ияние режима промораживания. Процесы упрочения и монолитизации мерзлой породы, характеризующие изменение ее структуры и поверхностной энергии, по-видимому, зависят от режима промораживания и температуры охлаждения. В самом деле, при быстром равномерном промораживании возникающие механические напряжения должны распределяться по внешней поверхности, способствуя уплотнению структуры. Равномерность изменения механических свойств й распределения напряжений в структуре зависят от соотношения между замерзанием порового раствора и деформативно-релаксацион-ными свойствами структуры. Если замерзание влаги опережает деформации в некоторых участках, то в структуре породы возникают области концентрации напряжений и, как следствие, разрывы, микротрещины, а затем и макротрещины, приводящие к понижению прочности. С позиций физико-химической механики [60, 61] перед стадией прогрессирующего растрескивания механическая прочность пространственной кристаллизационной структуры может иметь максимум, обусловленный напряженным состоянием и развитием упрочняющих микротрещин, замыкающихся на дефектах.

Влияние поля механических напряжений, возникающего при промерзании породы, на мрдули упругости и их температурную зависимость можно проиллюстрировать результатами экспериментов [30] по глубокому охлаждению мерзлой породы

до —(100-М20) С при различных скоростях охлаждения (рис. 56).

Максимум значений модулей Е и С и минимум значения коэффициента Пуассона при температуре около —50° С свидетельствуют об общем упрочнении мерзлой породы в процессе ее охлаждения до этой температуры. Это можно объяснить

Рис. 56. Температурная зависимость модулей упругости мерзлого песка при глубоком охлаждении:

1 — модуль Юнга; 2 — модуль сдвига; 3 — модуль всестороннего сжатия /С; 4 — коэффициент Пуассона

уплотнением пространственной Е^к&гн/м² структуры и развитием микротрещин в зернах льда и в граничных зонах, которые обусловлены концентрацией напряжений. Последние возникают при быстром охлаждении за счет значительного различия в коэффициентах теплового линейного расширения льда и кварца, которые соответственно равны примерно 50-10⁶ ° С-¹ и 10-10^е ° С-¹. Дальнейшее понижение температуры приводит к укрупнению трещин, что сопровождается понижением прочности и упругости породы. При проведении подобных экспериментов с образцами поликристаллического пресного льда при переходе модулей через экстремум наблюдалось помутнение образцов вследствие растрескивания. Последующее повышение температуры от —120 до —10° С приводит к первоначальным значениям модулей упругости породы при этой температуре. Однако возврат к исходной упругости происходит по совершенно иному закону, чем ее уменьшение, т. е. в данном случае имеет место своеобразный гистерезис. При медленном охлаждении релаксация напряжений, по-видимому, успевает произойти, в результате чего не наблюдается заметного уплотнения структуры, возрастание модулей упругости с понижением температуры происходит, менее интенсивно, а процессы растрескивания и снижения упругости выражены гораздо слабее и начинаются при более низких температурах.

Итак, возникновение в мерзлой породе механических напряжений (в данном случае температурных) приводит к экстремальному изменению ее модулей упругости. Достижение экстремума (максимума) соответствует состоянию породы с наиболее монолитизированной пространственной кристаллизационной структурой при данных термодинамических условиях.

Переход через экстремум характеризует начало разрушения породы в результате прогрессирующего развития микротрещин.

Несмотря на отсутствие данных об изменениях динамических модулей упругости мерзлой породы в процессе ее деформации под нагрузкой, можно предположить, что они будут подобны рассмотренным. Это подтверждается сходным экстремальным характером возрастания скоростей распространения продольных упругих волн в процессе одноосного и трехосного сжатия мерзлых пород [82, 96].

Таким образом, мерзлые породы в зависимости от особенностей формирования пространственной кристаллизационной структуры и ее динамики при изменении температуры могут при одинаковом количественном составе характеризоваться различными механическими свойствами. Подтверждением этому является заметное различие механических свойств образцов песчано-глинистых мерзлых пород одинакового состава при одной и той же температуре, но полученкых при быстром и медленном замораживании [91], а также при наличии в некоторых случаях значительной анизотропии свойств мерзлых пород [2, 129].

В табл. 5 приведены предельные в диапазоне температур — (24-40) ° С значения модулей упругости различных криогенных пород. Температурная зависимость модулей упругости льдов, образовавшихся из растворов, обусловлена не только вымерзанием ячеек рассола, но и выпадением гидратов соответствующих солей, которые дополнительно изменяют пространственную кристаллизационную структуру льда. Сопоставление значений модулей упругости криогенных пород различного состава свидетельствует об определяющем влиянии на них фазового состава и льдистости. В табл. 6 представлены отношения модулей упругости ряда криогенных пород к модулям упругости пресного поликристаллического льда при изменении температуры.

Из приведенных данных можно сделать следующие выводы:

1) относительное возрастание упругости при понижении температуры криогенных пород разного состава и льдистости практически одинаково при различных видах деформаций (модули Е и О);

2) модули упругости криогенных пород могут достигать соответствующих модулей поликристаллического пресного льда и превышать их только в случае, когда жесткость граничных зон между зернами льда будет больше, чем во льде. У разных криогенных пород это достигается при определенных температурах: у мерзлого песка от 0 до —1°С, для соленых льдов

• (40—70) ° С, у мерзлых влагонасыщенных глинистых пород

• (10-М5)°С;

3) мерзлые породы постоянной пористости, по-видимому, имеют предельное минимальное значение суммарной влаж-

* Нижние пределы значений модулей упругости даны для следующих наименьших значений суммарной влажности V? ; песок 10%, каолин 25%, ^суглинок 10%. При меньших значениях влажности и более высокой температуре значения модулей могут оказаться значительно меньше. ** По данным [11] для естественных льдов.

 

при котором упругость мерзлой породы может приблизиться к упругости пресного льда. Так, у глинистых пород это примерно соответствует степени заполнения пор ц^0,6-^-0,5 (1^р«12%), так как при <7«0,35 (_см. данные для суглинка в табл. 6) даже при —40° С отношение модулей упругости породы и льда составляет всего около 0,25 и практически перестает расти с понижением температуры, а при <7^0>65 при этой температуре оно достигает только единицы. У мерзлых песков указанное состояние имеет место при значительно меньшей степени заполнения пор, по-видимому, при #^0,1 (\^р^ 1—2%), так как при <7 = 0,5 (см. табл. 6) модули упругости песка превышают соответствующие значения для льда более чем в 2 раза. Эти предельные минимальные значения суммарной влажности должны соответствовать такому содержанию неза-мерзшей воды в виде двойных слоев со слабо развитой диффузной частью, при котором с понижением температуры большая ее часть не кристаллизуется.

Установленные особенности изменения упругих свойств, криогенных пород показывают широкие перспективы взаимного моделирования различного состояния криогенных пород путем подбора соответствующего состава модели, обеспечивающего нужный характер изменения отношений модулей упругости породы и поликристаллического пресного льда.