Фізичні процеси у промерзаючих гірських породах. 
Фізичні і механічні властивості мерзлих і відталих гірських порід

Явища промерзання і відтанення рихлих гірських порід супроводжуються процесами фазових перетворень, міграції вологи, росту льодяних кристалів. Зазвичай це призводить до істотних змін у структурі, текстурі, фізичному стані і фізико-механічних властивостях гірських порід.

Мерзлі гірські породи представляють собою складну чотирифазну багатокомпонентну систему. Вона складається з твердих мінеральних часток, води у твердому (лід), рідкому і газоподібному стані (пара) і деякої кількості газів.

Вміст води у різних фазах залежить від параметрів системи — температури і тиску. Чим нижчою є температура, тим менше в гірських породах міститься води у рідкій фазі. Однак навіть при дуже низьких температурах деяка частина води, адсорбована на поверхні мінеральних часток, залишається в рідкому стані.

Це положення підтверджується дослідами на визначення вмісту незамерзлої води (W_нз) у мерзлих породах. Результати показують, що температура замерзання води залежить від ступеню дисперсності породи. У пісків промерзання води завершується при температурах, близьких до 0⁰С, в глинах воно відбувається в досить значному інтервалі температур і навіть при t=30⁰С вологість ґрунту дорівнює 12%.

Перехід води в лід супроводжується виділенням значної кількості тепла (приблизно 80 кал на 1 г води). Тепло, що виділяється, затримує подальше промерзання породи. Раніше вважалося, що температура замерзання води в гірських породах дорівнює 0⁰С. Насправді воно відбувається в досить значному інтервалі температур. Тому границя замерзання-відтанення не має чіткого геометричного вигляду, а представляє собою більш-менш значну за потужністю зону. У пісків її потужність менша, у глинистих породах більша.

Вище розглядався вплив на промерзання і фазові переходи лише одного чинника — температури. Дослідження показали, що цей процес залежить і від зовнішнього тиску: чим він більший, тим більша кількість незамерзлої води міститься в пухких гірських породах. Явище промерзання гірських порід і кристалізації води супроводжується процесами міграції і перерозподілу вологи. Пересування вологи в породах відбувається при промерзанні у формі плівкової води. Вона перетікає під дією молекулярних сил від товщих плівок до тонших. Тонкі плівки утворюються там, де починається кристалізація води, тобто біля фронту промерзання. Таке постійне перетікання і кристалізація нових надходжень води призводить до утворення в породі кристалів, лінз, прошарків та ін. включень льоду і виникнення тих своєрідних текстур мерзлих порід, про які вже говорилося.

Льодовиділення в гірських породах супроводжується збільшенням їх об`єму (частково за рахунок переходу води в лід, в основному ж за рахунок міграції води до фронту промерзання). Це явище отримало назву морозного пучіння. Величина пучіння залежить від складу пухкої породи, її вологості й щільності, наявності джерел притоку води до фронту промерзання, а також від швидкості промерзання. Різні за складом і будовою породи по-різному піддаються пучінню. Найзначнішими є величини пучіння у пилуватих суглинків, тобто ця порода найбільш небезпечна відносно пучіння.

Основною характеристикою міцності мерзлих ґрунтів є їх зчеплення. Воно визначається міцністю зв`язків, які утворюються в системі «мінеральні частки — незамерзла вода». Сили зчеплення у мерзлому ґрунті не залишаються постійними, а змінюються з часом і під впливом зміни температури й вологості.

Фактор часу позначається в релаксації (послабленні) сил зчеплення. Релаксація відбувається внаслідок спливання льоду і зміни його структури та інших причин. В зв`язку з цим при оцінці мерзлих ґрунтів розрізняють миттєву міцність і довготривалу міцність. Миттєва міцність може бути досить значною (десятки і сотні паскалів), а довготривала у багато разів меншою. Прикладом може бути випробовування на розрив мерзлих супісків. При температурі -4,5⁰С миттєвий опір мерзлого супіску дорівнював 2 МПа, а довготривалий (зразок не руйнувався протягом чотирьох років) лише 0,18 Мпа, тобто різниця становить більше, ніж 11 разів. Міцність мерзлих порід залежить також від їх температури — тут пряма залежність між міцністю і низькою температурою для всіх різновидів пухких порід.

Міцність мерзлих порід збільшується зі збільшенням вологості (льодистості), але до певної межі: приблизно до такої, що відповідає повному насиченню пор водою. При подальшому збільшенні льодистості міцність починає знижуватися.