Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Изученность предмета и объекта исследований . 11
1.1. Морозное пучение в комплексе криогенных процессов Забайкалья... 11
1.2. Изученность пучения грунтов Читино-Ингодинской впадины 16
1.3. Цель и основные задачи исследований 27
ГЛАВА 2. Методика исследований 30
2.1. Методика получения информации для оценки изменения типов сезонного оттаивания и промерзания пород в ходе изменения климата 30
2.2. Методика определения классификационных параметров типов сезонного оттаивания и промерзания пород (по Ц и Апп) 34
2.3. Методика экспериментальных исследований пучения пород 41
2.4. Методика прогнозной оценки и прогноза пучиноопасности территории исследований в условиях изменения климата 52
ГЛАВА 3. Природные условия территории исследований 57
3.1. Географическое положение и рельеф 57
3.2. Климат, растительность и почвы 61
3.3. Геолого-геоморфологические условия 77
3.4. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия 87
3.5. Микрорайонирование территории исследований 95
3.5.1. Характеристика микрорайонов (МКР) озерно-аллювиальной котловины 97
3.5.2. Характеристика микрорайонов (МКР) склонов северо-западной экспозиции хребта Черского 103
3.5.3. Характеристика микрорайонов (МКР) склонов юго-восточной экспозиции хребта Яблоневого 106
ГЛАВА 4. Оценка изменения типов сезонного оттаивания и промерзания пород и характеристика деградации многолетнемерзлых пород в условиях изменения климата 110
4.1. Количественная характеристика изменения классификационных параметров сезонного промерзания и оттаивания пород 110
4.2. Влияние потепления климата на изменение типов сезонного оттаивания и промерзания пород и деградацию многолетнемерзлых пород. Карты типов СТС и CMC на 1960 и 2002 гг 115
ГЛАВА 5. Закономерности пучения грунтов различного дисперсного состава и оценка их пучиноопасности 123
5.1. Динамика криогенного пучения промерзающих грунтов по данным натурных наблюдений и лабораторных исследований 123
5.2. Обоснование выбора математической модели для оценки пучения и пучиноопасности грунтов территории исследований 139
5.3. Прогнозная оценка и схематические карты пучиноопасности грунтов Читино-Ингодинской впадины в условиях деградации многолетнемерзлых пород 154
Заключение 165
Список использованной литературы
- Изученность пучения грунтов Читино-Ингодинской впадины
- Методика определения классификационных параметров типов сезонного оттаивания и промерзания пород (по Ц и Апп)
- Характеристика микрорайонов (МКР) озерно-аллювиальной котловины
- Влияние потепления климата на изменение типов сезонного оттаивания и промерзания пород и деградацию многолетнемерзлых пород. Карты типов СТС и CMC на 1960 и 2002 гг
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия для ученых всего мира актуальными являются вопросы, связанные с оценкой развития криогенных процессов при деградации многолетнемерзлых пород, вызванной потеплением климата Особенно активно она протекает в пределах южной периферии их распространения многолетнемерзлых пород, к которой относится территория исследований - Читино-Ингодинская впадина Анализ опыта строительства и эксплуатации инженерных сооружений в ее пределах показал, что, начиная с середины XX века количество зданий построенных на вечной мерзлоте, в результате воздействия криогенного пучения нуждающихся в косметическом и капитальном ремонте постоянно увеличивается, а многие из них уже находятся в аварийном состоянии (Демидюк, 1964, Демидюк, Шестернев, 1989, Сальников, 1996 и др) Это свидетельствует об актуальности, научном и прикладном значении темы диссертационной работы, открывающей возможность производить оценку пучиноопасности грунтов на основе анализа динамики и закономерностей деградации криолитозоны в условиях потепления климата
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является оценка изменений пучиноопасности грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород в процессе потепления климата в XX веке на примере одного из районов южной периферии криолитозоны в Центральном Забайкалье - Читино-Ингодинской впадины
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи
1 Выполнить критический анализ результатов, теоретических и экспериментальных (полевых и лабораторных) исследований криогенного пучения грунтов и на его основе разработать комплексную методику оценки пучения в районе работ
2. На основе полевых инженерно-геологических и инженерно-геокриологических исследований развития многолетнемерзых пород в условиях потепления климата, выявить основные тенденции в изменении распространения и глубин залегания кровли многолетнемерзлых пород
3 Оценить изменения основных классификационных признаков типов
сезонного промерзания и сезонного оттаивания грунтов вследствие
деградации многолетнемерзлых толщ, составить карты типов
сезонномерзлого и сезонноталого слоя пород и на их основе произвести
сопоставление геокриологических условий современных и наблюдавшихся,
до начала интенсивного потепления климата в районе работ в 1960 г
4 Произвести лабораторные исследования криогенного пучения
грунтов рассматриваемой территории и разработать методики определения
свойств кругшообломочных грунтов для математического моделирования
процесса
5 Определить основные закономерности криогенного пучения грунтов
в современных условиях для обеспечения эффективной эксплуатации зданий
и инженерных сооружений
Научная новизна работы заключается в следующем
Разработана методика оценки пучиноопасности сезонно промерзающих
и оттаивающих грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород
при потеплении климата В результате чего
-
Составлены схематические карты типов сезонного оттаивания и промерзания пород для первой половины XX века, характеризующейся практически постоянным значением среднегодовой температуры воздуха (1890 - 1960 гг), и на период относительно интенсивного ее повышения (1960 - 2002 гг), которые позволили оценить степень деградации многолетнемерзлых пород в конкретных условиях Читино-Ингодинской впадины
-
Установлено, что деградация многолетнемерзлых пород привела к сокращению площади их распространения, заглублению кровли многолетнемерзлых толщ и формированию многолетнемерзлых пород несливающегося типа, увеличению глубины сезонного промерзания грунтов, повышению уровня грунтовых вод, что способствует более интенсивному развитию криогенного пучения грунтов.
-
Экспериментально установлена зависимость криогенного пучения крупнообломочных грунтов от мелкодисперсного заполнителя Полученные данные позволили обоснованно выбрать математическую модель для расчета величины криогенного пучения
-
Для всех выделенных типов сезонноталых и сезонномерзлых пород выполнена оценка величины пучения грунтов и впервые для исследованной территории составлены соответствующие схематические карты, характеризующие изменение пучиноопасности территории Читино-Ингодинской впадины при деградации многолетнемерзлых пород
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в рамках программы РАН «Природные процессы в криосфере, гидросфере, атмосфере и ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия» и проекта СО РАН «Исследование кинетики и механики криогенных процессов в горно-складчатых областях юга криолитозоны России в условиях глобального изменения климата» Госуд per № 01200 4086356 программа «Изменение окружающей среды и климата, природные катастрофы» п 4 «Природные и антропогенные факторы динамики криогенных геосистем»
Лично автором были проведены сбор и обработка фондового материала, составлены электронные схематические карты (масштаб 1 50 000) четвертичных отложений, схематические карты типов сезонного оттаивания и сезонного промерзания пород, схематические карты пучиноопасности грунтов территории исследования на различные периоды деградации многолетнемерзлых пород в XX веке Кроме того, автор в составе лаборатории общей криологии Института природных ресурсов, экологии и
криологии СО РАН участвовал в проведении экспериментальных исследований пучения грунтов района работ, в полевых и лабораторных условиях
Практическое значение работы. Результаты исследований использованы при составлении «Основания и фундаменты на мерзлых грунтах ТСН 50-305-2004 Читинской области - Якутск Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2005 - 28 с» (Приняты и введены в действие с 21 09 2004 г Постановлением Администрации Читинской области от 21 09 2004 г № 172 -А/п, зарегистрированы Департаментом строительства и ЖКХ Министерства промышленности и энергетики Российской федерации от 28 декабря 2004 г № 10-1300/5)
Схематические карты (масштаб 1.50 000) четвертичных отложений, карты типов сезонного оттаивания и промерзания пород, пучиноопасности грунтов территории исследований переданы в ОАО «ЗабайкалТИСИЗ» и ОАО «Читагражданпроект» Кроме того, они включены в программу курса лекций по дисциплине «Инженерное мерзлотоведение» кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, Читинского государственного университета
Апробация результатов исследования Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Инженерное мерзлотоведения» (Якутск, 2002), III конференции геокриологов России (Москва, 2005), VII Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2006), Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура п объем диссертационной работы Диссертационная работа содержит 145 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 23 таблицы, 16 текстовых приложений, в которых приведены математические модели, используемые для решения отдельных вопросов и результаты расчетов, 5 графических приложений Она состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 167 наименований
Автор благодарит ген директора "ЗабайкалТИСИЗа" Калашникова А Н и его заместителя Ларина А В за предоставленную возможность работы с фондовыми материалами, директора Забайкальского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, к г н Обязова В А - за помощь в сборе и обработке метеоданных, ведущего специалиста ПГО "ЧитаГеология", кг-мн Еникеева Ф И - за консультации при составлении схематической карты четвертичных отложений территории исследования, ведущего научного сотрудника кафедры геокриологии, геологического факультета МГУ, кг-мн Булдовича С Н - за оказанную помощь по математическому моделированию
Автор искренне признателен сотрудникам кафедры геокриологии
геологического факультета МГУ им MB Ломоносова за помощь при решении проблем связанных с проведением экспериментальных исследований по теме диссертации
Особую благодарность автор высказывает заведующему кафедрой геокиологии МГУ профессору Э Д Ершову и его заместителю к г -м н Зайцеву В Н за постоянную поддержку при проведении исследований и написании диссертационной работы
Свою глубокую признательность автор выражает д г -м н , профессору Гарагуле Людмиле Семеновне, под руководством которой написана диссертационная работа
Изученность пучения грунтов Читино-Ингодинской впадины
Таким образом, в Забайкалье существуют условия для формирования пучения промерзающих пород, которые необходимо отнести к пятой категории пучинистости. В этой связи следует отметить, что 3% территории Забайкалья с развитием криогенных процессов 5-ой категории потенциальной опасности представляют собой 20-25% территории, наиболее пригодной к инженерному освоению, из которой 10-12% уже освоено в настоящее время. Например, площадь Читинской области составляет 431,5 тыс. км , из которой 13-14 тыс. км2 составляют территории с потенциальной пучиноопасностью 5-ой категории. На половине из этих территорий построены и эксплуатируются промышленные и гражданские сооружения различных типов.
Обследование состояния инженерных сооружений в Центральном и Южном Забайкалье, выполненное сотрудниками Читинского отдела Института мерзлотоведения СО РАН показали, что ежегодно значительное количество малоэтажных зданий и различного типа линейных сооружений, построенных на сезонно и многолетнемерзлых породах, находятся постоянно в косметическом или капитальном ремонте, вследствие отрицательного воздействия комплекса криогенных процессов и в первую очередь пучения (Демидюк, 1964; Шестернев, 1985; Сальников, 1996 и др.).
В настоящее время, в связи с изменением климата и возросшей техногенной нагрузкой в центральной части Читино-Ингодинской впадины наблюдается повсеместное преобразование морфометрических параметров криолитозоны в естественных условиях и на освоенных территориях, изменились и свойства пород слагающих слой сезонного промерзания и оттаивания, повысился уровень надмерзлотных вод.
В процессе инженерных изысканий ОАО "ЗабайкалТИСИЗа", гидрогеологических съемок ПГО "Читагеология" (масштаб 1:200 000 и 1:50 000), исследований кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Читинского государственного университета, а также Лаборатории общей
криологии Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН установлено, что в настоящее время (в сравнении с 60-ми годами прошлого столетия) площадь криолитозоны в Центральном Забайкалье сократилась. В неосвоенных районах сокращение достигло 15-20%, в пределах освоенных районов (преимущественно в пределах городских территорий) - до 30%. Одновременно с этим до 30-40% увеличилась площадь развития криолитозоны несливающегося типа. Данные Забайкальского УГМОС свидетельствуют также, что в последние десятилетия XX века (за исключением отдельных кратковременных периодов) количество осадков в среднем за год увеличились на 20-30%. Это существенно сказалось на изменении уровня подземных вод, особенно первого от поверхности горизонта.
Эти и другие факторы, несомненно, оказывают влияние на динамику и закономерности изменения криогенного пучения грунтов. Однако эти данные проектные и строительные организации не могли использовать в своей работе, поскольку в нормативных документах, разработанных в то время, они не были учтены. В результате развития не прогнозируемых деформаций криогенного пучения грунтов в Забайкалье (особенно в центральных и южных его областях) многие сооружения находятся в предаварийном и аварийном состоянии. Чтобы предупредить аналогичную ситуацию в дальнейшем нормативные документы для строительства на многолетнемерзлых грунтах должны учитывать региональные особенности изменения природных условий в пространстве и во времени, включая требования к исследованию и прогнозу наиболее опасных в инженерно-геокриологическом смысле криогенных процессов и явлений - для Центрального и Южного Забайкалья в первую очередь криогенного пучения грунтов.
Проблема исследований криогенного пучения грунтов привлекает внимание исследователей уже более века, с тех пор как началось инженерное освоение криолитозоны. Первыми наиболее значимыми работами, в которых с общетеоретических и практических позиций рассматривалась данная проблема, были работы И.А. Лопатина, В.И. Штукенберга, С.Г. Воислава, М.И. Сумгина и др.
Интерес к вопросу изучения деформаций грунтов при криогенном пучении значительно возрос в связи со строительством и эксплуатацией железных дорог, промышленных и гражданских сооружений на Востоке нашей страны. Начавшееся в 1895 году строительство Забайкальской, а позднее Амурской железных дорог показало всю важность решения, проблемы предотвращения пучения грунтов или максимального снижения его воздействия на инженерные сооружения. Эти и другие исследования позволили подразделить криогенное пучение грунтов по особенностям развития на сезонное, связанное с промерзанием-оттаиванием, и многолетнее, вызванное многолетним промерзанием горных пород -сквозных и несквозных таликов, термокарстовых образований, заболоченных пониженных элементов рельефа и т.п. (Орлов, 1962; Общее мерзлотоведение, 1974, 1978; Гречищев и др., 1980 и др.).
Настоящая работа посвящена изучению сезонного криогенного пучения грунтов, циклически изменяющегося в течение короткопериодных изменений основных метеорологических параметров климата.
Основы изучения физической сущности процессов пучения и миграции влаги в промерзающих грунтах были заложены И.А. Лопатиным и другими русскими исследователями в 1870-1880 годах. Изучению движения влаги в почвах и грунтах большое внимание уделяли русские почвоведы и агрофизики - В.В. Докучаев, А.В. Лебедев, Г.Я. Близнин и др.
Методика определения классификационных параметров типов сезонного оттаивания и промерзания пород (по Ц и Апп)
Территория исследований включает г. Читу и близлежащие районы, намеченные для застройки в ближайшие 5-Ю лет, расположенные в пределах Читино-Ингодинской впадины, ограниченной с северо-запада отрогами хребта Яблоневый, с юго-востока и востока - отрогами хребта Черского. Максимальная отметка абсолютной высоты (АВ) на исследуемой территории равна 1078 м (хребет Черского, южнее Титовской сопки); минимальная АВ находится в пределах устья р. Читинки и составляет 638 м (Рис. 3.1).
Морфологический облик впадины обусловлен эрозионно-аккумулятивной работой рек Ингоды и Читинки и их притоков. С Яблоневого хребта стекают ручьи Лапочникова и Шильникова, Ивановский и Застепинсий, впадающие в бессточные озера, ручьи Кадалинка, Жирейка Антипиха, Песчанка, Молоковка, Ернишный, Малая, Средняя и большая Нарымка и другие впадают в р. Ингоду. В пределах хребта Черского формируются ручьи Смоленский и Кайдаловка, впадающие в р. Читинку.
При выпадении ливневых дождей ручьи, превращаясь в бурные потоки, переносят большое количество тонко и грубодисперсного материала. Его аккумуляция и последующая переработка криогенными процессами привели к формированию весьма сложных в литологическом отношении разрезов аллювиально-делювиального комплекса пород Читино-Ингодинской впадины.
Профиль Читино-Ингодинской впадины ассиметричный. Северозападный борт имеет полого-наклонную к реке холмисто-увалистую поверхность. Относительная высота увалов 5 - 15 м, крутизна склонов 2 - 6. Увалы вытянуты в юго-восточном направлении и разделены долинами мелких притоков (падями). Днища падей плоские. Ширина их изменяется от нескольких сот метров до 1 - 2 км (падь Кадалинка). Крутизна склонов падей меняется от 4 - 5 до 12 - 15, глубина вреза не превышает 10 - 30 м.
Юго-восточный борт впадины характеризуется развитием комплекса низких и высоких (от 2-й и выше) террас. Высота террас над уровнем рек Читинка и Ингода колеблется от 5 до ПО м. Террасы расчленены падями, врезанными на глубину 10 - 30 м. Ширина днищ падей меняется от 40 до 400 м, и лишь падь Нарымка имеет ширину 1,0 - 1,5 км. Поверхности уступов и склонов падей и террас нередко осложнены растущими оврагами.
Хребты Яблоневый и Черского сильно расчленены, имеют крутизну склонов 10 - 25 и более. Склоны этих хребтов обрамляющих впадину имеют различные экспозиции, у Яблоневого хребта они экспонированы преимущественно на юго-восток, у Черского хребта - на северо-запад (Демидюк, 1964). Ширина днищ падей в нижних частях хребтов (широких долин притоков рек Читинки и Ингоды) не превышает 200 м.
На отдельных участках территории исследований естественный рельеф местности при строительстве различного типа инженерных сооружений (линейных, промышленных, гражданских, гидротехнических и т.п.) существенно изменен. В результате изменения микрорельефа локально нарушен сток поверхностных вод. Увеличилось количество временно-действующих концентрированных водотоков в районе линейных сооружений, после завершения работ шахты Восточной, практически вся территории в пределах поселка «Восточный» подверглась заболачивании. В результате на этих территориях активизировались процессы наледеобразования и сезонного пучения пород, существенно осложняющие эксплуатацию инженерных сооружений.
Характерным для годового хода уровней рек является чередование резких подъемов и спадов уровней воды в теплую часть года и сравнительно низкое и устойчивое их положение зимой. Резкий спад водности рек в меженные периоды обуславливается наличием многолетней мерзлоты, которая препятствует накоплению подземных вод, уменьшая подземное питание рек. В период зимней межени р. Читинка почти повсеместно промерзает до дна, а р. Ингода—на перекатах. Ледостав на реках наступает, как правило, в конце октября. Продолжительность периода с ледовыми явлениями (от появления ледовых образований до очищения реки ото льда) составляет 170—220 дней, средняя продолжительность ледостава колеблется от 150 до 200 дней. Средняя продолжительность ледохода на р. Ингоде 3—5 дней, на р. Чите ледохода не бывает, лед тает на месте. На р. Читинке повсеместно в пределах города и его окрестностей наблюдаются сезонные наледи и бугры пучения.
Наиболее высокий дождевой паводок на р. Ингоде начиная с 1934 и по настоящее время зафиксирован в 1999 г. Подъем уровня воды в р. Ингоде достиг 8,5 м. Максимальные уровни характерны в основном для паводкового периода (июль—сентябрь), когда наблюдаются затопление поймы и сельскохозяйственных угодий.
Продолжительность летних паводков на реках колеблется от 6 до 46 дней. Наименьший летний расход воды в реках Ингоде и Чите может наблюдаться в любой месяц, но чаще всего в июне или июле. Продолжительность периода с малым расходом воды весьма невелика. В последующий год, вслед за высокими дождевыми паводками, периодичность которых соответствует 5-6 и 10-11 летним короткопериодным колебаниям климата, количество сезонных бугров пучения и их размеры существенно увеличиваются (Климат Читы, 1982).
Характеристика микрорайонов (МКР) озерно-аллювиальной котловины
В нашем случае, максимальное пучение крупнообломочных грунтов наблюдалось при градиентах температур, изменяющихся от 3,3 до 10С/м и при более низких значениях Vnp, чем указано выше. По всей видимости, ответ здесь следует искать и в особенностях влияния крупнообломочных фракций на распределение миграционного потока влаги и льдовыделения, а также комплексном развитии их механизмов. Изучая криогенное строение образцов крупнообломочных грунтов, содержащих КОФ более 50%, формирующееся при grad$t 10C/M, было отмечено, что в мелкоземе преобладало цементное и инъекционное, при содержании крупнообломочных фракций менее 50% - сегрегационное льдовыделение. При grad t 10C/M цементное льдовыделение носило явно подчиненный характер при возросшей роли сегрегационного и инъекционного. По всей видимости, это отразилось и на формировании величин ер. В супесчаных крупнообломочных грунтах при изменении содержания крупнообломочных фракций от 12 до 74% и gradt=3,3C/M, значение относительного пучения уменьшилось на 280%, в суглинистых - на 200%. Эта же закономерность прослеживается и при других градиентах температур промерзания грунтов. В связи с этим, вероятно, можно заключить, что изменение содержания крупнообломочных фракций в супесчаных крупнообломочных грунтах на пучиноопасность оказывает большее влияние в сравнении с глинистыми. Однако увеличение содержания крупнообломочных фракций в грунтах не всегда способствует уменьшению их пучиноопасности. Г.М.Фельдманом (1988) в результате лабораторных исследований установлено, что при развитии вакуумно-миграционного механизма влагопереноса и льдовыделения в галечниках могут образовываться прослои льда мощностью до 2,0 см и более. Прослои льда еще большей мощности (до 5 см), генетическая принадлежность которых может быть объяснена возможностью развития указанного выше механизма льдовыделения, наблюдались нами при проходке шурфов в сезонномерзлых грунтах в пределах горного обрамлении Чарской впадины в Северном Забайкалье. Состав грунтов был представлен глыбово-щебенистыми грунтами. Следовательно, крупнообломочные грунты, не содержащие мелкозем, не только в результате инъекционного льдовыделения, могут характеризоваться высокими значениями пучиноопасности.
Таким образом, пучиноопасность крупнообломочных грунтов может быть весьма значительной, а диапазон ее изменений достаточно широким, что связано не только с дисперсностью, но и с условиями льдовыделения в них. В равной степени это относится и к неравномерности пучения на исследуемых территориях, характеризуемой коэффициентом неравномерности Kf (Орлов и др., 1977). Наиболее высокой она была на площадках сложенных суглинистыми крупнообломочными грунтами. Причем, значения коэффициента неравномерности пучения Kf при изменении крупнообломочных фракций от 10 до 72% увеличивались от 3,8 до 7,9. Аналогичный характер изменений наблюдался и на площадках, сложенных супесчаными крупнообломочными грунтами. Здесь значения Kf колебались в основном от 1,5 до 4,1. Наименьшие величины Kf были характерны для площадок сложенных песчаными крупнообломочными грунтами.
Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в последние десятилетия, позволили установить наличие неразрывности процессов миграции влаги в зоне промерзающих и в ниже залегающих талых грунтах. При этом образование шлиров льда наблюдается в зоне с отрицательными температурами, а ниже ее формируется обезвоженный слой грунта. Несомненно, также и то, что на пучение и другие процессы в грунтах, оказывает большое влияние градиенты температур (grad t), предопределяющие скорость промерзания и плотность миграционных потоков.
Анализируя результаты полевых исследований, существует мнение, что массивные криогенные текстуры образуются при (0,2 - 0,5) grad t (8 -10) С/м, а крупнослоистые - при 1 (0,2 - 0,3) С/м (Попов и др., 1985). В свою очередь Г.М. Фельдман (1988) утверждал, массивные типы текстур формируются при скоростях промерзания грунтов 0,028 Vnp l,32, крупнослоистые - 0,144 Vnp 0,028, см/сут. Однако существует точка зрения, согласно которой оптимальные условия миграционно-сегрегационного льдовыделения формируются при grad t-(10 - 30), С/м (Орлов, 1962). Известно также, что при развитии кристаллизационно-пленочного механизма и достаточно медленном движении границы промерзания грунтов или квазистационарном ее положении в открытых грунтовых системах создаются условия для формирования шлиров и прослоев льда большой мощности (Боженова, Бакулин, 1957; Ершов, 1979; Жесткова, 1982 и др.) В то же время имеются работы, в которых показано, что для каждого типа грунта существует своя оптимальная скорость промерзания, при которой величина миграционного потока влаги достигает максимальных значений (Чистотинов, 1973; Фельдман, 1977; Борозинец, 1983). Кроме этого, В.Е.Борозинец в результате серии опытов по промерзанию суглинка определил, что при скорости промерзания менее 0, 173 см/сут миграция влаги к фронту промерзания не происходит. По данным Г.М.Фельдмана (1988) минимальная величина миграционного потока влаги отмечается в диапазоне скоростей промерзания менее 0,096 и более 19,2 см/сут. Максимальных величин миграции влаги и льдонакопление достигает при скорости промерзания 1,7 -2,4 см/сут. Из других источников известно, что это происходит при скорости промерзания 2,4 - 3,12 см/сут. (Деформации..., 1985). Таким образом, в настоящее время нет единой точки зрения на формирование влагопереноса и величин пучения при различных скоростях промерзания глинистых грунтов.
Как показали результаты экспериментальных исследований, для крупнообломочных грунтов влияние скорости промерзания на пучение носит индивидуальный характер, зависящий от многих условий, включая и соотношение крупнодисперсной и мелкодисперсной составляющих (табл. 5.1). При увеличении содержания крупнодисперсной составляющей скорость промерзания крупнодисперсных грунтовых систем существенно увеличивается. По-видимому, это вызвано, увеличением в крупнодисперсных грунтовых системах содержания компоненты с более высокими теплопроводными свойствами и уменьшением влажности грунтов, что сокращало расходы тепла на фазовые переходы.
На скорость промерзания крупнодисперсных грунтовых систем оказывает влияние и тип мелкодисперсной составляющей. В крупнообломочных грунтах с супесчаным заполнителем она была выше в сравнении с суглинистым заполнителем. При увеличении в крупнообломочных грунтах с супесчаным заполнителем содержания дресвы от 0,5 до 0,7, скорость их промерзания увеличилась на 27 - 30%, с суглинистым заполнителем - на 25-29%. В то же время, при увеличении содержания дресвы в пределах от 0,1 до 0,3 и от 0,3 до 0,5, увеличение скорости промерзания находилось в пределах от 10 до 17%. Таким образом, при увеличении содержания крупнообломочной составляющей различие в скоростях промерзания супесчаных и суглинистых крупнообломочных грунтов существенно сокращалось и при содержании КОФ равном 0,7 д.ед. было минимальным. Обращает на себя внимание и то, что при повышении градиентов температур в 10 раз, скорость промерзания увеличивалась практически для всех типов исследуемых грунтов чуть более чем в 2 раза.
Согласно разработанной методике исследований, мощность зон промерзания, при различных градиентах температур, для каждого из типов крупнодисперсных грунтовых систем, должна была отличаться на небольшую величину. Реально была получена следующая картина.
Влияние потепления климата на изменение типов сезонного оттаивания и промерзания пород и деградацию многолетнемерзлых пород. Карты типов СТС и CMC на 1960 и 2002 гг
Ранее выполненная B.C. Петровым проверка точности математических моделей, указанных авторов в таблице 5.3 (за исключением модели Д.М. Шестернева) включающих различное количество характеристик, показала, что результаты могут отличаться от 13 до 413% относительно экспериментально установленной величины пучения. Так, относительные ошибки величины пучения, вычисленные по математическим моделям Н.А. Пузакова (1960), И.А. Золотаря (1965), В.О. Орлова (1985), Э.Д. Ершова и др.(1985) для суглинков с влажностью Wnp=0,27 (при прочих равных условиях, кроме мощности ) соответственно равны - 105, 352, 97, 26, а для суглинков с влажностью Wnp = 0,43 соответственно - 327,413, 91,13%.
Таким образом, результаты проверки эмпирических моделей на сходимость с экспериментально установленным значением величины пучения у нас и у Петрова B.C. совпадают, что позволяет их рекомендовать для предварительной оценки величины пучения пород при инженерном освоении территории Забайкалья.
Полученные автором данной работы результаты и выводы не следует считать окончательными. Продолжение исследований для удовлетворительного решения проблемы нам видится, в следующем: 1) в выборе такой модели, в которой было бы оптимальным сочетание количества экспериментально определяемых и получаемых из дополнительных источников характеристик, дающих возможность производить оценку с заранее заданной точностью; 2) в использовании эталонных значений величины пучения, полученных для дисперсных пород различного генезиса с более широким спектром характеристик физико-механических свойств и термодинамических условий их существования; 3) в создании или модификации существующей модели для оценки . величины пучения промерзающих пород для Забайкалья.
Криогенное пучение грунтов - многофакторный и высокодинамичный процесс. Его величина (hp) является интегральной; значение ее определяется пучением грунтов при миграционно-сегрегационном (hj) и цементном (hc) льдовыделении за вычетом усадки (hu) при обезвоживании промерзающего грунта. Однако по результатам более чем 10-летних полевых стационарных исследований в Забайкалье установлено, что усадка в промерзающих крупнообломочных грунтах столь незначительна, что ею в расчетной схеме можно пренебречь: hp=hi+hc (5.2)
Пучение грунтов при цементном льдовыделении рассматривается Э.Д.Ершовым и Ю.П.Лебеденко (1985) как пучение вследствие объемного распучивания грунтов при промерзании (hpacn). Предложенная ими аналитическая зависимость для оценки hpacn в настоящее время известна в следующем виде: hPacn=(0,09-(WrWn) (5.3) где W - влажность на границе раздела фаз со стороны талой зоны, д.ед.; Wn - количество незамерзшей воды, д.ед.; - глубина промерзания пород, см; Рек» Рв - плотность скелета грунта и воды, г/см3.
Плотность скелета является характеристикой, зависящей от пористости и минерального состава грунтов (Грунтоведение, 1983; Ломтадзе, 1984). Значит, hpaCn в формуле (5.3) прямо пропорционально плотности минералов. Это противоречит физическому смыслу формирования пучения при цементном льдовыделении. Таким образом, входящий в состав уравнения Р множитель !-L нами в дальнейшем рассматриваться не будет. В формуле расчета распучивания за счет увеличения объема грунта при переходе воды в лед мы предлагаем использовать значение Wtot (значение суммарной влажности пород на конец промерзания), а не влажность на границе фронта промерзания со стороны талой зоны W, поскольку hpacn, определяется только количеством воды, перешедшей при промерзании в лед.
В связи с тем, что в крупнообломочных грунтах влажность крупнодисперсной составляющей (дресвы, щебня, глыб) составляет преимущественно доли процента, ее значение в формировании пучения практически равно нулю. Поэтому на hpacn оказывает основное влияние влажность мелкозема и его содержание в грунтах. влажность и количество незамерзшей воды мелкодисперсной составляющей крупнообломочных грунтов (КОГ), д.ед.; Кдс =Рмд(/РКог- относительное содержание мелкодисперсной составляющей КОГ (здесь Рмдс, Рког - соответственно вес мелкодисперсной составляющей -песка, супеси или суглинка и вес крупнообломочного грунта).
Значения hpacn, полученные по формуле (5.4), при сравнении с экспериментальными данными показывают, что ее точность находится в удовлетворительных пределах (табл. 5.5).
Для вычисления характеристик пучения при миграционно-сегрегационном льдовыделении широкое распространение получили экспериментально-теоретические модели (Орлов, 1962; 1985; Чистотинов, Невечеря, 1975; Гречищев и др., 1980). При соответствующей модификации для оценки пучения крупнообломочных грунтов можно, по-видимому, использовать любую из них.
