Кафедра общей геологии и гидрогеологии

2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ПОРОД…….9

2.2. Влажность ……….………………………………...……………….11

2.3. Льдистость…………….……………………………………………13

2.4. Плотность…….……………………………………………………..15

2.5. Пористость…….……………………………………………………18

2.6. Размокаемость мерзлых грунтов…...……………….……………..19

2.7. Пучинистость и усадка промерзающих дисперсных пород .……21

ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………..…………27

Среди всего многообразия горных пород дисперсные породы, перешедшие в мерзлое состояние, являются наиболее сложным объектом исследования, поскольку представляют собой много­компонентные многофазные капиллярно-пористые, а нередко и коллоидные грунтовые системы. При этом мерзлые дисперсные породы отличаются от немерзлых прежде всего своей связностью, т. е. сцементированностью минеральных частиц льдом, и наличи­ем особой (криогенной) структуры и текстуры. Все это обуслов­ливается процессом фазового перехода грунтовой воды в лед при промерзании. Однако наиболее существенные различия мерзлых и немерзлых пород кроются в их химико-минеральном составе, дисперсности и свойствах. Это предопределено тем, что промерза­ние дисперсных пород сопровождается рядом сложных и специ­фичных химических, физико-химических и физико-механических процессов. Направленность и интенсивность протекания этих про­цессов, приводящих к формированию целого ряда отличительных признаков мерзлой породы, в значительной мере определяются условиями промерзания, т. е. возрастом и генезисом мерзлоты.

Наиболее важными физическими характеристиками мерзлых и оттаивающих дисперсных пород, определяющими их физико-химические, прочностные и деформационные свойства, являются: дисперсность, льдистость, влажность, плотность, пористость, размываемость и размокаемость, пучинистость, а также тип криогенной текстуры.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Грунт многолетнемерзлый (синоним — грунт вечномерзлый) — грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет.

Грунт сезонномерзлый — грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.

Грунт морозный — скальный грунт, имеющий отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду.

Грунт сыпучемерзлый (синоним — «сухая мерзлота») — крупнообломочный и пес­чаный грунт, имеющий отрицательную температуру, но не сцементированный льдом и не обладающий силами сцепления.

Грунт охлажденный — засоленный крупнообломочный, песчаный и глинистый грунты, отрицательная температура которых выше температуры начала их замерзания.

Грунт мерзлый распученный — дисперсный грунт, который при оттаивании умень­шает свой объем.

Грунт твердомерзлый — дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, ха­рактеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой.

Грунт пластичномерзлый — дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обла­дающий вязкими свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой.

Температура начала замерзания (оттаивания) — температура, °С, при которой в порах грунта появляется (исчезает) лед.

Криогенные структурные связи грунта — кристаллизационные связи, возникающие во влажных дисперсных и трещиноватых скальных грунтах при отрицательной темпе­ратуре в результате сцементирования льдом.

Криогенная текстура — совокупность признаков сложения мерзлого грунта, обусловленная ориентировкой, относительным расположением и распределением различ­ных по форме и размерам ледяных включений и льда-цемента.

Лед (синоним — грунт ледяной) — природное образование, состоящее из кристал­лов льда с возможными примесями обломочного материала и органического вещества не более 10 % (по объему), характеризующееся криогенными структурными связями.

Льдистость мерзлой породы – отношение объема содержащегося в нем льда к объему всей породы.

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле

W_w — влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрица­тельной температуре незамерзшей воды, д. е.;

_s — плотность частиц грунта, г/см³;

е_f — коэффициент пористости мерзлого грунта;

_w — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, д. е., — отношение содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле

W_tot — суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

_i — плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

_f — плотность мерзлого грунта, г/см³;

W_m — влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включения­ми, д. е.

1. 
   ИЗУЧЕНИЕ КРИОГЕННОЙ ТЕКСТУРЫ МЕРЗЛЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОРОД
   

Криогенное строение (структура и текстура) мерзлых пород определяет их теплофизические и физико-механические свойства, также служит признаком генезиса мерзлых отложений. Структурные особенности дисперсных пород и содержащегося льда, обусловленные размером, формой, количественным соотношением структурных элементов (отдельных частиц, агрегатов, кристаллов льда) и характером их поверхности, изучаются с помощью микроскопических методов исследования.

Криогенные текстуры дисперсных пород определяются совокупностью признаков, характеризующих относительное расположение и распределение в пространстве элементов минерального скелета породы (минеральных прослоев и блоков) и включений льда (линз, прослоев). В полевых условиях изучение криогенного строения мерзлых пород проводится в естественных обнажениях, в стенках горных выра­боток (шахт, штолен, карьеров, шурфов) и по кернам скважин. В лабораторных условиях изучение криогенной текстуры проводится по искусственно промороженным монолитам дисперсных грунтов, либо по образцам дисперсных грунтов ненарушенного строения, отобранных из сезонно-талого слоя в зимнее время в естественных обнажениях или в стенках шурфов. Описание криогенной текстуры всегда проводится при отрицательной или нулевой температуре.

Порядок и схема описания криогенного строения мерзлых пород являются едиными независимо от того, где они изучаются - в ес­тественных обнажениях, по керну, в стенках шурфа или монолитах. Изучение криогенного строения начинается с описания состава и морфологических признаков отложений. При описании состава отло­жений дается наименование породы, указывается ее состояние, первичная структура, наличие или отсутствие отдельных включе­ний - минеральных или растительных остатков.

В СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» все криогенные текстуры подразделяются на три типа: массивные, слоистые, сетчатые. Массивная криогенная текстура характеризуется отсутствием в мерзлом грунте видимых невооруженным глазом ледяных включений (линз, прослоек и т.д.). Лед в этом случае распределяется равномерно по всему объему грунта в виде цемента. В зависимости от характера заполнения порового пространства выделяются следующие типы льда-цемента: контактный (лед-цемент приурочен к области контактов структур­ных элементов грунта), пленочный или корковый (частицы покрыты коркой льда), поровый (лед полностью заполняет пространство пор) и базальный (частицы раздвинуты и не имеют контакта между собой в массе льда-цемента). Слоистые и сетчатые криогенные текстуры характеризуются наличием в мерзлом грунте видимых включений в виде протяженных параллельных прослоев (шлиров) различной ориентации (слоистая криотекстура) или в виде сетки, образованной пересекающимися шлирами (сетчатая иди ячеистая криотекстура). Наиболее типичные криогенные текстуры рыхлых отложений приведены в Приложении 1.

Слоистые и сетчатые криотекстуры подразделяются в зависимости от толщины шлиров (Приложение 2) на толстошлировые (более 10 мм), среднешлировые (5-10 мм), тонкошлировые (1-5 мм), микрошлировые (менее I мм). В зависимости от расстояния между ледяными прослоями слоистые криогенные текстуры подразделяются на редкослоистые (более 100 мм), среднеслоистые (10-100 мм), частослоистые (1-10 мм) и микрослоистые (менее 1 мм), а сетчатые на крупносетчатые (более 100 мм), среднесетчатые (10-100 мм), мелкосетчатые (1-10 мм) и микросетчатые (менее I мм). Кроме перечисленных типов криогенных текстур могут встречаться промежуточные и переходные формы, например, порфировидная, линзовидная, неполнослоистая (сетчатая) криогенные текстуры. При описании криогенных текстур необходимо указывать размеры ледяных включений, их ориентировку и расстояние между шлирами.

Ножовка по металлу; нож; мелкая наждачная бумага; линейка (штангенциркуль); транспортир.

Все операции при изучении криогенных текстур мерзлых пород проводятся при отрицательной (или нулевой) температуре. В монолите мерзлого грунта делается как минимум два среза – один в направлении промерзания, другой – вкрест промерзания. Срезы при необходимости зачищают наждачной бумагой и полируют ножом.

При описании сложных криогенных текстур вначале характеризу­ются крупные включения льда, образующие основной текстурный ри­сунок, затем описываются более мелкие ледяные включения, заклю­ченные между элементами основной криотекстуры.

При описании слоистой криогенной текстуры определяется дли­на прослоек льда по простиранию, их толщина, интервалы между ледяными включениями, суммарная толщина прослоек льда в едини­це длины разреза (для изучения льдистости по глубине). При ха­рактеристике сетчатой и ячеистой криогенных текстур устанавли­вается размер минеральных агрегатов, оконтуренных ледяными пе­ремычками, их форма и ориентация в массиве. При описании мас­сивной криогенной текстуры в крупнодисперсных грунтах устанав­ливается тип массивной текстуры: поровая, пленочная, контакт­ная, базальная. В тонкодисперсных грунтах с массивной криоген­ной текстурой ограничиваются только названием "массивная". При описании базальной криогенной текстуры визуально определяется объемное содержание льда (или грунта) по отношению к объему мерзлой породы. При описании порфировидной криогенной текстуры указывается диаметр ледяных включений и их распределение в пространстве (упорядоченное, неупорядоченное).

2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ПОРОД
2.1. Дисперсность
Важнейшей характеристикой мерзлой породы является ее дис­персность, т. е. гранулометрический (предельная дисперсность) и агрегатный составы (природная дисперсность). Они дают возможность выявить не только содержание частиц и агрегатов раз­ных размеров, но и судить о количественном соотношении агрега­тов, разной физико-химической природы. В зависимости от коли­чественного состава различных по размеру фракций меняются не только минеральный и химический составы, но и структура и физические свойства мерзлых пород. Дисперсные мерзлые поро­ды полидисперсны и чаще всего характеризуются высокой пылеватостью, льдистостью, специфической криотекстурой, способностью к пучению при промерзании и тиксотропии — при оттаивании.

Гранулометрический состав служит удобным показателем при оценке свойств мерзлых пород и используется как классификаци­онный признак при картировании их. Для дисперсных мерзлых пород наиболее приемлема модифицированная классификация пород В. В. Охотина (Приложение 3), ведущая роль в которой отведена не только содержа­нию глинистых частиц (менее 0,002мм), но и пылеватых (0,002— 0,05 мм) и песчаных (0,05—2 мм). Определение гранулометрического состава мерзлых дисперсных пород проводится теми же методами, что и немерзлых (ситовой, Сабанина, пипеточный), для этого породу предварительно оттаивают. При подготовке к проведению агрегатного анализа образцы мерзлых пород предварительно просушивают на воздухе или в вакууме при отрицательной температуре с целью сохранения при оттаивании агрегатов и микроагрегатов мерзлого грунта, затем подвергают размоканию в стоячей воде в течение 6 часов. Далее анализ проводится обычными методами, упомянутыми выше.

Результаты гранулометрического анализа используются при со­ставлении оптимальных грунтовых смесей при строительстве грунтовых дорог и аэродромов, для оценки песков при приготов­лении бетонов, для оценки дисперсных пород как тела земляных плотин, дамб и насыпей.

Анализ данных агрегатного, микроагрегатного и гранулометри­ческого состава позволяет установить водопрочность агрегатов мерзлой породы и характер структурных связей оттаявшей породы, а также условия образования рассматриваемых отложений.

Часто для предварительного изучения мерзлых дисперсных пород достаточно приближенной грубой оценки гранулометрического состава и агрегатного состава, что достигается визуальным методом. Визуальный метод включает исследования комплекса признаков оттаявшей породы для номенклатурного наименования ее при описании в лабораторных или полевых условиях (Приложение 4). При этом порода оценивается по ощущению при растирании в руке, по характеру поверхности при срезе ножом одной из сторон монолита, по виду в лупу или просто глазом, по физическому состоянию породы после оттаива­ния в сухом, влажном и влагонасыщенном состоянии и по характеру раскатывания оттаявшей породы в шнур.

Обычно в практике лабораторных исследований проводится комплексное изучение физических свойств мерзлых дисперсных грунтов. После описания криогенной текстуры монолита и льдистости за счет включений один образец вырезается для определения влажности, плотности и суммарной льдистости, второй – для приближенной оценки гранулометрического состава грунта визуальным методом и определения влажности на пределе пластичности (раскатывания).