Классификация генетических типов подземных льдов приведена в табл.1.6. Таблица 1.6
Генетические типы подземных льдов.
| типы | подтипы |
| Конституционные льды | |
| Пещерно- жильные льды | Жильные льды |
| Пещерные льды | |
| Погребённые льды | Конжеляционные льды |
| Осадочно-метаморфические |
В зависимости от заполнения пор льдом различают (Шумский,1957) следующие виды льда цемента: контактный, находящийся в местах контакта частиц скелета; плёночный, обволакивающий поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненными; поровый, заполняющий поры целиком; и базальный, образующий основную массу породы и разобщающий частицы минерального скелета.
Вода в жидкой фазе в мёрзлых грунтах, по крайней мере до температуры –70°С содержится в том или ином количестве. Вода бывает в двух состояниях: прочносвязанная поверхностью минеральных частиц, когда в следствие огромных электро- молекулярных сил, вода не в состоянии перейти в гексагональную кристаллическую решётку льда, даже при очень низких температурах..
Рыхлосвязанная вода переменного фазового состава, замерзающая при температурах ниже 0°С. Понижение температуры замерзания воды происходит в следствие того, что между слоем прочносвязанной и более «тёплой воды»существует энергетическая связь, что обусловливает более низкую температуру её кристаллизации.
Газообразные компоненты в мёрзлых грунтах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью, и в водо-насыщенных грунтах могут явиться причиной перераспределения влажности. Кроме того, газообразные компоненты претерпевают значительное сокращение в процессе понижения температуры, образуя вакуум обуславливающий миграцию влаги.
1.3 Характеристики физических свойств
При оценке многолетнемёрзлых пород используются те же характеристики физико-механических свойств, что и для талых пород, а также, необходимы дополнительные характеристики, которые выражают специфику состава мёрзлых пород и особенностей их поведения под нагрузками. Общими характеристиками талых и мёрзлых грунтов являются:
1. Плотность - масса грунта в единице объёма
r= m/V; [г/см3]
m-масса образца ненарушенной структуры;
V-объём грунта;
2.Плотность частиц грунта в единице объёма при плотной упаковке :
rs[г/см3], определяемая с помощью пикнометра.
3.Плотность скелета грунта
rd; [г/см3]
определяемая, как масса частиц грунта в объёме ненарушенной структуры;
4. Пористость грунта ,характеризуемая коэффициентом пористости :
e=( rs -rd )/ rd ;
5.Суммарная относительная влажность:
Отношение массы воды к массе сухого грунта в единице объёма
Wс=mводы /mсух.гр.
6.Влажность на пределе раскатывания и на пределе текучести соответсвенно:
Wрас% , Wтек%
7. Число пластичности :
Jчисло пласт = Wтек% -Wрас%:
8.Степень водонасыщения :
Sr=Wс/Wп
Где Wп - полная влагоёмкость, равная влажности грунта, при полном заполнении пор водой.
К дополнителным характеристикам относятся :
1.Влажность за счёт незамёрзшей водыWн(в долях единицы);
2.Льдистость мёрзлого грунта i , равная отношению массы льда к массе всей воды , содержащийся в мёрзлом грунте:
i = (Wc-Wн)/Wc;
3.Температура начала замерзания грунтовой влаги qbf ;
4.Засолённость грунта (Dsol) ,либо концентрация порового раствораCр :
Dsol=mсоли/mсух.грунта ;
Ср=Dsol%/(Dsol% +Wc%) ;
5. Заторфованность :
характеристика, равна отношению массы органического вещества к массе грунта в сухой навеске.
Im = mторфа/mсух.грунта
6.Относителная влажность Wс в мёрзлых грунтах рассматривается как сумма влажности за счёт включений льда (Wв), влажность минеральных прослоек грунта (Wг) , равная сумме влажности за счёт льда цементирующего минеральные частицы(Wц) и влажности за счёт незамёрзшей воды(Wн).
Wc=Wв+Wг=Wв+(Wц+Wн);
Важными характеристиками мёрзлых грунтов являются текстура и структура. В заваисимости от интенсивности промораживания , наличия подтока воды и задержек в промораживании формируется текстура мёрзлых грунтов. Основными видами стуктуры грунтов являются слитная(массивная),слоистая и ячеистая(сетчатая).Также выделяют другие дополнительные виды структур.
1.4 Теплофизические характеристики.
Теплоперенос в горных породах в общем случае осуществляется тремя механизмами: излучением, конвекцией и кондуктивностью (теплопроводностью).
Теплофизические характеристики оценивают количественную долю тепла:
-коэффициент теплопроводности -l,(Вт/м*К)-выражает количество тепла проходящее в единицу времени через единицу площади и единичную толщину слоя грунта.
-удельная теплоёмкость- С,(Дж /кг*К)- выражает количество тепла ,необходимое для нагревания или охлаждения единицы массы грунта на один градус.
-объёмная теплоёмкость Соб (Дж/м3*К) выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёма грунта на один градус.
-коэффициент температуропроводности а (м2/с)– выражает способность грунта изменят свою температуру ,под воздействием изменившегося градиента температуры.
Между этими характеристиками существует зависимость:
l=Соб *а ;
Доля тепла переносимого в породе излучением , обычно , не превышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносом пренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь при влагопереносе под действием гидростатических сил.
Значения всех теплофизических характеристик зависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так и гранулометрического состава и основных физических свойств: плотности и влажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого .Обычно коэффициент теплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводности грунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, по сравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзании стремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовые переходы влаги.
1.5 Массообменные характеристики.
Перемещение влаги и пара в дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода, вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамических параметров. В случае нарушения равновесных условий в грунтовой системе влага может находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение в виде молярного переноса пара, объёмно протекать по капиллярам, подчиняясь капиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождая комбинированный перенос влаги.
Влагоперенос зависит от гранулометрического состава породы. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, но уменьшается поток её миграции.
Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.
В равновесном состоянии каждому значению отрицательной температуры образца мёрзлой породы соответствует строго определённое содержание незамёрзшей воды, поэтому возникновение и поддержание в мёрзлой породе градиента температуры приводят к возникновению градиента потенциала влаги по жидкой и парообразной фазам.
Характеристикой влагопереноса является коэффициент потенциалопроводности
a¢=l¢/(C¢gск)м2 /ч
l¢-коэффициент влагопроводности кг/м´ч´град;
C¢-удельная влагоёмкость грунта.
Знание коэффициента потенциалпроводности позволяет расчитывать миграцию влаги при промерзании.
1.6Механические характеристики.
Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаются для назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получения зависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками , при изменении температуры, воздействии криогенных процессов и др.
Мёрзлые грунты по агрегатному состоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды и льда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления , развивающиеся на основе теории упругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётся подход к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методов их определения.
К основным характеристикам прочностных свойств мёрзлых грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.
Различают простое и сложное напряжённые состояния в мёрзлом грунте.
Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.
Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:
Одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.