1. Монолитность пород в мерзлом состоянии; 2. Определенные температурные градиенты; 3. Опред. Физ. Св-ва монолитных г.П. (сопротивление на разрыв,

модуль упругости, коэффициент объ­емного расширения—сжатия).

Монолитными являются однородные массивы скальных и полу­скальных пород, а также мерзлые тонкодисперсные торфянистые, глинистые и суглинистые грунты. Мерзлые глины, суглинки и торф обладают монолитностью только при влаж­ности большей, чем их наименьшая влагоемкость. В противном слу­чае в грунтах образуются трещины усыхания, и их монолитность нарушается. Грубозернистые и грубообломочные породы также мо­гут обладать монолитностью в мерзлом состоянии, но при условии их полной влагоемкости - крайне редко → степень дисперсности пород, их влажность и физические свойства оказывают непосредственное влияние на формирование в них морозобойных трещин при соответствующем градиенте темпе­ратур.

Морозобойные трещины, как правило, образуются в большом мерзлом массиве дисперсных пород, когда внутренние напряжения в нем при соответствующем градиенте низкой температуры превысят временное сопротивление данной породы на разрыв. При этом од­нородный массив разбивается параллельными морозобой­ными трещинами на полосы одинаковой ширины. Нередко трещины первой генерации повто­ряют изгиб обрыва берега реки, уступа террасы и других линейных элементов рельефа. В дальнейшем сформированные линейные поло­сы в свою очередь разбиваются аналогичными трещинами, но в на­правлении ортогональном трещинам первой генерации. В итоге од­нородный массив мерзлого грунта при охлаждении разбивается на полигоны прямоугольной формы. при понижении отрицатель­ных температур и росте температурного градиен­та сформированные полигоны последовательно делятся пополам на более мелкие прямоугольники.

Вывод: по мере усиления суровости климата в высоких широтах (от морского до резко континентального) крупные прямоугольники измельчаются до сравнительно мелкой полигональной решетки.

5. Строение и свойства мдп криогенная текстура и структура мерзлых пород

процесс образования кристаллов, линз к слоев льда в ходе замерзания дисперсной породы называется льдовыделением, которое может быть нормальным и избыточным в зависимости от условий промерзания (закрытая или открытая система) и литологических особенностей породы.

Если глинистые породы замерзают в условиях закрытой сис­темы, то образование линз и прослоек льда происходит за счет обезвоживания соседних участков грунта, ближайших к фронту промер­зания или центрам кристаллизации. В этом случае влажность глинистых пород между формирующимися прослойками льда стремится к максимальной молекулярной (наименьшей) влагоемкости, и боль­шого льдовыделения не происходит. Промерзание глинистого грун­та при этом сопровождается сжатием коллоидных оболочек глинистых частиц и агрегатов (за счет их обезвоживания), и промерзание глин, в конечном итоге, сопровождается внутриобъемным сжатием. При замерзании влажных глинистых пород в условиях открытой системы происходит избыточное льдовыделение и значительное разрастание линз и прослоев льда, что приводит к существенному увеличению объема грунта и развитию процессов пучения.

Замерзание в закрытой системе песчаных пород при любой их влажности свыше наименьшей влагоемкости сопровождается избы­точным гидростатическим давлением и, как следствие, развитием процессов пучения. При этом в местах общего или дифференциаль­ного пучения происходит избыточное льдовыделение, а в пределах иссушаемых участков наблюдается нормальное льдовыделение. В открытой системе замерзающие песчаные породы (независимо от их влажности) отличаются нормальным льдовыделением. В этом слу­чае наблюдается так называемый «поршневой эффект», так как промерзающие верхние слои грунта за счет своего расширения отжи­мают избыточную воду вниз, в талые породы.

влажность горных пород оказывает существен­ное влияние на интенсивность и масштабы льдовыделения в них. Вместе с тем, льдовыделение с образованием небольших линз и про­слоек льда, особенно в глинистых породах, происходит при любой влажности свыше наименьшей влагоемкости. Кроме того, интенсив­ность льдовыделения и скорость промерзания породы зависят от температуры окружающей среды. Чем выше отрицательная темпе­ратура на поверхности грунта, тем больше льдовыделение. Это свя­зано с тем, что скорость миграции воды к фронту замерзания в этом случае превышает скорость промерзания породы. Особое влияние на интенсивность льдовыделения в дисперсных породах оказывает также режим их промерзания. Если промерзание прерывается отте­пелями, то фронт промерзания задерживается на месте и происходит также интенсивное льдовыделение.

Образующиеся при промерзании пород линзы и прослои льда различной формы и ориентации называют ледяными шлирами. Взаимное расположение шлиров льда и сцементированных льдом частиц и агрегатов породы определяет особенности сложения мерз­лой горной породы, или ее криогенную текстуру (криотекстуру). Криогенная текстура скальных и полускальных пород с жесткими структурными связями обычно обусловлена характером и взаимным расположением пор, трещин и других пустот, которые существовали в породе до ее промерзания. такие текстуры считают унаследованными. Среди них различают трещинные, трещинно-жильные, пластово-трещинные и другие криотекстуры скальных и полускальных горных пород.

криотекстура дисперсных пород формирует­ся в процессе их замерзания. В зависимости от наличия, формы и пространственного расположения ледяных шлиров в такой породе выделяют следующие основные типы криогенных текстур:

— массивная криотекстура, когда частицы и агрегаты породы сцементированы кристаллами и мелкими включениями льда, а шли­ры отсутствуют; — слоистая криотекстура, когда шлиры образуют взаимно па­раллельные прослойки сетчатая криотекстура, когда шлиры ориентированы в разных направлениях.

В зависимости от мощности (толщины) шлиров выделяются текстуры: микрошлировая — с толщиной шлиров до 0,1 см, тонкошлировая — от 0,1 до 0,5 см, среднешлировая — от 0,5 до 2 см и толстошлировая — более 2 см.

Мерзлые дисперсные породы обладают также криогенной структурой, которая определяется строением самих горных пород (их структурными генетическими связями), взаимным расположени­ем, величиной и формой ледяных включений и характером связей между ними.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Прочность МДП определяется льдоцементными связями, т. е. взаимодействием между кристаллами льда и минеральными частицами породы. Эта связь укрепляется с пониже­нием отрицательных температур и значительно превосходит сцеп­ление частиц в талой дисперсной породе. Поэтому прочность и не­сущая способность мерзлых дисперсных пород намного выше, чем этих же пород в талом состоянии. По своим механическим свойст­вам мерзлые дисперсные грунты соответствуют полускальным та­лым породам. В процессе оттаивания льдоцементные связи разрушаются, и мерзлые дисперсные породы теряют свою несущую способность и сильно оседают. При этом пылеватые и суглинистые породы после оттаивания нередко превращаются в плывунные массы, практически не оказывающие сопротивления нагрузкам. Следовательно, дефор­мация горных пород с высокой льдистостью и шлировой текстурой при их оттаивании значительно превышает аналогичные показатели немерзлых грунтов.

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Мерзлые породы характеризуются суммарной влажностью (w_с), которая состоит из влаги ледяных включений (w_в) и льда-цемента (w_ц), а также незамерзшей воды (w_н):

Wc = w_в + w_ц + w_н Суммарную влажность и ее составляющие обычно выражают в долях единицы или в процентах отношения веса воды к весу скелета породы. Для мерзлых пород введено также понятие суммарная льдистость (Л_с), которая состоит из ледяных включений (Л_в) и льда-цемента (Л_ц): Лс = Лв + Лц

Различают весовую льдистость (i_в) — отношение веса льда в породе к весу ее скелета в долях единицы, и объемную льдистость (i_об) — отношение объема льда к объему мерзлой породы в долях единицы. Помимо этого введено также понятие относительной льдистости (i) — отношения веса льда в породе к ее суммарной влажности: I = (w_c – _wв) / w_c

льдистость МДП часто больше их полной влагоемкости, в процессе оттаивания могут про­изойти существенные осадки под собственным весом породы. По­этому для таких пород важно знать их влагоемкость после оттаива­ния. Кроме того, следует учитывать набухание породы при оттаива­нии, так как в результате набухания существенно глинистых грунтов их способность к просадкам будет меньше.

Фильтрационные свойства мерзлых пород зависят в значи­тельной степени от льдистости, скорости промерзания и фазовых переходов воды. На основании экспериментальных и натурных дан­ных установлено, что при фильтрации воды через мерзлые пески их температура скачкообразно повышается за счет выделения тепла кристаллизации при замерзании части фильтрующейся воды. В свя­зи с образованием кристалликов льда поровое (скважинное) про­странство песков сокращается, и их фильтрационная способность уменьшается до определенных пределов, а затем остается постоян­ной при данной температуре грунта и фильтрующейся жидкости. Начальный коэффициент фильтрации мерзлых песков зависит от их исходной влажности перед замерзанием чем она меньше, тем выше фильтрационные свойства песков.

Мерзлые глинистые породы - МГП (суглинки и глины) содержат при отрицательной температуре довольно значительное количество не­замерзшей поровой воды и обладают также определенной фильтра­ционной способностью Коэффициент фильтрации МГП зависит от исходной влажности и температуры. При высокой исходной влажности с понижением температуры увеличи­вается степень льдистости глинистых грунтов и соответственно снижается их фильтрационная способность. Уменьшение влажности глинистых пород приводит к росту коэффициента фильтрации до определенного предела, так как наименьшая влагоемкость глин обу­словлена, прежде всего, прочносвязанной водой, которая может за­нимать большую часть скважинного пространства. В этом случае фильтрационная проницаемость глинистых пород в значительной степени зависит от начального напорного градиента, необходимого для преодоления сопротивления движению связанной воды.