Menu

01. Введение.

Широкое распространение льдов и мерзлых пород обусловливает их значительное влияние на хозяйственную деятельность человека. Общая площадь зоны многолетней мерзлоты составляет около 25% суши Земли, а в СССР она занимает примерно 47% территории, включая многие важнейшие горнорудные, нефтяные, угольные и другие районы разведки, разработки и добычи полезных ископаемых. Это выдвигает изучение криогенных пород в число важнейших научно-практических проблем в нашей стране. В Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 гг. большое внимание уделяется увеличению темпов развития восточных районов, и особенно Сибири. В связи с этим результаты исследований свойств криогенных пород необходимо быстрее внедрять в производство.

Криогенные породы (мерзлые породы, лед, снег) как феномен природы привлекают внимание человека на протяжении многих веков. Однако, если снег и лед в водоемах в холодное время года, ледники высоко в горах и т. п. воспринимались как естественное следствие климатических условий, то в отношении возникновения, эволюции и распространения мерзлых пород и подземных льдов длительное время не было ясности. Большой вклад в изучение криогенных пород внесли русские и в особенности советские ученые.

М. В. Ломоносов в трактатах «О слоях земных» сделал несколько теоретических предположений о природе образования «земли мерзлой», о создании запасов холода и подземных льдов в толще Земли, о теплообмене между атмосферой и земной корой. Многие русские ученые — географы, горные инженеры и землепроходцы — в XVII—XIX вв. описывали отдельные проявления мерзлых пород, поверхностных и подземных льдов Сибири и ряда других районов России, а также Северной Америки.

Промышленное освоение северных районов и Сибири привело к значительному расширению исследований многолетнемерзлых пород в России во второй половине XIX и начале XX в. Развитие горного дела, строительство Транссибирской железнодорожной

магистрали и крупных сооружений указали на необходимость всестороннего изучения криогенных пород. Крупнейшие геологи и географы того времени — И. В. Мушкетов, В. А. Обручев, А. И. Воейков, В. И. Вернадский — в своих трудах уделяли криогенным породам все большее внимание. Широкое развитие исследований в этой области началось после Великой Октябрьской социалистической революции. Инициатором и вдохновителем планомерного развития комплексного изучения мерзлоты был выдающийся советский ученый М. И. Сумгин, под руководством которого возникла и развилась новая отрасль науки — мерзлотоведение и сформировалась школа советских мерзлотоведов. По его инициативе в 1929 г. в Академии наук СССР была образована Постоянная комиссия по изучению вечной мерзлоты под председательством академика В. А. Обручева, на базе которой в 1939 г. был организован Институт мерзлотоведения АН СССР, ставший всесоюзным научным центром по исследованию мерзлоты. К 1940 г. в СССР издано три основополагающих труда, содержащие обобщенные данные о распространении и развитии мерзлых пород и льдов закономерностях их формирования и поведения под нагрузкой. Это книги: «Общее мерзлотоведение» коллектива авторов во главе с М. И. Сумги-ным, «Лед. Свойства, возникновение и исчезновение льда» Б. П. Вейнберга и «Основания механики мерзлых грунтов» Н. А. Цытовича и М. И. Сумгина.

После Великой Отечественной войны мерзлотоведение (геокриология) в Советском Союзе продолжает быстро развиваться благодаря большой работе крупнейших ученых в этой области Н. А. Цытовича, П. И. Колоскова, В. А. Кудрявцева, П. Ф. Швецова, П. И. Мельникова, Б. Н. Достовалова, Н. И. Толстихина, И. Я. Баранова, С. П. Качурина, П. А. Шумского, Б. А. Савельева, А. И. Попова, С. С. Вялова, И. А. Тютюнова, Г. В. Порхае-ва и других исследователей.

Изучение специфики криогенных пород необходимо при решении многих практических задач разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, строительства промышленных, гидротехнических, гражданских и других объектов, коммуникаций, трубопроводов, подземных хранилищ сжиженных газов, проходке стволов шахт способом искусственного замораживания окружающих пород, создании способов и систем противолавин-ной защиты, борьбе с обледенением различных объектов и т. д.

Весьма важное значение имеет решение ряда задач геокриологии в процессе строительства и эксплуатации Байкало-Амурской железнодорожной магистрали. Таким образом, достижения геокриологии в СССР вносят существенный вклад в развитие производительных сил страны.

Наряду с решением важнейших проблем регионального распространения и закономерностей формирования криогенных пород, тепловой мелиорации, инженерного, агробиологического

мерзлотоведения возникло направление исследования физических свойств криогенных пород и разработки физических методов их изучения.

Следует отметить, что последнее направление, находящееся на стыке физики, химии, геофизики и геокриологии, к настоящему времени получило значительное развитие и включает в себя проблемы формирования физических свойств криогенных пород в процессе их образования и эволюции. Экспериментальные и теоретические исследования в этой области позволили установить многие закономерности формирования и изменения фазового состава, различных физических (реологических, прочностных, тепловых, электрических и других) свойств, протекания физико-химических процессов и явлений в криогенных породах в зависимости от их генезиса, состава, строения, температуры, напряженного состояния и т. п.

Значительные исследования в области физики криогенных пород, в особенности льдов, выполнены в США, Канаде, Англии, Японии, Франции и в* других странах. Следует отметить, что в этих странах интерес к физике криогенных пород возрастает, а фронт их изучения быстро расширяется, в особенности в научном центре СККЕЬ (лаборатория по изучению и освоению холодных регионов) инженерного корпуса армии США. Большую роль в обмене информацией и планировании дальнейших исследований сыграла II Международная конференция по мерзлотоведению, которая проходила в СССР, в Якутске в 1973 г. В трудах этой конференции опубликованы многие результаты советских и зарубежных исследователей в области физики криогенных пород [51, 85, 141].

Таким образом, к настоящему времени заложены основы новой отрасли науки — физики криогенных пород. Эта отрасль является, с одной стороны, частью геокриологии, а с другой — частью физики горных пород, развиваемой школой Н. В. Мельникова и В. В. Ржевского, а также М. П. Воларови-чем, В. П. Кабрановой и другими исследователями.

Физика криогенных пород как новая отрасль науки, по-видимому, будет иметь все возрастающее число прикладных направлений в области применения известных и разработки новых физических методов и аппаратуры для изучения распространения, залегания, состояния, состава и свойств криогенных пород и происходящих в них процессов. Так, например, уже выполнены большие исследования по физическому обоснованию и практическому применению различных электрометрических и сейсмо-акустических методов при изучении распространения, залегания, строения и состояния толщ мерзлых пород и льдов (А. А. Петровский, А. Т. Акимов, Б. Н. Достовалов, Ю. В. Риз-ниченко, В. В. Богородский, В. С. Якупов, Р. И. Коркина, А. Н. Боголюбов, А. Д. Фролов, Ю. Д. Зыков, П. Н. Тютюнник, А. В. Гусев, Г. В. Трепов, Ю. Е. Аветикян, В. П. Мельников,

Ч. Каплар, М. Сежун, П. Андре, Г. Мюллер, Е. Накано и др.); физических методов изучения и контроля фазового состава и протекания физико-химических процессов в криогенных породах (Н. А. Цытович, 3. А. Нерсесова, Б. Н. Досто-валов, Б. А. Савельев, А. А. Ананян, В. Н. Квливлидзе, А. В. Краснушкин, Б. В. Гусев, А. Д. Фролов, Л. В. Чистотинов, Э. Д. Ершов, Д. Андерсон, В. Уикс, П. Хоекстра, Э. Паундер, В. Амбах и др.).

Весьма важным направлением физики криогенных пород является всестороннее исследование структуры и термодинамических условий формирования льда вблизи поверхности твердых тел и в связи с этим разработка физики когезии и адгезии криогенных образований. Работы, выполненные в этом направлении (Б. А. Савельев, В. Н. Голубев, И. А. Тютюнов, В. В. Рогов, В. Дрост-Хансен, Д. Андерсон, Г. Вакахама, X. Джелинек и др.) свидетельствуют о значительной сложности приконтактных явлений и структур, большом своеобразии формирования льда вблизи поверхности инородных твердых тел, в отличие от процессов замерзания в свободном объеме жидкой фазы.

Большой объем исследований выполнен в области изучения ползучести, прочности и других вопросов механики криогенных пород (Н. А. Цытович, С. С. Вялов, П. Ф. Швецов, В. А. Кудрявцев, П. А. Шумский, К. Ф. Войтковский, И. Н. Тютюнов, Ю. К. Зарецкий, С. Э. Городецкий, Е. П. Шушерина, Н. К. Пекарская, А. М. Пчелинцев, И. Н. Вотяков, С. Е. Гречищев, Я. А. Кроник, Дж. Най, У. Патерсон, В. Уикс, А. Ассур, О. Андерсланд и др.).

Многие положения физико-химической механики, разработанные акад. П. А. Ребиндером и его учениками, могут быть использованы применительно к криогенным породам (с учетом специфики происходящих в них преобразований).

Основной проблемой физики криогенных пород является выяснение природы, строения и свойств воды в тонкодисперсных грунтах и ее фазовых переходах. Решение этой проблемы весьма сложно, так как прямых экспериментальных методов исследования связанной воды пока нет. В теоретических представлениях по данному вопросу нередко дается противоречивая интерпретация результатов косвенных экспериментов. Работы Б. В. Деря-гина, В. Ф. Киселева, Б. Н. Достовалова, А. А. Ананяна, 3. А. Нерсесовой, Б. А. Савельева, И. А. Тютюнова, Н. В. Чу-раева, Д. Андерсона и других свидетельствуют о необходимости привлечения к решению данной проблемы современных физических методов и расширения целенаправленных экспериментов по изучению свойств связанной воды в тонкодисперсных средах и криогенных породах. Изучение проблемы физики связанной воды в дисперсных грунтах имеет кардинальное значение для построения достоверной физической модели многофазной* крио-

генной среды, что позволит разработать общую теорию ее формирования и эволюции.

Достижения физики криогенных пород и накопленные данные об их физических свойствах необходимо внедрять в практику горно-геологических, изыскательских, строительных и других производственных и проектных работ.

В связи с этим, на наш взгляд, целесообразно установить, что следует относить к физическим свойствам. Понятие физическое свойство горной породы является одним из основных в физике горных пород, однако, до настоящего времени нет достаточной строгости и единства в подходе к ответу на поставленный вопрос.

В соответствии с основными положениями физики твердого тела, физические свойства — это параметры, устанавливающие функциональную (причинно-следственную) связь между характеристиками воздействующего физического поля и реакцией (или влиянием) данного материала на это воздействие. Примерами типичных физических свойств являются: удельная электропроводность, определяющая связь между напряженностью приложенного электрического поля и плотностью тока в данном материале; диэлектрическая проницаемость — устанавливающая соотношение между напряженностью электрического поля и электрическим смещением (индукцией) в материале; теплоемкость — характеризующая связь между приращением количества тепла и изменением температуры (внутренней энергии) данного тела; плотность — представляющая собой массовую характеристику единицы объема материала в поле гравитации: модуль упругости — дающий соотношение между деформацией и механическим напряжением в данном материале; коэффициент теплового расширения; магнитная восприимчивость (проницаемость); коэффициент вязкости; пьезоэлектрический модуль и т. п.

К сожалению, во многих работах по горно-геологическим наукам, гидротехнике и строительству к физическим свойствам наряду с вышеуказанными относят самые различные характеристики пород, например влажность, засоленность, льдистость, выветрелость, гранулометрический состав, набухаемость, водопроницаемость, просадочность, буримость, дробимость, скорость распространения упругих волн и др. Практическая значимость и необходимость определения упомянутых характеристик пород весьма важны, но даже одно перечисление иллюстрирует их разнородность.

Поэтому мы считаем необходимым акцентировать внимание исследователей на целесообразности упорядочения применяемой терминологии и введении единых представлений о свойствах и характеристиках пород, выделяя их в более однородные группы.

Например, можно выделять следующие группы свойств пород:

  1. физические свойства;

  2. характеристики состава;

  3. характеристики строения и состояния;

  4. физико-технические свойства;

  5. характеристики технологических процессов.

В соответствии с этой классификацией к собственно физическим свойствам следует относить лишь те, которые согласуются с приведенными понятиями физики твердого тела. Вторая и третья группы достаточно ясны из названий. К четвертой группе, по-видимому, следует отнести инженерно-геологические и строительные характеристики пород; к пятой — характеристики, определяющие эффективность работы различных машин и механизмов при разрушении и испытании пород, параметры распространения упругих и электромагнитных волн различных сигналов и др. Безусловно, что между многими свойствами разных групп имеется взаимосвязь, так как все они в той или иной мере определяются строением, составом и состоянием породы как поликристаллической или коллоидной многофазной системы. Последнее является основой для разработки и применения различных физических методов с целью определения необходимых характеристик пород, способов воздействия на породы, направленного формирования их свойств, контроля состояния и изменения пород в процессе того или иного воздействия.

Мы не претендуем на законченность предложенной классификации свойств пород, но считаем целесообразным подчеркнуть различия между выделенными группами, так как каждая из них базируется на разном подходе к описанию и учету механизмов процессов и явлений, происходящих в породе, и на существенно отличающейся методике экспериментального определения свойств.

Систематизация и упорядочение представлений о физических свойствах пород будут содействовать правильному решению проблемы установления взаимосвязи (функциональной или стохастической) между различными характеристиками пород, более строгой постановке экспериментов, более ясному пониманию целей и возможностей отдельных исследований, а также способов описания и практической значимости тех или иных свойств пород.

Настоящая монография посвящена группе вопросов, связанных с закономерностями формирования и изменения упругих и электрических свойств криогенных пород, т. е. с физическими основами сейсмоакустических и электрометрических методов исследования их состава и состояния. Эти методы уже находят применение при полевых и лабораторных исследованиях криогенных пород. Кроме того, они имеют большое практическое значение. Перспективы применения этих методов на практике открываются при создании средств и систем технологического,

инспекционного, аварийного и других видов контроля за состоянием и изменением криогенных пород в процессе строительства и эксплуатации горнотехнических, энергетических и промышленных объектов.

Специфику различных по составу криогенных пород и формирование их физических свойств обусловливают особенности протекания фазовых переходов жидкое — твердое состояние воды (раствора). В связи с этим в монографии рассмотрены также основные представления о фазовых превращениях и сопровождающих их процессах, которые необходимо иметь в виду при разработке и применении электрометрических и акустических методов для решения различных производственных задач.

Конечно, монография не претендует на освещение всех вопросов, связанных с электрическими и упругими свойствами криогенных образований, а лишь является первой попыткой подведения итогов и обобщения результатов исследований в данной области физики криогенных пород.

Все критические замечания и пожелания по книге будут с благодарностью приняты автором.

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:3470 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:6550 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:3615 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Покрытия комбинированного очертания в пл…

Комбинированное очертание плана предопределяет совершенно новые архитектурно-планировочные и конструктивные решения, характерные исключительно для вантовых покрытий. К Олимпийским играм 1964 г. в Токио построено два спортивных сооружения с Байтовыми покрытиями. Этот спортивный...

20-09-2011 Просмотров:7660 Вантовые покрытия

Светодальномеры, электронные тахеометры.

Светодальномер – прибор, измеряющий расстояние по времени прохождения его световым сигналом. В комплект светодальномера входят приёмопередатчик и отражатель. Приемопередатчик 1 (рис. 8.6) устанавливают на штативе на одном конце измеряемой линии...

13-08-2010 Просмотров:16771 Инженерная геодезия. Часть 1.

Особенности устройства бетонных и железо…

Общие положения. Бетонным работам, выполняемым в условиях реконструкции, присущи следующие особенности: стесненность мест производства работ, часто осложняющаяся...

31-07-2009 Просмотров:14148 Реконструкция промышленных предприятий.