Температурные деформации мерзлых грунтов

Температурные деформации мерзлых грунтов — один из самых распространенных криогенных процессов в криосфере, поэтому рассмотрим его подробно. Эти деформации связаны с объемными изменениями, происходящими при колебаниях температуры. Наиболее известным их следствием является морозобойное растрескивание; причиной его является температурное сокращение массива при понижении температуры.

Это явление интересно во многих отношениях. Во-первых, это процесс уменьшения объема и разрушения сплошности мерзлого массива, т. е. возникновения определенного переходного состояния с соответствующим локальным изменением структуры породы. Во-вторых, этот процесс является основным для формирования совершенно новой криогенной системы — повторно-жильного льда. В-третьих, развитие повторно-жильных льдов изменяет и дополняет структуру существующих криогенных систем. И в-четвертых, на границе формирующегося повторно-жильного ледяного образования и вмещающего его мерзлого массива развивается специфическая переходная зона с особым строением.

Возникающие в процессе роста жил напряжения снимаются несколькими способами: путем перекристаллизации льда на контактах жильного льда и вмещающего грунтового массива, течением льда с образованием режеляционной каймы вдоль боковой поверхности жилы, в результате образования системы сколов в слое грунта, примыкающего к жиле. Над растущей жилой зимой образуются горизонтальные трещины, в которых весной при замерзании талых вод в смеси со снегом, минеральным и растительным дедритом образуются ледяные тела, обеспечивающие вертикальный рост жил[1]. Таким образом, формирование повторно-жильных льдов происходит и за счет ежегодного нарастания льда в вертикальных элементарных морозобойных трещинах и слоя льда в горизонтальных полостях над жилами, метаморфизма и течения льда в краевых частях жил и выдавливания грунта по системе сколов в грунтовом массиве.

Морозобойное растрескивание, или трещинообразование, представляет собой распространенный процесс как в области развития многолетнемерзлых пород, так и в области сезонного промерзания. Согласно теории Бунге — Леффингвелла морозобойные трещины вызваны напряжениями, возникающими в массиве мерзлых пород вследствие его сжатия при охлаждении.

Рассмотрим подробнее процесс температурного растрескивания, имея в виду, что выводы в определенной мере можно относить и к диагенетическому растрескиванию массивов. Температурные деформации мерзлых пород проявляются вследствие температурных деформаций компонентов породы (минералов и обломков пород, воды, льда, воздуха), фазового перехода «вода — лед» и структурных преобразований породы при изменении температуры. Коэффициент линейного расширения большинства минералов, слагающих горные породы, составляет (2^-12) • 10_6 1/°С. Лед имеет более высокие значения — (30-^60) • 10_6, изменяющиеся в зависимости от структуры льда, угла наклона оптической оси кристаллов, интервала температуры и т. д. Изменение объема при фазовом переходе «вода — лед» определяется разностью удельных объемов воды и льда. Эта разность составляет для свободной воды 9 %, а для связанной воды она, возможно, выше. И наконец, воздух, содержащийся в мерзлых породах, обладает высокой способностью к рас- ширению/сжатию.

Расчеты величины коэффициента линейного расширения для мерзлых грунтов, основанные на арифметическом суммировании температурных деформаций перечисленных компонентов с учетом фазовых переходов дают, однако, расходящиеся с фактическими данными результаты, особенно для тонкодисперсных пород. Это свидетельствует о большой роли структурных преобразований мерзлой породы в эффекте температурного расширения/сжатия. Так, для мерзлых дисперсных пород коэффициент расширения

(1СН-1200) • 10-6 1/°C в зависимости от состава пород и их влажности. С увеличением дисперсности деформации температурного расширения/сжатия возрастают. На некоторых дилатометрических кривых, например для мерзлого суглинка, выделяются не один, а два интервала температур, в которых наблюдается расширение породы: от -0,2 до -2 °С и от -20 до -45 °С. Деформации расширения в первом интервале температур наиболее развиты при полном водонасыщении, а с уменьшением влажности и степени водонасы- щения расширение суглинка проявляется в меньшей степени, прекращаясь при степени водонасыщения 0,75т

Интересной особенностью температурных деформаций является эффект температурного последействия, установленный Н. И. Вотяковым для некоторых мерзлых пород. Он заключается в том, что температурные деформации развиваются в течение некоторого времени (до нескольких суток) после того, как температура в мерзлой породе стабилизируется, что связано, вероятно, с длительно протекающими структурными преобразованиями породы. Другой эффект заключается в обратном явлении, которое наблюдалось в цикле нагревания мерзлых пород от -25 до -20 °С. При остановке изменения температуры в образце происходит его сжатие в течение нескольких десятков минут. Эффект максимально выражен в песке, где он воспроизводится от одного цикла охлаждения/нагревания к другому, уменьшаясь по амплитуде деформаций. Таким образом, изменения температуры массива пород приводят иногда к разнонаправленным деформациям в зависимости от состава пород и температурного режима.

При достаточно больших линейных размерах массива и изменениях температуры и ее градиента напряжения превысят временное сопротивление породы на разрыв и появится трещина отрыва. Трещины отрыва в целом обладают неровными и извилистыми поверхностями. В данном случае мерзлые породы рассматриваются как хрупкие упругие твердые тела. Иначе говоря, принимается, что время релаксации напряжений велико по сравнению с временем их возникновения и развития. После образования первой трещины массив распадается на две части, причем каждая часть имеет две свободные поверхности — горизонтальную и вертикальную.

Появление свободной вертикальной поверхности частично уменьшит напряжения. При однородности материала расстояния от первой трещины, на которых напряжения достигают предельных значений, будут одинаковы и вторая трещина будет параллельно первой. Таким образом, свободная вертикальная поверхность предопределяет направление следующих трещин, и поверхность однородного мас- [2]

сива разбивается параллельными трещинами на ряд полос одинаковой толщины. Осуществление сдвига у краев полос даст возможность породе деформироваться без разрыва в направлении вдоль полос, поэтому поперечные разрывы полос наступают на расстояниях, превышающих расстояние в первом случае, и охлаждающийся массив разбивается трещинами не на квадраты, а на правильные прямоугольники, у которых короткие стороны образуются позже длинных.

Образование трещинных полигонов не снимает полностью температурных напряжений, а только уменьшает последние до значений ниже разрывающих усилий. При возрастании градиентов температур эти прямоугольные отдельности делятся последовательно пополам, образуя все более мелкие блоки. Вариациями модуля деформации, коэффициента линейного расширения и градиента температуры в охлаждающемся массиве породы обусловлена извилистость трещин, причем на извилинах создаются особо благоприятные условия для поперечных разрывов[3].

Так как коэффициенты линейной усадки при высыхании влажных глин (/с) по абсолютным величинам значительно больше, чем коэффициенты линейного расширения (а) пород, а прочность меньше, то в случае диагенетических трещин образуются значительно меньшие блоки, чем температурные полигоны.

Вследствие того, что мерзлые породы отличаются друг от друга по прочности, модулю сдвига и коэффициентам линейного расширения, в каждом различающемся по составу слое пород развивается особая система температурных трещин и отдельностей. Образовавшись, эти системы трещин обычно существуют неопределенно долго. При колебаниях температуры выделившиеся блоки испытывают температурные деформации, и если градиенты температуры не повышаются, то новых температурных трещин не образуется и система трещин остается стабильной.

Первую математическую модель морозобойного растрескивания предложил в 1952 г. Б. Н. Достовалов. Она позволяла приближенно рассчитывать расстояние между трещинами и глубину их проникновения в мерзлом массиве пород в зависимости от градиента температуры в массиве, модуля упругости и коэффициента температурной деформации пород.

С. Е. Гречищевым в 1980 г. разработана модель, согласно которой трещина в первоначально сплошном массиве возникает, когда температурные напряжения (которые зависят от температуры грунта, его механических свойств и коэффициента температурного расширения) начинают превосходить прочность грунта на разрыв.

При этом учитывается релаксация напряжений (расслабление напряжений во времени), которая в пределе (при очень медленном понижении температуры) может приводить к расслаблению напряжений до уровня, не превышающего прочности грунта на разрыв. В этом случае криогенные трещины не будут образовываться даже при охлаждении до очень низких температур.

В модели рассматривается ненарушенный массив грунта в виде математического полупространства, в котором распространение тепла происходит только в одном измерении — по глубине. В этом случае решение уравнения для температурных напряжений а в массиве известно в следующем виде[4]:

где т — время; тр — время релаксации при растяжении; и — переменные; v — коэффициент Пуассона; 8 — температурная деформа- цияя; Е0 — начальный модуль деформации; Е^ — модуль деформации при длительном воздействии.

Механические свойства в модели С. Е. Гречищева характеризуются модулями мгновенной и длительной деформации растяжения мерзлого грунта Е0 и Епределом длительной прочности на разрыв сцр, временем релаксации при растяжении грунта тр (принимается равным 25 ч). Температурные напряжения в грунте определяются прежде всего коэффициентом температурного расширения а. По С. Е. Гречищеву, колебания температуры на поверхности грунта с периодом, равным году, вызывающие медленное понижение температуры грунта, не приводят к образованию криогенных трещин из-за небольших напряжений. Трещины являются результатом более короткопериодных (6—7 сут) колебаний. В определенной степени это подтверждается данными наблюдений Дж. Р. Маккея и Е. Е. Подборного. Таким образом, упрощенно, по С. Е. Гречищеву, образование трещин происходит при выполнении следующего условия:

/со2т2 + / Е0 t02Eq

где |/ = 1+ -—--f — средняя температура поверх-

V W2TP+1

ности породы под снегом самого холодного месяца; t02 — амплитуда короткопериодных (вторичных) температурных колебаний на поверхности породы под снегом за самый холодный месяц (вторичная амплитуда); со2= 2,2 ? 1СИ3 1/ч — частота короткопериодных (вторичных) температурных колебаний; v — коэффициент Пуассона, принимаемый равным при растяжении 0,35.

При этом средняя температура поверхности породы под снегом самого холодного месяца t01 определяется по существующим методикам, например Г. В. Порхаева. Другие характеристики принимаются в основном по данным наблюдений и испытаний или могут назначаться по справочным материалам1.

  • [1] Попов А. И., Розенбаум Г. Э, Тумелъ Н. В. Криолитология. М.: Изд-во МГУ, 1985;Harris S., Brouchkov А., Cheng G. Geocryology: characteristics and use of frozen groundand permafrost landforms.
  • [2] Шушерина Е. П., Раневский Б. С., Отрощенко О. П. Исследование температурных деформаций мерзлых горных пород // Мерзлотные исследования. Вып 10. М. :Изд-во МГУ, 1970. С. 273—283.
  • [3] 2 Геворкян С. Г. Значения критических коэффициентов интенсивности напряжений мерзлых грунтов естественного сложения // Пространство и время. 2011.№ 4. С. 157—162.
  • [4] Ржаницын А. Р. Теория ползучести. М. : Стройиздат, 1968.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >