ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОССТРОЯ СССР
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО МЕТОДИКЕ ИЗУЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЛЬДОВ И КРИОГЕННОГО СТРОЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
МОСКВА 1969
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОССТРОЯ СССР
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО МЕТОДИКЕ ИЗУЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЛЬДОВ И КРИОГЕННОГО СТРОЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
МОСКВА 1969
играет сегрегация, и если грунт с базальной текстурой нельзя приравнивать ко льду вследствие преобладания грубозернистого и крупнообломочного материала (галька, щебень и т.п.), то при определении льдистости пород с атакситовой текстурой, по-видимому, следует приравнивать их к слою льда.
2.07. Существуют сложные шлировые криогенные текстуры, образующиеся в результате наложения одних типов и видов текстур на другие. В этом случае выделяются шлиры первого порядка -наиболее крупные в разрезе; текстура собственно называется текстурой первого порядка. Текстуры подчиненные, образованные или-рами меньшей толщины, текстурами второго порядка и т.д. Например, довольно часто встречается сложная криогенная текстура трех порядков в эпигенетически промерзиих ленточных глинах:крупносетчатая толстоалировая - первого порядка, среднесдоистая тонкою ирова я - второго порядка и мелкосетчатая микроилировая -третьего порядка.
2.08. В полевых условиях можно ориентировочно оценить важнейшие характеристики мерзлого грунта: объемную льдистое» за счет ледяных шлиров (Лек)* суммарную влажность (Wc ) и объемный вес ( Уд* )• Методика определения этих характеристик дается в "Рекомендациях по методике лабораторного определения физических свойств мерзлых грунтов".
Определение суммарной влажности мерзлых грунтов, имеющих толсто- и среднешлировую слоистую, сетчатую и ячеистую криогеи-ную текстуру, при расстоянии ыежду соседними шлирами льда более I см, по общепринятым методикам требует отбора больного количества образцов с последующей их обработкой. Целесообразнее суммарную влажность грунтов определять путем расчета объемной
- II -
илировой льдистости по методикам, изложенным в вышеуказанных "Рекомендациях..."
2.09. В случав отсутствия естественных или искусственных обмжаний, криогенная текстура мерзлого грунта может быть ориентировочно оценена по кернам из скважин. Для грунтов со слоистой текстурой определение Н* , Wt . производится по указанным выше рекомендациям. Для грунтов с сетчатой и ячеистой криогенными текстурами определение "Wc »« п0 керну всегда будет несколько занижено, в связи с невозможностью учета льдистости
за счет вертикальных влиров льда.
2.10. Предлагаемые методы определения влировой льдистости применимы в основном к эпигенетическим мерзлым толщам м очень реджо ж сингенетическим. Льднегость сингенетических мерзлых толц определяется через влажность по общепринятым методикам.
2.П. Полевое лзученле криогенной текстуры состоит в детальном описании ледяных включений, их ориентировки в пространстве и морфогенетических характеристик, взаимоотношения с вмещающими минеральными грунтами.
2.12. Изучение текстурообразующего льда в поле состоит в визуальном описании текстуры и структуры льда. Способы изучения разработаны в соответствующих методиках.
Наибольшую техническую трудность представляет изучение льда-цемента. Методика полевого изучения его не разработана.
При необходимости его изучения следует отбирать образцы и проходить лабораторное исследование по соответствующим методикам.
Изучение текстуры и структуры сегрегационного и жильного жлирообразующего льда не представляет особых затруднений и описано в рекомендуемых методиках.
- 12 -
2.13. Лед-цемент характеризуется стекловатой текстурой и адлотриоморфной мелкозернистой структурой.
Сегрегационный лед имеет пузырчатую, иногда слоистую, реке стекловатую текстуру, гипидиоморфную мелко- и среднеэернистую, реже крупнозернистую структуру. Размер зерен льда находится в прямой зависимости от размера шлира: чем больше толщина шлира, тем крупнее размер зерен.
Хидьный лед имеет пузырчатую часто радиально-лучистую текстуру, гипидиоморфную разнозернистую структуру. Размер кристаллов льда также зависит от размеров жилок-шлиров.
3. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЙ КРУПНЫХ СКОПЛЕНИЙ ПОДЗЕМНОГО ЛЬДА
3.01. Крупные скопления подземного льда встречаются реже, чем текстурообразующие льды. Однако их значение очень велико. Большинство катастрофических деформаций сооружений в области многолетнемерзлых грунтов связано с недоучетом или неправильным толкованием генезиса и особенностей распространения крупных залежей льда. Умение правильно определить генезис льда, выяснить форму, размеры, условия залегания и распространения крупных скоплений льда позволяет прогнозировать возможные последствия его вытаивания.
3.02. Крупные скопления подземного льда по их значению в криогенном строении мерзлых толщ можно расположить в таком порядке: I) повгорножильные; 2) пластовые залежи сегрегационного и инъекционного льда; 3) погребенные; 4) пещерные.
Распределение этих типов подземного льда в мерзлой толще и закономерность их географического распространения связаны с условиями и способом его образования.
3.03. Пювторножильные льды - наиболее распространенный тип крупных скоплений подземного льда. Она могут встречаться в любых достаточно льдистых рыхлых и даже полу скальных мерзлых грунтах, но в определенных природных условиях. Анализ распространения растущих в данное время повторножильных льдов показывает, что в континентальных условиях южная граница их распространения примерно совпадает с положением изотермы минус 3° для многолетнемерзлых грунтов в подоиве зоны годовых теплооборотов. В зависимости от местных природных особенностей района она может отклоняться на * 1-2°• В условиях океанического климата (север Европейской части СССР, Чукотка) эта граница примерно совпадает с положением геоизотермы - 1,0^(приложение 3).
3.04. Если морозобойному растрескиванию подвергается эпигенетическая мерзлая толща, то возникают эпигенетические ледяные жилы. Их высота обычно до 4 - 5 м, максимально до 10 м; марина поверху 1-3 м, максимально до 4-5 м.
3.05. Если морозобойное растрескивание происходит одновременно с формированием эпигенетической мерзлой толщ* то возникают как эпигенетические, так и сингенетические жилы льда. Высота последних может достигать нескольких десятков метров, а иирива поверху - 10 и. Строение сингенетических ледяных жил отличается от строения эпигенетических тем, что годовые слои в них начинаются не от горизонтального верхнего контакта килы, как в эпигенетических, а от боковых контактов жилы (приложение 4), Большая высота ледяных жил определенно свидетельствует о сингенетическом способе их образования. Небодыие вертикальные размеры могут иметь и эпигенетические м сингенетические ки-
- I* -
лы льда.
3.06. Повторножильные льды отличаются от всех других типов подземного льда своеобразными текстурными особенностями, связанными с образованием жилок льда и обилием примесей. Примеси разделяются на два вида: автогенные - соли и газы, растворенные в воде и выделившиеся при кристаллизации воды; ксеногенные - внесенные водой минеральные частицы и органические остатки, а также воздух, содержащийся в порах между кристаллами сублимационного происхождения. Состав и количество примесей во льду зависит от водного режима поверхности грунта во время формирования жилы. Внутри жил могут встречаться ксенолиты вмещающих грунтов.
Состав и количество примесей определяет цвет ловторножидьно-го льда и четкость слоистости. Лед, сильно загрязненный минеральными примесями, имеет темно-серый или бурый цвет и четкую вертикальную слоистость. Слоистость часто неправильная, извилистая и пересекающаяся; границы слоев расплывчаты вследствие переплав-ления контактов.
Лед, слабо загрязненный твердыми примесями, но имеющий большое количество газообразных примесей, отличается белесоватым цветом м неясной расплывчатой вертикальной слоистостью. Уинераль-ные примеси в ном рассеяны в виде отдельных разобщенных гнезд и слоистость создается только неодинаковым содержанием газообразных включений в соседних слоях.
3.07. Если глубина залегания верхних концов ледяных жид под поверхностью почвы равна мощности сдоя сезонного протаива-ния, то такие жилы в бодьиинстве случаев являются раотущими.одним из характерных признаков современного росте хил является на-
- 15 -
дичие молодых ростков, доходящих своей верхней поверхностью до подоим слоя сезонного протеивания. Если до слоя сезонного про-таиванмя хилы не доходят, то они находятся в стадии консервации.
3.08. Хилы могут находиться в погребенном состоянии и залегать на любой глубине. Если происходит перерыв в формировании хилы и накопление отложений, то возобновление морозобойного растрескивания и росте ледяных хил приводит к образованию двухтрех и многоярусных систем ледяных хил. Ориентировка систем в пространстве может не совпадать.
Распространение современных и древних (погребенных) ледяных хжл показано на карте (приложение 3).
3.09. Сегрегационные и инъекционные льды образуют не только мелкие шлиры, но и крупные залежи. Наиболее крупные пластовые залехи возникают при эпигенетическом промерзании водоносных горизонтов. Их формирование может происходить на значительных глубинах, и тогда на поверхности они не выражены.
Более мелкие залехи сегрегационного и инъекционного льда наблюдаются в ядрах современных бугров, полос и площадей пучения.
3.10. Крупные залехи сегрегационного и инъекционного льда по целому ряду признаков отличимы от повторножидьного и погребенного льдов (приложение 3). Вместе с тем различия в строении сегрегационного ■ инъекционного льда пока изучены слабо.
Пластовые 8адехи льда являются древним! образованиями. Они существуют иногда десятки тысяч дет. Современные ледяные ядре бугров, полос н площадей пученжя могут быть как свэонннмж, тех ■ многолетними (существующие сотни, реке тысячи лет).
УДК 551-525.5 ♦ 624.139
Дастся рекомендации по методике полевых исследований подземных льдов, образующих как крупные скопления, так и мелкие - текстурообразуете, рекомендации по методике неуче ния криогенного строения многолетнемерзлых пород в целом. Приводятся рекомендации по определение макрольдистооти ыно-голеткемерзлых грунтов за счет повторножильных льдов, дается общая схема описания и отображения в материалах результатов исследований криогенного строения многолегнемерзлых грунтов.
Б приложениях даны рабочие классификации: подземного льда криогенного строения и криогенных текстур, карты распространения на территории СССР повторножильного и инъекционного льдов, таблицы текстурных и структурных признаков различных типов подземного льде, образец геокриологического разрева и специальные условные обозначения к нему.
Рекомендации утверждены геокриологической секцией ученого совета Производственного и научно-исследовательского институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР.
Редакционная коллегия:
д-р геогр.наук Н.А. Граве (председатель) д-р геогр.наук И.Я. Баравов канд.геол.-минерал.наук С.П. Абрамов
ПРЕДИСЛОВИЕ
В эадачу инженерно-геологических изысканий в области распространения многолетнемерзлых грунтов входит определение характера и степени их иъдистостм. Для рациональной постановки изысканий необходимы специальные геокриологические исследования с целью выяснения происхождения льда в грунтах, так как каждый мд льда имеет свои закономерности распространения, форму, размеры и строение, знание которых существенно облегчает процесс изысканий*
Дед является именно тем компонентом мерзлого грунта, который определяет большую изменчивость его прочностных свойств при переходе температуры через ноль градусов*
В предлагаемых рекомендациях очень кратко рассматриваются вопросы изучения подземных льдов и криогенного строения мно-годегнемерзлых пород в поле* Они не являются строгой инструкцией по производству полевых исследований. Рекомендации - один из документов, позволяющих изыскателю правильно ориентироваться в выборе методов изучения подземных льдов и способах отражения кх в материалах изысканий* Для исследователей, желающих более подробно ознакомиться с вопросами методики исследований, механизма формирования и строения подземных льдов, в соответствующее местах сделаны ссылки на специальные работы, а в конце рекомендаций приводится список основной рекомендуемой справочной ■ методической литературы.
Рекомендации составлены в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя СССР Б.И* Втюрмным.
- 4 -
I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ
1.01. Лед, содержащийся в грунте, называется подаем-н ы м. Основные свойства мерзлых грунтов определяются ко диче с т-вом и особенностями распределения в них льде. В мерзлом грунте лед содержится либо в виде прослоек, прожилок, дина, гнезд ■ т.п., либо в видо крупных скоплений, представляющих собой моно-минеральную породу.
1.02. Подземные льды по месту и способу образования делятся на внутригрунтовые, образовавшиеся в грунте в процессе его промерзания (первичные) или после промерзания (вторичные), и первично-поверхностные - погребенные, образовавшиеся на поверхности и впоследствии захороненные (Приложение I).
1.03. Первичный внутригрунтовый лед (цементный, цементно-сегрегационный, инъекционный и отчасти жильный) формируется в основном в результате кристаллизации внутригрунтовых вод. Вторичный внутригрунтовый лед (жильный, повторножильный, пещерный) представляет собой продукт кристаллизации поверхностных вод и водяных паров в трещинах и пустотах мерзлых грунтов.
Погребенные льды по составу, строению и месту их обрезовш-ния делятся на снежный, ледниковый, наледный, озерный, речной, морской и подводный.
1.04. Первичные внутригрунтовые льды могут быть представлены как в виде породообразующего минерала полиминеральных мерзлых грунтов, так и мономинеральной горной породой в форме крупных пластовых залежей (сегрегационный и инъекционный лед). Эти льды присущи любому мерзлому грунту, рыхлому до промерзания, и составляют преобладающую часть подземного льда в пригоне. Они
- 5 -
поддаются количественному учету при полевых исследованиях.
Вторичные внутригрунтовые льды могут быть породообразующим минералом мерзлых грунтов (жильный лед) и иономинеральной горной породой (повторножильный лед), образующей обычно закономерные системы ледяных тел, поддающихся количественному учету на значительных площадях, непосредственно при полевых исследованиях.
Пещерные льды встречаются очень редко, только в специфических условиях, и представляют линь некоторый практический интерес.
Погребенные льды встречаются спорадически преимущественно в сингенетических многолетнемерзлых грунтах в специфических условиях. Они могут образовывать наиболее крупные скопления, но составляют наименьшую часть подземного льда в природе, и практическое значение их небольшое.
1.03. Первичные и частично вторичные внутригрунтовые льды образуют специфические криогенные текстуры, поэтому называются текстурообразующими.
Криогенная текстура - это особое строение мерзлой породы, создаваемое взаиморасположением гекитурооб-разующего льда и скелета породы.
1.06. Одним из основных текстурообразующих элементов является ледяной шлир. Под ледяным шлиром понимаются ледяные прослойки, линзы, прожилки и т.п. включения льда, имеющие ограниченные размеры. Максимальная толщина шлиров условно принимается равной 0,3-0,5 м; при большей толщине образования следует называть ледяными пластами или линзами, которые уже не входят в понятие криогенной текстуры.
- 6 -
1.07. Криогенное строение грунта возникает в результате его промерзания и характеризуется тем или иным пространственным расположением всех видов подземного льда, независимо от размеров и генезиса ледяных образований.
1.08. Решающее влияние на криогенное строение грунте оказывает способ формирования мерзлой толщи. По соотношению процессов литогенеза и промерзания различают эпигенетический и сингенетический способы.
При эпигенетическом способе формирования мерзлой толщи промерзание грунта происходит после завершения его образования и частичной днтификации. При сингенетическом - промерзание грунта начинается одновременно или почти одновременно с его накоплением. Приращение мерзлой толщи идет путем последовательного перехода нижней части сезоннопротаивающего олоя в многолетне-мерзлое состояние по мере осадконакопления.
1.09. Ль дк о то с ты) мерзлых грунтов в соответствии с СНиП П-Ь. ь-66 называется отношение объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, к объему мерзлого грунта. В соответствии
с генетическими типами ледяных образований различают четыре вида льдистостм: цементационная - за счет дьда-цементе; млировая - за счет клиров текстурообраэующего льда; макродьдистость -за счет залежеобразующего льда и общая дьдкстость - за счет всех видов подземного льда.
1.10. Под текстурой льда понимаются особенности строения ледяного тела, обусловленные составом и характером распределения инородных примесей в нем (пуаврьков rasa, минеральных частиц, растительных остатков). При отсутствии примесей текстуре
льда называется стекловатой; при преобладании в объеме льда пузырьков гава - пуэырьчатой; при неравномерном (слоистом) распределении примесей - слоистой. Слоистость является одним из важнейших признаков генезиса льда.
1.11. Структурой льда называют особенности строения ледяного тела, обусловленные формой, размерами и кристаллографической ориентировкой кристаллов льда. Различают: призмати-чески-зернистую - кристаллы льда имеют правильную призматическую форму, упорядоченную кристаллографическую ориентировку (погребенные льды: озерный, речной, наледный, сегрегационный и др.); гипидиоморфно-зернистую - кристаллы льда имеют менее правильную форму и менее упорядоченную кристаллографическую ориентировку (погребенный наледный, сегрегационный и инъекционный льды); алло-триоморфнозернистую - кристаллы разнообразной формы, кристаллографическая ориентировка неупорядоченная (инфнльтрационный, повторножильный и другие льды).
1.12. По размерам кристаллов льда различают: крупнозернистый дед о поперечником кристаллов более 10 мм; среднезернистый с поперечником кристаллов 6 - 10 мм; мелкозернистый - о поперечником кристаллов - I - 5 мм и микрозернистый - менее I мм.
2. ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕКСТУР
2.01. Изучение криогенных текстур многолетнемерзлых грунтов представляет собой одну из важнейших задач полевых исследований (см. СНиП П-Б. 6-66).
Полевые исследования начинают с тщательного изучения естественных и искусственных обнажений мерзлых грунтов. Производят расчленение мерзлой толщи на горизонты, различающиеся по крмоген-
- 8 -
ному строению; каждый горизонт подразделяют на сдои» характера зующиеся определенной криогенной текстурой. Исследование свойств грунтов производят послойно, с обязательным учетом криогенной текстуры.
2.02. 8 СНиП П-Б. 6-66 все криогенные текстуры разделяются на три типа: массивные, слоистые и сетчатые. Массивные текстуры образуются исключительно льдом-цементом; слоистая и сетчатая - характеризуются наличием линз и прослоек (шлиров) льда; в грунтах сетчатой текстуры шлиры расположены в виде сетки, в
в грунтах слоистой текстуры - в виде шлиров (горизонтальных, косых, вертикальных), чередующихся с минеральными прослоями.
Такое упрощенное деление криогенных текстур на массивные, слоистые и сетчатые достаточно для расчета цементной и плировой льдистости. Методика их определения дается в "Рекомендациях по методике лабораторного определения физических свойств мерзлых грунтов", 1969 г.
2.03. Для изучения в поле криогенного строения мерзлых грунтов, в дополнение к этому делению, в приложении 2 настоящих рекомендаций дается более полная общая классификация криогенных текстур, применимая при изучении многолетнемерзлых и сезонномерзлых грунтов. Основой для разделения криогенных текстур на классы послужило распределение текстурообразующего льда в грунте. По морфологическим признакам криогенные текстуры разделяются на типы, подтипы, виды и разновидности.
2.04. Массивные текстуры широко распространены в природе, однако наибольший практический интерес представляют пишровые криотекстуры, развивающиеоя в рыхлых до промерзания грунтах при
- 9 -
сегрегационном льдообразовании. Протаивание пород с массивной, порфировидной, неподно-шлировой и шлировой с цементным типом льдообразования (в скальных и полускадьных породах) криогенными текстурами не приводит к просадкам грунтов. При промерзании Таких пород соответственно не происходит пучения. Ложно-шлировая криотекстура встречается редко, в исключительных условиях (переувлажненный торф).
2.03. По степени увеличения дьдистости оставшиеся (основные) типы илировых криогенных текстур располагаются в следующий ряд: слоистая, сетчато-слоистая, сетчатая и ячеистая.
Слоистая текстура образуется линзовидными шлирами льда. 6 зависимости от положения шлиров она подразделяется: на горизонталь но-, косо- и вертикальнослоистую.
Сетчатая текстура образуется двумя взаимопересекающиыися системами шлиров. Встречается в природе не менее часто, чем слоистая. Сеть шлиров может быть также ориентирована в пространстве: вертикально, косо или горизонтально.
Ячеистая криогенная текстура образуется тремя взаимопересе-кающимися системами шлиров. Встречается реже сетчатой, главным образом в пластичных переувлажненных суглинках и глинах.
2.06. Атакситовая текстура причисляется к классу шлировых условно. В этой текстуре лед количественно преобладает над грунтом. Грунт располагается в виде беспорядочных скоплений во льду. Мощность горизонта с атакситовой текстурой может быть от нескольких сантиметров до нескольких метров.
Атакситовая текстура по механизму формирования льда сходна о базально-массивной. В отличив от базальной здесь главную роль
