Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Закономерности формирования свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья
ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья"
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА
, , р п Геологический факультет
1 ^ ^ Кафедра геокриологии
2 НОВ <о<»7
На правах рукописи
БРУШКОВ Анатолий Викторович
УДК 551.340; 624.131
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД АРКТИЧЕСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ
04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
Москва, 1997 г.
Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.
Научный консультант - доктор геолого-минералогических наук, профессор Э,Д.Ершов.
Официальные оппоненты: Доктор геолого-минералогических наук, профессор С.Е.Гречищев Доктор геолого-минералогических наук М.А.Минкин Доктор технических наук, профессор В.О.Орлов
Ведущее предприятие:
Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е.Веденеева (г.Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится 5 декабря 1997 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного Совета по гидрогеологии, инженерной геологии и мерзлотоведению (Д.053.05.27) при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория № 415.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ.
Автореферат разослан 5 ноября 1997г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета
по гидрогеология, инженерной геологии
и мерзлотоведению
доктор геолого-минералогических наук,
профессор«:
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сырьевое обеспечение экономики России связано с освоением новых месторождений нефти и газа на Арктическом побережье Северного Ледовитого океана. Там расположены жилые поселки и находятся крупные транспортные и оборонные объекты. Широкое распространение в этом регионе засоленных многолетнемерзлых пород осложняет строительство и эксплуатацию зданий и сооружений. Засоленные мерзлые породы имеют особые свойства, отличаются низкой несущей способностью и неустойчивостью к техногенным воздействиям. Исследование условий и закономерностей формирования свойств засоленных мерзлых пород необходимо для их научного прогноза и, следовательно, для обеспечения эксплуатационной пригодности инженерных сооружений и сохранения природной среды. Засоленные мерзлые породы представляют собой объект исследования, занимающий по многим своим свойствам положение между мерзлыми и немерзлыми породами. Они содержат значительно большее количество незамерзшей воды, чем обычные мерзлые породы, что вместе с другими особенностями их состава и строения определяет это своеобразие. По ряду своих свойств - физических, деформируемости, прочности смерзания - они значительно отличаются от незаселенных мерзлых пород.
Цель и задачи работы. Целью проведенных исследований являлась разработка основ научных представлений о закономерностях формировании инженерно-геологических свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья. В соответствии с поставленной целью потребовалось решите следующие задачи:
1.Обобщить опыт полевых и экспериментальных исследований засоленных мерзлых пород Арктического побережья.
2.Выявить условия формирования засоленных дисперсных мерзлых пород Арктического побережья Евразии и Северной Америки и их распространение, разработать их классификацию.
3.Разработать теоретические и методические основы исследований засоленных мерзлых пород, создать и усовершенствовать на этой основе методики исследования их физических и механических свойств.
4. Определить основные физические и физико-химические свойства засоленных мерзлых пород, диапазоны и закономерности их изменения.
5. Оценить несущую способность засоленных мерзлых пород Арктического побережья как оснований инженерных сооружений.
6. Охарактеризовать процессы длительного преобразования состава и строения засоленных мерзлых пород при техногенном воздействии, прежде всего процесс длительного деформирования.
7. Показать практическую значимость разработанных научных положений и установленных закономерностей формирования свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья.
Методика исследований. Обобщение и исследование условий образования и основных свойств засоленных мерзлых пород обусловило применение методов, объединенных необходимостью объяснения закономерностей формирования свойств этих пород. Методика исследований включала в себя полевые наблюдения, теоретические и экспериментальные методы исследования. Использовались методы анализа состава и строения пород, полевые и лабораторные методы определения их физических, физико-химических и механических свойств, а также методы моделирования геокриологических процессов. При этом были использованы достижения смежных наук - грунтоведения, инженерной геологии, механики грунтов и других.
Научная новизна работы заключается в решении такой крупной научной проблемы, как разработка основ научных представлений о формировании инженерно-геологических свойств мерзлых засоленных пород Арктического побережья.
При выполнении исследований получены следующие новые научные и практические результаты:
¡.Теоретически обоснована, разработана и опробована методика комплексного анализа инженерно-геологических свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья.
2.Установлены закономерности распространения засоленных мерзлых пород Арктического побережья, выявлены их основные геолого-Генетические типы и предложена их классификация.
3.Изучен и обобщен комплекс основных инженерно-геологических свойств засоленных мерзлых пород.
4.Изучены закономерности формирования свойств замоленных мерзлых пород и дано их научное обоснование.
5. Предложены расчетные характеристики свойств засоленных мерзлых грунтов, необходимые для проектирования инженерных сооружений на Арктическом побережье.
Реализация результатов исследований может осуществляться в практике инженерно-геологических изысканий и проектирования на Арктическом побережье. Ряд теоретических и практических положений, изложенных в диссертации, включен в учебники и учебные пособия: "Лабораторные методы исследования мерзлых пород", "Петрография мерзлых пород", "Основы геокриологии". Разработанный автором "Регламент для проектирования объектов нефтегазового комплекса на п-ве Ямал. Расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов" используется для проектирования инженерных сооружений на п-ве Ямал. Отдельные разработки автора внедрены при строительстве различных объектов на Арктическом побережье России: инженерных сооружений ПГО "Архангельскгеология", треста "Арктикстрой", зданий и других объектов в пос. Амдерма.
Апробация работы. Материалы, теоретические и методические положения диссертации представлялись на 6 Международной конференции по мерзлотоведению (Пекин, Китай, 1993), Международном симпозиуме Ground Freezing (Нанси, Франция, 1994), па заседаниях Научного совета по криологии Земли АН СССР и РАН (Москва, 1991; 1993; ¡994; 1996), на Всесоюзном совещании-семинаре "Исследование свойств грунтов с целью наиболее рационального проектирования и строительства" (Москва, 1981), Всесоюзном совещании "Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах" (Воркута, 1981), Всесоюзных совещаниях по инженерным изысканиям в области вечной мерзлоты (Чита, 1984: Благовещенск, 1986), Всесоюзной научно-практической конференции по повышению эффективности инженерных изысканий для строительства в нефтегазоносных районах Западной Сибири (Тюмень, 1993), 20-м Русско-Американском микросимпозиуме по планетологии (1994), Первой конференции геокриологов России (1996) и других научно-практических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, включая статьи, тезисы докладов и сообщений и отдельные разделы в 3-х книгах.
Исходные материалы и личный вклад в решение проблемы. В основу диссертации положены многолетние (начиная с 1980 года) исследования автора в Западной Сибири и на Югорском полуострове.
В процессе полевых изыскательских работ получен фактический материал по инженерно-геокриологическим условиям около 100 объектов строительства на Арктическом побережье, проведены
экспериментальные исследования прочностных, деформационных и других свойств засоленных мерзлых пород (всего более 2000 образцов, многие опыты автором выполнены лично), в том числе испытания свай.
Кроме фактических материалов, полученных при непосредственном участии автора, были использованы фондовые материалы ПНИИИСа, ЛенЗНИИЭПа, МГУ и других организаций, обобщены публикации русских и зарубежных авторов по теме диссертации. Приведенные в диссертации экспериментальные материалы в основном были получены на Амдерминской научно-исследовательской мерзлотной станции ПНИИИС. Личный вклад автора заключается в научном и методическом руководстве и непосредственном участии во всех проведенных работах. Все теоретические и методические разработки выполнены автором лично.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав и заключения.
Объем работы 383 страницы машинописного текста, которые иллюстрируются 105 рисунками и 29 таблицами. Список использованной литературы составляет 318 наименований.
Автор глубоко благодарен всем товарищам по работе на Амдерминской научно-исследовательской мерзлотной станции ПНИИИС и в частности А.А.Николаеву, Ю.С.Петрухину; к.г.-м.н.
A.Н.Хименкову, |к.т.н. Л.В.Чистотинову | , Н.Ф.Цыбиной, Г.А.Томиной и другим; директору ПНИИИСа профессору
B.В.Баулину и сотрудникам ПНИИИСа заведующему лабораторией к.г.н. Ю.Г.Уваркину, к.т.н. В.И.Аксенову, д.г.н. М.М.Корейше, к.г.-м.н. О.П.Павловой, к.т.п. И.В.Шейнину, к.г.-м.н. Н.В.Ивановой и другим; главному геологу ЮЖНИИГИПРОГаза к.г.-м.н. Г.И.Махонину; заместителю начальника Департамента научно-технической политики Госстроя Ю.Г.Вострокнутову, сотрудникам МГУ профессорам И.Д.Данилову и Л.Т.Роман, к.г.-м.н. Л.Н.Максимовой, к.г.н. К.А.Кондратьевой, доценту Е.М.Чувилину; сотруднику Мосгипротранса В.С.Юхимчук; профессору Г.Э.Одишария и заведующему отделением ВНИИГаза к.т.н. А. М. Сиротину; заведующему отделом Фундамента роекта к.т.н. А.А.Колесову; руководителям подразделений Арктикстроя Г.В.Замлелову и Ю.А.Костикову, заведующему отделом Арктики ЛенЗНИИЭПа к.т.н. Ю.Я.Белли и к.т.н. А.Н.-Яркину за содействие в проведении работ, советы, замечания и поддержку.
Автор также признателен сотрудникам МГУ, ПНИИИСа, ВСЕГИНГЕО, ВНИИОСПа, Фундаментпроекта, МИСИ, ЮЖНИИГИПРОГАЗа, ВНИИГаза, Надымгазпрома, Ленгипротранса и ряда других организаций за помощь в постановке и проведении исследований.
Свою признательность за консультации и предоставленные материалы автор выражает д.г.-м.н. Г.И.Дубикову, д-ру Э.Хивон и профессору Д.Сего (Канада).
Особую благодарность автор выражает своему научному консультанту профессору Э.Д.Ершову.
РАЗДЕЛ 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ОБЬЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД
В 60-х годах Ю.Я.Велли и П.А.Гришиным впервые было обнаружено, что деформации зданий в поселках на Арктическом побережье связаны с низкой несущей способностью мерзлых по род, обусловленной содержанием в мерзлых породах легкорастворимых солей. Экспериментальные исследования, проведенные затем В.И.Аксеновым, Б.И.Далматовым, В.В.Докучаевым, Э.Д.Ершовым,
B.Н.Ивановым, В.М.Карповым, А.А.Карпуниной, Я.А.Кроником,
C.Г.Лосевой, Ю.М.Маковым, К.Ф.Маркиным, А.Д.Масловым, Ю.С.Миренбургом, Н.К.Пекарской, Л.Т.Роман, И.В.Шейкиным, А.Н.Яркиным и другими подтвердили особые физические и механические свойства засоленных мерзлых пород. За рубежом внимание на засоленные мерзлые породы было обращено в связи с геологическими и инженерными исследованиями в 70-х годах в море Бофорта (D.Sego, D.Chernenko, G.Pharr, D.Nixon, E.Hivon и другие). Предполагаемое освоение газоконденсатных месторождений на п-ве Ямал поставило задачу обеспечения строительства сооружений в условиях широкого распространения засоленных мерзлых грунтов. В течение ряда лет силами ПНИИИС, МГУ, ВСЕГИНГЕО и других под руководством ВНИИГаза выполнялась научная программа, в которой в том числе предусматривалось всестороннее исследование распространения и свойств засоленных мерзлых грунтов' с целью разработки методов прогноза их поведения.
Трудностью, с которой столкнулись при исследовании засоленных мерзлых грунтов, оказалась необходимость
использования при исследованиях засоленных мерзлых- грунтов особых методов. Общепринятые методики изучения состава, строения и свойств засоленных мерзлых грунтов, за некоторым исключением, отсутствуют. Специального подхода потребовали определения механических характеристик, начиная со способов подготовки образцов и кончая режимами нагружения.
До настоящего времени районы и границы распространения засоленных мерзлых пород, закономерности содержания солей на различных территориях, их количественный и качественный состав, распространение по глубине также остаются недостаточно изученными. Г.И.Дубиковым и Н.В.Ивановой составлены схемы распространения засоленных мерзлых пород на территории Севера Западной Сибири и Арктического побережья России. Они выделили два основных типа засоления по химическому составу солей -морской и континентальный. Морской тип засоления, обусловленный содержанием в поровом растворе морских солей, характерен для мерзлых пород северных территорий - вдоль Арктического побережья и на островах; континентальный тип засоления мерзлых пород, формирующийся в областях преобладания испарения над осадками, распространен в Центральной Якутии и в Забайкалье. В Канаде известны данные по Северо-Западным территориям, прилегающим к Арктическому побережью, свидетельствующие о широком распространении засоленных пород. Формированию засоленных мерзлых пород посвящены работы Н.П.Анисимовой, Н.Ф.Григорьева, А.Г.Еловской, Л.А.Жигарева, М.Г.Кривоногова, В.П.Мельникова, Я.В.Неизвестнова, В.М.Пономарева, Ю.П.Семенова В.А.Соловьева, В.И.Соломатина, В.И.Спесивцева, И.М.Стрелецкой, и других. Важный полевой материал содержится в работах
B.Т.Трофимова, Г.И.Дубикова, И.Д.Данилова, Е.С.Мельникова, М.А.Минкина, Н.Г.Обермана. Некоторые физические и химические процессы в засоленных мерзлых породах близки к процессам, происходящим в подземных и поверхностиых водах. Так, изменения химического состава воды соленых и пресных водоемов при замерзании изучались Н.Н.Зубовым, К.Э.Гиттерманом, Б.А.Савельевым. Материалы по этому вопросу содержатся в работах Н.И.Толстихина, П.Ф.Швецова, А.И.Ефимова, Н.Н.Романовского,
C.М.Фотиева, О.Н.Толстихина, А.Я.Стремякова и 4 других. Установлены основные закономерности образования засоленности в мерзлых породах, в частности эффект концентрации солей и другие.
Физические характеристики засоленных грунтов описаны в работах Б.И.Далматова и Н.А.Цытовича. Ю.Д.Зыковым и другими получены важные результаты исследований электрических и акустических свойств засоленных мерзлых грунтов. Содержанию незамерзшей воды в засоленных мерзлых грунтах и их теллофизическим свойствам посвящены работы Э.Д.Ершова, Я.А.Кроника, В.И.Пускова, И.А.Комарова, Р.Г.Мотенко, И.В.Шейкина, Л.Е.Бронфенбренера, Ю.С.Пструхина и других. Было показано, что засоленность мерзлых пород резко увеличивает содержание незамерзшей воды и соответственно изменяет все их свойства. Вопросы устойчивости засоленных мерзлых грунтов к температурному и химическому воздействию и явления переноса влаги и солей рассматривались в работах Б.И.Далматова, Э.Д. Ершова, А.Д.Фролова, С.Е.Гречищева, В.О.Орлова, С.Б.Ухова, Г.П.Бровки, В.Н.Макарова, Ю.П.Лебеденко, В.П.Романова, В.Г.Чеверева, А.Д.Маслова, В.Е.Остроумова, Е.И.Гайдаенко, Е.М.ЧувИлина, В.С.Ласточкина, и других. Показана возможность такого переноса и изучены некоторые его условия. Было установлено влияние засоленности на водно-физические, теплофизические, электрические и акустические свойства мерзлых грунтов. В то же время физические свойства засоленных мерзлых грунтов во всем диапазоне изменений состава и строения пород, засоленности, температуры недостаточно изучены, в частности, в естественных условиях залегания. Слабо изучены также процессы переноса, особенно длительные, солей и влаги засоленных мерзлых пород при изменениях температуры, нагрузки и во времени.
Наибольший интерес с практической точки зрения представляют механические свойства засоленных мерзлых грунтов. На основе исследований Ю.Я.Белли, В.И.Аксенова, А.А.Карпуниной, П.А.Гришина и других были сделаны практические выводы, предложены расчетные значения давлений на мерзлые засоленные грунты. Однако длительная прочность засоленных мерзлых грунтов изучена недостаточно. Данные последних лет свидетельствуют, что нормативные документы нуждаются в уточнении. Деформационные характеристики засоленных мерзлых грунтов известны в ограниченном диапазоне изменений состава пород, засоленности и температуры. Важным представляется исследование длительных деформаций, позволяющее разработать методы их прогноза.
ГЛАВА 2. ЗАСОЛЕННЫЕ МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ АРКТИЧЕСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ И ИХ РАЙОНИРОВАНИЕ
Засоленные мерзлые породы Арктического побережья имеют в основном морское происхождение. Соли, содержащиеся в поровых растворах, в условиях перехода осадков в мерзлую породу при промерзании не выносятся за пределы формирующихся толщ, а перераспределяются в них. Промораживание в песчаных породах сопровождается частичным отжатием рассола из зоны кристаллизации, поэтому содержание солей в песчаных мерзлых толщах оказывается часто ниже, чем в первичном осадке. Для глинистых толщ характерен обратный процесс - движение солей к фронту промерзания вместе с влагой, и соответственное перераспределение солей. Отложения других генетических типов могут быть засолены после их образования в результате проникновения засоленных вод, что может происходить при морских трансгессиях или по другим причинам. Так, аллювиальные отложения иногда засоляются после их формирования, что может быть, по данным И.Д.Стрелецкой, в долинах прибрежных районов Ямала, а также при их образовании за счет поверхностных вод выщелачивания, как это наблюдается в современной долине Лены при преобладании испарения и накоплении солей континентального типа.
Обычно засоленными называют мерзлые породы, содержащие определенное количество легко растворимых в воде солей. Учитывая то, что заметное изменение физических и механических свойств по нашим и другим данным происходит в породах различного гранулометрического состава уже при засоленности 0.05%, можно дать следующее определение. Засоленными являются мерзлые породы, содержащие в поровом растворе легкорастворимые соли в количестве, составляющем более 0.05% по весу к сухой породе. Поровый раствор мерзлых пород морского происхождения часто оказывается близким к составу морских вод, и такие засоленные мерзлые породы занимают большие пространства на Арктическом побережье Евразии и Америки. Этот тип засоленных мерзлых пород, в соответствии с предложением Г.И.Дубикова, называется морским. Засоление горных пород, обусловленное водами выщелачивания, предлагается называть континентальным типом засоления. При смешении поровых вод различных типов возникает смешанный тип засоленных мерзлых пород. Сюда же можно отнести засоленные мерзлые породы техногенного происхождения. Засоленные мерзлые породы морского
типа предлагается называть синхронными, если их поровые растворы сформировались одновременно с образованием самих отложений, и эпихронными. в поровые растворы которых соли проникли после образования осадка. Кроме того, предлагается выделить диахронный тип засоления, если засоление 'происходило на стадии диагенеза отложений. По условиям промерзания можно выделить следующие типы засоления. Если промерзание отложений происходит одновременно с образованием засоления, такой тип засоления предлагается назвать синкриогенным. Если это происходит на стадии диагенетических преобразований, выделяется диакриогенный тип засоления. При промерзании отложений после образования засоления образуется эпикриогенный тип. Сочетание выделенных выше типов засоления мерзлых пород образует определенные генетические группы. Например, синкриогенный морской тип засоления по отношению ко времени образования осадка является синхронным. Возможно также, как это показано детально в работе, выделение типов засоления пород по содержанию солей и другим признакам.
Обобщение фактических материалов и теоретических разработок было основано на единстве подхода к решению проблемы засоленных мерзлых пород на всем побережье Северного полушария, где распространены обломочные и мелкодисперсные льдистые мерзлые породы. Районирование территории Арктического побережья в верхней, приблизительно десятиметровой зоне активного техногенного воздействия и сезонных колебаний температуры, проводилось нами на основании фактических данных по засолению мерзлых пород и современных геоморфологических, геологических, климатических и других карт, схемы распространения засоленных мерзлых пород побережья России Г.И.Дубикова и Н.В.Ивановой и других материалов. Известно, что большую роль в формировании засоленных мерзлых пород играют морские трансгрессии. Они не только определяют осадконакопление и формирование рельефа (Г.И.Лазуков, В.В.Баулин, И.Д.Данилов, В.Т.Трофимов), но и оставляют морские синхронные горизонты засоленных отложений и вызывают оттаивание мерзлых пород различных геолого-генетических типов с последующим насыщением порового раствора морскими солями. Как показывают фактические и картографические материалы, морской тип засоления характерен для областей побережья с абсолютными отметками приблизительно до 200 м над уровнем океана севернее границы протаивания многолетнемерзлых пород в климатический оптимум голоцена. Эпихронный тип
засорения характерен для неморских отложений в этой области. Континентальное засоление встречается в аридных районах в условиях современного, главным образом, аллювиального осадконакопления. Смешанный тип засоления может возникать на низменных участках Арктического побережья с аридным климатом и изначально морским засолением пород или в условиях периодического морского затопления территории.
На Европейской территории России встречаются мерзлые породы с морским как синхронным, так и эпихронным типом засоления - на острове Колгуев и Южном острове Новой Земли, полуострове Канин Нос, побережье Хайпудырской губы и в-низовьях Печоры. Они залегают приблизительно до широты Полярного круга, причем в прибрежных районах распространены главным образом отложения синхронного типа. На морских террасах и лайде побережья Баренцева моря развиты участки охлажденных ниже О °С пород с криопэгами. Такие участки встречаются на побережье Болванской, Паханческой, Хайпудырской и Печорской губ, а также в дельтах и низовьях рек Нерута, Черная, Морею, Каротаиха. Нами, в частности, были получены данные о засолении пород для побережья Хайпудырской губы и бассейна р.Сарейбой-Яха; установлено, что они имеют различную степень засоленности, в среднем около 0.1%, увеличивающуюся с глубиной. Морские отложения, содержащие соли, хорошо изучены на Югорском полуострове. Как правило, засоление распространенных здесь морских суглинков и песков изменяется от 0.1 до ¡.5%, по данным бурения более 100 скважин, увеличиваясь с глубиной (в интервале приблизительно от 0 до 10 м).
Полуостров Ямал отличает, по данным Г.И.Дубикова, И.Д.Стрелецкой и Н.В.Ивановой, практически сплошное распространение с поверхности засоленных мерзлых пород в основном морского синхронного типа. В восточной части полуострова в связи с широким развитием аллювиальных отложений встречается эпихронный тип. Отложения морского, аллювиально-морского, аллювиального, озерного и солифлюкционно-делювиального генезиса засолены в разной степени, в среднем от 0.03 до 2.1%. Во многих разрезах прослеживается увеличение засоления с глубиной в слое годовых колебаний температуры.
.Средняя и Восточная Сибирь отличается постепенным сужением к востоку полосы распространения засоленных мерзлых пород, примыкающей к побережью. Это связано в основном с высоким уровнем суши, отсутствием морских толщ и достаточным
увлажнением климата. Здесь, за исключением собственно морского побережья, распространены преимущественно толщи с эпихронным типом засоления, максимально распространяющиеся в сторону материка в районе рек Лены и Колымы. В пределах СевероСибирской низменности, вдоль побережья Якутии и Чукотского полуострова, на Анадырской низменности мерзлые засоленные породы приурочены в основном к морским плейстоценовым и голоценовым отложениям. Так, по данным Н.Ф.Кривоноговой, на одной из строительных площадок на Чукотке засоленными являются как морские современные (засоленность 0.2-0.5%), так и элювиальные, а также делювиально-солифлюкционные отложения. В бассейне реки Лены выделяется область континентального засоления, приблизительно в границах области преобладания испарения над атмосферными осадками. Локально континентальное засоление в Азии встречается в межгорных впадинах Байкальского региона, а также на равнинах и плоскогорьях Центральной Азии. Например, в озерных котловинах Тибета засоленные мерзлые породы достигают 40-80 м мощности при исключительной длительности формирования.
На Арктическом побережье Аляски засоленные мерзлые породы широко распространены и характеризуются преимущественно засолением морского типа. Далее вглубь Северо-Амернканского континента, в связи с преобладанием испарения над осадками, в поймах рек и других местах современного осадконакопления с поверхности распространены мерзлые породы с континентальным засолением. Континентальное засоление, по аналогии с бассейном Лены, по-видимому, широко развито в долине р.Маккензи и протягивается полосой далеко на юг, до границы распространения многолетнемерзлых пород. Многолетнемерзлые породы с континентальным и местами морским засолением занимают значительные пространства на о.Банкс и о.Виктория, на побережье у проливов Долфин-энд-Юнион и Дис, заливов Коронейшн и Куин-Мод, даже на Арктических высокоширотных островах Сомерсет и Девон, а также на северном побережье Гренландии. Одновременно на низких геоморфологических уровнях и на побережье, в морских дисперсных отложениях плейстоцена и голоцена, очевидно, встречается морской синхронный и эпихронный типы засоления. Выше над уровнем моря в морских, аллювиальных и других четвертичных отложениях возможно засоление смешанного типа. Наибольшие значения засоленности отмечены для острова Баффинова Земля и для Северо-Западного Канадского Щита. Засоление пород в
Рис. 1. Схема районирования засоленных мерзлых пород в Северном полушарии по типам засоления:
морской синхронный тип; морской эпихронный тип; смешанный тип; континентальный тип; современные ледники; граница многолетнемерзлых пород
дельте Маккензи значительно ниже, чем соленость морской воды (Е.Шуоп). В обширном регионе, прилегающем к Гудзонову заливу, на низких морских террасах распространены мерзлые породы с морским синхронным типом засоления. На Северо-Американском континенте в разрезах в целом отмечено увеличение засоления с глубиной.
На основании обобщения составлена схема районирования распространения засоленных мерзлых пород в Северном полушарии Земли по преобладающему типу засоления в масштабе 1:10 ООО ООО, уменьшенный вариант которой приведен па рис.1.
В целом обобщение данных по условиям распространения и залегания засоленных толщ на Арктическом побережье показало, что их засоленность в основном находится в пределах 0.05-2% и относится по своему составу к морскому типу засоления; сезонно-талый слой, за исключением некоторых склоновых участков, не засолен. Кровля многолетнемерзлых пород обычно отличается меньшей засоленностью, чем мерзлые породы на глубине 5-10 м. И если для Арктического побережья России наиболее характерно морское засоление, то для Канады и Аляски - морское и смешанное. Необходимо отметить характерное в общем для засоленных мерзлых пород чередование сильно- и слабозасоленных слоев.
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования распространения, состава, строения и условий формирования засоленных мерзлых пород основывались на геолого-генетических представлениях. Засоленные мерзлые породы рассматривались как осадочные образования, сформировавшиеся в различных структурно-тектонических, ландшафтно-климатических и мерзлотных условиях и изменяющиеся под влиянием геологических процессов и техногенного воздействия. В основе исследований было стремление получить генетическое обоснование закономерностям изменения свойств засоленных мерзлых пород и тем самым дать их научное объяснение. Для исследования условий образования и свойств засоленных мерзлых пород применялись полевые наблюдения, теоретические 'И экспериментальные методы. Использовались методы анализа состава и строения пород, определения их физических, физико-химических и механических свойств, а также моделирования процессов. При планировании экспериментальных исследований мы исходили из необходимости
использовать комплексный подход, обеспечивающий многостороннее изучение состава, строения и свойств пород и происходящих в них процессов. Анализ и обобщение собственных материалов исследования и данных других авторов послужили основой усовершенствования методик на'уровне современных представлений об условиях формирования и природе свойств мерзлых пород.
Исследования состава, строения и физических свойств засоленных мерзлых пород проводились как традиционными методами, так и методами, разработанными сравнительно недавно. Опыт работы с засоленными мерзлыми грунтами позволил выбрать среди них те, которые оказались наиболее эффективными. В частности, засоленность определялась тремя способами титрометрическим, по сухому остатку и по электрическому сопротивлению раствора; криоскопический метод использовался для определения содержания незамерзшей воды; ультразвуковой метод применялся для определения скоростей упругих волн. Для исследований деформаций и' напряжений пучения грунтов, определения коэффициента температурного расширения и определения механических свойств пород применялись разработанные и усовершенствованные методики с применением специально разработанного оборудования. Исследование миграции влаги и солей проводилось в подземной изотермической лаборатории Амдерминской мерзлотной станции на глубине 14 м, что позволяло проводить многолетние эксперименты. Для исследований физических, физико-химических и физико-механических свойств засоленных мерзлых грунтов были использованы образцы нарушенного и ненарушенного сложения из районов Печорской низменности, Югорского полуострова и, главным образом, полуострова Ямал.
Для исследования миграцйи влаги и длительной ползучести проводились специальные экспериментальные исследования мерзлых засоленных пород отдельных геолого-генетических типов при постоянных температуре и нагрузках в подземной лаборатории Амдерминской станции продолжительностью до 11 лет. Для длительных испытаний была разработана специальная методика и изготовлено механическое оборудование, позволяющее проводить многолетние эксперименты.
В результате исследований был выполнен комплекс определений (около 1000) показателей прочности мерзлых засоленных пород при одноосном сжатии, сдвиге, сдвиге по поверхности смерзания и шариковым штампом на образцах естественного и нарушенного
сложения в широком диапазоне засоленности, температуры и других условий; усовершенствована методика определений прочности при одноосном сжатии; получены статистически обоснованные показатели длительной прочности засоленных мерзлых пород. В исследованиях применялась 3, 6, 9 и более кратная повторность определений. Исследования условий залегания и температурного режима засоленных мерзлых пород, свайные испытания и наблюдения за зданиями проводились в п.Амдерма, на побережье Хайпудырской губы, Югорского полуострова и п-ва Ямал.
РАЗДЕЛ 2. СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД
ГЛАВА 4. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ
ПОРОД
Исследованиями установлено, что химический и минеральный состав частиц мерзлых дисперсных пород, содержащих в поровом растворе воднорастворимые соли, не имеет существенных отличий от аналогичного состава незасоленных пород. Например, минеральный состав песчаной и пылеватой фракций дисперсных пород п-ва Ямал и Югорский, где они также представлены засоленными разновидностями, характеризуется преобладанием кварца (67-85%) с плагиоклазами. В глинистой фракции присутствуют гидрослюды, каолинит, монтмориллонит. Вместе с тем для засоленных мерзлых пород характерно присутствие, особенно в более дисперсных разновидностях, органического вещества. Кроме того, незавершенность литогенеза мерзлых засоленных дисперсных пород предполагает активизацию диагенетических процессов в случае оттаивания и изменения внешних'условий.
Состав порового раствора мерзлых засоленных пород определяется их происхождением. Морской, первичный характер засоления преобладает в морских мерзлых толщах син- и эпихронного типа. В случае эпихронного промерзания отложений других геолого-генетических типов состав солей в мерзлых породах может быть различным. Сегодня проведено большое количество определений химического состава поровых растворов мерзлых пород Арктики (Ю.Я.Велли, В.И.Аксенов, Г.И.Дубиков, автор и другие), которое показывает, что при морском характере засоления состав основных солей отличается определенным постоянством. При .этом на формирование состава порового раствора, по мнению Г.И.Дубикова,
оказывают влияние вторичные процессы. В частности, характерно увеличение содержания сульфат-иона за счет окисления пирита. При частичном протаивании может происходить выщелачивание засоленных пород с обогащением фильтрующего раствора карбонатом кальция и возрастанием (наряду с общим опреснением) относительного содержания в растворе ионов Са2+ и вО/' или Са2+ и НСОз'. Ионный состав порового раствора с преобладанием Са2+ и вОд2 а также Саг+ и НСОз" характерен для засоленных мерзлых пород Центральной Якутии и других районов континентального засоления, где он описан Н.П.Анисимовой, Л.Г.Еловской и другими. На формирование состава порового раствора оказывают влияние процессы промерзания и протаивания.
Для засоленных мерзлых толщ Арктического побережья морского происхождения, часто представляющих собой типичные лагунные фации, обычно характерны тонкообломочные типы. Сравнительно небольшие размеру прибрежных лагунных водоемов, малая глубина и быстрая смена условий отложения осадков обусловливают определенное непостоянство их разреза. В целом для прибрежно-морских осадков Арктического побережья, с косой слоистостью, высоким содержанием органики, резкими сменами фаций прослеживается слабая сортировка материала, а также окатанность, пылеватосгь песков и песчаная примесь в глинах. Засоленные отложения других генетических типов имеют свои особенности.
Установлено, что засоление и его состав сказывается на характере криогенного строения мерзлых пород. В свое время З.А.Нерсесовой было показано, что насыщение отмытого от солей грунта различными по составу цатионами приводит к образованию различного криогенного строения мерзлых пород. При этом насыщение грунта катионами Ре3* приводило к образованию слоистой криогенной текстуры и максимальному пучению, при насыщении Са2+ - к сетчатой криотекстуре и средней величине пучения, при насыщении N8* и К* - тонкосетчатой криотекстуре и минимальному пучению. Полевые и лабораторные исследования свидетельствуют также, что по мере засоления мерзлых пород увеличивается количество вертикальных прослоек льда. При засоленности 1-1.5% ледяные прослойки плохо различаются в общей массе мерзлого грунта. В целом, по данным А.Н.Хименкова, А.Н.Минаева, автора и других, при увеличении засоления в грунтах увеличивается количество субвертикальных ледяных шлиров и
уменьшаются их размеры, что объясняется угнетением пленочного механизма переноса влаги и преимущественным ростом вертикальных кристаллов за счет эффективного отвода с них тепла. В целом криотекстуры засоленных грунтов отличаются разнообразием и носят черты некоторой неразвитости. Необходимо указать на часто встречающееся чередование ледяных шлиров, льдистых мерзлых участков породы и находящихся в охлажденном состоянии немерзлых засоленных грунтовых прослоев, имеющих соответственные физические и физико-механические свойства. Характерно и чередование сильно- и слабозасоленных слоев. Засоление приводит к изменению температур замерзания, потенциалов влаги, коэффициентов влагопереноса и структуры грунта, но в распространенном интервале засоленностей не сказывается принципиально на основных видах текстур, на формирование которых оказывают влияние многие другие факторы.
Одной из важных особенностей строения засоленных мерзлых пород Арктического побережья в целом является их неоднородность и слабая уплотненность, свидетельствующие об их пребывании на ранних стадиях литогенеза.
ГЛАВА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД
При средней плотности частиц песков от 2.64 до 2.70 г/см3 присутствие легкорастворимых солей и органических веществ понижает плотность, однако засоленность, не превышающая 1%, не влияет заметно на ее величину. Например, плотность частиц пылеватых засоленных песков Ямала составляет в основном от 2.63 до 2.72 г/см\ По нашим данным, средняя плотность засоленных песков побережья Ямала составляет 1.83 г/см3. При обычной плотности частиц глинистых грунтов от 2.70 до 2.76 г/см3 для засоленных суглинков Югорского полуострова ее среднее значение составляет 2.72 г/см3, для засоленных супесей побережья Я мала - 2.67 г/см3. Плотность глинистых грунтов колеблется в широких пределах -от 1.35 до 1.90 г/см3, а для суглинков Амдермы среднее значение плотности составляет 1.72 г/ см3, для суглинков и глин Ямала, по нашим данным, 1.66 гI см3.
Теплопроводность и теплоемкость засоленных мерзлых пород, а также температуры замерзания и фазовый состав влаги зависят от степени засоления и состава солей порового раствора. При этом
определяющее значение в теплопроводности и теплоемкости имеет содержание льда. По данным Я.А.Кроника, И.В.Шейкина, И.А.Комарова, Р.Г.Мотенко. и других, коэффициент теплопроводности соответственно уменьшается с увеличением засоленности, а коэффициент теплоемкости увеличивается. Температура замерзания поровых растворов с различной концентрацией солей практически не отличается от температуры замерзания свободных растворов тех же концентраций. Однако в связи с присутствием в грунте гидрофильных минеральных частиц влияние малой концентрации соли на понижение температуры замерзания, например, суглинков, сказывается меньше, чем при сильном засолении, которое достигается приблизительно при засоленности 1%. Влияние состава солей очень важно. Один процент хлористого натрия в мерзлом суглинке изменяет содержание незамерзшей воды в нем в сравнении с незасоленным почти в два раза, однако такое же количество азотнокислого кальция слабо сказывается на содержании незамерзшей воды. Для пылеватого суглинка, по данным А.Н.Яркина, при засоленности 1% температура замерзания порового раствора с хлористым натрием составляет -2.3°С, а с сульфатом магния - только -0.35°С. Определения температуры замерзания при различной засоленности, влажности и видах глинистых грунтов п-ва Ямал показали, что эта температура практически линейно зависит от концентрации порового раствора.
Содержание незамерзшей воды в засоленных мерзлых породах прежде всего зависит от степени их засоленности, а также от их химико-минерального и гранулометрического состава. Например, засоление каолинитовой глины, хлористым кальцием приводит к более резкому увеличению содержания незамерзшей воды в нем по сравнению с полиминеральным тяжелым суглинком. Многочисленные определения, выполненные на Амдерминской станции и в других лабораториях, показывают, что при температурах -5 -г- -8°С в морских суглинках и супесях сохраняется значительное (до 20%) количество незамерзшей воды.
На основании анализа данных ряда исследователей и собственных данных следует, что засоленные мерзлые породы отличаются слабым (50-500 и более Омм) электросопротивлением, зависящим от концентрации порового раствора, и небольшой скоростью акустических волн (2000-3000 и менее м/с), которая коррелируется с временной прочностью на одноосное сжатие.
ГЛАВА 6.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД.
Электрокинетические свойства засоленных мерзлых пород определяются значительным количеством электролита в поровом растворе. Действительно, в наших экспериментах с засоленным морским суглинком при пропускании постоянного электрического тока наблюдался заметный электроосмос. В частности, вблизи катода происходило увеличение содержания влаги, а вблизи анода его уменьшение. Наблюдалось также связанное с электролизом падение рН вблизи анода до значения 4.0, а также повышение значения водородного показателя рН вблизи катода до рН=9.0. В то же время в образцах засоленного песка какого-либо заметного перераспределения влаги не наблюдалось. Эти эксперименты доказывают роль пленочного механизма электроосмоса, связанного с адсорбированными поверхностью минеральных частиц ионами диффузного слоя, который имеется в суглинке и практически отсутствует в песке. Происходило также перераспределение засоленности в образцах, в частности, засоленность мерзлого засоленного суглинка возрастала от катода к аноду от 0.7 до 1.1%.
Пучинистые свойства засоленных мерзлых пород изучены, особенно в полевых условиях, еще недостаточно. В определенной мере это связано с тем, что породы сезонноталого и сезонномерзлого слоев, как правило, не засолены. Даже если образование сезонноталого слоя происходит на засоленных многолетнемерзлых породах, надмерзлотные воды быстро вымывают соли. По многочисленным данным (В.О.Орлов, С.Е.Гречищев, Э.Д.Ершов, А.М.Пчелинцев, Б.И.Далматос, С.Б.Ухов, В.Л.Невечеря, автор и другие), в наибольшей степени пучению подвержены супесчано-суглинистые грунты из-за их большой влажности и возможности в них интенсивного влагопереноса и льдонакопления. Пучение за счет замерзания поровой влаги уменьшается с ростом засоленности из-за уменьшения обьема кристаллизации. Так, морской засоленный песок в наших экспериментах обладал слабой пучинистостью. Общее накопление влаги в мерзлой зоне засоленных пород меньше, чем в незасоленных и миграционное льдонакопление в промерзающих глинистых породах в целом уменьшается с ростом засоленности. Лишь при небольших концентрациях порового раствора, как показано Э.Д.Ершовым, может происходить его увеличение, вероятно, за счет осмотической составляющей потока влаги. В целом
засоление пород приводит к уменьшению пучения при промерзании, что может использоваться как метод борьбы с пучением. Экспериментальные данные, полученные нами для образцов грунтов п-ва Ямал, свидетельствуют, что величины пучения засоленных грунтов невелики. Вместе с тем возможны исключения и, кроме того, засоленные породы промерзают на большую глубину, чем в аналогичных условиях незаселенные из-за разности теплот фазовых переходов.
Установлено увеличение коррозионной агрессивности пород с ростом засоленности и значительное ее снижение при замерзании пород, а также уменьшение разницы активностей талого и мерзлого грунта с увеличением его засоленности. Действительно, по данным группы Ю.Д.Зыкова, например, коррозионная активность засоленных мерзлых песков при -5 °С высокая при засоленности >0.3%, средняя при засоленности от 0.3 до 0.5% и низкая при засоленности менее 0.3%.
РАЗДЕЛ 3. УСТОЙЧИВОСТЬ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ПОРОД К ТЕХНОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ГЛАВА 7. ЗАСОЛЕННЫЕ МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ ПРИ ТЕПЛОВОМ И ХИМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Как известно, при охлаждении в определенной температурной точке, зависящей от концентрации раствора (а также возможностей переохлаждения), начинается кристаллизация воды. По данным ряда исследователей (К.Э.Гиттерман, Р.Хорн, Б.А.Савельев, Ь.С.БШеп), если температура продолжает понижаться, то из рассола кристаллизуется мирабилит, происходят и химические реакции. В частности, при температуре около -15°С раствор насыщается сернокислым кальцием и при дальнейшем охлаждении происходит переход сернокислого натрия при взаимодействии с хлоридом кальция в сульфат кальция. Соли выпадают в осадок преимущественно в виде кристаллогидратов. В естественных условиях они образуют своеобразную криотермную горную породу, например, отложения мирабилита в Тянь-Шане или в донных отложениях озер Забайкалья. По нашему мнению, в некоторых случаях необходимо учитывать тепловые эффекты растворения и выпадения солей в осадок в поровом растворе. Важное значение эти эффекты могут приобретать в случаях, когда растворяются большие обьемы соли. При соприкосновении залежей каменной соли или сильно
минерализованных растворов с водой возможны значительные физико-геологические явления, вплоть до образования мерзлоты.
Промерзание засоленных дисперсных пород сопровождается рядом физических и механических процессов. Льдообразование приводит к формированию сравнительно чистых ледяных включений и более концентрированных поровых растворов. Мы считаем, что основное физическое соотношение при промерзании может быть получено путем, близким к описанному С.Е.Гречищевым: йТ
Объем мигрирующей воды dq и рост давлений <1р в такой системе оказывается зависящим от градиента концентрации солей с/с в поровом растворе, а также от понижения температуры с1Т, давления в поровом растворе ¿р„, соотношения удельных обьемов воды V«, и льда теплоты фазового перехода £), величин соответствующих коэффициентов кос и к. Соли порового раствора промерзающих пород могут отжиматься растущим льдом от фронта промерзания, вызывая криогенное их концентрирование в поровом растворе, а также передвигаться вместе с водой к фронту промерзания. В засоленных тонкодисперсных породах при промерзании установлено увеличение содержания воднорастворимых солей в мерзлой зоне. Так, нашими экспериментами подтверждается впервые исследованное Л.В.Чистотиновым перераспределение влажности и ионов порового раствора при промерзании и накопление солей в мерзлой зоне промерзающих глинистых пород. При этом количество переносимых в промерзающую часть грунта солей не пропорционально количеству мигрирующей воды, а несколько меньше.
Результаты наших исследований показывают, что формирование напряженно-деформированного состояния
промерзающих дисперсных и, ' в частности, засоленных пород обусловлено взаимодействием различных зон вблизи границы промерзания. В промерзающей зоне, характеризующейся льдообразованием, ростом ледяных включений и деформированием, выделяются три процесса: переход части воды в лед с увеличением объема на 9%, расклинивающее действие и миграция тонких пленок незамерзшей влаги и усадка минеральной составляющей породы при дегидратации грунтовых частиц в результате замерзания воды. Замерзание воды в замкнутом объеме, каким могут являться поры грунта, может привести к возникновению в условиях недопущения деформации значительных напряжений. Приближенно их можно
оценить, например, из уравнения Клапейрона-Клаузиуса, и они составляют около 13.4 МПа lia градус понижения температуры. Однако они действуют лишь в ограниченном диапазоне допущенных деформаций, составляющем не более 9% от ' обьема кристаллизующейся воды. Расклинивающее давление пленок незамерзшей воды, вызывающее ее миграцию, играет большую роль при формировании напряжений пучения в более широком диапазоне деформаций. При возникновении напряжений пучения решающее значение имеют условия недопущения деформации: чем больше недопущение, тем больше значения напряжений, величины которых ограничены верхним пределом теоретического роста расклинивающего давления водных пленок около 1.3 МПа/°С. Засоление грунта приводит к уменьшению интенсивности миграции влаги к фронту промерзания и увеличению деформируемости грунта, что в основном и определяет особенности формирования его напряженно-деформированного состояния при промерзании.'
Проведенные экспериментальные исследования засоленных мерзлых пород подтвердили также известные для незасоленных пород закономерности изменения коэффициента температурного
расширения, в частности, увеличение его при повышении температуры и последействие.
Для исследования миграции влаги и солей в мерзлых засоленных породах при отрицательных температурах нами были выполнены длительные эксперименты в подземной лаборатории Амдерминской мерзлотной станции продолжительностью от нескольких месяцев до 11 лет. В течение длительного времени при градиенте температуры около О.ГС/см в льдонасыщенных образцах происходит изменение криогенного микростроения ' мерзлых глинистых засоленных пород со шлировыми текстурами без заметного общего переноса влаги. В частности, перестройка криогенной микротекстуры выражается в доращивании шлиров льда, параллельных потоку тепла, и уменьшении мощности ледяных включений, перпендикулярных потоку тепла. Исследование миграции влаги в условиях многолетнего сдвига при приложении напряжения, соответствующего предельно-длительному значению, проводилось в течении 2-х лет; при этом деформация сдвига составила 1 см, а в зоне сдвига наблюдалась незначительная концентрация ледяных шлиров, зафиксированы заметные изменения микростроения, в том числе рост размеров ледяных прослоев в зоне сдвига.
Установлено, что миграция солей в мерзлых породах при воздействии градиента концентрации солей при постоянной температуре происходит при больших значениях градиента, например, более 1%/см при -3 °С. При малых значениях градиента засоленности при постоянной Температуре и при малых значениях градиента температуры (0.1 °С/см и менее) миграция солей в глинистых мерзлых породах со шлировыми текстурами не фиксируется по крайней мере в течение нескольких лет, однако происходит их локальное перераспределение. Эти результаты являются продолжением известных экспериментальных работ Э.Д.Ершова и Ю.П.Лебеденко, установивших миграцию ионов при больших градиентах концентрации и температуры, а также В.П.Романова и других. Полученные нами данные приближенно устанавливают пороговые значения градиентов.
При повышении температуры и увеличении значений градиента температуры, а также в нельдонасыщенных породах миграция как влаги, так и солей происходиФ и, по-видимому, имеет большое значение для распределения засоленности в геологических разрезах. Как было показано во второй главе, кровля многолетнемерзлых пород часто заметно рассолена до глубины около 10 м. Наши расчеты, основанные на известных значениях коэффициента влагопроводности, градиентов температуры и градиентов содержания незамерзшей воды показывают, что в течение зимних периодов за 10 лет возможно изменение засоленности в слое нулевых годовых амплитуд на 0.01 - 0.001 %. За счет летних периодов изменение может достигать 0.1-0.01 % за 10 лет. При этом в зимний период поток соли направлен в сезонно-талый слой, из которого летом происходит быстрое вымывание солей. Летний, более интенсивный поток, по-видимому, со времене'м уменьшается по мере накопления солей вблизи подошвы слоя нулевых годовых температурных колебаний. Результатом такого перераспределения солей является увеличение засоленности с глубиной (до 8-12 м), наблюдаемое в разрезах засоленных мерзлых толщ и имеющее важное значение в фундамептостроении на Арктическом побережье.
Иначе происходит взаимодействие засоленных мерзлых пород с солевыми растворами. При этом наблюдается перенос солей и незамерзшей воды из раствора в мерзлую породу (Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилин). С повышением дисперсности накопление влаги и ионов в мерзлых породах увеличивается, что связано с большой активной поверхностью частиц. Разрушение
мерзлых пород при воздействии раствора в результате таяния льда происходит по-разному: суглинки разрушаются медленнее, чем пески. При этом в экспериментах образовывались игольчатые- ледяные кристаллы на поверхности образца, разрушенного раствором с температурой, близкой к равновесной при данной концентрации. Это объясняется тем, что ледяные кристаллы на поверхности образцов имеют более высокую температуру образования, чем лед-цемент.
ГЛАВА 8. ДЕФОРМИРОВАНИЕ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ПОРОД ПОД МЕХАНИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ
Результаты наших исследований показывают, что основные закономерности деформирования засоленных мерзлых грунтов частично соответствуют зависимостям, установленным для незасоленных мерзлых грунтов, однако есть и существенные отличия. Для песчаных пород при всех значениях засоленности (0М|=0.03 -г 0.2%), как правило, наблюдаются три стадии деформирования: стадия затухающей ползучести, стадия течения с постоянной скоростью и стадия прогрессирующей ползучести. При этом переход в стадию течения с постоянной скоростью происходит при деформации 4-7%, а в стадию прогрессирующего течения - при 8-11%. На кривых ползучести глинистых пород в исследованном интервале температур -2 ч- -4°С стадии даже при больших нагрузках не выделяются: наблюдается затухающая ползучесть до деформации 20% и более. В трехосных испытаниях деформации затухают и для песков.
Этой особенностью засоленные мерзлые породы отличаются не только от незасоленных пород, где, как правило, наблюдаются все три стадии деформирования, но и от сильнольдистых, где преобладает течение с постоянной скоростью. Полученный результат свидетельствует об особом поведении под нагрузками мерзлых засоленных пород, принципиально отличающемся от поведения незасоленных. В целом такие особенности деформирования свидетельствуют о неустойчивом состоянии засоленных мерзлых пород, их неуплотненности. Вместе с их изменениями под влиянием внешних тепловых и химических нагрузок, с быстрым рассолением после оттаивания это свидетельствует о предрасположенности к быстрым и необратимым изменениям, своеобразной незавершенности их литогенеза. Природа такого характера деформирования мерзлых засоленных пород, очевидно, связана с особенностями их 'строения. Деформирование мерзлых пород обусловлено смещением
относительно друг друга отдельных грунтовых частиц и микроагрегатов но разделяющим их прослоям воды и включениям льда, которые в своем преобладающем большинстве и являются, по мнению Э.Д.Ершова, ослабленными в прочностном отношении участками мерзлой породы - "дефектами". Кроме того, происходит перемещение незамерзшей воды из участков с большим напряжением к участкам с меньшим напряжением с соответственными фазовыми переходами. Чем выше засоленность, тем больше содержится незамерзшей воды и благоприятнее условия ее движения. Таким образом, главным процессом структурообразования мерзлых засоленных пород под нагрузкой является не накопление дефектов и микротрещинообразование, а уплотнение и упрочнение породы по мере деформирования, уменьшение пористости и сближение частиц при одновременном вязком течении жидких слоев влаги и льда.
Нами исследовались возможности аппроксимации кривых деформирования засоленных мерзлых пород, продолжительность которых составляла от нескольких суток до нескольких недель, с помощью различных уравнений. В частности, использовалась степенная зависимость напряжения ст от деформации б и времени соответствующая теории старения и предложенная С.С.Вяловым: СГ =А(()£т=#~а£т
Кривые ползучести для одного и того же грунта при одной температуре, перестроенные в логарифмических координатах, не являются прямыми линиями с постоянным наклоном. Параметры т, а и 4 изменяются с течением времени и при увеличении деформации. Величины и и а, определенные на различных участках кривых, значительно отличаются друг от друга, а также от их среднего значения. В целом коэффициент упрочнения т изменяется от 0.22 до 0.71 для мерзлых засоленных песков и супесей и от 0.19 до 1.4 для суглинков. Число перегибов кривых может достигать трех и более. Это является признаком структурной нестабильности мерзлых засоленных грунтов и изменения на микроуровне характера механических процессов по мере деформирования. Из наших экспериментов вытекает также методическое требование к испытаниям для определения этих деформационных характеристик, касающееся длительности испытаний. Опыты должны продолжаться не менее 2-3 суток, при меньшей продолжительности результаты оказываются непригодными для прогноза деформаций оснований зданий и сооружений.
В кратковременных испытаниях с обеспечивающей необходимую достоверность повторностью нами были установлены особенности развития деформаций в различных типах механических испытаний для мерзлых засоленных пород различного состава и строения в диапазоне отрицательных температур. Деформации уменьшаются с возрастанием льдистости, что объясняется ограничением возможности движения незамерзшей воды в льдистых породах и общим упрочнением породы с пластичными минеральными агрегатами и менее подвижным, упрочняющим их льдом. Деформации увеличиваются с ростом засоленности и температуры. С увеличением дисперсности деформации мерзлых засоленных пород уменьшаются, что, как и увеличение прочности, обусловлено меньшей льдистостыо песчаных пород и большим влиянием засоленности на содержание в них незамерзшей воды. Влияние состава солей исследовалось на образцах, засоленных N80, Ка2804, СаС1г и М^С12. Минимальное значение, например, модуля деформации, было зафиксировано для образцов с Коэффициент упрочнения т оказался не зависящим
от вида солей, параметр а практически тоже. Установленные закономерности важны для понимания роли возможных механизмов деформирования. Известно, что для мерзлых незасолешшх пород известна другая, обратная этой зависимость: суглинки более деформируемы, чем пески. Соответствующие данные приводит, например, Н.А.Цытович. Это объяснимо тем, что при отсутствии засоления именно в глинистых породах содержится значительное количество незамерзшей воды.
Мы считаем полезным при анализе техногенного воздействия на мерзлые засоленные породы использовать понятие устойчивости как характеристики изменяемости. При этом количественно можно определять коэффициенты устойчивости как отношение предела возможного изменения определенного параметра при сохранении качественного состояния породи к изменению, вызванному данным воздействием. В работе даны некоторые примеры использования коэффициентов устойчивости.
Исследования микростроения показали, что деформирование мерзлых образцов засоленного суглинка в условиях небольших нагрузок (до 0.3 МПа) вызывает нарушения выдержанности и мощности микрошлиров льда, а увеличение нагрузок приводит к резким изменениям морфологии шлиров и потере их выдержанности по простиранию.
Нашими исследованиями установлено, что засоленные мерзлые породы обладают значительной сжимаемостью. Коэффициент сжимаемости во всем диапазоне засоленностей (от 0.05 до 1.5%) и температур (-2 -т -4°С) выше значения 0.001 см2/кг, которое является критерием пластичномерзлого состояния пород по СНиП 2.02.04-88. При компрессионном сжатии засоленных мерзлых пород происходит заметное перераспределение влаги и особенно солей. В некоторых опытах фиксировалось уменьшение засоленности с 1.0 до 0.31-0.28% в образцах после нескольких недель эксперимента, т.е. более чем в три раза. Структурная прочность (по Н.А.Цытовичу) у засоленных мерзлых пород практически отсутствует. Максимальной сжимаемостью обладают более дисперсные грунты, что характерно и для незаселенных пород (О.А.Кондакова). С увеличением льдистости сжимаемость засоленных мерзлых пород увеличивается. Получены и другие закономерности сжимаемости. Изучение микростроения показало, что в процессе уплотнения происходят сдвиговые перемещения структурных элементов, закрытие пор и течение льда.
Исследования воздействия шарикового штампа и эквивалентного сцепления позволили установить его величины в грунтах различного строения, а большое количество выполненных определений - оценить статистические величины наблюдаемого при определениях механических свойств разброса их значений, особенно для грунтов естественного сложения. Величина эквивалентного сцепления в зависимости от засоленности особенно сильно изменяется в песках и супесях, и меньше - в суглинках. Касаясь статистических оценок эквивалентного сцепления, выполненных нами для различных грунтов, необходимо отметить, что в целом показатель точности изменяется от 0.05 до 0.10 для супесей и суглинков в зависимости от степени засоления и типа солей.
Были выполнены также исследования осадки при оттаивании мерзлых засоленных пород и определены коэффициенты оттаивания и уплотнения. Так, наиболее низкие коэффициенты оттаивания были характерны для грунтов с массивной криотекстурой и малым содержанием глинистой фракции: для песков 0.0002-0.025, для суглинков 0.002-0.003. Для большинства суглинистых образцов коэффициент оттаивания составлял 0.01-0.15.
Одним из важнейших вопросов является прогноз длительных деформаций мерзлых засоленных грунтов. Как показано для мерзлых грунтов впервые Е.П.Шушериной, а затем С.С.Вяловым, Н.К.Пекарской и Р.В.Максимяк, зарождение и развитие ползучести
обусловливается развитием трещин, разрушением агрегатов частиц и возникновением других дефектов. Па процесс деформирования оказывают влияние такие факторы, как локальные фазовые переходы, миграция влаги, изменение положения грунтовых частиц и другие процессы, роль которых еще предстоит оценить количественно. При затухающей ползучести преобладает процесс уменьшения, закрытия трещин и смещения частиц относительно друг друга. Закрытие и исчезновение трещин, по мнению Н.А.Цытовича, происходит также в результате процесса таяния льда в точках контакта минеральных частиц и последующего его замерзания в менее напряженных зонах мерзлого грунта. Перераспределение влаги и рост ледяных шлиров внутри мерзлой породы играют определяющую роль при длительном деформировании.
Наши эксперименты в течение нескольких лет показали, что длительная ползучесть засоленных мерзлых песков происходит с затухающей, постоянной и затем увеличивающейся во времени скоростью и заканчивается разрушением образцов, а мерзлые засоленные глинистые породы деформируются с уменьшающейся скоростью, что совпадает с результатами кратковременных испытаний. В ходе экспериментов в мерзлых засоленных образцах минеральные слои уплотняются и теряют влагу, которая передвигается к ледяным шлирам и к внешним границам образца. Расчетами было установлено, что длительное деформирование хорошо описывается уравнением С.С.Вялова, особенно для суглинков и при разбиении кривых деформирования на отдельные участки. Таким образом, существующие расчетные методы прогноза длительных деформаций мерзлых засоленных грунтов оказываются вполне удовлетворительными для описания процесса деформирования.
ГЛАВА. 9. УСТОЙЧИВОСТЬ К МЕХАНИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ
В ходе исследований были экспериментально определены показатели прочности засоленных мерзлых пород отдельных геолого-генетических типов и изучены закономерности ее изменения в породах различного состава и строения.
Трудность исследования прочности засоленных мерзлых пород состоит в определении фактического разрушения. Это наблюдается, например, при одноосном и трехосном сжатии образцов мерзлых
грунтов. Со времени фундаментального исследования С.С.Вялова принято считать, что мерзлые породы при достаточно больших напряжениях разрушаются, что фиксируется увеличением скоростей деформирования при постоянной нагрузке. Если в экспериментах наблюдается в основном затухающая ползучесть, в понятие прочности пород вкладывается смысл избыточной деформации. Основания для назначения деформационного критерия прочности имеются в работах С.С.Вялова, М.Н.Гольдштейна и других. При этом рекомендуется использовать значение 0.2. Исследования различных типов засоленных мерзлых пород показывают, что их разрушение, за исключением песков, как правило, вязко-пластическое и фиксируется по развитию значительных деформаций или по изменению характера деформирования.
Были подтверждены ранее имевшиеся результаты, свидетельствующие о низкой прочности засоленных мерзлых пород, которая быстрее уменьшается с увеличением времени действия нагрузки (в 10 и более раз), чем в'мерзлых незасоленных породах.
Одним из перспективных направлений в механике является разработка кинетической теории прочности, развиваемой для мерзлых пород А.Л.Коноваловым и Л.Т.Роман и основывающейся на простых физических предпосылках. А именно, на оценке прочности материала по характеру преобладающих молекулярных структурных связей. Использование разработанной в этой теории методики обработки экспериментальных данных оказалось не только возможным, но и, на наш взгляд, персперспективным. В предположении, что время разрушения мерзлой породы при постоянной нагрузке является зависящим от периода колебаний частиц, между которыми образована структурная связь, величины энергии активации Ео, или разрушения этой единичной связи, а также некоторого структурного параметра у по экспоненциальному закону, экспериментальные данные укладываются в устанавливаемые этой зависимостью пределы. В частности, нами определены значения энергии активации для разрушения, которая характеризует прочность единичной структурной связи в мерзлой засоленной породе. Характер перераспределения напряжений в мерзлых породах сказывается, вероятно, в численном значении энергии активации Ео. Для мерзлых незасоленных грунтов она оказывается величиной от 20 до 29 ккал/моль - так же, как и для торфа и льда, что, во-первых, указывает на одинаковую природу структурных связей, а, во-вторых, позволяет считать, что в мерзлых грунтах разрушаются именно
ледяные связи. Эиергия активации заметно уменьшается с увеличением засоленности в диапазоне 0 - 0.1%, а затем приближается к значению 12 ккал/моль, т.е. к величине тепловой деструкции льда, включения которого при большой засоленности, вероятно, и определяют преимущественно прочность мерзлой породы.
При выполнении исследований нами были обобщены и частично впервые установлены закономерности Изменения показателей прочности засоленных мерзлых пород различных геолого-генетических типов в зависимости от состава, строения, температуры и других характеристик и условий. С понижением температуры и уменьшением засоленности прочность, как и было установлено ранее, увеличивалась в связи с сокращением обьема незамерзшей воды. Энергия активации Ео, определенная в соответствии с уравнением кинетической теории прочности, возрастает, а структурный параметр у остается приблизительно постоянным. Возможна прямая корреляция прочности с содержанием незамерзшей воды в мерзлых засоленных породах. В мерзлых породах различного гранулометрического состава изменение прочности обусловлено различными факторами. В ряду песок - супесь - суглинок прочность в целом возрастает, вероятно, преимущественно из-за увеличения обьемной льдистости и армирующего влияния ледяных включений. Аналогично можно объяснить и возрастание прочности мерзлых засоленных пород при увеличении льдистости от величины полного водонасыщения. Установленная закономерность, таким образом, обратна уже известной, полученной, в частности Е.П.Шушериной для незасоленных мерзлых пород. Следует подчеркнуть важную роль ледяных включений, как правило, упрочняющих засоленные глинистые мерзлые породы за счет большей прочности льда в сравнении с минеральными засоленными агрегатами. Например, эквивалентное сцепление грунтов с сетчатой криотекстурой выше, чем у образцов с массивной криотекстурой и увеличивается с увеличением .толщины шлиров. Исследования влияния состава солей на сопротивление одноосному сжатию показали, что прочность увеличивается в ряду - СаС12 - МгСЬ -морская соль - N82804. Рост плотности образцов при прочих равных условиях приводит, по данным Э.Хивон, к некоторому увеличению прочности на одноосное сжатие мерзлых засоленных пород.
Важные результаты были получены нами при исследовании прочности смерзания засоленных мерзлых грунтов с материалом
фундамента. В свое время экспериментально Н.А.Цытовичем и другими было установлено, что' для водонасыщенных грунтов чем крупнее частицы грунта, тем прочность смерзания сначала выше (от глин к пескам), а затем ниже (от песков к галечникам). Наибольшую прочность смерзания имеют среднезернистые пески, у которых она заметно выше, чем у льда. Для засоленных мерзлых пород Ю.Я.Велли указывал, что наиболее важным фактором является засоленность грунта. Например, в пылеватых морских суглинках увеличение содержания солей в грунте до 0.5% при температуре - 4.5°С приводит к уменьшению прочности смерзания И,г почти в два раза (с 0.27 до 0.14 МПа). В целом установлено, что прочность смерзания засоленных грунтов имеет крайне низкие значения, а закономерности ее изменения отличаются своеобразием.
Так, исследования на моделях свай в полевых и лабораторных условиях показали, что сопротивление сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента мерзлых засоленных пород п-ва Ямал с морским хлоридно-натриевым засолением в среднем в 1.5 раза ниже значений, содержащихся в рекомендациях действующего СНиПа 2.02.04-88. Прочность смерзания увеличивается с понижением температуры быстрее в суглинках, чем в супесях. Однако с увеличением засоленности прочность смерзания падает быстрее в супеси, чем в суглинке. Для засоленных мерзлых пород характерны в общем близкие значения прочности для различных по гранулометрическому составу грунтов. Можно отметить, однако, что суглинки в целом оказываются более прочными, чем супеси. Например, при температуре -б°С'песок при засоленности Вв„1=0.15% и влажности \У=0.22 имеет прочность смерзания с бетоном 110 кРа, а супесь при 0„| = 0.39% и = 0.27 - уже 125 кРа. Суглинок с Ю581 = 0.56% и \У=0.37 имеет прочность смерзания 220 кРа. Таким образом, установленная нами закономерность обратна уже известной. Она выполняется и при более высоких температурах и объясняется резким возрастанием содержания незамерзшей воды в песчаных породах и разрушением в них льдоцементационных связей. С увеличением льдистости прочность смерзания также возрастает, причем с увеличением засоленности эта зависимость становится менее выраженной. Эта закономерность обратна известной для незасоленных мерзлых пород, полученной в свое время Н.А.Цытовичем, С.С.Вяловым и другими.
Сопротивление мерзлых пород сдвигу является наиболее важной характеристикой прочности, поскольку развитие разрушения
определяется, по Н.А .Цытовичу, в основном возникновением микроплоскостей скольжения. Из кривых длительной прочности сдвигу мерзлого песка следует, что изменение засоленности от 0.1 до 0.4% ведет к изменению прочности в три и более раза. Были получены данные об увеличении угла внутреннего трения и сцепления с течением времени, что свидетельствует об упрочнении засоленных мерзлых пород по мере деформирования и согласуется с данными по другим видам испытаний.
Нами было установлено, что охлажденные засоленные породы, находящиеся выше равновесной по отношению к концентрации солей в поровом растворе температуре, имеют прочность, превышающую прочность соответствующих талых (при положительной температуре) пород, что согласуется с данными А.Д.Маслова по компрессии и, вероятно, связано с ледяными микровключениями, которые присутствуют в породе из-за неоднородности распределения засоления и ее неравновесного состояния и увеличивают ее прочность.
В целом такие особенности прочности засоленных мерзлых пород заметно отличают их от незаселенных и свидетельствуют об определяющей роли засоления.
ГЛАВА 10. УСТОЙЧИВОСТЬ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ОСНОВАНИЙ К ТЕХНОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
Устойчивостью оснований в механике грунтов принято считать состояние устойчивого равновесия грунтовых масс при воздействии внешних нагрузок. Анализ устойчивости включает две составляющие: анализ характеристик грунтов и анализ состояния массива в целом. На этом этапе характеристики грунтов рассматриваются не как определяемые показатели свойств, а как закономерно или случайно изменяющиеся величины в пространстве, закон изменения которых и является целью анализа. Для их нахождения обычно используется метод доверительных интервалов, применение которого для засоленных мерзлых грунтов показывает, что коэффициент вариации для механических характеристик остается в пределах 15% при количестве испытаний от б до, 18, что согласуется с данными по другим грунтам. При определении расчетных характеристик показателей свойств мерзлых пород важно также соответствие лабораторных и полевых испытаний. Последние являются приоритетным средством определения, поскольку имитируют в
реальном масштабе пространства (иногда и времени) взаимодействие сооружений с мерзлыми породами. Результаты полевых испытаний свай, проведенных в п. Лмдерма, свидетельствуют о таком соответствии. Так, например, -для свай СВ7 35-60 в морских засоленных суглинках каргинского возраста при определенных условиях несущая способность составляет 520 кН; рассчитанная по лабораторным данным несущая способность несколько выше (650 кН), но различие не превышает 25%. Данные экспериментов, полевые испытания, наблюдения за деформирующимися зданиями подтвеждают, что фактическая несущая способность свайных фундаментов оказывается в 1.5-2 раза ниже, чем рекомендуется СНиП 2.02.04 - 88. Этот результат соответствует также некоторым экспериментальным данным А.Н.Яркина, В.И. Аксенова, Ю.Я.Велли, E.Hivon, D.Sego.
Одним из важных вопросов при оценке устойчивости мерзлых засоленных оснований является изменение механических, тепловых и химических характеристик пород под действием различных нагрузок и с течением времени. Так, установленное незначительное перераспределение солей в мерзлых породах в изотермических условиях при небольших концентрациях порового раствора можно использовать (как рекомендует и Ю.Я.Велли) для повышения несущей способности буроопускных свай путем заливки в лидерную скважину незасоленного грунтового раствора.
Опыт строительства на засоленных мерзлых грунтах Арктического побережья касается в основном небольших поселков с легкими, часто временными зданиями и сооружениями. Однако застройка этих поселков началась еще в 30-х -ь 50-х годах и сегодня можно подвести некоторые итоТи. Большие деформации, а часто и полное разрушение наблюдалось на десятках зданий в арктических поселках, теплосетях п. Диксон, канализационных сетях п. Амдерма. Разрушались водопропускные железобетонные трубы в п. Тикси, плотины в районе пп. Тикси, Диксона, г. Певека. Из-за затопления подмерзлотными засоленными водами строительной площадки прекращалось строительство 48-ми квартирного жилого дома и детского сада в п. Амдерма, 125-квартирного дома в п. Пирамида (о-в Шпицберген) и т.д. Часто выходят из строя опоры внешних сетей ■ электроснабжения, линий связи и водопроводов из-за слабого смерзания с многолетнемерзлыми засоленными породами и интенсивного пучения сезонноталого слоя. В целом число деформированных зданий в п.'Амдерма составляет около 40%, в
Таблица 1. Расчетные давления И на мерзлые засоленные грунты морского типа
| Засоленность грунта Dsal,% Расчетные давления К, кПа (кгс/см2), при температуре, °С (для глубины заложения фундамента 4 м)
-1 -2 -3 -4 |
I Пески мелкие и пылеватые
0.05 700 (7.0) 900 (9.0) 1100 (11.0) 1200 (12.0)
0.1 400 (4.0) 500 (5.0) 600 (6.0) 750 (7.5)
0.15 200 (2.0) 350 (3.5) 450 (4.5) 550 (5.5)
0.2 250 (2.5) 300 (3.0) 400 (4.0)
0.3 200 (2.0) , 300 (3.0)
0.5 200 (2.0)
Супеси
0.1 900 (9.0) 1000 (10.0) 1200 (12.0) 1350 (13.5)
0.2 400 (4.0) 550 (5.5) 900 (9.0) 1100 (11.0)
0.3 250 (2.5) 500 (5.0) 700 (7.0) 800 (8.0)
0.5 250 (2.5) 300 (3.0) 400 (4.0)
0.8 200 (2.0)
Суглинки
0.2 450 (4.5) 700 (7.0) 950 (9.5) . 1150 (11.5)
0.5 150 (1.5) 300 (3.0) 400 (4.0) 750 (7.5)
1.0 150 (1.5) 250 (2.5) 400 (4.0)
п.Диксон - 33%, п. Тикси - 22%, г. Певек - 50%. Обследования зданий в Амдерме, где основания сложены морскими засоленными отложениями преимущественно суглинистого состава, показали, что из 268 зданий поселка деформированы 108. Около 12% всех зданий находятся в аварийном состоянии, угрожающем жизни людей. Из 66 каменных зданий деформированы 32. Из 19 тепловых и электрических станций только 2 имеют незначительные деформации, а 10 находятся в аварийном состоянии. Большинство зданий построено в последние 5-7 лет, значительное число деформированных старых зданий разобрано или брошено. Среди причин деформаций - неудовлет-
Таблица 2. Расчетные сопротивления сдвигу
по поверхности смерзания засоленных мерзлых грунтов морского типа
Засоленность Расчетные сопротивления кПа (кгс/см"1), при
грунта температуре, С
в,„,% -1 -2 -з -4
Пески мелкие и пылеватые
0.05 90 (0.9) 110 (1.1) 180 (1.8) 250 (2.5)
0.1 50 (0.5) 90 (0.9) 130 (1.3) 170 (1.7)
0.15 25 (0,25) 70 (0.7) 110 (1.1) 140 (1.4)
0.2 15 (0.15) 50 (0.5) 100 (1.0) 120 (1.2)
0.3 30 (0.30) 60 (0.6) 90 (0.9)
0.5 15 (0.15) 20 (0.2) 30 (0.3)
Супеси
0.1 80 (0.8) 120 (1.2) 160 (1.6) 200 (2.0)
0.2 40 (0.4) 70 (0.7) 110 (1.1) 150(1.5)
0.3 30 (0.3) .50 (0.5) 70 (0.7) 120 (1.2)
0.5 15 (0.15) 30 (0.3) 40 (0.4) 60 (0.6)
1.0 40 (0.4)
Суглинки
0.1 75 (0.75) 130 (1.3) 180 (1.8) 230 (2.3)
0.2 50 (0.5) 90 (0.9) 120 (1.2) 180 (1.8)
0.5 20 (0.2) 40 (0.4) 60 (0.6) 100 (1.0)
| 1.0 20 (2.0) 30 (0.3) 60 (0.6)
ворительная оценка несущей способности оснований, которой до настоящего времени способствует действующий СНиП 2.02.04-88.
По результатам исследования предложены таблицы расчетных значений прочностных характеристик засоленных мерзлых пород морского типа (табл.1 и 2), которые включены в Регламент для проектирования на п-ве Ямал, подготовлен ОСН, предполагается также разработка ОСН по деформационным характеристикам засоленных мерзлых грунтов. Предложена методика расчета свайных фундаментов по деформациям, основанная на данных лабораторных испытаний мерзлых засоленных пород сдвигу по поверхности смерзания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящая работа является научным обобщением теоретических, методических и экспериментальных исследований автора, а также других исследований засоленных мерзлых пород Арктического побережья. Ее основным результатом является определение условий формирования засоленных мерзлых пород и их свойств, разработка их классификации, составление схемы районирования территории Арктического побережья по типам засоления, выявление закономерностей изменения физико-химических и физико-механических свойств засоленных мерзлых пород, определение характеристик их длительного деформирования, описание процессов их преобразования при различных воздействиях, а также рекомендуемые для проектирования таблицы их расчетных характеристик. Основные выводы, отражающие теоретическое и практическое значение проведенных исследований и составляющие предмет защиты, сводятся к следующим положениям:
1. Определены основные условия формирования засоленных мерзлых пород Арктического побережья, предложена геолого-генетическая классификация типов засоления мерзлых пород и выполнено районирование территории Северного полушария по типам засоления.
Преимущественный путь образования засоленных мерзлых пород Арктического побережья связан с син- и эпигенетическим промерзанием морских и других слаболитифицированных отложений, насыщенных первичными или метаморфизованными морскими водами, реже водами континентального происхождения. При этом формирование их состава и строения контролируется условиями их образования, в том числе режимом промерзания, концентрацией порового раствора, исходным составом осадка и скоростью его накопления. В зависимости от химического состава порового раствора, времени образования самой породы и времени ее промерзания по отношению ко времени образования засоления выделяются различные типы засоления мерзлых пород. Засоленность мерзлых пород Арктического побережья в основном находится в пределах 0.05-2% и относится по своему химическому составу к морскому типу засоления; сезонноталый слой, как правило, не засолен вследствие его промытости надмерзлотными водами. Кровля многолетнемерзлых пород обычно отличается меньшей засоленностью, чем мерзлые породы на глубине 5-10 м. Для
Арктического побережья России более характерен морской тип засоления, для Канады и Аляски - морской и смешанный. Выполненное обобщение позволило составить схему районирования Северного полушария в масштабе 1:10 ООО ООО по типам засоления грунтовой мерзлой толщи.
2. Проведены экспериментальные и полевые исследования, выполнено обобщение и определены характерные особенности состава, строения и свойств засоленных мерзлых пород Арктического побережья. Показано, что они имеют значительные отличия от других мерзлых пород в ряде важнейших характеристик.
Показано, что для исследования засоленных мерзлых пород применимы основные методы, используемые в литологии, инженерной геологии и геокриологии. Для гранулометрического состава засоленных мерзлых пород Арктического побережья характерно высокое содержание частиц пылеватой фракции и коллоидов. Химический состав солей при засоленности морского типа изменяется в небольших пределах и близок к соотношению солей в морской воде. Для криогенного строения характерны разнообразные криогенные текстуры с преобладанием шлировых слоистых и неполносетчатых текстур, где ледяные прослои почти не.содержат солей. Характерно также чередование сильно- и слабозасоленных слоев. Теплофизические свойства засоленных мерзлых пород заметно отличаются от незасоленных из-за большого содержания незамерзшей воды. Эти породы имеют особые для мерзлых пород электрокинетические, а также другие геофизические свойства.
3. Экспериментально определены показатели прочности засоленных мерзлых пород различных геолого-генетических типов и изучены закономерности ее изменения в породах различного состава и строения. Предложены расчетные значения показателей прочности засоленных мерзлых пород для проектирования зданий и инженерных сооружений на Арктическом побережье.
Были подтверждены ранее имевшиеся результаты, свидетельствующие о низкой прочности засоленных мерзлых пород, которая резко уменьшается с увеличением времени действия нагрузки (в 10 и более раз). Разрушение засоленных пород, за исключением песков, как правило, вязко-пластическое и фиксируется по развитию значительных деформаций или по изменению характера деформирования. Использование кинетической теории прочности позволило определить значения энергии активации разрушения, с увеличением засоленности приближающейся к величине энергии
активации льда, включения которого определяют прочность засоленной мерзлой породы. Обобщены и частично впервые установлены закономерности изменения показателей прочности засоленных мерзлых пород различных геолого-генетических типов в зависимости от состава, строения, температуры и других характеристик и условий. Установлено, что сопротивление сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента мерзлых засоленных пород с морским засолением имеет значения, которые в среднем в 1.5 раза ниже, содержащихся в рекомендациях действующего СНиПа 2.02.04-88. По результатам этих исследований, а также данных полевых испытаний свай и наблюдений за деформирующимися зданиями автором разработана новая редакция таблиц СНиПа.
4. Изучено поведение мерзлых засоленных пород при внешних тепловых и химических воздействиях и определены основные закономерности преобразования их состава и строения при этих воздействиях. Определена их роль в формировании состава и строения засоленных мерзлых пород. Изучено изменение состава и строения мерзлых засоленных пород при длительном воздействии градиента температуры и сдвиговых напряжений.
При промерзании засоленных пород из-за перераспределения солей и криогенного концентрирования (или наоборот, рассоления мерзлой породы) в разрезе мерзлой толщи формируется отличная от изначальной засоленность. В песчаных породах происходит движение солей вместе с поровым раствором от фронта промерзания и их концентрирование в незамерзшей части породы. В глинистых породах наблюдается движение незамерзшей воды в промерзающую часть породы и накопление в ней солей. Изучены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния промерзающих пород. При воздействии постоянного температурного градиента, а также сдвиговых напряжений в течение нескольких лет в мерзлых льдонасыщенных текстурированных образцах происходит изменение криогенного микростроения глинистых засоленных пород без заметного общего переноса влаги; при этом наблюдается только локальный перенос солей. Миграция солей в мерзлых породах при воздействии градиента концентрации солей при постоянной температуре, а также при воздействии градиента температуры происходит только при больших значениях этих градиентов. Однако она играет заметную роль в распределении засоленности. Она, по-видимому, определяет увеличение засоленности с глубиной (до 10-15
м) в геологических разрезах, имеющее большое практическое значение в фундаментостроении на Арктическом побережье.
5. Проведены экспериментальные длительные исследования ползучести мерзлых засоленных пород отдельных геолого-генетических типов при постоянных нагрузках и температуре в условиях подземной лаборатории, установлены характер деформирования и преобразования строения пород при длительном деформировании, изучены закономерности кратковременного и длительного деформирования, в том числе в полевых условиях.
Для мерзлых засоленных пород характерно уменьшение скоростей деформирования во времени при постоянной нагрузке, без перехода деформирования в стадию течения с прогрессирующей скоростью. Полученный результат, который согласуется и с полевыми наблюдениями, свидетельствует об особом поведении под нагрузками мерзлых засоленных пород и о преобладающей роли процессов уплотнения и упрочнения породы по мере деформирования. Длительная ползучесть засоленных глинистых мерзлых пород в экспериментах продолжительностью 8 и более лет также происходит с уменьшающейся во времени скоростью, причем длительное деформирование удовлетворительно аппроксимируется уравнением С.С.Вялова. В ходе экспериментов в мерзлых засоленных образцах происходит миграция влаги и перераспределение льдистости, которые определяют сам процесс деформирования. Установлены особенности развития деформаций в различных типах механических испытаний для мерзлых засоленных пород различного состава и строения в диапазоне отрицательных температур.
Исследования по настоящей проблеме целесообразно продолжить в области крупномасштабного картирования засоленных мерзлых пород и исследований их генетических типов, разработки эффективных методов исследования, физических и математических моделей их деформирования и разрушения, исследования химических реакций, критериев влаго- и солепереноса и процессов изменения их состава и строения.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. К методике исследования напряжений в дисперсных грунтах. Тез. Докл. Всесоюзной школы-сем. М. 1981 (И.А.Комаров).
2. Измерения полей напряжений при промерзании-оттаивании дисперсных пород в лабораторных условиях. Сб. "Опыт
строительства оснований и фундаментов на вечпомерзлых грунтах. Тез. Докл. Всесоюзн. Совещания, г.Воркута". М. 1981 (И.А.Комаров).
3. Лабораторные измерения напряжений в дисперсных грунтах. Сб."Мат-лы 8 конф. асп. и мол. ученых МГУ". М. 1981. Деп. ВИНИТИ №1806-82.
4. Использование тензодатчиков для лабораторных измерений напряжений в дисперсных грунтах при их обезвоживании и промерзании. Сб."Проблемы геокриологии Забайкалья". Чита, 1982 (Л.В.Шевченко).
5. Исследование напряженного состояния промерзающей каолинитовой глины. Сб. "Мат-лы 9 конф. асп. и мол. ученых МГУ". М. 1982. Деп. ВИНИТИ №740-82 (А.В.Гамалея).
6. Формирование напряжений и структурообразование в промерзающих глинистых грунтах. Сб. "Физико-хим. мех. диспер. систем и материалов". Киев, 1983 (Э.Д.Ершов, В.Г.Чеверев).
7. Комплексные исследования формирования напряжений пучения в промерзающих горных породах. Сб."Повышение эффективности инженерных изысканий". Тюмень, 1983 (В.Г.Чеверев и другие).
8. Деформации и напряжения в мерзлой глине при циклическом изменении температуры. "Материалы 10 Конференции аспирантов и молодых ученых МГУ". М. ВИНИТИ 4808-83, 1983 (Ю.А.Кондратьева).
9. Закономерности развития напряжений в промерзающих породах различного состава и строения. "Докл. 5 Конф. по инженерной геологии", Свердловск, 1984 (Э.Д.Ершов, В.Г.Чеверев).
10. Механизм и закономерности формирования напряжений в промерзающих породах. "Вестний МГУ", сер.Геология, 1984, №2 (Э.Д.Ершов, В.Г.Чеверев, Л.В.Шевченко).
11. К вопросу о температурных напряжениях и деформациях мерзлых дисперсных пород. "Материалы 11 Конференции аспирантов и молодых ученых МГУ", М. ВИНИТИ 4514-84, 1984 (Г.В.Николаева).
12. Развитие деформаций пучения в суглинке при одностороннем и всестороннем промерзании. В кн.: "Геокриологические проблемы Байкальского региона". Чита, 1984 (А.В.Гамалея).
13. Изучение пучинистых и усадочных свойств промерзающих дисперсных пород. В кн.: "Лабораторные методы исследования мерзлых пород". М. Изд-во МГУ,' 1985. С. 198-211 (Л.В.Шевченко).
14. Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах. М. Изд-во МГУ. 240 с. (Э.Д.Ершов и другие).
15. Методика стационарных полевых наблюдений напряжений и деформаций пучения при инженерно-геологических исследованиях. В кн. "Геокриологический прогноз при строительном освоении территории" М. 1985 (Ю.П.Лебеденко, В.В.Кондаков)
16. К вопросу определения расчетных характеристик для прогноза морозобойного растрескивания. В кн.: "Инженерные -геологические исследования в районах вечной мерзлоты. Благовещенск, 1986 (Л.В.Гамалея).
17. Исследование механических свойств мерзлого песка для прогноза устойчивости ледогрунтовых ограждений. В кн.: "Инженерные - геологические исследования в районах вечной мерзлоты. Благовещенск, 1986 (Е.П.Шушерина и другие).
18. Температурное расширение-сжатие и морозостойкость мерзлых пород. В кн.: "Петрография мерзлых пород". М. Изд-во МГУ, 1987 (Э.Д.Ершов).
19. Морозобойное растрескивание в районе оз.Тюрин-то (п-в Ямал). В кн.:"Геокриологические исследования", М. Изд-во МГУ, 1987. С. 212-221 (Л.В.Гамалея).
20. Исследования механических свойств крупнозернистого мерзлого песка. В кн.^'Геокриологические исследования", М. Изд-во МГУ, 1989. С. 227-237 (Е.П.Шушерина, Ю.В.Кулешов).
21. Природа необычных температурных деформаций мерзлых пород. В кн.:"Геокриологические исследования", М. Изд-во МГУ, 1989. С. 171-183 (Э.Д.Ершов, Г.В.Николаева и другие).
22. Температурные деформации промерзающих и мерзлых пород при различных тепловых и механических воздействиях. Ж-л "Инженерная геология", РАН, №5, 1990 (Э.Д.Ершов, Г.В.Николаева
и другие).
23. Роль фазового состава влаги в формировании прочности мерзлых пород. В кн.: Основания и фундаменты жилых и общественных зданий в северных районах. Л., 1990. С.67-77 • (Л.В.Чистотинов, Ю.С.Петрухин).
24. О прочности смерзания мерзлых засоленных грунтов Ямала. В кн.: Основания и фундаменты жилых и общественных зданий в северных районах. Л., 1990. С.50-55 (А.А.Николаев, Г.А.Томина).
25. Определение характеристик ползучести засоленных мерзлых грунтов из опытов на одноосное сжатие. Сб.: "Засоленные мерзлые
грунты как основания сооружений", М., Наука, 1990, с. 83-90 (В.И.Аксенов).
26. О прочности мерзлых засоленных грунтов п-ва Ямал. Сб.: "Засоленные мерзлые грунты как основания сооружений", М., Наука,
1990, с. 115-121 (Г.В.Лепинских, А.А.Николаев).
27. Кинетические представления в теории прочности мерзлых грунтов. В кн.: Мерзлые породы и криогенные процессы. М., Наука,
1991. С.3-6.
28. Деформационные свойства мерзлых засоленных пород полуострова Ямал. В кн.: Мерзлые породы и криогенные процессы. М„ Наука, 1991. С. 47-53 (Г.В.Лепинских).
29. Миграция влаги в мерзлых породах при длительном воздействии постоянного температурного градиента. В кн.: Методы исследования криогенных процессов. М., ВСЕГИНГЕО, 1992. С.89-98.
30. К методике лабораторных исследований механических свойств засоленных мерзлых пород с различным криогенным строением. Ж-л "Инженерная геология", №5, 1992. С.104-109 (А.Н.Хименков, Ю.Б.Шешин).
31. Plastic Frozen (Saline) Soil as Base. Proc. 6 Int. Conf. on Permafrost, Beijing, China, 1993, pp.1-5 (В.И.Аксенов).
32. Adfreezing shear strength peculiarities of different soils. Proc. of 7 Int. Sym. on Ground Freezing (Nansy, France, October 24-28, 1994), pp. 207-215 (А.Л.Чеховский).
33. Strength of Frozen Grounds at Low Temperatures. Proc.20 Russian-American Microsymposium on Planetology. October 1994, Moscow, pp. 19-21 (Э.Д.Ершов, Ю.В.Кулешов, И.С.Смирнов).
34. Миграция влаги в мерзлых породах под действием постоянного температурного градиента. Ж-л "Геоэкология", РАН, Na3, 1995, с. 60-68.
35. Влияние локальных фазовых переходов на деформации мерзлых пород. Ж-л"Геоэкология", РАН, №5, 1995, с. 71-78 (А.Н.Власов, В.П.Мерзляков, А.В.Талонов).
36. Влияние локальных фазовых переходов и фильтрации влаги на ползучесть пластично-мерзлого грунта. В сб.: Механика грунтов и фукдаментостроение. С.-Пб, 1995. с.19-25 (С.Б.Ухов, А.Н.Власов,
В.П.Мерзляков, А.В.Талонов).
37. Физико-химические процессы в мерзлых породах, находящихся в поле действия различных внешних полей. Основы геокриологии. 4.1: Физико-химические основы геокриологии. Под
ред. Э.Д.Ершова М.:Изд-во МГУ, 1995, с. 130-181 (Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко, В.Г.Чеверев и др.).
38. Деформации и напряжения в промерзающих (протаивающих) породах. Основы геокриологии. 4.1: Физико-химические основы геокриологии. Под ред. Э.Д.Ершова М.'.Изд-во МГУ, 1995, с.294-310 (Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко, В.Г.Чеверев, Л.В.Шевченко).
39. Пучение промерзающих пород. Основы геокриологии. 4.1: Физико-химические основы геокриологии. Под ред. Э.Д.Ершова М.:Изд-во МГУ, 1995, с.310-329 (Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко,
B.С.Петров).
40. Осадка протаивающих пород. Основы геокриологии. 4.1: Физико-химические основы геокриологии. Под ред. Э.Д.Ершова М.:Изд-во МГУ, 1995, с.329-337 (Э.Д.Ершов, Р.Г.Кальбергенов,
C.В.Топеха, Л.В.Чистотинов, В.З.Хилимонюк).
41. Прочность на одноосное сжатие мерзлых пород при низких отрицательных температурах. Материалы Первой Конференции русских геокриологов. Книга 2. М. 1996, С. 205-214 (Э.Д.Ершов, Ю.В. Кулешов, И.С.Смирнов).
42. Деформационные свойства засоленных мерзлых пород. Материалы Первой Конференции русских геокриологов. Кнйга 2. М. 1996, С. 214-224.
43. Физические свойства мерзлых пород. Основы геокриологии. 4.2. Литогенетическая геокриология. Под ред. Э.Д.Ершова. М. Изд-во МГУ, 1996, С. 111-118 (Э.Д.Ершов, Т.Н.Жесткова, Э.З.Кучуков, Д.В.Малиновкий).
44. Механические свойства мерзлых пород. Основы геокриологии. 4.2. Литогенетическая геокриология. Под ред. Э.Д.Ершова. М. Изд-во МГУ, 1996, С.133-177 (Э.Д.Ершов, Л.Т.Роман, В.Г.Чеверев, Л.В.Шевченко, О.А.Кондакова, Ю.В.Кулешов).
45. Оценка достоверности определений длительной деформации мерзлых засоленных грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов, N2, 1996, с.20-24 (Л.Т.Роман, М.А.Магомедгаджиева).
46. Криогенные геосистемы Карского побережья Югорского полуострова и побережья Западного Ямала и тенденции их развития. В кн.: Итоги фундаментальных исследований криосферы Земли в Арктике и Субарктике. Материалы Международной конференции, М., Наука, 1997, сс. 142-149 (М.М.Корейша, Н.П.Леваитовская).
-
Брушков, Анатолий Викторович
-
доктора геолого-минералогических наук
-
Москва, 1997
-
ВАК 04.00.07
- Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов
- Засоленные многолетнемерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и инженерно-геологические особенности
- Закономерности формирования деформационных свойств пластичномерзлых грунтов в условиях повышения температуры и увеличения засоленности
- Влияние химического состава солей на прочность мерзлых засоленных грунтов
- Закономерности деформирования и разрушения мерзлых засоленных грунтов района Большеземельской тундры
