КРИЖАНА КОМПОНЕНТА ГРУНТІВ

Поширення, склад і властивості льоду в грунтах

Вічній грунти широко поширені в Північній півкулі і займають близько 25% території суші, з яких на частку території колишнього Радянського Союзу припадало більше половини, а в нинішній Російській Федерації вже перевищує 65% її території, в тому числі займає 85% території Сибіру, 95% Республіки Саха (Якутії) і м д. на частку Аляски (США) припадає 1,2 ... 1,5 млн км "(86 ... 98% території цього штату), на частку Канади - в межах 3,89 ... 5,70 млн км "(від 39 до 57% території), на частку Гренландії - в межах 1,6 ... 1,68 млн км 2 (від 73 до 77%).

Карта-схема розповсюдження вічній грунтів в Північній півкулі

Мал. 2.27. Карта-схема розповсюдження вічній грунтів в Північній півкулі

Розглядаючи географічне поширення багаторічної мерзлоти (рис. 2.27), необхідно відзначити, що в північних і північно-східних районах вони мають суцільне поширення (зона суцільного поширення багаторічної мерзлоти) і потужність їх вимірюється там сотнями метрів, а середньорічна температура досягає мінус 7, 10 і навіть 12 ° С. До південному кордоні розповсюдження вічній грунтів їх потужність зменшується до десятків метрів, тут частіше зустрічаються талики, а температура порід змінюється від мінус 0,2 до мінус 2 ° С. Поблизу цієї межі вічній породи зустрічаються головним чином на окремих ділянках (зона острівної багаторічної мерзлоти), потужність їх не перевищує перших десятків метрів, а температура змінюється від 0 до мінус 0,3 ° С. У вертикальному розрізі многолетнемерзлие породи також можуть або мати безперервне поширення, або розділятися талики, т. Е. Бути шаруватими.

Лід, як породообразующие складова частина мерзлих грунтів, є нестійкою фазою: при підвищенні температури навколишнього середовища грунт відтає, відбувається зміна його властивостей, а у деяких грунтів різко змінюються фізичний стан, міцність, деформованість, водонепроникність, розвиваються провальні і просідають (термокарстові), зсувні та інші явища. При відтаванні мерзлих грунтів споруди, побудовані на них, зазнають значних нерівномірні і різкі опади (просадки), тому часто відбуваються великі їх деформації і навіть руйнування.

Перехід води в лід при промерзанні грунтів істотно змінює їх фізичний стан, деформованість, міцність, водопроникність, а також електричні, теплові та інші властивості. Крім того, промерзання грунтів супроводжується розвитком особливих мерзлоти процесів і явищ, таких як зміна будови порід (структури і текстури), перерозподіл вологи в них, морозне здимання, освіту морозобійних тріщин, наледние явища та ін. Все перераховане показує, що умови будівництва споруд на таких породах і забезпечення їх стійкості являє складну проблему.

Лід в мерзлих грунтах може перебувати у вигляді у вигляді льоду-цементу, льоду включень і масивних покладів підземних льодів.

Лід-цемент являє собою дрібні кристали різного розміру, вкраплені в грунтовий скелет і цементують мінерали. Лід-цемент, згідно П.А. Шумському, підрозділяється на п'ять типів: контактний , розташований в місцях контактів частинок скелета; плівковий, що покриває поверхню частинок, але не заповнює весь обсяг пір грунту; порові, цілком заповнює пори; базальний, роз'єднувальний мінерали і їх агрегати; корковий лід, що обволікає великі елементи великоуламкових грунтів.

Лід включень є різні лінзи, прожилки і прошарку (шліри) товщиною від часток міліметрів до десятків сантиметрів. Умовно приймається, що якщо товщина льодового прошарку не перевищує 50 см, то лід розглядають як компонент мерзлого полімінеральної грунту, а не як самостійну породу. Крижані прошарку можуть розташовуватися в гірській породі як у вигляді витриманих горизонтальних або косих шарів, так і у вигляді пересічної косослоістую сітки або прямокутної решітки. Відстань між шлірен зазвичай від 1 до 10 см і більше. Якщо товщина прошарку льоду в гірській породі становить понад 50 см, то таку прошарок розглядають як самостійну гірську ледомінеральную породу, яка називається підземним льодом або крижаним грунтом [57].

Мерзлий грунтом називається грунт, що має негативну або нульову температуру, що містить в своєму складі видимі крижані включення і (або) лід-цемент і характеризується структурними кріогенними зв'язками [34]. За визначенням М.І. Толстіхина і Н.А. Цитовіч, "мерзлими породами, грунтами, ґрунтами називаються породи, грунти, грунти, що мають негативну або нульову температуру, в яких хоча б частина води перейшла в кристалічний стан" [57]. П.Ф. Швецов запропонував породи, грунти, грунти, що мають негативну температуру, але не містять льоду, називати морозними.

Періодична зміна температури гірських порід, що формується протягом річного (багаторічного, вікового) періоду, призводить до різного ефекту теплового стану приповерхневих шарів. За тривалістю існування мерзлого стану порід прийнято розрізняти такі різновиди: короткочасно-мерзлі (годинник, добу); сезонно-мерзлі (місяці) і многолетнемерзлие породи (роки, сотні і тисячі років).

Багаторічномерзлі товщі гірських порід за типом промерзання підрозділяються на епігенетичні і сингенетичні промерзають.

До епігенетично промерз (епікріогенним) відносяться гірські породи, які перейшли в Багаторічномерзлі стан після того, як завершився процес накопичення опадів і їх діагенетіческой перетворення.

Сингенетичні промерзлі (сінкріогенние) гірські породи формуються з осадових відкладень на мерзлому субстраті, коли геологічно синхронно відбувається накопичення осаду і його перехід в мерзле стан.

Також виділяються діакріогенние (парасінкріогенние) товщі, які формуються при промерзанні (зверху вниз і з боків) перезволожених нелітіфіцірованних порід (свежеотложенних осадів та мулів).

Мерзла і крижані грунти мають ряд специфічних властивостей, які обумовлені їх складом і структурою. Кристалічну структуру льоду можна уявити гратами, в якій кожна молекула РЬО сполучена водневими зв'язками з чотирма сусідніми молекулами, що знаходяться від неї на однаковій відстані (2,76 • 10 х см) в правильному Тетраедрічеськая розміщенні. Такі грати відноситься до гексагональної сингонії і не є плотноупакованной; тому щільність звичайного льоду (близько 0,92 г / см 3 ) нижче щільності води. У молекулі льоду (води) відстань між атомами водню і кисню становить 0,96 • 10 ' s см, а кут в вершині греугольніка дорівнює 104,5 ° (рис. 2.28, а). Фіксовані положення в структурі льоду займають лише атоми кисню. Два атома водню можуть займати різні положення на чотирьох зв'язках молекули 1ЬО з іншими сусідами. Тільки при температурі нижче мінус 70 ° С їх положення закріплюється. З огляду на 'гексагональних ґрат кристали, що ростуть у вільному стані (сніжинки), мають шестигранну форму. Таким чином, кристалічний лід є і добре впорядкованої середовищем (по кисню), і одночасно разупорядоченной (за воднем).

Структура молекули льоду і схема його кристала

Мал. 2.28. Структура молекули льоду і схема його кристала

Структуру льоду можна уявити і в вигляді тонких міцних, але гнучких пластинок, площину розташування яких відповідає базисної площини, а нормальна до неї вісь - оптичної осі (рис. 2.28, б). Проміжки між "пластинками", утримуваними водневими зв'язками, є площинами ослаблення, за якими відбувається ковзання, що обумовлює підвищену плинність льоду. Зчеплення льоду у напрямку, перпендикулярному головної оптичної осі (розташованої перпендикулярно поверхні замерзання), значно менше, ніж у напрямку, що збігається з нею. Так, за даними великого числа визначень Б.П. Вейнберга (1940), опір раздавливанию льоду = -3 ° С) при спрямуванні зусиль паралельно головній оптичній осі склало 3,1 ... 3,2 МПа. а перпендикулярно - 2,1 ... 2,5 МПа. Ставлення опору стисненню

в напрямку, перпендикулярному головній осі, до опору стисненню в напрямку, паралельному головній осі, дорівнює 0,8. В'язкість льоду в напрямку, перпендикулярному головній осі,; / г = 10 10 10 11 Пз (пуаз), а при силі, спрямованої паралельно головній осі,

η = 10 14 ... 10 і5 Пз.

Відповідно до кристалічним будовою льоду його властивості залежать від внутрішньо-і межкристаллических зв'язків, які, в свою чергу, визначаються геометрією просторової решітки. Істотний вплив на ці зв'язки надає те, що температура багатьох природних льодів зазвичай близька до температури плавлення (близько 0 ° С). Це обумовлює високу рухливість решітки і, відповідно, високу деформованість льоду - він здатний текти подібно в'язкої рідини під будь-яким навантаженням, що визначає явно виражені реологічнівластивості мерзлого грунту, оскільки лід є його основним компонентом [50].

Лід, що знаходиться під зовнішнім навантаженням, податливий і плинний, його ефективна в'язкість становить близько 10 14 Пз. Якщо його температура близька до точки плавлення (/ = 0 ° С при атмосферному тиску), а навантаження діє тривалий час, то в льоду розвиваються пластичні деформації. Пластична деформація льоду відбувається в результаті зародження і руху по кристалу різноманітних недосконалостей структури: вакансій, міжвузлових атомів, межзеренного кордонів і дислокацій. Як було встановлено в 30-ті роки XX ст., Саме наявність останніх зумовлює різке зниження опору кристалічних твердих тіл пластичної деформації (в 10-10 4 раз по відношенню до опору ідеальної решітки). До теперішнього часу в льоду виявлені всі види дислокацій, властивих гексагональної структурі, досліджено їх мікромеханічні і електричні характеристики.

Лід має аномальними властивостями, що виділяють цю речовину серед гомологів (H2S, bbSe, НгТе). Для нього характерна дуже висока (серед простих речовин) теплота плавлення або кристалізації (рівна 1,4 ккал / моль або 79,69 кал / г) і теплоємність (0,51 кал / г-ірад). Лід важко розтопити (при цьому сто структура ущільнюється), а воду - заморозити. В результаті цього клімат на Землі досить мяічж, але при відсутності води (наприклад, в пустелях Африки або Центральної Азії) контраст між денною та нічною температурами значно вище, ніж на узбережжі океану на тій же широті. Крім того, лід має високу відбивну здатність (0.45), будучи на Землі потужним фактором охолодження, що впливає на формування клімату. Життєво важливим для біосфери є властивість льоду збільшуватися в об'ємі при кристалізації, а не зменшуватися, як це відбувається з більшістю відомих речовин. В результаті лід плаває у воді (його щільність близько 0,92 г / см 3 ), а не тоне. Кристалізація льоду в замкнутих порах грунту призводить до виникнення кристаллизационного тиску, величина якого може досягати величезних значень, що перевищують міцність структурних зв'язків грунту, і є причиною найнебезпечніших деформацій обдимання.

За величиною електричної провідності і її експоненціально швидкому зростанню з підвищенням температури (на відміну від металевих провідників) лід відносять до напівпровідників. Питома електрична провідність льоду при 0 ° С близько 10 9 Ом "см, діелектрична проникність вище, ніж у води, і при 0 ° С дорівнює 94. Зазвичай лід буває хімічно чистий, навіть якщо зростає з" брудної "води або розчину. Це обумовлено низьку розчинність домішок в структурі льоду. в результаті при замерзанні домішки відтісняються на фронті кристалізації в рідину і не входять в структуру льоду, завдяки цьому домішкових провідність в льоду майже відсутня, і в ньому немає вільних електронів, як в металах [50].

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >