Мерзлые дисперсные ледоминеральные – органоледяные грунты

Подразделение, распространение и состав.

К ледоминеральным мерзлым грун­там относятся малольдистые и льдистые песчано-глинистые и крупнообло­мочные грунты, в которых суммарное содержание льда составляет менее 40%. Этому содержанию льда в глинах соответствует влажность меньше нижнего предела пластичности. К минерально-ледяным мерзлым грунтамотносятся силь­нольдистые и очень сильнольдистые грунты, в которых содержание льда составляет более 40%. В глинах этому содержанию льда соответствует влажность выше нижнего предела пластичности.

Эти грунты распространены по всему району криолитозоны. Они представлены син-, эпи- и диакриогенными образованиями и наиболее широко развиты в пределах молодых плат­форм, в северных областях древних платформ. В горно-складчатых районах они в основном приурочены к речным долинам и склонам горных сооружений.

Для этих грунтов помимо гранулометрического состава важнейши­ми показателями, определяющими их свойства являются: 1) температура грунтов на тер­ритории России изменяется от 0° до —15...— 18°С (особенно на подошве слоя годовых нулевых амплитуд), поскольку определяет количество незамерзшей воды; 2) суммарная льдистость (влажность) грунтов.

Самые высокие значения влажности свойственны синкриогенным тонкодисперсным отложениям (пылеватые пески до 40—50%, супеси и суглинки до 80—100%). Самые низкие значения эпикриогенным плотным суглинкам и глинам с грубообломочным материа­лом и крупным пескам. Аналогично распределяется в этих грунтах и льдистость.

Среди дисперсных минерально-ледяных многолетнемерзлых грунтов свой­ствами и строением принципиально отличаются глинистые и песчаные многолетнемерзлые грунты. Промежуточными свойствами характеризуются многолетнемерзлые суглинки и супеси.

Среди дисперсных ледоминеральных и минерально-ледяных многолетнемерзлых грунтов в прибрежных районах Российской Арктики широко распрост­ранены засоленные грунты. Это связано с син- и эпигенетическим промерзанием морских и других слаболитифицированных отложений, насыщенных первичными или метаморфизованными морскими водами, реже водами континентального про­исхождения.

Засоленность мерзлых грунтов находится преимущественно в пределах 0,05—2% и по составу относится к морскому типу засоления; сезонноталый слой, как правило, не засолен. Кровля многолетнемерзлых пород обычно отличает­ся меньшей засоленностью, чем мерзлые грунты на глубине 5—10 м.

Особенности состава, строения и свойств засоленных мерзлых пород Арк­тического побережья значительно отличаются от других мерзлых пород по ряду характеристик. Строение засоленных грунтов, в частности, отличается чередованием слоев льдистых мерзлых грунтов и находящихся в охлажденном состоянии талых засоленных грунтовых прослоев с разными физическими и физико-механическими свойствами.

 

Криогенное строение грунтов.

В отличие от скальных мерзлых для дисперсных мерзлых грунтов наиболее характерны слоистые и сетчатые криогенные тексту­ры; в них очень редко встречаются жильные льды, здесь обычны повторно-жильные ледяные залежи. В эпикриогенных массивах льдистость обычно меньше, чем в синкриогенных. Но при близком залегании водоносных горизонтов и в эпикриогенных грунтах может содержаться значительное количество текстурообразующего льда и основными видами текстур являются толсто- и среднешлировые слоистые или сетчатые, а нередко здесь можно встретить залежи инъекционного и инъекционно-сегрегационного льда.

Там, где породы, например пески или суглинки промерзали в условиях аэрации, к моменту промерзания они бывают обезвожены, поэтому здесь чаще можно встретить массивные или редкослоистые тонкошлировые текстуры.

Криогенные текстуры, формирующиеся при эпигенетическом промерза­нии русловых или флювиогляциальных песчаных грунтов, обычно массивные с поровым или базальным льдом-цементом, а в галечниково-гравелистых грун­тах корковые, иногда базальные текстуры.

Криогенные текстуры и льдистость синкриогенныхгрунтов из-за наличия постоянного водоупора (мерзлого грунта снизу) существенно отличны от эпикриогенных. Синкриогенные грунты обычно характеризуются высокой (более 40%) или очень высокой (до 80—90%) льдистостью и равномерно-ритмичными криогенными текстурами. Это может быть и редкое чередование относительно мощных (высотой до 3—5 м) пачек, и частое чередование срав­нительно маломощных (высотой до 1—2 м) пачек со сходным или одинако­вым криогенным строением, перемежающихся с менее льдистыми слоями. Эти пачки являются результатом циклического прерывисто-повторяющегося режима осадконакопления. Солифлюкционным и делюви­альным синкриогенным грунтам часто свойственны элементарные линзовидные, сложные волнисто-поясковые или вогнуто-параллельно-слоистые криотекстуры.

Особый облик криогенному строению сингенетически промерзавших от­ложений придает наличие мощных залежей повторно-жильных льдов, часто многоярусных, вертикальной протяженностью до 40—55 м и шириной до 3— 3,5 м, увеличивающих льдосодержание синкриогенных пород до 85—90%.

 

Криогенные текстуры, формирующиеся при диагенетическом промерза­нии, напрямую связаны с субаквальным промерзанием отложений. Их характер связан с рельефом дна водоема и направлением фронта промерзания. Поэтому здесь нередко можно встретить вогнуто-слоистые, ромбовидные сетчатые, косоугольные, конусо-линзовидные и косослоистые текстуры. При возможности интенсивного отто­ка влаги (так как нет подстилающих мерзлых пород), особенно в песчаных и супесчаных фунтах, формируются слабольдистые диакриогенные грунты с редкими ледяными шлирами.

Свойства грунтов.

 

Плотность твердых частиц ледоминеральных и минераль­но-ледяных грунтов аналогична таким же по составу талым и немерзлым раз­ностям. Плотность грунта и плотность скелета грунта у первых колеблется в большом интервале, причем по значениям они ниже по сравнению с аналогичными по составу немерзлыми грунтами. Например, плотность мерзлых песков Гыданского полуострова наиболее часто составляет 1,9—2,0 г/см³, в то время как плотность скелета чаще всего 1,40—1,70 г/см³. Пористость песков наиболее часто 35—45%. Плотность мёрзлых глинистых лагунно-морских грунтов того же рай­она изменяется в пределах 1,22—2,08 г/см³, а плотность скелета — от 0,58 до 1,63 г/см³. Пористость их 40—60% и более. Ее величина уменьшается в ряду от супесей к глинам тяжелым.

 

Коэффициент пористости немерзлых глинистых и песчаных дисперсных грунтов редко превышает 1. В мерзлых же фунтах того же состава он часто выше этой величины, а в минерально-ледяных дисперсных фунтах может достигать 3—3,5 и более (Ершов и др., 1987).

 

Состояние и свойства мерзлых грунтов во многом определяются их темпе­ратурой. В практике инженерных изысканий обычно выделяют твердомерз- лое, пластично-мерзлое и сыпучемерзлое состояние фунтов.

 

Наличие солей в мерзлых грунтах, в частности фунтах морского генезиса, также сказывается на их состоянии.

 

Физико-механические свойства ледоминеральных и минерально-ледяных грунтов существенным образом зависят от их состава, пористости и темпера­туры. Модуль упругости этих образований изменяется в диапазоне 300— 30000 МПа, что существенно выше величины подобного показателя для та­лых и немерзлых дисперсных и многих разностей выветрелых скальных грун­тов.

Коэффициент Пуассона мерзлых песчано-глинистых грунтов изменяется от 0,13 до 0,45 (Н.А.Цытович, 1973). При понижении температуры грунтов коэффициент понижается, а при повышении увеличивается и стремится к максимальному значению 0,5, как у идеальных пластовых жил.

 

Модуль общей деформации мерзлых песчано-глинистых грунтов обычно составляет десятки и первые сотни мегапаскалей. Он возрастает при снижении температуры мерзлых грунтов, уменьшении значений и вре­мени действия нагрузки и т.д.

 

Сжимаемость ледоминеральных и минерально-ледяных грунтов обусловлена деформируемостью и перемещениями всех компонентов: твердых мине­ральных, органоминеральных и органических частиц и льда, жидкой незамерзшей воды и газообразной. Сжимаемость возрастает в ряду пески — супе­си — суглинки − глины, что объясняется последовательным увеличением количества незамерзшей воды в этих мерзлых грунтах.

 

Засоленность мерзлых фунтов резко увеличивает их сжимаемость. Увеличение содержания незамерзшей воды происходит за счет уменьшения доли льда, что приближает такие мерзлые грунты по свойствам к талым.

 

Наличие ледяных прослоек в мерзлом фунте существенно сказывается на величине осадок и их развитии во времени. Если ледяные прослойки находят­ся вблизи подошвы штампа, то вначале происходит их изгиб, а затем при больших нагрузках прослойки прорезаются уплотненным фунтовым ядром. Поскольку лед является вязкой средой, то осадка штампа при прорезании ледяной прослойки резко возрастает, уменьшаясь лишь после того как про­слойка будет прорезана и ядро «упрется» в минеральный грунт. Если же ледяные прослойки расположены на большом расстоянии от подошвы штампа, то их влияние суще­ственно уменьшается. Поэтому при устройстве фундамента с близким залеганием ледяных прослоек или непосредственно на подземном льду следует под подошвой фундамента укладывать защитный слой из про­мороженного грунта.

 

Прочность ледоминеральных и минерально-ледяных грунтов, как и дру­гие физико-механические свойства, сильно зависит от их температуры: в большинстве случаев она возрастает с понижением температуры (рис. 1, Приложение 1). Это обусловлено тем, что с понижением температуры уменьшает­ся количество незамерзшей воды и одновременно увеличивается количество приконтактного льда, усиливается льдоцементационное сцепление и упроч­няется сам лед.

 

При уменьшении дисперсности в ряду глина—песок прочность мерзлых пород увеличивается. Однако такое соотношение прослеживается лишь до определенной температуры. Так, при температуре —50°С и ниже прочность мерзлой глины стала превышать прочность мерзлого песка (Ершов, 2002).

 

Существенное влияние на сопротивление сдвигу оказывает криогенное строение мерзлых грунтов. При высоких отрицательных температурах мерзлый грунт с большим количеством незамерзшей воды в случае массив­ной криогенной текстуры характеризуется, по Э.Д.Ершову, меньшими вели­чинами сопротивления быстрому сдвигу, сцепления и трения, чем в случае сетчатой криогенной текстуры, для которой с ростом толщины шлиров льда прочность грунта возрастает, если плоскость сдвига расположена перпенди­кулярно к ее слоистости. При этом сопротивление сдвигу грунта со слоистой криогенной текстурой тем больше, чем больше площадь сдвига проходит че­рез лед.

 

Прочность мерзлых грунтов в большей степени зависит от времени воз­действия на них нагрузки, снижаясь по мере его увеличения. Так, при t=-10⁰C максимальное сопротивление сдвигу мерзлого глинистого грунта было равно 1,8 МПа, а длительная прочность — 0,68 МПа, т.е. уменьшилось почти в три раза. Понижение сопротивления сдвигу в этом случае происходит главным образом за счет сил сцепления мерзлой породы и частично — угла внутреннего трения. Прочность понижается до некоторого предельного значения, так называемого предела длительной прочности (Ершов, 2002).

 

Сопротивление ледоминеральных мерзлых песчано-глинистых фунтов одноосному сжатию и разрыву в целом подчиняется описанным закономер­ностям (рис. 19.18). При увеличении суммарной влажности до величин, превышающих величину полного водонасьпцения таких же по составу немерзлых грунтов, сопротивление одноосному сжатию для всех мерзлых грунтов возра­стает, а при полном их льдозаполнении и распучивании льдом, как правило, уменьшается. Характер зависимости сопротивления разрыву мерзлых фунтов от величины суммарной влажности при низких температурах (от —10 до -55°С), подробно исследованный Е.П.Шушериной, принципиально одинаков для всех видов мерзлых грунтов: при неполном влагонасыщении и рыхлом сложении сопротивление разрыву возрастает, что обусловлено появлением льдоцементационного сцепления. При полном же льдонасьпцении и криогенном распу­чивании сопротивление мерзлого грунта уменьшается, стремясь к сопротив­лению разрыву льда.

 

Засоление мерзлых грунтов существенно снижает их прочность. Это объяс­няется тем, что увеличение концетрации растворенных солей вызывает (при постоянной температуре) соответствующее увеличение незамерзшей воды и уменьшение содержания льда в мерзлом грунте. Кроме того, от концентрации порового раствора зависят структура и прочность образовавшегося льда.

 

Величина сцепления, получаемая в ходе определения сопротивления мер­злых грунтов сдвигу, была использована А.М.Фишем и Р.В.Максимяк для подразделения мерзлых грунтов на четыре группы — очень прочные (I), проч­ные (II), средней прочности (III) и малопрочные (IV)- Принадлежность грун­тов разного гранулометрического состава, льдистости и температуры к этим группам охарактеризована в табл. 1.(Приложение 2)

 

Для засоленных грунтов значения величин сопротивления нормальному давлению существенно ниже.

 

Совместный анализ экспериментальных реологических кривых для талых и мерзлых грунтов, проведенный Л.Т.Роман, показал, что независимо от со­стояния грунтов (талое или мерзлое), гранулометрического и минерального состава, а для мерзлых грунтов — независимо от температуры, льдистости, вида криогенной текстуры, зависимость между скоростью течения и напря­жением имеет общий характер — реологические кривые мерзлых фунтов ана­логичны таковым для твердого тела, с четким прослеживанием критических значений напряжения. С увеличением льдистости при неполном заполнении пор вязкость породы повышается и достигает максимальной ве­личины при степени влажности 0,8—0,9. Далее вязкость снижается по мере увеличения льдистости и стремится к вязкости льда.

 

Для грунтов с массивной криогенной текстурой щведовский предел теку­чести при прочих равных условиях оказывается больше, а граница практически неразрушенной структуры ниже, чем для пород со слоистой криотекстурой. Соответственно в первом случае нижний участок реологической кривой течения развит в меньшей степени, чем во втором случае, в котором отмеча­ется более резкий характер перегиба на реологической кривой у пород с мас­сивной криогенной текстурой.

 

Значительные изменения вязкости грунта происходят при замерзании и понижении температуры грунтов. Появление льда приводит к увеличению вязкости в 100—1000 раз и более. Это вызвано общим упрочнением породы в результате формирования льдоцементационных связей. Радикальные измене­ния при этом отмечаются и в характере реологических кривых. В интервале отрицательных температур реологическая кривая приобретает характерный изгиб, возрастают абсолютные значения коэффициентов вязкости и одновре­менно происходит общее увеличение области развития вязкопластического течения для данного диапазона скоростей деформации, т.е. реологические кривые как бы растягиваются. Что же касается чистого льда, то для него рео­логическая кривая получается еще более вытянутой.

 

Массивы ледоминеральных и минерально-ледяных многолетнемерзлых грунтов благодаря наличию в них льдоцементных связей при сохранении от­рицательной температуры являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их темпе­ратуры (даже в области отрицательных температур) происходят существенные изменения свойств грунтов, а при оттаивании порового льда структур­ные льдоцементные связи разрушаются и возникают значительные деформа­ции. Для маловлажных (слабольдистых) массивов мерзлых фунтов оттаива­ние порового льда, разрушающего льдоцементные связи между частицами, уменьшает устойчивость структуры значительно увеличивает сжимаемость и водопроницаемость оттаявших массивов и во много раз снижает их прочность. При оттаивании же льдистых и сильнольдистых грунтов наблюдается лавин­ное разрушение их структуры, скачкообразное изменение пористости, воз­никают местные просадки (в местах локального оттаивания), часто сопро­вождающиеся выдавливанием разжиженных масс оттаивающего грунта в сто­роны от нагруженной поверхности, например из-пол фундаментов сооружений.

 

В качестве одной из характеристик деформационных свойств грунтов при оттаивании (обычно называемой в геокриологии просадочностью) при-

нята относительная осадка мерзлого фунта при переходе его в оттаявшее сос-

тоя­ние, и рассчитывается по формуле:

 

δ=∆h_fh/h_fn

 

где ∆h_fh — осадка при оттаивании слоя грунта мощностью h_fh. В зависимости от этого показателя мерзлые фунты подразделены на четыре категории: I мерзлые непросадочные; II — мерзлые среднепросадочные; III — мерзлые просадочные; IV — мерзлые сильнопросадочные (табл. 2 Приложение 3).

 

Таким образом, ледоминеральные и минерально-ледяные грунты являют­ся чрезвычайно сложными грунтами. При их инженерно-теологическом изу­чении важно знать (как и для других типов мерзлых грунтов) серию показате­лей прочностных и деформационных свойств не только для мерзлого их со­стояния, но и при неполном или полном оттаивании (в талом состоянии). Для мерзлого состояния важнейшими показателями, согласно Н.А.Цытовичу, служат: длительная прочность грунтов при сжатии, предельная величина эквивалентного сцепления и определенное по ней нормативное расчетное давление на массив мерзлого грунта в основаниях сооружений, суммарный коэффициент относительной сжимаемости массива грунтов на уровне подошвы фундаментов. В оттаивающем состоянии к категории таких показателей отно­сятся: параметры основного уравнения осадок мерзлых грунтов при оттаивании (именно коэффициент оттаивания и коэффициент уплотнения при отта­ивании) и коэффициент консолидации. Коэффициент оттаивания в особо сложных грунтах и в наиболее ответственных случаях определяется методом пробной нагрузки в шурфах при послойном оттаивании и непосредственном загружении горячего штампа размером не менее 0,5x0,5 м. Для оттаявшего грунтового массива важными являются: параметры сопротивления сдвигу для состояния, приобретенного грунтом непосредственно после оттаивания, угол внутреннего трения в недренированном и недоуплотненном состоянии грунта, определяемый методом быстрого сдвига. С этими величинами связана несущая способность оттаивающих грунтов в наиболее опасном и неустойчивом их фи­зическом состоянии, когда они еще не успели уплотниться под нагрузкой.