16. Физико-механические свойства мерзлых горных пород. Общие сведения.

Мерзлые горные породы, являясь сложными природными системами, обладают постоянно изменяющимися термодинамическими параметрами (температура, плотность, теплоемкость и т.д.).

При изменении температуры пород, изменяется содержание в них незамерзшей воды. С этим связано изменение их физико–механических свойств.

Повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводит к изменениям их дисперсности и строения.

При изменении внешнего давления нарушается динамическое равновесие между незамерзшей водой и льдом. Избыточная влага при этом отжимается в менее напряженные места, где вновь промерзает. Эти качественные изменения являются положительными, поскольку мерзлые породы способны нести большую нагрузку как основания сооружений, но при этом они трудно поддаются механической разработке.

При оттаивании мерзлых пород, вследствие разрушения льдоцементных связей породы теряют свою несущую способность. Прочность оттаявших пород оказывается ниже, чем пород, не повергшихся процессу промерзания.

Основные физико-механических свойств мерзлых горных пород мы изучали в курсе «Общее мерзлотоведение». Основные показатели этих свойств, физических, теплофизических и механических приведены в файле «ФМС мерзлых горных пород».

Ниже мы познакомимся с теми особенностями и показателями этих свойств, которые имеют практическое значение в различных инженерных расчетах.

Физико-механическими, называют такие свойства горных пород, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и поведение под нагрузками. Соответственно выделяют свойства физические, водные и механические. Для мерзлых горных пород важнейшее значение имеют тепловые (теплофизические) свойства, характеризующие процессы переноса тепла при их промерзании и оттаивании. Обычно их выражают и оценивают с помощью определенных показателей – характеристик.

Как было отмечено выше, мерзлые горные породы характеризуются наличием в них льда, образование которого вызывает особенности формирования и изменения физико-механических свойств. Так с формированием льдоцементных связей в промерзающих тонкодисперсных породах повышается их прочность и устойчивость, уменьшается деформируемость и водопроницаемость, изменяются тепловые свойства. Для скальных и полускальных пород, такие изменения происходят за счет льда заполняющего их поры, пустоты и трещины. Формирование ледяных образований в массивах скальных и полускальных пород обычно вызывает незначительное изменение их свойств.

Промерзание же песчаных и глинистых пород, сопровождающееся перераспределением в них влаги, подтоком воды из вне и ее кристаллизацией приводит к значительному изменению их состава, строения и свойств.

Физико-механические свойства мерзлых пород в значительной мере зависят от значения их отрицательной температуры и резко изменяются с нарушением их теплового режима. Мерзлые горные породы обычно водонепроницаемы и всегда являются водоупорами. Поэтому изучение их водных свойств, как правило, не проводится.

Мерзлые горные породы обладают резко выраженными реологическими свойствами и обладают упруго-вязкими и вязкопластическими деформациями. Поэтому, при определении прочностных и деформационных показателей необходимо учитывать времяприложения внешних усилий (нагрузок).