Мерзлые дисперсные органоминерально-ледяные и органоледяные грунты

Подразделение, распространение и состав.

К органоминерально-ледяным относятся преимущественно сильнольдистые песчано-глинистые заторфованные грунты. Их образование происходит тогда, когда в процессе накопления песков, супесей, суглинков и глин в них включается от 10 до 60% (по массе) растительных остатков. Кроме того, к этой категории могут быть отнесены и мерзлые сапропели.

 

К органоледяным грунтам относятся главным образом сильнольдистые торфяные грунты, а также богатый органикой перегнойно-аккумулятивный горизонт почв. Многолетнемерзлые автохтонные торфяники формируются в результате промерзания болотных растений после их естественного отмирания и неполного разложения в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода, а многолетнемерзлые аллохтонные торфяники — в результате многолетнего промерзания размываемого и переотложенного материала автохтонных торфяников. Среди органоледяных грунтов несколько меньше распространены многолетнемерзлые морские органические илы и органические озерно-болотные сапропели, формирующиеся при промерзании осадков морских акваторий, содержащих органическое вещество в виде растительных остатков, гумуса и пресноводного ила, образовавшегося на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов.

 

Рассматриваемые мерзлые грунты очень широко распространены в пределах криолитозоны, но в целом они занимают существенно меньшие площади по сравнению с мерзлыми дисперсными ледоминеральными и минерально-ледяными грунтами. Пространственная приуроченность органоминерально-ледяных и органоледяных грунтов различна: первые встречаются во всех районах криолитозоны, а вторые — органоледяные широко развиты в южных и центральных областях.

 

Мощность органоледяных грунтов обычно 1—2 м, однако в отдельных случаях встречаются мерзлые торфяники мощностью до 5—6, а иногда 7—8 м. Мощность органоминерально-ледяных грунтов в экстремальных случаях может (например, в пределах едомных массивов) превышать несколько десятков метров.

 

Главная отличительная черта состава этих грунтов — наличие большого количества органического материала и высокая льдистость. Суммарная льди­стость торфов может достигать 80—90% и более, а значения естественной влажности — сотни процентов. При этом большая часть чрезвычайно слабо­минерализованных водных растворов к моменту промерзания находилась в свободном состоянии. В связи с этим температуры начала замерзания торфов, несмотря на высокие значения влажности, невелики: ее значения могут быть приняты равными для верхового торфа: слаборазложившегося —0,05°С, среднеразложившегося — 0,07°С, а для низинного торфа слаборазложившегося — 0,12°С, среднеразложившегося — 0,15°С, сильноразложившегося — 0,2°С.

 

В торфе, как и в других мерзлых грунтах, при природных температурах всегда содержится определенное количество незамерзшей жидкой компонен­ты. Исследованиями Р.И.Гаврильева, С.В.Елисеева (1970), А.В.Конюхова (1975), Л.Т.Роман (1987) показано, что с уменьшением исходной влажности количество незамерзшей воды при одной и той же температуре уменьшается. Например, в образцах верхового слаборазложившегося торфа при понижении температуры от 0 до — 12°С количество незамерзшей воды при начальной влаж­ности 400% снижалось с 400 до 70—80%, а в образце с исходной влажностью 50% - от 50 до 10-15%.

Криогенное строение грунтов.

 

В сравнении с минеральными дисперсными грунтами мерзлым органоминеральным и органическим грунтам значительно чаще присущи базальные и массивно-поровые криогенные текстуры. При эпи­генетическом промерзании массивов дисперсных органоминеральных и орга­нических грунтов формирование криогенных текстур тесно связано с влаж­ностью, непосредственно предшествующей промерзанию, поэтому предва­рительно иссушенные органоминеральные и органические грунты промерзают с формированием массивных криотекстур. Чаще всего промерзают сильно обводненные торфяные и болотные массивы, поэтому непосредственно в торфе формируются базальные и массивные криогенные текстуры, этим грунтам присуща высокая льдистость и интенсивное распучивание.

 

В пределах массивов эпигенетически промерзших дисперсных органоминерально-ледяных и органоледяных грунтов выделяются бугристые массивы, возникающие в результате перераспределения влажности внутри массива при промерзании под действием миграционно-сегрегационных и сегрегационно-инъекционных процессов. Это ведет к образованию площадей и бугров пуче­ния, возвышающихся над окружающими понижениями в среднем на 2—3 м, иногда бугры достигают 7—8 м и более. В торфе, перекрывающем такие буг­ры, фиксируется базальная, массивная и редкошлировая криотекстура (с кристаллами и корками льда вокруг веточек и стволов деревьев и кустарни­ков), а на границе с подстилающими, обычно тонкодисперсными минераль­ными грунтами нередко встречаются линзы льда мощностью до 0,2—0,3 м. Вблизи от подошвы торфа нередко можно встретить ядро сильнольдистых пород с сетчатой и сетчато-слоистой криотекстурой.

 

Криогенные текстуры и льдистость дисперсных органоминеральных и орга­нических грунтов, промерзающих сингенетически вследствие обычно боль­шой обводненности, часто очень сходны с сильнольдистыми эпикриогенны- ми. Синкриогенные органоминерально-ледяные и органоледяные грунты ха­рактеризуются обычно очень высокой (до 60—90%) льдистостью.

 

Среди органоледяных синкриогенных грунтов особо высокой льдистостью выделяются массивы с мощными залежами повторно-жильных льдов, достига­ющих вертикальной протяженности 5—7 м в голоценовых торфяниках и десят­ков метров в позднеплейстоценовых органоминерально-ледяных грунтах.

 

Свойства грунтов.

Плотность мерзлых торфов — величина низкая вследст­вие высокой льдистости и органического состава твердой компоненты. Во многих случаях ее значение менее 1 г/см³. Непосредственное ее определение не всегда возможно и в этих случаях значения плотности рассчитывают через значение естественной влажности, газосодержание и плотность твердых час­тиц. Сходимость получаемых данных с данными прямых определений удов­летворительная.

 

Незначительная теплопроводность частиц торфа и повышенное влагосодержание обусловливают существенное отличие в протекании теплофизических процессов в торфяных грунтах по сравнению с минеральными. В них существенно замедлена скорость оттаивания—промерзания, иное и распре­деление температуры грунтов по глубине: как правило, глубина нулевых го­довых амплитуд располагается ближе к поверхности.

 

При оценке теплопереноса в торфяных грунтах особое внимание обраща­ют на их большое влагосодержание, так как значения коэффициентов тепло­проводности, температуропроводности, теплоемкости воды значительно боль­ше, чем твердых частиц торфяных грунтов. Поэтому возрастание всех эффек­тивных теплофизических характеристик торфяных грунтов с увеличением их влажности происходит быстрее, чем у минеральных.

 

Торфы обладают хорошо выраженной анизотропией тепловых свойств. Теплопроводность их в мерзлом и талом состоянии по направлению волокон больше, чем в направлении, перпендикулярном слоистости. У слаборазложившихся торфов с выраженной слоистой текстурой анизотропия теплопро­водности наибольшая.

 

Для органоминерально-ледяных и органо-ледяных грунтов, как и для других типов мерзлых грунтов, чрезвычайно важным является установление температурной границы пластично-мерзлого и твердомерзлого их состояния. В табл. 3 (приложение 4) приведены результаты стандартных расчетов значения этой величины, полученные исходя из содержания количества незамерзшей воды в этих грунтах. Л.Т.Роман экспериментально показала, что эти значения несколько завышены, так как они не учитывают ползучесть грунтов и льдосодержание.

 

Значения модуля общей деформации описываемых грунтов приведены в табл. 4 (приложение 5). Они сильно зависят от температуры заторфованных грунтов, чем ниже значение температуры тем выше модуль общей деформации.

 

Модуль упругости (мгновенный модуль деформации), определенный по скорости прохождения ультразвука, для торфа составил около (50—100)-102 МПа, для льда (85—100)-102 МПа, для заторфованного песка (110—150)-102 МПа. Его величина также зависит от температуры грунта (рис. 2, приложение 6).

 

Сопротивление сдвигу мерзлых заторфованных грунтов и торфа часто ха­рактеризуют так называемым «эквивалентным сцеплением», получаемым по результатам испытаний сферическим (шариковым) штампом, при интерпре­тации которых не выделяют отдельно внутреннее трение и сцепление.

 

Характер зависимости эквивалентного сцепления от величины нагрузки в торфе оказался иным по сравнению с минеральными грунтами. Как и для минеральных грунтов, эта зависимость нелинейна, но, если для глины, суг­линка и супеси увеличение нагрузки приводит к возрастанию сцепления (по данным С.С.Вялова), что свидетельствует об упрочнении мерзлых грунтов, то для торфа наблюдается уменьшение сцепления с ростом нагрузки. Указанная закономерность объясняется Л.Т.Роман отсутствием упроч­нения ввиду податливости самих частиц торфа. Характерно, что с увеличени­ем времени воздействия нагрузки ее влияние на сцепление уменьшается. Это результат воздействия временного фактора на процесс разрушения, при малых нагрузках не­обходим большой период времени для разру­шения внутренних связей. При достаточном увеличении нагрузки и длитель­ности воздействия эффект ее влияния на сцепление практически исчезает, и для торфа, как и для минеральных грунтов, сцепление можно рассматривать как постоянную величину, независимую от давления (рис. 3, приложение 7).

 

Из факторов, определяющих проч­ностные характеристики мерзлых тор­фяных грунтов, Л.Т.Роман выделила влажность. Именно количество льда и незамерзшей воды обусловливают вели­чину сил сцепления. Пока­зателем количества льда в грунте может служить влажность за счет льдистости. Второй важной характеристикой влаж­ности является полная влагоемкость, которая определяется коэффициентом пористости, плотностью, а для торфа находится в корреляционной связи со степенью разложения, т.е. полная вла­гоемкость объединяет несколько свойств, определяющих прочностные характеристики грунтов, являясь их комплексным показателем и постоянной величиной для данного образца грунта независимо от его температуры. Самые высокие прочностные показатели мерзлых грунтов при прочих равных условиях соответствует состоянию когда влажность грунта близка к полной влагоемкости. Дальнейшее увеличение влажности обуславливает образование ледяных шлиров, что приводит к снижению «эквивалентного сцепления», приближении его к сцеплению льда.

 

Большое влагосодержание торфяных грунтов обусловливает большую по сравнению с минеральными грунтами интенсивность роста несущей способности при понижении температуры (рис. 4, приложение 8).

 

Анализ результатов исследования реологических свойств мерзлых торфяных грунтов, проведенный С.С.Вяловым, Л.Т.Роман и другими исследователями показал, что для торфа и минеральных грунтов, имеющих эаторфованиость выше 0,3, деформации носят вязкий характер с преобладанием стадии установившегося течения. Причем если напряжение не превышает некоторого предела σ_m, то стадия установившегося (с постоянной скоростью) вязкого течения продолжается неограниченно долго. Если же σ>σ_m, то установившаяся стадия переходит в стадию прогрессирующего течения с возрастающей скоростью (рис. 5, приложение 9).

 

Деформационные свойства мерзлых заторфованных грунтов при заторфованности меньше 0,3 по своему характеру приближаются к свойствам мерзлых минеральных грунтов с выраженной стадией затухающей ползучести.

 

Но из-за большого содержания незамерзшей воды и наличия растительных остатков в заторфованных грунтах больше проявляются пластические свойства. Закономерности деформирования для них отражаются типичными кривыми ползучести (рис. 5, приложение 9). При напряжении, меньшем предела длительной прочности σ_m, для них отмечается затухающая ползучесть, а при напряжении, превышающем указанный предел, — незатухающая ползучесть.

 

Мерзлые заторфованные грунты и торф являются, как правило, сильнольдистыми. Несмотря на это, их осадка при оттаивании без дополнительной нагрузки невелика или совсем отсутствует. По Л.Т.Роман, это связано с податливостью частиц торфа, которые претерпевают уплотнение пол действием давления, возникающего при замерзании грунтовой влаги, а затем после ее оттаивания проявляют упругие свойства и набухают. Поэтому коэффициент оттаивания для торфа в непригруженном состоянии весьма невелик, а при незначительной степени разложения набухание иногда превышает осадку, обусловленную оттаиванием льда, содержащегося в торфе, вызывая увеличение объема образцов. Если же оттаивание торфа происходит в пригруженном состоянии, то осадки весьма значительны даже при небольших давлениях Опытами И.Н. Вотякова (1951), А.В. Садовского (1960), Л.Т.Роман (1987) установлена более выраженная нелинейность компрессионной кривой оттаивающих торфяных грунтов по сравнению с минеральными.

 

Данные, приведенные на рис. 6 (приложение 10), подтверждают это. Они получены в ходе натурных испытаний горячим штампом торфа со слоистой (опыт 1 и 2) и массивной (опыт 3) криогенными текстурами. Степень разложения, влажность, плотность торфа и его скелета в первом опыте составляли соответственно 30 и 504%, 1,04 и 0,144 г/см³, во втором — 30 и 420%, 1,02 и 0,194 г/см³, в третьем — 20 и 390%, 1,00 и 0,22 г/см³. Значительные осадки торфа (рис. 6 а, приложение 10) получены при глубине оттаивания торфа, соответствующей половине диапазона горячего штампа, равного 50,5 см (площадь 2000 см²).