Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Физико-химическая теория формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Чеверев, Виктор Григорьевич, Москва

Ч /£3

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет Кафедра геокриологии

ФОРМИРОВАНИЯ МАССООБМЕННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ

ЧЕВЕРЕВ Виктор Григорьевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ

Специальность 04.00.07 Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

\\

Научный консультант -

гбр\геолого-минералогических наук, ^профессор Э.Д. ЕРШОВ

Москва - 1999 г.

Оглавление

стр.

Введение.........................................................................................................................5.

РАЗДЕЛ 1. Состояние разработки теории формирования свойств криогенных грунтов

Глава 1. Изученность основных факторов формирования свойств криогенных грунтов и анализ теоретических основ управления ими..............................................12.

1.1. О фазовом составе мерзлых грунтов......................................................13.

1.2. О строении мерзлых грунтов.....................................................................44.

1.3. О свойствах криогенных грунтов и основах управления ими.................52.

Глава 2. Известные методы исследования фазового состава, строения и свойств мерзлых грунтов..............................................................................................................66.

2.1. Способы изучения фазового состава и криогенного строения грунтов..............................................................................................67.

2.2.Методы исследования свойств криогенных грунтов..............................69.

РАЗДЕЛ 2. Методические основы разработки теории формирования свойств криогенных грунтов

Глава 3. Основные положения методики научных исследований...............................75.

3.1. Методологические аспекты решения проблемы.....................................75.

3.2.Постановка комплексного исследования...................................................76.

3.3. Стандартная характеристика объекта исследования (грунтов)........78.

Глава 4. Специальные методы и технические средства, разработанные и примененные в ходе исследований..............................................................................84.

4.1. Методика исследования фазового состава и строения грунтов...........84.

4.2.Методика изучения свойств грунтов.........................................................95.

4.3.Методика подготовки образцов грунтов копытам...............................111.

РАЗДЕЛ 3. Физико-химическая теория формирования фазового состава и строения мерзлых грунтов

Глава 5. Теория формирования фазового состава воды в мерзлых грунтах...........116.

5.1. Механизмы формирования количества незамерзшей воды..................116.

5.2. Закономерности формирования количества незамерзшей воды в

грунтах различного состава, строения и геолого-генетического типа.. 128.

5.3. Классификация форм связи влаги в мерзлых грунтах..........................137.

Глава 6. Статика и динамика криогенного строения грунтов....................................157.

6.1. Структура и дефектность строения мерзлых грунтов.....................158.

6.2. Динамика криогенного строения мерзлых грунтов..............................166.

6.3. Типизация криогенных текстур мерзлых грунтов................................170.

Глава 7. Физико-химическая модель мерзлого грунта...............................................178.

РАЗДЕЛ 4. Физико-химическая теория формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов

Глава 8. Природа формирования массообменных свойств криогенных грунтов.....190.

8.1. Механизм и закономерности формирования влагопроводных свойств криогенных грунтов......................................................................................190.

8.2. Механизм массопереноса при компрессии мерзлых грунтов...............222.

Глава 9. Фильтрационно-осмотическая теория криогенного влагопереноса и морозного пучения грунтов............................................................................230.

9.1. Теория криогенного влагопереноса в промерзающих грунтах.........230.

9.2. Математическое моделирование процесса промерзания и морозного пучения грунтов..............................................................................243.

Глава 10. Теория формирования тепловых свойств мерзлых грунтов..................253.

10.1. Механизм и закономерности формирования температурных деформаций мерзлых грунтов.........................................................................253.

10.2. Физика и закономерности изменения кондуктивной теплопроводности грунтов при их промерзании и оттаивании..................................................263.

РАЗДЕЛ 5. Научные основы управления свойствами криогенных грунтов физико-химическими методами (на примере применения в качестве стабилизатора грунтов поливинилового спирта)

Глава 11. Теоретические основы создания грунтовых композиционных систем в криолитозоне физико-химическими методами..........................................................279.

11.1. Общие положения технической мелиорации грунтов криолитозоны .........................................................................................................279.

11.2. Основы типизации мерзлых грунтов по степени устойчивости к внешнему воздействию....................................................................................281.

11.3. Основы закрепления и стабилизации криогенных грунтов физико-

химическими методами...................................................................................288.

Глава 12. Физико-химические основы управления свойствами криогенных грунтов добавками поливинилового спирта (ПВС)...................................................................304.

12.1. Кинетика фазовых переходов и термограмма водного раствора

ПВС...................................................................................................305.

12.2. Кинетика льдообразования в водном растворе ПВС...........................310.

12.3. Стабилизация и закрепление грунтов добавками ПВС.......................315.

Глава 13. Научно-технологические рекомендации по управлению свойствами криогенных грунтов добавками поливинилового спирта............................................330.

13.1. Рекомендации по созданию профилактического покрытия грунтов для защиты от ветровой и водной эрозии и рекультивации земель................330.

13.2. Рекомендации по повышению несущей способности мерзлых грунтов и льдов как оснований инженерных сооружений................................................333.

Заключение Литература..

344.

Введение

Актуальность. В настоящее время в России продолжается освоение месторождений полезных ископаемых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. При этом проектируется, строится и эксплуатируется большое количество зданий и инженерных сооружений. Однако недостаточное знание строительных свойств грунтов криолитозоны приводит или к аварийности эксплуатируемых сооружений, или к необоснованному завышению прочности их конструкций при проектировании. Все это неоправданно завышает стоимость добычи и транспортировки нефти, газа, цветных металлов и других полезных ископаемых из северных и северо-восточных районов страны. Поэтому существует экономическая целесообразность в продолжении исследований свойств криогенных (мерзлых, промерзающих и протаивающих) грунтов.

Формирование свойств грунтов криолитозоны весьма сложный и многофакторный процесс, требующий для своего объяснения знания природы и закономерностей изменения состава, строения и температуры мерзлых толщ, с учетом протекания в них теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов.

Свойствами криогенных грунтов занималось большое число российских и зарубежных ученых. В их работах содержится существенный экспериментальный и теоретический материал по рассматриваемой проблеме. Однако фактические данные в значительной мере разрознены, не систематизированы и отличаются, в большинстве случаев, отсутствием глубокого физико-химического анализа. Сложившееся направление изучения свойств криогенных грунтов базируется в основном лишь на применении к ним фундаментальных законов термодинамики и механики сплошных сред. В результате не учитывается нелинейность характера реакции грунта на воздействие внешних факторов, вызванная сложными интегральными физико-химическими эффектами взаимодействия параметров их фазового состава и строения между собой.

Поэтому дальнейшее развитие физико-химического подхода позволит на новом научном и методическом уровне разработать теорию формирования свойств криогенных грунтов и предложить научно-обоснованные рекомендации по их технической мелиорации.

Цель и задачи работы. Главной целью выполненных научных исследований являлась разработка на современном научном уровне физико-химической теории формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов и рекомендаций по их закреплению и стабилизации.

Для достижения главной цели работы был поставлен и решался следующий комплекс взаимосвязанных задач методического, теоретического, экспериментального и практического характера.

1. Обобщить и проанализировать результаты фундаментальных исследований в области геокриологии, грунтоведения, физической химии поверхностных явлений, строительной теплофизике, агрофизике по проблеме связанной воды.

2. На основе результатов по п.1 с привлечением результатов собственных экспериментальных исследований оценить энергетическое состояние и формы связи незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах, развить и обобщить представления о механизме и закономерностях формирования количества незамерзшей воды в них.

3. Рассмотреть особенности формирования и устойчивость криогенного строения мерзлых грунтов при воздействии на них различных энергетических полей.

4. Разработать физико-химическую модель мерзлых тонкодисперсных грунтов как многокомпонентных, многофазных, полидисперсных и гетеропористых систем.

5. Исследовать механизм и закономерности формирования массообменных свойств промерзающих тонкодисперсных грунтов различного типа на основе экспериментального определения порового давления и потенциалов воды в них.

6. Изучить природу криогенного влагопереноса, формирования сил морозного пучения в промерзающих грунтах и разработать физическую постановку математического моделирования процесса.

7. Изучить природу аномальных температурных деформаций и зависимости теплопроводности мерзлых грунтов различного состава от переменных условий состояния.

8. Разработать научные основы управления свойствами криогенных грунтов физико-химическими методами и предложить рекомендации для их технической мелиорации путем повышения их связности и упрочнения ледяного компонента.

Научная новизна полученных в работе результатов в целом состоит в разработке новой физико-химической теории формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов, которая представляет собой совокупность следующих разработанных научных положений.

1. Методология и методика исследования природы и закономерностей формирования фазового состава, криогенного строения и свойств мерзлых грунтов как сложных многокомпонентных, многофазных, полидисперсных и гетеропористых систем с учетом нелинейности, происходящих в них физико-химических процессов тепло- и массообмена, новые способы и аппаратура для ее применения.

2. Классификация форм связи воды в мерзлых грунтах, составленная на энергетическом принципе и теоретические основы формирования удельного содержания незамерзшей воды в них.

3. Физико-химическая модель мерзлых тонкодисперсных грунтов, учитывающая энергетическое состояние, взаимодействие и взаиморасположение их компонент и фаз и динамика криогенного строения промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов.

4. Теория формирования массообменных свойств криогенных грунтов на основе рассмотрения природы связи, энергетического состояния и геометрических параметров различных категорий незамерзшей воды в них.

5. Фильтрационно-осмотическая теория криогенного влагопереноса и формирования сил морозного пучения при промерзании грунтов и физическая постановка математического моделирования процесса с учетом химических потенциалов незамерзшей воды.

6. Развитие представлений о механизме и закономерностях формирования аномальных температурных деформаций и теплопроводных свойств криогенных грунтов при переменных условиях состояния.

7. Физико-химические основы теории и новые эколого-безопасные способы технической мелиорации грунтов криолитозоны с использованием водного раствора поливинилового спирта.

Методика исследований. Цель работы определила единый комплекс методов исследований, включающий в себя обобщение, теоретический анализ и физическое моделирование формирования свойств криогенных грунтов. В работе использованы лабораторные методы исследования параметров процессов тепло- и массообмена и деформирования грунтов, разработанные как лично автором, так и заимствованные из области геокриологии, грунтоведения, гидрогеологии, строительной теплофизики и агрофизики. Методические разработки автора использовались при исследовании морозного пучения и криогенной миграции, теплопроводных свойств, деформационных свойств мерзлых грунтов и содержания

в них незамерзшей воды. К ним относятся - устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем, приборы для изучения морозного пучения грунтов и температурных деформаций, способ определения давления морозного пучения, безинерционное тензометрическое устройство для измерения порового давления, криогигроскопический способ определения незамерзшей воды. Определение фазового состава производилось также калориметрическим, контактным и сублимационным методами (З.А. Нерсесова, Э.Д Ершов, и др.). Компрессионные испытания мерзлых грунтов проводились в соответствии с ГОСТ. Микростроение грунтов изучалось с применением оптической и растровой электронной микроскопии (с участием В.Н. Соколова и Е.М. Чувилина).

Личный вклад автора. В основу работы положены теоретические и экспериментальные материалы, полученные лично автором или при его непосредственном творческом участии с 1970 года по настоящее время совместно с аспирантами, студентами и сотрудниками, руководимых автором научных коллективов и лабораторий кафедры геокриологии МГУ и ПНИИИС Госстроя РФ. За период тридцатилетней научной деятельности автор был научным руководителем (или ответственным исполнителем) более 30 госбюджетных и хоздоговорных тем по профилю диссертации, которые в основном были включены в научно-технические программы ГКНТ СМ СССР, Госстроя и Газпрома РФ.

Практическое значение. Работа имеет практическое значение для совершенствования нормативно-методической базы инженерно-геокриологических изысканий под проектирование и строительство зданий и инженерных сооружений в области распространения сезонно- и многолетнемерзлых грунтов России, а также для инженерной защиты территории от опасных экзогенных процессов и закрепления грунтовых оснований сооружений. Практическое использование материалов диссертации осуществлено путем подготовки на базе ПНИИИС и утверждения Госстроем РФ ряда нормативных документов и передаче научно -технических достижений в форме отчетов заказчикам. Так, результаты диссертационной работы вошли в четыре нормативные документа по линии Госстроя РФ, составленные или при участии, или под руководством автора. Рекомендации по технической мелиорации грунтов переданы для практического использования в РАО Газпром, Минстройинвест Якутии, Арктикуголь и ВНИИСТ. По патентам автора изготовлены и переданы в производство (ПО Стройизыскания, Минстрой Якутии) и в учебный процесс на геологическом факультете МГУ новые технические средства. Материалы диссертационной работы почти полностью вошли

в учебники и учебные пособия, опубликованные с участием автора в издательстве МГУ (Общее мерзлотоведение, 1978; Петрография мерзлых пород, 1987 и др.).

Публикации и апробация работы. Результаты диссертационной работы автора опубликованы в 112 печатных трудах, в том чтле^ 2-х учебниках и 9 монографиях и в 13 авторских свидетельствах на изобретения.

Материалы доложены на научных конференциях [и совещаниях различного ранга: на 2, 3, 4, б и 7-ой Международных конференциях по мерзлотоведению (Россия-Якутск, 73; Канада-78; США-Вашингтон, 83; Китай-Пекин, 93; Канада-98), на заседаниях Научного совета по криологии Земли АН СССР и РАН (Москва, 1991 и др.), 4 и 5-ой Всесоюзных конференциях по тепло- и массообмену (Минск, 72, 76), 6-ой конференции по поверхностным силам (Москва, 76), 5-ом Всесоюзном совещании- семинаре по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях (Красноярск, 68), 3-ем Республиканском совещании по инженерно-геологическим изысканиям в районах распространения вечномерзлых грунтов (Чита, 72), на ряде научно-производственных конференциях и совещаниях по строительству на мерзлых грунтах (Чита, 73; Воркута, 75; 86; Хабаровск, 75); на расширенном заседании НТС ГКНТ СМ СССР (Москва, 74); на научных конференциях МГУ - Ломоносовские чтения (96, 97); на Первой конференции геокриологов России (Москва, 96); на Международной конференции «Генезис и модели формирования свойств грунтов» (Москва, 98).

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти разделов, включающих 13 глав, вывод�