Строение вечномерзлых грунтов

1.9. Различное распределение льда в горных породах в некоторых случаях сказывается на их строении, т.е. структуре и текстуре. В скальных и полускальных породах при промерзании лед образуется только в трещинах и пустотах, поэтому их структура при этом не изменяется, а лед, заполняющий трещины и пустоты, представляется самостоятельной горной породой [1]. Мерзлым крупнообломочным, песчаным и глинистым грунтам свойственны те же структуры, что и таким же породам талым, т.е. пелитовая, алевритовая, псаммитовая, псефитовая и др. [2], но их необходимо дополнять характеристикой льда-цемента. При этом следует различать следующие типы льда-цемента:

контактный, находящийся только в местах контакта частиц скелета, образующийся обычно при промерзании не полностью насыщенных водой песчаных и крупнообломочных грунтов;

пленочный, обволакивающий поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненными. Образуется в таких же грунтах, как и контактный, но более влажных;

поровый, заполняющий поры целиком. Образуется также в песчаных и крупнообломочных, но полностью водонасыщенных грунтах;

базальный, составляющий основную массу грунтов и разобщающий частицы минерального скелета. Встречается преимущественно в глинистых и пылеватых грунтах.

1.10. Из приведенного следует, что тип цементации мерзлых грунтов одновременно характеризует и содержание в них льда. Лед-цемент имеет всегда кристаллически зернистые структуры [3]. В зависимости от размера зерен различают следующие его структуры: явно кристаллические (крупно-, средне- и мелкозернистые) и скрыто кристаллические (микрокристаллические), а также равномерно зернистые и порфировые.

1.11. В зависимости от соотношения зерен льда-цемента с частицами скелета породы различают следующие структуры:

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

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

Полное определение структуры мерзлых грунтов должно включать указания о типе структуры грунтов, типе цементации льдом, его распределении и структуре.

1.12. При полевом исследовании включений льда основное внимание следует уделять анализу его текстуры - особенностей строения льда, обусловленных составом и характером распределения в нем примесей (пузырьков газа, минеральных частиц и растительных остатков). При отсутствии примесей текстуру льда называют стекловатой, при преобладании в объеме льда газовых включений (пузырьков воздуха) - пузырчатой, при неравномерном распределении примесей - слоистой. При описании текстуры льда следует учитывать, что включения определяют его цвет.

1.13. Основными морфологическими признаками криогенной текстуры мерзлых грунтов являются: форма, размер, ориентация, распределение в массиве, количественное содержание льда в объеме образца.

Текстуру мерзлых пород, в которых присутствует лед-цемент в порах грунта без видимых прослоек льда, называют массивной.

Текстуру мерзлых пород, в которых присутствует лед в виде включений, называют шлировой, а включения - шлирами.

В зависимости от формы льда и условий его залегания в мерзлой породе выделяют значительное число типов криогенных текстур, из которых наиболее широко распространены следующие: массивная, слоистая, сетчатая, корковая, порфировидная (пятнистая), базальная, атакситовая (рис. 1) [4 - 9].

Рис. 1. Криогенные текстуры вечномерзлых грунтов:

1 - массивная; 2 - линзовидная; 3 - полосчатая; 4 - волнистая; 5 - косая; 6 - плойчатая; 7 - прожилковая; 8 - поясковая; 9 - сложнослоистая; 10 - ячеистая; 11 - плетенчатая; 12 - чешуйчатая; 13 - плитчатая; 14 - блоковая; 15 - сложносетчатая; 16 - корковая; 17 - порфировидная; 18 - базальная; 19 - атакситовая; 20 - скелет мерзлого грунта; 21 - лед

Выделенные криогенные текстуры различаются между собой не только по морфологическим признакам, но и по суммарной льдистости. Льдистость за счет включений льда устанавливается непосредственным измерением суммарной толщины включений, приходящихся на единицу разреза в пределах однотипных по криогенному строению слоев породы.

1.14. Следует отметить, что понятие «криогенная текстура» предполагает заполнение пространства мерзлого грунта многократно повторяющимися однотипными комплексами. Однако в естественных условиях встречаются разрезы вечномерзлых пород и с единичными прослойками или иными включениями льда. В таких случаях типизация текстуры затруднительна или невозможна. Проводя описание такого разреза, давать тип криогенной структуры не следует, достаточно указать наличие единичных прослоек (или включений льда), провести их морфологическое и структурное описание, указать глубины, на которых они встречаются, провести зарисовку или фотографирование (масштабный элемент обязателен).

Таким образом, строение (структура и текстура) мерзлых грунтов выражает их неоднородность и анизотропность, обусловленные распределением льда. Они формируются в процессе промерзания грунтов и замерзания в них воды:

имеющейся в любых грунтах, без притока новой;

свободно движущейся, например, в песках, галечниках и др.;

иммобилизованной и физически связанной в пылевых глинистых грунтах, замерзание которых сопровождается перераспределением и миграцией воды в жидком и парообразном состоянии к поверхности охлаждения под влиянием молекулярных сил, разности упругости пара и др.

1.15. В мерзлых грунтах, кроме льда, всегда находится еще незамерзающая вода, количество которой зависит в основном от петрографического типа грунтов и ее температуры. При взаимодействии минеральных частиц грунтов с водой они влияют на трансляционное движение молекул воды. При этом подвижность молекул воды, ближайших к твердой поверхности, уменьшается, они оказываются ориентированными под влиянием поверхностных сил частиц грунтов, а структура их становится искаженной. При замерзании грунтов часть воды переходит в лед с неискаженной или слабо искаженной структурой, а остальная часть не кристаллизуется, так как этому препятствует искажение ее структуры. Поэтому в любом мерзлом грунте всегда содержится определенное количество незамерзающей воды, которое изменяется в зависимости от температуры. Незамерзающая вода и лед в мерзлых грунтах находятся в равновесии; с понижением температуры количество незамерзающей воды уменьшается и соответственно увеличивается количество льда [5].

1.16. Большое влияние на фазовые переходы воды в лед, помимо минерализации воды, имеет и степень влажности грунтов. Чем она меньше, чем тоньше пленки воды, содержащейся в грунте, тем больше искажена ее структура и тем дольше она может находиться в незамерзшем состоянии. Как показали специальные экспериментальные исследования, при замерзании и оттаивании грунтов выделяются область интенсивных фазовых превращений воды (от 0 до минус 3 °С) и область затухающих фазовых превращений (минус 3 °С),

Процесс замерзания воды в грунтах начинается с 0 °С. При этом происходит некоторое переохлаждение свободной воды, после чего начинается образование льда, сопровождающееся повышением температуры (за счет выделения теплоты фазовых превращений воды) до 0 °С или близких к 0 °С отрицательных температур. При замерзании свободной воды льдовыделение начинается в порах грунта, но вследствие процессов миграции свободная вода в основном образует неоднородные по химическому составу формы льда. Дальнейшее понижение температуры грунта сопровождается образованием льда в порах грунта за счет связанной воды [6].

Таким образом, при 0 °С или близких к 0 °С отрицательных температурах образуются все ледяные включения и некоторое незначительное количество льда-цемента. При этих температурах прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов обусловлены главным образом количеством ледяных включений и характером их расположения между частицами или агрегатами частиц грунта. Повышение прочности мерзлого грунта по сравнению с талым при образовании ледяных включений происходит скачкообразно. При дальнейшем понижении температуры постепенно замерзают различные слои связанной воды в порах грунта, образуя лед-цемент. Температура замерзания этих слоев воды зависит от их расстояния до поверхности части грунта, понижаясь по мере приближения к этой поверхности.

Практически в обломочных грунтах, исключая одноразмерные пески, при любых естественных отрицательных температурах всегда содержатся как лед-цемент, так и незамерзшая связанная вода, соотносительные количества которых меняются при изменении отрицательной температуры грунта. Понятно, что при этом меняются и его механические свойства, в значительной мере обусловливаемые смерзанием частиц породы при выделении льда-цемента, образующего сильные цементационные связи между частицами грунта. Роль ледяных включений в цементировании частиц и агрегатов крайне невелика, хотя включения сами по себе образуют достаточно прочные прослойки. Но при образовании ледяных включений происходит раздвигание частиц грунта, и в зависимости от характера льдовыделения нарушается его сплошность. Можно предположить, что в целом наличие ледяных включений при прочих равных условиях снижает прочность грунта. Степень снижения прочности зависит от характера расположения ледяных включений в грунте, т.е. от его криогенной структуры.

1.17. Большое количество ледяных включений приводит также к снижению прочности грунта в большей степени и по другой причине - за счет более интенсивного проявления реологических свойств, выражающихся в деформации ползучести. Наличие в мерзлых грунтах (и в структурных связях) цементирующего льда обусловливает их напряженное состояние. В случае приложения к мерзлым грунтам нагрузки в них появляются дополнительные напряжения, вызывающие плавление части льда в наиболее напряженных зонах. Приложение постоянной нагрузки приводит по этой причине к появлению устойчивых деформаций ползучести. Однако для каждой разновидности грунтов при определенных температуре и льдистости существует предельная нагрузка, при воздействии которой в течение неопределенно большого времени деформации ползучести в этом грунте затухают. Превышение этой нагрузки приводит к развитию незатухающей ползучести. Такие нагрузки характеризуют предел длительной прочности мерзлых грунтов. При прочих равных условиях предел длительной прочности меньше у грунтов с большим содержанием ледяных включений и у грунтов с более высокой отрицательной температурой, так как в последнем случае в них меньше льда-цемента и больше незамерзшей воды. Понятно также, что само по себе наличие незамерзшей воды в мерзлых грунтах независимо от их температуры приводит при наложении нагрузок к появлению ползучести [10].

1.18. Все эти обстоятельства заставляют во время изысканий (кроме физико-механических характеристик грунтов) раздельно определять количество льда-цемента, незамерзшей воды и ледяных включений; предельно длительные значения их сопротивления внешним усилиям; теплотехнические характеристики грунтов [7].

Теплотехнические расчеты следует проводить для определения:

температуры мерзлых грунтов, используемых в качестве основания, среды и материала сооружений в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и заданного периода их эксплуатации (I принцип). В зависимости от прогнозируемой температуры грунтов затем определяют их прочностные и деформационные характеристики для расчетов на силовые воздействия по первой (несущей способности) и второй (деформациям) группам предельных состояний;

возможной чаши протаивания мерзлых грунтов и льда, используемых в оттаивающем или оттаянном (в предпостроечный период) состоянии (II принцип). В пределах указанной чаши резко изменяются прочностные, деформационные и фильтрационные характеристики грунтов.

1.19. Учет реологических свойств мерзлых грунтов и льда следует производить при использовании их по I принципу с расчетами по первой и второй группам предельных состояний.

Номенклатура мерзлых грунтов приведена в литературе [4, 8, 11]. Прочностные и деформационные характеристики грунтов определяют при использовании их в следующих состояниях:

твердомерзлом - для расчетов по первой группе предельных состояний;

пластично-мерзлом - для расчетов по первой и второй группам предельных состояний (также рассчитывают сильнольдистые мерзлые грунты и подземные льды);

в оттаивающем или предварительно оттаянном - для расчетов по второй группе предельных состояний.

Если сооружения должны воспринимать горизонтальные, в том числе сейсмические, нагрузки или сооружения расположены на бровке откоса вблизи крутопадающего слоя грунта, или после оттаивания глинистые и заторфованные грунты приобретают степень влажности S_r ³ 0,85, показатель текучести I_L > 0,5 и коэффициент консолидации C_v £ 1×10⁷см²/год, то необходимо также провести расчеты по первой группе предельных состояний.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: