Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Физические и физико-химические процессы в промерзающих, мерзлых и оттаивающих породах






Мерзлые породы – многокомпонентные системы, содержащие кроме минерального скелета и льда еще воду и газы, в том числе пар. Содержание незамерзшей воды в породе при отрицательных температурах зависит не столько от степени ее охлаждения, сколько от величины удельной поверхности частиц, определяющей количество связанной влаги, и концентрации порового раствора. Чем больше воды в породе перейдет в лед, тем прочнее она становится. Тонкодисперсные породы в мерзлом состоянии, содержащие незамерзшую влагу, менее прочные по сравнению с грубозернистыми.

Количество воды, перешедшей в лед в дисперсной породе, определяет величину пучения, поскольку масса воды при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9% или на 2-3% от первоначального объема массива при полной влагоемкости пород. Однако промерзание дисперсных пород сопровождается миграцией влаги к фронту промерзания из талых слоев. Это приводит к тому, что в мерзлой дисперсной породе общее содержание влаги в жидком и твердом виде может значительно превышать ее полную влагоемкость в талом состоянии. Когда промерзание породы происходит без подтока влаги извне, говорят о закрытой системе; если с подтоком влаги – открытой системе. Промерзание дисперсных отложений в открытой системе сопровождается значительным увеличением их льдистости и соответственно большим пучением. Поэтому пучение грунтов сезонномерзлого слоя часто превышает таковое при промерзании сезонноталого слоя.

При оттаивании дисперсныхмерзлыхпород ослабляются и разрушаются цементационные связи. Часть талой воды остается в порах породы в виде капиллярной влаги, а также влаги, идущей на набухание, гидратацию частиц и пр., а остальная масса воды покидает породу, перемещаясь под действием гравитационных сил. За счет отжатия воды происходит уплотнение породы и уменьшается ее макропористость. Уплотнение породы при оттаивании приводит к осадкам и просадкам поверхности.

Миграция воды в жидкой фазе в капиллярно-пористых средах происходит под влиянием градиентов температуры и влажности. Влагоперенос осуществляется в направлении понижения температуры, а также от мест с большей влажностью к участкам с пониженной влажностью. По А.А.Ананяну (Мерзлотоведение, 1981), миграция молекул воды происходит из талой зоны, где пленки воды толще, в мерзлую, где часть воды перешла в лед, и пленки стали тоньше. Существуют и другие теории о причинах миграции воды и последующей ее кристаллизации: разность химических потенциалов взаимодействующих фаз грунтовой системы − Тютюнов И.А.; разность осмотических сил за счет повышения концентрации раствора в пленке незамерзшей воды − гидратационная теория льдовыделения Гольдштейна М.Н.; теория напорной (иньекционной) миграции воды в грунтах − Сумгин М.И. и др.

Все-таки большинство исследователей приходят к выводу, что миграция жидкой влаги происходит под влиянием ряда градиентов и различными механизмами, но основной механизм миграции – пленочно-кристаллизационный, обусловленный наличием водных пленок на поверхности частиц породы и формирующегося в ней льда. Интенсивность миграции воды в промерзающих дисперсных горных породах зависит от следующих факторов (Общее мерзлотоведение, 1974):

1) природы минерального скелета (дисперсности, минералогического и химического составов, обменных катионов);

2) плотности;

3) температурного режима;

4) наличия источника поступления воды (открытость системы).

Одним из основных показателей, определяющим интенсивность миграции влаги (значит и пучения) является дисперсность породы. Наибольшая миграция обнаруживается в пылеватых грунтах, имеющих достаточно высокую удельную поверхность частиц и обладающих хорошими капиллярными свойствами. При увеличении содержания глинистых частиц в породе интенсивность миграции уменьшается за счет снижения фильтрационных свойств.

Опытами обнаружено, что в тонкодисперсных породах одинакового гранулометрического состава, интенсивность процессов миграции влаги зависит минералогического состава глинистой фракции. В глинах, состоящих из минералов группы каолинита, интенсивность миграции выше, чем у монтмориллонитовых глин.

Сложение и плотность породы определяет ее капиллярные свойства. Существуют критические значения плотности, соответствующие максимальной миграции влаги и максимальному льдообразованию.

Температурный режим пород определяет скорость их промерзания. Для тонкодисперсных грунтов существует оптимальная скорость промерзания, определяющая наибольшее льдообразование за счет миграции. При больших градиентах температур и высокой скорости промерзания больших слоев миграционного льда не образуется.

Необходимо иметь в виду: миграция влаги идет не только к фронту промерзания, но и внутри мерзлого массива, где существуют незамерзшие пленки воды. С зимней миграцией влаги в мерзлых грунтах связан процесс накопления солей в приповерхностной части литологического разреза.

Весомый вклад в формировании льдистости (влажности) грунтов вносят процессы испарения, конденсации, сублимации и десублимации, т.е. движение воды в виде пара. Парообразная влага в породе движется от мест с большей упругостью пара к участкам с меньшей его упругостью. В талых породах пар мигрирует в места с более низкой температурой и при соответствующих условиях переходит в жидкую фазу воды (конденсируется). В мерзлых породах пар может переходить как в жидкую, так и непосредственно в твердую фазу – лед (десублимация).

Разность температур в объеме горной породы не является единственной причиной миграции водяных паров. В мерзлых породах пар может мигрировать и при одинаковых температурах, но при наличии в объеме переохлажденной воды и льда, поскольку давление пара надо льдом несколько меньше, чем над поверхностью воды.

Процесс миграции парообразной влаги в течение длительного периода может существенно влиять на льдообразование в дисперсных породах, особенно при промерзании зоны аэрации или промерзании пород в условиях закрытой системы.

Коагуляция и пептизация коллоидных и глинистых частиц вдисперсных мерзлых породах. В дисперсных системах свободная поверхностная энергия частиц представляет собой избыток энергии, сосредоточенный на границе фаз. Дисперсная система без притока энергии извне стремиться уменьшить свою удельную поверхность за счет «слипания» (объединения) мелких частиц в более крупные, т.е. коагулировать.

Пептизация – процесс, обратный коагуляции. Он сопровождается разрывом связей и увеличением свободной поверхности частиц за счет притока внешней энергии. При температурных колебаниях в горной породе процесс коагуляции может сменяться процессом пептизации и наоборот. Однако, известно, что при прочих равных условиях коагуляция обязательно будет происходить при охлаждении, а пептизация – при нагревании системы.

При замерзании дисперсных пород и при последующих колебаниях температуры происходит увеличение концентрации ионов в незамерзшей части воды. Это приводит к тому, что часть скоагулировавших ионов окажется связанной с частицами породы и не вернется в раствор, даже если температура повысится, т.е. достигается некоторый порог коагуляции. В результате этого тонкодисперсная система при многократно повторяющихся процессах замерзания–оттаивания развивается в сторону укрупнения частиц вплоть до некоторого предела. В песчаных и более грубообломочных породах наоборот, процессы замерзания–оттаивания приводят к разрушению первичных минералов и к увеличению дисперсности (диспергирование крупных отдельностей породы). Вследствие процессов коагуляции и диспергирования при многократном промерзании и оттаивании рыхлых отложений преобладающими в разрезе становятся пылеватые фракции.

Окислительно-восстановительные процессы в дисперсных породах. В криолитозоне, верхний слой – слой сезонного оттаивания, чаще всего находится в переувлажненном состоянии, так как подстилается мерзлым водоупором. В период зимнего промерзания в анаэробных условиях (дефицит кислорода) в почвогрунтах преобладают восстановительные реакции, и породы приобретают светлую окраску. В летний период преобладают окислительные реакции, закисные соединения переходят в окисные (более темной окраски).

Резюмируя вышеизложенное, следует: в мерзлых, промерзающих и оттаивающих дисперсных породах наблюдается многообразие физических и физико-химических процессов, которые требуют к себе пристального внимания и детального изучения. Рассматриваемая тема весьма обширна, ей посвящено большое количество научных работ; более детально она рассматривается в классических учебниках по мерзлотоведению (геокриологии).






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.