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

 

 

© Составление. ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013

© Крамаренко В.В. составление, 2013

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.