Мерзлые грунты (породы; грунты и горные породы)

Грунтоведение. Грунты как горные породы

Грунты как горные породы.Грунты – это горные породы, находящиеся в сфере действия инженерных сооружений. Грунтоведение изучает, в основном, нескальные грунты, такие как рыхлые и глинистые породы. Массивные (скальные) грунты достаточно прочные со строительной точки зрения.

Рыхлые и глинистые грунты характеризуются отсутствием жестких связей между частицами и обладают непостоянными физико-механическими свойствами. Основой рыхлых грунтов являются твердые минеральные частицы, создающие каркас грунтов. Поры грунтов занимают газы и вода.

Твердые частицы бывают органические и минеральные. Минеральные частицы состоят из первичных, которые перешли в состав грунта из материнской породы, и вторичных, образовавшихся уже после образования грунта. Первичные представляют собой обломки кварца, чешуйки слюды, вторичные – это глинистые минералы.

Грунты, содержащие органические вещества называются торфом и гумусом.

Торф – полуразложившаяся масса растительных остатков.

Гумус – органо-минералогическое соединение, связанное с жизнедеятельностью микроорганизмов. Грунт характеризуется гранулометрическим составом. Это разделение частиц по крупности зерен. Крупность зерен определяет путем просеивания через сито определенного размера.

Свойства грунтов.Грунты характеризуются следующими свойствами: удельным весом, пористостью. В грунте значительное место занимают поры, пустоты, трещины. Это связанно с условиями происхождения грунтов.

Обратите внимание

1. Пористость – это суммарный объем всех пор в единице объема грунта. Определяется по формуле:

где n – пористость породы; Vn – объем пустот породы, см3; V – объем занимаемый породой, см3.

Величина пористости зависит от грунта – чем мельче частицы, тем меньше пористость.

2. Объемное соотношение пустот и твердых частиц в грунте выражается коэффициентом пористости

e = Vn / Vч

где – объем твердых частиц.

3. Удельный вес скелета грунта γ – это масса грунтовых частиц в единице объема грунта в ненарушенном состоянии, без воды в порах. Определяется по формуле:

γck = ( m / V ) * g

где g – ускорение свободного падения.

5. Удельный вес скелета грунта γud – отношение веса частиц высушенных при температуре 100…105°С до постоянного веса. Удельный вес зависит от минерального состава.

γud = (γck / ( 1 + ( w / 100 )) * g

где w – влажность грунта.

В зависимости от γud и γck, можно определить пористость грунта:

n = ( (γud – γck ) / γud ) * 100%

Классификация грунтов по их строительным свойствам.В зависимости от состава и строительных свойств грунты подразделяются на основные классы.

1) Скальные – магматические (гранит, диорит), метаморфические (гнейс, кварцит) и осадочные породы (известняк, песчаник).

2) Полускальные – трещиноватые, сильно выветренные скальные породы, а так же осадочные породы (гипс, мел).

Важно

3) Крупнообломочные – несцементированные породы из обломков кристаллических или сцементированных осадочных пород (щебень, гравий), содержащих более 50% (по весу) обломков размеров свыше 2 мм .

4) Песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты. не обладают свойствами пластичности и cодержащие менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм .

5) Глинистые — связанные в сухом состоянии грунты, для которых число пластичности больше единицы (супеси, суглинки, глины).

6) Почвы – это особый вид горных пород, отличительной чертой которых является плодородие. Мощность почвенного покрова достигает десятки сантиметров, для черноземов 1…2 м.

7) Искусственные грунты – это грунты созданные в результате строительной и производственной деятельности человека, а так же грунты, свойства которых целенаправленно улучшены человеком. Они разделяются на насыпные и улучшенные.

8) Насыпные – представляют собой искусственные образования созданные в строительных целях, являются следствием деятельности человека. Строительные насыпи создаются с заранее заданными свойствами.

Дата добавления: 2018-04-26; просмотров: 51;

Источник: https://znatock.org/s7451t1.html

Классификация грунтов

Грунты разделяют на три класса: скальные, дисперсионные и мерзлые (ГОСТ 25100-2011).

  • Скальные грунты — магматические, метаморфические, осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы обладающие жесткими кристаллизационными и цементационными структурными связями.
  • Дисперсионные грунты — осадочные, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные породы с водноколлоидными и механическими структурными связями. Эти грунты делятся на связные и несвязные (сыпучие).
  • Мерзлые грунты — это те же скальные и дисперсионные грунты, дополнительно обладающие криогенными (ледяными) связями. Грунты в которых присутствуют только криогенные связи называются ледяными.

Скальный грунт обладает достаточной несущей способностью для строительства сооружений без фундамента. Этот грунт сам выступает в роли фундамента.

На мерзлых грунтах строительство бессмысленно, так как это сезонный фактор. Вечномерзлые грунты обладают несущей способностью скальных грунтов и могут быть использованы в качестве фундаментов.

Класс дисперсионных грунтов подразделяют на группы:

  • минеральные — крупнообломочные и мелкообломочные грунты, пылеватые и глинистые грунты;
  • органоминеральные — заторфованные пески, илы, сапропели, заторфованные глины;
  • органические — торфы, сапропели.

Органика со временем имеют свойство разлагаться и переходить в другое состояние с уменьшением объема и плотности, поэтому строительные сооружения на органических и органоминеральных грунтах делают путем прохода сквозь толщу их наслоений конструкциями фундаментов либо замещением этих грунтов на минеральные. Поэтому в качестве оснований под фундаменты зданий и сооружений далее будем рассматривать первую группу дисперсионных грунтов — минеральные грунты.

Минеральный дисперсионный грунт состоит из геологических элементов различного происхождения и определяется по физико-химическим свойствам и геометрическим размерам частиц его составляющим. Прежде чем перейти к дальнейшей классификации грунтов нужно оговорить, что будет называться песком, что пылью, а что гравием или щебнем.

По российскому стандарту (ГОСТ 12536) классификация названий элементов идет по размеру слагающих грунт частиц (рис. 4).

рис. 4. Слагающие грунт элементы

Обратите внимание, что крупные обломки одинаковых размеров имеют разные названия. Если их грани окатаны, то это валуны, галька, гравий. Если не окатаны — глыбы, щебень, дресва.

Совет

Дальнейшая классификация грунтов зависит от преобладающих в нем частиц. В условиях реальной строительной площадки грунт может быть встречен в чистом виде и как смесь нескольких видов грунтов (рис. 5).

рис. 5. Классификация минерального дисперсионного грунта

Крупнообломочные частицы формируют так называемые крупнообломочные грунты, которые очень хорошо водопроницаемы, мало сжимаемы, мало чувствительны к воде (маловлажные или насыщенные водой сжимаются одинаково, набухание не происходит).

Мелкообломочные частицы образуют песчаные грунты, которые хорошо водопроницаемы, мало сжимаемы, не набухают. За исключением мелких, пески не пучат при промерзании. Свойства частиц зависят не от того, из каких минералов состоит песок (кварц, полевой шпат, глауконит) а от крупности.

Таблица 1

Крупнообломочные грунты и пески

Раз­но­вид­ность грун­товРаз­мер ча­стиц d, ммСо­дер­жа­ние ча­стиц, % по массе
Круп­но­об­ло­моч­ные
Ва­лун­ный (при пре­об­ла­да­нии не­ока­тан­ных ча­стиц — глы­бо­вый) бо­лее 200 бо­лее 50
Га­леч­ни­ко­вый (при не­ока­тан­ных гра­нях — ще­бе­ни­стый) бо­лее 10 бо­лее 50
Гра­вий­ный (при не­ока­тан­ных гра­нях — дре­свя­ный) бо­лее 2 бо­лее 50
Пес­ки
Гра­ве­ли­стый бо­лее 2 бо­лее 25
Круп­ный бо­лее 0,50 бо­лее 50
Сред­ней круп­но­сти бо­лее 0,25 бо­лее 50
Мел­кий бо­лее 0,10 75 и бо­лее
Пы­ле­ва­тый бо­лее 0,10 ме­нее 75

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляют наименование вида заполнителя, и указывают характеристики его состояния. Вид заполнителя устанавливают после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Если обломочный материал представлен ракушкой в количестве ≥ 50%, грунт называют ракушечным, если от 30 до 50% — к наименованию грунта прибавляют с ракушкой.

Пылеватые частицы (взвеси) — продукты механического и химического выветриваний. При их наличии более 25% образуются пылеватые грунты. Минералогический состав частиц в некоторой степени влияет на свойства этих грунтов.

Наличие зерен окислов обусловливает связность. Пылеватые пески малопрочны, неустойчивы по отношению к воде, а при замачивании теряют связность и оплывают (потеря устойчивости).

Некоторые виды пылеватых грунтов набухаемы и сильно пучинисты.

Глинистые частицы (коллоиды) — чрезвычайно активны. По химическому составу существенно отличаются от остальных (форма их чешуйчатая и игольчатая). Даже 3% глинистых фракций достаточно, чтобы грунт приобрел глинистые свойства: связность, пластичность, набухаемость, липкость, водонепроницаемость.

Самые мелкие частицы (взвеси и коллоиды) являются определяющими в формировании строительных свойств грунтов, но пылеватые свойства хуже глинистых.

В зависимости от процентного содержания в глине песка глинистые грунты делятся на супесь, суглинок, глину.

Таблица 2

Классификация грунта предложенная Охотиным В.В.

На­име­но­ва­ние грун­товСо­дер­жа­ние ча­стицгли­ни­стых (ме­нее 0,005 мм)пы­ле­ва­тых (ме­нее 0,005–0,25 мм)пес­ча­ных (0,25–2 мм)
Гли­на тя­же­лая бо­лее 60%
Глина 60–30% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Гли­на пы­ле­ва­тая бо­лее 30% боль­ше, чем каж­дая из двух дру­гих фрак­ций по­рознь
Су­гли­нок тя­же­лый 30–20% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Су­гли­нок тя­же­лый пы­ле­ва­тый 30–20% боль­ше, чем фрак­ция пес­ча­ных ча­стиц
Су­гли­нок сред­ний 20–15% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Су­гли­нок сред­ний пы­ле­ва­тый 20–15% боль­ше, чем фрак­ция пес­ча­ных ча­стиц
Су­гли­нок лег­кий 15–10% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Су­гли­нок лег­кий пы­ле­ва­тый 15–10% боль­ше, чем фрак­ция пес­ча­ных ча­стиц
Су­песь тя­же­лая 10–6% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Су­песь тя­же­лая пы­ле­ва­тая 10–6% боль­ше, чем фрак­ция пес­ча­ных ча­стиц
Су­песь лег­кая 6–3% боль­ше, чем фрак­ция пы­ле­ва­тых ча­стиц
Су­песь лег­кая пы­ле­ва­тая 6–3% больше, чем фракция песчаных частиц
Пе­сок ме­нее 3% ме­нее 20%
Пе­сок пы­ле­ва­тый ме­нее 3% 20–50%
Пыль ме­нее 3% бо­лее 50%

Если в глинистом грунте содержится пылеватых частиц больше чем песчаных, то к его наименованию добавляют слово «пылеватый(ая)». Что говорит о возможности резкого снижения прочности и увеличению сжимаемости грунта при намокании, сильного пучения при промерзании, снижения прочностных характеристик при динамических воздействиях.

Глинистые грунты различного химического сотстава различаются своими свойствами по отношению к воде. Так, например, каолинитовые глинистые грунты (белые, светло-серые, серые, черные глины) и полимиктовые (бурые глины) при замачивании набухают мало, а бентониттовые (белые или светло-серые, с желтоватым или зеленоватым оттенком) — набухают очень сильно.

В естественном состоянии грунты находятся в разной степени влажности. Увеличение или уменьшение влажности грунтов изменяет связность частиц грунта. По мере увеличения влажности глинистые грунты проходят три состояния: твердое, пластичное и текучее. Песчаные — два: сыпучее и текучее.

При намокании глинистые грунты ухудшают свои свойства медленно, оставляя некоторое время для спасения сооружений от аварии. В песках ухудшение свойств наступает мгновенно. По мере высыхания глинистый грунт уменьшается в объеме и трескается (дает усадку), а пески не изменяют своего объема.

Обратите внимание

Влажные глинистые грунты под действием статической нагрузки дают значительные осадки, а песчаные сжимаются меньше. Сильновлажные глинистые грунты под нагрузкой дают медленно затухающую во времени осадку (вековая осадка), а пески деформируются сразу после приложения нагрузки.

В течение строительного периода в песках происходит до 85–90% осадки, в глинистых грунтах — до 50%, а остальные доли в процессе эксплуатации. Песчаные грунты водопроницаемы во всех состояниях, а твердые и пластичные глинистые практически непроницаемы (пески — дренажи, глины — водоупор).

Таблица 3

Глинистые грунты

Раз­но­вид­ность грун­товРаз­мер пес­ча­ных ча­стиц d, ммСо­дер­жа­ние пес­ча­ных ча­стиц, % по мас­се
Су­песь, чис­ло пла­стич­но­сти 1 ≤ Ip < 7
Пес­ча­ни­стая 2–0,05 50 и бо­лее
Пы­ле­ва­тая 2–0,05 не бо­лее 50
Су­гли­нок, чис­ло пла­стич­но­сти 7 ≤ Ip < 12
Лег­кий пес­ча­ни­стый 2–0,05 40 и бо­лее
Лег­кий пы­ле­ва­тый 2–0,05 не бо­лее 40
Су­гли­нок, чис­ло пла­стич­но­сти 12 ≤ Ip < 17
Тя­же­лый пес­ча­ни­стый 2–0,05 40 и бо­лее
Тя­же­лый пы­ле­ва­тый 2–0,05 не бо­лее 40
Гли­на, чис­ло пла­стич­но­сти 17 ≤ Ip < 27
Лег­кая пес­ча­ни­стая 2–0,05 40 и бо­лее
Лег­кая пы­ле­ва­тая 2–0,05 не бо­лее 40
Гли­на, чис­ло пла­стич­но­сти Ip ≥ 27
Тя­же­лая 2–0,05 Не ре­гла­мен­ти­ру­ет­ся

© Охраняется Законом РФ об авторском праве. Копирование сайта или любой его части без согласия правообладателя, запрещено. Сообщение администратору сайта

Источник: https://ostroykevse.com/Fundament/04.html

Криогенные породы, их специфика и классификация

Криогенные породы — это природные образования, возникающие вследствие замерзания воды или водных растворов на поверхности Земли и в земной коре. Необходимым условием возникновения и эволюции криогенных пород при давлении, близком к атмосферному, является температура ниже 0°С (от десятых долей градуса до нескольких градусов).

Читайте также:  Гололед. определение. когда образуется.

Основным отличительным признаком криогенных образований, обусловливающим их специфику, является наличие в них кристаллической и жидкой фазы Н20, которая содержится главным образом в граничных зонах между кристаллическими частицами породы.

Другие горные породы в подобном физическом состоянии, с частичным подплавлением одного (или нескольких) :из породообразующих минералов, могут оказаться только в условиях высоких давлений и температур, которые имеют место в нижних частях земной коры и в верхней мантии.

Криогенные породы подразделяются на группы:

  1. ледяные образования, являющиеся практически мономинеральными породами — снег, фирн, льды ледников, ледяные покровы открытых акваторий, в том числе морские льды, а также наледи и подземные льды;

  2. мерзлые горные породы, содержащие лед как один из породообразующих минералов и представляющие собой полиминеральные геологические образования.

Ледяные образования, возникающие и содержащиеся в атмосфере, не могут быть отнесены к криогенным породам до тех пор, пока они не станут составной частью земной коры.

Существует еще одна группа криогенных образований, которая имеет большое практическое значение, однако по генетическим признакам ее отнести к криогенным породам все же нельзя.

Это ледяные тела, возникающие при обледенении объектов и конструкций, созданных человеком: мачт, башен, линий электропередач, антенных систем, движущихся объектов (самолетов, судов и т. п.

), а также образования, возникающие в результате

смерзания отбитой породы в рудоспусках рудников, расположенных в северных и высокогорных районах.

Строение, состав и свойства этих образований в значительной степени вызваны дополнительными термодинамическими условиями, связанными с конструктивными особенностями, режимом работы, динамикой движения обмерзающих объектов и другими факторами, усложняющими процесс формирования криогенного образования. Эта группа криогенных образований представляет собой объект самостоятельных исследований [16, 69, 74].

Генезис и эволюция криогенных пород могут быть рассмотрены с позиций общих геолого-петрографических закономерностей формирования горных пород.

Важно

Так, среди мономинеральных ледяных образований можно выделить по аналогии с остальными горными породами следующие основные типы:

конжеляционные льды, образующиеся в результате замерзания воды и растворов, т. е. расплава НгО (аналог магматических пород);

«осадочные» льды, возникающие из парообразной и капель-ио-жидкой фаз — снег, град, иней.

метаморфические льды, например ледниковые.

Выполimages/elidrsvkriogendoc/нено значительное число работ, посвященных детальному геолого-петрографическому изучению и классификации ледяных образований. В первую очередь, это работы Б. П. Вейн-берга [12], П. А. Шумского [110, 111], Б. А. Савельева [68, 70] и др.

Каждый из типов ледяных образований, выделенных по генетическому признаку, характеризуется своими структурно-текстурными особенностями, содержанием и распределением жидкой фазы, а следовательно, и физико-механическими свойствами при одинаковых термодинамических условиях.

В пределах каждого типа выделяют ряд классов, видов и разновидностей льдов.

Вторая группа криогенных пород — мерзлые горные породы— представляет собой наиболее важный объект при решении многих горно-геологических и практических задач в районах с суровым климатом.

Н. А. Цытович дает следующее определение, которое является общепринятым в мерзлотоведении и его следует применять во всех прикладных науках:

«Мерзлыми породами, грунтами, почвами называются влаго-содержащие породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние» [107]. Мерзлые горные породы классифицируют по времени существования на сезонномерзлые и многолетнемерзлые («вечная мерзлота») и по их генезису. При этом выделяют следующие многолетнемерзлые породы:

сингенетические, т. е. накапливавшиеся и промерзавшие в одно геологическое время;

эпигенетические — промерзавшие после накопления и. формирования толщи пород.

С генетическими типами, литологией, условиями залегания и температурным режимом тесно связаны структурно-текстурные особенности мерзлой горной породы и ее фазовый состав, которые являются определяющими при изучении физико-механических свойств пород.

Глубина промерзания их зависит от ряда условий, в том числе и от длительности охлаждения.

Поэтому мощность сезонно-мерзлых пород обычно составляет всего десятки сантиметров или метры, а мощность многолетнемерзлых пород достигает сотен метров, возрастая с понижением среднегодовых температур.

Совет

Сезонномерзлые породы обычно представляют собой непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с земной поверхностью.

Слой у поверхности Земли, который летом оттаивает, а зимой промерзает, часто называют деятельным слоем.

Верхняя граница многолетнемерзлых пород может находиться на различной глубине в зависимости от интенсивности сезонного и многолетнего оттаивания. В связи с этим выделяют сливающиеся и несливающиеся многолетнемерзлых толщи.

В последнем случае верхняя граница мерзлой толщи залегает ниже подошвы слоя сезонного оттаивания и промерзания. Встречаются также слоистые многолетнемерзлые толщи* разделенные прослоями талых пород (например, в Прибайкалье).

Следует отметить, что непрерывность мерзлых толщ по простиранию (зона сплошной мерзлоты) наблюдается только в самых северных районах (рис.

1), но и там под большими реками, озерами и в местах усиленной циркуляции подземных вод имеются участки со сквозным протаиванием — талики.

Встречается много таликов и не гидрогенного происхождения, например, на водоразделах и склонах гор южной экспозиции, в карстовых массивах, в местах устойчивых снежных надувов, под ледниками и т. д.

Известны талики, приуроченные к участкам возгорания углей и к сульфидным месторождениям, образовавшиеся за счет тепла экзотермических реакций окисления, сквозные и замкнутые талики, причем последние могут иметь как многолетнемерзлую подошву, так и кровлю.

Обратите внимание

Естественно, что количество и площадь таликов возрастают в направлении к южной границе распространения многолетнемерзлых пород (см. рис. 1), при этом постепенно наблюдается переход от зоны сплошной мерзлоты к прерывистой, а затем к зоне островной мерзлоты, т. е. к наличию отдельных мерзлых массивов — островов среди талых пород.

Последнее в определенной мере осложняет установление южной границы многолетнемерзлых пород. Распространение многолетнемерзлых пород происходит в определенной

Рис. 1. Схематическая мерзлотная карта СССР (составлена В. А. Кудрявцевым и К. А. Кондратьевой [22]):

1 — южная граница области распространения многолет немерзлых пород (температура пород на подошве слоя годовых колебаний равна 0°С); 2 — граница температурных 'зон многолетнемерзлых пород (Т — температура пород, °С); 3 —зона отдельных островов многолетнемерзлых пород максимальной мощностью до 25 м; 4 — зона несплошных многолетнемерзлых пород максимальной мощностью до 100 м; 5 —зона многолетнемерзлых пород с преобладанием мощности 100—200 м; 6 — то же, мощностью 200—300 м; 7 —тоже, мощностью 300—400 м; 8 — то же (вместе с зоной охлаждения), мощностью 4С0—500 м; 9 — то же, мощностью более 500 м; 10 — участки распространения многолетнемерзлых пород (вместе с зоной охлаждения) мощностью более 500 м широтной и высотной зональности [22, 49, 50]. Мощность много-летнемерзлой толщи в северных районах достигает 500—700 м,. возрастая в отдельных местах до 1000—1300 м, например, в районе хребта Удокан в Прибайкалье.

Однако мощность мерзлой толщи не всегда совпадает с мощностью зоны отрицательных температур в верхней части земной, коры и может быть меньше последней на десятки и сотни метров, если имеются породы, насыщенные минерализованными водами. В этих случаях под мерзлой толщей залегают так называемые криопеги, т. е.

влагонасыщенные породы не содержащие льда при отрицательной температуре. Температурное поле в: условиях мерзлой зоны часто находится в нестационарном состоянии, следствием чего является сильно растянутая геотермическая ступень. Установлено, например, что в районе г.

Салехарда в интервале глубины 20—240 м температура мерзлой толщи понижается всего от —0,2 до —0,5° С. Таким образом, данные о распределении отрицательных температур по глубине не всегда позволяют определить мощность мерзлой толщи, что создает дополнительные сложности при изучении мерзлотно-геологичес-ких разрезов.

Основные принципы и результаты мерзлотно-гео-логических исследований изложены в работах [12, 22, 49—52, 56, ПО и др.].

Формирование криогенных пород, многообразие их форм и: свойств, а также значительная изменчивость последних определяются главным образом условиями и кинетикой фазовых пере-ходов вода — лед как при возникновении криогенных образований, так и в процессе их эволюции.

Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению физических свойств криогенных пород, необходимо хотя бы кратко остановиться на особенностях этих фазовых переходов, а также на строении и составе криогенных пород,, формирующихся при определенных термодинамических условиях.

Следует отметить, что этим вопросам посвящено значительное число работ, однако до настоящего времени многие стороны фазовых переходов в криогенных породах и льдообразования являются дискуссионными.

Важно

Ниже приводятся некоторые обобщенные сведения с учетом новейших достижений экспериментальных и теоретических исследований, причем основное внимание уделяется качественной, физической стороне процессов и: явлений.

Источник: https://injzashita.com/kriogennie-porodi-ix-specifika-i-klassifikaciya.html

Физико-механические свойства мёрзлых грунтов (стр. 2 из 7)

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»).

Важно

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.

Таблица 1.2

Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.

Таблица 1.3

Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости Dsol %

(для морского типа засоления)

Таблица 1.4

Классификация грунтов по содержанию органического вещества.

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

Th -температурная граница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;

Tbf — то же для заторфованных грунтов.

Характер изменения механических свойств грунтов различного состава зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.

Читайте также:  Насосные станции пожаротушения: виды и требования

1.2 Грунты как многокомпонентная система.

Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.

Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей :твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда(лёд-цемент и лёд прослойков);воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.

Совет

Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.

Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.

Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц.

Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме- может достигать огромной величины.

И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2 /г.

Лёд , являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами.

Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2 Co3 ,хлористый магний MgCl2 . Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния.

Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3,аморфную модификацию, образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах.

В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до –100°С и при обычных давлениях),он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов.

Обратите внимание

Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законам реологической механики, в параллельном же направлении–напротив, после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. Кроме того, электро- молекулярные связи льда значительно превосходят электро- молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.

Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе(лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.

Источник: http://MirZnanii.com/a/23592-2/fiziko-mekhanicheskie-svoystva-myerzlykh-gruntov-2

Талые грунты

ТАЛЫЕ ГРУНТЫ (ПОРОДЫ), оттаявшие грунты (а. thawed ground, thawed soil; н. getaute Воden; ф. terres degelees; и.

terrenos deshelados, suelos deshelados), — бывшие мёрзлые грунты, находящиеся при температуре более 0°С.

Не следует путать с оттаивающими грунтами — тоже бывшими мёрзлыми, но находящимися при максимальной температуре таяния внутригрунтового льда (например, при температуре 0°С) и в которых лёд ещё не весь оттаял.

Изучение состава, строения и свойств талых грунтов проводится в неразрывной связи с изучением их мёрзлого состояния. Отличия между талым и исходным немёрзлым состоянием наблюдаются во всех грунтах, имеющих влажность более 3%, и зависят от количества циклов замерзания — оттаивания грунта и времени, прошедшего после последнего оттаивания.

Состав талых грунтов может существенно отличаться от состава того же грунта в исходном немёрзлом состоянии, если он подвергался многократному промерзанию — оттаиванию, за счёт возрастания пылеватости, изменения химико-минерального состава, появления посткриогенной текстуры и структуры, в которых ориентировка микро- и макротрещин обычно параллельна и ортогональна направлению теплового потока, существовавшему при промерзании, и увеличения общей пористости. В глинистых грунтах наблюдается уменьшение пластичности и увеличение поглощающей способности. Прочность талых грунтов снижается по мере увеличения числа циклов промерзания — оттаивания, теплопроводность несколько уменьшается.

К талым грунтам применимы все классификации для грунтов, находящихся при температуре более 0°С. Основные положения строительства на талых грунтах регламентированы в СНиП II-18-76.

Использование их в качестве основания допускается при строительстве на скальных грунтах или при условии, что деформации, вызванные оттаиванием многолетнемёрзлого грунта, не превысят предельно допустимых для проектируемых сооружений, а также при экономической целесообразности.

При этом выполняются мероприятия по уменьшению величины деформации основания или по приспособлению сооружения к восприятию повышенных деформаций.

Важно

Ведение горных работ в районах криолитозоны часто сопровождается оттаиванием многолетнемёрзлых грунтов.

При подземной разработке проветривание горных выработок тёплым воздухом приводит к образованию талых грунтов (оттаявшей зоны) вокруг выработок.

Для уменьшения протаивания вокруг последних применяется теплоизоляция, целесообразность использования которой технико-экономически обосновывается.

При открытых работах в криолитозоне образуются талые грунты, слагающие сезонноталый слой в бортах карьеров (главный фактор их денудации). При разработке россыпных месторождений в многолетнемёрзлых льдонасыщенных песчано-глинистых грунтах образование талых грунтов в бортах приводит к солифлюкции, их оплыванию и обрушению, что в свою очередь вызывает разубоживание полезных ископаемых.

При разработке твёрдых полезных ископаемых в скальных и полускальных породах образование талых грунтов в бортах, их многократное сезонное промерзание-оттаивание приводят к постепенному разупрочению пород и повышению вероятности обрушения.

Источник: http://www.mining-enc.ru/t/talye-grunty/

Физико-механические свойства многолетне 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.

Совет

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                        q0                           qп

                   — q °С                                  0                                  +q°С 

                                                                                         hот

                                                                           h0             2     

                                                                   h, м

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

1-поверхность грунта;2-огибающие  температуры; qп- температура на поверхности;q0–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.

Обратите внимание

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.

Читайте также:  Подогреватель дизельного топлива охлаждающей жидкостью

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»).

Важно

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  грунтов Время существования  в мёрзлом состоянии        Источники
МноголетнемёрзлыеСезонномёрзлыеКратковременно мёрзлые Годы, сотни, тысячи летМесяцыСутки В.А КудрявцевБ.А, Достовалов, 1978Э.Д.Ершов,1990
ВечномёрзлыеМноголетнемёрзлыеСезонномёрзлыеКратковременно мёрзлые Века, тысячелетияОт нескольких лет  до нескольких десятилетийОт 1 до 2 сезоновОт нескольких часов  до нескольких суток Н.А.Цытович,1973
ВечномёрзлыеПерелеткиСезонномёрзлые Три  и более годаОт 1 года до трёх лет1-й холодный сезон  года Нормативные документы  по строительству и инженерным изысканиям

                                                                                                                    Таблица 1.2

 Классификация мёрзлых грунтов  по льдистости за счёт видимых  ледяных включений

                                                 i,д.е.
Скальные и полускальные           грунты       Дисперсные грунты
ЛьдистыйСильнольдистыйОчень сильнольдистый              0.05                —                  0.20            0.20-0.50           0.50-1.00                >1.00

Источник: http://referat911.ru/Geologiya/fizikomehanicheskie-svojstva-mnogoletne-mjorzlyh-gruntov/158161-2197529-place1.html

открытая библиотека учебной информации

Процесс промерзания горных пород — сложный физический и физико-химический процесс. Наиболее характерная его особенность — переход жидкой фазы воды в твердую, в лед при нулевой или отрицательной температуре.

В кристаллических, метаморфических и других плотных породах замерзание не приводит к существенным изменениям их строе­ния. В рыхлых горных породах данный процесс существенно осложняется миграцией воды, неодновременностью замерзания воды разных категорий в тонкодисперсных средах, рядом физико-химических явлений, возникновением механических напряжений, деформа­ций и т. д.

Изменения температуры, приводящие к образованию льда в горных породах, направление и интенсивность теплопотоков в них, вызываются теплообменом между земной корой и атмосферой. Теплообмен возникает под влиянием:

— проникновения в земную кору лучистой энергии солнца, преобразуемой в тепловую и обратного из­лучения из земной коры в атмосферу;

— поступления внутреннего теп­ла Земли к ее поверхности;

— движения тепла, связанного с влагооборотами в системе Земля — атмосфера;

— с фазовыми переходами воды в горных породах,

— вследствие адвективного переноса тепла в атмосфере, создающего в ней конвективные тепловые по­токи.

В горных породах при промерзании и протаивании происходят различные процессы, главнейшими из которых являются следую­щие:

1) охлаждение и нагревание;

2) замерзание, таяние, испаре­ние, конденсация, т. е. фазовые переводы воды;

3) миграция воды, солей, ионов и тонкозернистых минœеральных частиц;

4) пучение при промерзании пород и их осадка при оттаивании;

5)объем­ные изменения в мерзлой породе, с которыми связаны внутрен­ние напряжения, разного рода деформации и образование трещин.

Мерзлые горные породы.По агрегатному состоянию в мерзлых породах следует выделять твердую, жидкую и газообразную составляющие.

Твёрдая составляющая включает, главным образом, скелœет мерзлых пород и лед.

Скелœет мерзлых пород состоит из минœеральных и органо-минœеральных образований. Состав и строение скелœета оказывают суще­ственное влияние на свойства мерзлых пород. При этом состав скелœета мерзлых пород принципиально не отличается от скелœета не­мерзлых пород.

Лед — важнейшая составная часть мерзлых пород, обусловли­вающая их специфические свойства. Лед — самый низкотемпера­турный из наиболее распространенных породообразующих минœера­лов.

В мерзлых породах лед находится при температурах, близких к температуре его плавления, в связи с этим по отношению к тем­пературным колебаниям в природе менее устойчив, чем скелœет породы.

Лед в мерзлых породах можно подразделить на лед, оттаивающий ниже 0° С, и лед, оттаивающий при 0° С.

Жидкая составляющая мерзлых пород представлена незамерзшей водой. Как показывают многочисленные эксперимен­тальные данные, незамерзшая вода в многолетнемерзлых породах может находиться в жидком виде тысячелœетиями.

Совет

Незамерзшая вода в незасоленных породах по своему состоянию соответствует связан­ной воде в немерзлых породах. Как известно, связанная вода в гор­ных породах находится под влиянием поверхностных сил частиц породы.

По этой причине она имеет искаженную структуру и по своим свойствам отличается от свободной воды, воды в объеме.

Одной из особенностей связанной воды является понижение температуры ее замерзания, что и обусловливает наличие в мерз­лых горных породах незамерзшей воды при отрицательной темпе­ратуре.

В засоленных породах, кроме связывания воды поверхностными силами частиц, имеется и другая причина незамерзания воды при отрицательных температурах — наличие воднорастворимых соединœений.

Количество незамерзающей воды в мерзлых грунтах определя­ется следующими факторами:

1. Характер скелœета грунта: величина удельной и активной поверхности, химический и минœералогический состав, состав обменных катионов.

2. Содержание и состав воднорастворимых соединœений.

3. Внешние факторы: температура и давление.

Незамерзшая вода в мерзлых породах определяет многие их свойства и характер ряда физико-химических процессов:

Газообразная составляющая мерзлых пород представлена водяными парами и воздухом, которые могут находиться в замкну­том и свободном (сообщаться с атмосферой) виде. Содержание водяных паров и воздуха в мерзлых горных породах естественного сложения обычно не превышает 4 -7% (в объемных %)

Обратите внимание

Классификации категорий воды в мерзлых породах имеют первостепенное значение для понимания их свойств и происходящих в них процессов. Существует много классификаций ви­дов воды в немерзлых почвах и горных породах. Наибольшее значение имеет подразделœение воды на свободную, не подверженную действию силовых полей частиц скелœета͵ т. е.

воду гравитационную, и воду связанную, находящуюся в сфере силовых полей частиц скелœета и имеющую искаженную структуру. Связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Вода, расположенная непосредственно у поверхности частиц, является связанной в наибольшей степени и соответственно имеет наибольшее искажение структуры.

Для более удаленных слоев воды искажение структуры уменьшается с увеличением расстояния слоев воды от частиц породы.

Свойства мерзлых горных пород.Свойства мерзлых горных по­род существенно иные, чем тех же пород в талом состоянии. Осо­бенно заметно изменение физико-механических свойств, в промер­зающих осадочных породах. Эти свойства обычно при промерзании грунтов изменяются весьма значительно, но по-разному, в зависи­мости от исходных свойств талых грунтов и от условий промерзания.

В том случае, когда промерзание сопровождается значительным подтоком воды и, следовательно, увеличением суммарной влажнос­ти и пористости, объемный вес такого грунта уменьшается. В грунте, который при промерзании отдает воду, суммарная влажность и пористость уменьшаются, а объемный вес увеличивается.

Водопроницаемость грунтов при промерзании, как правило, рез­ко падает. Степень уменьшения водопроницаемости зависит, глав­ным образом, от степени заполнения пор грунта водой.

Водонасыщенные грунты, промерзнув, становятся практически водонепрони­цаемыми. Это, прежде всœего, справедливо для песков.

Глинистые мерзлые грунты вследствие присутствия в них того или иного количества жидкой воды не являются абсолютно водонепроницаемыми, хотя фильтрация в них мала и ею можно пренебречь.

Значительно меняется под влиянием промерзания прочность грунтов (сцепление, сопротивление сдвигу, сжатию и растяжению). Вследствие цементации минœеральных частиц льдом, т. е.

появления нового вида связи, она повышается в несколько раз, притом тем больше, чем ниже температура грунта.

Деформация мерзлых грун­тов и степень их уплотнения под нагрузкой значительно меньше, чем в талых.

Вместе с тем мерзлые грунты обладают ярко выраженными: реологическими свойствами. Под действием постоянной нагрузки происходит развитие деформаций во времени (ползучесть). При длительном действии нагрузки мерзлые грунты обнаруживают зна­чительное снижение прочности.

Важно

Это происходит вследствие содержания в них льда и того или иного количества незамерзшей воды. Так, к примеру, длительная прочность мерзлых грунтов может быть в 10—15 раз меньше прочности мгновенной, а деформации, возникающие и развивающиеся во времени, бывают тогда в несколько сот раз больше, чем те, которые имеют место вначале.

По этой причине инженерная практика на мерзлых грунтах не может не считаться с их реологическими свойствами.

Электрические свойства мерзлых грунтов по сравнению с талы­ми также своеобразны — удельное электрическое сопротивление мерзлых грунтов тем выше, чём ниже температура. Это связано с тем, что чем ниже температура, тем больше в грунте льда и меньше незамерзшей воды и наоборот.

Типы замерзания воды в горных породах.Замерзание воды в грунтах, в горных породах следует рассматривать в трех аспек­тах:

1) замерзание воды в грунтах без заметного ее перемещения — простая цементация грунтов льдом;

2) замерзание текучей воды в галечниках, песках и других крупнозернистых горных породах, а также воды, передвигающейся в грунтах под влиянием гидродина­мического и гидростатического напора (замерзание наледных вод, инъекционные образования типа гидролакколитов и др.);

3) миграция воды, минœеральных частиц и растворенных со­лей в тонкодисперсных горных породах под влиянием их охлажде­ния и замерзания, фиксация перемещенной влаги в виде ледяных включений (некоторые виды пучения, пятнообразование в тундре и др.).

Физические процессы в оттаивающих горных породах.Притая­нии льда, содержащегося в мерзлых грунтах, влага снова получает возможность передвижения и в оттаивающих грунтах опять возни­кает процесс ее перераспределœения. При этом цементационные связи между частицами породы и их агре­гатами разрушаются.

В тонкодисперсном грунте возникают процессы гидратации час­тиц породы и их агрегатов, что приводит к внутриобъемным дефор­мациям (набухание), накладывающимся на процесс уплотнения (при осадке и просадке).

Явления и процессы, возникающие в оттаивающих грунтах, раз­личны и зависят от состава, строения и свойств последних.

В дисперсных, особенно глинистых грунтах, направление про­цессов, возникающих при их оттаивании, в большинстве случаев обратно тому, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ наблюдается в промерзающих грунтах.

Совет

Так, в промерзающих грунтах имеют место процессы накопле­ния (часто в значительных количествах) влаги у фронта промерза­ния, льдовыделœения, дегидратации, коагуляции и внутриобъемного сжатия, а также цементации минœеральных частиц и их агрегатов. А в оттаивающих грунтах идут процессы таяния льда, ремиграции влаги из оттаивающего слоя, гидратации (оводнения), диспергации и внутриобъемного набухания, что обусловливает значительное уменьшение их прочности.

Замерзание глинистых грунтов приводит к их пучению; в отта­ивающих сильнольдистых грунтах наблюдается их смещение в об­ратном направлении, что иногда приводит к просадкам и провалам, развитию термокарста и т. д.

Процессы таяния льда в мерзлых грунтах по сравнению с таяни­ем чистого льда осложняются влиянием адсорбции поверхности грунтового скелœета͵ дополнительными физико-химическими явлениями.

Скорость оттаивания мерзлого грунта͵ прежде всœего, зависит от содержания льда. Вместе с тем, она зависит от текстуры мерзло­го грунта. Чем мельче ледяные включения, тем больше их контактная поверхность, тем быстрее будет осуществляться фазовый пере­ход. Горизонтальные и вертикальные прослойки льда замедляют протаивание грунта в большей степени, чем лед-цемент

Температурное поле горных пород. Тепловое состояние верхних горизонтов земной коры подвержено наиболее значительным изменениям. Температура горных пород является важнейшим показателœем этого состояния и его изменений.

Характер распределœения температуры в толщах горных пород принято называть их температурным полем.

В том случае, если распределœение температур в данном объеме горных пород не меняется в пространстве и времени, то говорят о стационарном температурном поле, если оно меняется — о нестационарном температурном поле.

Степень изменения температуры в направлении, перпендикулярном изотермическим поверхностям, принято называть градиентом температуры(число градусов, на ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ изменяется температура по глубинœе на единицу длины).

Расстояние по вертикали, на котором температура изменяется, на 1* С, принято называть геотермической ступенью.

То или иное температурное поле в толще горных пород форми­руется вследствие теплообмена между породами и атмосферой. Для характеристики теплообмена составляется уравнение теплово­го баланса, которым выражается связь прихода, превращения и расхода энергии.

Обратите внимание

Количество тепла, поступающего в земные недра в период на­гревания (летом) и уходящего в период охлаждения (зимой), на­зывается теплооборотом в горных породах.

Источник: http://oplib.ru/himiya/view/1145728_lekciya_2_processy_zamerzaniya_tayaniya_gornyh_porod_svoystva_merzlyh_porod

Ссылка на основную публикацию