Распространение мерзлых грунтов в России

ПРАКТИКУМ

ПО ИССЛЕДОВАНИЮ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ДЛЯ ИЗЫСКАТЕЛЕЙ

Методические материалы к выполнению лабораторных работ
по курсу «Мерзлотоведение» для студентов,
обучающихся по специальности 130101 «Прикладная геология» специализация «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания»

Составитель В.В. Крамаренко

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 624.139+551.345(076.5)

ББК 26.36я73

К777

К00

Практикум по исследованию мерзлых грунтов для изыскателей: методические материалы к выполнению лабораторных работ по курсу «Мерзлотоведение» для студентов, обучающихся по специальности 130101 «Прикладная геология» специализация «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания». / сост. Крамаренко В.В.; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 300 с.

УДК 624.139+551.345(076.5)

ББК 26.36я73

Методические материалы рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры ГИГЭ

«21» ноября 2013 г.

Зав. кафедрой ГИГЭ

доктор г.-м.н,

профессор ____________ С.Л. Шварцев

Председатель

учебно-методической комиссии ____________ Н.Г. Наливайко

Рецензент

Кандидат геолого-минералогических наук

О.Ф. Зятева

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Мерзлотоведение» изучается студентами очного и заочного обучения направления «Геология и разведка полезных ископаемых» и направления «Прикладная геология» специальности «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания» как дисциплины национально-регионального вузовского компонента. Учебным планом дисциплины предусмотрены лабораторные и практические работы. Настоящий практикум содержит задания на выполнение некоторых анализов и расчетов: определение текстуры, состава и свойств мерзлых пород. Для успешного их выполнения приводятся описания методик анализов, терминологии и классификаций из нормативных документов и другие необходимые данные. Кроме того, приводятся задания на выполнения инженерных расчетов проектирования строительства в районах развития многолетнемерзлых пород, методические указания к их выполнению и примеры расчетов.

Хотя инженерные расчеты проектирования и не являются предметом деятельности специалиста инженера-геолога, но он должен быть знаком с ними, чтобы знать какую инженерно-геологическую информацию необходимо получать в процессе изысканий для успешного проектирования строительства в районах развития многолетнемерзлых пород. Одним из методов изучения инженерно-геокриологических условий является геокриологическое картирование. В «Практикуме» приводится задание по работе с геокриологическими картами с целью знакомства студентов:

– с типами карт,

– способами, приемами отображения геокриологической информации,

– а также для приобретения опыта чтения карт и составления очерков об инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических условиях территорий развития многолетнемерзлых пород.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ В РОССИИ

Мерзлые грунты широко распространены в Северном полушарии где занимают около 25% территории суши, из которых на долю Российской Федерации приходится 65 % её территории, в том числе –85 % территории Сибири, 95 % республики Саха и т. д. (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Карта-схема распространения ММП на территории России

Рис. 1.2. Карта-схема освоения территории России

Территория криолитозоны все еще является малообжитой (рис. 1.2) и проблемы связанные с ее освоением ждут своего решения. В заполярье живет 4,2 млн. человек, что составляет менее одного тысячного процента от всего населения (РИА новости 2010 г.). На огромных просторах арктических пустынь, тундры, лесотундры, тайги и горных степей, на равнинах, плоскогорьях и в горах на один квадратный километр приходится менее одного человека. В Ямало-Ненецком национальном округе этот показатель равен 0,6 чел. на км², в Корякии и на Чукотке – 0,1–0,2, а в Эвенкии и на Таймыре и вовсе 0,03–0,06. Скованные льдом горные породы развиты на севере Европейской России, Урала, севере Западной Сибири (примерно до широтного отрезка Оби), на большей части Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока. Отрицательные температуры проникают в земную кору до глубины 1300-1500 м (рис. 1.3, 1.4), минимальные их среднегодовые значения достигают –15...–16 градусов Цельсия.

Хозяйственное значение криолитозоны трудно переоценить: в пределах криолитозоны России сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты [ Вечная мерзлота и современный климат А.В.Павлов, Г.Ф.Гравис geo.web.ru/db/msg.html?mid=1159815].


Рис. 1.3.Схематический разрез ММП Ноябрьск-Салым
	Рис. 1.4. Мощность криолитозоны на территории СССР

Мерзлым грунтом называется грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся структурными криогенными связями [28]. По определению Н.И. Толстихина и Н.А. Цытовича: «мерзлыми породами, грунтами, почвами называются породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние» [43]. П.Ф. Швецов предложил породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие льда, называть морозными.

Периодическое изменение температуры горных пород, формирующейся в течение годового (многолетнего, векового) периода, приводит к разному эффекту теплового состояния приповерхностных слоев. По длительности существования мерзлого состояния пород принято различать следующие разновидности: кратковременномерзлые (часы, сутки); сезонномерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые породы (годы, сотни и тысячи лет). Между этими категориями мерзлых пород могут образовываться промежуточные формы и взаимные переходы.

Многолетнемерзлые толщи горных пород по типу промерзания подразделяются на эпигенетически и сингенетически промерзающие. К эпигенетически промерзшим (эпикриогенным) относятся горные породы, которые перешли в многолетнемерзлое состояние после того, как завершился процесс накопления осадков и их диагенетического преобразования. Сингенетически промерзшие (синкриогенные) горные породы формируются из осадочных отложений на мерзлом субстрате, когда геологически синхронно происходят накопление осадка и его переход в мерзлое состояние. Также выделяются диакриогенные (парасинкриогенные) толщи, которые формируются при промерзании (сверху вниз и с боков) переувлажненных нелитифицированных пород (свежеотложенных осадков и илов).

Лед обладает аномальными свойствами, выделяющими это вещество среди гомологов (Н₂S, Н₂Sе, Н₂Tе). Для него характерна очень высокая (среди простых веществ) удельная теплота плавления или кристаллизации (равная 1,4 ккал/моль или 79,69 кал/г) и теплоемкость (0,51 кал/г-град). При плавлении льда его рыхлая структура уплотняется. Лед трудно растопить (при этом меняется его структура), а воду – заморозить. В результате этого климат на Земле в целом достаточно мягок, но при отсутствии воды (например, в пустынях Африки или Центральной Азии) контраст между дневной и ночной температурами значительно выше, чем на побережье океана на той же широте. Кроме того, лед имеет высокую отражательную способность (0,45), являясь на Земле мощным фактором охлаждения, влияющим на формирование климата.

Жизненно важным для биосферы является свойство льда увеличиваться в объеме при кристаллизации, а не уменьшаться, как это происходит с большинством известных веществ. В результате лед плавает в воде (его плотность около 0,92 г/см³), а не тонет. Кристаллизация льда в замкнутых порах грунта приводит к возникновению кристаллизационного давления, величина которого может достигать огромных значений, превышающих прочность структурных связей грунта.

По величине проводимости и ее экспоненциально быстрому возрастанию с повышением температуры (в отличие от металлических проводников) лед относят к полупроводникам. Удельная электрическая проводимость льда при 0°С около 10^–9 Ом^–1см^–1, диэлектрическая проницаемость выше, чем у воды, и при 0°С равна 94. Обычно лед бывает химически очень чист, даже если растет из «грязной» воды или раствора. Это обусловлено низкой растворимостью примесей в структуре льда. В результате при замерзании примеси оттесняются на фронте кристаллизации в жидкость и не входят в структуру льда. Благодаря этому примесная проводимость во льду почти отсутствует, но в нем нет и свободных электронов, как в металлах [36].

Лед в мерзлых грунтах может находиться в виде в виде льда-цемента, льда включений и массивных залежей подземных льдов.

Лед-цемент представляет собой мелкие кристаллы различного размера, вкрапленные в грунтовый скелет и цементирующие минеральные частицы. Лед-цемент, согласно П.А.Шумскому, подразделяется на пять типов: контактный, расположенный в местах контактов частиц скелета; пленочный, покрывающий поверхность частиц, но не заполняющий весь объем пор грунта; поровый, целиком заполняющий поры; базальный, разобщающий минеральные частицы и их агрегаты; корковый лед, обволакивающий крупные элементы крупнообломочных грунтов.

Лед включений представляет собой различные линзы, прожилки и прослойки (шлиры) толщиной от долей миллиметров до десятков сантиметров. Условно принимается, что если толщина ледовой прослойки не превышает 50 см, то лед рассматривают как компонент мерзлой полиминеральной горной породы, а не как самостоятельную породу. Ледяные прослойки могут располагаться в горной породе как в виде выдержанных горизонтальных или косых слоев, так и в виде пересекающейся косослоистой сетки или прямоугольной решетки. Расстояние между шлирами обычно от 1 до 10 см и более. Если толщина прослойки льда в горной породе составляет более 50 см, то такую прослойку рассматривают как самостоятельную горную ледоминеральную породу, называемую подземным льдом или ледяным грунтом [43].

Мерзлые и ледяные грунты обладают рядом специфических свойств, которые обусловлены их структурой. Кристаллическую структуру льда можно представить решеткой, в которой каждая молекула Н₂О соединена водородными связями с четырьмя соседними молекулами, находящимися от нее на равных расстояниях (2,76·10^–8 см) в правильном тетраэдрическом размещении. Такая решетка относится к гексагональной сингонии и не является плотноупакованной; поэтому плотность обычного льда (около 0,92 г/см³) ниже плотности воды. В молекуле льда (воды) расстояние между атомами водорода и кислорода составляет 0,96·10^–8 см, а угол в вершине треугольника равен 104,5° (рис. 2.28). Фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы кислорода. Два атома водорода могут занимать различные положения на четырех связях молекулы Н₂О с другими соседями. Только при температуре ниже минус 70 ^оС их положение относительно устойчиво закрепляется. Ввиду гексагональности решетки кристаллы, растущие в свободном состоянии (например, снежинки), имеют шестигранную форму. Таким образом, кристаллический лед является и хорошо упорядоченной средой (по кислороду) и одновременно разупорядоченной (по водороду).

Структуру льда можно представить и в виде тонких прочных, но гибких пластинок, плоскость расположения которых соответствует базисной плоскости, а нормальная к ней ось – оптической оси (рис. 2.28). Промежутки между «пластинками», удерживаемые водородными связями, являются плоскостями ослабления, по которым происходит скольжение, что обусловливает повышенную текучесть льда.

В соответствии с кристаллическим строением льда его свойства зависят от внутри- и межкристаллических связей, которые, в свою очередь, определяются геометрией пространственной решетки. Существенное влияние на эти связи оказывает то, что температура многих природных льдов обычно близка к температуре плавления (около 0 °С). Это обусловливает высокую подвижность решетки и, соответственно, высокую деформируемость льда – он способен течь подобно вязкой жидкости под любой нагрузкой, что определяет явно выраженные реологические свойства мерзлого грунта, поскольку лед является его основным компонентом.

Лед, находящийся под внешней нагрузкой, податлив и текуч, его эффективная вязкость около 10¹⁴ П (пуаз). Если его температура близка к точке плавления (t = 0 °С при атмосферном давлении), а нагрузка действует длительное время, то во льду развиваются пластические деформации. Пластическая деформация льда происходит в результате зарождения и движения по кристаллу разнообразных несовершенств структуры: вакансий, межузельных атомов, межзеренных границ и дислокаций. Как было установлено в 30-е годы XX в. именно наличие последних предопределяет резкое снижение сопротивления кристаллических твердых тел пластической деформации (в 10–10⁴ раз по отношению к сопротивлению идеальной решетки). К настоящему времени во льду обнаружены все виды дислокаций, свойственных гексагональной структуре, исследованы их микромеханические и электрические характеристики.