Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdfмогут обеспечить достаточную достоверность результатов инже
нерных расчетов.
Второй группой' физических характеристик мерзлых грунтов являются показатели тепло- и массообмена (по А. В. Лыкову)*,
аименно:
1)коэффициент температуропроводности
(U1)
Рис. 22. Кривые изменения во времени влажности W и льдистости iо грунта в различные промежутки времени от начала промерзания (по опытам лаборатории Института мерзлото ведения, 1956 г.)
определяемый отдельно для мерзлого и немерзлого (талого) сос тояний грунтов с учетом фазовых превращений воды (здесь Я — коэффициент теплопроводности, ккал/м • ч • град-, С — удельная теп лоемкость, ккал/кг-град-, значения ^и Су для мерзлых и талых грун тов приведены « табл. 10 СНиП И-Б.6—66);
2) коэффициент потенциалпроводности
а' = - ^ — мЩя, |
(МП |
с Тск |
|
определяемый также отдельно для талого и мерзлого грунтов (здесь / / — коэффициент влагопроводности кг/м-н-ед. потенц.\ °г— удельная «влагоемкость» грунта в 1/ед. потенциала).
Значения коэффициента потенциалпроводности можно полу чить только путем постановки специальных опытов с построением3*
9 |
А ® - ^ ыковТеория теплопроводности. Гостеориздат, 1954. |
|
|
издат |
1954° ^ ы к 0 в* Явление |
переноса в капиллярно-пористых |
телах. Гостех- |
3. А. В. Лыко в и Ю. А. |
М и х а й л о в . Теория переноса |
энергии и ве |
|
щества. Минск. Изд-во АН БССР, 1959. |
|
кривых изменения влажности* |
и льдистости грунтов по |
глубине |
|
в различные моменты времени после начала промерзания |
(рис. 22). |
||
Для вычисления коэффициента потенциалпроводности а' может |
|||
служить выражение |
|
|
|
а, — |
(ДФдДя , |
|
|
|
L |
L |
|
где АФ ^ —площадь, заключенная между двумя смежными кривы
ми |
распределения влажности |
(рис. |
22, а) или |
льдистости |
(рис. |
22,6); пг— число сечений; |
■j |
— средний |
градиент |
влажности за время от t до t + At, равный их среднему арифмети ческому значению.
Отметим, что знание величин коэффициентов температуропро водности а необходимо для прогноза глубины оттаивания вечно мерзлых грунтов под отапливаемыми .сооружениями, а коэффи циента потенциалпроводности а' — для расчетов миграции влаги при промерзании.
§7. Виды льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах
иего значение
Рассмотрим подробнее виды льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах как основного компонента, определяющего их мерзлое со стояние.
По классификации П. А. Шумского *, лед в мерзлых породах образуется тремя основными способами: 1) при промерзании ув лажненных мерзлых пород — конституционные льды; 2) при запол нении льдом полостей — жильные и повторно-жильные льды;
3)при погребении снега и льда — погребенные льды.
1.Конституционный лед имеет самое существенное значение для формирования структуры и текстуры мерзлых и вечномерзлых грунтов, являясь структурообразующим фактором для мерзлых
грунтов.
Этот лед образует как внутрипоровый грунтовый лед, так и прослойки чистого льда, залегающие в толще промерзших грунтов.
Наблюдениями в природных условиях и специальными лабора торными опытами было установлено, что мощные прослойки и лин зы льда в промерзающих грунтах образуются при длительной за держке границы промерзания на некотором уровне, когда оказы вается достаточно времени, чтобы замерзнуть пленочной и капил лярной воде, медленно подтягиваемой к фронту промерзания. Такие условия наблюдаются, например, при оттепелях или при колеба-
* П. А. Ш у м с к и й. Основы структурного ледоведения. Изд-во АН
СССР, 1955.
т ш t m m m промерзания в некоторой о б л а е т груша и наличии
т ш т и т н т его подтоком грунтовых вод, Ёедй же промерзание происходит весьма иигеисиш© при боль
ших температурных градиентах, например при сильимж морозах, то т т в дисперсных грунтах не успевает подтягиваться к фронту иромераавяя, что затрудняет возникновение спдошимж шроююиков № л и т льда, и образуется лишь поровый лед, прочно акрешшяаощин
мииеральяые частицы.
Если при образовании перового льда заметиош раздвигания минерального скелета грунта не наблюдается, то такой лед носит иазваиие льда-цемента, в отличие от остальных, значительно боль ших образований льда, называемых льдом вклю чений иди, шю Шум- (Шшу, сегрегационным льдом.
Рис, 23, Основные виды криогенных текстур м ерзлы х грунтов:
а — слитная; б — слоистая; в — ячеистая
В зависимости от интенсивности промораживания (величины температурного градиента) и граничных условий — строго односто роннего (одномерная задача) промораживания или проморажи вания грунта с нескольких сторон, наличия подтока воды и задер жек в продвижении границы промораживания или без них, в про цессе промерзания грунтов формируется своеобразная криогенная (морозная) текстура мерзлых грунтов, существенно определяющая их свойства.
Различают по крайней мере три основных вида текстуры мерз лых грунтов (рис. 23): слитную (массивную), слоистую и ячеистую (сетчатую).
Слитная (массивная) криогенная структура мерзлых грунтов образуется лишь при быстром промораживании и характеризуется практически равномерным распределением кристаллов льда (порового льда) в мерзлом грунте. Мерзлые грунты массивной текстуры обладают наибольшим сопротивлением внешним силам в мерзлом состоянии и при оттаивании дают наименьшие осадки.
Мерзлые грунты слоистой и ячеистой текстур обладают меньшим механическим сопротивлением в мерзлом состоянии и дают наи большие осадки при оттаивании, причем мерзлые грунты ячеистой (сетчатой) текстуры дают большие осадки при оттаивании по срав-
52
нению с мерзлыми грунтами слоистой текстуры (при одинаковой льдистости).
Для мерзлых грунтов ячеистой (сетчатой) текстуры практиче ски не представляется возможным с достаточной точностью опреде лить влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяны ми включениями, т. е. Wr, а также влажность за счет включений линз и прослоек льда WB, а по ней и льдистость Л в за счет ледяных включений, поэтому более целесообразно классифицировать вечно мерзлые грунты не по льдистости включений (Лв), а по объемной льдистости (/об), которая включает и поровый лед, что вызывает необходимость несколько повысить пределы границ льдистости, рекомендуемые СНИиП Н-Б.6—66 и принимать:
Вмёсто |
Л в= 0,2 |
соответственно |
/об — 0,2о |
» |
Л в= 0,4 |
» |
/об =0,50 |
» |
*/7ц>0,03 |
» |
/об >0,05. |
Изложенное предложение значительно упрощает определение льдистости, так как классификация вечномерзлых грунтов произво дится по очень простой зависимости [выражение (1.5)], требующей определения лишь объемного веса мерзлого грунта у, его суммар ной влажности Wc и влажности за счет незамерзшей воды W& ко торые всегда определяются при инженерных изысканиях.
Если же вечномерзлый |
грунт |
содержит выдержанные по пло |
|
щади сплошные прослойки |
льда |
такой мощности, |
что их можно |
с достаточной точностью измерить миллиметровой |
линейкой (т. е. |
толщиной более 5—10 мм), то следует воспользоваться «Примеча нием» к п. 2.6 СНиП Н-Б.6—66, и значения льдистости за счет включений льда Л в определять грубо по результатам непосредст венных измерений ледяных включений в процессе инженерно-гео логического исследования грунтов.
При определении же объемной льдистости /0б мелкие прослой ки, линзы, шлиры и другие подобные включения льда учитываются в полной мере. Суммарная же мощность значительных по толщине сплошных прослойков льда добавляется к величине объемной льди стости мерзлых грунтов при общей оценке их льдосодержания.
2. Жильный и повторно-жильный льды, как показано исследова ниями пятидесятых годов, формируется при повторном зимнем рас трескивании верхних слоев грунта; для некоторых районов Край него Севера СССР они составляют иногда 50% и свыше объема всего двадцатиметрового верхнего слоя грунтов, накладывая суще
ственный отпечаток на рельеф местности |
и создавая |
особые за |
|||
труднения строительства в этих районах. |
|
в мерзлых |
|||
Жильный и повторно-жильный |
льды расположены |
||||
и вечномерзлых грунтах часто |
в |
виде |
вертикальных жил, в |
||
большинстве случаев |
клинообразных, |
суживающихся |
с глубиной, |
||
которые образовались |
в результате повторного морозного растрес- |
Рис. 24. Карта распро странения повторно-жи льных льдов в СССР
(составили П. А. Шум-
ский |
и Б. |
И. Втюрин): |
|
1 — область и |
южная |
грани |
|
ца распространения |
ископа |
||
емых |
повторно-жильных |
||
льдов; |
2 — область и южная |
граница распространения ис
копаемых |
н |
современных |
|
повторно-жильных |
льдов; |
||
3 — южная граница |
области |
||
распространения |
многолетне- |
||
мерзлых |
горных |
пород; 4 — |
|
районы |
распространения |
толщ льдистых (содержащих
жильные |
льды) |
|
пылеватых |
|
пород |
большой |
|
мощности; |
|
5 — районы |
распространения |
|||
толщ |
льдистых |
|
пылеватых |
|
пород |
незначительной мощ |
|||
ности; |
б — залежи |
жильных |
||
льдов |
по |
данным |
наземных |
|
исследований; |
7 — залежи |
|||
жильных льдов |
по данным |
наблюдений за жильно-по лигональным рельефом с са молета; 8 — ледники
кивания грунтов с последующим заполнением трещин водой и ее замерзанием *.
Повторно-жильные льды имеют широкое распространение на огоомной территории Севера СССР (рис. 24) **.
В настоящее время доказано (многими исследователями и в первую очередь П. А. Шумским в СССР, Р. Влеком — на Аляске и в Канаде и др.) жильное происхождение крупных скоплений под земного льда.
Наибольшее развитие повторно-жильные льды имеют в аллю виальных грунтах в пойменных террасах и могут иметь вертикаль ное протяжение в несколько десятков метров и ширину по верху до 10 м. Эти льды по составу отличаются от других льдов обилием, главным образом, грунтовых примесей, что обусловлено способом их образования — заполнением морозобойных трещин грунтовой водой и разжиженным грунтом. Количество твердых минеральных примесей в повторно-жильных льдах может достигать, по Шумскому, до 3—5% от общего веса льда, а объем заполненных газом полостей — до 4—6% от общего объема. Однако повторно-жильные льды слабо минерализованы и соответствуют составу поверхност ных вод.
В плане повторно-жильные льды образуют полигональную ре шетку, с размерами, изменяющимися в широких пределах — от нескольких до 100 м и более при числе углов в полигоне от 3 до 6, образуя трещинно-полигональный рельеф местности.
Повторно-жильные льды в северных областях залегания вечно мерзлых пород являются причиной широко распространенного на Крайнем Севере термокарста, т. е. образования провалов (карстов) вследствие протаивания повторно-жильных льдов.
Местом зарождения термокарста являются, как правило, поли гональные пересечения жильных льдов, обнаженных от мохового тундрового покрова. Провальные термокарстовые озера имеют поэтому во многих случаях (поданным С. П. Качурина ***) кусочно прямоугольную форму (рис. 25), обусловленную полигональным расположением повторно-жильных льдов.
В результате инженерных исследований, проведенных в Анады ре, установлено, что термокарстовые озера, возникающие по пов торно-жильным льдам, быстро расширяются в плане и в условиях равнинной местности перемещаются, оставаясь мелководными, так как ледяные жилы быстро выклиниваются с глубиной. Постоянный размыв оплывающих масс грунта и таяние жильного льда приводят к быстрому отступлению более высокого берега; образующийся шлейф создает новую просадочную толщу, которая после спада
* А. И. По п о в . Морозобойные трещины и проблема ископаемых льдов. Труды Института мерзлотоведения, т. XVI. Изд-во АН СССР, 1960.
**Доклады на Международной конференции по мерзлотоведению. Под ред.
Н.А. Цытовича. Изд-во АН СССР, 1963.
*** |
С. П. К а чурин . Термокарст на территории СССР. Изд-во АН |
СССР, |
1963. |
Таким образом, на формирование мерзлых и вечномерзлых грунтов влияют не только образования прослойков, линз и клинь ев льда, но и термокарстовые явления.
3. Погребенные льды образуются в том случае, когда фирновые льды и снежники постепенно засыпаются отложениями рыхлых гор ных пород или покрываются наносами весенних водных потоков. В стадии разрушения они характерны термокарстовыми западина ми, воронками, цирками и т. п.
До 1930-х годов в литературе погребенным льдам («фирновым полям») иногда придавали излишне большое значение в формиро вании подземных льдов. Новейшие же данные, например исследо вания в Центральной Якутии, показали, что подземные льды и в этом районе являются преимущественно повторно-жильными обра зованиями.
Из приведенного краткого описания видов подземных льдов, формирующихся в условиях вечномерзлых грунтов, вытекает, что изучение их важно как в научном отношении (как средство для установления генезиса всей вмещающей толщи вечномерзлых по род), так и особенно — для практических целей, так как наиболь шие затруднения при возведении сооружений в условиях вечно мерзлых грунтов, обусловливают именно подземные льды.
ОМИГРАЦИИ ВЛАГИ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ ГРУНТОВ
ИСИЛАХ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ
§1. Современное положение вопроса о миграции влаги
при промерзании грунтов
Как указывалось ранее, промерзание влажных дисперсных грунтов сопровождается рядом физических, физико-химических и физико-механических явлений и процессов. Исследования послед них десятилетий, как отечественные (работы М. И. Сумгина и Н. А. Цытовича, М. Н. Гольдштейна, Н. А. Пузакова, И. А. Тютюнова, 3. А.- Нерсесовой, А. М. Пчелинцева, В. О. Орлова и многих других), так и зарубежные (Буюкоса, Тебера, Бескова, Юмикиса, Пеннера и др.), показывают, что основным процессом в промерза ющих грунтах является перераспределение в них влажности вслед ствие миграции воды при промерзании и льдовыделение со всеми вытекающими из этих процессов следствиями.
Для обобщения материалов о миграции воды в промерзающих грунтах и обусловленного ею морозного пучения грунтов потребо валась бы обширная монография, что выходит за рамки настоящей работы. Подробные обзоры литературы по рассматриваемому во просу можно найти в работах: «Основы геокриологии» коллектива авторов Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР,
т. I и II (Изд-во АН СССР, 1959); В. О. Орлова «Криогенное пуче ние тонкодисперсных грунтов» (Изд-во АН СССР, 1962); «Теплофи зика промерзающих и протаивающих грунтов» коллектива авторов под ред. Г. В. Порхаева (Изд-во АН СССР, 1964); А. М. Пчелинце ва «Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов»
(Изд-во «Наука», 1964); Н. С. Иванова «Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах» (Изд-во «Наука», 1969) и др.
При замерзании воды в грунтах не только резко скачкообразно изменяются свойства самих грунтов (во много раз увеличивается сцепление, а с ним и сопротивляемость внешним силам), но и зна чительно увеличивается объем мерзлого грунта, причем, как пра вило, это увеличение распределяется в грунте неравномерно.
Установлено, что при замерзании могут возникать такие усло вия, когда увеличение объема грунта вследствие миграции влаги к фронту промерзания и ее замерзания могут достигать десятков и даже сотен процентов.
Проблема миграции влаги при промерзании грунтов имеет очень большое значение; начиная с конца XIX в. многие исследо ватели занимались этой проблемой. Однако в результате чрезвы чайной сложности процесса миграции влаги при промерзании грун тов и влияния на этот процесс ряда различных факторов физика процесса миграции влаги в грунтах в настоящее время еще недо статочно изучена. Было предложено несколько теорий миграции влаги при промерзании грунтов, отвечающих тем или иным наблю-
58
даемым явлениям, но расчетная теория, которая в общем случае давала бы количественно верные результаты, пока не разработана.
Осветим весьма кратко основные |
теории |
миграции |
влаги при |
|
промерзании грунтов и наметим хотя бы ориентировочно |
(если это |
|||
окажется возможным) области их применимости. |
изложены |
|||
Следует указать, что |
подробно |
теории |
миграции |
|
в цитируемой в настоящем |
параграфе литературе *, поэтому нет |
необходимости их детально излагать.
Одной из первых в России была предложена «капиллярная тео рия пор замерзания» (В. И. Штукенберг, 1885 г.), согласно которой впервые было принято, что причиной морозного пучения грунтов яв ляется миграция влаги к фронту промерзания вследствие подъема воды по капиллярам, образованным трещинами и «порами замер зания». Однако возникновение «пор замерзания», а также капил лярных менисков на границе промерзания не было подтверждено опытами, и эта теория не получила дальнейшего развития.
К. О. Никифоровым (1912 г.), М. И. Сумгиным (1929 г.) и др. на основании наблюдений за процессами бугрообразования в усло виях вечномерзлых грунтов была предложена «теория напорных давлений», которая по современным воззрениям применима лишь для случая промерзания водонасыщенных грунтов в закрытых (замкнутых) системах.
В двадцатых годах XX в. была разработана очень важная тео
рия пленочной миграции воды |
во влажных |
дисперсных грунтах |
|
(А. Ф. Лебедев, |
1919 г., Г. Бесков, 1935 г. и др.), применимая как к |
||
немерзлым, так |
с известными |
дополнениями |
и к промерзающим |
дисперсным грунтам.
Для объяснения процессов, возникающих при кристаллизации льда в замерзающих грунтах, была предложена «теория сил крис таллизации». (Буюкос, 1923 г., Тебер, 1929 г. и др.)» которая до полняет теорию пленочной миграции для случая промерзающих грунтов, но не дает объяснения миграции воды в грунтах при по ложительных температурах и не является, таким образом, общей теорией.
Теории пленочной миграции влаги в промерзающих грунтах
близка «теория |
осмотических давлений» (М. Н. Гольдштейн, |
|||||
1948 г.), которая, однако, как |
показано А. П. Боженовой**, лишь |
|||||
в незначительной мере |
определяет |
механизм |
миграции |
влаги в |
||
промерзающих |
грунтах, |
так |
как |
ощутимые |
результаты |
осмоса |
наблюдаются лишь при значительной концентрации раствора со лей в норовой воде.
ла |
В Последние десятилетия довольно широкое признание получи |
||
обобщенная |
«теория сил |
всасывания» (Р. Рюкли, 1943 г., |
|
Н. |
А. Пузаков, |
1960 г. и др.), |
в которой силы всасывания прини |
маются как некоторый расчетный эквивалент суммарного действия сил миграции, но не рассматривается природа последних.
* См., например, монографию В. О. Орлова. Изд-во АН СССР, 1962 |
и др. |
** А. П. Б о ж е н о в а . Значение осмотических сил в процессе миграции вла |
|
ги. Материалы по лабораторным исследованиям, сб. № 3. Изд-во АН СССР, |
1957. |