Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Физико-химическая природа криогенного деформирования дисперсных пород

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Физико-химическая природа криогенного деформирования дисперсных пород"

^.С и л '±" 777Г

~ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет

На правах рукописи УДК: 551.345.2

ЛЕБЕДЕНКО Юрий Павлович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА КРИОГЕННОГО ДЕФОРМИРОВАНИИ ДИСПЕРСНЫХ ПОРОД

Специальность 04.00.07 — инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-мииералогических наук

Москва — 1988

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор гео- • лого-минералогических наук, профессор Б. А. Савельев, доктор геолого-минералогических наук, профессор С. Е. Гре-чищев,

доктор технических наук, профессор Н. В. Чураев.

Ведущее предприятие—Центральный Трест ордена «Знак Почета» строительных изысканий Госстроя РСФСР.

Защита диссертации состоится «_>_1988 года

в часов на заседании специализированного ученого совета по гидрогеологии, инженерной геологии и мерзлотоведению (Д.053.05.27) при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория_.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.

Автореферат разослан «_»_1988 г.

Ученый секретарь специализированного совета ^^

профессор СУ^'-^Э в- и- Осипов

> ВВЕДЕНИЕ

. •

-—---Актуальность работы. Интенсивное освоение северных территорий нашей страны, до 50% которой занимают многолетне-мерзлые породы, невозможно без дальнейшего углубленного изучения и решения целого ряда теоретических и экспериментальных проблем общей и инженерной геокриологии. Это требует всестороннего совершенствования, перестройки и формирования новых направлений исследований, обеспечивающих более высокий научный уровень изучения физической сущности и законов развития криогенных процессов и явлений. Одной из актуальных проблем в геокриологии являются исследования деформаций в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах, от изученности которых зависит успешное развитие как теоретических вопросов механики мерзлых пород, так п решение практических инженерно-геокриологических задач по оценке устойчивости сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

Развитие деформаций в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах вызвано действием на них как внешних механических сил, так и внутренних сил и давлений между компонентами, фазами, отдельными агрегатами и частями грунтовой системы, протеканием физико-химических, тепло- и мас-сообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов. Эти процессы постоянно привлекали к себе внимание многих исследователей и к настоящему времени у нас уже накоплен богатый теоретический и экспериментальный материал. Наиболее крупными исследованиями, позволившими обосновать целый ряд фундаментальных положений и сформулировать различные научные направления в области физико-химии, тепло- и массопереноса, петрографии и механики мерзлых пород, явились работы А. А. Ананяна, А. П. Боженовой,

A. Е. Втюриной и Б. И. Втюрина, И. Н. Вотякова, С. С. Вяло-ва, А. М. Глобуса, М. Н. Гольдштейна, С. Е. Гречищева, Б. В. Дерягина и Н. В. Чураева, Э. Д. Ершова, Т. Н. Жестко-вой, Е. М. Катасонова, В. Н. Конищева, Я. А. Кроннка,

B. Я. Лапшина, Р. Г. Максимяк, В. JI. Невечери, 3. А. Нерсе-совой, В. О. Орлова, Н. А. Перетрухина, А. И. Попова, Н. А. Пузакова, А. М. Пчелинцева, В. В. Рогова, Б. А. Савельева, В. И. Соломатина, И. А. Тютюнова, С. Б. Ухова, Г. М. Фельдмана и В. Е. Борозинца, Н. А. Цытовича, В. П Че-. верева, JI. В. Чиетотиетова', R. Miller, Е. Penner, R. Hoekstra, Hallet, Linnel, Koplar, F. Raddv D. Oertie и др.

Длительное время эти направления развивались раздельно и были нацелены на самостоятельные исследования физико-химических, механических, структурообразовательных и мас-сообменных процессов. Вместе с тем становится очевидным, что без совместного изучения и анализа взаимосвязей этих процессов на сегодняшний день невозможно познание фундаментальных основ теории их развития. Поэтому настоящая работа посвящена комплексному исследованию механических, физико-химических, массообменных, структуро- и текстурооб-разовательных процессов в мерзлых, промерзающих и протаивающих дисперсных породах с целью разработки физико-химических основ их криогенного деформирования при миграции ионов, нормальном и обратном осмосе влаги, инъекционном, фильтрационно-компрессионном и напорно-миграционном механизмах массопереноса, криогенном структуро- и текстуро-образовании.

Цель и задачи работы. В соответствии с этим целью работы является разработка на стыке физико-химии, тепло-массопе-реноса и механики грунтов нового научного направления исследований— физико-химических основ криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород с единых позиций развития в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах физико-химических, массообменных, механических, структуро- и текстурообразовательных процессов на базе теоретических обобщений и экспериментальных проработок механизмов, движущих сил, термодинамических условий и закономерностей их развития.

В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:

— разработать методику комплексных лабораторных и натурных исследований деформаций и напряжений в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах в различных термодинамических условиях; с этой целью создать ряд новых экспериментальных установок по сегрегационному, инъекционному, осмотическому деформированию и пр.;

— выявить общие причины и основные термодинамические параметры, определяющие деформации в дисперсных породах на основе обобщения и анализа различных движущих сил и механизмов массопереноса и криогенного деформирования и, в итоге, разработать теоретические основы деформирования мерзлых, промерзающих и протаивающих пород с единых позиций развития в них физико-химических, массообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов;

— исследовать кинетику и закономерности криогенного деформирования влагонасыщенных пород в зависимости от их дисперсности, химико-минерального состава и строения, плотности и влажности, структурно-текстурных особенностей, условий промерзания, протаивания, инъекционного льдовыделенпя и засоления, и объяснить их на основе вскрытых механизмов и природы развития процессов;

— провести полевые исследования деформаций и напряжений в сезонноталом слое с целью сравнения полученных закономерностей в лабораторных и полевых условиях и разработать рассчетную схему количественной оценки пучения при промерзании и осадки при оттаивании;

— установить взаимосвязь между параметрами, определяющими деформации пород сезонноталого слоя, и геолого-климатическими характеристиками и на основе лабораторных и полевых исследований природы и закономерностей деформирования разработать основные принципы и методику картирования типов пучения пород при промерзании и осадки при оттаивании с целью прогнозной оценки их пучинистости и про-садочности.

Научная новизна работы. Используя разработанную автором комплексную методику лабораторных и полевых исследований физико-химических, массообменных и механических процессов, структуро- и текстурообразования, выполнен большой объем методических, экспериментальных и теоретических проработок, проведены анализ и обобщение имеющихся данных и получены следующие научные результаты, отражающие новизну настоящей работы:

— разработаны теоретические основы криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород с единых позиций взаимосвязи физико-химических, массообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов; сделаны обобщения и экспериментально выявлены механизм, движущие силы и кинетика их развития и на этой основе разработаны единые положения теории криогенного деформирования промерзающих, протаивающих и мерзлых пород;

— выполнены теоретические и экспериментальные разработки термодинамических условий криогенного деформирования, в результате которых исследованы взаимосвязи между расклинивающим давлением водных пленок, движущими силами миграции влаги, прочностью структурных связей и внешней компрессионной нагрузкой, позволившие сформулировать необходимое условие криогенного деформирования; изучены взаимосвязи между давлением в водных пленках, длительной

и мгновенной прочностью пород, позволившие сформулировать достаточное условие криогенного пластично-вязкого деформирования и разрушения пород; с этой целью впервые проведен комплекс экспериментальных исследований по инъекции влаги в промерзающие и мерзлые породы, по их осмотическому деформированию и компрессионному уплотнению при засолении и промерзании в различных термодинамических условиях;

— установлена связь как физико-химических процессов с деформированием пород, так и обратная взаимосвязь, т. е. выявлена роль механических напряжений в формировании движущих сил миграции влаги и в развитии процессов влаго-переноса; показано, что течение тонких пленок незамерзшей воды под действием механических напряжений приводит к перераспределению льдистости и преобразованию криогенного макро- и микростроения, изменяющих характер пластично-вязкого деформирования дисперсных мерзлых пород при длительном действии на них внешней нагрузки;

— получены новые научные теоретические и экспериментальные разработки физико-химической природы деформирования мерзлых пород при взаимодействии их с водными растворами солей; выявлены конвективный, адсорбционный н диффузионный механизмы миграции ионов, движущие силы нормального и обратного осмоса влаги, проведена количественная оценка их роли в процессах массопереноса, исследована кинетика развития деформаций и осмотических давлений, определены условия развития отрицательных (осадки) и положительных (пучения) деформаций, а также оптимальные термодинамические условия для формирования максимальных осмотических деформаций;

— выявлены основные термодинамические параметры криогенного деформирования в зависимости от вклада различных определяющих его механизмов и на основе комплексных лабораторных и полевых исследований разработана рассчетная схема количественной оценки деформаций пучения при промерзании и осадки при оттаивании с учетом сегрегации льда в их мерзлой зоне;

—■ определены и обобщены количественные закономерности развития общих и частных составляющих положительных и отрицательных деформаций в мерзлых породах, взаимодействующих с водными растворами солей при одновременном действии статической нагрузки и гидродинамического давления, промерзающих в условиях открытой и закрытой систем при свободной и напорной миграции влаги и действии внешней нагрузки, в оттаивающих породах в условиях сегрегации

льда в их мерзлой зоне в лабораторных и полевых условиях в зависимости от дисперсности пород, химико-минерального состава и строения, их плотности и влажности, структурно-текстурных особенностей, режимов промерзания и протаивания, условий засоления и инъекции влаги и пр.;

— установлена взаимосвязь между параметрами, определяющими деформации пород сезонноталого слоя, и геолого-климатическими характеристиками; разработана методика картирования типов пучения промерзающих пород и заложена принципиальная основа методики картирования деформаций осадки сезонноталого слоя с учетом сегрегационного льдовы-деления в подстилающих многолетнемерзлых породах и произведена увязка основных термодинамических параметров, определяющих деформации пород, с литолого-климатическими условиями района.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Комплекс решенных в работе задач, связанных с криогенным деформированием мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород и развитием в них процессов пучения, усадки и осадки, обусловливающих деформации инженерных сооружений, имеет очевидное практическое значение при решении вопросов инженерной геокриологии и механики мерзлых пород.

Разрабатываемое новое научное направление исследований физико-химических основ криогенного деформирования дисперсных пород позволит в дальнейшем оценивать деформации грунтов, вызываемые не только механическим, но и химическим воздействием на них растворов солей, кислот и оснований и других химически активных реагентов. Поэтому особую актуальность в практическом отношении эти вопросы приобретают в связи с проблемой техногенного засоления и загрязнения северных территорий, решением практических вопросов охраны и рационального использования окружающей среды.

Полученные результаты уже нашли применение в практике инженерно-геологических изысканий при оценке развития процессов пучения промерзающих пород. Выполненные автором теоретические и практические разработки реализуются научно-исследовательскими организациями и территориальными трестами объединения «Стройизыскания», а также экспедициями геологического факультета МГУ и др. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в практику инженерно-геологических изысканий составит 133680 рублей. Ряд методических положений и научных выводов работы

уже используются в учебном процессе по курсу «Физика, химия и механика мерзлых пород», «Инженерная геокриология», «Петрография мерзлых пород», «Общая геокриология» и вошли в новые издания учебников по этим курсам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на секции «Физнко-химия мерзлых пород и льда» расширенного заседания Научного Совета по Криологии Земли АН СССР в 1982, 1984, 1985, 1986, 1987 гг.; на межфакультетском семинаре МГУ по физико-химической механике дисперсных систем (1986 г.), на Ломоносовских чтениях геологического факультета МГУ (1985 г.), на III Международной конференции по мерзлотоведению (Канада, Эдмонтон, 1978 г.), на IV Международной конференции по мерзлотоведению (США, Фербенкс, 1983 г.), в многочисленных докладах и сообщениях на всесоюзных, республиканских, междуведомственных зональных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах по повышению эффективности инженерно-геологических изысканий, рациональному проектированию и строительству, геокриологическому прогнозу и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, из них отдельные разделы в четырех монографиях.

Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ. В основу ее положены многолетние (с 1973 г.) экспериментальные лабораторные и (с 1978 г.) полевые стационарные исследования деформирования пород сезонноталого слоя в районе средней части п-ва Ямал. Являясь ответственным исполнителем ряда госбюджетных тем, выполнявшихся в соответствии с Постановлением ГКНТ Совета Министров СССР, на протяжении длительного времени автор возглавлял группу сотрудников, проводивших работы в этом направлении. В ходе работы он непосредственно занимался вопросами подготовки, планирования и проведения лабораторных и полевых исследований. Все теоретические проработки, осмысление, анализ и обобщение материалов в полном объеме настоящей работы выполнены лично автором.

Структура и объем работы. Работа содержит 300 страниц машинописного текста, 163 иллюстрации, 14 таблиц, состоит из введения, 3 разделов, включающих 8 глав, выводов и списка литературы из 228 наименований. Очевидно, что получение принципиально нового фактического материала и на его основе разработка научного направления исследований невозможно без глубоких методических проработок, конструирования и создания оригинальных экспериментальных установок

и отработки методики ведения опытов на них. Все эти вопросы, а также изученность проблемы и объекта исследований нашли отражение в I разделе работы. Разработанные автором новые теоретические положения по исследуемой проблеме, изучение природы и механизма развития практически не изученного процесса деформирования мерзлых пород, вызванного их взаимодействием с водными растворами, физико-химическими, массообменными, структуро- и текстурообразователь-ными процессами, изложены во II разделе работы. Наконец, весь лабораторный и полевой материал, отражающий закономерности развития криогенного деформирования и массопере-носа, структуро- и текстурообразования в мерзлых, промерзающих и оттаивающих породах разной дисперсности, химико-минерального состава и строения в различных термодинамических условиях, послуживший основой для экспериментального обоснования теоретических разработок и формирования современных представлений, приведены в III разделе работы.

Такой объем экспериментальных исследований, методических проработок и практическая реализация планов были бы невозможны без плодотворной работы целого коллектива лаборатории криолитогенеза кафедры геокриологии МГУ, увлеченного творческого поиска студентов и аспирантов при выполнении научных работ, помощи и поддержки сотрудников кафедры и коллег. Всем, с кем приходилось напряженно работать в течение этих лет, чья помощь, советы и внимание способствовали успешному выполнению этих исследований, я искренне приношу свою благодарность.

Направляющее начало этим исследованиям и их последующее руководство было дано и всецело осуществлялось заведующим кафедрой геокриологии профессором Э. Д. Ершовым, за что приношу ему глубокую признательность.

Автор выражает искреннюю благодарность канд. геол.-мин. наук Е. М. Чувилину, В. Г. Чевереву, Л. В. Шевченко, И. А. Комарову, П. С. Дадько, Ю. П. Акимову, Э. 3. Кучукову, А. В. Брушкову, аспирантам и соискателям канд. геол.-мин. наук В. Д. Ершову, В. С. Петрову, В. В. Кондакову, О. М. Язы-нину, сотрудникам кафедры проф. И. Д. Данилову, проф. Н. Н. Романовскому, доцентам Н. Ф. Полтеву, В. Е. Романовскому, докторам геол.-мин. наук Л. С. Гарагуле, Т. Н. Жестко-вой, Г. И. Дубикову, зав. лаб. канд. геол.-мин. наук К- А. Кондратьевой за полезные советы л помощь при выполнении исследований, ученым и специалистам многих организаций— чл.-корр. АН СССР П. Ф. Швецову, чл.-корр. АН СССР В. И. Осипову, профессорам С. С. Вялову, А М. Гло-

бусу, Г. М. Фельдману, В. О. Орлову, И. А. Тютюнову, а также канд. геол.-мин. наук В. Е. Борозинцу, Ю. В. Кулешову, В. Н. Кутергину, В. Л Невечере, Ю. В. Сафронову, С. М. Тихомирову, А. О. Филатову, С. Д. Филимонову, Л. В. Чистоти-нову и другим за ценные консультации и поддержку.

Большую помощь в проведении исследований микрострое-ння пород на растровом электронном микроскопе оказала лаборатория микроструктурных исследований кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды МГУ, за что приношу глубокую признательность чл.-корр. АН СССР

B. И. Осипову, канд. геол.-мин. наук В. Н. Соколову, Н. А. Румянцевой.

Наконец, эта работа не могла быть выполнена без каждодневной помощи сотрудников лаборатории инж. Л. А. Никули-чевой, ст. инженеров. Р. Г. Мотенко, В. И. Артюишной, А. В. Первакова, В. Н. Смирновой, О. Н. Патрик, инженеров

C. М. Баранова, П. Н. Козачка, Т. Н. Касатковой, техников и лаборантов В. Н. Пряхина, О. Ткачевой, В. В. Левитина и других, за что им весьма благодарен.

РАЗДЕЛ I

ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

МЕТОДИКА И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА I. Изученность криогенного деформирования и массообменных процессов в промерзающих, протаивающих и мерзлых породах

В последнее время экспериментальные исследования находят все более широкое применение при изучении различных криогенных процессов. Действительно, без широкого комплекса специальных лабораторных работ практически невозможно выявить физическую сущность и механизмы развития тепловых, массообменных, механических, химических и иных процессов, протекающих при промерзании и оттаивании пород. Вместе с тем изучение законов их развития в мерзлых породах, представляющих собой многокомпонентную, многофазную, полндисперсную, капиллярно-пористую систему, является весьма сложной задачей, включающей решение целого ряда крупных проблем. В результате экспериментальных и теоретических исследований на сегодняшний день уже оформились самостоятельнее направления в изучении мерзлых пород, вклю-

чающие проблемы «Механики мерзлых грунтов», «Теплофизики мерзлых пород», «Тепло- и массопереноса в мерзлых породах», а в последнее время формируется еще одно новое направление, рассматривающее вопросы химии мерзлых пород. Уровень изученности каждого из них различен.

Багодаря работам Н. А. Цытовича, С. С. Вялова, С. Е. Гре-чищева, Е. П. Шушернной, Н. К- Пекарской, И. Н. Вотякова, М. Н. Гольдштейна, Ю. К. Зарецкого, Б. И. Далматова, К- Ф. Вайтковского, А. В. Садовского, А. Г. Бродской, Л. Т. Роман, С. Э. Городецкого, Р. В. Максимяк, С. М. Тихомирова, Ю. В. Кулешова, О. А. Кондаковой и других собран большой фактический материал по вопросам механики мерзлых пород. Причем интенсивное изучение механических процессов и свойств мерзлых пород в первую очередь определялось практической потребностью, связанной со строительством на мерзлых породах. По существу, "уже разработаны основные теоретические положения механики мерзлых грунтов, определены прочностные и деформационные свойства пород различного состава, влажности, плотности, структуры и текстуры в широком диапазоне отрицательных температур. Особенно интенсивно в последнее время исследовались вопросы реологии мерзлых пород и их реологические свойства (С. С. Вялов, Е. П. Шушерина, С. Е. Гречнщев, Э. Д. Ершов и др.). Однако, несмотря на большие достижения в области механики мерзлых грунтов, пока что недостаточно изучено их поведение при длительной ползучести, когда важную роль в деформировании играют пластично-вязкие свойства тонких пленок незамерзшей воды и процессы массопереноса. Слабо исследована связь макро- и микроструктурных и текстурных преобразований с процессами деформирования и разрушения мерзлых пород. Несмотря на полученные в последнее время С. С. Вяловым, Р. В. Максимяк, В. Д. Роггенсакоми Н. Р. Моргенштерном данные о структурно-текстурных преобразованиях и миграции незамерзшей воды в поле механических напряжений, эти вопросы еще нуждаются в дополнительных глубоких исследованиях. Особое практическое значение они приобретают в связи с прогнозом изменения деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтовых оснований, длительное время находящихся в период эксплуатации под воздействием фундамента.

В отличие от механики мерзлых грунтов значительно в меньшей степени изучены вопросы механики оттаивающих и особенно промерзающих пород. Это в первую очередь связано со сложностью развития напряженно-деформированного состояния при механических воздействиях на промерзающие и от-

таивающие породы, в которых протекает целый комплекс теп-ло-массообменных, физико-химических, структуро- и тексту-рообразующих процессов. Поэтому полученные данные при исследовании деформационно-прочностных свойств оттаивающих пород в значительной степени зависят от внешних условий оттаивания: градиента температуры и скорости оттаивания, наличия внешних источников и стоков воды и пр. (Е. П. Шушерина, М. Ф. Киселев, В. М. Пономарев, Ю. Г. Федосеев, Э. Д. Ершов и др.). При переходе мерзлой породы в талое состояние одновременно с тепловой осадкой в талой зоне протекают процессы набухания и усадки, а в мерзлой, еще не оттаявшей зоне,— сегрегационное льдонакопление и пученне. Оценка роли этих процессов в развитии деформаций оттаивающих пород является важной и слабо исследованной задачей.

Действие внешнего давления на промерзающие породы, как было показано в работах В. Б. Швеца, Н. Н. Морарескула, В. Д. Карлова, Н. А. Толкачева, С. Тебера и других, приводит не только к уменьшению интенсивности развития процесса пучения, но и при критических внешних нагрузках к полному его затуханию и к уплотнению пород. Однако вопросы механики промерзающих пород, развития в них деформаций при одновременном действии внешних и внутренних сил в условиях интенсивного тепло- и массопереноса, структуро- и текстурооб-разования остаются на сегодняшний день еще слабо изученными. Практически не исследованными оставались и вопросы пластично-вязкого деформирования мерзлых пород, вызванного течением тонких пленок незамерзшей воды и инъекционного льдовыделения при длительном действии на них гидростатического давления.

При изучении деформаций промерзающих пород основное внимание уделялось вопросам миграции влаги (И. А. Тютюнов, 3. А. Нерсесова, А. А. Ананян, Э. Д. Ершов, Б. А. Савельев, Л. В. Чистотинов, В. Г. Чеверев, Ю. П. Лебеденко, Г. М. Фельдман, В. Е. Борозинец, О. М. Язынин и др.). В результате получены количественные данные о миграционных потоках влаги, коэффициентах диффузии и влагопроводности пород. В меньшей степени изучены вопросы миграции ионов и химических элементов в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах и их роль в процессах деформирования. Существуют лишь единичные экспериментальные данные о диффузии ионов в мерзлых породах (И. А. Тютюнов, М. М. Дербенева) и практически отсутствовали данные по хемогенному их деформированию.

Несмотря на большой экспериментальный материал по криогенному текстурообразованию в промерзающих, мерзлых и протаивающих породах (И. А. Тютюнов, 3. А. Нерсесова,

A. А. Ананян, Э. Д. Ершов, Т. Н. Жесткова, Л. В. Чистотинов,

B. Я- Лапшин, В. Г. Чеверев, Ю. П. Лебеденко, Л. В. Шевченко, Г. М. Фельдман, В. Е. Борозинец, В. В. Кондаков и др.) процессы структурообразования и связь их с деформированием пород (Р. В. Максимяк, Е. П. Шушерина, В. В. Рогов, Т. Н. Жесткова, Е. М. Чувилин, О. М. Язынин и др.) оставались слабо изученными. Все это предопределило цель и задачи настоящих исследований.

ГЛАВА II. Методика исследований

Одной из важных задач настоящих исследований являлась разработка методики комплексного изучения деформаций в мерзлых, промерзающих и протаивающих дисперсных породах в лабораторных и полевых условиях. Поэтому в этой главе рассматриваются конструкции созданных новых лабораторных установок, методика ведения опытов на них и полевых стационарных наблюдений, а также методика обработки результатов.

Установка служила для изучения криогенного деформирования промерзающих, протаивающих и мерзлых пород при моделировании одномерных и многомерных задач тепло- и мас-сопереноса. Они позволяли в комплексе изучать физико-химические, массообменные и механические процессы, криогенное структуро- и текстурообразование в породах, исследовать их при различных видах деформирования: одноосном сжатии, сдвиге, компрессии. Комплексность исследований давала возможность определять целый ряд параметров и характеристик: общие и относительные деформации, модули и скорости деформаций пучения, усадки, набухания, осадки, миграционные потоки влаги и ионов солей, коэффициенты массопереноса и другие параметры, определяющие криогенное деформирование пород. В результате были разработаны новые методы исследования пластично-вязкого деформирования при инъекции влаги в мерзлые и промерзающие породы, методы изучения деформаций и напряжений при миграции ионов, нормальном и обратном осмосе влаги, при компрессионном уплотнении промерзающих пород и нелитифицированных осадков, деформаций оттаивающих пород в условиях сегрегации льда в их мерзлой зоне, а также полевые методы исследования деформаций

и напряжений в слое сезонного оттаивания в различных лнто-лого-климатических условиях.

Полевые исследования на стационарных площадках в средней части п-ва Ямал (режимная станция Тюрин-То) были проведены с целью проверки результатов лабораторных работ н отработки методики картирования типов пучения и осадки се-зонноталого слоя. На основе природных ландшафтных комплексов в изучаемом районе выделено 6 микрорайонов, на которых и были оборудованы стационарные наблюдательные площадки за деформациями, напряжениями, процессами тепло- и массопереноса, структуро- н текстурообразования.

На каждой из площадок были пробурены специальные скважины для наблюдений за температурным режимом пород и установлены датчики деформаций и напряжений, шурфы для визуального наблюдения за криогенным текстурообразова-нием. В ходе сезонного промерзания и оттаивания производился послойный отбор проб на влажность и плотность грунта, исследования криогенного микростроения с помощью реплик.

В итоге на базе новых разработанных установок и приборов создана методика комплексного исследования криогенного деформирования дисперсных мерзлых пород, взаимодействующих с водными растворами солей при одновременном действии статической нагрузки и гидродинамического давления, промерзающих в условиях закрытой и открытой системы — при свободной и напорной миграции влаги и действия внешней нагрузки, оттаивающих пород — в условиях сегрегации льда в их мерзлой зоне, промерзающих нелитифицированных осадков в лабораторных условиях, а также пучения и осадки сезонно-талого слоя в полевых условиях, позволившая получить обширный экспериментальный материал и решить поставленные задачи исследований.

ГЛАВА III. Характеристика пород и района полевых стационарных исследований

Объектом исследования служили тонкодисперсные породы, изучаемые процессы в которых имеют преимущественное развитие. Для изучения двухсторонних зависимостей из большого разнообразия пород были выбраны однородные мономинеральные глины палеогенового возраста: каолинитовая еР2 (Глуховецкого месторождения) и монт^шриллонитовая ePiOgl (Огланлинского месторождения) элювиального генезиса и по-лимине.раль'ная mP2kv (Киевского месторождения) морского

генезиса, на которых производились исследования влияния минерального состава. Влияние дисперсности изучалось на северных полимннеральных пылеватых песках, супесях, суглинках и глинах различного генезиса и возраста (аллювиального, гля-циально-морского и морского генезиса, юрского и четвертичного возраста), отобранные как из слоя сезонного оттаивания и многолетнемерзлых пород, так и из слоя сезонного промерзания вне области вечной мерзлоты.

Исследования проводились в основном на образцах нарушенного сложения, подготовленных по специально отработанной методике, позволяющей получать достаточно однородные образцы и необходимую повторность опытов.-Полученные закономерности на образцах нарушенного сложения проверялись на грунтах естественного сложения. Грунты были отобраны экспедициями кафедр геокриологии и инженерной геологии и охраны геологической среды МГУ и Минералогическим музеем им. А. Е. Ферсмана АН СССР. Исследование состава и основных свойств грунтов были выполнены институтом «Фунда-ментпроект», на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды и кафедре геокриологии МГУ.

РАЗДЕЛ II

ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ

ГЛАВА IV. Термодинамические основы и движущие силы массопереноса и криогенного деформирования дисперсных пород

Важной задачей этих исследований являлась разработка теоретических основ криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород, в результате которых сформулированы общие принципиальные положения теории криогенного деформирования на основе анализа соотношения между движущими силами миграции влаги, расклинивающим давлением водных пленок, прочностью структурных связей пород и внешней нагрузкой. Это позволило с общих позиций и на базе экспериментальных данных обосновать термодинамические условия развития деформаций в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах. Так, взаимодействие между минеральными частицами и льдом во влагонасыщенных дисперсных породах происходит через пленки незамерзшей воды и зависит от дав-

ления в этих пленках и прочности структурных связей. Поэтому при температурных, механических, химических, гидростатических и других воздействиях на дисперсные породы имеет место пленочный механизм пластично-вязкого деформирования, обусловленный течением водных пленок, гидратацией и дегидратацией минеральных частиц, нарушением равновесия и фазовыми переходами лед — незамерзшая вода. Было установлено, что до 70—90% от общей величины положительных деформаций связано с процессом влагопереноса. При этом давление в водных пленках, обусловленное миграцией влаги, изменяется не произвольно, а закономерно. Оно достигает лишь таких значений, при которых движущие силы уменьшаются ровно на столько, чтобы обеспечить скорость миграции влаги, соответствующую скорости развития положительных деформаций. С ростом внешней нагрузки или увеличением прочности структурных связей пропорционально уменьшению скорости миграции влаги уменьшается и скорость развития положительных деформаций. Установлено, что необходимым термодинамическим условием для развития положительных деформаций, связанных с миграцией влаги, является превышение расклинивающего давления водных пленок над прочностью структурных связей, а для отрицательных деформаций пород при их компрессионном уплотнении превышение внешней нагрузки над расклинивающим давлением водных пленок.

Изучение деформаций дисперсных пород показало, что не только при механическом, но и при химическом воздействии на мерзлые породы происходит интенсивное их деформирование, обусловленное протеканием физико-химических и массооб-менных процессов. При этом имеют место как отрицательные деформации, вызванные фазовыми переходами льда в воду, в связи с переносом ионов, так и положительные, обусловленные миграцией влаги, фазовыми переходами воды в лед и льдонакоплением.

Исследование причин массопереноса в мерзлых засоляемых породах показало, что миграция ионов связана с действием нескольких механизмов: концентрационной диффузией, конвективным и адсорбционным механизмами переноса; установлено, что в области высоких отрицательных температур (—0,5-^- —0,8°С) на долю конвективного потока приходится до 70% от общего потока ионов, в области же низких температур (ниже —8 --10°С), когда основные фазовые переходы

влаги завершены, главным механизмом миграции ионов является адсорбционный. В зависимости от концентрации внешнего раствора, взаимодействующего с мерзлыми породами, проис-

к>

ходит как осмотический поток воды из мерзлых пород во внешний раствор и осмотическое их осушение, так и обратный осмос воды в направлении, совпадающем с диффузионным потоком ионов, т. е. из внешнего раствора в мерзлую породу. При высоких концентрациях внешнего раствора имеет место осмотический поток воды, а при низких — обратный осмос; концентрация внешнего водного раствора, при которой нормальный осмос воды затухает и переходит в обратный, является критической, при которой миграции влаги не происходит, а общий термодинамический ее потенциал равен осмотическому потенциалу воды в растворе. Используя контактный метод уравновешивания потенциала водного раствора и грунтовой влаги, определены термодинамические потенциалы неза-мерзшей влаги в мерзлых породах. Установлено, что эти критические значения концентраций внешнего раствора возрастают с ростом дисперсности и понижением отрицательной температуры, что соответствует понижению общего термодинамического потенциала незамерзшей влаги.

В результате исследований механизма криогенного деформирования мерзлых пород, взаимодействующих с водными растворами солей, было установлено, что в зависимости от кинетики развития миграционных потоков влаги и ионов солей, процессов сегрегационного льдообразования, пучения и осадки имеют место различные типы кривых развития деформаций во времени. При больших потоках ионов по сравнению с водными потоками развиваются лишь деформации осадки и, наоборот, при высоком водном потоке влаги и меньших потоках ионов солей — деформации пучения; третий и четвертый промежуточные типы связаны: третий — с большим солевым потоком и осадкой в начале процесса засоления, переходящей в дальнейшем в процесс пучения за счет большего миграционного потока влаги и сегрегационного льдонакопления; четвертый — с интенсивной миграцией влаги, сегрегацией льда и пучением в начале засоления, сменяющимся в конце на процесс осадки.

Исследованы скорости деформирования и особенности их изменения от скорости миграции влаги; показано, что при развитии процесса пучения, скорости миграции влаги и пучения изменяются в прямо пропорциональной зависимости. Получены количественные данные по кинетике развития напряжений в мерзлых породах при обратном осмосе влаги; установлено, что при химическом взаимодействии водных растворов солей с мерзлыми породами в них развиваются давления набухания-распучивания, достигающие первых единиц мегапаскаль.

2 Зак. 1056

17

ГЛАВА V. Механизм деформирования промерзающих и протаивающих пород

Исследование деформаций в промерзающих и протаивающих породах позволили количественно оценить роль фазовых переходов и массообменных процессов в деформировании. В зависимости от соотношения положительных увеличивающих объем грунтовой системы и отрицательных деформаций возможно проявление как процесса пучения, так и осадки. В промерзающих породах положительные деформации связаны с миграцией влаги и распучиванием, а отрицательные — с физико-химической усадкой и фильтрационно-компрессионным уплотнением. При этом положительные деформации, как правило, превышают отрицательные и имеет место пучение пород. Установлено, что деформирование оттаивающих пород определяется суммой разнонаправленных деформаций, определяемых процессами усадки и набухания, сегрегационного льдовыделе-ння и тепловой осадкой при оттаивании, компрессионного уплотнения и ползучести пород в целом. При этом отрицательные деформации чаще всего превышают положительные и имеет место процесс осадки. Было установлено, что основную роль в развитии деформаций физико-химической природы играют процессы массопереноса. В высокодисперсных породах на них приходится до 80—90% от общей величины положительных деформаций, а на долю деформаций, вызванных фазовыми переходами, лишь 10—20%.

Результаты изучения криогенного деформирования пород при действии компрессионной нагрузки с одновременным их промораживанием, выполненные автором и другими исследователями (гл. I), положили начало формированию современных представлений о криогенной физико-химической механике промерзающих грунтов. Было установлено, что в одномерно промерзающих породах в условиях открытой системы существует критическое компрессионное давление, выше которого происходит отток влаги из образцов и их уплотнение, а при нагрузке ниже критической — сегрегационное льдовыделение и пучение. Экспериментально установлено, что значения этих критических давлений не постоянны и зависят от дисперсности и химико-минерального состава пород, возрастая от песков к глинам и от каолннитовых к монтмориллонитовым породам, а изменения движущих сил миграции влаги и внешнего компрессионного давления, уравновешивающих эти силы, связаны с режимом промерзания. Плотность миграционного потока

влаги и его движущие силы носят экстремальный характер в зависимости от скорости промерзания. В соответствии с этим экстремальные значения имеют и компрессионные давления, уравновешивающие движущие силы. Изучение напорной миграции влаги и льдовыделения показало, что увеличение гидростатического давления на породу и уменьшение компрессионного вызывает рост движущих сил переноса влаги и скорости криогенного деформирования.

Исследования оттаивающих пород показали, что процессы миграции влаги и сегрегации льда в их мерзлой зоне приводят не только к уменьшению деформаций осадки, но и к развитию пучения оттаивающих пород. В тех случаях, когда оттаивающий слой подстилают низкотемпературные мерзлые породы, положительные деформации, вызванные массопереносом, могут превысить отрицательные и произойдет общее поднятие, т. е. пучение оттаивающих пород. При наличии градиента температуры в мерзлой зоне оттаивающих пород возникающие там процессы влагопереноса приводят к значительным положительным деформациям, существенно уменьшающим величину осадки (в глинах до 80—90%) и в отдельных случаях (при наличии внешнего источника влаги) приводящих к их пучению.

ГЛАВА VI. Особенности массопереноса в мерзлых породах и различные механизмы их деформирования

В результате проведенных исследований выявлены особенности фильтрацпонно-инъекционного механизма деформирования. Экспериментально установлена возможность как мгновенного инъекционного разрушения с образованием инъекционного льда, так и длительного пластично-вязкого инъекционного деформирования. Установлено, что пластично-вязкое фильтрационно-инъекционное деформирование мерзлых пород происходит при медленной инъекции влаги в той области, где гидростатическое давление в водных пленках превышает длительную прочность структурных связей, но меньше мгновенной прочности в сумме с действием внешних сил. Необходимым условием для фильтрации связанной влаги в мерзлых породах является превышение гидродинамического давления над сдвиговой длительной прочностью водных пленок. Было показано, что при гидростатических давлениях выше длительной прочности водных пленок на сдвиг, но меньших прочности структурных связей в сумме с внешним сопротивлением пород дефор-

мированию происходит пластично-вязкое их течение без деформирования структуры порового пространства мерзлых пород. Это вызывает передачу гидростатического давления по пленкам незамерзшей воды при температурах до —4 -н —6°С и инъекционное льдовыделение на участках, удаленных от источника гидростатического давления. С ростом гидростатического давления плотность фильтрационного потока влаги возрастает. Одновременно уменьшаются время инъекционного льдообразования и мощность недеформируемой зоны, т. е. зоны транзитного переноса влаги. Мгновенное же инъекционное разрушение и образование инъекционного льда связано с гидроразрывом породы, когда гидростатическое давление в водных пленках превышает мгновенную прочность в сумме с действием внешних сил. Экспериментально показано, что пластично-вязкое деформирование, вызванное фильтрационно-инъекционным механизмом, возможно лишь в высокодисперсных породах — глинах и суглинках; в менее дисперсных — супесях и песках — имеет место лишь мгновенная инъекция влаги и образование инъекционного льда.

Изучение пластично-вязкого деформирования мерзлых пород показало, что сами деформации и механические напряжения приводят к развитию массообменных процессов и к преобразованию криогенного строения. В итоге изменяется характер деформирования в целом. Так, миграция влаги в зону сдвига и сегрегационное льдовыделение в ней вызывают увеличение льднстости. В результате затухающий характер развития сдвиговых деформаций переходит в прогрессирующий.

В результате исследования закономерностей развития массообменных процессов в мерзлых породах разного состава и строения при взаимодействии их с водными растворами солей проведена количественная оценка интенсивности протекания процессов миграции ионов и пленок незамерзшей воды. Показано, что плотности миграционных потоков катионов и анионов различны и определяются составом пород и внешними условиями. Величины этих потоков возрастают в ряду песок — супесь — суглинок — глина, что связано с ростом удельной активной поверхности и удельной поверхностной энергии в них, содержания незамерзшей воды и активной проводящей пористости. В глинах особенно велико влияние минерального состава на развитие миграционных процессов. Установлено, что большие потоки ионов в каолинитовых глинах по сравнению с монтмориллонитовыми обусловлены более высокими значениями в них конвективной составляющей переноса. Влияние засоленности мерзлых пород на миграцию в них ионов имеет

экстремальный характер, что связано с разнонаправленным влиянием роста засоленности на движущие силы нх переноса и проницаемость мерзлых пород. При увеличении засоленности мерзлых пород происходит, с одной стороны, выравнивание концентраций между внешним и поровым растворами и уменьшение движущих сил переноса, с другой — возрастает содержание жидкой фазы и проводящей пористости. Поэтому максимальные значения потока ионов наблюдаются при оптимальном соотношении этих величин. Установлен экстремальный характер в интенсивности миграции ионов в зависимости от температуры, что обусловлено соответствующим характером развития потока влаги и связанного с ней конвективного переноса ионов. Таким образом, имеют место оптимальные по температуре и концентрации условия, при которых миграционные потоки ионов в мерзлых породах, взаимодействующих с водными растворами, максимальны.

Изучено влияние внешнего компрессионного давления на конвективную составляющую потока ионов из внешнего раствора в засоляемую мерзлую породу. С ростом внешнего давления наблюдается падение плотности потока ионов (до 70% от суммарного значения), что обусловлено соответствующим уменьшением миграционного потока влаги.

Выявлены закономерности изменения плотности миграционных потоков влаги при обратном и нормальном осмосе в мерзлых породах. Большие значения миграционные потоки влаги из внешнего раствора в мерзлую породу имеют в более дисперсных породах и в глинах каолинитового состава по сравнению с монтмориллонитовыми. Они возрастают с уменьшением внешнего компрессионного давления и ростом гидростатического давления во внешнем растворе. Зависимости потоков влаги от отрицательных температур и концентрации водных растворов носят экстремальный характер, т. е. существуют оптимальные условия для их развития.

Исследование процессов структуро- и текстурообразовання в мерзлых породах показало, что течение пленок незамерзшей воды и миграция ионов приводят к нарушению термодинамического равновесия и к фазовым переходам, преобразующим криогенное микро- и макростроение. Так, с ростом льднстостн и преобразованием криогенной структуры с поровым льдом-цементом в структуру с базальным льдом, сетчатой текстуры в слоистую, а также с уменьшением прочности льдоцемента-ционных контактов в результате массоперсноса происходит рост как положительных, так и отрицательных деформаций и величин деформационных характеристик в целом.

РАЗДЕЛ III

ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИОГЕННОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ПОРОД

ГЛАВА VII. Закономерности развития деформаций в промерзающих, протаивающих и мерзлых породах

В результате проведенных исследований была изучена кинетика и закономерности криогенного деформирования в совокупности с определяющими их процессами миграции влаги и усадки, сегрегационного льдовыделения и структурообразова-ния в промерзающих породах разной дисперсности и химико-минерального состава, плотности и влажности, как однородных, так и неоднородных переслаивающихся плотной и рыхлой глины, песка и глины, слоистых глин различного минерального состава (каолинитовой и монтмориллоннтовой), располагающихся вдоль, вкрест и под углом к направлению движения фронта промерзания в зависимости от внешних термодинамических условий; от градиента температуры и скорости промерзания, при закрытой и открытой системах, различных глубинах заложения водоносного горизонта и гидростатическом напоре, внешней компрессионной нагрузке.

Проведенная количественная оценка доли влияния на процесс пучения, сегрегационного льдовыделения, усадки и рас-пучивания показала, что роль миграционного льдовыделения в пучении максимальна в глинистых породах и достигает 75— 95% от общих положительных деформаций, в суглинках—50— 80%, а в супесях не превышает 30—50%. Деформации усадки, компенсирующие пучение, достигают наибольших значений (до 80—95%) в монтмориллонитовых глинах, до 30% — в као-лннитовых, 15—20%—в суглинках и менее 10%—в супесях. Доля массивного распучивания в общей величине положительных деформаций в глинах невелика и составляет 12—20%, в суглинистых н супесчаных породах до 70—80 % и более. Увеличение влажности и уменьшение плотности пород, промерзающих в условиях закрытой системы, приводят к увеличению миграционно-сегрегационного льдовыделения и массивного распучивания и одновременно к росту деформаций усадки, нивелирующих на 20—30% положительные деформации. Прн промерзании пород разной плотности в условиях открытой системы наблюдается уменьшение пучения при высоких значениях влажности, вызванное ростом деформаций усадки, и, нао-

борот, увеличение его при малых значениях за счет уменьшения деформаций усадки.

Установлено, что с уменьшением глубины залегания водоносного горизонта возрастают движущие силы миграции влаги и сегрегационное льдонакопление, одновременно уменьшается интенсивность обезвоживания талой зоны и ее усадка, что в целом вызывает рост деформаций пучения. Для пород разной дисперсности и химико-минерального состава глубина залегания водоносного горизонта, при которой он начинает влиять на миграцию влаги и соответственно на деформации пучения, различна. Она увеличивается с уменьшением дисперсности и содержанием в породах минералов группы монтмориллонита, а также с ростом градиента температуры.

Установлено, что переслаивание пород разной дисперсности и химико-минерального состава приводит в большинстве случаев к уменьшению миграции влаги и пучения пород по сравнению с однородными, при этом важную роль имеют условия промерзания. Так, в условиях открытой системы в переслаивающихся параллельно фронту промерзания влагонасыщен-ных песках и глинах плотность внешнего миграционного потока влаги увеличивается, а обезвоживание и деформации усадки уменьшаются, что вызывает рост величины пучения, а в условиях закрытой системы, наоборот, уменьшение пучения. Изменение слоистости от горизонтальной к наклонной или вертикальной по отношению к фронту промерзания переслаивающейся грунтовой системы приводит к оптимальному для пучения сочетанию глинистых пород, обеспечивающих формирование наибольших движущих сил, и песчаных, обладающих высокими влагопроводнымн свойствами, что вызывает увеличение миграционного потока влаги п сегрегационого льдовыде-ления, а также уменьшение значений усадки. Переслаивание пород, различных по химико-минеральному составу (например, каолннитовой и монтмориллонитовой) глин, приводит к взаимовлиянию их друг на друга и, в итоге, к росту деформаций пучения в елабопучиннстой монтмориллонитовой глине и к уменьшению пучения в снльнопучиннстой каолннитовой.

Исследовано влияние внешнего гидростатического давления на напорную миграцию влаги и деформирование пород. Установлено, что даже незначительный рост гидростатического давления (0,2 МПа) приводит к существенному увеличению миграционного потока влаги (от 10~6 до 10~5 г-см^-с-1) и сегрегационного льдонакопления, при этом интенсивность обезвоживания и усадки талой зоны уменьшаются, а деформации

пучения, в итоге, возрастают. Показано, что при одном и том же изменении гидростатического давления большее влияние на деформирование напорная миграция оказывает в глинах по сравнению с суглинками и супесями.

Исследовано влияние внешнего компрессионного давления на закономерности развития миграции влаги, сегрегационного льдовыделения и деформирование пород различного гранулометрического и химико-минерального состава. Установлено, что с ростом компрессионного давления на промерзающие породы в условиях открытой системы происходит уменьшение миграционных потоков влаги, сегрегационного льдовыделения и пучения, причем большие внешние давления, подавляющие процесс пучения, наблюдались в глинах (до 1,5 МПа и более) по сравнению с суглинками (до 0,5—0,8 МПа) и супесях (до 0,1—0,3 МПа), что связано с более высокими значениями градиентов общего термодинамического потенциала влаги в них и соответственно более низкими их значениями в промерзающей зоне.

Исследованы закономерности деформирования оттаивающих пород разной дисперсности, химико-минерального состава, плотности и влажности в зависимости от режимов оттаивания. Установлено, что с увеличением дисперсности возрастает роль миграционно-сегрегационного льдообразования в мерзлой зоне, набухания и усадки в талой; усадка главным образом имеет место при оттаивании в условиях закрытой системы при невысоких (менее 0,4-^0,6 см/ч) скоростях оттаивания; в монтмориллонитовых глинах наблюдаются меньшие миграционные потоки влаги, сегрегационное льдонакопление и связанные с ними положительные деформации по сравнению с каолинитовымн, что вызвано на порядок меньшими в них значениями коэффициентов влагопроводностн. Одновременно с этим в монтмориллонитовых глинах развиваются большие деформации набухания в талой зоне. Выявлено, что оттаивание в условиях закрытой системы приводит к большей величине осадки в менее плотных породах, несмотря на большее сегрегационное льдовыделение в их мерзлой зоне. В плотных породах по сравнению с рыхлыми имеет место меньшее сегрегационное льдовыделение, но одновременно и невысокие значения деформаций усадки. Поэтому результирующая деформация оттаивающих пород в закрытой системе в меньшей степени определяется миграционно-сегрегацнонными и усадочными процессами. С увеличением влажности пород, оттаивающих в условиях открытой системы, плотность миграционного потока влаги, сегрегационного льдовыделения и усадки возраста-

ют, а набухания—уменьшаются. В целом это приводит к большему деформированию мерзлой и оттаявшей зон, но ввиду их разнонаправленного действия осадка или пучение поверхности пород незначительны. В плотных же породах, оттаивающих в условиях открытой системы, величины усадки малы, а деформации, обусловленные мнграционно-сегрегационным льдовыделением и набуханием, велики, что приводит в целом к поднятию поверхности оттаивающих пород.

Показана роль температурных режимов оттаивания пород иа их деформирование. Установлено, что миграция влаги и усадка в талой зоне, сегрегационное льдовыделение и криогенное текстурообразование в мерзлой зоне оттаивающих пород возможны лишь при наличии градиента температуры в последней и невысоких скоростях оттаивания; с уменьшением градиента температуры в мерзлой зоне плотность миграционного потока влаги и сегрегационное льдонакопление уменьшаются и, в конечном счете, их деформирование определяется лишь набуханием и осадкой.

Исследованы закономерности фильтрационно-инъекцнон-ного льдовыделення и деформирования влагонасьпценных мерзлых пород; проведена количественная оценка плотности фильтрационных потоков пленок незамерзшей воды в зависимости от состава пород, отрицательной их температуры и гидростатического давления. Максимальные потоки водных планок при длительной инъекции и пластично-вязком деформировании зафиксированы в мерзлых глинах (10~5—10~6 г-см_2>с_|), а минимальные — в супесях (10_6—Ю-7 г-см-2-с-1), в каолинитовой глине они были в 1,5—2 раза выше, чем в монтмориллонитовой, что связано с более высокой нх влагопроводностыо в области отрицательных температур. Установлено, что с понижением отрицательной температуры плотность миграционного потока и интенсивность пластично-вязкого инъекционного деформирования уменьшается. Получена предельная величина начального гидростатического давления, при котором происходило фильтрацпонно-инъекционное деформирование. Оно увеличивается от глин к супесям и от каолинитовой к монтмориллонитовой глине.

Выявлены закономерности миграции влаги в мерзлых породах при различных видах механического воздействия на них. Проведена количественная оценка параметров влагопереноса в мерзлых породах разной дисперсности и химико-минерального состава в области сдвига. Определены значения плотностей миграционных потоков незамерзшей влаги при медленном нх сдвиге. Показано, что большие их значения наблюда-

ются в глинах по сравнению с суглинками и супесями. Это вызывает большее сегрегационное льдонакопление в зоне сдвига п деформирование. Вскрыты особенности влагопереноса, льдо-выделения в мерзлых породах при действии на них плоского и шарикового штампов. Установлено, что в поле механических напряжений происходит миграция водных пленок и перераспределение влажности и льдистостп в зависимости от конфигурации зон концентрации напряжений; в плоскостях сдвига, скольжения и разрыва происходит сегрегация льда и повышение льдистостп, а в зонах сжатия — уменьшение льдистостп, вызванное фильтрацией пленок незамерзшей воды.

Получены закономерности осмотического деформирования мерзлых пород, взаимодействующих с водными растворами солей различной концентрации в широком диапазоне отрицательных температур (от —0,5 до —60°С) и давлений (до 1,5 МПа). Выявлен принципиально различный характер развития деформаций в слабодисперсных породах (песках и супесях) — преимущественно осадки, и высокодисперсных (глинах и суглинках) — пучения. Экспериментально установлено, что при переходе от каолиннтовых к монтмориллоннтовым породам интенсивность процесса пучения падает, а деформации осадки возрастают. Показано, что в значительной мере интенсивность деформирования мерзлых пород, взаимодействующих с водными растворами, определяются их концентрацией и отрицательной температурой.

Вскрыт экстремальный характер в развитии деформаций пучения в зависимости от температуры и концентрации водного раствора. Выявлены оптимальные отрицательная температура и концентрация, при которых осмотическое пучение мерзлых пород максимально, и критические, при которых деформации отсутствуют. Получены особенности изменения оптимальных и критических условий для разных по составу пород. Показано, что с ростом дисперсности оптимальные и критические отрицательные температуры понижаются, а концентрации возрастают. Изучена роль внешнего компрессионного давления на осмотическое деформирование мерзлых пород. Установлено, что его рост приводит к уменьшению деформаций пучения и к увеличению осадки засоляемых мерзлых пород. Определены критические значения компрессионного давления, при которых процесс пучения полностью подавляется и имеет место лишь осадка пород. Вскрыты особенности изменения этих критических давлений в породах разного состава. Выявлено, что с уменьшением дисперсности пород величины критических давлений, подавляющих процесс миграционно-сегрегацнонного

льдовыделения н пучения, уменьшаются. Эти критические давления определяются также оптимальной температурой и концентрацией водных растворов. Показаны области изменения внешних давлений в зависимости от отрицательной температуры, в пределах которых имеет место развитие процесса осмотического пучения, а также области этих давлений в зависимости от концентрации водных растворов.

ГЛАВА VIII. Полевые исследования деформаций пород сезонноталого слоя и методика их картирования

Комплексно в полевых и лабораторных условиях изучены кинетика и закономерности развития деформаций и напряжений в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах совместно с процессами миграции влаги и усадки, сегрегационного льдовыделения и структурообразования. Полевые исследования физико-химических, массообменных и механических процессов показали на идентичность развития с лабораторными, что позволяет использовать их для понимания сущности протекания криогенного деформирования в натурных условиях Исследованы кинетика и закономерности развития как деформаций, так и напряжений в сезонноталом слое, промерзающем сверху и снизу, при одновременном изучении миграционных потоков влаги, структуро- и текстурообразовании. Установлено, что до 80% от общей величины пучения поверхности пород связано с промерзанием сверху н 15—20% снизу. Выявлено, что деформации пучення, связанные с промерзанпем снизу, практически полностью нивелируются деформациями усадки при обезвоживании средней части слоя. Вскрыта кинетика развития напряжений усадки по глубине сезонноталого слоя при его промерзании. Показано, что величины этих напряжений имеют тот же порядок и характер изменения, что н в лабораторных экспериментах.

Выявлены кинетика и закономерности деформирования пород сезонноталого слоя во взаимосвязи с миграцией влаги, сегрегацией льда, структуро- и текстурообразованием при оттаивании. Показано, что процессы сегрегационного льдовыделения в верхней части многолетнемерзлого слоя приводят к развитию положительных деформаций пучения, нивелирующих осадку при оттаивании сезонноталого слоя. Получены закономерности деформирования слоя сезонного оттаивання в зависимости от литолого-климатическнх условий района, установлена качественная их идентичность с лабораторными.

Созданы теоретические основы методики картирования деформаций пучения, базирующихся на разработанных представлениях о миграции влаги и механизме деформирования с учетом усадки талой зоны. В результате выявлены основные параметры пучения и проведена их увязка с геолого-географическими факторами. Показаны зависимости между ними в широком диапазоне амплитуд среднегодовых температур для пород, различных как по дисперсности, так и по химико-минеральному составу, определяющему развитие усадочных процессов. Выполнена их градация и типизация, позволившая выделить типы пучения пород в зависимости от пучинистости, определяемой влагопроводными, адсорбционными н усадочными свойствами пород, от режимов промерзания, градиентов температуры и скоростей промерзания.

Основные выводы

Выполненные автором теоретические, экспериментальные и методические разработки, развивающие новое научное направление в области физико-химической механики грунтов, отражающие конкретную новизну исследований и их практическую значимость, представлены в выводах настоящей работы, которые освещают следующие принципиально новые положения, выносимые на защиту.

Теоретические разработки, подтвержденные экспериментом:

— необходимые и достаточные термодинамические условия криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород, сформулированные на основе выявленных взаимосвязей между расклинивающим давлением водных пленок, движущими силами миграции влаги, прочностью структурных связей, внешним и пленочным давлением;

— пленочный механизм деформирования, при котором давление в водных пленках, обусловленное миграцией влаги, детерминировано и достигает лишь таких значений, при которых движущие силы уменьшаются ровно на столько, чтобы обеспечить скорость миграции влаги, соответствующую скорости развития положительных деформаций, а отрицательные деформации фильтрационно-компрессионного уплотнения возможны лишь при внешнем давлении, превышающем расклинивающее давление в водных пленках;

— фильтрационно-инъекционный механизм пластично-вязкого деформирования и разрушения мерзлых пород, экспериментально обоснованный возможностью передачи гидродина-

мического давления по пленкам незамерзшей воды и их течения без нарушения структуры порового пространства, а также пластично-вязкого деформирования мерзлых пород на участках, удаленных от источника гидростатического давления;

— физико-химическая природы пластично-вязкого деформирования мерзлых пород под действием внешних механических сил, обусловленная течением тонких пленок незамерзшей воды, процессами структуро- и текстурообразования в поле механических напряжений; механизм перехода затухающего характера деформирования в прогрессирующий с ростом скорости сдвиговых деформаций, вызванных миграцией влаги, увеличением льдистости и преобразованием криогенного строения в области сдвига мерзлых пород;

— теоретические основы миграции ионов, нормального и обратного осмоса пленок незамерзшей воды в мерзлых породах при взаимодействии их с водными растворами солей; экспериментально установленный конвективный механизм миграции ионов в высокодисперсных мерзлых породах в области высоких отрицательных температур и адсорбционный механизм— в области низких температур, составляющие до 70— 90% от общего их потока; нормальный осмос пленок незамерзшей воды, обусловленный взаимодействием мерзлых пород с высококонцентрированными перенасыщенными водными растворами солей, и обратный осмос, вызванный их взаимодействием с неконцентрированными водными растворами солей в широком диапазоне концентраций;

— механизм, кинетика и термодинамические условия развития деформаций и напряжений в мерзлых породах, взаимодействующих с водными растворами солей; научно обоснованные и экспериментально доказанные механизмы осмотических деформаций осадки и пучения в мерзлых породах, их принципиально различные типы по кинетике деформирования; оптимальные термодинамические условия для развития экстремальных деформаций в зависимости от температуры, концентрации водных растворов, внешнего давления и пр.;

— основные термодинамические параметры, определяющие положительные и отрицательные деформации в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах, обусловленные вкладом различных механизмов, выявленных в лабораторных условиях и проверенных на стационарных полевых площадках; разработанная количественная оценка деформаций пучения пород при промерзании и осадки при оттаивании с учетом сегрегации льда в их мерзлой зоне;

— выявленные закономерности развития деформаций в

промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах в зависимости от дисперсности, химико-минерального состава, их плотности и влажности, условий промерзания и оттаивания, режимов компрессионного уплотнения, засоления и инъекции влаги, а также от литолого-климатических условий района исследований;

— разработанные принципальные основы картирования типов пучения на основе увязки параметров, определяющих деформации пород, с литолого-климатнческими условиями.

Методические разработки:

— методика определения общего термодинамического потенциала влаги в мерзлых засоляемых породах осмотическим методом, основанным на достижении равновесия между осмотическим потенциалом воды в растворе и общим термодинамическим потенциалом пленок незамерзшей воды в мерзлых породах, находящихся в контакте с внешним водным раствором в изотермических условиях;

— методика определения гидродинамической составляющей сил морозного пучения на основе метода уравновешивания расклинивающего давления водных пленок внешней статической нагрузкой, при которой подавляется миграция влаги и ее движущие силы;

— методика определения массообменных параметров мерзлых влагонасыщенных дисперсных пород при инъекции, когда в зависимости от соотношения прочностных характеристик, пленочного давления и внешней нагрузки создаются условия пластично-вязкого течения тонких водных пленок через мерзлую породу без нарушения структуры ее порового пространства;

— квазнстацнонарный метод определения подвижности ионов в мерзлых породах, основанный на балансовом способе определения плотности потока ионов в условиях действия внешней нагрузки, подавляющей конвективную составляющую, а также без нагрузки при различных отрицательных температурах, изменяющих толщины пленок незамерзшей воды и, таким образом, позволяющих оценивать диффузионную, конвективную и адсорбционную составляющие потока ионов;

— методика картирования типов пучения промерзающих Цород, основанная на изучении его механизма и выделении основных термодинамических параметров, их увязке с литолого-климатическими условиями и в итоге отражении на карте независимых характеристик, определяющих процесс пучения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. К расчетной оценке пучения промерзающих грунтов. // Мат-ды ео-вещ. по пробл. стр-ва на вечномерзлых грунтах. Забайкальский ф-л геогр. общ-ва. Чита, 1974, с. 74—79 (соавторы Э. Д. Ершов, Л. В. Шевченко).

2. Миграция влаги, структурообразование и шлировое льдовыделение в промерзающих и оттаивающих глинистых грунта. // Тр. III Междунар. конф. по мерзлотоведению, т. 1, 1978, с. 175—180 (соавторы Э. Д. Ершов, В. Г. Чеверев, Л. В. Шевченко).

3. Экспериментальное исследование миграции влаги и сегрегационного льдовыделения в грунтах в сложных термодинамических условиях движения границы раздела фаз п направлении теплового потока. Рук. дсп. ВИНИТИ, № 952-78, с. 44—63.

4. Методика количественной оценки величины пучения оттаивающих влагонасыщешшх грунтов. // Сб.: Мерзлотные исследования, вып. XIX. М., Пзд-во МГУ, 1980 (соавторы Э. Д. Ершов, В. С. Петров).

5. Миграция влаги н сегрегационное льдовыделение в мерзлых породах под действием градиента напряжений. Ц Сб.: Инженерная геология. М., Изд-во АН СССР, 1981, с. 104—112 (соавторы Э. Д. Ершов, В. Д. Ершов, О. А. Кондакова).

6. Влзгоперенос и льдовыделение в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах. // Сб.: Криогенные процессы. М., Наука, 1982 (соавторы Э. Д. Ершои, В. Д. Ершов).

7. Экспериментальные исследования пучешш, усадки и осадки в односторонне оттаивающих влагонасьиценых грунтах. // Сб.: Мерзлотные исследования, вып. XX. М., Изд-во МГУ, 1982 (соавторы Э. Д. Ершов, В. С. Петров, И. Б. Плохих).

8. Криогенное структуре- и текстурообразование в дисперсных породах. // Тр. IV Междунар. конф. по мерзлотоведению, США, Фербепск, 1983 (соавторы Э. Д. Ершов, Е. М. Чувилин, О. М. Языпии).

9. Деформирование промерзающих и мерзлых пород. // Тр. IV Междунар. конф. по мерзлотоведению, США, Фербенкс, 1983 (соавторы Л. В. Шевченко, В. Д. Ершов, Ю. В. Кулешов).

10. Структурообразование и деформирование пород при промерзании и оттаивании. // Сб.: Мерзлотные исследования, вып. XXI. М., Изд-во МГУ, 1983 (соавторы Э. Д. Ершов, О. М, Язышш, В. С. Петров).

11. Миграция влаги и сегрегационное льдовыделение в дисперсных породах. Рук. деп. ВИНИТИ, № 3270-84, с. 22.

12. Деформирование промерзающих и оттаивающих' дисперсных грунтов. // Физико-химическая механика дисперсных систем. М., Изд-во МГУ, 1985 (соавторы Э. Д. Ершов, В. С. Петров).

13. Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах. Монография. М., Изд-во МГУ, 1985, с. 168 (под редакцией Э. Д. Ершова) .

14. Структура порового пространства пород. // Уч.: Лабораторные методы исследования мерзлых пород. М., Изд-во МГУ, 1985, с. 97—112 (соавторы Э. Д. Ершов, Ю. П. Акимов).

15. Исследование деформаций пучения и усадки. Там же, С; 201—206 (соавторы Э. Д. Ершов, Л. В. Шевченко).

16. Изучение напряжений пучения и усадки. Там же, с. 206—209 (соавторы Э. Д. Ершов, А. В. Брушков, Л. В. Шевченко).

17. Экспериментальное исследование инъекционного льдовыделения в дисперсных породах. // Геокриологические исследования. М., Изд-во МГУ, 1986 (соавторы Э. Д. Ершов, В. В. Кондаков, Е. М. Чувилин, С. Д. Га-нова).

18. Текстурообразование в промерзающих и оттаивающих породах се-зонноталого слоя (на примере п-ва Ямал). Там же (соавторы Э. Д. Ершов,

B. В. Кондаков, П. С. Дацько).

19. Полевые исследования напряжений в промерзающих грунтах сезон-ноталого слоя. Там же (соавторы В. В. Кондаков, П. С. Дацько).

20. Методика типизации параметров процесса пучения для составления карты типов пучения пород. •// Формирование мерзлых пород и прогноз криогенных процессов. М., Наука, 1986, с. 83—97.

21. Термодинамика и кинетика криогенного деформирования структуры порового пространства влагонасыщенных дисперсных пород. // Инженерная геология. М., Изд-во АН СССР, 1987, № 3, с. 50—63.

22. Пучиннстость промерзающих пород. // Петрография мерзлых пород. М., Изд-во МГУ, 1987, с. 113—117 (соавторы 3. Д. Ершов).

23. Механизм криогенного текстурообразования в неконсолидированных водопасыщенных отложениях. // Геокриологические исследования. М., Изд-во МГУ, 1987, с. 124—133 (соавторы Э. Д. Ершов, В. В. Кондаков, Е. М. Чувилин, М. Н. Проворова).

24. Экспериментальные исследования криогенного текстурообразования при эпи- и сингенетическом способах промерзания пород. Там же, с. 133— 141 (соавторы Э. Д. Ершов, В. В. Кондаков, Е. М. Чувилин, А. Н. Ганов,

C. Д. Ганова).

25. Особенности миграции влаги в мерзлых тонкодисперсных грунтах под действием осмотических сил. Там же, с. 141—150 (соавторы В. Д. Ершов, Е. М. Чувнлпн, С. Д. Гаиова).

26. Микростроение мерзлых пород. Монография. М., Изд-во МГУ, 1988, с. 200 (под ред. Э. Д. Ершова).

27. Структурообразованнс в промерзающих и мерзлых дисперсных системах. // Поверхностные пленки воды в природных дисперсных структурах. М., Изд-во МГУ, 1988 (соавторы Э. Д. Ершов, Е. М. Чувилин, О. М. Язы-нин).

28. Тепломассоперенос в мерзлых породах и роль в нем пленок неза-мерзшей воды. Там же, (соавторы Э. Д. Ершов, Е. М. Чувилин, В. Д. Ершов).

29. Поверхностные пленки воды в процессах деформирования мерзлых пород. Там же (соавторы Э. Д. Ершов, В. Г. Чеверев, Е. М. Чувилин, О. А. Кондакова).

30. Развитие деформаций в мерзлых, оттаивающих и промерзающих дисперсных породах. // Тр. V Междунар. конф. по мерзлотоведению. Норвегия, Трондайм, 1988 (соавтор Л. В. Шевченко).

31. Массоперенос в мерзлых породах. Там же (соавторы Э. Д. Ершов, В. Д. Ершов, Е. М. Чувилин).

32. О миграции ионов в мерзлых породах. // Гляциологические и криогенные гидрохимические процессы. Владивосток, ДВНЦ, АН СССР, 1988.

33. Кинетика и закономерности массопереноса в засоляемых мерзлых породах. Там же (соавторы В. И. Панченко).

34. Миграция ионов н обратный осмос в мерзлых породах. // Проблемы геокриологии. М., Наука, 1988.

35. Движущие силы миграции влаги при криогенном деформировании. '/ Инженерная геология. М., Изд-во АН СССР, 1988.

36. Криогенная миграция ионов и связанной влаги в льдонасыщегшых дисперсных породах // Инженерная геология. М., Изд-во АН СССР, 1988.

37. Механизм массопереноса и хемогенного деформирования пород при взаимодействии их с растворами солей (в печати).

38. Хемогенное пучение мерзлых пород при взаимодействии их с водными растворами солеи (в печати).

/