Menu

Закономерности распространения упругих волн в мерзлых породах

В соответствии с рассмотренной спецификой мерзлых пород как твердых тел их механические свойства находятся в сложной зависимости от многих факторов. Следовательно, и скорости распространения упругих волн в мерзлых породах являются функциями многих переменных, что подтверждается экспериментами [7, 51, 62, 85, 90, 96, 140, 141 и др.]. Поэтому целесообразно рассмотреть раздельно влияние важнейших факторов на скорость распространения упругих волн.

Зависимость скорости распространения продольных упругих волн от температуры при ее понижении у всех мерзлых пород в интервале, в котором производилось большинство экспериментов (от 0 до —30 °С), характеризуется монотонным возрастанием по закону, близкому к логарифмическому. Для пород различного литологического состава интенсивность роста скорости и ее абсолютные значения оказываются разными для одного и того же интервала температуры. Наиболее убедительно это может быть проиллюстрировано сравнением зависимостей VV{^) для песка и глины. Интенсивность роста (м/с) в мерзлых песках значительно больше, чем в глинистых породах, при ^ = 0-^—3СС, а при более низких температурах — наоборот. Такой характер зависимости V^)(^) хорошо согласуется с протеканием процесса льдовыделения в мерзлых породах различной дисперсности и минерального состава (см. § 4 и 5 главы I). Рассмотрим особенности температурной зависимости скорости упругих волн в мерзлых породах. Как следует из результатов наших экспериментов (рис. 80), в процессе понижения температуры породы при переходе через 0°С наблюдается скачок скорости распространения упругих волн, обусловленный замерзанием свободной воды и возникновением пространственной криогенной кристаллизационной структуры. Наибольший скачок скорости имеет место у песков и галечников, так как при переходе через 0°С в них замерзает большая часть влаги. У песка, содержащего- глинистые фракции, этот скачок .состав^ ляет около 250%, в то время как у чистых кварцевых песков и галечников он примерно вдвое больше. Соответственно у глин и глинистых пород скачок скорости при переходе через 0°С наименьший — около 10—20%, в связи с тем что значительная часть их поровой влаги приходится на воду разной степени •связанности. Последняя замерзает при дальнейшем понижении температуры, что проявляется в возрастании скорости упругих волн. Следует отметить, что и у песка при понижении температуры до —(10-И5)°С имеет место заметное (примерно на 10—15%) монотонное нелинейное возрастание скорости продольных упругих волн. Возможно, что такое возрастание скорости частично обусловлено упрочнением кристаллов льда за счет уменьшения интенсивности процессов диффузии и фазовых флюктуации при отклонении температуры льда от точки плавления. Однако вполне обоснованно считать, что основное влияние на увеличение монолитности пространственной криогенной структуры мерзлого песка при понижении температуры оказывают уменьшение толщины и упрочнение межзерновых граничных зон за счет вымерзания жидкой фазы (порового раствора).

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

Температурная зависимость скорости распространения упругих волн в мерзлых глинистых породах характеризуется небольшим скачком скорости при переходе через 0° С и значительно более резким, чем у грубодисперсных пород, возрастанием ее при дальнейшем понижении температуры. У остальных песчано-глинистых мерзлых пород наблюдается промежуточный тип температурной зависимости скорости между двумя рассмотренными крайними для песка (галечника) и глинистых пород (см. рис. 80). Установленные особеннности температурной зависимости скорости упругих волн в мерзлых породах подтверждаются результатами других исследований, например, выполненных В. И. Джуриком и Ф. Н. Лещиковым [85] для мерзлых пород Прибайкалья (рис. 81).

Температурная зависимость скорости упругих волн в скальных и полускальных породах определяется их пористостью (трещиноватостыо) и влажностью при сохранении общих особенностей— скачок при переходе через 0°С и монотонное возрастание с понижением температуры, отмеченных для песчано-глинистых дисперсных пород.

Весьма существенным является влияние общей влажности мерзлой породы на распространение упругих волн, которое также зависит от литологического состава породы. 

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Влажность мерзлой породы может быть выражена количеством льда (льди-стостью) и количеством незамерзшей воды в процентах массы или объема. Однако для полной характеристики состава мерзлой породы, кроме суммарной влажности (№Р или И7Г), нужно знать пористость или степень заполнения пор водой и льдом, так как в случае неполного влагонасыщения необходим учет влияния газообразной фазы породы. Скорость упругих волн в зависимости от влажности следует рассматривать при полном влагонасыщении, но с различной пористостью породы и при постоянной пористости, но с различной степенью заполнения пор.

Рис. 82. Скорость распространения продольных волн V? в зависимости от объемной влажности Шк в мерзлом глуховецком каолине (полное влагонасыщение)

Для глин типичен первый случай, а для песков возможны оба. Многие исследователи не учитывали степени заполнения пор при акустических измерениях на мерзлых породах, поэтому имеющиеся в литературе количественные данные о скорости распространения упругих волн в породах одинакового литологического состава не всегда согласуются между собой. Эксперименты, выполненные на образцах каолина различной влажности при степени заполнения пор, близкой к единице, т. е. при полном влагонасыщении [96], показали, что при фиксированной температуре уве-личение массовой влажности каолина обусловливает возрастание скорости распространения упругих волн, близкое по характеру к изменению скорости с понижением температуры, причем асимптотическое значение в данном случае должно соответствовать скорости во льде. Значительно удобнее рассматривать влияние суммарной влажности в зависимости не от \^р (которая в пределе стремится к бесконечности, что затрудняет определение приближения скорости к асимптотическому значению), а от №ъ. Графики зависимости Ур(ЧРу) представляют собой прямые с положительным угловым коэффициентом, пропорциональным температуре. Эти прямые пересекают ось с абсциссой с^ = = 100% в точках, ординаты которых соответствуют значениям скорости упругих волн для льда при той же температуре (рис. 82). Подобные результаты получены и для суглинка.

Характерной особенностью песчано-глинистых мерзлых пород является уменьшение влияния общей влажности на возрастание скорости упругих волн при понижении температуры,, что можно объяснить спецификой замерзания жидкой фазы в тонкодисперсных породах и количественным изменением их состава при возрастании влажности с полным заполнением пор. В самом деле, при достаточно высокой отрицательной температуре, когда влияние незамерзшей воды на упругие свойства глин особенно велико, увеличение общей влажности (льдистости) водонасыщенной породы (уменьшение объемного содержания минерального скелета и незамерзшей воды) приводит к резкому возрастанию скорости упругих волн. При достижении температуры, при которой объем пленок (ячеек) незамерзшей воды достаточно мал, увеличение влажности, а следовательно, и льдистости не вызывает уже резкого возрастания скорости упругих волн. Следовательно, при более низких температурах за счет сужения и упрочнения межзерновых граничных зон возникает такая монолитизация структуры мерзлой породы, при которой скорость распространения упругих волн становится близкой к скорости их распространения во льду. При этом имеет место закономерность, аналогичная для модулей упругости (см. § 4 главы III).

Можно утверждать, что при дальнейшем понижении температуры по аналогии с зависимостью для модулей упругости, основное влияние на скорость распространения упругих волн будет оказывать соотношение компонентов твердой фазы: льда и минерального скелета. Так, увеличение объемного содержания льда в породе должно вызвать понижение скорости упругих волн.

Однако в отличие от подобной зависимости для модулей упругости, установленной в интервале —(5-М5)°С, уменьшение скорости распространения упругих волн с увеличением объемного содержания льда можно зафиксировать лишь при более низкой температуре. Это вызвано тем, что на скорость оказывает противоположное влияние — см. формулы (111.14 — 111.17)—уменьшение плотности мерзлой влагонасыщенной породы, обусловленное увеличением ее льдистости. Такой температурой для каолина будет, по-видимому, —(25-^30)°С. Однако экспериментальных данных пока не получено. В грубодисперс-ных породах подобное состояние мерзлой породы может быть при значительно более высоких температурах. Это подтверждается экспериментальными данными [137, 138], согласно которым увеличение объемной влажности с 30 до 40% во влаго-насыщенном мерзлом песке при температуре —15°С приводит к уменьшению скорости продольных волн с 4600 до 3800 м/с. При более высоких температурах, когда скорость распространения упругих волн в еще недостаточно сцементированном минеральном скелете окажется меньше, чем во льде, следует ожидать увеличения скорости с возрастанием льдистости мерзлого песка. Из сказанного следует, что при полном влагонасыщении

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

влияние суммарной влажности на скорость распространения упругих волн качественно одинаково для мерзлых пород разной дисперсности и состава, причем увеличение влажности может приводить как к возрастанию, так и к уменьшению скорости упругих волн. Температурный диапазон соответст- "р>м/с вующих изменении скорости в глинах и песках различен по ширине интервала и значениям температуры.

Рис. 83. Зависимость ир в мерзлых породах от степени заполнения пор:

/ — кварцевый песок (л«40%, ^=0,1-7-0,25 мм); // — суглинок (««40%)

Рассмотрим изменение влажности породы при постоянной пористости. Объемная влажность пород может меняться от нуля до значения пористости, и ее удобно выразить через степень заполнения пор водой и льдом д. Увеличение степени заполнения пор в мерзлой породе вызывает значительное возрастание -скорости распространения упругих волн. Так, в мерзлом песке (рис. 83) изменение д на 0,1 (в интервале от 0,7 до 1) соответствует изменению на 120 м/с. При меньших значениях д эта величина еще больше (при 9=0,5, Дур«200 м/с). Влияние температуры на характер указанной зависимости для песка незначительно. Можно предположить, что охлаждение приводит лишь к некоторому параллельному смещению кривой зависимости Ур(<7).в сторону больших значений.

Возрастание скорости, связанное с увеличением степени заполнения пор, установлено и для более тонкодисперсных пород. Для Никольского суглинка, например, при 1 = —2°С изменение д от 0,35 до 0,95 приводит к увеличению скорости распространения продольных волн от 700 до 2470 м/с, а при ( = = — 40°С— от 1420 до 3410 м/с (см. рис. 83). Этот пример показывает, что в отличие от песка в более тонкодисперсных породах понижение температуры вызывает не только увеличение абсолютных значений скорости, но и изменение интенсивности ее возрастания с изменением д. Последнее связано с разным армирующим влиянием на' пространственную криогенную кристаллизационную структуру частиц минерального скелета с пленками незамерзшей воды. В случае мерзлого кварцевого песка уже при / = —3°С содержание незамерзшей воды мало, межзерновые граничные зоны и пленки незамерзшей воды настолько тонки, что дальнейшее понижение температуры слабо влияет на монолитизацию пространственной криогенной структуры по сравнению с увеличением степени заполнения пор льдом. Это и обусловливает сохранение закона возрастания скорости при различных более низких температурах (см. рис. 83).

Очевидно, что в случае глинистых пород влияние минеральных частиц, окруженных граничными зонами, содержащими незамерзшую воду, на степень жесткости пространственной криогенной структуры будет существенно меняться с понижением температуры. Это изменение будет особенно заметно при /<—(10-ь15)°С после замерзания большей части связанной воды в этих породах. Полученное различие в характере возрастания скорости распространения упругих волн от льдистости в интервале температур от —2 до —40 °С (см. рис. 83) связано с влиянием заполнения пор льдом при разной степени жесткости пространственной криогенной структуры, обусловленной различным содержанием незамерзшей воды.

По-видимому, при достаточно низкой температуре — в интервале — (70-М00)°С и ниже для глинистых пород, так же как для песков, температура не должна оказывать влияние на зависимость скорости упругих волн от льдистости.

Возрастание скорости распространения упругих волн с повышением степени заполнения пор при фиксированной температуре в основном связано с уменьшением содержания газовой компоненты и цементацией дисперсной породы льдом. Температурная зависимость скорости в мерзлой породе в этом случае также обусловлена упрочнением и уменьшением толщины граничных межзерновых зон, а также упрочнением самих кристаллов льда.

На рис. 84 приведены диаграммы, представляющие собой сводные зависимости скорости продольных волн от влажности и температуры для глин, а также от степени заполнения пор и температуры для песка.

Диаграммы наглядно иллюстрируют отмеченные особенности изменения скорости распространения упругих волн в мерзлых породах. Так, для каолина степень влияния влажности на возрастание скорости упругих волн существенно уменьшается при низкой температуре. При /«— 1 °С увеличение объемной суммарной влажности каолина от 40 до 100% обусловливает возрастание скорости V? на 110%, а при — 15°С — всего на 22%.

 

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 84. Диаграммы зависимости скорости распространения продольных волн

а —от объемной влажности №у и температуры (каолин); б — от степени заполнения пор ц и температуры (кварцевый песок)

Полученные И. Н. Вотяковым [85] данные температурной зависимости скорости  V в искусственно засоленном песке (рис. 85) подтверждают это предположение. Однако постоянство скорости Ур в интервале температур —(3-=-24)°С, которое имеет место и у незасоленного песка, свидетельствует о недостаточной точности измерений. По-видимому, по этой же причине в засоленных песках с минерализацией 3 и 5% возрастание скорости Ур, а следовательно, и начало фазовых переходов зарегистрировано лишь при температуре /<—(15-г-17)°С. Тем не менее эти, данные подтверждают, что способ искусственного засоления является перспективным при моделировании состояния мерзлых пород с различным содержанием незамерз-шей жидкой фазы. Этот способ успешно применяется для получения различного состояния соленых льдов при изучении их механических и других свойств [73, 74, 97] и, по-видимому, его следует детально опробовать для мерзлых пород.

Весьма важным как в прикладном, так и теоретическом отношении является изучение влияния напряженного состояния мерзлых горных пород на их'жесткость (упругость), а следовательно, и на характер распространения в них упругих волн. До недавнего времени таких данных для мерзлых пород не было, хотя результаты работ с поликристаллическими ледяными образованиями свидетельствуют о заметном влиянии напряженного состояния пород на скорость упругих волн [10].

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 85. Температурные зависимости скорости распространения продольных волн в различных породах по И. Н. Вотякову [85]: + а — песок мелкозернистый: 1 — №с =21%; 2 — И?с =16%; 3 — №с=10%; б — песок мелкозернистый, искусственно засоленный  при И7С=24%; /, 2, 3 — минерализация соответственно 1; 3; 5%; в—супесь пылевато-илистая: / — И7С«=30%; 2 — И7С =25%; 3 — с =15%; г — суглинок пылеватый: / — с =40%; 2 — №с= =34%; 3-Фп

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 86. Изменение скорости распространения продольных волн при деформации в процессе одноосного сжатия мерзлого влагонасыщенного суглинка (№р = = 25,5%; индексы 1 и 2 соответствуют температуре —40°С и —10°С): о — отношение сжимающей силы к площади сечения образца в момент измерения; о' — то же, к исходной площади сечения образца

 

На кафедре мерзлотоведения МГУ [96] были выполнены эксперименты по прозвучиванию образцов мерзлых пород и льда в процессе одноосного сжатия. Результаты измерений показали, что изменение скорости упругих волн при нагружении образца имеет экстремальный характер. При этом интенсивность возрастания скорости с увеличением деформации хорошо коррелируется с крутизной диаграмм сжатия а — е: большим напряжениям соответствует большее значение скорости. Установлено, что деформация, при которой скорость ультразвука достигает максимума Vтд^xво всех случаях приходится на начало расхождения истинной и условной [112] диаграмм сжатия (рис. 86). При этом начинает нарушаться целостность породы в результате развития прогрессирующих микротрещин, т. е. перехода к необратимым деформациям и разрушению при последующем возрастании нагрузки. Во время контрольных опытов с прозрачным льдом возникновение микротрещин легко определяется по резкому помутнению образца при деформациях, соответствующих переходу скорости распространения упругих волн через максимум. Эксперименты показали, что величина Vта^x и соответствующее этому состоянию породы давление а* зависит от температуры литологического состава образца и значительно меньше — от его влажности. Повышение температуры и степени дисперсности мерзлой породы вызывает уменьшение значений Vтз^x и а*. Так, при температуре —40° С для суглинка (1^Р = 25,3%, <7 = 0,94) отах = 4210 м/с, а* = 17 МН/м2, для глин при этой же температуре и приблизительно такой же влажности (№Р = 27,9 %, 9=1,0) утах=3760 м/с, а* = = 7,7 МН/м2. Повышение температуры суглинка до — 10° С приводит к уменьшению этих величин до значений Ушах = 3200 м/с, (т*»4,6 МН/м2

Влияние влажности мерзлой породы на рассматриваемые параметры изучено пока недостаточно детально, сейчас можно указать лишь на ту или иную тенденцию. Так, при I——10° С увеличение влажности грубодисперсных пород (пески, супеси) вызывает небольшое уменьшение величин Ушах и с*. Для суглинков влияние изменения влажности не установлено. В каолине с повышением влажности эти параметры увеличиваются.

 

Эксперименты в этом направлении продолжаются. Интересные данные содержатся в работах П. М. Тютюнника и других [32, 82, 83] по изучению скорости распространения ультразвука в процессе трехосного сжатия. К сожалению, отсутствие в этих работах сведений о деформациях, вызываемых нагрузками, значительно снижает возможность интерпретации полученных данных. В частности, из-за этого разделение упругого и упруго-пластического состояния мерзлой породы только по изменению наклона кривой у (а) становится ненадежным. Кроме того, характеристики состава исследуемых образцов даются неполно или вообще не приводятся [32].

На основании анализа этих работ можно сделать следующие выводы:

  • увеличение механического напряжения вызывает возрастание скорости ультразвука в мерзлой породе до определенной максимальной величины, после чего она начинает убывать, что в общих чертах подтверждает наши данные по одноосному сжатию;
  • при трехосном сжатии максимальная скорость распространения продольных волн превышает соответствующее значение в случае одноосного сжатия;
  • в области преобладания упругих деформаций зависимость V (о) при трехосном и одноосном сжатии практически одинакова.

Итак, влияние напряженного состояния мерзлой породы, находящейся под нагрузкой, на скорость распространения упругих волн вполне закономерно. Возрастание значений скорости соответствует уплотнению и увеличению жесткости мерзлой породы при ее сжатии до начала растрескивания. Абсолютные значения утах и а* и интенсивность возрастания скорости упругих волн с увеличением напряжений зависят от температуры породы, ее литологического состава и льдистости.

Подобные результаты получены при изучении закономерностей изменения скорости упругих волн в породах при их глубоком охлаждении ниже — (40—50) °С. На первый взгляд может показаться, что эта проблема имеет чисто научное значение, так как в природе такой температуры в мерзлых породах не наблюдается. Однако современная практика строительства газопроводов и подземных хранилищ сжиженных газов уже столкнулась с необходимостью постановки такой задачи. В связи с этим Ю. Д. Зыковым [30, 96] были выполнены, исследования, результаты которых свидетельствуют, что понижение температуры породы вызывает увеличение скорости прохождения в ней упругих волн только до определенного предела, после чего наблюдается ее уменьшение (рис. 87). Так, во влагонасыщенном мерзлом песке скорость Ур уменьшается с 5070 м/с при 1 = = — 47 °С до 3500 м/с при / = — 100°С (см. кривую 7). При сохранении в общих чертах зависимости Vр(^) абсолютные значения скорости упругих волн и интенсивность их изменения при понижении температуры являются функциями не только состава породы, но и режима охлаждения. Быстрое (со скоростью 4°С/мин) понижение температуры приводит к резкому возрастанию, а затем и к уменьшению скорости при глубоком охлаждении (ниже —50° С), в то время как медленное охлаждение породы того же состава с выдерживанием образца при фиксированной температуре через каждые 10° С обусловливает значительно меньшую интенсивность изменения скорости (см. кривую на рис. 87).

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 87. Изменение скорости распространения продольных волн при глубоком охлаждении образцов мерзлого влагона-сыщения песка (пористость п «38%):

/ — быстрое охлаждение; 2 — отепление; 3 — медленное охлаждение

Такие изменения скорости можно объяснить следующим. Начальное возрастание скорости упругих волн связано с интенсивными фазовыми переходами воды в лед. При этом возникает поликристаллическая монолитная мерзлая порода с зернами льда и кварца, разделенными граничными зонами. Дальнейшее понижение температуры до

  • (10ч- 15) °С характеризуется значительно менее интенсивным, но все же вполне ощутимым ростом скорости Vр, что, по-видимому, связано с замерзанием части связанной воды в граничных зонах. В диапазоне температур — (15-т-ЗО) °С рост ар незначителен и его можно объяснить вымерзанием остатков жидкой фазы и возрастанием напряженного состояния зерен льда. Наконец, в диапазоне температур

  • (304-47) °С вновь наблюдаются увеличение интенсивности возрастания и достижение максимума скорости ^р. Последнее можно объяснить возникновением систем очень мелких микротрещин в зернах льда, вызывающих увеличение их прочности и упругости [60, 61]. При дальнейшем понижении температуры развиваются более крупные микротрещины, что существенно уменьшает жесткость породы, а следовательно, приводит к уменьшению скорости упругих волн. Следует иметь в виду, что коэффициенты а линейной деформации компонентов породы существенно отличаются. 

Развитие процесса растрескивания подтверждается акустическими импульсами, создающими резкие кратковременные искажения волновой картины на экране осциллографа, наблюдаемые только при уменьшении скорости упругих волн, а также минераграфическими наблюдениями шлифов под микроскопом.

При медленном охлаждении происходит частичная релаксация напряжений, в результате чего растрескивание бывает не очень интенсивным, скорость изменяется более плавно, а уменьшение ее начинается при более низкой температуре (см. кривую 2 на рис. 87).

Рассмотренная зависимость носит ярко выраженный гисте-резисный характер. Он проявляется в том, что повышение температуры породы после ее охлаждения до —110°С приводит к увеличению скорости, но по другому закону, чем при охлаждении. Так, повышение температуры от —110 до —50 °С практически не вызывает заметных изменений скорости V? и только при дальнейшем ее повышении скорость возрастает. Температурный гистерезис скорости упругих волн можно объяснить необратимостью процессов трещинообразования. Можно предположить, что при повышении температуры сильно охлажденной породы с растрескавшимися зернами льда происходит постепенное уменьшение поперечных размеров трещин как за счет расширения зерен льда, так и вследствие интенсификации процессов диффузии (эффект «отжига»). При достижении определенного, достаточно малого размера микротрещин этот процесс должен вызвать увеличение прочности (жесткости) материала. Действительно, скорость V? начинает возрастать при температуре —40 °С. Дальнейшее повышение температуры характеризуется практически линейным возрастанием скорости, что свидетельствует о продолжении процесса упрочнения материала. Уменьшение интенсивности возрастания 1>р, начинающееся при /= — 15°С, можно объяснить возникновением водных пленок в микротрещинах. Последнее обеспечивает монолитизацию породы и вызывает приближение скорости V? к первоначальным значениям.

Следует отметить, что практически все имеющиеся данные о скорости распространения упругих волн относятся к мерзлым породам с массивной текстурой, влияние же других типов криогенных текстур на скорость изучены слабо. Косвенным подтверждением зависимости скорости упругих волн от текстуры мерной породы одного и того же состава является разница значений скорости в суглинках и глинах одного и того же состава, замороженных быстро и медленно. В некоторых случаях она достигает весьма больших значений — около 400 м/с [91]. Кроме того, по данным А. Т. Акимова [2], коэффициент анизотропии скоростей в мерзлых глинах может достигать значений 2,45. На наличие анизотропии указывает и Ч. Каплар [129].

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Не менее важным, но пока мало исследованным является затухание упругих волн в мерзлых породах. Так, по данным лабораторных измерений [6, 91, 92, 102] и полевых экспериментов [2], коэффициент затухания ультразвука в мерзлых песча-но-глинистых породах в диапазоне 30—200 кГц находится в пределах 0,05—0,2 см-1, возрастая в талых образцах ло единиц и десятков сантиметров в минус первой степени. Имеются данные о линейной зависимости коэффициента затухания от частоты колебаний для мерзлого песка [6]. Целесообразно сделать расчет температурной зависимости коэффициента затухания, исходя из приведенных выше (см. табл. 7 и рис. 77) данных о модулях упругости и эффективной вязкости. Результаты таких расчетов приведены на рис. 88. Они находятся в хорошем соответствии с упомянутыми результатами экспериментов.

Несмотря на недостаточную и неравномерную изученность особенностей распространения упругих волн в мерзлых породах, приведенные обобщенные данные позволяют обосновать соответствующую классификацию этих пород по скорости распространения упругих волн. Известно, что основные дисперсные и пористые влагонасыщенные породы в талом состоянии располагаются в следующий ряд (в порядке возрастания скорости распространения в них продольных упругих волн): песок, супесь, суглинок, глина, песчаник, мергель, мел, известняк. Правда, в зависимости от влажности, структуры и текстуры каждая из этих пород характеризуется определенными диапазонами значений уР, которые могут частично перекрываться, однако выделенный ряд обособляется достаточно четко (рис. 89, кривая 1> >0). Для мерзлых пород подобная классификация может быть ^построена только при учете влияния температуры, льдистости и напряженного состояния. Иначе породы разного литологическо-го состава невозможно разделить даже по средним значениям скорости. Определяющей является температура породы. Для фиксированных значений температуры можно дать скоростную классификацию мерзлых пород, характеризующую многообразие их свойств в зависимости от литологического состава. На рис. 89 приведена такая классификация для ряда фиксирован-

ных температур, составленная нами в результате обобщения экспериментальных данных. Как следует из диаграммы, в мерз* лом состоянии по абсолютным значениям скорости распространения продольных упругих волн можно выделить лишь влаго-насыщенные чистые кварцевые пески при температуре ниже — (2ч-3)°С. Остальные песчано-глинистые и карбонатные породы могут характеризоваться одинаковыми значениями Ур.

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Рис. 89. Диаграмма распределения пород различного литологического состава по скорости рас- ! пространения упругих продольных волн

Однако, если рассматривать эти породы при определенной отрицательной температуре, то оказывается, что в среднем они достаточно четко и закономерно разделяются по величине скорости Vр.

Таким образом, распределение влажных пород в мерзлом состоянии по значениям ^р совершенно иное, чем в талом (см. рис. 89), что обусловлено различным характером фазовых переходов вода — лед в породах разной дисперсности и литологического состава.

Приведенные данные о специфике распространения упругих волн в мерзлых породах необходимо учитывать при выполнении геофизических работ сейсмическими и акустическими методами в районах распространения мерзлых пород при изучении их физико-механических свойств и процессов и создании акустических методов контроля и оценки их фазового состава и состояния. Следует иметь в виду, что изменения литологического состава, льдистости, криогенной текстуры и напряженного состояния, которые часто имеют место в натурных условиях, могут приводить к значительным отклонениям абсолютных значений скорости упругих волн от средних значений. В связи с этим при применении сейсмо-акустических методов необходимо выполнять определенный объем параметрических измерений скорости упругих волн в основных разновидностях пород данного участка с учетом результатов мерзлотно-геологическога районирования.

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:2854 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:5772 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:2935 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Аэрокосмические съемки.

12.1 Приборы аэрокосмической съемки Съемка больших территорий в настоящее время осуществляется методами фотограмметрии, изучающей способы и технологию определения форм, размеров, положения в пространстве, количественные и качественные характеристики объектов по их...

13-08-2010 Просмотров:15128 Инженерная геодезия. Часть 2.

Карты разностей базисных поверхностей.

Карты разностей базисных поверхностей Помимо карт базисных поверхностей, для изучения новейших движений земной коры за отдельные отрезки геологического времени составляют карты разностей базисных поверхностей. Для этой цели вычитают графически базисную поверхность...

18-08-2010 Просмотров:5815 Морфометрический метод.

Обобщение наблюдений "предвестников…

Многочисленные наблюдения в сейсмоактивных регионах показали, что подготовка ряда сильных землетрясений сопровождалась возмущением различных геофизических полей: режима слабой сейсмичности, наклонов и деформации земной поверхности, уровня подземных вод, химического состава, проводимости...

15-11-2010 Просмотров:4142 Сейсмический процесс