МЕРЗЛЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Понижение температуры ниже 0 °С приводит к смерзанию рыхлых влажных пород. Это, в свою очередь, сказывается на всех физических свойствах породы. По существу, рыхлая порода при этом перестает существовать — возникает особая скальная порода, имеющая в качестве цементирующего вещества лед со своеобразной ледовой (криогенной) текстурой.

Формирование мерзлых пород происходит в результате длительного действия отрицательных температур воздуха на поверхность массива.

Мерзлые горные породы по времени существования разделяют на сезонно-мерзлые и многолетнемерзлые. Многолетнемерзлые, в свою очередь, подразделяются на сингенетические — возникшие в одно геологическое время с образованием самой породы, и эпигенетические — промерзавшие после накопления и формирования толщи пород.

При замерзании влажной дисперсной породы не вся ее влага переходит в лед сразу после 0 °С. Значительная часть ее остается в незамерзшем состоянии. Так, в глинах и суглинках даже при минус 10—16 °С около 38—40 % влаги не замерзает. В общем случае количество незамерзшей воды прямо пропорционально содержанию С глинистой компоненты в породе (%). Полное замерзание воды наблюдается в мерзлом песке при Т = —20—30 ⁰С, а в мерзлом каолине даже при Т = —80 ⁰С. Поэтому мерзлые породы наряду с показателем общей влажности (независимо от ее агрегатного состояния) характеризуются еще количеством незамерзшей влаги w_a и льдистостью w_л (т. е. количеством льда в породе).

 

 

Рис. 14.6. Зависимости σ_сж мерзлого песка от влажности w и температуры (а) и σ_сж и σ_р мерзлой глины от влажности w при t= -30 °С (б)

 

 

 

 

Рис. 14.7. Изменение модуля Юнга Е, коэффициента Пуассона V. (а) и скорости распространения упругих волн v_v (б) в рыхлых и связных породах при переходе в область отрицательных температур Т:

E₁ и Vi—для влажного песка; Е₂ и V₂ — для каолина; 1. 2 и 3 — соответственно для песчаника, песка и глины

В зависимости от характера распределения льда в мерзлой породе выделяют три основных типа криогенных текстур: массивную; слоистую и ячеистую.

При этом наименьшей прочностью и наибольшими деформациями обладают глинистые породы, имеющие слоистую криогенную текстуру, а наибольшей прочностью — крупнозернистые песчаные породы со сложной текстурой.

По мере увеличения влажности пород (до полного водонасыщения) и понижения температуры их предел прочности при сжатии существенно возрастает. Прочность мерзлых сыпучих пород становится близкой к прочности плотных и полускальных пород (рис. 14.6).

Если прочность мерзлых песков, супесей и суглинков при

 

 

 

Рис. 14.8. Зависимость модуля Юнга влагонасыщенных мерзлых пород от степени их дисперсности:

E = klgd+E', где k=(7,5 - 10)10⁹ Па; Е' — модуль Юнга тяжелой глины

Рис. 14.9. Поверхность изменения Е мерзлого каолина от влажности w и температуры Т при полном водонасыщении

влажности 20—25% и температуре — 1 °С составляет 0,5— 0,6 МПа, то при температуре — 40 °С она возрастает до 5— 6 МПа, у мерзлых глин величина а_ст достигает 4 МПа.

Дальнейшее постепенное понижение температуры приводит к увеличению прочности мерзлых пород. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, оставшаяся в породах незамерз-шая влага постепенно переходит в мерзлое состояние, во-вторых, наблюдается повышение прочности самого льда с понижением температуры, сопровождающееся снижением его пластичности и соответственно возрастанием хрупкости мерзлой породы.

Все упругие свойства рыхлых и связных влажных пород с замерзанием также изменяются. Наблюдается скачок модуля Юнга пород и скоростей распространения в них упругих волн при переходе в область отрицательных температур (рис. 14.7). Коэффициент Пуассона, в свою очередь, при переходе в область низких температур уменьшается. Увеличение размеров зерен, из которых сложена порода, приводит к возрастанию модуля упругости влажной мерзлой породы (рис. 14.8).

Дальнейшее понижение температур приводит к увеличению Е пород. Существенное влияние на рост упругих и прочностных параметров пород оказывает степень их водонасыщения.

При полном влагонасыщении пород увеличение их пористости (т. е. одновременное увеличение влажности и количества льда в составе мерзлой породы) приводит к увеличению Е, К, G в области относительно высоких температур (примерно – 6- 14°С), а в области низких температур (ниже -10-15°С) — к уменьшению параметров упругости (рис. 14.9).

 

 

Уменьшение параметров упругости при низких температурах обусловлено снижением общего количества минеральной составляющей в криогенном образовании, обладающей большими значениями параметров упругости, чем лед.

А. Д. Фроловым установлена интересная закономерность изменения параметров упругости мерзлых пород при глубоком их охлаждении (ниже —100 °С). Оказывается, рост модулей упругости и снижение коэффициента Пуассона наблюдаются лишь до определенных значений температур (так, для мерзлого песка максимум Е и G находится в области —50 °С). Дальше происходит снижение Е и G мерзлых пород (рис. 14.10). Это связано с возникающими на границах минеральных зерен и льда термическими напряжениями, которые при температурах ниже —50 °С приводят к трещинообразованию и растрескиванию пород.

Примерное значение параметров упругости мерзлых пород при охлаждении их до —20 °С приведено в табл. 14.2.

Переход в область отрицательных температур меняет также тепловые и электрические свойства рыхлых пород. Это связано, в первую очередь, с физическими свойствами льда, отличающимися от свойств воды.