Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




01.11.2019


01.11.2019


25.09.2019


14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019





Яндекс.Метрика
         » » Инженерно-геологические характеристика и оценка мерзлых горных пород

Инженерно-геологические характеристика и оценка мерзлых горных пород

14.12.2017

Любые горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие лед, называются мерзлыми. Наряду с типично мерзлыми породами, т. е. содержащими лед, встречаются породы с отрицательной температурой, но без льда, например маловлажные сыпучие песчаные, гравийные и галечинковые, сухие скальные и полускальные породы, а также породы, насыщенные минерализованными водами. Все эти породы не относятся к типично мерзлым, так как их свойства при отрицательной температуре не изменились. Однако при проектировании и строительстве на них сооружений (некоторых подземных коммуникаций, дренажей, помещений и др.) необходимо учитывать их температурное состояние.

Переход воды в лед при промерзании горных пород существенно изменяет их физическое состояние, деформируемость, прочность, водопроницаемость, а также электрические, тепловые и другие свойства. Кроме того, промерзание пород сопровождается развитием особых мерзлотных процессов и явлений, таких как изменение строения пород (структуры и текстуры), перераспределение влаги в них, морозное пучение, образование морозобойных трещин, наледные явления и др.

Лед как породообразующая составная часть мерзлых пород является неустойчивой фазой. При повышении температуры окружающей среды порода оттаивает, происходит деградация ее свойств, а у некоторых пород резко изменяются физическое состояние, прочность, деформируемость, водопроницаемость и устойчивость, развиваются провальные и просадочные (термокарстовые), оползневые и другие явления. При оттаивании мерзлых пород сооружения, построенные на них, испытывают значительные неравномерные и резкие осадки (просадки), и поэтому часто происходят значительные их деформации и даже разрушения. Все перечисленное показывает, что если лед образует существенную часть мерзлых пород и влияет на их состояние и свойства, то условия строительства сооружений на таких породах п обеспечение их устойчивости представляют сложную научную и практическую проблему.

В природе мерзлые породы распространены очень широко. В зависимости от того, как долго горные породы находятся в мерзлом состоянии, они подразделяются на сезонномерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые (годы, сотни и тысячи лет). Сезонномерзлые — это породы деятельного слоя, т. е. зимнего промерзания и летнего оттаивания. На территории Советского Союза они в зимнее время встречаются почти повсеместно (кроме некоторых южных и юго-западных районов), слагая самую приповерхностную часть разреза горных пород на глубину от долей метра до 2—3, редко до 4—4,5 м (Восточная Сибирь). В некоторые годы сезонномерзлые породы не успевают летом оттаять, и тогда их называют перелетками.

Многолетнемерзлые, или, как часто называют, вечномерзлые, -породы находятся в мерзлом состоянии в продолжение многих лет. На территории Советского Союза они занимают примерно 47 % его площади, охватывая северные и северо-восточные районы. В тех случаях, когда в области многолетней мерзлоты породы деятельного слоя в зимнее время сливаются с многолетнемерзлыми, говорят о сливающейся мерзлоте, а когда они не сливаются, т. е. между ними остается талик (талые породы), говорят о несливающейся мерзлоте.

Рассматривая географическое распространение многолетнемерзлых пород (многолетней мерзлоты), необходимо отметить, что в северных и северо-восточных районах они имеют сплошное распространение (зона сплошного распространения многолетней мерзлоты) и мощность их измеряется там сотнями метров, а температура достигает -7, -10 и даже -12 °C. К южной границе распространения многолетнемерзлых пород их мощность уменьшается до десятков метров, здесь чаще встречаются талики (зона многолетней мерзлоты с таликами), а температура пород изменяется от -0,2; -0,3 до -1, -2°С. Вблизи этой границы многолетнемерзлые породы встречаются главным образом на отдельных участках (зона островной многолетней мерзлоты), мощность их не превышает первых десятков метров, а температура измеряется от 0 до минус 0,1—минус 0,3 °С. В вертикальном разрезе многолетиемерзлые породы также могут либо иметь непрерывное распространение, либо разделяться таликами, т. е. быть слоистыми.

Учение о закономерностях распространения зон мерзлых горных пород, об особенностях их состава, строения и свойств и о мерзлотных процессах и явлениях, развивающихся в них, называется мерзлотоведением, т. е. наукой о мерзлой зоне земной коры. Иногда мерзлотоведение называют также геокриологией, отражая этим самым учение о взаимосвязи твердого состояния воды в породах с определенной их температурой. Название это происходит от греческого слова «криос» обозначающего холод (мороз) и лед.

Раздел инженерной геологии, изучающий физико-механические свойства мерзлых горных пород, геологические условия строительства на них различных сооружений, разработки полезных ископаемых и другого хозяйственного использования территорий, сложенных многолетнемерзлыми породами теперь является одновременно и разделом мерзлотоведения (ниже нерное мерзлотоведение) в связи с продолжающейся дифференциацией наук и выделением мерзлотоведения в самостоятельную отрасль знания.

Важнейшая особенность мерзлых пород как отмечаюсь состоит в том, что в них в качестве породообразующей части входит лед. Он может находиться в породах в виде цемента т.е. в тонкодисперсном виде, в виде отдельных кристаллов и их скоплений прослойков, слоев жилок и мощных жил линз и др. В песчаных и других обломочных и глинистых по родах лед встречается во всех перечисленных видах а в скальных и полускальных главным образом в виде жилок и жил, простоев и слоев заполняя трещины и пустоты. Общее содержание льда в горных породах определяет их льдистость.

Лед в горных породах распределяется неравномерно его содержание изменяется от точки к точке от участка к участку или от стоя к стою. Минимальная льдистость обусловлена со держанием в породе льда микроскопического, т е в виде цемента, — лмикр. Максимальная льдистость пород обусловлена содержанием в них льда макроскопического — в виде включений, линз, прослоев жил и др —лмакр. Общее содержание льда в породе, т е суммарная льдистость выраженная в до лях единицы по отношению к объему мерзлой породы равна лс = лмикр+лмакр.

Оттаивание мерзлых пород с микроскопической льдистостью вызывает несравненно меньшие их деформации чем оттаивание пород с макроскопической льдистостью. Сооружения, воз водимые на мерзлых породах с макроскопической льдистостью даже па скальных, полускальных и крупнообломочных при оттаивании могут испытывать значительные и неравно мерные осадки (просадки) что необходимо учитывать при проектировании.

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 структуры при этом не изменяются, а лед заполняющий трещины и пустоты, представляется самостоятельной горной породой. Мерзлым обломочным и глинистым породам свойственны те же структуры что и таким же породам талым т.е. пелитовая, алевритовая, псаммитовая, исефитовая и др., но их необходимо дополнять характеристикой льда-цемента. При этом различают следующие типы льда-цемента.

1. Контактный, находящийся только в местах контакта частиц скелета, образующийся обычно при промерзании не полностью насыщенных водой песчаных и грубообломочных пород.

2. Пленочный—обволакивает поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненной. Образуется в таких же породах, как и контактный, но более влажных.

3. Поровый, заполняющий поры целиком. Образуется также в песчаных и грубообломочных, но полностью водонасыщенных породах.

4. Базальный, составляющий основную массу породы и разобщающий частицы минерального скелета. Встречается преимущественно в глинистых и глинисто-пылеватых породах.

Из приведенного следует, что тип цементации мерзлой породы одновременно характеризует и содержание в ней льда. Лед-цемент имеет всегда кристаллнчески-зернистые структуры. В зависимости от размера зерен различают следующие его структуры: явнокристаллические (крупно-, средне- и мелкозернистые) и скрытокристаллические (микрокристаллические), а также равномернозернистые и порфировые.

В зависимости от соотношения зерен льда-цемента с частицами скелета породы различают следующие структуры: 1) меж-частичную (интерсертальпую) — зерна цемента расположены в единичных промежутках между частицами скелета и не превышают их по размерам; 2) объемлющую (пойкилитовую) — зерна цемента крупнее частиц скелета и обволакивают их.

Как указывают Б.Н. Достовалов, В.А. Кудрявцев и П.А. Шумский, полное определение структуры мерзлых пород должно включать указания о типе структуры породы, типе цементации льдом, его распределении и структуре.

Текстуры мерзлых пород характеризуются пространственным расположением в них льда при промерзании. В настоящее время выделяют следующие наиболее характерные типы текстур мерзлых пород:

1) массивная, когда лед в виде цемента более или менее равномерно распределен в породе; имеется только поровый лед;

2) слоистая, когда лед выделяется в виде параллельных прослойков, линз, слоев в породе; в соответствии с этим породы могут иметь тонко-, средне- и толстослоистые текстуры;

3) сетчатая, когда лед выделяется в виде взаимно пересекающихся прослоев, линз, жилок и жил, образующих на обнаженной поверхности пород мелко- и крупноячеистую сетку.

Таким образом, строение (структура и текстура) мерзлых пород выражает их неоднородность и анизотропность, обусловленные распределением льда. Они формируются в процессе промерзания пород и замерзания в них воды а) имеющейся в любых породах, без притока новой, б) свободно движущейся—текущей, например в песках, галечниках и других водопроницаемых породах, и в) иммобилизованной и физически связанной в тонкодисперсных глинистых породах, замерзание которых сопровождается перераспределением и миграцией воды в жидком и парообразном состоянии к поверхности охлаждения под влиянием молекулярных сил, разности упругости пара и др.

Все процессы перемещения, перераспределения и миграции воды в промерзающих породах и сопутствующие им явления морозного пучения, образования морозобойных трешин и другие принадлежат к мерзлотным, они рассматриваются во второй части курса инженерной геологии — инженерной геодинамике.

В мерзлых породах кроме льда всегда находится еще незамерзающая вода, количество которой зависит в основном от петрографического типа породы и ее температуры. Выше было показано, что при взаимодействии минеральных частиц горной породы 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 горной породы, а структура их становится искаженной. При замерзании пород 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 любой мерзлой породе всегда содержится определенное количество незамерзающей воды, которое изменяется в зависимости от температуры. Незамерзающая вода и лед в мерзлых породах находятся в равновесии, с понижением температуры количество незамерзающей воды уменьшается и соответственно увеличивается количество льда.

Большое влияние на фазовые переходы воды в лед помимо минерализации воды имеет и степень влажности пород. Чем она меньше, чем тоньше пленки воды, содержащейся в породе, тем больше искажена ее структура и тем дольше она может находиться в незамерзшем состоянии. Как показали специальные экспериментальные исследования, при замерзании и оттаивании пород выделяются область интенсивных фазовых превращений воды (от 0 до -2, -3°С) и область затухающих фазовых превращений (ниже -3°С). Некоторые данные о содержании в мерзлых породах незамерзающей воды приведены на рис. IX-5.
По Строительным нормам и правилам (СНнП II—18—76) количество незамерзающей воды в мерзлых породах можно определить по формуле

Wнз = КнWp

где Wp — влажность породы на пределе пластичности, доли единицы; Kн — коэффициент, зависящий от вида породы, числа ее пластичности и температуры.

При характеристике и оценке физического состояния мерзлых пород прежде всего необходимо дать представление об их влажности — льдистости. Естественная влажность мерзлых пород, обусловленная всеми видами влаги, равна
Она выражается в долях единицы или в процентах по отношению к массе абсолютно сухой породы. В зависимости от содержания льда в мерзлых породах масса минеральной части g1 может изменяться от нуля до g2 — массы воды, полностью или частично заполняющей поры породы. Если g1=g2, то W = 0, а если g1 = 0 (чистый лед), то W = 00. Поэтому естественная влажность мерзлых пород песчаных и особенно глинистых часто достигает 200—300—500 и даже 1000 %. Этим они существенно отличаются от талых пород, влажность которых обычно измеряется первыми десятками процентов. Н.А. Цытович считает возможным определять влажность мерзлых пород не только по отношению к массе сухой породы, но и по отношению к массе всей породы, т. е. определять так называемую общую влажность,
Общая влажность мерзлых пород может изменяться от 0 до 100% (для чистого льда). Между общей и естественной (весовой) влажностью существуют следующие соотношения:
Влажность в этих соотношениях выражена в долях единицы

Объемная влажность мерзлых пород характеризуется объемом всех видов воды в единице объема породы

Wоб = Wуск/ув.

Если мерзлая порода полностью состоит из льда, ее объемная влажность будет равна 100 %.

Влажность мерзлой породы, обусловленная содержащимся в ней льдом, равна

Wл = W - Wиз.

Содержание льда в мерзлых породах обычно характеризуют относительной льдистостью l, отношением массы льда к массе всех видов воды в породе
Для этих же целей определяют также льдонасыщенность (весовую льдистость) — отношение массы льда к массе породы естественного состояния:
и объемную льдистость, равную отношению объема льда к объему породы,
Кроме того, Строительными нормами и правилами для мерзлых пород рекомендуется определять показатель степени заполнения пор мерзлой породы льдом и незамерзающей водой G по следующей формуле:
Для талых пород этот показатель, как известно, называется коэффициентом водонасыщения. Для мерзлых пород этот коэффициент в отличие от талых может быть больше единицы.

Показатели плотности и пористости мерзлых пород (плотность минеральной части ум, плотность породы у, плотность скелета уск, пористость n и коэффициент пористости е) имеют тот же смысл, что и для пород талых, но количественно они отличаются как от значений талых пород, так и от значений чистого льда:

ум талой породы > ум мерзлой породы > ум, льда;

у талой породы > у мерзлой породы > у льда;

уск талой породы > уск мерзлой породы > 0.

Следовательно, например, плотность минеральной части мерзлого песка может изменяться от 2,65 г/см3 (средняя плотность минеральной части талых песков) до 0,92 г/см3 (плотность чистого льда). В значительных пределах могут изменяться также плотность мерзлых пород и плотность их скелета. Если мерзлая порода состоит нацело из льда, плотность ее скелета равна нулю.

Пористость мерзлых пород обычно меньше, чем талых, так как лед как породообразующая составная часть заполняет поры. Однако лед в мерзлых породах — фаза неустойчивая, и при оттаивании пористость и скважность резко увеличиваются, что является причиной их большой деформируемости и просадочности. При промерзании водонасыщенных пород без свободного оттока воды увеличение их объема изменяет плотность сложения, происходит разуплотнение, разрыхление, или, как говорят, морозное пучение пород. Этому обычно способствуют перераспределение и миграция влаги к промерзающей породе. Поэтому естественно, что при оттаивании мерзлой породы ее пористость оказывается высокой, так же как и влажность.

Мерзлые породы обычно водонепроницаемы. Прочность и несущая способность их несравненно выше, чем таких же пород, но талых. Они изменяются в зависимости от петрографического типа горных пород, их температуры и влажности — льдистости (табл. IX-10 и IX-11).
Из данных, приведенных в табл. IX-10 и IX-11, видно, что мерзлые песчаные и глинистые породы по своей прочности приближаются к породам полускальным. Прочность мерзлых песков значительно выше прочности мерзлых глин, что объясняется малым содержанием в песках, как в более грубозернистых породах, незамерзающей воды и более совершенной их цементацией льдом. Существенное влияние на прочность мерзлых пород оказывают значение отрицательной температуры и степень влажности — льдистости. Причем, когда коэффициент насыщения становится больше единицы, прочность пород снижается, так как начинает сказываться разуплотняющее действие замерзающей воды.

Мерзлые породы характеризуются также и высоким сопротивлением сдвигу. По имеющимся данным общее сопротивление сдвигу мерзлых песчаных и глинистых пород изменяется от 0,3—0,5 до 4,0—5,0 МПа. При этом сдвиг часто происходит в виде скатывания, характерен хрупкопластический характер разрушения, как и для многих полускатьных пород.

Кроме данных о сопротивлении мерзлых пород сжатию и сдвигу весьма существенное значение имеют данные о ситах смерзания, представляющих собой вид сопротивления мерзлых пород сдвигающим (скалывающим) усилиям. Это свойство наиболее четко проявляется у более мелко и тонкозернистых мерзлых пород в их способности смерзаться с фундаментами и выпучивать их при промерзании (морозное пучение). При выпучивании фундаментов преодолеваются следующие сопротивления 1) сопротивление срезыванию льда, 2) трение фундамента о мерзлую породу и 3) нагрузка от фундамента и несущих конструкций. Суммарную величин) первых двух составляющих и называют силами смерзания. Примерные значения сил смерзания обломочных и глинистых пород показаны в табл. IX-12.
Мерзлые песчаные и глинистые породы обладают резко выраженными реологическими свойствами. Поэтому их длительная прочность в 5—10 раз меньше, чем условно мгновенная, они склонны к упруговязким и вязкопластическим деформациям.

При оценке механических свойств мерзлых пород необходимо учитывать относительное их сжатие при оттаивании, определять коэффициент относительной сжимаемости а0, представляющий собой отношение изменения мощности слоя породы при оттаивании под нагрузкой к первоначальной его мощности,

а0 = (hм — hт)/hм,

где hм — мощность слоя мерзлой породы, см; hт — мощность слоя той же породы после оттаивания под давлением (МПа) без бокового расширения.

Коэффициент относительной сжимаемости у мерзлых оттаивающих пород может измеряться десятками процентов.

Промерзание и оттаивание горных пород связаны, с одной стороны, с теплообменом в системе Земля — космическое пространство, а с другой — с процессами переноса тепла (теплопередача, теплообмен), происходящими в неравномерно нагретых объемах или частях горных пород. Эти процессы осуществляются главным образом двумя путями: 1) кондуктивным, при котором перенос тепла осуществляется при непосредственном соприкосновении и взаимодействии частиц горной породы различной температуры, т. е. не сопровождается переносом вещества, либо 2) конвективным, при котором перенос тепла обусловлен движением воды и воздуха в породе, т.е. сопровождается переносом вещества.

Процессы переноса тепла в горных породах и являются непосредственной причиной их промерзания (охлаждения) и оттаивания. Интенсивность их развития в значительной степени зависит от тепловых свойств горных пород — теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости. Характеристики этих свойств в виде соответствующих коэффициентов широко используются при решении различных задач, связанных с прогнозом и расчетом процессов промерзания, оттаивания и др. Если температура горных пород неравномерна вследствие их охлаждения или нагревания, в них возникает тепловой поток, направленный от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой. Количество тепла, протекающего через площадь F за время t,
где Q — количество перенесенного тепла, кДж Л — коэффициент теплопроводности (характеристика свойства породы распространять тепло), dT=Т1—Т2 — разница температуры пород на границах рассматриваемого объема, l — расстояние между границами рассматриваемого объема породы, вдоль теплового потока, F — площадь поперечного сечения породы, через которую распространяется тепловой поток, ориентированная параллельно потоку, t — время.

Из приведенного уравнения следует, что при условии стационарного теплового потока количество тепла, перенесенного через объем породы, пропорционально градиенту температур, площади поперечного сечения потока, времени и теплопроводности породы. Знак минус показывает, что поток направлен в сторону понижения температуры. Отсюда коэффициент теплопроводности [Вт/(см2*с*град)]
При F = 1, dT/dl = 1 и t = 1Л = Q, т.е. коэффициент теплопроводности есть величина, показывающая, какое количество тепла передается за единицу времени через поперечное сечение породы, равное единице, при градиенте температуры, равном единице. Значения характеристик тепловых свойств песков, супесей, суглинков и глин приведены в табл. IX 23. Коэффициент теплопроводности более всего зависит от влажности (льдистости) породы. Чем меньше влажность породы, тем меньше изменяется Л в результате промерзания породы.

Второй характеристикой тепловых свойств горных пород является коэффициент температуропроводности. Он характеризует скорость распространения тепловой волны в горных по родах (см2*с) Его определяют по формуле

К = Л/(ус).

где Л — коэффициент теплопроводности породы, у — плотность породы естественного сложения и влажности, с — теплоемкость породы.

Коэффициент температуропроводности К сравнительно слабо зависит от температуры и обычно Kм = (1,3—1,5)Кт Теплоемкость горных пород характеризуется количеством тела, которое надо передать породе, чтобы повысить ее температуру на 1°C. При охлаждении породы на 1°C она отдает такое же количество тепла, которое определяют из уравнения

Q = cyVdT,

где с — удельная теплоемкость породы, Дж/(кг*град), Дж/(г*град); у— плотность породы естественного сложения и влажности; V — объем породы, м3; dТ — интервал повышения температуры.

При характеристике тепловых свойств горных пород определяют теплоемкость единицы массы породы (1 г, 1 кг). Эта характеристика называется удельной теплоемкостью. Иногда вместо удельной теплоемкости с пользуются объемной теплоемкостью cv, которая равна

cv = yc.

Значения объемной теплоемкости песков, супесей, суглин ков и глин приведены в табл. IX-13.
Таковы особенности состава и свойств мерзлых пород Необходимо подчеркнуть, что они очень чувствительны к раз личным температурным изменениям. При оттаивании резко изменяются их прочность и устойчивость и повышается деформируемость. Промерзание и оттаивание горных пород сопровождаются развитием комплекса специфических мерзлотных процессов и явлений. Поэтому условия строительства на них — это строительство в особых условиях, требующих применения особых принципов использования мерзлых пород в качестве естественных оснований зданий и сооружений, применения специальных инженерных мероприятий для обеспечения их длительной устойчивости. Все эти вопросы рассматриваются в соответствующем разделе курса инженерной геологии.