Перевести страницу на:
|
Библиотека
|
ваш профиль |
Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».|
Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:
Тао Д., Брушков А.В., Рогов В.В., Алексеев А.Г. Микростроение мерзлых грунтов под воздействием статических нагрузок и изменений температуры // Арктика и Антарктика. 2025. № 3. С. 39-57. DOI: 10.7256/2453-8922.2025.3.74518 EDN: DPWGHN URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=74518
Микростроение мерзлых грунтов под воздействием статических нагрузок и изменений температуры
DOI: 10.7256/2453-8922.2025.3.74518EDN: DPWGHNДата направления статьи в редакцию: 16-05-2025Дата публикации: 23-05-2025Аннотация: Настоящее исследование посвящено изучению микростроения и макростроения мерзлых грунтов под воздействием статических нагрузок и изменений температуры. Основное внимание уделено анализу микроструктурных изменений в различных типах мерзлых грунтов — аллювиальных песках, супесях и морских суглинках — при длительных механических испытаниях в условиях отрицательных температур. Цель работы — выявление особенностей формирования ледяных включений, криогенных текстур, распределения льда-цемента и деформационных процессов в структуре грунта. Исследование основано на оригинальных данных, позволяющих детально анализировать пространственное распределение минеральных частиц и ледяных включений на микроскопическом уровне. Работа направлена на выявление закономерностей деформации мерзлых грунтов, обусловленных изменениями их микростроения, что имеет прикладное значение для инженерной геокриологии и прогноза устойчивости сооружений в условиях вечной мерзлоты. Для анализа микростроения использовались методы полимерных реплик и растровой электронной микроскопии. Подготовлено около 150 реплик до и после механических испытаний (одноосное сжатие, сдвиг и смерзание) четырёх типов мерзлых грунтов различной температуре и влажности (льдистости). Научная новизна работы заключается в комплексном применении метода полимерных реплик и растровой электронной микроскопии (РЭМ) для детального изучения изменений микростроения мерзлых грунтов в их естественном состоянии после длительных нагрузок. В отличие от предыдущих исследований, где микроструктура изучалась преимущественно на оттаянных образцах или с использованием менее устойчивых методов, в данной работе реплики изготавливались непосредственно с поверхности сколов мерзлых образцов, что обеспечило сохранение ледяных включений и позволило провести качественный сравнительный анализ до и после испытаний. Установлено, что статические нагрузки вызывают формирование ячеистых структур, перекрещивающихся ледяных шлиров, кольцевых структур вокруг льда-цемента, а также микротрещин, существенно изменяющих микростроение. Также зафиксированы изменения макроструктуры в виде зон уплотнения, разрежения и трещин, коррелирующие с наблюдаемыми микроструктурными изменениями. Показано влияние температурного режима, влажности (льдистости) и засоленности на степень микроструктурных трансформаций. Экспериментально подтверждена тесная связь между микростроением и механическими свойствами мерзлых грунтов. Полученные данные позволяют уточнить модели деформационного поведения мерзлых грунтов. Ключевые слова: мерзлые грунты, микростроение, макростроение, лёд-цемент, микротомография, криогенное строение, инженерная геокриология, реплика, растровая электронная микроскопия, нагрузкаAbstract: The present study is devoted to the investigation of the microstructure and macrostructure of frozen soils under the influence of static loads and temperature changes. Particular attention is given to analyzing microstructural changes in various types of frozen soils—namely, alluvial sands, sandy loams, and marine loams—during prolonged mechanical testing under subzero temperature conditions. The aim of the work is to identify the features of ice inclusion formation, cryogenic textures, the distribution of ice-cement, and the deformation processes within the soil structure. The study is based on original data, enabling detailed analysis of the spatial distribution of mineral particles and ice inclusions at the microscopic level. The research focuses on identifying deformation patterns in frozen soils associated with changes in their microstructure, which has practical significance for engineering geocryology and for forecasting the stability of structures in permafrost regions.To analyze the microstructure, methods of polymer replicas and scanning electron microscopy (SEM) were used. Approximately 150 replicas were prepared before and after mechanical tests (uniaxial compression, shear, and frost bonding) on four types of frozen soils under varying temperature and moisture (ice content) conditions. The scientific novelty of this work lies in the comprehensive application of the polymer replica method and SEM for detailed analysis of microstructural changes in frozen soils in their natural frozen state after prolonged loading. Unlike previous studies, which mainly examined thawed samples or used less stable methods, this research employed replicas made directly from the fracture surfaces of frozen samples, which preserved ice inclusions and allowed for high-quality comparative analysis before and after testing. It was found that static loads lead to the formation of cellular structures, intersecting ice lenses, ring-shaped formations around ice-cement, and microcracks that significantly alter the microstructure. Macrostructural changes were also recorded in the form of compaction zones, loosened areas, and cracks, which correlate with the observed microstructural transformations. The influence of temperature, moisture (ice content), and salinity on the degree of microstructural change was demonstrated. A close relationship between the microstructure and the mechanical properties of frozen soils was experimentally confirmed. The data obtained allow for refinement of models describing the deformation behavior of frozen soils. Keywords: frozen soils, microstructure, macrostructure, ice-cement, microtomography, cryogenic structure, engineering geocryology, replica, scanning electron microscopy, loadВведение Формирование микростроения в мерзлых грунтах и закономерности его изменения представляют собой одно из ключевых исследовательских направлений в геокриологии — микростроение мерзлых грунтов играет важнейшую роль в определении их физических и механических характеристик, а также в понимании механизмов разрушения под воздействием внешних нагрузок. Многие мерзлотные явления, такие как структурные грунты, ледяные клинья, морозобойные бугры и другие криогенные формы, наблюдаемые в регионах вечной мерзлоты, связаны с изменениями микростроения в процессе циклов замораживания и оттаивания. Изучение этих процессов является одной из центральных задач геокриологии [1, 2]. К элементам микростроения мерзлых пород относятся первичные минеральные зерна, частицы и их агрегаты, слагающие минеральный скелет, кристаллы льда, незамерзшая вода, воздушные включения и инородные примеси [3]. Как отмечается в литературе, промораживание дисперсных грунтов вызывает трансформации их структурных свойств, включая изменение формы и размеров агрегатов, а также параметров порового пространства, таких как его объем, ориентация и конфигурация [4]. Изменения в содержании пор и распределении размеров частиц существенно влияют на макроскопические характеристики грунтов и механическое поведение [5]. Циклы замораживания-оттаивания вызывают фрагментацию частиц грунтов, увеличивают пористость и трещиноватость, а также ослабляют цементацию между частицами, что приводит к ухудшению микростроения и механической прочности [6]. Во время замерзания вода в порах превращается в лед, образуя трещины на поверхности частиц грунтов. Расширение кристаллов льда и их вклинивание в трещины вызывают расширение объема примерно на 9%, тем самым оказывая давление на частицы грунтов, что приводит к развитию и расширению микротрещин, в конечном итоге образованию более крупных трещин [7] Физические и механические свойства многолетнемерзлых грунтов тесно связаны с их микростроением. Однако существующие исследования в основном служат для вспомогательного объяснения причин деформации и не позволяют количественно установить взаимосвязь между макро- и микро-деформацией и параметрами микроструктурных характеристик. С целью выявления точной количественной зависимости между микро-деформацией и макро-деформацией, Сан [8] провел анализ деформации естественной мягкой глины Ханчжоу под действием циклической нагрузки с микроскопической точки зрения. В результате было установлено, что микроскопические фрактальные характеристики грунта имеют выраженную линейную корреляцию с его механическими свойствами, что указывает на то, что изменения механических свойств грунта вызваны изменениями его микростроения. Во время циклов замораживания-оттаивания такие процессы, как миграция воды, образование кристаллов льда и последующее таяние, могут вызывать динамические изменения в микростроении грунтов, которые, в свою очередь, влияют на ее механические свойства. В настоящее время, хотя некоторые исследователи изучают механическое поведение ненасыщенных грунтов в условиях замерзания-оттаивания, большинство исследований сосредоточены на макроскопических изменениях структуры грунта, но не содержат данных о динамических изменениях микростроения [9]. Многие исследователи сталкивались с трудностями при получении микроструктурных образцов, пригодных для исследования, что преимущественно связано с присутствием льда в материале. В настоящее время эти препятствия обходятся за счёт изучения либо реплик [4], либо шлифов, изготовленных из образцов после их оттаивания, лишённых ледяных включений [10]. Метод реплик и световая микроскопия также были использованы для анализа распределения микроорганизмов в образцах мерзлых грунтов [11]. Современные исследования мерзлых грунтов на макро- и микроскопическом уровнях осуществляются с использованием различных методы. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) является наиболее информативным методом анализа микростроения грунтов. Соколовым и соавторами разработано ПО “СТИМАН” для количественной обработки РЭМ-изображений. Программа позволяет учитывать полидисперсность, анализировать форму, размер, ориентацию пор и частиц, строить распределения и оценивать содержание различных категорий пор [12]. Булыгина Л.Г. разработала метод комплексного изучения структуры дисперсных грунтов, основанный на применении растровой электронной микроскопии и рентгеновской компьютерной микротомографии (РЭМ–μКТ), и продемонстрировала его практическую реализацию. Применение данной методики позволяет существенно повысить достоверность исследований структуры полидисперсных и неоднородных глинистых пород [13]. Микротомография обеспечивает визуализацию структуры без механического нарушения образца, что особенно важно при исследовании влажных и мерзлых материалов. Метод позволяет отслеживать изменения конфигурации льда, воздуха и твердой фазы, а также динамику криогенных процессов в реальном времени [14]. Для изучения влияния циклов замораживания-оттаивания на микроскопические свойства ненасыщенного грунта в холодных регионах его минеральный состав и микростроение были проанализированы с помощью рентгеновской дифракции, термогравиметрического анализа и сканирующей электронной микроскопии, а также количественно изучено влияние многократных циклов замораживания-оттаивания на морфологию частиц и характеристики пористой структуры расширяющейся грунта [9]. Целью настоящего исследования является изучение микростроения мерзлых грунтов, подвергшихся длительным механическим испытаниям, с использованием метода полимерных реплик и РЭМ.
Объект и методы исследования В настоящем исследовании для анализа микростроения мерзлых образцов использован метод полимерных реплик с последующим изучением под оптическим и растровым электронным микроскопом. Данный подход существенно расширяет возможности исследования неустойчивых компонентов микростроения, обеспечивая сохранность изображения и возможность повторного анализа. Методика была разработана одним из авторов специально для изучения микростроения мерзлых пород [4]. Получаемая пленка воспроизводит характер микростроения поверхности раскола мерзлого образца, что обусловило ее название — «реплика». Реплика позволяет визуально зафиксировать пространственное распределение льда, минеральных частиц, а также жидких пленок на поверхности раскола. Для изучения микростроения мерзлых грунтов, подвергнутых длительным механическим нагрузкам (одноосное сжатие, сдвиг и смерзание с бетоном), использовался метод получения полимерных реплик с поверхности свежих сколов образцов. Образцы мерзлого грунта (аллювиальные пески и супеси, морские суглинки), отобранные в районах долин рек Еркута-Яха и Се-Яха, оз. Тюрин-То и оз. Тибей-То (п-ов Ямал), предварительно выдерживались при температуре не выше -3 °C, чтобы предотвратить таяние ледяных включений. Температурный режим сохранялся на всех этапах подготовки, включая момент раскалывания образца и нанесения полимеров. Монолиты мерзлого грунта раскалывались при температуре -2°C - -3°C. На полученную поверхность скола наносился первый полимерный слой — 0,5% раствор формвара в дихлорэтане. Раствор аккуратно разливался по поверхности, после чего образец помещался в морозильную камеру до полного испарения растворителя и образования твердой полимерной пленки. Затем аналогичным способом наносился второй слой — 2% раствор полиметилметакрилата в дихлорэтане. Каждый слой высушивался при стабильной отрицательной температуре, чтобы избежать даже кратковременного локального оттаивания, которое может изменить микростроение поверхности. После окончательного затвердевания второго слоя полученную полимерную пленку с закреплёнными на ней минеральными частицами отслаивали от образца с помощью тонкого шпателя или пинцета. Реплика разрезалась по размеру предметного столика и исследовалась в растровом электронном микроскопе. Благодаря использованию низковакуумного режима в растровом электронном микроскопе необходимость нанесения токопроводящего покрытия отсутствовала, что позволило сохранить рельеф поверхности и избежать маскировки ледяных и минеральных элементов структуры. Всего было приготовлено около 150 реплик до и после проведения механических испытаний (одноосного сжатия, сдвига и сдвига по поверхности смерзания) для четырех видов грунтов (песка, супеси и двух разновидностей суглинков) при различной температуре и влажности (льдистости). Результаты исследований Для образцов мерзлого аллювиального песка, супеси и морских суглинков, прошедших длительные одноосные испытания при различных температурах и степенях засоленности, основное внимание уделено изменениям в микростроении, зафиксированным с использованием метода реплик и растровой электронной микроскопии. В таблице 1 приведены физико-механические характеристики исследованных образцов мерзлого песка, отобранных в различных геокриологических условиях.
Таблица.1. Физико-механические свойства мерзлого аллювиального песка, отобранного в долине р. Еркута-Яха (п-ов Ямал) на одноосное сжатие
а------------------------------------б Рис. 1. Макростроение (а) и микростроение (б) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №1)
Образец № 1 достаточно однородный, большая влажность (0,26) приводит к ячеистому микростроению, включения льда цемента крупные, изометричные, до 0,7-0,9 мм в поперечнике, песчаные частицы, охватывая их образуют кольцеобразные структуры (рис. 1).
а---------------------------------------------------б----------------------------------------------------------в
г--------------------------------------------------д-----------------------------------------------------е
Рис. 2. Макростроение (а) и микростроение (б, в, г, д,е) мерзлого аллювиального песка (р.Еркута-Яха, образец №5)
В макростроении образца №5 выделяются два конуса уплотнения грунта, осевое и боковые разуплотнения. Микростроение грунта в уплотненных участках отличается перекрестным (х-образным), хотя и слабо выраженным, расположением ледяных шлиров, уплотненной укладкой песчаных частиц, некоторые частицы песка деформированы (трещины), микростроение в боковых участках ячеистое, но более разреженное, чем в исходном образце (рис. 2). а-------------------------------------------------------------б Рис. 3. Макростроение (а) и микростроение (б) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №8)
Качество реплики образца №8 не очень хорошее (неплотное прилегание материала реплики к поверхности), но можно утверждать, что макростроение достаточно однородное, микростроение также, как и в предыдущем случае, ячеистое (рис. 3).
a----------------------------------------б----------------------------------------------------------в Рис. 4. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №9)
Макростроение образца №9 (р. Еркута-Яха) отличается наличием центральной узкой зоной уплотнения (рис. 4). Микростроение этой зоны также указывает на сгущение частиц грунта, в ней наблюдаются крупные (более 1 мм) включения льда-цемента, а также тенденция к расположению их в наклонном положении к оси образца. В некоторых частях центральной части шлиры образуют расположение в виде растянутой буквы V («птичка»). Микростроение боковых частей подобно образцу до опыта (ячеистая структура). В работе [15] представлены результаты изучения строения образцов — смеси каолинита и песка с неполным заполнением пор — с использованием рентгеновской томографии, выявивший наличие игольчатого льда-цемента. Этот тип льда практически не определяется традиционными методами из-за своей нестабильности и склонности к быстрому таянию. Игольчатый лед формируется в результате аблимации водяного пара и, как отмечается в работе [4], в малольдистых грунтах может преобладать над другими формами льда-цемента.
a--------------------------------------------б----------------------------------------------------------в Рис. 5. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №12)
Реплика образца №12 также не очень хорошая по тем же причинам, что указаны выше. Но и в образце встречаются глинистые «катышки», дающие интересные кольцевые шлиры. Но в целом микростроение подобно предыдущим образцам песка (рис.5).
a------------------------------------------------б------------------------------------------------в Рис.6. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №13)
Макростроение образца №13 неоднородное (рис. 6). В верхней и нижней части образца прослеживаются «скругленные конусы» более разреженной массы. В средней части образца наблюдается сгущение, рассекающееся линией разрежения под 45 градусов (сдвиг или трещина). В микростроении наблюдается Х-образное пересечение шлиров и связанное с этим расположение частиц скелета. Наблюдается разрушение агрегатов частиц скелета, по всей видимости, механическое.
a----------------------------------------------------б-----------------------------------------------в Рис.7. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого аллювиального песка (р. Еркута-Яха, образец №14)
Макростроение образца №14 (рис. 7) указывает на наличие разрежения в виде «скругленного конуса» в верхней части образца. В центральной части наблюдается сгущение в виде конуса, но уже с заостренным концом. Микростроение указывает на дифференциацию скелета ледяными шлирами под углом к оси образца, что дает эффект многоугольных фрагментов. Распределение частиц также подчеркивают эту картину. Результаты исследования деформаций супеси при одноосном сжатии представлены в таблице 2. Таблица. 2. Физико-механические свойства мерзлой супеси на одноосное сжатие
a----------------------------------------------------------б-----------------------------------------------------------в Рис.8. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлой аллювиальной супеси (р. Еркута-Яха, образец №21)
Макростроение образца №21 не совсем однородное – верхняя часть менее плотная, нижняя более плотная, встречаются отдельные фрагменты глины (рис.8). Микростроение показывает четкую горизонтальную ориентировку шлиров, их толщина около 0,05 мм.
a---------------------------------------б-------------------------------------------------------------------в
г---------------------------------------------------д------------------------------------------------------е Рис. 9. Макростроение (а) и микростроение (б, в, г, д, е) мерзлой аллювиальной супеси (р. Се-Яха, образец №30)
Макростроение образца №30 неоднородное; в самой верхней части образца наблюдается некоторое разрежение скелета, в нижней фрагменты уплотнения и трещины (рис. 9). В микростроении четко выделяются наклонные перекрещивающиеся шлиры в виде сильно растянутой Х. Есть фрагменты ориентировки удлиненных частиц скелета такому мотиву. Вероятно, сказывается значительная нагрузка при опыте – 12 кГ/см2.
a---------------------------------------------б-----------------------------------------------------в
г----------------------------------------------д-------------------------------------------------------е Рис.10. Макростроение (а) и микростроение (б, в, г, д, е) мерзлой аллювиальной супеси (р. Се-Яха, образец № 29Д)
Образец № 29Д из предыдущей серии, но скол сделан по 45 градусов к оси образца (рис. 10). Макростроение указывает на сгущение материала в виде конуса в центральной части, образец изобилует трещинами, в верхней части реплики наблюдается рисунок трещин в виде косоугольной сетки. В микростроении наблюдаются косоугольные перекрещивающиеся трещины, секущие шлиры, а также ориентация удлиненных частиц скелета под 45 градусов к трещине, также идущей под 45° (перекрещивание в виде Х). Результаты исследования ямальских суглинков на одноосное сжатие и сдвиг представлены в таблице №3. Таблица. 3. Физико-механические свойства мерзлых суглинков (п-в Ямал) при одноосном сжатии и на сдвиг
a-------------------------------------б------------------------------------------------------------------------в Рис.11. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого морского суглинка (оз. Тюрин-То, образец № 45) после опыта на одноосное сжатие
В макростроении образца №45 отмечается большая льдистость, отражающаяся в виде ячеистой криогенной текстуры (рис. 11). В микростроении заметно разнообразие ледяных включений – есть включения похожие на вытянутые шлиры, есть участки в виде отдельных островков различной формы. В работе [15] в образце суглинка также диагностированы шлиры льда, формирующие слоисто-линзовидную криогенную текстуру. При этом криогенная текстура изучалась в различных плоскостях, включая горизонтальную, параллельную фронту промерзания, с использованием томографии.
a------------------------------------б-------------------------------------------------------------------в Рис.12. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого морского суглинка (оз. Тюрин-То, образец № 48) после опыта на одноосное сжатие
Макростроение образца №48 представляется плотной массой собранных агрегатов, среди которых есть отдельные островки льда–цемента (рис. 12). В центральной части заметно уплотнение материала конусообразной формы. В микростроении часть таких включений похожа на таковые в контрольном образце до опыта, но в нижней части (вокруг конуса) видны следы протаявших шлиров, расположенных перекрестно (Х –образно. По краям протаявших шлиров заметен слой, вероятно, жидкой минерализованной воды, в редких случаях заметно выпадение солей из раствора.
a----------------------------------------------------------б Рис.13. Микростроение (а, б) мерзлого морского суглинка (оз. Тюрин-То, образец № 60) после опыта на одноосное сжатие
Для образца № 60 была получена не очень качественная реплика, но в микростроении можно отметить крупные включения льда цемента и пластинчатые агрегаты глинистого вещества (рис. 13).
a--------------------------------------б--------------------------------------------------------------в Рис.14. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого морского суглинка (оз. Тюрин-То, образец № 62) после опыта на одноосное сжатие
Макростроение образца №62 показывает ячеистую структуру, образованную глинистыми прослойками, заключающие включения льда цемента (рис. 14). Микростроение подчеркивает такой мотив строения.
a----------------------------------------------------------------------б Рис.15. Микростроение (а, б) мерзлого морского суглинка (оз. Тибей-То, образец № 74) после опыта на одноосное сжатие
В микростроении образца №74 (рис. 15) наблюдаются косые пересекающиеся шлиры, как и в других образцах с большей нагрузкой (до 5 кГсм2 и более).
a-------------------------------------------------------б-----------------------------------------------в Рис.16. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого морского суглинка (оз. Тюрин-То, образец № 115) после испытания на сдвиг
Для макростроения образца №115 характерно наличие шлиров и трещин как вертикального (по оси образца) так и поперечного направления, причем секущих друг друга (рис.16). В микростроении наблюдаются изогнутые шлиры, показывающие элементы сдвига в виде трещин. Грунтовая масса показывает значительное уплотнение и ориентировку частиц и агрегатов вдоль плоскости сдвига.
a-------------------------------------------------б----------------------------------------------в Рис.17. Макростроение (а) и микростроение (б, в) мерзлого морского суглинка (оз. Тибей-То, образец № 122) после испытания на сдвиг по поверхности смерзания с бетоном
Микростроение образца №122, испытанного на сдвиг по плоскости смерзания грунта с бетоном, представляет собой чередование плоских участков бетона с островками льда цемента в этой же плоскости (рис. 17). Глинистый дисперсный материал обрисовывает зернистость бетона. Дисперсный материал присутствует и на поверхности льда-цемента. По границам и на плоскостях льда-цемента также заметно присутствие растворов минерализованной воды.
Обсуждение Изменения микростроения при деформациях мерзлых грунтов. Исследования показали, что изменения в микростроении являются важным фактором, определяющим механическое поведение мерзлых грунтов. В песчаных аллювиальных грунтах (например, образцы №5 и №9 из долины р. Еркута-Яха) отмечено формирование ячеистых структур и ледяных шлиров, которые оказывают значительное влияние на уплотнение и разуплотнение в процессе одноосного сжатия. В работе [16] было отмечено, что микростроение оказывает решающее влияние на деформационные свойства глин, определяя закономерности их деформационного поведения в различных испытаниях. Наличие макропор и их трансформация под нагрузкой значительно повышают деформационную способность грунта. При испытании глинистых образцов при трехосном сжатии выявили аналогичную картину: перераспределение порового пространства, увеличение ориентации структурных элементов, образование вытянутых пор, увеличение степени анизотропии на фоне постоянного количества пор [17]. Влияние температуры и засоленности на структурные изменения. Температурные и другие факторы, такие как засоленность, оказывают ключевое влияние на миграцию воды и формирование льда-цемента. В образцах аллювиальных песков из долины р. Еркута-Яха с различной степенью засоленности (например, 0,03% у образца №1 и 0,2% у образца №14) наблюдались различия в размерах и ориентации ледяных включений. Влияние начальной влажности (льдистости) на микростроение и механические свойства мерзлых грунтов. Влажность (льдистость) играет ключевую роль в формировании микростроения мерзлых грунтов. Нами зафиксированы различия в микростроении, соответствующих влажности разных образцов (таких как W=0,26, W=0,46, W=0,50). Например, в песчаных аллювиальных образцах из долины р. Еркута-Яха (образцы №1 и №5) высокая влажность (W=0,26) привела к образованию крупных ледяных включений размером 0,7–0,9 мм. Таким образом, высокая влажность способствует развитию ячеистой структуры и улучшает цементацию льдом. В работе Ли [9] также подчеркивается, что начальная влажность существенно влияет на пространственную организацию микростроения грунта в циклах замораживания-оттаивания. Чем выше содержание влаги, тем значительнее влияние циклов замораживания-оттаивания на микростроение и тем более очевидны явления разрушения частиц и повторной агрегации. Работе Булыгиной [13] также подчеркивается, что влажность образца оказывает существенное влияние на качество изображений микро-КТ и точность анализа. Структура мерзлой глины в исследованиях методом микро-КТ зависит от влажности: изображения с естественной влажностью имеют низкую контрастность. Изменения макростроения под воздействием нагрузок. Изменения макростроения, такие как формирование конусов уплотнения и зон разрежения, наблюдались во многих образцах аллювиального песка и супеси (например, образцы №5 и №30, и другие). Эти структурные трансформации связаны, очевидно, с перераспределением льда под давлением. В работе Булыгиной максимальный диаметр взятых в расчет пор увеличивается на порядок, причем на долю макропор глинистых грунтов может приходиться до 17% от общей пористости [13]. Использование методов репликации и сканирующей электронной микроскопии позволило детально наблюдать изменения микростроения. Во многих случаях удается зафиксировать кольцевую структуру зерен аллювиального песка вокруг ледяных включений (образец № 1), пересекающиеся зоны шлиров и уплотнения (образцы № 9, 13, 14), а также признаки низкотемпературной деформации и скелетной ориентации зерен вследствие одноосного сжатия. Полученные реплики дают достоверную информацию о пространственном расположении пор, микротрещин и морфологии минеральных зерен, что особенно важно для реконструкции механизмов криогенных изменений мерзлых грунтов. Методические проблемы. Качество части реплик оказалось недостаточным для микроскопических исследований. Из-за природной засоленности образцов и температуры проведения опытов (не ниже 3°С), вероятно, при раскалывании образцов на поверхности образуется жидкая пленка, препятствующая сцеплению материала реплики с грунтом, особенно в образцах песка. Другие недостатки связаны с неоднородностями и дефектами грунта, особенно суглинков, образующимися как при приготовлении образцов, так и при их деформации.
Выводы 1. Метод полимерных реплик в сочетании с растровой электронной микроскопией (РЭМ) показал свою высокую эффективность для изучения микростроения мерзлых грунтов в естественном (мерзлом) состоянии. Данный метод существенно расширяет возможности исследования неустойчивых компонентов микростроения, обеспечивая сохранность изображения и возможность повторного анализа. 2. Установлено, что длительные статические нагрузки приводят к значительным изменениям как микростроения, так и макростроения мерзлых грунтов. В микростроении наблюдаются характерные изменения в виде формирования ячеистых структур, перекрещивающихся ледяных шлиров, кольцевой структуры частиц грунта вокруг ледяных включений и развития микротрещин. В макростроении возникают зоны локального уплотнения и разрежения, а также выраженные трещины и неоднородности структуры. 3. Температура испытаний и степень засоленности грунтов оказывают существенное влияние на характер и интенсивность микроструктурных изменений. В образцах с повышенной засоленностью зафиксированы явные признаки ухудшения сцепления между репликой и поверхностью образца, что связано с образованием жидких пленок на поверхности льда-цемента, затрудняющих качественную визуализацию структуры. 4. Исследования показали, что влажность (льдистость) образцов является одним из ключевых факторов, определяющих микростроение мерзлых грунтов. Образцы с высокой влажностью характеризуются увеличением размеров и числа ледяных включений, что способствует развитию выраженной ячеистой структуры. Это в свою очередь повышает чувствительность структуры к внешним механическим воздействиям.
Библиография
1. Ершов Э. Д. Микростроение мерзлых пород. Москва: Издательство Московского университета, 1988. 183 с.
2. Харрис С., Брушков А., Чен Г. Геокриология. Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2020. 437 с. 3. Ершов Э. Д. Общая геокриология. Издательство МГУ, 2002. 682 с. 4. Рогов В. В. Основы криогенеза. Новосибирск: Академ. изд-во “Гео”, 2009. 203 с. 5. Li K., Geng Y., Li Q., Liu C. Comprehensive Microstructural Characterization of Saline-Alkali Soils in the Yellow River Delta, China // Soil Sci. Plant Nutr. 2021. Vol. 67. P. 301-311. 6. Zhang S., Xu X., Dong X., Lei H., Sun X. Effects of Freeze-Thaw Cycles on the Mechanical Properties and Microstructure of a Dispersed Soil // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, No. 17. P. 9849. 7. Li S., Zhang M., Tian Y., Pei W., Zhong H. Experimental and Numerical Investigations on Frost Damage Mechanism of a Canal in Cold Regions // Cold Reg. Sci. Technol. 2015. Vol. 116. P. 1-11. 8. Sun G.-C., Zhang J.-M., Dang Y.-S., Ding C. Microstructure and strength features of warm and ice-rich frozen soil treated with high-performance cements // Journal of Mountain Science. 2019. Vol. 16, No. 6. P. 1470-1482. DOI: 10.1007/s11629-018-5197-6. 9. Li X., Cong S., Tang L., Ling X. Effect of Freeze-Thaw Cycles on the Microstructure Characteristics of Unsaturated Expansive Soil // Sustainability. 2025. Vol. 17. P. 762. DOI: 10.3390/su17020762. 10. Губин С. В., Лупачев А. В. Подходы к выделению и изучению погребенных почв в мерзлых толщах отложений ледового комплекса // Криосфера Земли. 2012. Т. XVI, № 2. С. 79-84. 11. Мельников В. П., Рогов В. В., Курчатова А. Н., Брушков А. В., Грива Г. И. Распределение микроорганизмов в мерзлых грунтах // Криосфера Земли. 2011. Т. XV, № 4. С. 86-90. 12. Соколов В. Н., Юрковец Д. И., Разгулина О. В. Исследование микроструктуры грунтов с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображений // Геоэкология. 2008. № 4. С. 1-6. 13. Булыгина Л. Г., Соколов В. Н., Чернов М. С., Разгулина О. В., Юрковец Д. И. Анализ структуры грунтов комплексом растровый электронный микроскоп – рентгеновский компьютерный микротомограф (РЭМ-μКТ) // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014. № 5. С. 457-463. 14. Романенко К. А., Рогов В. В., Юдина А. В., Абросимов К. Н., Скворцова Е. Б., Курчатова А. Н. Исследование микростроения мерзлых почв и дисперсных пород с помощью рентгеновской компьютерной томографии: методы, подходы, перспективы // Бюллетень Почвенного института имени В. В. Докучаева. 2016. № 83. С. 103-117. DOI: 10.19047/0136-1694-2016-83-103-117. 15. Романенко К. А., Абросимов К. Н., Курчатова А. Н., Рогов В. В. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии в исследовании микростроения мерзлых пород и почв // Криосфера Земли. 2017. № 4. С. 75-81. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2017-4(75-81). 16. Булыгина Л. Г., Соколов В. Н., Кошелев А. Г. Влияние особенностей микростроения глинистых грунтов различного генезиса на их деформирование при компрессионных и штамповых испытаниях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2013. № 6. С. 552-559. 17. Усов А. Н., Чернов М. С., Соколов В. Н., Вознесенский Е. А. Изменение микростроения глинистых грунтов при деформировании в условиях трехосного сжатия с учетом проявления деформационной неустойчивости // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2017. № 6. С. 87-91. References
1. Ershov, E. D. (1988). Microstructure of frozen soils. Moscow: Moscow University Press.
2. Harris, S., Brushkov, A., & Chen, G. (2020). Geocryology. Moscow; Berlin: Direct-Media. 3. Ershov, E. D. (2002). General geocryology. Moscow University Press. 4. Rogov, V. V. (2009). Fundamentals of cryogenesis. Novosibirsk: Geo Publishing House. 5. Li, K., Geng, Y., Li, Q., & Liu, C. (2021). Comprehensive microstructural characterization of saline-alkali soils in the Yellow River Delta, China. Soil Science and Plant Nutrition, 67, 301-311. 6. Zhang, S., Xu, X., Dong, X., Lei, H., & Sun, X. (2023). Effects of freeze-thaw cycles on the mechanical properties and microstructure of a dispersed soil. Applied Sciences, 13(17), 9849. 7. Li, S., Zhang, M., Tian, Y., Pei, W., & Zhong, H. (2015). Experimental and numerical investigations on frost damage mechanism of a canal in cold regions. Cold Regions Science and Technology, 116, 1-11. 8. Sun, G.-C., Zhang, J.-M., Dang, Y.-S., & Ding, C. (2019). Microstructure and strength features of warm and ice-rich frozen soil treated with high-performance cements. Journal of Mountain Science, 16(6), 1470-1482. https://doi.org/10.1007/s11629-018-5197-6 9. Li, X., Cong, S., Tang, L., & Ling, X. (2025). Effect of freeze-thaw cycles on the microstructure characteristics of unsaturated expansive soil. Sustainability, 17, 762. https://doi.org/10.3390/su17020762 10. Gubin, S. V., & Lupachev, A. V. (2012). Approaches to the identification and study of buried soils in frozen deposits of the ice complex. Cryosphere of the Earth, 16(2), 79-84. 11. Melnikov, V. P., Rogov, V. V., Kurchatova, A. N., Brushkov, A. V., & Griva, G. I. (2011). Distribution of microorganisms in frozen soils. Cryosphere of the Earth, 15(4), 86-90. 12. Sokolov, V. N., Yurkovets, D. I., & Razgulina, O. V. (2008). Study of the microstructure of soils using computer analysis of SEM images. Geoecology, 4, 1-6. 13. Buligina, L. G., Sokolov, V. N., Chernov, M. S., Razgulina, O. V., & Yurkovets, D. I. (2014). Analysis of soil structure using a scanning electron microscope and X-ray computed microtomography (SEM-μCT). Geoecology, Engineering Geology, Hydrogeology, Geocryology, 5, 457-463. 14. Romanenko, K. A., Rogov, V. V., Yudina, A. V., Abrosimov, K. N., Skvortsova, E. B., & Kurchatova, A. N. (2016). Study of microstructure of frozen soils and dispersed rocks using X-ray computed tomography: methods, approaches, perspectives. Bulletin of the V. V. Dokuchaev Soil Institute, 83, 103-117. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2016-83-103-117 15. Romanenko, K. A., Abrosimov, K. N., Kurchatova, A. N., & Rogov, V. V. (2017). Experience in the application of X-ray computed tomography in the study of microstructure of frozen rocks and soils. Cryosphere of the Earth, 4, 75-81. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-4(75-81) 16. Buligina, L. G., Sokolov, V. N., & Koshelev, A. G. (2013). Influence of microstructure features of clay soils of different genesis on their deformation during compression and stamping tests. Geoecology, Engineering Geology, Hydrogeology, Geocryology, 6, 552-559. 17. Usov, A. N., Chernov, M. S., Sokolov, V. N., & Voznesensky, E. A. (2017). Changes in the microstructure of clay soils during deformation under triaxial compression considering the manifestation of deformation instability. Moscow University Bulletin. Series 4: Geology, 6, 87-91.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Поскольку исследования выполнены с применением авторской методики, предлагаем ее добавить в название статьи: «Использование метода полимерных реплик при изучении микростроения мерзлых грунтов под воздействием статических нагрузок и изменений температуры». Тема исследований актуальна. Физические и механические свойства многолетнемерзлых грунтов тесно связаны с их микростроением. Циклы замораживания-оттаивания вызывают фрагментацию частиц грунтов, увеличивают пористость и трещиноватость, а также ослабляют цементацию между частицами, что приводит к ухудшению микростроения и механической прочности. Во время замерзания вода в порах превращается в лед, образуя трещины на поверхности частиц грунтов. Поэтому, изучение микростроения мерзлых грунтов под воздействием статических нагрузок и изменений температуры является актуальным и имеет важное практическое значение. Целью данного исследования является изучение микростроения мерзлых грунтов, подвергшихся длительным механическим испытаниям, с использованием метода полимерных реплик и рентгеновской компьютерной микротомографии. Методология исследования основана на применении метода полимерных реплик с последующим изучением микростроения под оптическим и растровым электронным микроскопом. Применение данной методики позволяет существенно повысить достоверность исследований структуры полидисперсных и неоднородных глинистых пород. Образцы мерзлого грунта (аллювиальные пески и супеси, морские суглинки) отобраны в районах долин рек Еркута-Яха и Се-Яха, оз. Тюрин-То и оз. Тибей-То (п-ов Ямал), предварительно выдерживались при температуре не выше -3 °C. Температурный режим сохранялся на всех этапах подготовки. Монолиты мерзлого грунта раскалывались при температуре -2°C - -3°C. На полученную поверхность скола наносился первый полимерный слой — 0,5% раствор формвара в дихлорэтане, после чего образец помещался в морозильную камеру до полного испарения растворителя и образования твердой полимерной пленки. Затем аналогичным способом наносился второй слой — 2% раствор полиметилметакрилата в дихлорэтане. Всего было приготовлено около 150 реплик до и после проведения механических испытаний. Научная новизна исследований заключается в том, что описанный в статье метод был впервые разработан автором специально для изучения микростроения мерзлых пород. Метод полимерных реплик позволяет визуально зафиксировать пространственное распределение льда, минеральных частиц, а также жидких пленок на поверхности раскола. Стиль статьи – научный. Автором в статье представлен собственный материал исследования по изучению микростроения мерзлых грунтов. Объём статьи выдержан. Структура статьи соответствует требованиям журнала «Арктика и Антарктика». В статье целостно представлен табличный материал и фотографии, характеризующие микростроение изучаемых образцов грунта. Автором показано, что изменения в микростроении являются важным фактором, определяющим механическое поведение мерзлых грунтов. В песчаных аллювиальных грунтах отмечено формирование ячеистых структур и ледяных шлиров, которые оказывают значительное влияние на уплотнение и разуплотнение в процессе одноосного сжатия. Установлено, что микростроение оказывает решающее влияние на деформационные свойства глин, определяя закономерности их деформационного поведения в различных испытаниях. Наличие макропор и их трансформация под нагрузкой значительно повышают деформационную способность грунта. Библиография статьи включает в себя 17 литературных источников, в том числе 5 - на иностранном языке. Апелляция к оппонентам состоит в ссылках на литературные источники. Выводы в статье обоснованы и отражают результаты проведенных исследований. Автором установлено, что длительные статические нагрузки приводят к значительным изменениям как микростроения, так и макростроения мерзлых грунтов. В микростроении наблюдаются характерные изменения в виде формирования ячеистых структур, перекрещивающихся ледяных шлиров, кольцевой структуры частиц грунта вокруг ледяных включений и развития микротрещин. В макростроении возникают зоны локального уплотнения и разрежения, а также выраженные трещины и неоднородности структуры. Метод полимерных реплик в сочетании с растровой электронной микроскопией показал высокую эффективность для изучения микростроения мерзлых грунтов в естественном (мерзлом) состоянии. Данная статья имеет важную теоретическую и практическую значимость. Может быть полезна широкому кругу ученых в области геокриологии и грунтоведения. Статья рекомендуется к опубликованию в журнале «Арктика и Антарктика». Существенных замечаний по статье не отмечено, по тексту имеются опечатки, которые необходимо исправить. |
© 1998 – 2025 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
