Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Механизм криогенных процессов и прогноз их развития

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Механизм криогенных процессов и прогноз их развития"

российская академия наук

ордена ленина сибирское отделение институт земной коры

На правах рукописи

ПЕТРОВ Василий Семенович

МЕХАНИЗМ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРОГНОЗ ИХ РАЗВИТИЯ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск, 1998

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Проблема изучения криогенных процессов и явлений уже на протяжении более века является одной из наиболее острых в теоретической и прикладной геокриологии. Выявлением природы и усишои-лением закономерностей развития тех или иных криогенных процессов занимались большинство ведущих ученых-мерзлотоведов мира включая и смежные с геокриологией области знаний такие, как горное дело, дорожное и про-мышленно-гражданское строительство, гидротехническое и гидромелиоративное освоение территорий и др.

Не уменьшая успехов, достигнутых на современном научно-теоретическом и практическом уровне изучения криогенных процессов, следует отметить, что они до настоящего времени относятся к категории наиболее слабоизу-ченных из всей группы экзогенных геологических процессов.

Интенсивное хозяйственное освоение криолитозоны, соврсмешплГт подход к рациональному освоению природных ресурсов требуют глубокого и всестороннего знания причин, особенностей развития криогенных процессов, методов прогноза и управления ими как при естественной эволюции природной обстановки, так и ее изменения в ходе строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений. Следует констатировать, что в подавляющем большинстве случаев деформаций различных инженерных сооружений, построенных как по принципу I, так и по принципу 11 причинами являются отсутствие научно обоснованного прогноза развития криогенных процессов, а в силу этого и неумение целенаправленно управлять ими при хозяйственном освоении территорий. Существующая нормативная литература в данном аспекте направлена на решение узконаправленных, выборочных задач, не исследуя данную проблему всеохватывающе. Объясняется это, в первую очередь, многофакторностью термодинамических систем, которыми являются промерзающие, оттаивающие и мерзлые породы. Многие из исследуемых параметров сложных грунтовых систем или экспериментально неопределимы, или изучение их возможно в, хорошо оснащенных современным оборудованием, лабораториях (энергия Гиббса, термодинамический потенциал грунтовой влаги, удельная поверхность грунта и т.д.).

Наиболее серьезным пробелом в методике изучения криогенных процессов и явлений является отсутствие комплексного подхода, позволяющего получить те или иные физико-механические характеристики грунтов не каких-либо стационарных объектов, а в непрерывно изменяющихся по глубине, во времени и в пространстве термодинамических систем по всем экстенсивным и интенсивным параметрам.

Кроме того, в настоящее время наблюдается, во-первых, существенный разрыв при изучении криогенных процессов и явлений во взаимосвязи между

теорией формирования физико-механических свойств промерзающих, оттаивающих и мерзлых пород с природой протекания индивидуального процесса Во-вторых, отсутствует единый мерзлотно-геологический фундамент, объединяющий и взаимосвязывающий весь комплекс криогенных процессов.

Все вышеизложенное убеждает в том, что изложенное в настоящей работе научно-теоретическое решение проблемы прогноза и управления криогенными процессами при инженерно-хозяйственном освоении криолитозоны, базирующейся на теории теплофизической и физико-химической природы их протекания, является актуальной как в теоретическом, так и научно-практическом отношении.

Исходя из вышеизложенного очевидно, что дальнейшее исследование криолитозоны и, развивающихся в ней криогенных процессов и явлений, невозможно без углубленного изучения и решения целого ряда теоретических и экспериментальных проблем геокриологии. Для этого требуется формирование новых, направлений исследований, обеспечивающих более высокий научный уровень определения теплофизической и физико-химической природы развития криогенных процессов и явлений.

Настоящая диссертационная работа представляет научно-теоретическое к практическое обобщение результатов почти 20-легних исследований криогенных процессов, выполнявшихся по программам АН СССР, МинЦветМет! СССР, Мингеолопш РСФСР, программе "Сибирь" и др.

Цель работы. Выявление механизма развития криогенных процессов с еди ных позиций понимания развития в промерзающих, оттаивающих и мерзлы: грунтах процессов тепло- и массопереноса, сегрегационного льдонакопления коагуляции, агрегации, набухания и усадки с количественной оценкой их рол] в суммарном деформировании пород и разработка на этой базе прогноза раз вития криогенных процессов и методов управления ими при инженерно-хозяйственном освоении территорий.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следую щие основные задачи:

-обобщить, систематизировать и создать базу данных о развитии, распрс странении и прогнозе криогенных процессов, развивающихся в промерзай щих, оттаивающих и мерзлых дисперсных грунтах, находящихся в разли1 ных термодинамических условиях таких, как криогенное пучение проме{ зающих и осадка оттаивающих пород; десерпционное и вязкопластическс смещение грунтов на склонах: термоэрозия и термосуффозия;

- разработать методику комплексных полевых исследований развития криогенных процессов на теплофизической и физико-химической основе деформ! рования промерзающих, оттаивающих и мерзлых пород в тесной взаимосвя: между собой;

- выявить общие причины и основные термодинамические параметры, оп-эеделяющие механизм развития криогенных процессов в грунтах различного »става и свойств в тесной взаимосвязи между собой;

- исследовать динамику и закономерности развития криогенных процессов а зависимости от их вещественного состава, условий теплообмена на границе атмосфера-грунт включая применение различных теплоизоляционных, светоотражающих и светопоглощающих покрытий; - разработать методику прогноза и управления криогенными процессами при инженерно-хозяйственном освоении территорий и при различной степени техногенного и естественно-природного изменения геолого-географической обстановки.

Фактический материал, методика исследований и личный вклад автора в решении проблемы. В основу диссертации положены многолетние (с 1978 по н/в) исследования автора по изучению криогенных процессов и явлений в различных регионах Западной Сибири и Забайкалья. Особое внимание уделялось разработке комплексной методики полевых исследований в различных при-родно-геологических, геокриологических, гидрогеологических условиях с созданием искусственных теплоизоляционных, светоотражающих и светопоглощающих покрытий. Только в пределах Забайкалья было создано и детально оборудовано около 100 стационарных наблюдательных полигонов. Непрерывный ряд наблюдений за динамикой криогенных процессов превысил десятилетие. Являясь научным руководителем целого ряда хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ на протяжении 12 лет, выполнявшихся по важнейшей тематике АН СССР, ряда министерств и ведомств, автор возглавлял большую группу сотрудников, проводивших работы в этом направлении. В ходе работы он непосредственно занимался вопросами научно-практического обеспечения исследований, принимал личное участие во всех выполняемых работах. Все теоретические проработки, анализ и обобщение результатов исследований в полном объеме настоящей работы выполнены лично автором.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- с единых термодинамических позиций установлен механизм развития гидротермических криогенных процессов в тесной взаимосвязи между собой и всем комплексом природно-геологической обстановки;

- установлена кинетика и закономерности развития криогенных процессов с количественной оценкой всех составляющих факторов в грунтах различного состава, строения и свойств, теплофизических условий промерзания (оттаивания) пород, гидрогеологических факторов в тесной взаимосвязи с процессами тепло-: и массопереноса, физико-химических и физико-механических процессов; : • • - -. ; ■

- разработаны и предложены новые методики расчета величин десерпци-онного смещения грунтов на склонах и вязкопластических деформаций; впер-

- разработаны и предложены новые методики расчета величин десерпци-онного смещения грунтов на склонах и вязкопласгических деформаций; впервые разработана и предложена расчетная методика оценки величины термоэрозионного размыва грунтов; усовершенствованы аналитические методы расчета величин криогенного пучения промерзающих и осадки оттаивающих пород;

- разработана методика прогнозной оценки развития криогенных процессов, произведены расчеты на ЭВМ и составлены номограммы для определения , абсолютных величин проявления того или иного процесса;

- впервые на основе выделения классификационных параметров произведено выделение типов пучения и осадки пород, криосолифлюкции и термоэрозии, произведена градация параметров и обоснована характеристика каждого выделяемого типа;

- разработаны и предложены научно-практические схемы управления криогенными процессами пород при направленном изменении параметров природ-но-геологической обстановки.

Защищаемые научные положения.

1. Механизм развития криогенных процессов определяется комплексом внутригрунтовых теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов, которые, в свою очередь, обусловлены различными природно-климатическими и геологическими условиями, неустойчивым термодинамическим состоянием грунтовых систем, их резкой пространственной изменчивостью.

2. Закономерности развития криогенных процессов находятся в тесной взаимосвязи с формированием структурно-прочностных зон в промерзающих, оттаивающих и мерзлых дисперсных грунтах в непрерывной динамике их изменения в ходе криогенного и посткриогенного текстуро- и структуро-образования.

3. Прогноз криогенных процессов, базирующийся на аналитических методах решения задач тепло-массопереноса, позволяет получить не только интегральные величины, но и все составляющие факторы развития процесса при любом техногенном воздействиина геологическую среду.

4. Типизация криогенных процессов на основе выделения классификационных параметров и их градации позволяет картировать любой исследуемый процесс и управлять им при хозяйственном освоении территории.

Разработанные в диссертации теоретические положения в совокупности представляют собой решение крупной научной проблемы, имеющей важное | чгароднеяввййстешшоеюнагюние. -V *

Достоверность научных положений . выводов й рекомендаций диссертации обоснована: * _ .

- показателями корреляции результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- высокой сходимостью результатов математического моделирования и аналитических исследований с результатами экспериментальных наблюений;

- внедрением теоретических выводов и научно-практических рекомендаций результатов исследований на ряде предприятий;

- широкой апробацией теоретических разработок на конференциях и совещаниях, в учебных, научно-исследовательских и проектных институтах.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Разработанная методика количественного прогноза развития криогенных процессов в зависимости от естественно-эволюционного и техногенного изменения природной обстановки и созданная на этой базе схема управления мерзлотными процессами имеют непосредственное практическое применение при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Типизация же криогенных процессов служит основой как для краткосрочного, так и долгосрочного прогнозов при решении вопросов рационального природоисподьзования криолитозоны и экологической защиты территорий.

Результаты исследований по теме диссертации использованы в виде научно-исследовательских отчетов, карт, прогнозных схем и практических рекомендаций в ПГО "Читагеология", Гипроцветмете, МосГИПРОТРАНСе, "Читаэнерго", БАМ ж/д и др. организациях.

Кроме того, результаты исследований внедрены в ЗабТИСИЗе, ВостСиб-ТИСИЗе, Орловском ГОКе. Экономический эффект от внедрения всего комплекса научных разработок составил более 10 млн.руб в ценах первого квартала 1992 г (внедрения по типовой межведомственной форме N Р-10, утвержденной приказом ЦСУ СССР от 30 июня 1982 г N380).

Методические, теоретические и научно-прикладные положения диссертации используются в учебном процессе по дисциплинам: "Общая геокриология", "Физика, химия и механика мерзлых грунтов", "Инженерная геокриология", "Инженерная геодинамика" и др. в Читинском государственном техническом университете. По результатам научных исследований опубликовано учебное пособие: "Прогноз криогенных процессов при инженерно-геологических изысканях".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции по строительству на вечномерзлых грунтах, Амдерма, 1979; Всесоюзном совещании-семинаре, Москва,1981;Всесоюзном срвещш1ии ''Опьгг строительстваосноБа- . -ний и фундаментов^ на вечномерзлых" грунтах", Воркута, 1981; на Междуве- - . домственном соЪу§Йг54 . '..'■'-.".--_

домственном совещании "Геокриологический прогноз в осваиваемых районах крайнего Севера"; Москва, 1982; на Всесоюзной конференции по эффективности изысканий для строительстваДюмень, 1981,1983; Всесоюзной конференции "Проблемы инженерной геолоши в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых", Свердловск, 1984; Всесоюзной научной конференции "Геокриологические проблемы Забайкалья", Чита, 1984; на Всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз при строительном освоении территории", Москва, 1985; на расширенных заседаниях Научного Совета по криологии Земли, Москва, 1985,1986,1987; на Всесоюзной научно-практической конференции "Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты", Благовещенск, 1986; на Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы инженерно-геологаческих изысканий в криолитозоне", Магадан, 1989; на Международной конференции "Защита инженерных сооружений от морозного пучения", Чита, 1993; на Первой конференции геокриологов России, Москва, 1996; на региональных научно-практических конференциях "Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья", Чита, 1981, 1987, 1990; на научно-практических совещаниях, Чита, 1984,1985, 1987, 1989; на Всесоюзных научно-практических совещаниях "Инженерно-геокриологический мониторинг земполотна трассы БАМ, Тында", 1990,1991,1992; на многих межвузовских конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 работа, в том числе 1 учебное пособие и отдельные разделы в двух монографиях; получено автор-ч.скоа-свидеа:ельсзво.нз.нзорретвнив.и.патент,на.шо0ре1ение.

Структура и объем работы . Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и содержит 298 страниц машинописного текста, который сопровождается рисунками, таблицами и списком литературы из 327 наименований.

Выполнение огромного объема экспериментальных полевых исследований были бы невозможны без увлеченной работы большого коллектива сотрудников, аспирантов и студентов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ЧотТТУ. Всем, с кем приходилось автору работать на протяжении многих лет, чья помощь и советы способствовали выполнению этих исследований я приношу искреннюю и глубокую благодарность.

Автор выражает благодарность д.г.-м.н. Ф.Н.Лещикову, д.г.-м.н. профессору В.Г.Кондратьеву, д.г.-м.н. профессору Романовскому Н.Н, к.г.-м.н. Д.М.Шесгерневу за критические замечания и советы, способствовавшие формированию настоящей работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПРИРОДЕ РАЗВИТИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Область распространения многолетнемерзлых пород характеризуется развитием целой группы специфических экзогенных процессов таких, как криогенное пучение промерзающих и осадка оттаивающих грунтов, термоэрозия и термосуффозия, десерпционное и вязкопластическое смещение пород на склонах, термокарст, криогенное трещинообразование и др. Изучению закономерностей развития криогенных процессов посвящено огромное количество работ в отечественной и зарубежной литературе и по данной проблеме накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал. Однако уровень изученности различных аспектов этой чрезвычайно сложной комплексной проблемы весьма разнообразный и неоднозначный.

Анализ существующей литературы, а также проведенный патентный поиск по ведущим (в области геокриологических исследований) странам, позволил выделить следующие основные направления изучения криогенных процессов: геолого-генетическое, теплофизическое, физико-химическое, физико-механическое и гидрогеодинамическое.

Геолого-генетическое направление, связывающее интенсивность проявления процесса с литолого-фациальными особенностями пород, в исследовании криогенных процессов развивается с конца прошлого столетия благодаря работам таких ученых, как В.Р.Алексеева, Г.П.Бредюка, Л.С.Гара1ули, М.Н.Гольдштейна, С.ЕГречтцева, Б.И.Далматова, ЭДЕршова, Т.Н.Жест-ковой, В.А.Кудрявцева, Ю.П.Лебеденко, Ф.Н.Лещикова, В.Л.Невечери, В.О.Орлова, А.В.Павлова, В.Т.Трофимова, Н.Я.Хархугы, Н.А.Цытовича, Л.В.Чистотинова, О.Вевкоуа, А.Са$а^ас1е, Р.НоекБЬга, А.КЛшшйза, Б.ТаЬега и др.(деформирование промерзающих и оттаивающих грунтов); С.Г.Боча, В.А.Войлошникова, Е.А.Втюриной, И.П.Герасимова, Г.Ф.Грависа, Л.А.Жигарева, Т.Н.Каллиной, С.П.Качурина, В.С.Петрова, В.С.Савельева, В.Л.Суходровского и др. (смещение грунтов на склонах); Г.Ф.Грависа, В.К.Данько, Э.Д.Бршова, В.В.Ловчука, Д.В.Малиновского, В.Л.Познанина, В.Л.Суходровского и др.(термоэрозия грунтов).

В представленных работах проблема развития криогенных процессов рассматривалась с точки зрения энергетических возможностей глинистых и коллоидных частиц к гидратации водных пленок и их миграции под действием тех или иных сил в период промерзания пород с последующей сегрегацией льда. В связи с этим было предложено множество разнообразных показателей, критериев, критических границ, характеризующих интенсивность проявления того или иного процесса в зависимости от фракционного содержания грунтов. Однако, любой отдельно взятый критический показатель будь то "критерий дисперсности", "граница морозоопасносги", "коэффициент относи-

тельной просадочности и др. не могут являться обобщенными характеристиками интенсивности проявления того или иного процесса. Так, например, наложение на глинистый влагонасыщенный грунт различного температурного режима промерзания (оттаивания) может существенным образом изменить и характер и величину проявления процесса от, так называемых, потенциально проявляющихся величин до чрезмерно сильно опасных.

Теплофизическое направление, изучающее закономерности переноса вещества и тепловой энергии и сопровождающееся льдовыделением в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах, рассмотрено достаточно детально в работах А.А.Ананяна, Д.Андерсона, Е.А.Втюриной, М.Н.Гольдштейна, Э.Д.Ершова, И.А.Золотаря, Ю.П.Лебеденко, А.В.Лыкова, В.Г.Меламеда, В.О.Орлова, Н.А.Пузакова, Б.А.Савельева, М.И.Сумгина, И.А.Тютюнова, Г.М.Фельдмана, Н.А.Цытовича, Л.В.Чисготинова, G.Beskova, A.Casagrade, P.Hoekstra, RMiliera, A.RJumikisa, S.Taberan многих других.

К настоящем}' времени сформулированы основные гипотезы и теории миграции влаги в промерзающих, мерзлых и оттаивающих породах, установлены закономерности сегрегационного льдовыделения в грунтах различного состава и свойств. Однако влияние теплофизических условий на интенсивность развития криогенных процессов рассмотрена, главным образом, на качественном уровне. И, действительно, количественная оценка теплофизических условий на характер проявления процессов рассматривается, в основном, через некий температурный интервал, характеризующий начало и конец неразрывного миграционного потока влаги. Причем и эти данные не только отличаются друг от друга, но и не согласуются с основными началами механики мерзлых грунтов, разработанными Н.А.Цытовичем еще в 50х годах. Причем, все вышеизложенное в большей степени разработано для оценки криогенного пучения пород. Теплофизические условия в оттаивающих грунтах, в развитии деформаций смещения пород на склонах, термоэрозии и термосуффозии рассматривались лишь в приближенном варианте на качественной оценке.

Физико-химическое направление, рассматривающее природу взаимодействия воды с породами, влияния минералогического состава грунтов и состава обменных катионов на характер протекания таких процессов, как агрегация и коагуляция, пептизация и диспергация, струкгурообразование и др. рассмотрено в работах таких ученых, как А.А.Ананян, Д. Андерсон, Ф.Г.Бакулин, Е.А.Втюрина, Б.В.Дерягин, Б.Н.Достовалов, Э.Д.Ершов, Т.Н.Жесткова, Р.И.Злочевская, Ю.П.Лебеденко, В.И.Осипов, Б.А.Савельев, Е.М.Сергеев, И.А.Тютюнов, П.Хоекстра, Н.А.Цытович, Л.В.Чистотинов. Е.М.Чувилин и др.

На основе работ в указанном направлении установлены закономерности адсорбционно-гидратационного взаимодействия глинистых частиц и их влияние на развитие всего комплекса физико-химических процессов в промерзаю-

щих, мерзлых и оттаивающих грунтах. Особое значение в теоретическом и экспериментальном плане приобрели разработки В.И.Осипова и Э.Д.Ершова о теории контактных взаимодействий в талых, промерзающих, мерзлых и оттаивающих породах, объясняющих целый ряд физико-химических процессов и явлений. К сожалению, в настоящей литературе данная теория не получила должного развития на количественном уровне, объясняющая условия формирования величин деформаций промерзающих и оттаивающих пород, формирование вязкопластических деформаций грунтов на склонах, интенсивность термоэрозионного размыва пород.

Слабоизученным вопросом в данном направлении является установление количественных закономерностей знакопеременных процессов набухания -осадки на интегральную величину проявления того или иного процесса Наиболее детальные разработки по этому вопросу касаются условий тексту-рообразования и промерзающих грунтах.

Физико-механическое направление, базирующееся на "основных началах механики мерзлых грунтов" получило широкое развитие благодаря работам

A.В.Брушкова, КФ.Войтковского, С.С.Вялова, М.Н.Гольдштейна, С.Е.Гречи-щева, Б.И.Далматова, Э.Д.Ершова, И.И.Железняка, Ю.КЗарецкого, Г.И.Панкина, Ю.П.Лебеденко, Г.П.Мазурова, Н.Н.Маслова, З.Г.Тер-Мартиросяна,

B.О.Орлова, Н. А.Пузакова, Н.Н.Романовского, Н.А.Цытовича, П.Ф.Швецова, и многих других.

К настоящему времени разработаны основные теоретические положения механики мерзлых пород, определены основные прочностные, деформационные и реологические свойства мерзлых грунтов различного состава, строения и свойств. Причем интенсивное изучение данного направления определялось, в первую очередь, широкомасштабным хозяйственным освоением криолито-зоны.

Как и в предыдущих направлениях, слабоизученными, с точки зрения, физико-механики остаются криогенные склоновые процессы, такие как де-серпция, вязкопластическое течение, термоэрозия, термосуффозия и др.

Гидрогеодинамическое направление, изучающее влияние поверхностных, надмерзлотных (грунтовых) и подмерзлотных вод на характер развития криогенных процессов и явлений рассматривается в работах таких ученых, как В.Р.Алексеева, Л.С.Гарахули, Г.Ф.Грависа, С.Е.Гречищева, В.К.Данько, Э.Д.Ершова, Т.Н.Жестковой, Г.С.Константиновой, В.А.Кудрявцева, Ф.Н.Ле-щикова, В.В.Ловчука, Д.В.Малиновского, Н.Н.Маслова, Л.А.Молокова, В.Л.Невечери, В.О.Орлова, В.С.Петрова, В.Л.Познанина, Н.А.Пузакова, Н.Н.Романовского, В.Л.Суходровского, Н.И.Толстихина, Г.М.Фельдмана, Н.А.Цытовича, Л.В.Чистотинова, П.Ф.Швецова и многих других.

Многочисленные исследования по изучению промерзания грунтов в условиях открытой! системы позволили установить критические значения глубин

расположения уровня грунтовых вод, при которых они не участвовали бы в миграционно-сегрегационно м льдонакоплении.

В работах Э.Д.Ершова привадятся данные о том, что анизотропия коэффициента фильтрации в оттаивающих грунтах параллельно и перпендикулярно границе раздела фаз составляет соотношение (2-4): 1. Это двух-четырехкратное изменение коэффициента фильтрации приводит к развитию целого ряда процессов, обуславливающих потерю структурной прочности грунтов на склонах. К сожалению эти данные носят отрывочный характер и практически не оценивались количественно в прогнозе развития криогенных процессов.

Наибольшее количество публикаций, посвященных оценке поверхностных и подмерзлотных (подземных) вод относится к развитию эрозионных и нале-деобразующих процессов. В частности, механическая сторона термо-эрозии, оцениваемая как кинетическая энергия водного потока, широко используется во всех прогнозно-расчетных схемах.

Характеризуя изученность криогенных процессов в целом, следует остановиться на существующих методах их прогноза, картирования и управления ими при инженерно-хозяйственном освоении территорий. Не останавливаясь здесь на математических методах прогноза поскольку они будут приведены в специальном разделе данной главы, следует отметить наиболее слабую изученность этой стороны проблемы. Единичные разработки в этом направлении опубликованы в работах Э.Д.Ершова, Ю.П.Лебеденко, Л.С.Гарагули, Д.В.Малиновского, Н.Н.Романовского, Н.И.Толсгихина, Т.Н.Каплиной, и др. Существенным недостатком большинства разработанных классификаций является их построение по одному или нескольким параметрам, не отражающим физику процесса,

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРИНЯТАЯ В РАБОТЕ

Разработанная и значительно усовершенствованная методика изучения криогенных процессов и явлений, применяемая нами в ходе почти 20-летних стационарных наблюдений, включает в себя комплексное исследование теп-лофизических, физико-химических и физико-механических процессов в промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах в динамике изменения их свойств по глубине и во времени.

Общей чертой, для всех исследуемых процессов и практически не рассмотренной в существующей литературе, является методика изучения формирования физико-механических свойств грунтов и динамика их изменения по глубине и во времени, применяемая при стационарных полевых исследованиях.

Методика изучения криогенных процессов в промерзающих и оттаивающих породах. Изучение криогенных процессов в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах производилось посредством оборудования стационарных наблюдательных полигонов, включающих п себя обустройство дифференциальных установок со всем комплексом наблюдений за температурным, влажностно-плотностным режимами пород, темпами промерзания-оттаивания грунтов, динамикой формирования и изменения физико-механических свойств промерзающих оттаивающих) пород. Отличительной, от существующих методик, чертой обустройства стационарных наблюдательных полигонов по изучению криогенных процессов в промерзающих и оттаивающих породах явилось следующее. На каждом выделенном ключевом участке обустраивались полигоны в естественных условиях, при снятом растительном покрове, при искусственных теплоизоляционных покровах из мха, опилок, шлака, рубероидном и полиэтиленовым покрытиях, на выжженных, спланированных и техногенно-освоенных участках, позволяющих получить количественные закономерности развития процессов в широком диапазоне термодинамических условий промерзания-оттаивания пород. В целом было оборудовано и проведен непрерывный (более 10 лет) ряд наблюдений почти на 100 стационарных наблюдательных полигонах.

Таким образом данный методический подход позволил получить количественные закономерности протекания всего комплекса теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов в промерзающих и оттаивающих грунтах с оценкой роли их в в формировании величин интенсивности основных изучаемых процессов.

3. МЕХАНИЗМ И ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Важной задачей настоящих исследований являлась разработка теоретических основ природы криогенных процессов во взаимосвязи между теорией формирования физико-механических свойств промерзающих, оттаивающих и мерзлых пород с природой протекания индивидуального процесса, базирующихся на едином мерзлотно-геологическом фундаменте, объединяющий и взаимосвязывающий весь комплекс криогенных процессов.

Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования, наглядно свидетельствуют о зависимости развития криогенных процессов от режима и темпа промерзания глинисто-грунтовых систем. Так, например, искусственно регулируя условиями теплообмена на поверхности пород можно получить шесть различных типов промерзающих грунтовых систем, отличающихся между собой как по криогенному строению и структурно-прочностным условиям, так и по интенсивности развития криогенных процессов. В зависимости от скорости движения границы раздела фаз выделяются три режима

промерзания пород: быстрый, умеренный и медленный (рис. 1-3). Быстрое промерзание пород характеризуется формированием массивной криогенной текстуры и однородным структурно-прочностным типом промерзающего слоя пород по глубине. При таком режиме промерзания, когда скорость движения границы раздела фаз намного больше скорости миграционного потока влаги происходит лишь поровое льдовыделение, а прочность грунтов характеризуется формированием ближних коагуляционных и переходных контактов. Такой тип промерзания глинистых грунтов мы называем промерзанием по "типу песков". Интенсивность развития криогенных процессов полностью определяется условиями льдонакопления и характером формирования типа контактов. Кривые пучения и осадки пород по времени имеют практически линейную зависимость с небольшим (до 15 град) углами наклона Такой характер деформирования промерзающих и оттаивающих пород связан с девятипроцентным изменением в объеме замерзшей поровой влаги. При этом, таких процессов, как коагуляция и агрегация, обезвоживание и усадка, набухание и др. не происходит.

При оттаивании глинистых грунтов с массивной криогенной текстурой на склонах практически не проявляется десерпционное смещение, а вязко-пластические деформации будут проявляться лишь при дополнительном увлажнении грунтов.

Термоэрозия пород с массивной криогенной текстурой всецело определяется величиной н продолшгтельностью действия энергии водного потока При этом механизм размыва грунтов подчиняется термоэрозионному типу, т.е. опережающему оттаиванию пород по сравнению с размывом.

Медленный режим промерзания глинистых грунтов характеризуется низкими значениям градиентов температуры в мерзлой зоне промерзающих пород, с одной стороны, и длительным временем роста сегрегационных прослоев льда, с другой. Формирующийся тип криогенной текстуры: полнослои-егый, толсгошлировый, равномерно распределенный по глубине промерзающего слоя. В структурно-прочностном отношении данный тип характернзует-ся формированием, главным образом, коагуляшюшшх контактов. Кривые зависимости пучения и осадки пород от времени, такие как и при быстром промерзании пород, близки к линейной, однако угол наклона прямой изменяется в интервале 25-40 град . Роль сегрегационного льдонакопления в деформировании промерзающих к оттаивающих пород максимальная и может достигать 95 % от суммарной величины деформации.

При медленном промерзании пород происходит интенсивное развитие склоновых криогенных процессов, таких как криогенная десерпция и со-лифлюкция. Формирование толстошлировой криогенной текстуры особенно благоприятно сказывается на развитие вязкопластических деформаций гли-

б)

О 20 40 60 80 100

г,

Рис. 1.

1,6

3,2

4,8

9 , ? 9

9 , f 9

9 , t 9

9 ■ 9

9 , ? , 9

йПР. см/сут ^ПУЧ.мм/м Мое.мм/м Ьтеч.см Ьдес, см £эр, м/с" Ю ^

-""ттттттттттттттт

Влияние скорости промерзания грунтов на характер формирования криогенных текстур и интенсивность развития криогенных процессов (а-быстрый режим промерзания, б-медленный режим промерзания грунтов)

о 20 40

I Ь'ПУЧ /

/ ./ / / Г Т Т Т Г Г' Г 1

о 20 40 60 80

о 1 ^ ..... 0 г СМ./СУТ

1 9 Г ! V ; > { МцуЧ»ММ/М

п т 4 Н Г 1 1 -г Мое»мм/м

■ 9 Г 1 р г' 1 ~г Ьтеч,см

п И Г 1 9 , 12 Цаес.см

0 а Г 1 ? £ эр, м/с' "1С

^Мод-^Мпуч ттттттттттттт

юо

4...............

Рис. 2. Влияние скорости промерзания грунтов на характер формирования криогенных текстур и интенсивность развития криогенных процессов (умеренный режим промерзания грунтов)

» * ь

Рис. 3. Влияние скорости промерзания грунтов на характер формирования криогенных текстур и интенсивность развития криогенных процессов (а-умеренный режим и б-двустороннее промерзание грунтов)

нистых грунтов на склонах. Усиливающим фактором в данном случае является формирование фильтрационного потока по вытаявшим сегрегационным шлирам льда, объемное разуплотнение минеральных прослоев и "уносящее" воздействие потока на частицы грунта

Медленный режим промерзания грунтов чрезвычайно сильно сказывается и на развитие водно-эрозионных процессов, таких как термоэрозия и термосуффозия. При воздействии на такие оттаивающие грунты водного потока происходит объемный размыв слоев грунта, сопровождающийся предельно термоэрозионным типом размыва, т.е. быстрым сносом оттаивающих слоев грунта Такой же механизм характерен и для суффозионных процессов.

Умеренный режим промерзания пород характеризуется средними скоростями движения границы раздела фаз, находящихся в интервале 1-3 см/сут между двумя вышеописанными случаями. Как правило, такой режим промерзания характеризуется формированием' двух- и трехслойного криогенного строения пород по глубине промерзающего слоя. Особенностью такого режима промерзания пород является характерное проявление всего комплекса тегаюфизических, физико-химических и физико-механических процессов. В структурно-прочностном отношении такая промерзающая система может разделяться на слои как с коагуляционными, переходными и фазовыми контактами, так и различными их сочетаниям!!.

При трехслойном криогенном строении промерзающих пород, когда как минимум два слоя представлены льдистыми горизонтами кривая деформаций пучения пород во времени может иметь двухярусное строение. При этом, второй ярус кривой и по характеру и по механизму полностью повторяет первый. Следует так же отметить, что представленный выше характер деформирования промерзающих пород является типовым для умеренного режима промерзания, однако амплитуда, наклон кривой на отдельных участках может несколько видоизменяться в диапазоне скоростей промерзания 1-3 см/сут.

Развитие тепловой осадки оттаивающих пород аналогично деформациям промерзающих с зеркальным отображением кривой. Однако, помимо тепловой осадки в оттаивающих грунтах развиваются деформации летнего пученш дифференциальных слоев мерзлой зоны, набухание приповерхностной г обезвоженной в период промерзания зон, фильтрационная, компрессионная миграционная осадки, а также целый комплекс внутренних тегоюфизически? и физико-химических процессов.

Умеренный тип промерзания грунтов, способствующий формировании многослойного криогенного строения, вызывает специфическое развипк склоновых криогенных процессов. Так, например, вязкопластические де формации грунтов на склонах развиваются только при формировании коагуля ционных типов контактов, т.е. при наличии льдистых горизонтов. Обезво

женный слой грунта, характеризующийся формированием переходных и смешанных фазово-коагуляционных контактов пластическим деформациям подвергаться не будет. Разуплотнение этого слоя грунта происходит в течение весьма длительного периода, как правило, составляющего не менее 50 суток. Экспериментальные наблюдения показывают, что интенсивность смещения грунтов по глубине полностью повторяет кривую льдистости. Полученные данные полностью опровергают существующее мнение о затухании вязкопла-стических деформаций по глубине оттаивающего слоя.

Водно-эрозионные процессы также определяются характером криогенного строения пород. При формировании у дневной поверхности льдистого горизонта размыв оттаивающих пород протекает по предельно-термоэрозионному типу, а при достижении обезвоженного горизонта интенсивность размыва резко уменьшается и наблюдается термоэрозионный тип размыва пород (при прочих равных условиях).

4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В

ПРОМЕРЗАЮЩИХ, ОТТАИВАЮЩИХ И МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ.

Приведенные автором теоретические и экспериментальные разработки позволили получить количественные зависимости развития криогенных процессов в зависимости от широкого диапазона изменений условий теплообмена на поверхности. Экспериментальные данные показывают, что если теплоизоляционные покрытия (мох и опилки) практически не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на величину и динамику деформирования промерзающих и оттаивающих пород по сравнению с естественными природными условиями, то свегопрозрачные пленочные покрытия существенным образом уменьшают эти деформации. Установлено, что обустроенное в летний период пленочное покрытие (не позднее смены знака теплооборотов на поверхности) приводит к формированию в воздушном зазоре между пленкой и поверхностью грунта высокого влагосодержания, вплоть до 1-2 см водной пленки за счет обезвоживания пород. Интенсивное выделение скрытой теплоты фазовых переходов и длительная задержка начала промерзания пород (около 30 сут) приводит к практически полному затуханию пучения в промерзающий период и деформированию оттаивающих пород, что и подтверждено нами авторским свидетельством на изобретение N 1825845 от 13 октября 1992 г. Весьма оригинальным представляется нам рассмотрение вопроса о влиянии среднегодовой температуры пород на подошве слоя сезонного оттаивания на формирование Л„,Л,„,Лрт„,Л)1. и составляющих факторов деформирования оттаивающих пород на их ингаральную величину. Экспериментально установлено, что любое увеличение среднегодовой температуры на подошве слоя

сезонного оттаивания пород, по абсолютной ее величине, приводит к однозначному изменению как градиента температуры, гак и скорости промерзания грунтов со стороны многолетнемерзлых пород (критическим пределом промерзания пород со стороны многолетнемерзлых пород, по многочисленным экспериментальным и расчетным данным, является среднегодовая температура г, < -2,5°С). Однако, в отличии от промерзания пород с поверхности, понижение температуры на подошве СТС и увеличение В„, и однозначно ведет к увеличению интенсивности и интегральной величины пучения промерзающих и абсолютной величины деформирования оттаивающих пород различного состава и свойств. Такой характер деформирования пород не опровергает ранее выведенные закономерности криогенного пучения пород от условий теплообмена на поверхности, а, наоборот, подтверждает их.

Экспериментально доказано и теоретически подтверждено, что сама по себе дисперсность пород не является независимым параметром, определяющим пучинистые (осадочные) свойства, поскольку наложение на те или иные породы определенных температурных условий может привести к формированию самых разнообразных величин как у "сильнопучинистых", так и у "слабопучинистых" грунтов. Таким образом, выделяемые в настоящее время в литературе критерии дисперсности грунтов (границы морозоопасности и др. критерии) по фракционному содержанию тех или иных частиц не могут являться обобщенным показателем пучинисгых свойств промерзающих пород различного гранулометрического и минерального составов при определенной естественной влажности пород.

Многолетние стационарные наблюдения (1982-1995 гг), проведенные на территории Забайкалья, включающую в себя все пять мерзлотно-темпера-турных зон по В.А.Кудрявцеву, позволили установить чрезвычайно сложный характер зависимости кривой = /(г) от всего комплекса природно-гео-логических условий. Настоящими исследованиями установлено, что развитие как отрицательных (способствующих опусканию поверхности грунтов), так и положительных деформаций (поднятие дневной поверхности) в оттаивающих породах в полной мере определяется формированием структурно-прочностных криогенных зон в период промерзания пород, а также временем и условиями их разуплотнения в летний период (рис.4-7).

Экспериментальными исследованиями установлена динамика изменения физико-механических свойств оттаивающих пород по глубине и во времени. Так, например, если на начальный момент оттаивания верхней льдистой зоны (о,25< 1 < 0,5) модуль осадки составлял 17,8 ми/и, то на конец оттаивания пород он был равен 1,8 мм/м. Совершенно другой характер кривой т„ = /(г) зафиксирован в среднем обезвоженном горизонте. На начало оттаивания пород модуль осадки на глубине 0,55 м составлял 0,22 мм/м, а на конец оттай-

□ 0.2 0.4 О.Ба, МПа-1 ,,. 0 0.2 0.4 0.В о,МПа-1

Рио. 4. Характер распределения коэффициента сжимаемости по глубине оттаивающей пылеватой супеси в зависимости от посткриогенного строения промерзшего грунта с движением границы раздела фаз: 1,25 см/сут (1); 2,83 см/сут (2) и 0,87 см/сут (3).

Рис. 5. Динамика разуплотнения (уплотнения) оттаивающей пылеватой супеси во времени в зависимости от посткриогенного строения грунта:

1- на начальный момент оттаивания

дифференциального слоя грунта;

2- на конечный момент оттаивания дифференциального слоя грунта.

0.2

0. 4

0. 6 а, МПа- 1 _I_

тттттттттттттт

1ТТТТТТТТТТТТТТ

к, см |

X, см

Рис. 6. Динамика разуплотнения (уплотнения) оттаивающей пылеватой супеси с массивной посткриогенной текстурой во времени, промерзшей под пленочным покрытием:

1- на начальный момент оттаивания дифференциального слоя грунта;

2- на конечный момент оттаивания дифференциального слоя грунта.

Рис. 7. Динамика изменения коэффициента сжимаемости по глубине оттаивающей пылеватой супеси, промерзшей в условиях открытой (I) и закрытой (2) систем.

вания значение тас было равно 11,4 мм/м. Модуль же осадки нижнего сильнольдистого горизонта по результатам компрессионных испытаний на глубине 110 и 120 см превысил 43 мм/м.

Многолетние детальные стационарные исследования по изучению смещения пород на склонах позволили установить следующие особенности разни шя деформаций. Во-первых, динамика и интенсивность смещения пород всецело определяется характером формирования структурно-прочностных зон в период промерзания пород как с точки зрения развития десерпционного смещения, так и развития вязкопластических деформаций. Во-вторых, в зависимости от природно-геологаческих, геоморфологических и гидродинамических условий интенсивность смещения пород по глубине не затухает (как на это указывали целый ряд исследователей), а может иметь одну, две и более максимальных экстремальных точки. В-третьих, в суммарном смещении пород на склонах принимают участие как десерпцнонный механизм, так и вязкопла-сгический. Причем, в зависимости от градиента уклона склона может преобладать один из этих механизмов.

В общем следует отметить, что смещение грунтов во времени имеет не непрерывный характер, а происходит импульсами. На кривых интенсивности криосолифлюкционного смещения грунтов во времени представлены параболические, наклонные и ступенчатые участки. Параболические участки кривой на лентах самописцев соответствуют вязкопластическому течению с постоянной наибольшей пластической вязкостью, равной ю'Ла-с. Наклонные участки кривой, с единоразовой амплитудой смещения первые миллиметры, отвечают десерпционному механизму смещения (криогенная, гидрогенная и термогенная: десерпция). Ступенчатый характер кривой интенсивности смещения грунтов свидетельствует о быстрых внутренних подвижках при динамическом воздействии на 1рунты или фильтрационного потока влаги, или превышения количества коагуляционных контактов некоторого критического значения.

Рассматривая развитие вязкопластических деформаций в зависимости от литологического состава грунтов необходимо отметить следующее. С увеличением дисперсности глинистых грунтов, т.е. в ряду: супесь - суглинок - глина как абсолютная величина, так и интенсивность течения грунтов уменьшается. Максимальные величины вязкопластических деформаций, при прочих равных условиях, наблюдаются в пылеватых супесчано-суглинистых грунтах. Подобная зависимость смещения грунтов на склонах в зависимости от их гранулометрического состава объясняется следующим образом. Во-первых, с увеличением дисперсности грунтов происходит рост коагуляционных контактов. И, несмотря на то, что в глинах наиболее вероятно образование менее прочных дальних коагуляционных контактов, устойчивость их на смещение значительно выше, нежели в менее дисперсных супесчано-суглинистых отложениях за

счет проявления сил взаимодействия молекулярной и ионно-электростатической природы, величина которых может составлять 10 е -10 * Н, по сравнению с прочностью индивидуального контакта ближнего коагуляциошюго взаимодействия КГ10 -10 1Н. Во-вторых, в ряду: супесь -пылеватая супесь - пылевагый суглинок - суглинок - пылеватая глнна - глина при равных градиентах гидравлического напора, пластично-вязкие деформа -ции будут возникать тем интенсивнее, чем больше будет проявляться "уносящее" действие на частицы фунта фильтрационного потока влаги пли чем выше влагопроводные свойства грунтов.

Характеризуя смещение грунтов на склонах в зависимости от их влагосо-держания необходимо отметить следующее. Поскольку, как отмечалось ранее, вязкопластические деформации грунтов на склонах проявляются при возникновении коагуяционных контактов которые, в свою очередь, обусловлены гидратацией, то согласно В.И.Осипову, в супесчано-суглинистых грунтах достаточно высокой степени лигнфикации необходимый диапазон влажности, для формирования такого типа контактов, находится в интервале влажностей от нижнего нижнего предела пластичности ( и^) до влажности на границе текучести (•№„). При этом, формирующийся тип деформаций грунтов относится к упругоэластичновязкому. При влажности, большей влажности на границе текучести формирующийся тип деформаций грунтов на склонах относится уже к текучевязкому.

Гидродинамические условия оттаивающих пород чрезвычайно сильно влияют на динамику и особенности развития вязкопластических деформаций пород на склонах. Косвенным параметром, определяющим гидродинамические условия на склонах и характер формирования абсолютных величин смещения грунтов, является уклон поверхности склона. Детальные режимные наблюдения за изменением влажностного и плотностного режимов грунтов показывают, что развитие вязкопластических деформаций грунтов при угле наклона склона более 15° практически невозможно И, действительно, несмотря на значительную сдвигающую роль гравитационной составляющей смещения грунтов, развитие вязкопластических деформаций затруднено в связи с малым временем переформирования переходных контактов в коагуляционные. При градиентах уклона поверхности грунта более 0.25 возникают большие скорости фильтрации влаги и интенсивное обезвоживание грунта При этом, под действием гравитационной составляющей происходит преодоление сил отталкивания между одноименными зарядами диффузных оболочек глинистых частиц и коагулирование частиц с образованием переходных контактов.

Однако, экспериментальными исследованиями также установлено, что при градиентах уклона склона более 0,25 широко распространенными процессами могут быть сплывы как мохово-торфяного покрова, так и части сезонноот-

таившощего слоя пород по льдистой поверхности многолетнемерзлых грунтов. Как правило, такого вида деформации грунтов происходят при разрыве мохо-во-дернового покрова и преодолению длительного сопротивления грунтов сдвигу.

Анализ результатов исследований позволил выявить следующие особенности размыва мерзлых пород в зависимости от энергии водного пото-ка,среднегодовой температуры многолетнемерзлых пород и режима их промерзания. Так, например, наименьшей термоэрозионной стойкостью обладает супесь, у которой при энергии водного потока 2Л0'Ъ Дж! м-с интенсивность размыва составляет 0,6-1 о^м/с. В целом же зависимость интенсивности размыва пород от кинетической энергии потока крайне сложна В верховьях оврагов, как правило, увеличение энергии водного потока влечет за собой и рост интенсивности размыва грунтов. В центральных и устьевых частях оврага наблюдается некоторое смещение во времени пиков энергии водного потока и интенсивности размыва пород.

Анализ зависимости интенсивности размыва грунтов от скорости их оттаивания показал, что эти процессы не только разнонаправлены, но и взаимосвязаны, т.е. увеличение скорости оттаивания ведет к уменьшению интенсивности размыва пород и, наоборот. Так, например, установлено, что при изменении скорости оттаивания пород от 0,14•КГ'до 0,35-КГ8.к/с интенсивность размыва грунтов уменьшается в интервале 2,6-\0~7 + 1,74-10"'л/сИ, наоборот, уменьшение скорости оттаивания грунтов от 40-Ю-8 до 15-10""л#/с интенсивность размыва возрастает с 0,6-10"' до 5,0-КГ7.*/с (в обеих примерах грунты представлены пылеватой супесью с чередованием массивной и слоистой криогенной текстурой. После оттаивания пород, которое сопровождается нарушением дьдоцементных связей грунты обладают характерной посгкриогенной текстурой. В оттаявшем состоянии грунты имеют низкую структурную прочность и размываются по термоэрозионному типу. В дальнейшем, когда скорость движения границы раздела фаз значительно выше скорости термоэрозионного размыва пород структурная прочность грунтов увеличивается за счет восстановления коагуляционных связей между частицами, с одной стороны, и "схлапыванием" минеральных прослоев грунта по вытаявшим прослоям льда, с другой. При низких же скоростях оттаивания термоэрозия развивается по объемному принципу, т.е. размыв грунтов идет как с поверхности частиц за счет энергии водного потока, так и по вытаявпшм прослоям льда за счет интенсивного фильтрационного потока

Механизм, динамика и особенности размыва мерзлых и оттаивающих пород различного состава и свойств чрезвычайно сильно зависят от типа сформированной в период промерзания криогенной текстуры. Причем, для предельно-термоэрозионного и термоэрозионного типов размыва пород тип крио-

гешюй текстуры имеет решающее значение в формировании тех пли иных величин интенсивности размыва грунтов. В настоящее время установлено, что наибольшие величины интенсивности размыва отмечаются в оттаивающих грунтах с сетчатой криогенной. Грунты со слоистой криогенной текстурой занимают промежуточное положение между сетчатой и массивной криогенными текстурами. Максимальное же значение (катастрофического типа) интенсивности размыва пород наблюдаются при оттаивании грунтов с базальной криогенной текстурой, а также при вытаивании подземных льдов различного генезиса. В этом случае происходит формирование термоэрозионной формы рельефа, превышающего профиль равновесия. Все эти особенности размыва оттаивающих грунтов подтверждаются и экспериментальными исследованиями. Так, например, установлено, что при формировании, в период промерзания, слоистой или сетчатой криогенных текстур размыв оттаивающих пород происходит объемным способом. При этом, в случае оттаивания мерзлых пород с сетчатой криогенной текстурой смыв грунтов происходит блоками, а сам тип размыва характеризуется предельно-термоэрозионным.

5. ПРОГНОЗ КРИОГЕННОГО ПУЧЕНИЯ ПОРОД И УПРАВЛЕНИЕ ИМ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ХОЗЯЙСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИИ

Расчет величины пучения промерзающих грунтов может быть представлен, в общем виде, следующим образом;

К ^Л«» + ~ V

где /(рм - величина пучения грунта за счет увеличения на 9 % замерзающей поровой влаги; йл - величина пучения грунта за счет миграционно-сетрегационного льдонакопления; И„ - величина вертикальной усадки грунта за счет обезвоживания.

Расшифровывая данное выражение через классические законы тепло-массопереноса, базирующиеся на аналогичных законах переноса тепла (Фурье), фильтрации воды (Дарси) получим выражение для расчета величины деформаций пучения промерзающих грунтов в полном виде:

А, = 0,09 ■ - м-н,) • £ + 1,09 • К„ ■ К„6* ■ згаЛ • £ / - ¡3 ■ К}с («<„ ^

где «"„и1 соответственно значения влажности: на границе раздела фаз в период промерзания грунтов; естественная влажность грунтов (предзимняя); влажность предела усадки, численно приравненная к влажности на границе раскатывания; количество незамерзшей воды (все значения влажности берутся

в объемных долях единиц); - соответственно, глубина сезонного промерзания (оттаивания) пород и мощность обезвоженного слоя грунтов ниже границы раздела фаз.

В настоящее время целым рядом исследователей выделяется ряд параметров, определяющих пучинистость грунта К таковым параметрам относится практически весь комплекс величин, характеризующих процесс пучения: дисперсность грунтов, влагопроводные и усадочные свойства пород, влажность, скорость промерзания, среднезимняя температура на поверхности грунта, коэффициент консистенции и многие др.

Многочисленный факторный анализ зависимости величины криогенного пучения пород от параметров природно-геологической обстановки показал, что классификационными параметрами, полностью определяющими характер и величину криогенного пучения пород являются следующие. Скорость промерзания ($„,) и градиент температуры (gradt) в грунтах различного гранулометрического состава позволяют дать закономерности развития процесса пучения, за счет миграционного льдонакопления в зависимости от условий теплообмена на поверхности и климатических особенностей региона По влажности пород (%) можно всегда дать оценку величины пучения пород за счет массивного распучивания, а зная интенсивность обезвоживания, можно на качественном уровне легко оценить величину деформаций усадки в зависимости от того или иного состава грунта. Па основе установленных основныхлпарзт I метров, характеризующих развитие процесса пучения пород, проведена их градация и выделены основные типы пучения пород. По скорости промерзания пород выделяются три типа криогенного пучения: быстрый, умеренный и медленный при соответствующих значениях (5лр): 1) < 0,0005 м/ч; 2) 0,0005 £ 3„г < 0,001 м/ч; 3) 3„р > 0,001 м/ч.

По градиенту температуры: 1) <5°С/м, соответствует низким значениям плотности миграционного потока влаги; 2) ¿гаЛ <10°С /м соответствует резкому возрастанию Jyr, по сравнению с первым. Данный интервал по градиенту температуры встречается наиболее часто и характеризуется средними значениями; 3) При высоких градиентах в зоне интенсивных фазовых переходов (¿гаЛ й 10°с/м) отмечаются и большие значения плотности миграционного потока влаги.

Следующие основные параметры, определяющие пучинистость грунтов, являются чисто геологическими. Плотность миграционного потока влаги при "единичном" градиенте температуры возрастает от песков к глинам на 2-3 порядка и более. При этом установлено, что максимальные значения ^, равные 10^ г 1см1 ■с и более, характерны для глин, а минимальные, равные г/с«г с и ниже, у песков. В супесях это значение составляет Ю"7 г / см2 • с, а в суглинках

Ю^г/см2"-с. Учитывая скачкообразное изменение плотности миграционного потока влаги при переходе от одной литологической разновидности грунта к другой, можно выделить следующие грунты: песок, супесь, суглинок, глина.

Следующим параметром, характеризующим пучинпстость фунтов, является влажность отложений (начальная или предзимняя). Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, проведенные целым рядом исследователей показывают, что при влажности, меньшей влажности предела усадки миграции влаги практически не происходит, пучение грунтов в этом случае отсутствует. Следующее предельно-влажностное состояние характеризуется тем интервалом значений, при которых в отсутствии миграции влаги, объем замерзающей поровой влаги равен полному объему пор грунта, т.е. влажность равна 0,9 1м»„. При отсутствии миграции влаги пучения грунта в данном случае также не происходит. При условии же миграции влага в мерзлую зону грунта, гфи влажности находящейся в интервале »'„у <о,91и-,, дополнительный приток влаги в зону интенсивных фазовых переходов, в первую очередь, идет на заполнение пустых пор фунта до в = 1, т.е. идет выделение шпрационно-порового льда, который дает пучение за счет массивного распу-чивания. И только после заполнения всех пор мифационной влагой начинается процесс сегрегационного льдовыделения. Пучение пород в этом случае характеризуется резким возрастанием. При влажности большей 0,914»,, пучение грунтов определяется как за счет массивного распучивания, так и за счет миграционного льдонакопления.

Последним параметром, определяющим пучинистосгь фунтов, является усадочность фунтов. Характеристикой, определяющей усадочность фунтов, является коэффициент объемной усадки, который рассчитывается по формуле Т.Акройда.

Таким образом, по усадке можно выделить следующие градации, которые условно можно подразделить по минеральному составу фунта, т.е. монтмо-риллонитопый или сильноусадочный 1), гидрослюдистый или усадочный (0,5 < р < 1,0) и каолишгговый или слабоусадочный (/7 < 0,5). В последний тип пучения пород входят все остальные менее дисперсные фунты.

Выявление закономерностей криогенного пучения пород на исследуемых участках, а также анализ и обобщение литературных данных позволили разработать классификационную схему приемов управления криогенным пучением промерзающих пород, в соответствии с которой можно можно дать направленное управление криогенным пучением пород по всем видам естественных и техногенных нарушений.

6. ПРОГНОЗ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ

Деформирование оттаивающих дисперсных грунтов в общем виде можно представить как результирующую величину проявления и воздействия на положение поверхности грунта следующих процессов: тепловой осадки за счет вытаивания порового и сегрегационного льда; осадки, обусловленной сжимаемостью оттаивающих грунтов под действием природного (компрессионная) и внешнего давления (консолидационная) осадки; усадки фунта за счет обезвоживания при миграции воды в мерзлую зону оттаивающих пород и усадки приповерхностной части грунта в результате испарения влаги, транспирации ее растительностью, инфильтрации и.т.д.; набухания минеральных прослоев и приповерхностной части грунта; пучения мерзлой зоны оттаивающего грунта вблизи границы раздела фаз, т. е.:

= + + 5М + 5И + 1,)с - /С - КЛ - К",

где: 5- соответственно, тепловая осадка за счет вытаивания порового и сегрегационного льда; компрессионная (за счет природного давления) и консолидационная (за счет внешнего давления) осадки; усадка обезвоживаемой зоны грунтов за счет испарения, транспирации влаги, ее фильтрации и миграции в мерзлую зону оттаивающего грунта;

- соответственно, величина набухания минеральных прослоев грунта и набухания приповерхностного слоя пород; - величина летнего криогенного пучения мерзлых слоев оттаивающего грунта.

Расписывая каждую составляющую данного выражения получим конечную формулу для расчета результирующей величины деформаций оттаивающих пород.

= £ 0.0!» • • 8™<Л> ■ г<р) + 2 [0,09^• (*>< - ^) • ?1 + £ а' • р1 ■ 4'' +

1-1 1-1 Р, 1-1

+ ± [/?' - о • &} - ± . - < >. с ] - £ [р ■ - > • & ]+

М Р» 1-1 Р, 1-1 Рг

+ ¿1,09-У Г''•С-

По представленной выше расчетной методике была составлена программа расчета деформаций осадки на ЭВМ. Результаты расчетов величин деформирования оттаивающих грунтов на ЭВМ были проверены по различным стационарным наблюдательным площадкам при самых разнообразных условиях теплообмена на поверхности и различной степени нарушения естественной природной обстановки. Во всех случаях погрешность не выходила за пределы 12 %.

На основе установленных закономерностей развития данного процесса в породах различного состава и свойств было произведено выделение классификационных параметров и осуществлена их градация с целью выделения тиков процесса.

Выделение типов осадки пород по льдистости.

Таблица Су 1.

п/'п Объемная льдистость оттаивающих мерзлых грунтов Типы осадки оттаивающих грунтов по льдистости

1 г <0,05 морозный

2 0,05 < /" < 0,25 слабольдистый

3 0,25 <; г < 0,5 льдистый

4 />0,5 сильнольдистый

Следующим параметром, характеризующим деформирование оттаивающих грунтов н определяющим компрессионную осадку, является коэффициент сжимаемости (коэффициент компрессии, уплотнения).

При естественных природных давлениях в сезониооггаивающих грунтах в соответствии с научными разработками Н.А.Цытовича и экспериментальных исследований автора можно выделить следующие критерии сжимаемости мерзлых дисперсных грунтов. Так, например, морозные грунты практически во всех случаях характеризуются минимальным коэффициентом сжимаемости, близким по величине к сжимаемости скальных пород. Его значение, как правило, не превышает 0,001 см2/кг.

Слабольдистые оттаивающие мерзлые породы, характеризующиеся переходным типом контактов и весьма длительным временем разуплотнения, являются слабосжимаемыми. Коэффициент компрессии в таких грунтах изменяется в интервале: 0.01<а<0.001 см2/кг.

При изменении льдистости оттаивающих мерзлых грунтов в интервале 0.25-0.5 оттаивающие мерзлые грунты характеризуются весьма высокой сжимаемостью с пластическим и даже вязкотекучим деформированием. Коэффициент сжимаемости таких грунтов изменяется в интервале 0,01+0,1 см2/кг.

И, наконец, оттаивающие сильнольдистые мерзлые грунты обладают, как правило, текучей консистенцией, чрезвычайно слабой несущей способностью

и характеризуются очень высоким! значениями коэффициента сжимаемости (а>0.1 см2/!«-).

Таким образом типы осадки оттаивающих дисперсных грунтов по сжимаемости можно представить в виде следующей таблицы (табл.6.2.).

Типы осадки оттаивающих дисперсных грунтов по коэффициенту

сжимаемости

Таблица 6.2.

№ п/п Коэффициент сжимаемости оттаивающих мерзлых грунтов, см2/кг Типы осадки оттаивающих грунтов по коэф-ту сжимаемости

1 а< 0,001 практически не сжимаемый

2 0,0015 а <0,01 слабосжимаемый

3 0,01 ¿а <0,10 сжимаемый

4 а £0,1 сипьносжимаемый

Одним из основных параметров, характеризующий деформирование оттаивающих грунтов, является их гранулометрический состав. Следует отметить, что гранулометрический (литолошческий) состав оттаивающих (промерзающих) дисперсных грунтов играет многостороннюю роль в формировании абсолютной величины осадки. Не останавливаясь на рассмотрении данного вопроса детально, поскольку он рассмотрен в гл. 5, следует отметить, что в ряду песок-супесь-суглинок-глина результирующая величина деформирования при оттаивании этих грунтов (при прочих равных условиях) возрастает.

Последним параметром, характеризующим деформирование оттаивающих мерзлых грунтов, влияющим на его абсолютную величину и определяющий характер положительных деформаций является среднегодовая температура многолетнемерзлых пород

Влияние среднегодовой температуры мкоголеггнемерзлых пород на характер развития положительных деформаций оттаивающих пород проявляется в следующем. Во-первых, развитие деформаций за счет летнего криогенного пучения в оттаивающих грунтах возможно лишь при условии, когда скорость миграции влаги в мерзлую зону больше скорости оттаивания пород. Причем, чем ниже среднегодовая температура ММП, тем выше скорость миграционного потока влаги в мерзлую зону оттаивающего грунта и тем больше абсолютная величина летнего криогенного пучения. Во-вторых, в зависимости от происходит формирование многослойного структурно-прочностного строения промерзающих грунтов, чередующихся сильнольдистыми и обезвоженными зонами. В этом случае роль набухания минеральных прослоев, а также обезвоженных зон в суммарном деформировании оттаивающих грунтов может быть

весьма значительной. Таким образом, по среднегодовой температуре много-летнемерзлых грунтов можно выделить следующие типы осадки оттаивающих грунтов (табл.6.4.).

В основу построения схемы управления осадкой оттаивающих грунтов положены те же принципы, что и в одноименной схеме управления криогенным пучением пород.

Подразделение типов осадки оттаивающих грунтов по среднегодовой температуре многолетнемерзлых пород

Таблица 6.4.

№ Среднегодовая температура мно- Типы осадки оттаивающих грунтов

п/п голетнемерзлых грунтов, °С по t„ ММП

I h > -2,5 высокотемпературный

2 - 2,5 ¿ th > -5,0 умеренно температурный

3 h <í -5,0 н из коте мпер ату р ный

7. ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ КРИОСОЛИФЛЮКЦИИ

Рассматривая сезоинооттаивающий слой на склоне с установившимся фильтрационным, гравитационным, температурным, влажностными плотно-стным полями видно, что равнодействующая этих сил равна сумме частных потенциалов:

к

ф = Z = 'Ре + Vi +>, + Фс + .Р» + ■■ ■ /-i

где ¡ps,<рф,<р,,<рс,ф„ - соответственно гравитационный, фильтрационный, температурный, сейсмический, влажностный потенциал. Поскольку, в практических исследованиях выявить роль каждого из потенциалов в суммарной величине вязкопластическнх деформаций грунтов чрезвычайно сложно, используют, как пргшпло, объединенный фильтрашгонно-гравотациощшй потенциал.

Вполне очевидно, что величина вязконластпческого течения грунтов на склоне определяется временем приложения смощякчцих сил, т.е.:

° ■ • sin а * р, • tga ~ у■ со* а • tgp) ■ г

7}

где Т - время действия смещающих сил, а , ц> - соответственно: угол наклона склона и угол внутреннего трения грунтов.

Из уравнения вндно, что величина смещения грунтов возрастает с увеличением угла наклона склона, уменьшением угла внутреннего трения, уменьшением вязкости грунтов и увеличением глубины оттаивания грунтов.

Однако, абсолютная величина смещения грунтов на склоне определяется не только вязкоиластическими деформациями, но и величиной десерпциошюго смещения.

Расчет величин смещения грунтов за счет криогенной десерпции может быть определен из следующего выражения:

( + ).Ча

/2

=

где " соответственно результирующие величины криогенного пуче-

1-1 ы

ния промерзающих и осадки дифференциальных слоев грунта

Расчет величины смещения грунтов по склону в результате проявления гидрогенной десерпции, проявляющейся при набухании минеральных прослоев грунта, осуществляется по следующей зависимости.

= £

р.

Расчет гидрогенной десерпции приповерхностного слоя грунта может быть осуществлен по формуле:

= Е

г« Р.

/ СК

■ tga / 2

Расчет смещения грунтов на природных склонах за счет летнего криогенного пучения дифференциальных слоев мерзлых пород может быть осуществлен по формуле:

КТ = Ъ (1,09 ■<**' + / 2

По приведенной выше расчетной методике была составлена программа на ЭВМ и произведены расчеты для очень широкого диапазона природных и грунтовых условий. Во всех случаях погрешность не превышала 5 - 7 %.

В целях практического использования результатов расчетов на ЭВМ были построены номограммы для определения величины вязкопластическнх. деформаций грунтов на склонах.

На основе приведенной выше расчетной методики величины смешения грунтов на склоне произведем выделение классификационных параметров, в полной мере определяющих развитие данного процесса

Одним из классификационных параметров, определяющих движущие силы смещения пород по склону, является градиент уклона склона. В соответствии с градационной классификацией рельефа О.К.Леонтьева и уточнением данной схемы результатами экспериментальных наблюдений за динамикой смещения грунтов приведем классификационную схему типов смещения грунтов по градиенту уклона склона (табл.7.1).

Таблица 7.1.

Подразделение типов смещения грунтов по градиенту уклона склона

№ Градиент уклона Угол наклона склона, Типы смещения грунтов

п/п склона (/¡гаг) град, по градиенту уклона

1 < 0,05 а < 3 равнинный

2 0,05 5 tga < 0,10 3 2 а < 5 холмисто-равнинный

3 0,10 ¿/£«<0,40 5£а<22 холмистый

4 ¡ца г 0,40 а к 22 гористый

Следующая группа параметров, характеризующая развитие деформаций смещения относится к грунтам и их свойствам.

По гранулометрическому составу следует выделить 4 типа грунтов: пески, супеси, суглинки и глины. Пески характеризуются полным отсутствием деформаций смещения вязкопластической природы. Однако, в силу хороших фильтрационных свойств песков, в них могут развиваться деформации смещения гидродинамического характера

Супеси, суглинки и глины относятся к грунтам, характеризующимися различными связями, типами контактов и их прочностью, динамической вязкостью и др.

Развитие вязкопластическнх деформаций чрезвычайно сильно зависит от динамической вязкости грунтов, которая в свою очередь является функцией плотности и влажности пород. Экспериментальные наблюдения показывают, что кривая динамической вязкости грунтов в зависимости от плотности имеет 3 различных участка Первый из них характеризуется разуплотненным состоянием, наличием коагуляционньгх контактов, главным образом, дальнего взаимодействия. Динамическая вязкость грунтов, при плотности скелета ме-

([ее 1,1 г/см3, равна 102 кг-с/см"'. Второй участок характерен резким ростом динамической вязкости в шггервапе I О2 - Ю7 кг-с/см*. Плотность скелета грунтов при этом изменяется 1,1 - 1,65 т/см3. По своему характеру это коагуляцион-ные и переходные контакты. Третий участок, при объемной массе скелета грунта более 1,65 г/см3, характ еризуется упруговязкими деформациями, высокой динамической вязкостью и достаточно высокой устойчивостью грунтов на склонах.

Таким образом, по динамической вязкости грунтов можно выделить следующие типы солифлюкции (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Подразделение типов смещения фунтов по динамической вязкости

№ п/п Динамическая вязкость грунтов, кг-с/см3 Объемная масса скелета грунта, кг/см3 Типы солифлюкции по вязкости

1 77 < №'- к., - . 1 ИХ) эластичновязкий

2 10г<г/<10' 1100 < г„ < 1650 упруго-эластичновязкий

3 /72:10' Т„ £ 1650 упруговязкий

И, наконец, классификационным параметром, тесно взаимосвязанным с составом грунтов, их плотностью и вязкостью является влажность, Типизацию солифлюкции по влажности на основе инженерно-геологической классификации грунтов по типу структурных связей по В.И.Осипову можно представить в следующем виде (табл. 7.3).

Таблица 7.3.

Подразделение типов смещения по влажности грунтов

№ п/п Естественная влажность грунтов Угол внутреннего трения,град Типы солифлюкции по влажности

1 <р > 20 устойчивый

2 <, и> < м/„ 5<р£20 относит.устойчивый

3 (р<.5 неустойчивый

Первый тип характеризуется естественной влажностью, меньшей влажности на границе раскатывания. Это грунты с большим углом внутреннего трения и сцеплением 0,02 - 0,03 МПа. При неизменных условиях такие грунты являются достаточно устойчивыми. Упруговязкие деформации могут развиваться только при наложении внешних усилий или при искусственном нарушении устойчивости природного склона (подрезки, выемки и т.п.).

Второй тип солифлюкции по влажности находится в итсрвале от влажности на границе раскатывания до влажности на границе текучести. По своим

характеристикам этот тип наибо лее близок ко второму типу по динамической вязкости.

Развитие вязкопластических деформаций грунтов в этом диапазоне влажности может происходить или при ее увеличении или при увеличении угла наклона склона. При маных углах наклона склона (менее 10°) такие склоны являются устойчивыми. В природных условиях влажность в грунтах этого типа может изменяться 20 - 60 %.

Третий тип отличается высоким значением влажности, которая может достигать значений в 75 - 120 %. При таких значениях грунты структурно неустойчивые. Угол внутреннего трения близкий к нулю.

Таким образом, выделенные классификационные параметры и проведенная типизация процесса солифлюкции позволяет не только дать прогноз ее развития во времени, но и осуществлять картирование этого процесса при инженерно-геокриологических исследованиях.

8. ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ТЕРМОЭРОЗИИ

Выявленный механизм размыва мерзлых пород и установленные закономерности их размыва позволили разработать методику количественной оценки глубины развития термоэрозии грунтов.

В конечном виде глубина термоэрозионного размыва пород может быть представлена в следующем виде.

к ЬЕМК-Ь)

' 2-* (А,

Проведенные расчеты по данному уравнению на ЭВМ и проверка их с экспериментальными данными показала удовлетворительную сходимость. Погрешность расчетов во всех случаях не превышала 15%.

Среди параметров, характеризующих термоэрозионный размыв мерзлых грунтов выделяются; климатические (количество атмосферных осадков, испарение, влажность атмосферы и др.); геоморфологические (тип и характер склонов, их крутизна, площадь водосборного бассейна и т.д.); геологические (состав и физико-механические свойства грунтов), теплофизические (теплопроводность и теплоемкость пэунтов, теплота фазовых переходов).

Одним из определяющих факторов эрозии грунтов является количество выпадающих осадков. Общеизвестно, что в зависимости от интенсивности обводнения размыв грунтов может достигать катастрофических величин.

Таблица 8.1

Подразделение типов термоэрозии по интенсивности выпадения осадков

№ Интенсивность выпадения осадков, Типы термоэрозии по интенсив-

п/п мм/ч ности выпадения осадков

1 < 0,05 сухой

2 0,05 <5,00 моросяще-дождевой

3 Л, 2:5,00 обильно-дождевой

Через этот параметр определяются такие факторы, как скорость и расход водного потока, полная механическая энергия водного потока, скорость фильтрации и фильтрационное давление и т.д. По своему назначению и природе этот классификационный параметр в полной мере соответствует одноименному классификационному параметру типов криосолифлюкции. .

Следующие параметры, характеризующие термоэрозионный размыв грунтов касается геологической среды и свойств размываемых грунтов. По составу пород целесообразно выделить следующие типы: крупнообломочные грунты; пески гравелистые,

крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые; супеси; суглинки; глины.

И, наконец, параметром, характеризующим геокриологическую сторону процесса и в частности: теплопроводность и теплоемкость грунтов, криогенное строение, теплоту фазовых переходов и др., на наш взгляд, является среднегодовая температура грунтов на подошве их сезонного оттаивания.

Таблица 8.2

Подразделение типов термоэрозии по среднегодовой температуре

на подошве

№ Среднегодовая температура пород Типы термоэрозии по среднегодо-

п/п на подошве СТС вой температуре на подошве се -зоннотгаивающего слоя

1 и < -2,5 твердомерзлый

2 - 2,5 £ < -1,0 пластично-мерзлый

3 -1,05Г4<0 эластично- пластично-мерзлый

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволяют сформулировать основные положения и выводы, определяющие теоретическое и практическое значение работы.

1. Разработана методика комплексных стационарных полевых исследований криогенных процессов, включающая в себя разработку количественных методов оценки тепло- и массопереноса, сегрегационного льдонакопления, усадки и набухания, десерпционного и вязкопластического смещения пород на склонах, термоэрозионного и термосуффозионного разрушения мерзлых пород водными потоками в тесной взаимосвязи между собой и условиями формирования физико-механических свойств промерзающих (оттаивающих) пород. Особенностью данной методики является: - непрерывность измерений интенсивности развития криогенных процессов по глубине и во времени с помощью самописцев; - определение условий формирования физико-механических свойств промерзающих и оттаивающих пород и количественная оценка динашнш их изменения по глубине и во времени; - определение всего комплекса параметров и характеристик, необходимых и достаточных для прогноза развития криогеннных процессов.

2. Детализирован и значительно уточнен механизм деформирования промерзающих и оттаивающих пород как.на горизонтальных, так и наклонных поверхностях при широком спектре изменений условий теплообмена на границе атмосфера - грунт при различном составе, строении и. свойств последних, а также в широком региональном плане изменения инженерно-геокриологических и гидрогеологических условий.

Экспериментально доказано и теоретически подтверждено, что в промерзающих (оттаивающих) тонкодисперсных грунтах, в зависимости от начальных и граничных условий 1 и 11 рода, происходит формирование шести различных типов криогенного строения СТО (CMC), разделенных на различные структурно-прочностные зоны, полностью определяющие как величину так и интенсивность развития криогенных процессов по глубине и во времени.

Показано, что природа деформирования промерзающих (оттаивающих) пород определяется, главным образом, термодинамическими условиями на поверхности. Термодинамические условия на поверхности, создаваемые искусственным путем (создание пленочных, теплоизоляционных покрытий из мха, опилок, шлака, снятие растительности и ее выжигание, изменение альбедо поверхности путем известкования и т.д.), позволяют с высокой степенью надежности управлять криогенным процессам! промерзающих и оттаивающих пород.

Так, например, установлено, что создание пленочного покрытия практически полностью (до 80 %) ликвидирует развитие деформаций пучения (осадки)

и до 95 % деформации смещения грунтов за счет криогенных механизмов смещения.

Впервые получен экспериментальный натурный материал, доказывающий, что в зависимости от вышеперечисленных составляющих, а также термодинамических условий на поверхности пород деформации поверхности могут составлять до нескольких десятков сантиметров в год или близки к нулю при одних и тех же мерзлотнгнгеотюгических условиях. „

Значительно уточнен механизм развития вязкопластических деформаций на естественных и искусственных склонах (бортах), базирующийся на теории формирования индивидуальных контактов дисперсных пород, их типов и развитие этих деформаций в зависимости от условий теплообмена на границе атмосфера-грунт. Впервые приведена кинетика смещения пород за счет де-серпционных механизмов их различной природы.

Раскрыт механизм термоэрозионно-суффозионного размыва мерзлых пород в зависимости от теплофизических условий, температуры мерзлых пород и гидравлических характеристик водных потоков.

3. Установлены количественные закономерности развития криогенных процессов в зависимости от состава, строения и свойств промерзающих и оттаивающих пород, условий теплообмена на поверхности и по всем составляющим факторам, определяющим каждый процесс.

Экспериментально установлено, что создание искусственных отепляющи-покровов (мох, опилки, рубероид, пенопласт и т.д.) не изменяет сколь-нибудь заметно глубину сезонного оттаивания пород, но существенно изменяет их криогенное строение при процессе промерзания и характер и интенсивность развития всего комплекса криогенных процессов. Искусственные отепляющие покровы приводят к уменьшению скорости промерзания пород, и росту, как абсолютных величин пучения грунтов при промерзании, так и их осадки при оттаивании. Создание пленочных покрытий приводит к практически полному затуханию вышеописанных процессов в связи с иссушением пород в ходе аб-лимации льда на поверхности, что подтверждается авторским свидетельством на изобретение N 1825845 - 92г.

Смещение пород на естественных склонах определяется не только крутизной поверхности смещения и составом пород, но и термодинамическими условиями промерзания (оттаивания), обеспечивающими достаточные условия их смещения. А именно, при умеренных скоростях промерзания пород формируется равномернослоистая по глубине криогенная текстура При ее оттаивании происходит смещение пород, вызванное как, с. одной стороны, потерей прочности пород, так и, с другой, ""уносящим" действием фильтрационного потока влага. - . - . • - " - .

_ Смещение пород на естественных склонах не затухает по глубине, как на это указывает целый ряд ученых, а может, быть максимальным на подошве се- -

зоннооттаивающего слоя, не изменяться по глубине и иметь несколько экстремальных (максимальных и минимальных) точек по глубине оттаивающего слоя.

Впервые доказано, что эрозия мерзлых пород зависит от среднегодовой температуры многолетнемерзлых грунтов на глубине "нулевых" годовых амплитуд. Чем ниже (¿тем выше скорость промерзания пород и возможность формирования массивной криогенной текстуры, что обуславливает термоэрозионный тип размыва грунтов.

При формировании равномернослоистой криогенной текстуры, а также сетчатой и ячеистой происходит объемный размыв грунтов, что характерно для медленных и умеренных скоростей промерзания, а следовательно при г4, изменяющейся в интервале -1 -ь-3 °С.

4. Разработаны математические модели и проведены расчеты на ЭВМ прогноза криогенных процессов:

- на базе имеющихся теоретических разработок составлена программа управления криогенным пучением промерзающих и деформированием оттаивающих пород для всех мерзлотно-температурных зон (по В.А.Кудрявцеву);

- создана программа на ЭВМ и разработана схема управления смещением пород различного состава и свойств на естественных склонах и искусственных бортах и выемках;

- разработана схема управления термоэрозионным размывом мерзлых и оттаивающих грунтов при различных мерзлотно-геологических условиях.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Экспериметалыюе исследование миграции влаги, сегрегационного льдо-выделения и пучения в мерзлой зоне оттаивающих грунтов// Проблемы строительства на многолетнемерзлых грунтах. Воркута.1979 (соавторы Ю.ПЛебеденко, О.М.Язынин).

2. Методика количественной оценки величины пучения оттаивающих вла-гонасыщенных грунтов//Мерзлотные исследования,- М.: Изд-во МГУ, 1980. Вып.Х1Х.- С.59-66 (соавторы Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко).

3. Методика оценки деформаций пучения влагонасыщенных грунтов// Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства- М.: 1981, С.26-28 (соавторы Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебедепко). .

. 4.Пучение промерзающих и оггаивающх дисперсных пород// Повышсние-эффекгивности «нженерно-геолошческих изысканий-для строителнефтегазо- ~ носных районах Западной Сибири. Тюмень, 1981 (соавторы Э.Д.Вршов, ЮЛЛебеденко). - - -V -- - - . ~ --_

5. Общие черты и отличительные особенности пучения промерзающих и оттаивающих грунтов// Опыт строительства оснований и фундаментов на веч-номерзлых грунтах.- Воркута, 1981 (соавторы Э.ДЕршов, Ю.П.Лебеденко).

6. Основные принципы картирования пученияпромерзающихпород // Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего севера.-М.: 1982.-С. 51-52 (соавтор Ю.П.Лебеденко).

7. Особенности пучения промерзающих дисперсных грунтов// Проблемы геокриологии Забайкалья.- Чита, 1982 (соавторы Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко).

8. Экспериментальные исследования пучения, усадки и осадки в одно сто-роннеотгаивающих влагонасыщенных грунтах// Мерзлотные исследования.-М.: Изд-во МГУ, 1982. Вып.ХХ. (соавторы Э.Д.Ершов, ЮЛ.Лебеденко, И.Б.Плохих)

9. Струюурообразование и деформирование пород при промерзании и оттаивании // Мерзлотные исследования,- М.: Изд-во МГУ, 1983. Вып.ХХ1.-С. 131 -136. (соавторы Э.Д.Ершов, К>.П.Лебеденко, О.М.Язышш).

10. О связи величин пучения с типами их сезонного оттаивания// Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири. -Тюмень, 1983.- С. 155-157 (соавтор В.Г.Кондратьев).

11. Динамика криосолифлюкционного течения дисперсных грунтов// Инженерно-геологические и мерзлотные исследования Дальнего Востока.- Хабаровск, 1983.- С. 119-135 (соавтор И.В.Каверзина).

12. Особенности процессов влагопереноса, льдонакопления и пучения в мерзлых дисперсных грунтах СТС// Повышение эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири. -Тюмень, 1983.- С.104-106.

13. Методика комплексных исследований экзогенных геологических процессов на территории Удоканского ГОКа// Охрана геологической среды в горнодобывающей промышленности.- М.: 1983 (соавторы А.Г.Репин, И.В.Каверзина).

14. Количественная оценка величин криосолифлюкционного течения дисперсных грунтов.//Проблемы геокриологии Забайкалья,-Чита,1984.

15; Особенности развития термоэрозии в Чарской впадине// Проблемы геокриологии Забайкалья:-Чита, 1984 (соавтор Э.А.Пелихов).

16. Деформирование промерзающих и оттаивающих грунтов при строительстве на сезонно- и многолегнемерзлых породах// Проблемы инженерной геологии в связи с промьппленно-траждаским строительством и разработкой месторождений, полезных ископаемых.- Свердловск,1984,т. 1 {соавторы Э.ДЕршов, Ю.П. Лебеденко). -V -

17. Методика прогноза криогенных процессов на различных стадиях инженерно-геологических исследований // Геокриологический прогноз при строительном освоении территории,- М.: 1985,- С.39-41.

18. Особенности развития деформаций пучения в промерзающих крупнообломочных грунтах // Проблемы фундаментостроения на пучинисгах грунтах,- Чита, 1985,-С. 89-91 (соавтор М.А.Петрова).

19. Методика прогноза криогенных процессов на различных стадиях инженерно-геологических исследований //Геокриологический прогноз при строительном освоении территории,- М.: 1985. Кн.2,- С. 39-41 (соавторы

B.Г.Кондратьев, М.А.Петрова, А.Г.Репин).

20. Деформирование промерзающих и оттаивающих дисперсных грунтов.// Физико-химическая механика дисперсных систем.- М.: Изд-во МГУ, 1985 (соавторы Э. Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко).

21. Основные принципы прогноза течения дисперсных грунтов по склону // Геокриологический прогноз при строительном освоении территорий.-М.:1985.- С.192-193.

22. Особенности развития деформаций пучения в промерзающих крупнообломочных грунтах.// Проблемы фундаментостроения на пучинистых грунтах,- Чита, 1985,- С. 89-91 (соавтор М.А.Петрова).

23. Особенности развития осадки сезоннооттаивающих дисперсных пород при различных условиях теплообмена на поверхности// Проблемы освоения Удоканского ТПК- Чита,1985 (соавтор М.А.Селедкова).

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

25. Мерзлотные условия Северного Забайкалья и их изменение при хозяйственном освоении района.// Проблемы охраны окружающей среды Забайкалья.- Чита, 1986 (соавтор В.Г.Кондратьев).

26. К вопросу о механизме течения пород по склону //Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты.- Благовещенск, 1986,-

C. 312-314.

27. Методика изучения солифлюкции //Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты,- Благовещенск, 1986.- С.64-66 (соавторы И.В.Каверзина, М.А.Петрова, А.Г.Репин).

28. Закономерности смещения грунтов по склону// Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья.- Чита, 1987.- С.50.

29. Динамика сжимаемости оттаивающих грунтов по глубине СТС // Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья,- Чита, 1987,- С. 137-138 (соавторы А.Г.Репин, МАПетрова, Т.Н.Власова, М.Н.Хамин).

30. Критические значения параметров, определяющих развитие вязкопла-стических деформаций грунтов на склонах // Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне.-Магадан, 1989.- С.80-81.

31. Прогноз криогенных процессов при инженерно-геокриологических исследованиях.. Учебное пособие.- Чита, 1989.- 102 с.

32. Влияние термосуффозии на устойчивость линейных сооружений центрального участка БАМ. // Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне.- Магадан, 1969,- С.81-82 (соавтор А.Г.Репин).

33. Критические значения параметров, определяющих развитие вязкопла-стических деформаций грунтов на склонах //Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоне.- Магадан, 1989,- С. 80-81 (соавтор М.А.Петрова).

34. Методика количественной оценки смещения грунтов на склонах // Актуальные проблемы наук о Земле,- Чита, 1990,- С,39-45.

35. Динамика летнего деформирования грунтов, находящихся в различных природных и термодинамических условиях.// Актуальные проблемы наук о Земле,- Чита, 1990.- С.46-52 (соавторы А.Г.Репин, М.А.Петрова).

36. Количественная оценка интенсивности проявления криогенных процессов притрассовой зоны БАМ в пределах Читинской области.// Актуальные проблемы наук о Земле.- Чита, 1990,- С.62-67 (соавтор М.А.Петрова).

37. Геокриологические проблемы освоения зоны БАМ.// Эффективность народнохозяйственного освоения Забайкалья, - Чита 1991.

38. Сжимаемость оттаивающих грунтов //Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. - М.: Наука, 1992.

39. Геокриологическая паспортизация инженерных сооружений основа организации мониторинга// Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья,- Чита, 1992,- С. 142-144 (соавтор Л.Г.Регпш).

40. Устройство ддя защиты грунта от пучения. A.c., N 1825845, 1992. (соавторы В.А.Бабеяло, А.Г.Репин).

41. Термодинамические методы управления криогенным пучением промерзающих грунтов //Защита инженерных сооружений от морозного пучения. -Якутск, 1993,- С.22-23.

42. Расчетная оценка течения грунтов по склону //Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья,- М.: Наука, 1993.- С. 50-52 (соавтор М. А.Петрова).

43. Природа криогенных процессов //Вестн.Чит.полит, ин-та- М.: Изд-во МГТУ, 1995. Вып.2.- С. 85-100.

44. Методика расчетной оценки величины термоэрозионного размыва грунтов //Вестн.Чит.полит.ин-та,- М.: Изд-во МГТУ, 1995. Юбил. вып.- С.221-230 (соавторы М.А.Петрова, Л.А.Васютич, Д.В.Манзырев).

45. Пучение промерзающих пород.//Осковы геокриологии. Физико-химические основы.- М.: Изд-во МГУ, 1995.-Вып.1,- C.3I0-329 (соавторы Ю.П.Лебеденко, А.В.Брушков).

45. Пучение промерзающих пород.//Основы геокриологии. Физико-химические основы.- М.: Изд-во МГУ, 1995.-Вып.1.-С.310-329 (соавторы Ю.П.Лебеденко, А.В.Брушков).

46. Природа смещения дисперсных пород на склонах./ Мат-лы 1 съезда геокриологов России. -М.: Изд-во МГУ, 1996 (соавторы М.А.Петрова, Д.В.Манзырев)

47. Способ защиты фундаментов от деформаций пучения промерзающих пород. Заявка N96108468/03(014311). Решение о выдаче патента ВНИИГПЭ от 24.02.97 г (соавторы В.АБабелло, Д.В.Манзырев).