В промерзающих и протаивающих породах

Физико-химические и механические процессы в промерзающих дисперсных породах. В случае промерзания без миграции влаги замерзающая в порах породы свободная или слабосвязанная вода увеличивает свой объем при переходе в лед почти на 9%. Если степень заполнения пор влагой G=1, замерзающий грунт испытывает объемное расширение и локальное уплотнение агрегатов породы, что вызывается значительным кристаллизационным давлением, развивающимся при переходе воды в лед, (при невозможности объемного расширения замерзающая вода способна развивать давление, равное 2200 МПа).Наибольшему уплотнению (обжатию) подвергаются крупные грунтовые агрегаты, между которыми находятся самые крупные поры, вода в которых замерзает в первую очередь. Жидкая вода в таком случае должна выжиматься из более тонких внутриагрегатных пор в крупные межагрегатные поры и кристаллизоваться на новом месте, приводя к разрушению межагрегатных структурных связей. При дальнейшем понижении отрицательной температуры наряду с обжатием грунтовых микро и мезоагрегатов начинается процесс замерзания связанной воды во внутриагрегатных порах, которая при переходе в лед и невозможности свободного оттока разрывает структурные внутриагрегатные связи и приводит к дроблению (диспергации) минеральных агрегатов грунта. Одновременно с процессом диспергации породы могут развиваться также процессы агрегации и усиления структурных связей, как между грунтовыми элементарными частицами, так и между небольшими по размеру агрегатами. При замерзании влажных дисперсных пород увеличивается концентрация ионов в незамерзшей части воды. В результате этого может быть достигнут порог коагуляции, и произойдет коагуляция (агрегация) грунтовых частиц с уменьшением общей активной поверхности и дисперсности. Значительно более сложными и многообразными оказываются физико-химические процессы, развивающиеся в дисперсных породах, промерзающих с миграцией влаги в талом и мерзлом слоях. Так, располагающийся, ниже фронта промерзания талый слой породы интенсивно обезвоживается, в результате чего утоньшаются пленки связанной воды и сближаются грунтовые частицы и агрегаты. Итогом обезвоживания являются, существенная усадка талой части породы, уменьшение ее пористости, образование более крупных агрегатов и блоков грунта за счет коагуляции и агрегации. Грунтовые частицы, агрегаты и блоки приобретают более плотную и компактную упаковку и ориентируются вдоль направления миграционного потока влаги с тем, чтобы иметь минимальное гидродинамическое сопротивление. Внутриагрегатные поры уменьшаются в размерах, возрастают объем и число межагрегатных пор, которые приобретают вытянутую форму.

Неодинаковая (как по вертикали и горизонтали, так и в пределах отдельных агрегатов и блоков грунта) деформация усадки в талой части промерзающей породы обусловливает развитие разнообразных «дефектных» в прочностном отношении зон, которые становятся концентраторами усадочных напряжений. Под действием возникающих градиентов локальных напряжений в эти зоны будет мигрировать влага. В мерзлой части породы, как и в случае промерзания без влагопереноса, происходят интенсивные фазовые переходы воды в лед и раздвижением (дезинтеграцией) крупных агрегатов и блоков. Размер скелетных межагрегатных пор увеличивается в несколько раз по сравнению с порами в талой обезвоживающейся части.

Дополнительное поступление (за счет миграции) влаги из талой части в промерзающую часть породы обеспечивает, с одной стороны, развитие расклинивающего давления в пленках незамерзшей воды, т.е. набухание целиком влаго- и льдонасыщенной породы, а с другой — дальнейшее раздвижение (дезинтеграцию) макро- и мезоагрегатов за счет увеличения объема мигрировавшей влаги при ее переходе в лед. Следовательно, в мерзлой' части промерзающей породы в результате миграции влаги резко интенсифицируется набухание — распучивание, наблюдаются дробление и переориентировка макро - и мезоагрегатов. Не менее существенным и новым физико-химическим и механическим процессом при промерзании дисперсных пород с миграцией влаги (по сравнению с промерзанием без миграции влаги) является дифференциация породы на массивно-мерзлую (скелетно-минеральную) часть и визуально фиксируемые прослои миграционно-сегрегационного льда. Образование этих прослоев льда происходит по зонам концентрации напряжений, конфигурация которых в основном соответствует будущему типу криогенной текстуры. Поступающая в эти зоны из-за действия grad t и grad P связанная вода вначале производит расклинивающее действие, преодолевающее локальную прочность породы на разрыв, а затем замерзает, увеличиваясь в объеме.

Если ледяные прослои содержат грунтовые включения, то при наличии grad t происходит их перемещение, к участкам с более высокой отрицательной температурой, связано это с неравномерностью толщины пленок незамерзшей воды (при наличии grad t) на противоположных гранях грунтовых включений. Промерзание пород с подтоком влаги в мерзлую зону обычно сопровождается расширением этой зоны, проявляющимся в пучении поверхности грунта. Талая часть породы при этом подвергается уплотнению в результате усадки обезвоживающегося грунта, а иногда и за счет его компрессии под действием вышележащей мерзлой части породы.

Физико-химические и механические процессы в протаивающих породах. Протаивание крупнообломочных и песчаных пород, как слабольдистых, так и льдонасыщенных, сопровождается обычно развитием сравнительно простых физико-химических процессов, таких, как уплотнение, обезвоживание, осадка и других, связанных с некоторым сближением и переориентировкой обломков и песчаных частиц, а также стоком по на-клонному водоупору или инфильтрацией гравитационной влаги в нижележащие горизонты. Иначе и сложнее протекает оттаивание тонкодисперсных (супесчаных, суглинистых и глинистых) мерзлых пород. При этом следует выделять (как и в случае промерзания) два типа протаивания: без миграции и с миграцией влаги из оттаивающей зоны в мерзлую часть породы.