Поскольку все механические свойства (плотность, упругость, прочность и другие) определяются состоянием пространственной криогенной кристаллической структуры породы, между ними должна быть достаточно тесная взаимосвязь. Это подтверждается результатами экспериментов по совместному определению характеристик упругости и прочности образцов одних и тех же криогенных пород при одинаковом их состоянии.

Прочность и упругость мерзлой породы зависят от степени дефектности пространственной кристаллизационной криогенной структуры, т. е. в первую очередь от состава и состояния межзерновых граничных зон. Известно, что поверхности раздела (межзерновые граничные зоны) в поликристаллическом материале могут существенно тормозить развитие трещин разрушения, т- е. повышать прочность. Установлено, что при возникновении микротрещин в напряженно-деформированном растянутом материале отношение максимальных напряжений, параллельных трещине, к перпендикулярным равно около 0,2.

При этом концентрация напряжений вблизи острия трещины формируется так, что впереди ее находится зона параллельных напряжений. При движении (росте) трещины к поверхности раздела (межзерновой зоне) эти напряжения будут стремиться разорвать материал в граничной зоне. Если прочность зоны больше 0,2 общей прочности материала, то велика вероятность, что она не разрушится и трещина ее пересечет. В противном случае зона разрушится прежде, чем трещина ее достигнет, и тогда образуется ловушка, которая останавливает распространение трещины, т. е. прочность материала повышается.

Межзерновые зоны в криогенных породах (см. § 3 главы I) могут быть как ослабляющими, так и укрепляющими дефектами. В первом случае при неслишком сильном ослаблении пространственной структуры порода будет более пластичной и прочной на разрыв. Во втором случае трещины не будут тормозиться, порода окажется хотя и более жесткой (упругой), но хрупкой и будет легче растрескиваться и разрушаться. Упругость (жесткость) криогенной породы обычно плавно растет по мере вымерзания жидкой фазы, укрепления межзерновых зон и снижения степени гетерогенности криогенного образования. Подобным образом должна изменяться и прочность на сжатие.

Прочность на разрыв, по-видимому, должна расти неравномерно, так как ее величина будет зависеть от содержания жидкой фазы. С одной стороны, наличие незамерзшей жидкой фазы как поверхностно-активного вещества снижает поверхностную энергию, т. е. работу по деструкции материала, а следовательно, и его прочность: С другой стороны, содержание незамерзшей воды и примесей в граничных зонах создает необходимую пластичность (торможение и залечивание микротрещин), которая приводит к повышению их прочности на разрыв.

Исходя из этих представлений, в криогенных породах следует ожидать характерное изменение взаимосвязи прочности и упругости с понижением температуры.

Можно предположить, по крайней мере, три стадии изменения прочности на разрыв при понижении температуры, которые определяются составом и состоянием незамерзшей жидкой фазы. Первая (начальная) стадия, при которой содержание жидкой фазы в породе столь велико, что обусловливает ее чрезмерную пластичность, а следовательно, и малые значения прочности и жесткости. Обычно это соответствует температурам вблизи 0°С, когда и кристаллы льда характеризуются высокой пластичностью. Таким образом, на этой стадии криогенные породы (лед различного состава, песчанотлинистые мерзлые породы) обладают малой когезией и текут под действием небольших напряжений. Правда, в процессе пластического течения происходят процессы упрочнения и разупрочнения породы. По мере промерзания породы на этой стадии ее модули упругости Е, С, прочность на разрыв и сжатие будут возрастать примерно одинаково.

Вторая стадия, при которой содержание незамерзшей воды ^р.н.в таково, что ее скопления представляют в основном не* прерывные двойные слои с несильно развитой диффузной частью* (для песка №_р._н.в~1⁰/<ь для глинистых пород №_р.нв~2ч--М0%). На этой стадии прочность на разрыв должна расти более интенсивно, чем жесткость (модули упругости и др.)» так как когезия породы уже достаточно велика, однако вымерзание жидкой фазы (диффузной части двойного слоя) будет приводить к значительному повышению прочности за счет резкого уменьшения влияния жидкой фазы как поверхностно-активной среды, при сохранении еще достаточной пластичности, граничных зон.

Третья стадия соответствует очень малому содержанию незамерзшей жидкой фазы, которая представлена, по-видимому,, разобщенными островками жесткосвязанной воды. В этом случае имеет место резкое охрупчивание породы, при котором прочность на разрыв должна заметно уменьшиться, а жесткость (упругость) становится наибольшей.

Таким образом, при достаточной льдистости, обеспечивающей необходимую (не слишком малую) когезию мерзлой пес-чано-глинистой породы, по-видимому, должно существовать такое ее состояние, при котором содержание незамерзшей воды обеспечивает оптимальное торможение трещин в граничных зонах.

Следовательно можно ожидать некоторый пик прочности на разрыв при понижении температуры породы в то время;, как упругость ее будет возрастать плавно, хотя и с различной интенсивностью. Возможно, что этот экстремум окажется заметен лишь в глинистых мерзлых породах, соленых льдах и т. п.,. у которых вымерзание жидкой фазы происходит при достаточно низких температурах и в более растянутом температурном интервале.

Пока еще не выполнено экспериментальных исследований^ которые охватывали бы весь диапазон этих состояний криогенных пород различного состава. Однако анализ имеющихся данных [20, 85, 114] позволяет выявить отдельные зависимости.

На рис. 57 приведены данные для мерзлого песка и тяжелого суглинка, показывающие корреляционные связи между пределом прочности на разрыв и сжатие, с одной стороны, и скоростью распространения продольных упругих волн_г а также модулями упругости — с другой. Пористость изучавшихся пород была около 40% и оставалась неизменной, а влагонасыщение менялось в зависимости от степени заполнения пор льдом — от 0,5 до 1. Сопоставление проведено для результатов испытаний, выполненных при температуре в интервале —(10-^-40)° С. Точки, характеризующие малые значения прочности, соответствуют породам с наименьшей степенью влагонасыщения и наиболее высоким температурам интервала исследования. Максимальные значения прочности получены для пород с полным заполнением пор льдом при температуре —40° С.

В общих чертах приведенные зависимости свидетельствуют о пропорциональности жесткости (упругости) и прочности мерзлой породы. 

Рис. 57. Зависимость прочности на сжатие и разрыв от модулей Юнга и сдвига мерзлого песка (/) и мерзлого суглинка (2)

 

Однако из этих данных следует, что у пород разного литологического состава, т. е. с различным содержанием жидкой фазы, имеются существенные различия. Так, в случае сжатия пород с полным влагонасыщением при температуре —40° С (крайние правые точки графиков) прочность песка примерно в 2 раза больше прочности суглинка. Во столько же раз отличаются значения их модулей упругости. В то же время пределы'прочности на разрыв у этих же пород при аналогичных условиях находятся примерно в обратном соотношении, хотя отличие в модулях упругости (жесткости) остается прежним. Это, по-видимому, свидетельствует о различном протекании механизмов деформаций и разрушения мерзлых песков и глинистых пород.

В глинистых породах при любой температуре в исследуемом диапазоне температур содержание незамерзшей воды значительно больше, а следовательно, меньше прочность на сжатие и упругость ввиду некоторого ослабляющего влияния жидкой фазы как поверхностно-активного вещества. При испытаниях на разрыв глинистой породы хорошо прослеживается два состояния, соответствующие первой и второй стадиям изменения прочности.

Прочность возрастает до значения примерно 2 МН/м² почти одинаково с возрастанием упругости (модуля Е). При этом состояние мерзлого суглинка характеризуется значительным содержанием жидкой фазы (10-М5%), вымерзание которой обусловливает упрочнение (первая стадия) и монолитизацию пространственной криогенной структуры. Прочность на разрыв на этой стадии у мерзлого суглинка меньше, чем у песка, при тех же температурах — около —(10-^20)° С и аналогичной льдистости, что соответствует, по-видимому, третьей стадии — охрупчиванию мерзлого песка.

При температуре —(20-1-40)° С прочность на разрыв суглинка возрастает значительно больше, чем упругость (вторая стадия изменения прочности). В этом случае содержание и состояние незамерзшей воды становятся такими, что адсорбционное снижение прочности породы за счет влияния жидкой фазы заметно уменьшается, но прочность граничных зон еще не превышает 0,2 средней прочности породы, гетерогенность еще значительна и охрупчивания не наступает.

Прочность на разрыв мерзлой глинистой породы в таком состоянии оказывается значительно больше, чем у мерзлого песка. Последний из-за однородности оказывается хрупким» так как торможение трещин в нем менее эффективно ввиду практически полного вымерзания жидкой фазы в межзерновых зонах. Это подтверждается еще и тем, что разница между прочностью на разрыв и сжатие у суглинка сравнительно небольшая (см. рис. 57) и остается примерно постоянной (3,5 МН/м²) при различном состоянии породы, несколько уменьшаясь в случае самых малых значений прочности при наибольшем содержании жидкой фазы и малой льдистости. У песка заметно уменьшение этой разницы (с 15 до 6 МН/м²) при переходе к малопрочному состоянию, что позволяет предположить о некотором увеличении его пластичности за счет возникновения определенного количества незамерзшей водьк В суглинке при тех же условиях (левые части графиков) также имеет место увеличение содержания незамерзшей воды, но гораздо более значительное, приводящее к излишне боль-шой пластичности. Это обусловливает сильное снижение жесткости и прочности породы (материал легко «течет»). Поэтому в области малых значений прочности более жесткие породы (мерзлый песок), несмотря на хрупкость, оказываются более прочными не только при сжатии, но и при разрыве.

Подобная корреляционная связь между модулем Юнга и прочностью на разрыв получена [73] и для соленого (из раствора ЫаС1) льда различного фазового состава рис. 58. Правые точки этого графика, характеризующие наиболее прочный лед,.

Рис. 58. Предел прочности на разрыв а?, модуль Юнга Е и частота регистрируемого сигнала \/Т соленого льда

соответствуют практически содержанию незамерзшего рассола,, равному нулю. Это соленый лед при * = —24° С, т. е. нижеэвтектической температуры. Левые точки графика соответствуют льду при /= — (1~2)°С, т. е. с наибольшим объемным содержанием жидкой фазы. Как и в случае мерзлых пород,, значительное повышение содержания жидкой фазы 11т,мкс¹ Е,гн/м^г приводит к резкому сниже- ⁷#~ нию прочности и упругости, причем характер рассматриваемой зависимости и аб- ₅₀ солютные значения прочности на разрыв и жесткости ^ для соленого льда и суглинка очень близки, осо- ₃₀ бенно, если прочность меньше 2 МН/м² (первая стадия 20 изменения прочности). Последнее объясняется тем, что объемное содержание жидкой фазы в соленом льде и суглинке возрастает примерно до 15—18%. Аналогичная зависимость, но с большим разбросом экспериментальных точек, получена и для морского льда [20].

Наличие максимумов прочности зафиксировано у мерзлых песчано-глинистых пород при изучении их температурной зависимости Е. П. Шушериной.

На рис. 59 сведены экспериментальные данные в виде диаграмм. На основании рисунка можно заключить, что экстремальное возрастание прочности на разрыв криогенных пород, связанное с переходом от пластического разрушения к хрупкому, вполне возможно. Можно указать ориентировочные температуры этого переходного состояния: для соленых льдов —20° С, для мерзлых песков — (5-М0)° С, для мерзлых глинистых пород —(20—30)° С. Однако следует подчеркнуть, что все данные получены без учета возможности этого явления. Поэтому нужны детальные исследования, которые могли бы дать надежный экспериментальный материал, необходимый для установления истинного положения.

При изучении упругих свойств рыхлых ледяных криогенных образований (снег, фирн) оказалось возможным установить [57] корреляционную связь между плотностью и динамическим модулем Юнга Е (рис. 60).

При изменении плотности снега от очень рыхлого, свеже-выпавшего (0,05 г/см³) до фирна 0,6 г/см³ модуль Е резко возрастает вследствие консолидации пространственной криогензной структуры, обусловленной появлением и развитием фазовых контактов между кристаллами в процессе метаморфизма •снега. При еще большем уплотнении и перекристаллизации, т. е. при переходе фирна в лед, не будет такой резкой зависимости модулей упругости и скорости распространения упругих волн от плотности, так как основное значение в определении механических свойств будет иметь степень дефектности пространственной криогенной кристаллизационной структуры. В то же время плотность будет меняться незначительно.

Рис. 59. Взаимосвязь модуля Юнга и предела прочности на

разрыв криогенных пород:

1 — песок; 2 — суглинок; 3 — соленый лед; 4 — морской лед (по результатам экспериментов Пейтона [20]); 5 — пресный лед

В интервале малых значений плотности (0,01—0,1 г/см³) — очень рыхлый снег, снежная пыль — возрастание плотности почти не приводит к закономерному увеличению модуля Юнга, так как контакты между кристаллами очень слабы.

В мерзлых породах подобная связь вряд ли может быть установлена, поскольку существенное изменение их плотности может быть связано только с возрастанием льдистости. Влияние льдистости на характеристики упругости более сложное и зависит от степени начального влагонасыщения породы, характера льдовыделения, температуры и других факторов (см. § 4 данной главы).

В целом плотность мерзлых песчано-глинистых пород может варьировать примерно от 1 г/см³ (подземные льды) до 2—2,3 г/см³ в зависимости от литологического состава суммарной влажно- _Е мц/_мъ _ч сти и льдистости породы, щр При постоянной пористости (я« 354-45 °/о) плотность мерзлой песчано-глинистой породы в зависимости от степени заполнения пор льдом и незамерзшей водой ⁵⁰⁰ меняется обычно в пределах 1,5ч-2,3 г/см³. Таким образом, плотность мерзлых пород может изменяться не более чем в 1,5—2 раза, хотя их физические свойства, в том числе характеристики упругости- и прочности, меняются в гораздо более широких пределах в зависимости от степени развития и стадии эволюции пространственной криогенной кристаллизационной структуры. По этим причинам рассматривать корреляционные связи механических свойств мерзлых пород с плотностью нецелесообразно.

Рис. 60. Корреляционная зависимость между плотностью и динамическим модулем Юнга ледяных образований

В заключение можно отметить, что на современном этапе исследований происходит накопление данных об упругих свойствах криогенных пород, которые ввиду малого предела упругости необходимо изучать при небольших напряжениях динамическими методами. Ввиду того что криогенные породы различного состава в значительном интервале температур представляют собой упруго-вязкие материалы, для детального описания их свойств необходимо раздельное определение действительной и мнимой . части комплексных модулей упругости. Имеющиеся данные о динамических модулях упругости получены-исходя из предположения о квазиупругости мерзлых пород, что позволяет установить лишь полуколичественные закономерности. Анализ экспериментальных данных позволяет на данном зтапе исследований сделать следующие основные выводы.

1. Экспериментально полученные зависимости динамических модулей упругости песчано-глинистых мерзлых пород и льдов от их температуры фазового ц химического состава находятся в хорошем соответствии с основными представлениями физико-химической механики твердых тел.

2. .При полном влагонасыщении влияние общей влажности (льдистости) на модули упругости мерзлой породы разной дисперсности и состава качественно одинаково, причем увеличение льдистости может приводить как к возрастанию, так и к уменьшению модулей упругости. Установлено, что характерные температуры, при которых теряется зависимость модулей упругости от льдистости, различны при разных видах упругих деформаций (модули Е, К и С),

3. Температурный диапазон соответствующих изменений модулей упругости мерзлых глин, песков и льдов разного состава различен как по ширине интервала, так и по расположению его на температурной шкале.' Определяющее влияние на температурную зависимость оказывает льдистость породы, а также количество и распределение незамерзшей жидкой фазы.

4. Действие механических напряжений приводит к экстремальному изменению модулей упругости криогенных пород* причем переход их значений . через экстремум (в процессе деформирования) характеризует начало разрушения породы в результате развития микротрещин в зернах льда и межзерновых граничных зонах.

5. Между характеристиками упругости и прочности криогенных пород имеются достаточно тесные корреляционные связи,, хотя и не универсальные для любого интервала температуры пород. Есть основания предполагать экстремальный характер температурной зависимости прочности на разрыв, в то время как прочность на сжатие и упругость криогенных пород должны возрастать монотонно с понижением температуры-

6. Физико-механические, в частности, упругие свойства мерзлых песчано-глинистых пород и льдов определяются формированием и динамикой пространственной криогенной кристаллизационной структуры, возникающей при промерзании. Показаны перспективы взаимного моделирования различных состоянии криогенных пород путем подбора состава модели, обеспечивающего нужный характер изменения отношения ее модуля упругости к соответствующему модулю пресного поликристаллического льда.

7. Необходимы исследования динамических характеристик упругости и вязкости криогенных пород, а также прочности на разрыв и сжатие, особенно при температуре около 0°С.