойства мёрзлых засолённых грунтов не только количества солей, но и их химического состава.(Роман,1994;Роман,Свинтицкая,1996).

Засоление мёрзлых пород обусловлено их генезисом, специфической геохимической обстановкой, различной для эпигенетического и сингенетического способов промерзания пород. Однако , для всех типов пород будут присущи все типы элементарных реакций: растворение, гидратация, гидролиз, замещение , окисление –восстановление. Различают морской, континентальный и техногенный типы засоления.

Морской тип засоления наблюдается в мёрзлых грунтах самых северных территорий- вдоль арктического побережья России и на островах. Для морского типа засоления характерно наличие хлоридов, в частности NaCl.Наименьшее значение Dsal =0.2-0.5% отмечается в песках; в супесях, суглинках и глинах засолённость колеблется от 0.4 до 2.1 %.

Континентальный тип засоления наблюдается в областях, где сочетание высоких летних температур воздуха с отрицательным балансом влаги способствовало соленакоплению в почвах и подстилающих грунтах. В солевом составе грунтов континентального типа засоления присутствуют ионы:SO42-Cl-,
HCO3-,Na2+,Ca2+, Mg2+.

При промерзании рыхлых отложений в первую очередь происходит образование твёрдой фазы воды -льда. Морские воды с минерализацией более
30 г/л кристаллизуются при температурах, близких к –1.5….-2(С, а рассолы могут не замерзать при температурах –20(С и ниже., образуя криопэги.
Процесс замерзания воды сопровождается сильной дифференциацией солей между твёрдой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворённых в воде, оказывается вовлечённой в лёд, часть менее растворимых в воде солей выпадают в осадок, а часть отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.

Постепенное промерзание приводит к образованию слабоминерализованных льдов, а ниже границы промерзания- высококонцентрированных вод порядка 200 г/л и более, что обеспечивает существование горизонтов воды при отрицательной температуре. Процесс засоления породы характеризуется возникновением особенностей физико-механических свойств.

Следует отметить, что степень влияния растворённых солей обусловлена не характеристикой засолённости Dsal, а концентрацией порового раствора
Кпр, формирующегося в процессе промерзания.
При одной и той же засолённости концентрация порового раствора будет снижаться с увеличением влажности. А, значит, и влияние засолённости на сопротивление мёрзлых грунтов нагрузкам будет снижаться с увеличением суммарной влажности. Поскольку в природных грунтах очень часто влажность грунта близка к полной влагоёмкости, то в ряду, в котором увеличивается влагоёмкость: песок