Физико-механические свойства мёрзлых грунтов

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

Кудашов Владимир(1 курс 2001-2002)

Введение.

Площадь распространения многолетнемёрзлых пород составляет до 25% всей суши земного шара и более 65% площади Российской Федерации. Сплошное распространение многолетнемёрзлых пород наблюдается в Антарктиде и на прилегающих к ней островах, в Гренландии, а также на высокогорных участках в Южной Америке и в Африке. На территории России многолетнемёрзлые породы распространены на побережье европейской части и занимают значительную территорию на Северо-Востоке страны. Австралия является единственным континентом, где не наблюдается распространения многолетнемёрзлых толщ. Распространение мёрзлых толщ подчинено широтной и высотной зональности. По среднегодовым температурам, характеру распространения и мощности на многлетнемёрзлых пород выделяются пять зон. Географическая граница распространения мёрзлых пород на территории России указана на карте (рис1). Непрерывность мёрзлых толщ по простиранию наблюдается только в самых северных районах. Но и там под крупными водоёмами и в местах усиленной циркуляции подземных вод можно встретить участки со сквозным протаиванием. Такие участки называются «таликами», при этом различают «сквозные талики» и «несквозные», или «ложные» талики. Количество и площадь таликов возрастают в направлении от северных областей распространения мёрзлых пород к их «южной границе», или, точнее, в направлении, перпендикулярном геоизотермам в этой области. Географическая южная граница распространения многолетнемёрзлых пород представляет собой линию, оконтуривающию с юга область распространения мёрзлых толщ, за исключением отдельных высокогорных участков мёрзлых пород в субтропических и тропических зонах. Кратковременное промерзание почвы связано с ночными заморозками; сезонное промерзание пород вызывается наличием среднесуточных отрицательных температур почвы зимой в связи с сезонными колебаниями климата, а причиной существования многолетнемёрзлых пород является продолжительное существование отрицательных среднегодовых температур пород вследствие многолетних колебаний теплообмена на поверхности Земли, периодически создающих отрицательные температуры в верхнем слое литосферы. По глубине мёрзлые породы могут распространяться неоднородно (рис.2).

Ю 1 С

2

3  2

4

 

5

Рис.2 Схема вертикального разреза мёрзлых толщ при движении с юга на север:

1-слой сезонного промерзания (протаивания); 2-современные сливающиеся; 3-современные несливающиеся толщи;4-древние сливающиеся и несливающиеся толщи.

В частности, кратковременномёрзлые и сезонномёрзлые толщи представляют собой обычно непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с дневной поверхностью, а нижняя поверхность находится на некоторой небольшой(от сантиметров до единиц метров) глубине.

Залегание многолетнемёрзлых толщ более сложно. Их верхняя поверхность залегает на различных глубинах ниже дневной поверхности вследствие процессов сезонного или многолетнего протаивания. Многолетнемёрзлые толщи называются «сливающимися», если их верхняя поверхность совпадает с нижней поверхностью слоя протаивания; если же их верхняя поверхность находиться глубже подошвы слоя сезонного протаивания или промерзания ,они называются «несливающимися».Наблюдаются также залегания двух и более слоёв многолетнемёрзлых пород друг над другом, разделённых талыми прослоями их называют «многослойными или слоистыми».Такие глубоко залегающие несливающиеся древние мёрзлые толщи могут встречаться значительно южнее южной границы распространения современных или сравнительно молодых мёрзлых толщ.

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

1 q₀ q_п

- q °С 0 +q°С

 

h_от

h₀ 2

h, м

 

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

1-поверхность грунта;2-огибающие температуры; q_п- температура на поверхности;q₀–температура на уровне нулевых годовых амплитуд(среднегодовая температура грунта); h_от –глубина сезонного оттаивания; h₀ –глубина уровня нулевых амплитуд.

По характеру промерзания многолетнемёрзлые породы разделяются на два типа: 1)сингенетически промёрзшие породы, т.е. накапливающиеся и промерзающие в геологическом смысле одновременно, и

2)эпигенетические промёрзшие породы, т.е. те, которые перешли в многолетнемёрзлое состояние после того, как процесс их накопления завершился и они претерпели диагенетические изменения, превратясь из осадка в породу.

В криолитозоне наблюдается ряд геокриологических процессов.

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

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

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

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

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

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

Глава 1. Основные физические характеристики мёрзлых грунтов.

 

1.1Вводные понятия.

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

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

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

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

Таблица 1.1

Классификация грунтов по времени нахождения в мёрзлом состоянии по данным различных источников.

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

Таблица 1.2

 Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.

Разновидность грунтов	Льдистость за счёт видимых ледяных включений i,д.е.
	Скальные и полускальные грунты	Дисперсные грунты
Слабольдистый Льдистый Сильнольдистый Очень сильнольдистый	<0.01 0.01-0.05 >0.05 -	<0.20 0.20-0.40 0.40-0.60 0.60-0.90

 

Таблица 1.3

Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости D_sol%

(для морского типа засоления)

Разновидность	Суммарное содержание легкорастворимых солей,% массы сухого грунта
	Песок	Глинистый грунт
Слабозасолённый Среднезасолённый Сильнозасолённый	0.05-0.10 0.10-0.20 >0.20	0.20-0.50 0.50-1.00 >1.00

Таблица 1.4

Классификация грунтов по содержанию органического вещества.

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

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

Вид грунтов		Разновидность грунтов
		Твёрдомёрзлый dp£0.1 кПа-1 при t<Th°C	Пластичномёрзлый dp>0.1 кПа-1 при t, °C	Сыпучемёрзлый при t<0°С
Все виды скальных и полускальных грунтов		Th=0	----	--------
Крупнообломочный грунт		Th =0	Th  <t< Tbf при Sr<0.8	Sr£0.15
Песок гравелистый крупный и средней крупности		Th = -0.1
Глинистый  грунт	Супесь	Th =-0.6	Th <t< Tbf
	Суглинок	Th =-1.0
	Глина	Th =-1.5
Заторфованный грунт		Th =-0.7(Jr+|Th|)	Th <t< Tbf	-----
Торф		-	t<0	-------

 T_h-температурная граница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;

 T_bf- 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.