научная статья по теме ЛИТОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ФОРМ КРИОГЕННОГО ПУЧЕНИЯ Геология

Текст научной статьи на тему «ЛИТОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ФОРМ КРИОГЕННОГО ПУЧЕНИЯ»

ГЕОМОРФОЛОГИЯ

№ 1 январь-март 2015

Дискуссии

УДК 551.435.5

© 2015 г. В.П. МАРАХТАНОВ

ЛИТОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ФОРМ КРИОГЕННОГО ПУЧЕНИЯ

Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва; ecolog_n@mail.ru

Введение

Криогенное пучение грунтов в северных районах Земли - один из ведущих ре-льефообразующих факторов, в результате действия которого иногда возникают бугры впечатляющих размеров [1]. Необходимое условие успешного исследования форм криогенного пучения - знание механизма проявления этого процесса и, в особенности, учет его движущих сил.

Ни один из криогенных процессов не был подвергнут столь всестороннему и тщательному исследованию, как пучение грунтов при их промерзании. Это обусловлено не только физическими особенностями пучения, представляющего собой наиболее типичный мерзлотный процесс, но и практической значимостью изучения данного явления для решения разнообразных задач строительства на мерзлых и промерзающих грунтах. В связи с этим, казалось бы, существующие воззрения на природу сил криогенного пучения незыблемы и не нуждаются в корректировке. Однако дело обстоит не совсем так. При пристальном рассмотрении возникают вопросы в отношении как современной концепции развития пучения, так и некоторых опытных данных, не могущих получить удовлетворительного объяснения в рамках существующих мнений. Об имеющихся здесь пробелах свидетельствуют и сами специалисты в этой области. Так, в [2] говорится о том, что силы выпучивания всего лишь заменяются (выделено автором - В.М.) реакциями связей, которые выступают эквивалентом силы пучения. Б.И. Далматов заявляет: "...не изучены в полной мере причины пучения грунтов, учитывая которые можно было бы составлять прогноз этого явления." [3]. С момента этих публикаций прошло больше сорока лет, а положение дел по существу не изменилось.

1. Некоторые проблемы современной концепции развития пучения

Согласно общепринятым представлениям, пучение грунта происходит вследствие увеличения его объема при промерзании. При этом характерным признаком пучения, определяющим геоморфологический эффект проявления этого процесса, служит подъем поверхности промерзающего грунта [4-7 и др.]. Именно величина подъема

служит мерой интенсивности пучения. Например, через нее рассчитывается модуль пучения mf [7]:

m= 100hfi/d0i, (1)

где h - величина поднятия поверхности, d0j - мощность слоя талого грунта, вызывающего деформацию пучения (поднятие поверхности) величиной hß.

Возникает вопрос: почему наблюдается подъем, если наращивание толщины промерзающего слоя (движение фронта промерзания грунта) происходит в противоположном направлении? Объяснение этому дается в [4]: "В естественных условиях расширение грунта возможно лишь вверх, так как расширению в стороны препятствует, вообще говоря, такое же стремление к расширению боковых участков грунта, а расширению вниз - развивающееся с давлением сопротивление нижележащих слоев, тогда как перемещению вверх мешает лишь вес вышележащих слоев" (с. 132). Таким образом, промерзающий слой как бы "отжимается" от нижележащей опоры, которой в природных условиях служит талый грунт. Подобный взгляд находит отражение в известном условии Маккея [8], согласно которому пучение наблюдается лишь в том случае, если сопротивление талого грунта сжатию Q превосходит сопротивление поднятию мерзлой толщи F:

Q >F. (2)

В этом выражении величина F складывается из давления от веса мерзлой толщи G и силы сопротивления мерзлого грунта изгибу U: F =G+U.

Как следует из условия (2), для того чтобы развивалось пучение, талый слой, подстилающий промерзающий грунт, должен обладать достаточной "жесткостью", превосходящей не только давление от веса мерзлого грунта G, но и его сопротивление деформирующим усилиям U (о влиянии податливости подстилающих талых слоев упоминает, например, Н.А. Цытович [9]). При этом отметим, что в условии Маккея отсутствует величина силы, вызывающей пучения. Природа этой силы, согласно традиционным представлениям [9], связана с давлением растущих ледяных кристаллов, которое можно обозначить как Рльда. Условие (2) учитывает лишь часть величины этого давления, равную Q. Это легко объяснимо, поскольку Рльда направлено сверху вниз, а пучение направлено в противоположную сторону, и сила, с которой оно происходит, в соответствии с третьим законом Ньютона, равна именно силе реакции опоры Q. Другими словами, сколь велико ни было бы давление льда, его силовой эффект не может превзойти силу сопротивления талого грунта сжатию.

Подобный механизм пучения оказывается не универсальным, если рассмотреть его в применении к двум различным типам промерзающих грунтовых систем, распространенным в природе, - замкнутым и открытым. Характерным примером замкнутых систем могут служить инъекционные бугры пучения, а открытых - миграционные бугры пучения. Как известно, первые могут образовываться, например, в процессе промерзания подозерных таликов, вторые - на промерзающих участках болот, сложенных талыми тонкодисперсными грунтами [10].

По характеру изменения соотношения между Q и F в процессе промерзания грунта существует принципиальная разница между этими типами систем. В замкнутых системах некуда отжиматься избытку воды, образующемуся при фазовом переходе "вода-лед", что приводит к возрастанию давления в промерзающем талом грунте (Q), причем развивающихся при этом сил может вполне хватить для деформации пучения (поднятия) мерзлой кровли или даже ее разрыва с излиянием жидкой массы грунта на поверхность.

Сопротивление сжатию при промерзании обеспечивается не только в замкнутых природных системах, но также при исследовании пучения грунта в лабораторных условиях. В лаборатории промерзающий грунт помещается в сосуд с жесткими боковыми стенками и опирается на практически несжимаемый песок, из которого поступает вода к фронту промерзания. Поэтому расширение промерзающего грунта вследствие

и

пуч

Глубина промерзания

Пучение <2

Конец пучения

Р=в

Глубина промерзания

накопления в нем льда может реализоваться только вверх. Следовательно, в лаборатории по существу изучаются замкнутые системы.

Таким образом, в замкнутых системах условие (2) развития пучения выполняется. В открытых системах избыток воды свободно перераспределяется в талом грунте. Поэтому в открытых системах нет физических предпосылок для нарастания давления в талом грунте, подстилающем промерзающий слой. Напротив, по мере увеличения мощности мерзлого слоя, условия развития пучения должны ухудшаться.

Сказанное иллюстрирует рис. 1, отражающий принципиальную динамику величин Q и F в разных системах по мере их промерзания. На рис. 16 кроме Q и F показана динамика разности Q - F для открытой системы.

Величина этой разности характеризует способность промерзающего грунта перемещаться вверх, создавая формы криогенного пучения. Как мы видим, в открытых системах по мере промерзания разность Q - F уменьшается и может наступить момент (начиная с некоторой глубины промерзания грунта), когда пучение должно прекратиться ^ - F = 0).

Отсутствие нарастания давления в талом грунте, промерзающем в условиях открытой системы, подтверждается экспериментальными данными [5]. Измеренное давление в талой зоне не превышало 0.03 МПа, причем на участках, примыкающих к фронту промерзания, оно падало практически до 0. Анализируя полученные данные, В.О. Орлов приходит к выводу, что ".слой талого грунта ниже фронта промерзания нельзя (выделено автором. - В.М.) рассматривать как некоторую зону пластических деформаций, которая находится под равномерно распределенной нагрузкой, являющейся функцией мощности промерзающего слоя" [5, с. 124].

Можно привести значения предельной мощности мерзлого слоя, при превышении которой условие (2) в открытых системах должно перестать выполняться (табл. 1). Как мы видим, эта мощность обратно пропорциональна сжимаемости. В то же время известно, что наиболее способны к пучению тонкодисперсные грунты текучей консистенции, по своим физическим свойствам напоминающие жидкость [11]. Как же тогда, например, на севере Западной Сибири, на болотах, сложенных подобными грунтами, в растущих миграционных буграх пучения (в условиях открытой системы) мощность мерзлого ядра может достигать десятков метров [1]? Таким образом, общетеоретические соображения показывают, что в открытых грунтовых системах условие (2) развития криогенного пучения не "р а б о т а е т".

Рис. 1. Динамика величин Q и F в замкнутых (А) и открытых (Б) системах

Грунт: 1 - талый, 2 - мерзлый

Предельная мощность слоя мерзлого грунта (в метрах), при которой должно прекратиться пучение открытой системы

Сопротивление сжатию талого грунта, МПа Плотность мерзлого грунта, г/см3

1.2 1.4 1.6 1.8

0.2 16.7 14.3 12.5 11.1

0.1 8.3 7.1 6.3 5.6

0.08 6.7 5.7 5.0 4.4

0.06 5.0 4.3 3.8 3.3

0.04 3.3 2.9 2.5 2.2

Анализ этого условия позволяет прояснить некоторые особенности механизма образования криогенных форм, касающиеся возможности деформации изгиба их мерзлой кровли в процессе пучения. В замкнутых системах такие деформации не противоречат физическим условиям развития процесса и приводят к образованию инъекционных бугров пучения [12]. В открытых системах промерзающий слой не может изгибаться, так как сопротивление мерзлого грунта изгибу и значительно больше сопротивления сжатию подстилающего талого грунта Q. Отсутствие деформаций изгиба мерзлого грунта в миграционных буграх пучения (открытых системах) подтверждают и фактические данные. Зарисовки криогенного строения таких бугров в шурфах показывают преимущественно горизонтальное залегание ледяных прослоев [1, 13]. Аналогичная картина в ядрах исландских бугров отмечена Е. Шунке [14]. Многочисленны случаи, когда вершинная часть бугра представляет собой плоскую площадку [1], а отнюдь не свод, как того можно было бы ожидать при деформациях изгиба.

2. Физические предпосылки литостатической концепции пучения

открытых систем

Как же происходит подъем поверхности форм криогенного пучения открытых грунтовых систем? Логично предположить, что промерзающий грунт выпирается из талого грунта вверх

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»