Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. STRONG Изученность арктических побережий с развитыми на них береговыми процессами .
История изучения криолитозоны Арктических STRONG
1.1. История изучения криолитозоны Арктических побережий 8
1.2. Основные береговые геокриологические процессы, их роль в разрушении арктических побережий 9
1.3. Основные факторы природной среды, влияющие на разрушение арктических берегов 15
Выводы к главе
2.1. Природные особенности изучаемого региона риолог ности изучаемого региона 23
условия района работ 28
2.2. Геокриологические
ГЛАВА 2. Характеристика района исследований 22
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования состава, строения и свойств мерзлых и оттаявших пород западного побережья байдарацкой губы 37
3.1. Методы экспериментальных исследований 37
3.2. Результаты экспериментальных исследований 44
3.3. Исследование изменчивости свойств пород по глубине 66
Выводы к главе 3 72
ГЛАВА 4. Скорости отступания и характер разрушения береговых уступов 74
4.1. Методика исследований 75
4.2. Результаты анализа КФС и DGPS за длительный период 79
4.3. Результаты исследований характера и скоростей отступания берега при краткосрочных наблюдениях 87
Выводы к главе 4 90
5.1. Методика проведения расчетов 92
5.2. Результаты м
Выводы к главе 5 101
роведения расчетов 92
5.2. Результаты моделирования и их обсуждение 97
Выводы к главе 5 101
Основные выводы 103
Список литературы
- Основные береговые геокриологические процессы, их роль в разрушении арктических побережий
- Основные факторы природной среды, влияющие на разрушение арктических берегов
- Результаты экспериментальных исследований
- Результаты исследований характера и скоростей отступания берега при краткосрочных наблюдениях
Введение к работе
Актуальность работы
На шельфе Арктического сектора сконцентрировано большое количество еще не использованных энергетических ресурсов, поэтому его исследование приобретает сейчас особое значение. Освоение северных территорий требует четкого учета изменчивости природной среды, вызванной как естественными факторами, так и техногенным воздействием. Без знания характеристик приповерхностных рыхлых отложений невозможно моделирование природной среды и прогнозирование криогенных процессов.
Исследования проводились в рамках международного проекта SAMCoT (Sustainable Arctic Marine and Coastal Technology), направленного на лучшее понимание особенностей природной среды и ее изменчивости при техногенном воздействии.
Комплексное изучение и исследование закономерностей развития процессов разрушения берега, а также выявление вклада различных факторов в развитие этих процессов позволит в дальнейшем использовать полученные данные для инженерно-хозяйственных целей, например, для составления геокриологических и инженерно-геологических прогнозов и расчетов, которые невозможно осуществить без знания входных параметров, характеризующих отложения.
Цель и задачи исследований
Целью исследований было установление взаимосвязи между составом, строением и свойствами пород и особенностями разрушения берегов с развитыми на них криогенными процессами, на примере участка западного побережья Байдарацкой губы.
Для выполнения поставленной цели автором решались следующие задачи: 1. Охарактеризовать Байдарацкую губу с ее побережьями, основные береговые геокриологические процессы и их роль в разрушении берегов, основные факторы природной среды, влияющие на разрушение побережий
Арктики, природные особенности региона исследований, и, в частности, геокриологические характеристики района работ.
-
Провести полевые работы в течение нескольких полевых сезонов (2012-2014 гг.), включающие: исследование природных особенностей района работ; изучение состава, строения и свойств пород побережья; измерения температурного режима, глубины сезонного протаивания; оценку скорости и характера разрушения берегов, сложенных мерзлыми породами различного состава.
-
Провести лабораторные исследования отобранных в полевых условиях образцов, в частности: определить содержание органического вещества и легкорастворимых солей в отложениях; изучить фазовый состав влаги мерзлых пород в диапазоне отрицательных температур; исследовать гранулометрический состав пород; определить водно-физические, теплофизические и физико-механические свойства отобранных образцов и температуру начала замерзания.
4. Провести камеральную обработку полевых и лабораторных данных,
установить закономерности изменения состава, строения и свойств пород
выбранного участка побережья; исследовать скорости и особенности
разрушения берегов за различные периоды времени, в том числе, на основе
космических снимков разных лет.
5. Провести расчеты глубины сезонного протаивания пород и
моделирование процесса отступания берега, связанного с термоденудацией, на
основе имеющихся лабораторных и полевых данных; выявить влияние состава,
строения и свойств пород на характер разрушения берегов; оценить диапазоны
скоростей разрушения для данного региона.
Научная новизна работы
Проведены комплексные исследования состава, строения и свойств дисперcных пород. Получены новые данные, оценены возможные диапазоны изменения исследуемых характеристик и выявлены закономерности изменения фазового состава влаги и теплофизических свойств в зависимости от
влажности, плотности, температуры, засоленности и заторфованности, характерные для пород данного района. Получены закономерности изменения состава, строения и свойств талых и мерзлых пород по глубине и установлена связь всех исследуемых параметров.
Оценены скорости отступания изучаемого участка берега за различные промежутки времени; на основе имеющихся данных выделено несколько областей, характеризующихся различными скоростями и характером разрушения; показано влияние различных процессов, способствующих отступанию бровки террасы; оценено влияние высоты уступа на скорость разрушения берега.
Проведено моделирование и получены количественные характеристики, отражающие вероятные диапазоны изменения скоростей отступания бровки в зависимости от состава слагающих ее пород; выявлено влияние физических и теплофизических свойств отложений на величины отступания берегового обрыва при различной частоте удаления оттаявшего материала.
Защищаемые положения
-
Экспериментально установлены закономерности изменения состава, строения и свойств талых и мерзлых пород, выявлена связь всех исследуемых параметров между собой в пространстве и по глубине. По физическим и теплофизическим параметрам изученная территория имеет неоднородный характер, что оказывает влияние на неоднородность разрушения берега и скорость его отступания на различных участках.
-
Пространственная и временная изменчивость скорости разрушения берегов на различных участках определяется термокарстовыми, термоэрозионными и термоденудационными процессами, особенностями волнового воздействия, а также геологическими и геокриологическими особенностями пород, слагающими береговые уступы. В последние годы (2012-2015 гг.) скорость отступания на высоких берегах оказывается выше, чем на сниженных элементах рельефа, в то время как наблюдения за длительный
период времени (2005-2012 гг.) показали аномально быстрые темпы смещения бровки на низких участках.
3. Скорость разрушения побережья за счет термоденудации зависит и определяется составом и теплофизическими свойствами пород, кроме того, наибольшее влияние на скорость отступания бровки оказывает режим удаления оттаявших отложений. В результате моделирования получены наиболее вероятные скорости отступания побережья, сложенного отложениями различного состава и свойств.
Практическое значение работы
Выявленный широкий спектр характеристик талых и мерзлых пород может быть использован для прогнозных оценок свойств дисперсных отложений различного гранулометрического состава.
Полученные данные могут быть использованы для расчета и составления рекомендаций при проведении различных инженерно-геокриологических мероприятий по защите от дальнейшего разрушения берега, в случае ведения на изучаемой территории хозяйственной или какой-либо иной деятельности.
Результаты моделирования могут быть использованы при выполнении работ по выполаживанию склонов от моря к суше, например, при прокладке подземных трубопроводов или иных видов коммуникаций.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях, из них 2 статьи из перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК. Полученные результаты были представлены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2013), 4-ой Европейской конференции по мерзлотоведению (Эвора, 2014), Региональной конференции Международного географического союза «География, культура и общество для будущего Земли» (Москва, 2015), Международной конференции «Вечная мерзлота в XXI веке: фундаментальные и прикладные исследования» (Пущино, 2015), на 5-ой конференции геокриологов России «Геотехника в криолитозоне» (Москва, 2016). Кроме того, поскольку работа проводилась в
рамках международного проекта SAMCOT (Sustainable Arctic Marine and Coastal Technology), результаты были доложены на 4 рабочих встречах в Норвегии.
Личный вклад автора
Отбор образцов для лабораторных исследований, изучение температурного режима пород, состава, строения и свойств пород проводились автором в течение нескольких полевых сезонов на побережье Байдарацкой губы в составе экспедиций МГУ в рамках проекта SAMCOT. В ходе самостоятельной поездки (сентябрь 2013) определялась глубина сезонного протаивания. В полевых условиях автором при бурении исследовались концентрации порового раствора отложений, естественные влажности и плотности, а также проводилось изучение теплопроводности пород в естественных обнажениях.
В ходе лабораторных исследований выполнено около 1500 экспериментов по изучению физических, теплофизических свойств и фазового состава влаги, для части образцов (16 монолитов) определены физико-механические свойства.
Обработка всех полевых данных, включая данные DGPS-съемки и
геодезического нивелирования поверхности, а также проведение
моделирования в программе «Qfrost» выполнялось непосредственно автором.
Структура и объем работы
Основные береговые геокриологические процессы, их роль в разрушении арктических побережий
Изучение побережий северных морей и океанов началось в XIV- XVI веках, в эпоху Великих географических открытий в Арктике. Много позднее, уже в ХХ веке наступил этап активного хозяйственного освоения Арктического побережья. Освоение трассы Северного морского пути, сопровождаемое изысканиями под портовые сооружения, разведка полезных ископаемых в береговой зоне арктических морей привлекли особое внимание к данной территории.
Начальным можно считать временной интервал с первых северных экспедиций до 1930-х гг. На этом этапе происходит накопление первичных данных о разрушении берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами. Фактические материалы описательного характера были получены такими выдающимися исследователями, как П.Ф. Анжу, Э.В. Толль, А.В. Колчак и другие.
Второй этап продолжался с 1930-х годов по 1990-е. В начале этого периода, с общегеологической и общегеографической позиций, В.П. Зенковичем, А.К. Воллосовичем, М.М. Ермолаевым, Д.Г. Пановым и др. изучались геоморфология береговой зоны и особенности строения отложений, слагающих берега арктических морей и склоны прибрежных низменностей. Позднее, со становлением геокриологии (мерзлотоведения) как отдельной науки, изучение многолетнемерзлых пород (ММП) и льдов побережий Арктики проводилось уже геокриологами и криолитологами А.И. Поповым, П.Ф. Швецовым, П.А. Шумским, Б.И. Втюриным, Е.М. Катасоновым и другими [35]. Одновременно с изучением Российской Арктики, исследования арктического побережья Северной Америки с седиментологической, геоморфологической, геокриологической и геологической точек зрения проводились Дж.Р. Маккеем [106], Р.Левелленом [104], Дж.Д. Хьюмом [99], Д.М. Хопкинсом и Р.В.Хартцем [126], Е. Реймницем [113] и др. Таким образом, к 80-ым годам ХХ века был накоплен значительный фактический материал, характеризующий количественно и качественно разрушение побережий различных частей Арктики, а также выявлены основные факторы формирования тех или иных криогенных процессов. Основные результаты и данные их обобщения по состоянию на конец 1970-х представлены в монографии Ф.Э. Арэ «Термоабразия морских берегов»[7]. 1.2. Основные береговые геокриологические процессы, их роль в разрушении арктических побережий
Современный этап изучения арктической криолитозоны, длящийся с середины 1990-х годов по настоящее время, связан с активным освоением крупных месторождений нефти и газа. Наиболее подробно изучены природные условия для отдельных промышленных участков в пределах западных арктических побережий России: в районе пос. Ямбург (Обская губа), в районе пос. Харасавэй, метеостанции Марре-Сале и на участке перехода проектируемого газопровода через Байдарацкую губу в Карском море, а также в районе пос. Варандей в Печорском море [78]. Материалы изысканий и их обобщение для берегов Карского и Баренцева морей представлены в монографии «Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей» [55], а также в монографии «Природные условия Байдарацкой губы» [66]. При поддержке Международной ассоциации мерзлотоведов (IPA) и Национального научного фонда США (NSF) в 2000г. был начат крупный проект по изучению динамики арктических побережий (ACD), который был направлен на усиление и интенсификацию исследований береговой зоны в Арктике. Этот проект успешно развивается до настоящего времени, активно поддерживается IPA и Международным арктическим научным комитетом [14]. В связи с повышенным интересом к изучению арктического региона в апреле 2011 года был начат крупномасштабный международный проект SAMCoT, направленный на развитие надежных технологий, необходимых при постоянной разведке и разработке важного и достаточно уязвимого Арктического региона. Этот проект позволит решить проблемы, вызванные ледовым режимом, мерзлотой и изменением климата в интересах энергетического сектора и общества.
Изучение береговых процессов является достаточно актуальным вопросом в связи с активным освоением арктических побережий, сложенных очень чувствительными к внешним воздействиям ММП. и роль ка дого из них Основными экзогенными геокриологическими процессами, воздействующими на берега морей, являются термоабразия, термоденудация, термокарст и термоэрозия – комплекс взаимосвязанных процессов переработки берегов, и роль каждого определяется совокупностью элементов геолого-географической среды [17, 18]. по изучени На сегодняшний день имеется большое количество литературных данных разрушения берегов Арктических морей под воздействием геокриологических процессов. Среди российских ученых этими проблемами занимались Ф.Э. Арэ, Н.Г. Белова, А.А. Васильев, М.Н. Григорьев, Л.А. Жигарев, А.И. Кизяков, В.В. Куницкий, М.О. Лейбман, А.И. Носков, С.А. Огородов, С.О. Разумов, Н.Н. Романовский, В.А Совершаев, В.И. Соломатин,
Основные факторы природной среды, влияющие на разрушение арктических берегов
Анализ данных по метеостанции Марре-Сале, сделанный А.А. Васильевым, выявил, что повторяемость ветров со скоростью выше 10 м/с (штормовые ветра) составляет не более 5%, за исключением 1998 г., когда доля ветров со штормовой скоростью достигла 18%. Однако, количественные доказательства решающей роли штормов в процессах разрушения берегов отсутствуют. В этом случае термоабразия является всего лишь одним из механизмов разрушения берегов, а вклад термоденудации составляет менее 25% от средней многолетней скорости отступания берега [115, 117].
Морфология берегов. По мнению Дж. Брауна, к местным территориальным различиям в скорости отступания берегов относятся: пространственное изменение высоты берегового уступа, содержание льда и органического вещества в породах склона, а также глубина моря [93].
Л.А. Жигарев показал, что для развития термоденудации большое значение имеет крутизна и длина склонов. Чем круче и короче склон, тем скорости таяния льда и выноса материала будут больше [35].
Мерзлотно-геологическое строение берега. В литературе имеется небольшое количество данных по изучению зависимости скорости разрушения берега от состава, строения и свойств пород, слагающих его. По мнению Ф.Э.Арэ, следующие мерзлотно-геологические особенности пород оказывают основное влияние на отступание берега: состав, льдистость, размываемость и распространение залежей подземного льда [7].
Особенности состава пород. Наиболее устойчивыми к разрушению являются берега, сложенные твердыми кристаллическими породами. К неустойчивым относятся берега, сложенные рыхлыми многолетнемерзлыми породами [19].
Хопкинс и Харц акцентировали внимание на гранулометрическом составе отложений, играющем важную роль в скорости отступания: скорость разрушения склонов, сложенных гравелистыми породами с песчаным заполнителем, значительно меньше, чем берегов, сложенных супесчано-суглинистыми пылеватыми отложениями с высоким льдосодержанием [126]. В краткосрочной перспективе (до десятилетия) на темпы разрушения береговой линии влияют различные внешние воздействия и характеристики прибрежной морфо-седиментационной системы, например: наличие тех или иных отложений, их геотехнические свойства и морфологические особенности [97, 110].
Дж.Р. Маккей, изучая побережье территории Юкона, отмечал, что быстрая скорость отступания характерна для низкого берега, сложенного тонкодисперсными отложениями с высоким льдосодержанием, и может достигать более 1 м/год [106]. Скорость отступания берега, сложенного песчаными или гравийными отложениями, значительно меньше.
Льдистость отложений. Несмотря на повсеместное распространение мерзлых пород в Арктических районах, лишь немногие исследования были посвящены изучению влияния количественного льдосодержания в отложениях на процессы отступания берега [94, 96, 115, 116, 117]. Льдистость пород влияет на их размыв неоднозначно. При ее увеличении затраты тепла на таяние льда возрастают, тем самым замедляя размыв берега. С другой стороны, избыточная льдистость приводит в дефициту наносов в береговой зоне, и следовательно, усилению процесса абразии [19]. Исследования С.Р. Даллимора, выявляя значимость количественного содержания льда в породе при развитии береговых процессов на территории северо-западной части Канадской Арктики, показали, что наличие различных видов льда в ММП благоприятно для развития береговой эрозии [94]. Высокое льдосодержание формирует локальные слабые участки, где береговая эрозия может развиваться со скоростями, значительно большими, чем наблюдаются на других участках побережья. Важную роль геологического строения и наличие ММП в динамике и механизме разрушения арктической прибрежной зоны отмечал А.А.Васильев. Он оценил влияние содержания льда в породе на скорость разрушения берегов близ метеостанции Марре-Сале. При возрастании льдосодержания от 10 до 60% скорость термоабразии возрастает от 1,7 м/год до 3,3 м/год, то есть в 1,5-2 раза [116, 117]. По данным М.Н. Григорьева, для моря Лаптевых скорость разрушения берега, сложенного ледовым комплексом, составляет 1,9 м/год, а не содержащего ледовый комплекс – 0,3 м/год; для Восточно-Сибирского моря скорость отступания берега, не содержащего ледовый комплекс, такая же, а содержащего – немного ниже (1,6 м/год) [26].
Размываемость пород. Берега, сложенные льдистыми породами, могут противостоять активным гидродинамическим факторам лишь в мерзлом состоянии, а при протаивании они теряют связность и разрушаются [19]. Показателем устойчивости пород может служить размываемость пород. В зависимости от соотношения скорости оттаивания пород и скорости их сноса водным потоком выделяется четыре типа размыва: мерзлотно-эрозионный, предельно-термоэрозионный, термоэрозионный и эрозионный [18]. В области распространения ММП чаще всего встречается термоэрозионный и предельно термоэрозионный типы размыва. При этом интенсивность разм м ва мерзл ы пород
Результаты экспериментальных исследований
Термокарст достаточно распространен на данной территории, наиболее широко развиты термокарстовые котловины в пределах поймы. Термокарстовые котловины (озера) характеризуются различной степенью развития. Примером современного развития термокарста может служить старая грунтовая дорога, идущая вдоль берега на Площадке 1, на которой отчетливо видны развивающиеся озерца («лужи») по ледяным жилам (см. рис.42Г, правая часть).
Морозобойное растрескивание пород и жильное льдообразование. Размеры полигонов, образованных полигонально-жильными льдами, на основе космо-фото снимков (КФС) варьируют в пределах 5-20 м. Общая протяженность ПЖЛ на участке в 100 м2 составляет 850 м (рис. 7). Если предположить, что отношение глубины жилы к ширине соотносится как 3:1 [107], а средняя ширина ледяных жил около 1-2 м (на основе полевых наблюдений), то средняя льдистость территории за счет ПЖЛ на основе метода, предложенного Полардом и Френчем [111], составляет 13% [92].
Термоэрозия по ПЖЛ. Распространение ПЖЛ в пределах изучаемой территории провоцирует развитие термоэрозионных процессов. При вытаивании ледяных происходит формирование оврагов (рис. 8А и 8Б), отмеченных при исследованиях участках. Деградирующие ледяные жилы при наличии небольших уклонов поверхности теплый период времени служат каналами стока для вод СТС. Пробуренная на Площадке 1 скважина № 3 вскрывала краевую часть ледяной жилы мощностью 0,45 м, кровля которой находилась на глубине 0,70 м от поверхности. Жила перекрывалась торфом, защищающим ее от протаивания.
Рис.8. Профиль 3: А – в июне 2012 г.; Б – в июне 2013 г. (фото автора) Термоабразия. Процесс имеет локальное распространение в нижних частях приморских береговых обрывов. Термоабразия наиболее интенсивна на площадке 2, где под действием этого процесса в начале лета формируются ниши в мощных еще нерастаявших снежниках (рис. 9А), а в конце лета – начале осени в мерзлых льдистых обрывах наблюдаются ниши высотой до 0,5 м и глубиной до нескольких метров (рис. 9Б).
Термоденудация и криогенные оползни имеют локальное распространение в пределах берегового обрыва. Разрушение берегов при термоденудации сопровождается сносом материала вниз по склону различными способами (рис. 10). Наличие льдистых тонкодисперсных отложений в верхней части разреза способствует активному развитию комплекса процессов, таких как оползание (рис. 10А), обваливание (рис. 10Б), сплывание, стекание (рис. 10В) и др., происходящих в процессе оттаивания.
Чаще всего в результате развития этих процессов формируются «гофрированные» (ступенчатые, микротеррасированные) береговые склоны (рис. 10А). В случае преобладания в разрезе преимущественно менее льдистых пылеватых песчаных отложений, образующих более крутую стенку, разрушение береговых уступов происходит в основном за счет осыпания и обрушения после оттаивания значительного объема пород (рис. 10Г). Рис.10. Преобладающие термоденудационные процессы на изучаемой территории: А – сползание материала; Б – обваливание; В – стекание грязевых потоков; Г – осыпание (А, Г – фото автора, Б, В – фото Э.Гуиган)
Нивация. Современные и погребенные снежники имеют широкое распространение на прибрежных участках. Их мощность пропорциональна высоте склона, и, соответственно, более длительное время они сохраняются в пределах Площадки 2, расположенной на высокой террасе. В ходе полевых работ в июне 2012 г. (самый теплый год наблюдений) было зафиксировано наличие крупных снежников мощностью до 5-8 м, распространенных на пляже. В плане снежники в зоне сочленения обрыва террасы с пляжем представляли собой полосу шириной в десятки метров. Эта полоса имела как сплошное распространение на сотни метров вдоль берега, так и состояла из отдельных фрагментов, разделенных небольшими участками обнаженного берегового уступа, где снежники отсутствовали. При маршрутных наблюдениях была отмечена «защищающая роль» снежников в областях активного процесса термоабразии, где в теле снежника была сформирована глубокая волноприбойная ниша (см. рис. 9А). Кроме того было установлено, что снежники могут эффективно «подпирать» смещающиеся по склону материал и дернину. В нижней части склона под телом снежника в период его существования гравитационные склоновые процессы полностью блокируются.
С другой стороны, снежники сами являются весьма активным фактором, вызывающим отступание береговых уступов. При снеготаянии формируются интенсивные потоки, приводящие к термоэрозионному размыву пород (рис. 11А). Кроме того, в ходе полевых исследований было установлено, что в начале теплого периода в теле снежников формируются каналы, по которым движутся водно-грязевые потоки, выносящие на пляж значительное количество грунтового материала (рис. 11Б).
Результаты исследований характера и скоростей отступания берега при краткосрочных наблюдениях
Зависимость удельной теплоемкости заторфованных отложений от объемной влажности для мерзлого (1, 3) и талого (2,4) состояния: 1 и 2 – рассчитанные с учетом Сск, определенной экспериментально, 3 и 4 – с учетом табличных значений Сск Во всех случаях значения удельной теплоемкости, рассчитанные по табличным данным, незначительно выше (разница значений 8%), что не превышает ошибку определения С.
Методом регулярного режима I рода экспериментально определялось значение коэффициента температуропроводности (а, м/с2). Метод регулярного режима, разработанный Г.М.Кондратьевым, основывается на теории Буссинеска, устанавливающей закономерность в режиме изменения температуры твердых тел. Теория метода строго обоснована для случая, когда в процессе эксперимента в образце отсутствуют источники поглощения (выделения) тепла [42, 77]. Суть метода сводится к охлаждению или нагреванию тела в среде с постоянной температурой. Вначале на процесс теплообмена тела со средой влияет неравномерность температурного поля, затем наступает стадия упорядоченного охлаждения (нагревания), называемая регулярным режимом. Эта стадия теплообмена характерна тем, что распределение температур в различных точках тела одинаково изменяется во времени, не зависит от начального состояния и зависит от формы, размера тела, его теплофизических свойств, а также условий теплообмена на границе со средой. из ерзл х 3 - 4 спай С образцом породы проводились эксперименты при отрицательных (ниже -10С) и положительных (+10С) температурах. Для исследования образцы вырезались из мер монолитов специальными металлическими формами. Образцы имели размеры: диаметр см и высота 4 - 6 см. В геометрическом центре образца устанавливался рабочий хромель-копелевой термопары, запись температуры производилась автоматически. Образцы формуле:
Зависимость коэффициента теплопроводности пород от объемной влажности в мерзлом (А) и в талом (Б) состоянии: I -пески, II супеси, III торфы. Метод определения: 1 -МИТ-1; 2 -KD2 Pro; 3 - регулярный режим 1-ого рода В мерзлом состоянии значения, полученные различными методами, могут отличаться до 60%, в талом состоянии значения коэффициента теплопроводности близки между собой. Для мерзлых отложений большие различия характерны для области высокого влагонасыщения (отложения представляют собой высокотеплопроводные ледогрунты). Для используемых зондов верхняя граница диапазона измерения равна 2 Вт/(мК).
Предельно длительное значение эквивалентного сцепления (Сqt, МПа) определялось методом шарикового штампа. Проведение экспериментальных исследований выполнялось в соответствии с ГОСТ 12248- 2010. Использовался прибор шарикового штампа конструкции НИС «Гидропроект». Опыты выполнялись при трех значениях температуры: -3С, -5С и -8С. Образцы породы выдерживались 12 часов при температуре испытаний; опыты выполнялись при нагрузках, рекомендуемых нормативным документом. Испытания проводились по ускоренной схеме (8 часов), измерения выполнялись через определенный промежуток времени, позволяя получить данные для построения полной кривой релаксации сил сцепления. На основе полученных данных было рассчитано длительное эквивалентное сцепление.
Коэффициент сжимаемости (m, МПа-1) и коэффициент оттаивания (Аth, д.е.) определялись методом компрессионного сжатия при оттаивании мерзлой породы. Нагрузку при испытаниях определяли из условия, что на первой ступени нагружения мерзлого образца давление было равно напряжению от собственного веса породы на глубине отбора образца. Затем температуру повышали и происходило оттаивание образца. Диапазон давлений выбирался в зависимости от напряженного состояния грунта в массиве с учетом нагрузок на основание и глубины залегания образца, а также температуры и влажности-льдистости образца из условия, что число ступеней было не менее пяти. Давление на каждой ступени выдерживалось до достижения условной стабилизации деформаций. По полученным значениям строились графики зависимости деформации от напряжения, по которым определялись коэффициент оттаивания и сжимаемость при оттаивании мерзлой породы. Экспериментальные исследования проводились с шестикратной повторностью.
Исследования гранулометрического состава показали, что отложения изменяются от тяжелых пылеватых суглинков до песков средней крупности, при этом большая часть разреза представлена пылеватыми и песчанистыми супесями. Результаты гранулометрического анализа представлены в форме таблиц или наглядно графически в виде интегральных (кумулятивных) или дифференциальных кривых содержания частиц, гистограмм распределения частиц по фракциям, а также в виде круговых циклограмм и треугольных диаграмм [29]. Результаты исследования показаны в виде гистограмм на рис. 15.
В мелких песках обеих террас преобладает мелкая фракция песчаных частиц (рис. 15А). В пылеватых песках низкой террасы распределение мелкой фракции песчаных частиц и крупной фракции пылеватых частиц примерно одинаково и преобладает над другими фракциями, в пылеватых песках высокой террасы наблюдается максимальное количество тонкой фракции песчаных частиц (рис. 15Б). Песчаные супеси низкой террасы разделяются на два типа: в одних преобладает тонкая фракция песчаных частиц, в других - фракции мелких песчаных и крупных пылеватых частиц (рис. 15В). Песчаные супеси высокой террасы характеризуются близким количеством всех трех перечисленных фракций, а пылеватые – преобладанием тонкой фракцией песчаных частиц и фракцией крупной пыли. В пылеватых супесях низкой террасы преобладают фракции крупной пыли и средних песчаных частиц (рис. 15Г). Суглинки (рис. 15Д, 15Е) высокой террасы характеризуются высоким содержанием крупной пыли и глинистых частиц, а для низкой террасы к перечисленным фракциям добавляются песчаные частицы.