Физические свойства и водопрочностные характеристики мерзлых пород

Влажность,льдистость,плотность и пористость — основные показатели физических свойств

Влажность мп — содержание в ней воды,удаляемой высушиванием при т=100-105 С до постоянной массы. Различают суммарную,общую и объемную влажность.

Суммарная Wc – отношение массы воды всех видов в твердом и жидком состоянии, содержащихся в мерзлой породе,к массе ее скелета, а в засоленых породах к массе скелета и содержащихся в ней солей.(%) Общая влажность- отношение массы всей воды к массе мерзлой породы, объемная — отношение объема воды в твердой и жидкой фазе к объему мерзлой породы.Wc включает в себя влажность породы за счет льда-цемента,льда включений и содержащейся при данной температуре незамерзшей воды.Характеризуется влажностью минеральных прослоев,расположенных между включениями льда или влажностью породы с массивной криогенной текстурой. Wmmw<Wc<4Wp. Wc прямо пропорциональна дисперсности,содержанию органики и пылеватых частиц( max – суглинки). Wc(шлировая кр.текст.) > Wc(массивная кт).Чем меньше минеральные агрегаты и тоньше включения льда, тем выше Wc.

Льдистость(Л)- показатель,характеризующий общее содержание подземного льда в мерзлой породе(%).Показатель-суммарная льдистость(Лс).Объемная Лс-отношение V льда к V мерзлой породы. Весовая Лс — отношение массы всего льда к массе сухой породы. Относительная Лс — отношение весовой льдистости к суммарной влажности.Объемная Лс — льдистость за счет льда-цемента(водопрочность,прочность смерзания грунтовых частиц,осадка после оттаивания) и льда включений(величина тепловой осадки,увеличивает коэфициент фильтрации).Льдистость от 0 до 1.Сильнольдистые(Лv=0,5),льдистые(0,25-0,5) и слабольдистые(Л<0,25) породы.Показатель для оценки прочности сцепления частиц грунта льдом — степень заполнения объема пор мерзлой породы льдом и незамерзшей водой.

Плотность p (объемный вес г\см3)[1-2,73] — отношение массы мерзлого грунта с шлировыми криогенными текстурами к объему грунта ненарушенного сложения. Плотность скелета мп[2-0,62] — отношение массы скелета породы к объему мп с шлировыми текстурами ненарушенного сложения.Для массивной кр.тек.: 1)плотность мерзлых минеральных агрегатов - отношение массы мп,содержащей только лед-цемент,к ее объему ненарушенного сложения.2)плотность скелета мин.агрегатов — отношение массы скелета породы,содержащей только лед-цемент, к объему мп ненарушенного сложения.Величина каждого из показателей зависит от соотношения г\ж\тв,кроме плотности твердого минерального компонента(опр.плотностью минералов).Чем больше органики,тем меньше p.

Пористость n — суммарный объем всех пор в единице объема породы. Nv – отношение объема всех пор,не занятых незамерзшей водой и льдом, к объему мерзлой породы. Nскелета — отношение объема всего порового пространства ,не занятого мин.скелетом, к объему мерзлой породы.Коэфициент пористости — отношение объема пор к объему твердой компоненты. Чем больше Л,тем больше n(до 90%).

Водопрочностные характеристики.Размываемость и размокаемость.

Размываемость — свойство,характеризующее способность мп размываться под воздействием текучих вод(тепловое и механическое воздействие).Показатели:1)допустимая неразмывающая скорость водного потока — средняя скорость потока,при превышении которой начинается отрыв частиц и агрегатов и их волочение. 2) интенсивность размыва — объем породы,выносимый потоком с ед. площади в ед.времени(м3\м2*с); для плоского потока — слой породы,смываемый в ед.времени(м\с). Размываемость зависит от характера структурных связей в породе,льдистости и типа криогенной текстуры и типа размыва(термоэрозионный и предельно термоэрозионный на территории ММП). Размываемость повышается с уменьшением дисперсности,плотности и сцепления,с нарушение ест.сложения и удалением корней растений.

Размокаемость — способность мп терять связность и превращаться в рыхлую массу при взаимодействии со спокойной водой,определяет водопрочность мп.Размокание это результат растворения льда и набухания. Характеристики — общее время размокания,время распада породы на мин.агрегаты,время разрушения мин.агр.и их форма,конечная влажность размокания пород.Характеристики размокаемости — скорость и тип размокания.Зависит от состава и крио и посткрио текстуры:быстро- средне- и медленноразмокающие.Скорость зависит от температуры(породы и воды).

Билет № 4

1. Теория кристаллизации воды и таяния льда, сублимация и десублимация влаги в мерзлых породах, метаморфизм льда.

Процесс таяния льда (фазового перехода лед-обьемная вода) выглядит примерно так – при температуре льда, близкой к 0, каждая молекула располагающаяся в узле решетки льда, обладает минимумом кинетической энергии и максимумом энергии активации. По мере подвода тепла к обьему льда происходит увеличение скорости движения молекул. Приходящая энергия также расходуется на преодоление связи отдельных молекул в структуре льда и на совершение ими трансляционных скачков (когда кинетическая энергия больше энергии активации). При продолжающемся воздействии энергии наступает момент, когда разрывается более 9-13% водородных связей и начинается процесс изотермического плавления льда. Процент разорванных связей определяется из соотношения теплоты плавления и теплоты сублимации. Разрыв происходит в результате возросшего числа трансляционных скачков молекул. Вследствие этого структура льда на куски. При этом в теле кристалла обособляются ассоциаты (группы) молекул. Для их образования необходимо выполнения 2-х условий: 1) обязательный разрыв части водородных связей между соседними молекулами и по контуру асоциата воды; 2) приведение обособившихся групп молекул в броуновское движение около своих центров равновесия.

Обратный процесс кристаллизации воды – пр отводе тепла от воды уменьшается число трансляционных скачков и скорость диффузии молекул и ассоциатов воды. Импульсы, сообщаемые транслирующими частицами, слабеют. Колебания около центров равновесия замедляется и температура воды понижается. Из-за возрастающей инерционности водородные связи между молекулами в сумме могут удерживать ассоциаты и группы молекул друг около друга. Броуновское движение замедляется и затем прекращается вообще. Происходит укрупнение и объединение ассоциатов, и превращение их вполнокристаллические зародыши льда, которые начинают быстро расти, выделяя тепло кристаллизации. Происходит крислаллизация воды с увеличением ее обьема на 9%.

2 теории развития микрокристаллов льда. Гомогенная – зарождение центров кристаллизации как закономерный процесс возникновения достаточной массы ассоциатом молекул воды в результате понижения температуры однородной среды, замедления скорости движения молекул и обьединения посредством водородных связей. Гетерогенная – неизбежное нахождение в воде инородных частиц, которые служат центрами кристаллизации.

Сублимация – фазовый переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, сопровождающийся поглощением тепла (теплота сублимации 677 кал/г).

Аблимация – (обратный процесс) переход парообразной влаги в лед с образованием вытянутых кристаллов твердого вещества.

Тройная точка для воды (на рисунке) Т=0,0098градС, Р=0,61 Па. Кривая ОВ вазовых переходов лед-пар.

Механизм процессов сублимации-аблимации – молекулы воды, находящиеся в структурной решетке поверхности льда и обладающие в данный момент наибольшей скоростью теплового движения, вылетают в окружающее газовое пространство, освобождаясь от взаимодействий с остальными молекулами (сублимация). Одновременно возможен процесс захвата поверхностными силами льда отдельных молекул, хаотично движущихся в окружающем газовом пространстве и соударяющихся с поверхностью льда (аблимация).

Сублимация происходит неравномернопо всей поверхности льда, а в наиболее энергетически неустойчивых участках (дефекты крист. структуры, ребра и вершины кристаллов). Также она создает на поверхности волнистый микрорельеф, испещренный воронками, чашеобразными формами, сотовый рельеф, в конечном результате образуется пологоволнистый рельеф.

У мелкокристаллического льда процессы сублимации развиваются гораздо быстрее, чем у крупнокристаллического, что связано с большим числом дефектов структуры, и большими значениями обьемно-градиентных деформаций.

Сублимация льда в дисперсных грунтах – это переход льда из твердого состояния в газообразное, и испарение незамерзшей воды с постоянным пополнением ее запасов за счет подплавления льда. В целом это процесс морозного иссушения, тк идут процессы фазовых переходов, десорбции и процессы внутреннего и внешнего переноса тепла и влаги.

Инетенсивность сублимации льда в породах – это плотность потока влаги, проходящего через открытую поверхность образца, т.е. масса влаги, теряемая породой с единицы площади поперечного сечения за промежуток времени.

Аблимация водяных паров на грунтовой поверхности – сопровождается выделением теплоты и образованием на твердой поверхности кристаллов льда в виде снега. На начальной стадии образование аблимационного льда происходит на ребрах, вершинах, сколах кристаллов, в местах дефектов поверхности за счет существования некомпенсированной поверхностной энергии. Затем водяной пар создает на грунтовой поверхности сплошной слой снега, который создает дополнительное сопротивление переносу тепла и приводит к снижению интенсивности аблимации. Со временем происходит увеличение плотности снега и его теплопроводности.

Интенсивность аблимации возрастает с увеличением размеров обломков, что связано с большей их теплопрободностью.

Метаморфизмом льданазывается изменение его структуры и текстуры под воздействием молекулярных и термодинамических процессов. Эти процессы наиболее полно проявляются при образовании метаморфических льдов, когда из первоначального скопления едва соприкасающихся между собой частиц снега со временем формируется сплошной, непроницаемый агрегат ледяных кристаллов. При этом происходят относительные смещения кристаллов, поверхностные изменения их формы и размеров, деформации и рост одних кристаллов за счет других.

В кристаллическом льде метаморфизм происходит преимущественно в виде собирательной перекристаллизации с ростом среднего размера кристаллов и уменьшением их количества в единице объема. По мере увеличения размеров кристалла интенсивность перекристаллизации замедляется.

1. Пучинистость и морозостойкость пород.

Пучинистость – способность пород деформироваться как при промерзании, так и в мерзлом состоянии, увеличивая свой обьем в результате замерзания влаги, ее миграции и льдонакопления.

Характеристики:

Общая деформация пучения – высота перемещения поверхности промерзающей породы относительно своего первоначального положения.

Относительная деформация пучения – отношение обьема общей деформации к мощности промерзающего слоя (интенсивность пучения – относ. деф-я элементарного слоя).

Модуль пучения – деформация слоя промерзающей породы мощностью 1м.

Скорость пучения – отношение величины пучения слоя породы ко времени промерзания этого слоя.

Коэффициент неравномерности пучения – отношение разности величин общей деф-ии пучения в двух близлежащих точках к расстоянию между ними.

Пучение обусловлено процессами миграционного льдонакопления и массивного распучивания, протекающими в мерзлой зоне и зависит от усадки талой зоны. Деформации усадки уменьшают величину пучения.

Деформация пучения (H_пуч) определяется суммой разнонаправленных деформаций – массивного распучивания, сегрегационного льдонакопления и усадки.

H_{пуч =} h_расп + h_льд – h_усадки

Эти деформации определяются составом и строением пород, и внешними условиями промерзания – скоростью промерзания, градиентом температуры, наличием или отсутствием потока влаги и др.

Наиболее благоприятными условиями для развития процесса пучения являются высокие градиентные температуры (2-3град/см), незначительны скорости промерзания (1-2*10^-2 см/ч), и все это в условиях свободного подтока влаги.

Влияние дисперсности обусловлено различиями в протекании процессов миграции влаги и массивного распучивания (деформации составляют 70-90% общих положительных деформаций). По плотности миграционного потока глина>суглинок>супесь. По массовому распучиванию песок>супесь>глина.

В целом уменьшение дисперсности ведет к уменьшению общей деформации пучения – глины (0.5-0.8), суглинки (0.5-0.1), супесь (0.1-0.02), пески и грубообломочные (до 0.02).

Минеральный состав. Пучинистость тонкодисперсных пород содержащих монтмориллонит(0.1-0.5) <каолинит(0.7-0.8). Уменьшение деф-й пучения в монтмориллонитовой глине происходит из-за увеличения деф-й усадки (которая приводит к уменьшению деформаций пучения на 80-95%).

Пучинистые свойства также зависят от начальной влажности, плотности, степени заполнения пор, засоленности и заторфованности.

Пучинистые те свойства оттаивающих пород имеют же закономерности, что и промерзающие, но проявляются крайне редко. Это связано с тем, что одновременно с льдонакоплением в мерзлой зоне, в талой происходит компенсационная и тепловая осадка, чаще всего перекрывающая величины положительных деформаций мерзлой зоны.

Морозостойкость – способность горной породы выдерживать Бер разрушения многократные циклы промерзания-оттаивания. Необходима при оценке магматических, метаморфических и осадочных сцементированных пород с жесткими структурными связями. Морозостойкость оценивается числом циклов замораживания-оттаиванияи соответствующей потерей их прочности. Испытания проводят до 25 циклов, при спец. иследованиях до 50-200.

Марка морозостойкости – потеря 25% первоначальной прочности или 5% массы.

Коэффициент морозостойкости – отношение предела прочности на сжатие после замораживания к пределу прочности на сжатие сухих образцов.

Уменьшении прочности происходит под влиянием температурного, гидратационного и криогидратационного факторов. При изменении температуры в породе возникают внутренние напряжения, обусловленные резкой неоднородностью поля температур. Гидратационный механизм обусловлен расклинивающим действием тонких пленок воды. Толщина пленок не постоянна и зависит от колебания температуры и влажности воздуха в порах. Расклинивающее давление распределяется по ослабленным участкам породы.

Криогидратационный механизм (имеет наибольшее значение) связан с фазовым переходом воды в лед, и увеличением ее обьема на 9%, за счет чего возникает избыточное давление 12-13.5 МПа на 1градС (при отсутствии в порах свободного пространства куда может выдавливаться образующийся излишек).

Также морозостойкость зависит от теплофизических и прочностных свойств, прочности связи между зернами, характера увлажнения, структурно-текстурных особенностей, степени измененности и др. Высокой морозостойкостью отличаются мелкозернистые магматические и плотные метаморфические породы.

Билет 5

1. Газовые гидраты и процессы гидратообразование в горных породах.

Газовые гидраты представляют собой льдоподобные кристаллические соединения, состоящие из молекул воды и природного газа с низкой молекулярной массой. Гидраты природных газов образуются при взаимодействии воды и газа в условиях низкой температуры и повышенного давления. В природных условиях газовые гидраты (пре- имущественно гидраты метана) формируются, как правило, в донных отложениях морей и океанов на глубинах 300 м и более, а также в областях распространения многолетнемерзлых пород (ММП). В криолитозоне газовые гидраты часто образуются в подмерзлотных горизонтах горных пород. Известно, что в случае многолетнего промерзания происходит выхолаживание толщ горных пород на большие глубины (сотни метров). Это способствует попаданию газонасыщенных горизонтов в зону стабильности газовых гидратов (ЗСГ), что приводит к образованию газогидратных скоплений перед фронтом промерзания. Следует отметить, что при увеличении мощности ММП сформировавшиеся перед фронтом промерзания гидратосодержащие горизонты могут подвергаться процессу промерзания, в результате будут формироваться мерзлые гидратосодержащие породы. Однако возможно образование газогидратов в толщах ММП и на небольших глубинах (до 250 м) при отрицательных температурах. Гидратообразование на небольшой глубине может быть связано с формированием газовых карманов в промерзающих породах и возникновением при этом высоких давлений за счет кристаллизации поровой влаги (кристаллизационный фактор), а также за счет действия внешней нагрузки (барический фактор) на сконцентрированные в результате промерзания газовые скопления в мерзлых породах. Таким образом, процессы гидратообразования в криолитозоне имеют место как в подмерзлотных горизонтах горных пород при низких положительных температурах, так и при отрицательных температурах в толщах мерзлых породах.