Введение к работе
----Актуальность работы. Интенсивное освоение северных территорий нашей страны, до 50% которой занимают многолетне-мерзлые породы, невозможно без дальнейшего углубленного изучения и решения целого ряда теоретических н экспериментальных проблем общей и инженерной геокриологии. Это требует всестороннего совершенствования, перестройки и формирования новых направлений исследований, обеспечивающих более высокий научный уровень изучения физической сущности и законов развития криогенных процессов и явлений. Одной из актуальных проблем в геокриологии являются исследования деформаций в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах, от изученности которых зависит успешное развитие как теоретических вопросов механики мерзлых пород, так п решение практических инженерно-геокриологических задач по оценке устойчивости сооружений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.
Развитие деформаций в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах вызвано действием на них как внешних механических сил, так и внутренних сил и давлений между компонентами, фазами, отдельными агрегатами и частями грунтовой системы, протеканием физико-химических, тепло- и мас-сообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов. Эти процессы постоянно привлекали к себе внимание многих исследователей и к настоящему времени у нас уже накоплен богатый теоретический и экспериментальный материал. Наиболее крупными исследованиями, позволившими обосновать целый ряд фундаментальных положений и сформулировать различные научные направления в области физико-химип, тепло- и массопереноса, петрографии и механики мерзлых пород, явились работы А. А. Ананяна, А. П. Боженовой,
A. Е. Втюрнной и Б. И. Втюрина, И. Н. Вотякова, С. С. Вяло-
ва, А. М. Глобуса, М. Н. Гольдштейна, С. Е. Гречищева,
Б. В. Дерягина и Н. В. Чураева, Э. Д. Ершова, Т. Н. Жестко-
вой, Е. М. Катасонова, В. Н. Конищева, Я. А. Кроннка,
B. Я. Лапшнна, Р. Г. Максимяк, В. Л. Невечери, 3. А. Нерсе-
совой, В. О. Орлова, Н. А. Перетрухина, А. И. Попова,
Н. А. Пузакова, А. М. Пчелинцева, В. В. Рогова, Б. А. Савель
ева, В. И. Соломатина, И. А. Тютюнова, С. Б. Ухова,
Г. М. Фельдмана и В. Е. Борозинца, Н. А. Цытовича, В. П Че-.
верева, Л. В. Чист от ил ов a', R. Miller, Е. Реппег, R. Hoekstra,
Hallet, Linnel, Koplar, F. Raddv D. Oertle и др.
Длительное время эти направления развивались раздельно и были нацелены на самостоятельные исследования физико-химических, механических, структурообразовательных и мас-сообменных процессов. Вместе с тем становится очевидным, что без совместного изучения и анализа взаимосвязей этих процессов на сегодняшний день невозможно познание фундаментальных основ теории их развития. Поэтому настоящая работа посвящена комплексному исследованию механических, физико-химических, массообменных, структуро- и текстурооб-разовательных процессов в мерзлых, промерзающих и протаивающих дисперсных породах с целью разработки физико-химических основ их криогенного деформирования при миграции ионов, нормальном и обратном осмосе влаги, инъекционном, фильтрационно-компрессионном и напорно-миграционном механизмах массопереноса, криогенном структуро- и текстуро-образовании.
Цель и задачи работы. В соответствии с этим целью работы является разработка на стыке физико-химии, тепло-массопе-реноса и механики грунтов нового научного направления исследований— физико-химических основ криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород с единых позиций развития в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах физико-химических, массообменных, механических, структуро- н текстурообразовательных процессов на базе теоретических обобщений и экспериментальных проработок механизмов, движущих сил, термодинамических условий и закономерностей их развития.
В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:
разработать методику комплексных лабораторных и натурных исследований деформаций и напряжений в мерзлых, промерзающих и протаивающих породах в различных термодинамических условиях; с этой целью создать ряд новых экспериментальных установок по сегрегационному, инъекционному, осмотическому деформированию и пр.;
выявить общие причины и основные термодинамические параметры, определяющие деформации в дисперсных породах на основе обобщения и анализа различных движущих сил и механизмов массопереноса и криогенного деформирования и, в итоге, разработать теоретические основы деформирования мерзлых, промерзающих и протаивающих пород с единых позиций развития в них физико-химических, массообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов;
исследовать кинетику и закономерности криогенного деформирования влагонасыщенных пород в зависимости от их дисперсности, химико-минерального состава и строения, плотности и влажности, структурно-текстурных особенностей, условий промерзания, протаивания, инъекционного льдовыделення и засоления, и объяснить их на основе вскрытых механизмов и природы развития процессов;
провести полевые исследования деформаций и напряжений в сезонноталом слое с целью сравнения полученных закономерностей в лабораторных и полевых условиях и разработать рассчетную схему количественной оценки пучения при промерзании и осадки при оттаивании;
установить взаимосвязь между параметрами, определяющими деформации пород сезонноталого слоя, и геолого-климатическими характеристиками и на основе лабораторных и полевых исследований природы и закономерностей деформирования разработать основные принципы и методику картирования типов пучения пород при промерзании и осадки при оттаивании с целью прогнозной оценки их пучинистости и про-садочности.
Научная новизна работы. Используя разработанную автором комплексную методику лабораторных и полевых исследований физико-химических, массообменных и механических процессов, структуро- и текстурообразования, выполнен большой объем методических, экспериментальных и теоретических проработок, проведены анализ и обобщение имеющихся данных и получены следующие научные результаты, отражающие новизну настоящей работы:
разработаны теоретические основы криогенного деформирования дисперсных влагонасыщенных пород с единых позиций взаимосвязи физико-химических, массообменных, структуро- и текстурообразовательных процессов; сделаны обобщения и экспериментально выявлены механизм, движущие силы и кинетика их развития и на этой основе разработаны единые положения теории криогенного деформирования промерзающих, протаивающих и мерзлых пород;
выполнены теоретические и экспериментальные разработки термодинамических условий криогенного деформирования, в результате которых исследованы взаимосвязи между расклинивающим давлением водных пленок, движущими силами миграции влаги, прочностью структурных связей и внешней компрессионной нагрузкой, позволившие сформулировать необходимое условие криогенного деформирования; изучены взаимосвязи между давлением в водных пленках, длительной
и мгновенной прочностью пород, позволившие сформулировать достаточное условие криогенного пластично-вязкого деформирования и разрушения пород; с этой целью впервые проведен комплекс экспериментальных исследований по инъекции влаги в промерзающие и мерзлые породы, по их осмотическому деформированию и компрессионному уплотнению при засолении и промерзании в различных термодинамических условиях;
установлена связь как физико-химических процессов с деформированием пород, так и обратная взаимосвязь, т. е. выявлена роль механических напряжений в формировании движущих сил миграции влаги и в развитии процессов влаго-переноса; показано, что течение тонких пленок незамерзшей воды под действием механических напряжений приводит к перераспределению льдистостн и преобразованию криогенного макро- и микростроения, изменяющих характер пластично-вязкого деформирования дисперсных мерзлых пород при длительном действии на них внешней нагрузки;
получены новые научные теоретические и экспериментальные разработки физико-химической природы деформирования мерзлых пород при взаимодействии их с водными растворами солей; выявлены конвективный, адсорбционный и диффузионный механизмы миграции ионов, движущие силы нормального и обратного осмоса влаги, проведена количественная оценка их роли в процессах массопереноса, исследована кинетика развития деформаций и осмотических давлений, определены условия развития отрицательных (осадки) и положительных (пучения) деформаций, а также оптимальные термодинамические условия для формирования максимальных осмотических деформаций;
выявлены основные термодинамические параметры криогенного деформирования в зависимости от вклада различных определяющих его механизмов и на основе комплексных лабораторных и полевых исследований разработана рассчетная схема количественной оценки деформаций пучения при промерзании и осадки при оттаивании с учетом сегрегации льда в их мерзлой зоне;
— определены и обобщены количественные закономерности развития общих и частных составляющих положительных и отрицательных деформаций в мерзлых породах, взаимодействующих с водными растворами солей при одновременном действии статической нагрузки и гидродинамического давления, промерзающих в условиях открытой и закрытой систем при свободной и напорной миграции влаги и действии внешней нагрузки, в оттаивающих породах в условиях сегрегации
льда в их мерзлой зоне в лабораторных и полевых условиях в зависимости от дисперсности пород, химико-минерального состава и строения, их плотности и влажности, структурно-текстурных особенностей, режимов промерзання и протаивания, условий засоления и инъекции влаги и пр.;
— установлена взаимосвязь между параметрами, определяющими деформации пород сезонноталого слоя, и геолого-климатическими характеристиками; разработана методика картирования типов пучения промерзающих пород и заложена принципиальная основа методики картирования деформаций осадки сезонноталого слоя с учетом сегрегационного льдовы-деления в подстилающих многолетнемерзлых породах и произведена увязка основных термодинамических параметров, определяющих деформации пород, с литолого-климатическими условиями района.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Комплекс решенных в работе задач, связанных с криогенным деформированием мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород и развитием в них процессов пучения, усадки и осадки, обусловливающих деформации инженерных сооружений, имеет очевидное практическое значение при решении вопросов инженерной геокриологии и механики мерзлых пород.
Разрабатываемое новое научное направление исследований физико-химических основ криогенного деформирования дисперсных пород позволит в дальнейшем оценивать деформации грунтов, вызываемые не только механическим, но и химическим воздействием на них растворов солей, кислот и оснований и других химически активных реагентов. Поэтому особую актуальность в практическом отношении эти вопросы приобретают в связи с проблемой техногенного засоления и загрязнения северных территорий, решением практических вопросов охраны и рационального использования окружающей среды.
Полученные результаты уже нашли применение в практике инженерно-геологических изысканий при оценке развития процессов пучения промерзающих пород. Выполненные автором теоретические и практические разработки реализуются научно-исследовательскими организациями и территориальными трестами объединения «Стройизыскания», а также экспедициями геологического факультета МГУ и др. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в практику инженерно-геологических изысканий составит 133680 рублей. Ряд методических положений н научных выводов работы
уже используются в учебном процессе по курсу «Физика, химия и механика мерзлых пород», «Инженерная геокриология», «Петрография мерзлых пород», «Общая геокриология» и вошли в новые издания учебников по этим курсам.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на секции «Физнко-химия мерзлых пород и льда» расширенного заседания Научного Совета по Криологии Земли АН СССР в 1982, 1984, 1985, 1986, 1987 гг.; на межфакультетском семинаре МГУ по физико-химической механике дисперсных систем (1986 г.), на Ломоносовских чтениях геологического факультета МГУ (1985 г.), на III Международной конференции по мерзлотоведению (Канада, Эдмонтон, 1978 г.), на IV Международной конференции по мерзлотоведению (США, Фербенкс, 1983 г.), в многочисленных докладах и сообщениях на всесоюзных, республиканских, междуведомственных зональных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах по повышению эффективности инженерно-геологических изысканий, рациональному проектированию и строительству, геокриологическому прогнозу и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, из них отдельные разделы в четырех монографиях.
Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ. В основу ее положены многолетние (с 1973 г.) экспериментальные лабораторные и (с 1978 г.) полевые стационарные исследования деформирования пород сезонноталого слоя в районе средней части п-ва Ямал. Являясь ответственным исполнителем ряда госбюджетных тем, выполнявшихся в соответствии с Постановлением ГКНТ Совета Министров СССР, на протяжении длительного времени автор возглавлял группу сотрудников, проводивших работы в этом направлении. В ходе работы он непосредственно занимался вопросами подготовки, планирования и проведения лабораторных и полевых исследований. Все теоретические проработки, осмысление, анализ и обобщение материалов в полном объеме настоящей работы выполнены лично автором.
Структура и объем работы. Работа содержит 300 страниц машинописного текста, 163 иллюстрации, 14 таблиц, состоит из введения, 3 разделов, включающих 8 глав, выводов и списка литературы из 228 наименований. Очевидно, что получение принципиально нового фактического материала и на его основе разработка научного направления исследований невозможно без глубоких методических проработок, конструирования и создания оригинальных экспериментальных установок
