Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика исследования и закономерности формирования влагопроводных свойств промерзающих грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Методика исследования и закономерности формирования влагопроводных свойств промерзающих грунтов"

На правах рукописи УДК 551.345.004.12

Магомедгаджиева Муминат Абдулласвна

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЛАГОПРОВОДНЫХ СВОЙСТВ ПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ

специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители - доктор геолого-минералогических наук, профессор Э.Д. Ершов кандидат геолого-минералогических наук, с.н.с. В.Г. Чеверев

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,

профессор С.Е. Гречищев кандидат технических наук Я.А. Кроник

Ведущая организация - Государственный проектный институт

"Фундаментпроект"

Защита диссертации состоится 29 мая 1998 года в 14.30 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению К.053.05.06 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, аудитория № £ЛЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан 29 апреля 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук

В.Н. Соколов

Введение

Актуальность проблемы Практически вся территория России подвержена эпизодическому, кратковременному, сезошюму или многолетнему промерзанию. С этим процессом связано такое распространенное явление как морозное пучение грунтов, в результате которого в промерзающем грунте формируется напряженно-деформированное состояние. Это может вызвать деформации и повреждения промышленно-граждаяских зданий и сооружений, разрушение покрытий автомобильных дорог и аэродромов, деформации железнодорожных насыпей, смещение опор мостов, линий электропередач, трубопроводов и других линейных сооружений, а также малонагруженных фундаментов зданий. Недопустимые деформации сооружений особенно часто возникают в районах глубокого сезонного промерзания грунтов и на территории распространения многолетпемерзлых пород, то есть в криолитозоне, занимающей около 65 % территории России.

На важность решения проблемы морозного пучения грунтов указывали многие ведущие специалисты - геокриологи: М.И. Сумгин, H.A. Цытович, П.Ф. Швецов, Б.И. Далматов, В.А. Кудрявцев, В.О. Орлов, И.А. Тютюнов, С.Е. Гречищев, Э.Д. Ершов, и др. Актуальность этой проблемы неоднократно подчеркивалась на международных и межведомственных конференциях по мерзлотоведению.

На современном этапе теория морозного пучения развивалась по следующим направлениям: 1. Натурные исследования деформаций и сил морозного пучения (Б.И. Далматов, В.Ф. Жуков, М.Ф. Киселев, Я.А. Кроник,

B.О. Орлов, H.A. Перетрухин, Ch. Xiaobai, J.S. Buska, J.B. Johnson и др.); 2. Изучение природы явления (A.A. Ананян, A.M. Глобус, М.И. Гольдштейн, С.Е. Гречищев, Э.Д. Ершов, В.О. Орлов, И.А. Тютюнов, Е.А. Федосов, Г.М. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.Г. Чеверев и др.); 3. Установление параметров морозного пучения и зависимостей его от различных факторов (Э.Д. Ершов, Б.Н. Ю.П. Лебеденко, В.О. Орлов, B.C. Петров, Г.М. Фельдман, В.Г. Чеверев, Л.В. Чистотинов, E.J. Chamberlain, J.M. Konrad, T. Ishizaki, R.D. Miller, J.T.C. Seto, P.J. Williams и др.); 4. Разработка и совершенствование методов расчета деформаций морозного пучения грунтов ( И.А. Золотарь, В.О. Орлов, Г.М. Фельдман, В.Г. Меламед, A.B. Медведев, В.Я. Хаин, С.Н. Булдович, P.J. Williams Т. Ishizaki и др.); 5. Развитие теоретических основ взаимодействия морозоопасных грунтов с сооружениями (Б.И. Далматов, М.Ф. Киселев, В.О. Орлов, H.A. Перетрухин, В.И. Пусков, В.Б. Швец, А.Я. Тулаев, Б.Г. Петров и др.); 6. Теория и практика противопучшшых мероприятий (М.В. Аверочкина, Б.И. Далматов, М.Ф. Киселев, О.С. Кононова, Я.А. Кроник, A.M. Пчелинцев,

C.Б. Ухов, А.Я. Тулаев, И.А. Тютюнов и др.).

Благодаря работам предшественников сформулирован ряд основных положений теории морозного пучения грунтов. К ним прежде всего относятся: принцип термодинамического равновесия между незамерзшей водой и льдом в мерзлом грунте; определяющая роль криогенной миграции в этом процессе;

формирование под действием градиента температуры градиента потенциала влаги в мерзлой зоне промерзающего грунта как движущей силы криогенной миграции; наличие зоны одновременного пучения в диапазоне отрицательных температур, в которой происходит миграция незамерзшей воды и сегрегационное льдовыделение; внутриобъемная усадка талой зоны промерзающего грунта за счет ее дегидратации и другие.

Однако, несмотря на обширный материал, в перечисленных работах не выполнен анализ степени участия различных категорий влаги как в талой, так и в мерзлой зонах промерзающих грунтов в формировании криогенной миграции влаги; нет оценки нелинейности процесса криогенной миграции; недостаточно изучен механизм внутриобъемной усадки талой зоны промерзающего грунта; требуют также своего развития и экспериментальные методы определения потенциалов влаги в промерзающих 1рунтах.

Основываясь на вышеизложенном основной целью работы являлось -разработка методики и исследование особенностей механизма криогенной миграции и закономерностей формирования влагопроводных свойств на основе экспериментального определения порового давления.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- разработать методику экспериментального определения потенциала влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах промерзающих грунтов;

- экспериментально обосновать методику перехода от изотерм сорбции-десорбции немерзлых грунтов к определению содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах;

- выполнить анализ энергетических характеристик различных категорий незамерзшей воды для выявления их влияния на морозную пучинистость грунтов;

- экспериментально исследовать зависимость потенциала влаги от отрицательной температуры, установить закономерности формирования порового давления, плотности потока влаги, коэффициентов влагопроводности в промерзающих грунтах и на их основе уточнить механизм криогенной миграции с учетом различных категорий влаги;

установить зависимость потока влаги и коэффициента влагопроводности от градиентов порового давления в немерзлой зоне промерзающих грунтов и начального градиента криогенной миграции от плотности и температуры грунтов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1.Разработана методика и аппаратура комплексного исследования параметров влагопереноса в промерзающих грунтах и их влагопроводных свойств на основе экспериментального малоинерционного способа определения потенциалов влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах.

2. Экспериментально обоснована методика применения изотерм сорбции-десорбции немерзлых фунтов для определения зависимостей содержания незамерзшей воды от потенциала влаги и температуры мерзлых грунтов. Обоснована возможность использования для расчета потенциала подвижных

категорий незамерзшей воды (область температур интенсивных фазовых переходов) значений теплоты фазового перехода и мольного объема как для свободной воды (6,03 кДж/моль и 18 см3/моль).

3. Установлена роль различных категорий незамерзшей воды в формировании морозной пучинистости грунтов на основе анализа их энергетических характеристик. При этом выделены категории: а) способствующая интенсивной криогенной миграции (осмотическая вода низкого уровня связи), б) механически препятствующие ей (адсорбированная и осмотическая вода высокого уровня связи) и в) активно тормозящая ее формирование (иммобилизованный поровый раствор).

4. На основе экспериментальных исследований получена зависимость потенциала незамерзшей воды от отрицательной температуры грунта и расширены представления о характере формирования порового давления, плотности потока влаги и коэффициентов влагопроводности в промерзающих грунтах. На их основе уточнен механизм криогенной миграции с учетом различных категорий влаги;

5. Установлена область нелинейной зависимости потока влаги и коэффициента влагопроводности от градиентов порового давления в немерзлой зоне промерзающих грунтов и определено влияние плотности и температуры грунтов на начальный градиент давления криогенной миграции.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования, в соответствие со своей конечной целью, предназначены для составления новой эффективной технологии в строительстве по стабилизации промерзающих грунтов от морозного пучения и создания благоприятных условий при возведении и эксплуатации линейных сооружений и инженерных объектов, имеющих малонагруженные и малозаглубленные фундаменты. Полученные результаты по параметрам влагопереноса могут быть использованы для уточнения расчетов сил и деформаций морозного пучения промерзающих грунтов.

Личный вклад автора

В ходе исследований с личным участием автора: разработана методика и аппаратура определения потенциалов влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах; экспериментально обоснована методика применения изотерм сорбции-десорбции, полученные ранее в агрофизике и грунтоведении на немерзлых почвах и грунтах для определения зависимостей содержания незамерзшей воды от химического потенциала влаги и температуры мерзлых грунтов; построены диаграммы областей существования различных категорий влаги в мерзлых грунтах с массивной криогенной текстурой и определена их роль в формировании морозной пучинистости грунтов. Лично автором выполнены методические эксперименты и испытано более 230 образцов грунтов и проведено более 200 экспериментов по определению потенциалов влаги в мерзлых грунтах, характеристик влагопереноса в промерзающих и немерзлых грунтах в зависимости от их плотности и температуры, с параллельным определением физических свойств (влажности, плотности,

содержания незамерзшей воды, температуры начала замерзания). Все экспериментальные данные обработаны автором при помощи электронной таблицы Excel 5.0 и разработанной для нее программы автоматического построения диаграмм. Проанализированы полученные результаты и установлены закономерности.

Апробация работы

Основные положения диссертации апробированы на первой конференции геокриологов России (Москва, 1996), ежегодной научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 1996, 1997), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 97" (Москва, 1997), принят доклад на 7ю Международную конференцию по мерзлотоведению (Канада, 1998). По данной теме автором опубликованы 5 научных статей и 1 сдана в печать.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из'/<» наименований и основных выводов. Изложена на/iT страницах текста, включает V/ рисунков, /.таблиц.

Работа выполнена автором на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ в период обучения в очной аспирантуре с 1994 по 1998 гг.

Автор выражает благодарность за постоянное внимание, поддержку, номощь и консультации по проведению экспериментов и обоснованию результатов научным руководителям доктору геолого-минералогических наук, проф. Э.Д. Ершову, кандидату геолого-минералогических наук, с.н.с. В.Г. Чевереву. Также, автор выражает признательность сотрудникам кафедры геокриологии проф. Л.Т. Роман, доценту Е.М. Чувилину, с.н.с. С.Н. Булдовичу за внимание и полезные советы, научному сотруднику A.B. Медведеву за консультации при обработке результатов на ЭВМ, аспиранту И.Ю. Видяпину за помощь в изготовлении технических средств исследований.

Глава I Состояние изученности характеристик влагопереноса в промерзающих грунтах

Знание механизма влагопереноса и его характеристик в промерзающих грунтах важно с точки зрения правильной физической постановки математического моделирования их морозного пучения.

Анализ опубликованной литературы показывает, что пучшшстость грунтов изучалась в четырех основных направлениях: 1) природа и закономерности морозного пучения, 2) натурное проявление процесса, 3) взаимодействие пучинистых грунтов с инженерными сооружениями и 4) разработка приемов противопучинной стабилизации грунтов.

Настоящая работа принадлежит к 1ому направлению. Наиболее оригинальны и значимы в развитии этого направления теоретические исследования A.A. Ананяна, И.А. Тютюнова, М.Н. Гольдштейна, В.О. Орлова, С.Е. Гречшцева, Л.В. Чистотинова, Б.В. Дерягина, Н.В. Чураева, Э.Д. Ершова,

В.Г. Чеверева, Я.А. Крошка и др. позволившие с позиций молекулярно-кинетических представлений, физико-химии межфазовых взаимодействий в минеральных грунтах и теории необратимости процессов дать основу для дальнейших разработок.

В геокриологической литературе опубликовано более 20 теорий криогенной миграции влаги, с которыми можно ознакомится в соответствующих обобщающих работах. В настоящее время не вызывает сомнения, что основной (общей) причиной этого процесса является градиент температуры в мерзлой зоне промерзающего грунта, приводящий к формированию в ней движущей силы влагопереноса - градиенту потенциала влаги по незамерзшей воде. Однако, обстоятельных экспериментальных исследований условий формирования потоков влага, порового давления в талой и потенциалов влаги в мерзлой зонах промерзающих 1рунтов пока еще не проводилось. Также, детально не рассматривалась роль различных категорий влаги в морозном пучении промерзающих грунтов.

Влагопроводные свойства грунтов существенно зависят от их литологического типа, влажности, температуры и других факторов. Сведения о них для немерзлых грунтов можно найти в работах А.М. Глобуса, Э.Д. Ершова,

A.B. Лыкова, C.B. Нерпина и А.Ф. Чудновского, A.A. Роде, И.И. Судницына,

B.Г. Чеверева и др. Что касается данных о коэффициентах влагопереноса и потенциалах влаги в промерзающих грунтах, то они практически отсутствуют. Имеются лишь отдельные данные, полученные Э.Д. Ершовым, Ю.П. Лебеденко и В.Г. Чеверевым, Л.В. Чистотиновым, M. Fukuda, PJ. Williams, J.T.S. Seto, J.-M. Konrad в области высоких отрицательных температур (0 -0,5 °С).

Для дальнейшего исследования характеристик криогенной миграции в потенциальной форме необходимы соответствующие методы. На сегодняшний день наиболее разработаны методы изучения влагопроводных характеристик в иемерзлых грунтах и почвах. Обобщающие материалы по ним имеются в работах A.B. Лыкова, А.М. Глобуса, И.И. Судницына, и др. Следовательно, возникает необходимость разработки методов и аппаратуры для изучения влагопроводных характеристик промерзающих грунтов.

Таким образом, разработанные ранее физические модели морозного пучения грунтов не учитывают следующие существенные стороны процесса: особенности формирования характеристик влагопереноса в грунтах различного состава и температуры, пороговые градиенты фильтрации, условия несоблюдения закона Дарси применительно к криогенной миграции влаги в промерзающих грунтах, полиэнергетическое состояние незамерзшей воды.

Глава II Методика комплексного исследования процесса влагопереноса в промерзающих грунтах

Комплексность исследования в данной работе заключается в сочетании методов определения всех основных параметров влагопереноса в мерзлой и немерзлой зонах промерзающего грунта. В ней предусмотрено определение

■потенциалов незамерзшей влаги в мерзлой зоне, измерения распределения порового давления в талой зоне и в области высоких отрицательных температур, определение плотности потока влаги и коэффициентов влагопроводности в обеих зонах.

В ходе выполнения исследовательских работ были изготовлены устройства и опробованы четыре наиболее перспективных по нашим исходным представлениям способа определения потенциалов влаги: тензиометрический, гигроскопический, осмометрический и микрокапиллярный в различной степени разработанных в области агрофизики и физико-химии поверхностных явлений.

Гигроскопический метод был применен нами для определения потенциала влаги в мерзлой части промерзающего грунта в новой модификации и назван криогигроскопическим. Он основан на том, что в закрытой изотермической равновесной системе химические потенциалы льда, пара и незамерзшей воды равны и могут быть измерены в любой фазе, в том числе в парообразной. Суть метода состояла в том, что в начале для выбранного ряда грунтов (мономинеральные глины, полиминеральный суглинок) определялись изотермы сорбции и десорбции (= £ (Р/Р5), где Р/Р5 относительная упругость пара), которые позволяли рассчитывать зависимость равновесной влажности грунта от потенциала (давления) влаги. Величина Р/Р5 задавалась в пределах от 0,94 до 1.

При этом известны зависимости потенциалов парообразной влаги от температур над водным раствором хлористого натрия различной концентрации, полученные Лэнгом (1967) в состоянии термодинамического равновесия. Нами измерялась равновесная влажность грунтов над такими растворами при температурах 20, 10, 0, -2 °С для выявления влияния на нее температуры. При этом зависимость потенциала парообразной влаги от температуры носила линейный характер, а равЕювесная влажность грунта оставалась неизменной. Знание температурной поправки позволяло проводить опыты по определению равновесной влажности грунтов в комнатных условиях, а затем переносить их результаты на те же грунты, но находящиеся в диапазоне отрицательных температур.

Далее, по результатам гигроскопических испытаний (по зависимостям равновесных влажностей грунтов от Р/Р5), используя известную формулу (Судницын, 1979)

^=(ЮУУж)1ё(Р/Р5), (1)

(где Я - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К),Т -абсолютная температура, V* - мольный объем воды) с учетом температурной поправки были получены зависимости равновесной влажности грунтов от отрицательной температуры и давления (потенциала) влаги. Для этих же грунтов при фиксированных отрицательных температурах определялось равновесное влагосодержание со льдом контактным методом (при сорбции из льда). Сравнение, сведенных на один график, зависимостей равновесного влагосодержания грунтов от их температуры и потенциала (давления) влаги,

полученных при сорбции из льда, пара и десорбции грунтов различного состава позволило оценить их применимость для определения потенциала влаги мерзлых грунтов и для анализа их фазового состава влаги.

г, "с

-40 -30 -20 -10 0

1 ' ' ' 0

I—---_4од

Рис. 1 Зависимость между относительной упругостью пара, давлепием влаги и температурой (по данным И.И. Судшщыпа, 1979 с добавлениями автора)

—•—дсс.

\ ------- сорбц.

: Т Т У | 1-т т г~г 1 г 1 г 1— I 1 г Т —Г

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Р/Рв

Рис. 2 Общий вид изотермы сорбции и десорбции

Используя известные соотношения между давлением влаги (Р„), относительным давлением пара (Р/Р5) и отрицательной температурой (рис.1), при известных потенциалах (давлениях) влаги или Р/Р5 (зная их зависимость от температуры) и соответствующих равновесных влажностях грунтов, имеющихся для немерзлых грунтов в литературе, получены зависимости содержания незамерзшей воды от температуры для этих же грунтов. Например, для точки А на изотерме десорбции (рис. 2) влажность равна 3,3 % при Р/Р5 = 0,9. По формуле (1) Р/Р5, равная 0,9 соответствует Р№ = 140,3 атм, а это значение отвечает Т = -11,6 °С по рис. 1. Далее, на график = Й^-Т) наносится точка с координатой (-11,6; 3,3). Аналогичные операции проводятся и при других Р/Р5 для получения последующих точек графика.

Дня исследования параметров влагопереноса в промерзающих грунтах была использована специальная установка на базе прибора по определению их морозной пучинистости. В ходе опытов осуществлялось одностороннее промораживание образца с постоянными граничными условиями. При этом производились измерения потока влаги, деформаций морозного пучения, температуры и порового давления по высоте образца. Контроль за температурным полем осуществлялся с помощью термопар внутри образца и на его границах, а наблюдение за деформациями - путем измерения положения датчиков деформаций и поверхности низкотемпературного штампа. В те же моменты времени снимались и показания электрических датчиков порового давления, которые осуществлялись с помощью комплекса из 8ми тензиометров безинерционного типа.

Для моделирования влагопереноса в талой зоне промерзающих грунтов использовался модернизованный прибор конструкции В.Г. Чеверева для определения параметров влагопереноса в талых грунтах. В ходе испытаний

производилось удаление влаги путем испарения с верхнего торца образца и осуществлялась непрерывная подача воды к нижнему торцу. По всей высоте образца при достижении стационарного режима измерялось поровое давление. Для определения момента выхода на стационарный режим, осуществлялся контроль за интенсивностью поглощения воды в образец. Влияние градиента порового давления на поток и коэффициент влагопроводности определяли путем управления интенсивностью испарения с помощью регулировки оборотов вентилятора. Для определения влияния температуры на влагопроводность грунтов прибор устанавливали в холодильную камеру.

При моделировании влагопереноса в талой части промерзающих грунтов обнаружилось интересное явление. Был установлен факт "промерзания грунта" при положительных температурах окружающей среды, что нами объясняется съемом значительного количества тепла при испарении влаги из поверхности грунта. При этом без изменения внешних условий испарения влагоперенос в грунте резко усилился, перейдя, фактически в криогенную миграцию. Аналогичное явление было получено ранее В.Г. Чеверевым (1974) в виде формирования слоя шестоватого льда у поверхности испарения грунта. Явление "промерзания грунта" предлагается использовать для задания отрицательных температур вблизи О °С.

Глава Ш Характеристика исследуемых грунтов

Для проведения экспериментов использовались несколько разновидностей глинистых грунтов нарушенного сложения из ряда пучиноопасных. Это позволяло приготовить однородные образцы грунтов по влажности, плотности и пористости.

В проведении экспериментов использовались: глина каолинитовая палеогенового возраста элювиального генезиса (еР2) (г. Глуховец), глина гидрослюдистая каменноугольного возраста морского генезиса (шС) (г. Гжель), суглинок полиминеральный четвертичный гляциально-морского генезиса ^тП2"4) (п-ов Ямал). Состав и основные физические свойства грунтов приведены в работе. Содержание незамерзшей воды в грунтах определялось автором в диапазоне температур от -1 до -10 °С. Для этой цели использовался контактный метод, разработанный на кафедре геокриологии МГУ (Ершов и ДР., 1979).

Глава IV Категории незамерзшей воды в промерзающих грунтах и их основные физико-химические свойства

В мерзлых грунтах существуют различные формы связи влаги с минеральной компонентой. Актуальность их исследования очевидна в связи с особой ролью, которую играет незамерзшая вода в протекании процессов тепло- и массообмена в грунтах криолитозоны и, соответственно, в формировании их состава, строения и свойств. Важность исследования

потенциала влаги состоит не только в том, что движущей силой криогенной миграции незамерзшей воды в промерзающих грунтах является градиент потенциала влаги, знание которого позволяет успешно реализовать на современном уровне (т.е. в потенциальной, а не во влажностной форме) математическое моделирование морозного пучения грунтов, но и в том, что потенциал влаги является термодинамическим параметром, отражающим энергию связи воды с твердой компонентой мерзлого грунта. Это можно использовать для получения исходных данных при выделении энергетически различных по связи с грунтом категорий незамерзшей воды.

В связи с этим для экспериментального определения потенциалов влаги в мерзлых грунтах исследовалась динамика установления равновесной влажности грунтов во времени при различных P/Ps. По ней определялся ряд равновесных влажностей и строились изотермы сорбции-десорбции грунтов с пересчетом на диапазон отрицательных температур. Далее, зависимости W(P/PS) были переведены на W(-T, Pw) (рис. 3) для различных грунтов с использованием данных рис. 1. Характерной особенностью зависимости равновесной влажности от потенциала влага оказалось ее неоднозначность в области высоких отрицательных температур при сорбции и десорбции, при этом ветвь десорбции лежит выше ветви сорбции на 30 -s- 50 %. Этот гистерезис, очевидно, связан с незаполнением макро- и мезокапилляров водой при увлажнении через парообразную фазу. Именно в области существования капиллярной воды величина гистерезиса самая наибольшая. Сопоставление зависимостей, представленных на рис. 3 показывает наибольшую сходимость десорбционной кривой с теоретической, рассчитанной по коэффициенту 1,2 МПа/град и с кривой по сорбции из льда ("контактный метод" определения WH).

Таким образом, в результате представительных экспериментальных исследований была получена зависимость потенциала влаги мерзлых грунтов от их температуры до -7 °С. Экспериментальные значения потенциала (давления) влаги оказались близкими к теоретическим в спектре отрицательных температур, рассчитанным по коэффициенту 1,2 МПа/град, что говорит о допустимости использования параметров L и V», соответствующих свободной воде в формуле (Edlefsen, Anderson, 1943):

АР ~ = -АИ/П/Ж, (2)

где ÄT - понижение температуры замерзания; Т=273 К; L, Уж - соответственно, теплота фазового перехода и мольный объем незамерзшей воды. Это можно обосновать также и теоретически, рассмотрев характеристики категорий незамерзшей воды, существующих в исследуемом диапазоне (0 -7 °С). Толщины "пленок жидкой фазы при этом (табл. 1) характеризуются величинами > 1Ö0 нм. В то же время из области физико-химии (Дерягин, Чураев, 1974) и грунтоведения (Злочевская, 1988) известно, что искажение структуры воды под действием адсорбционных ciffl поверхности происходит лишь при толщинах адсорбционных пленок до 2 -г 8 нм и не более, соответствующих

Рис. 3 Зависимости влажности образцов суглишса (а); глин: гидрослюдистой (б), каолинитовой (в) от их температуры и потенциала влаги, полученные при: 1 - сорбции из паров, 2 - десорбции, 3 - сорбции из льда.

малоподвижным категориям воды. Поэтому можно полагать, что структура подвижных категорий незамерзшей воды, которые определяют интенсивность морозного пучения не искажается минеральной поверхностью. Следовательно, значения их теплот фазового перехода и мольные объемы существенно не отличаются от аналогичных характеристик свободной воды. Это предположение согласуется с полученными в работе опытными данными.

Из вышеизложенного следует, что зависимость потенциала незамерзшей воды от ее содержания в мерзлом грунте можно получить на основе использования зависимости равновесного содержания незамерзшей воды от отрицательной температуры грунта, и наоборот, можно определить содержание незамерзшей воды, имея зависимость потенциала влаги грунта от его отрицательной температуры. Это, собственно, и было сделано нами, исходя из данных, опубликованных в работе (Злочевская, Королев, 1977, Королев, 1989) для широкого диапазона грунтов. Графики получены по экспериментально обоснованной методике перехода от изотерм сорбции-десорбции к содержанию незамерзшей воды в мерзлых грунтах.

Следующим этапом в исследовании категорий влаги явилось получение диаграмм областей существования различных категорий незамерзшей воды основных типов мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой, которые отражают области возможных соотношений объемных долей фаз и компонент данного грунта (рис. 4). При этом были использованы диаграммы фазового состава (Королев, 1989), полученные путем обработки большого числа данных по фазовому составу разных типов немерзлых дисперсных грунтов. На диаграмме каждая сторона треугольника отражает содержание какого - либо из трех компонент грунта - минерального (А,), воды (жидкая и твердая фаза) (Ав) и газообразного (Дг), а точка внутри диаграммы характеризует определенное соотношение объемных долей рассматриваемых компонент в данном грунте. Перемещение точки на диаграмме показывает возможное изменение соотношения всех трех компонент. На этой же диаграмме отражается и пористость грунта. Каждому типу грунта на диаграмме соответствует своя специфическая область возможных вариаций соотношения компонент (рис. 4).

В основу диаграмм областей существования различных категорий незамерзшей воды в мерзлых грунтах с массивной криогенной текстурой положены области возможных вариаций соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз грунтов (Королев, 1989), разновидности незамерзшей воды, согласно классификации В.Г. Чеверева (1997), а изотермы проведены на основе исследованных нами зависимостей ' потенциала влаги и содержания незамерзшей воды от температуры. Треугольные диаграммы мерзлых грунтов не только отражают области существования той или иной разновидности незамерзшей воды. С помощью этих диаграмм можно прогнозировать изменение содержания незамерзшей воды в грунтах и определить влияние той или иной ее разновидности на морозное пучение в грунтах в зависимости от их физико-химических свойств.

И

каолинитовая глина

№*-монтмориллонитовая глина 100

-27%

40 60 ¿ли, %

Рис. 4 Диаграммы областей существования различных категорий незамерзшей воды в мерзлых грунтах с массивной криогенной текспурой (построены с использованием фазовых диаграмм немерзлых грунтов по В.А. Королеву, 1989 и классификации влаги в мерзлых грунтах по В.Г. Чевереву, 1997)

Условные обозначения:

- лед объемный;

- активная незамерзшая вода (осмотическая низкого уровня связи, капиллярная мезо- и макропор);

- неактивная незамерзшая вода (адсорбированная, осмотическая высокого уровня связи);

- изотермы, °С;

- объемное содержание компоненты грунта

- интегральный удельный объем влаги.

-2,8 -Д,% 3,%

Для настоящей работы особый интерес представляют характеристики различных категорий незамерзшей воды. Разновидности незамерзшей воды по В.Г. Чевереву (1997) представлены в табл. 1, характеристики которых составлены с участием автора (Чеверев, Магомедгаджиева, 1997).

Категории незамерзшей воды в мерзлых грунтах и их основные физико - химические характеристики (Чеверев, 1997) __________Таблица 1

- -Разновидное ш '- . ■ *1 '(¿идк) ? ' , . .. йм ;

(Химически -адсорбированные молекулы воды) <80 - - <1

Адсорбированная вода на внешней поверхности минералов <12 <4 0,4*104 1-2

Адсорбированная вода внутрнкристал -лического набухания 2,8 -12 3,4 -14 (3,4 - 14>103 0,6 -1,5

Квазнжндкие пленки на льду 0-12 0-14 (0 -14)103 4-10

Осмотическая вода высокого уровня связи 2,8 -12 3,4 -14 (3,4 -14)103 2-200

Осмотическая вода низкого уровпя связи 0-2,8 0-3,4 (0 - З,4)103 >200

Микрокапиллярная вода 2,8 -12 3,4 -14 (3,4 - 14)103 20-90

Мезокапиллярная вода несквозных пор 0,2 - 2,8 0,3 - 3,4 (0,3 - 3,4)10"' 90 -103

Мезокапиллярная вода сквозных пор 0,02 - 0,2 0,03-0.3 (0,03 -0,3)103 103 -104

Макрокаппллярная вода >0,02 >0,03 >30 >106

Иммобилизованный минеральным скелетом раствор Т = 1,86-С'Г 1,2 Т Ю3Р№ >1

Примечания: \* С - моляльная концентрация порового раствора; I - изотонический коэффициент Вант - Гоффа.

Исходя из энергетических характеристик (табл. 1), наибольшее значение в механизме пучения в мерзлой зоне промерзающего грунта отводится осмотической незамерзшей воде низкого уровня связи, имеющей физико-химическую связь с минеральным скелетом грунта, высокие толщины пленок и, соответственно, подвижность, а в талой - капиллярной воде мезо- и

макропор. Согласно классификации В.Г. Чеверева, при температурах ниже -2,8 °С в грунте отмечается только наличие незамерзшей воды адсорбированной и осмотической высокого уровня связи разновидностей, которые практически не способны участвовать в процессе криогенной миграции. Малоподвижные категории незамерзшей воды (химически связанные и физико-химически адсорбированные, замерзающие при температуре ниже -12 °С) уменьшают проводящее сечение потока и тем самым снижают морозную пучинистость грунтов. А иммобилизованный вид незамерзшей воды, сжимая диффузный слой катионов, активно тормозит развитие криогенной миграции и морозное пучение грунтов.

Общеизвестно, что самыми пучшшстыми грунтами являются каолшштовые глины и пылеватые суглинки, а монтмориллонитовые глины (несмотря на наибольшее количество незамерзшей воды) и песок (несмотря на хорошую влагопроводность в немерзлом состоянии) практически не пучинисты. Для объяснения физики этого явления рассмотрим фазовые диаграммы областей существования категорий незамерзшей воды (рис. 4). Если взять всю влагу в мерзлом грунте как 100 %, то доля той части влаги, где существует осмотическая низкого уровня связи разновидность незамерзшей воды (т.к. именно она высоко подвижна и имеет возможность передавать поровое давление) составляет 42 % у Са-монтморилонитовой глины, 46 % у Ыа- монтмориллонитовой глины, 76 % у каолинитовой глины, а у песка она отсутствует.

С использованием этих диаграмм также, рассчитаны интегральные удельные объемы (или сечения) для различных грунтов активной влаги в немерзлой зоне (капиллярная вода мезо- и макропор и осмотическая низкого уровня связи) и в мерзлой зоне (осмотическая незамерзшая вода низкого уровня связи) и неактивная вода в талой и мерзлой зонах (адсорбированная пленочная вода). Если сравнить удельный объем активной влаги, определяющий наибольшую влагопроводность в мерзлой и немерзлой частях промерзающих грунтов (монтмориллонитовой глины, песка, каолинитовой глины), то можно заметить следующее. У песка удельный объем подвижной воды в немерзлой части наибольший, но ее практически нет в мерзлой. В монтмориллонитовой глине в обеих зонах невысокое содержание подвижных категорий воды. Что касается каолинитовой глины, то у нес подвижных категорий воды достаточно много как в мерзлой, так и в немерзлой части. Вот почему каолинитовые глины и пылеватые суглинки наиболее пучинисты.

Глава У Закономерности формирования влагопроводных свойств в промерзающих грунтах различного состава и плотпости

Для исследования закономерностей криогенной миграции влаги в промерзающих грунтах, условия, нроведенньк автором экспериментов, были следующие. Образец с заданной влажностью помещался в установку, где осуществлялся процесс его одностороннего промораживания при граничных

условиях по температуре на верхней (-4 °С) и нижней границе (+0,5 °С). Процесс происходил в условиях открытой системы, что достигалось путем осуществления контакта высокотемпературной части образца с талым водонасыщенным песком. При этом песок выступал в роли проводника влаги от мерной трубки к промерзающему образцу. Баланс влажности в ходе эксперимента не нарушался.

В промерзающей грунтовой системе выделяют три различных по свойствам зоны: талую (точнее немерзлую), промерзающую и мерзлую. В мерзлой части образца, как было показано ранее (см. гл. 4), распределение порового давления можно рассчитывать по температуре, используя формулу (2), что соответствует приращению порового давления 12 атм/град. В ходе опытов градиент температур изменялся от 0,07 до 0,3 °С/см.

Начало промерзания грунта фиксируется по распределению порового давления по высоте образца, т.е. нулевые (исходные) показания датчиков давления начинают переходить в область отрицательных значений. Понижение порового давления и появление соответствующих градиентов порового давления приводит к миграции влаги в зону льдообразования. В первом опыте диапазон его значений (которые удалось измерить) составляет 0 + -0,63 атм, а во втором - 0 4- -1,45 атм. Надо заметить, что сравнение показаний датчиков и значений порового давления, рассчитанные по формуле (2) подтвердили ее справедливость, т.е. поровое давление (потенциал) незамерзшей воды в зависимости от температуры изменяется по линейному закону с коэффициентом 12 атм/град (к). Следовательно, формулу (2) можно представить в виде Ри = ЦАТ).

Распределение градиентов порового давления по высоте промерзающей каолинитовой глины в обоих опытах различное в разных зонах. Так, в мерзлой зоне оно линейно, зависит от распределения температур по ее глубине и градиенты Р„ изменялись в диапазоне 1050 4- 3500, при выражении Р№ в метрах водяного столба и расстоянии в м. Распределение градиентов порового давления в талой зоне промерзающего грунта также было линейным по ее глубине, но значения §гас1Р„, были на порядок меньше, чем в мерзлой зоне. Это объясняется высокой влагопроводностью этой зоны по сравнению с мерзлой. Перегиб зависимости Р„(Ь) приурочен к фронту промерзания грунта.

Величина миграционного потока влаги достигала 6*10"3 м/сут в первом, и 11,5*10"3 м/сут во втором опыте. Внутренний поток, формирующийся за счет освобождения поровой воды при усадке талой зоны, составил 0,5 0,8 *10"3 м/сут, что пренебрежимо мало.

На основе экспериментального определения миграционного потока (1„) и градиентов порового давления (йгас1Р„) были получены значения коэффициентов влагопроводности (А\у) по формуле:

>^ = 1№/(сПУс1х) (3)

Величины коэффициентов влагопроводности варьировали в пределах 2,2 * 6,8*10"3 м/сут в немерзлой части промерзающей каолинитовой глины и 1,76 -ь

5,3 * 1С)"3 м/сут в области высоких отрицательных температур. Эти значения согласуются с данными PJ. Williams (1983).

Физическое моделирование влагопереноса в немерзлой части промерзающих 1рунтов проводилось на влагонасыщенных немерзлых грунтах нарушенного строения, которыми являлись суглинок и каолинитовая глина. Для последнего грунта получены наиболее полные зависимости интересующих нас характеристик.

Моделирование талой зоны промерзающего грунта осуществлялось с использованием описанной в главе 2 установки. При проведении опытов стационарный режим влагообмена достигался путем поддержания постоянства условий испарения воды с верхнего торца образца и непрерывной подачи воды к его нижнему торцу. После достижения стационарного режима снимались показания распределения по высоте образца порового давления и плотности потока влаги в образце (Jw, м/сут) по мерной трубке. Линейность кривых распределения порового давления по высоте (рис. 5) и постоянство Л-свидетельствовало о наступлении стационарного режима фильтрации. На момент полного завершения испытаний по высоте образца определялось конечное распределение влажности (рис. 6). и плотности. Коэффициенты влагопроводности рассчитывались по формуле (3).

Известно, что при критических градиентах у неплотных глин с высокой влажностью возможна необратимая перестройка структурных элементов образцов и разработка путей фильтрации (Березкина и др., 1976). В наших опытах "градиентная память" не наблюдалась, что было подтверждено исследованием влияния градиента порового давления на поток и коэффициент влагопроводности по мере возрастания интенсивности испарения и обратно -уменьшения, результаты которого не выявили гистерезиса.

Параметры процесса влагопереноса в немерзлой зоне промерзающих грунтов при ее физическом моделировании изменялись в пределах: Jw - от 0,36 *10'3 до 18 *10"3 м/сут, К- от 0,4 *10-5до 18,5 *10"5 м/сут, dP/dx - от4 до 430. (здесь Р выражается в метрах водяного столба) и температура внешней среды от + 0,8 до + 22 °С. Все давления, измеренные в опытах, имели отрицательные значения. Диапазон их изменения составил 0 -0,09 МПа.

Рассматривая полученные закономерности для коэффициента влагопроводности, можно сказать следующее. На рис. 7 выделяются три области, в которых по разному проявляются зависимость коэффициента влагопроводности (Х„) от градиента порового давления (gradPw). В области наибольших gradPw, выше критических (gradPwKp), эта зависимость носит практически линейный характер. Из опытных данных следует, что зависимость коэффициента влагопроводности от градиента давления линейна только в области больших градиентов давления и не линейна в области малых градиентов. Следовательно, существуют условия, при которых закон Дарси не работает. В средней области с уменьшением градиента порового давления убывает и коэффициент влагопроводности. Критический градиент давления

Ь, си

Рис. 5 Распределение порового давления по высоте образцов каолинитовой глины п момент стационарного режима влагопереноса при разных потоках влаги (1\у*103, м/сут).

Рис. 6 Распределение влажности по высоте образцов каолинитовй глины (при плотности скелета - 1,24 (1), 1,31 (2), 1,7 (4) г/см3)и суглинка (плотность скелета - 1,45 г/см3 (3)) в конце опытов.

20

„ - 10 "о

К ^

плотность скелета 1,24г/см3

■ 111111 ■ ■ ■

О 30 60 90 120 150 $*га<1 Р\у

18 э 15 & 12 ^ Ч И

б)_

температура +22 °С

2 б| «

-Г ?

\

-1,24 ■1,31 "1,7

тпттттттпт

тптпттггтт

150 300 grad Ри-

450

grad Р\у

+1,2 "С

/1

г ч

■4 г - ^ГгТтгггггпгт иптапнгп [ШШ111П11

О 150 300 450

grad РУР

Рис. 7 Зависимости коэффициента влагопроводности от градиента лорового давления для каолинитовой глины при различных температурах (в °С )(а) и плотностях скелета (в г/см3) (б)

при этом зависит от типа, плотности грунта и его температуры. В проведенных нами опытах, он изменяется в пределах 20 ч-125 и увеличивается с понижением температуры и увеличением плотности грунта. Причем по кривым зависимости коэффициента влагопроводности от градиента давления можно провести некие огибающие, по которым можно определить критические градиенты для различных плотностей (от 1,24 до 1,7 г/см3 и выше) и температур (от 22 до 0,8 °С и ниже). Важным обстоятельством является то, что для природных условий сезонного промерзания грунтов характерна область малых градиентов порового давления, а, соответственно, и нелинейность этой зависимости. В области, соответствующей наименьшим значениям градиентов, коэффициенты влагопроводности очень малы и практически не фиксируются опытным путем. Наличие предела применимости закона Дарси определяется торможением потока, вызванного электрокинетическим потенциалом течения воды в порах глинистых пород, что ранее на немерзлых грунтах было показано Г.П. Алексеенко (1980).

Следует также заметить, что коэффициенты влагопроводности, полученные нами при температурах, близких к 0 °С, заметно ниже коэффициентов фильтрации по данным исследователей немерзлых глин аналогичного состава при их температурах +20 °С и выше, опубликованных в литературе (Гольдберг, Скворцов, 1986 и др.), что указывает на существенное влияние температуры.

Кроме того, анализ формы кривых зависимости коэффициента влагопроводности от с!Р/с1х показал, что они при их продолжении не проходят через точку с координатами 0 - 0, а отсекают на оси X некоторое значение, что указывает возможное существование пороговых градиентов давления, лишь с превышением которых начинается существенный влагоперенос. Вопрос о существовании пороговых градиентов дискуссионный. По нашему мнению понятие начального градиента следует принимать как относительное во времени, так как за очень длительный промежуток времени, учитывая реологические свойства пленок связанной незамерзшей воды, возможно ее заметное перемещение и при малых градиентах давлений. Следовательно, для сезонного промерзания его существование надо учитывать, а для многолетнего промерзания по-видимому нет.

В дополнение к вышеизложенному сопоставим характер распределения влажности по высоте образца с распределением в нем порового давления (рис. 6). Наибольшие градиенты влажности наблюдаются в верхней части образцов, откуда происходило испарение влаги. Увеличение влажности в их нижней части связано с некоторым набуханием грунта. Представляет особый интерес средняя часть образца. По ней в основном и определялись параметры влагопереноса. В наиболее плотном образце грунта она не была затронута ни усадкой ни набуханием и в ней практически не было градиентов влажности. Тем не менее поток влаги в средней части образца также имел место и он обеспечивался наличием <1Р/<1х. Следовательно, использование при математическом моделировании процесса промерзания и пучения грунтов

градиентов влажности в качестве движущей силы криогенной миграции существенно искажает физику процесса. Необходимо отметить, что в немерзлой зоне промерзающих пучинистых грунтов формируется отрицательное поровое давление (рис. 5), из чего следует, что механизм миграции влаги в ней - вакуумно-фильтрационный. В мерзлой же зоне по мере вымерзания незамерзшей воды низкого уровня связи вакуумно-фильтрационный механизм миграции, очевидно, сменяется на диффузионный.

Основные выводы

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы, отражающие методическое, научно- теоретическое и практическое значение работы.

¡.Разработана методика и аппаратура комплексного исследования параметров влагопереноса в промерзающих грунтах на основе экспериментального малоинерционного способа определения потенциалов влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах. В ней предусмотрено определение химических потенциалов незамерзшей влаги в мерзлой зоне, измерения распределения порового давления в талой зоне и в области высоких отрицательных температур, определение плотности потока влаги и коэффициентов влагопроводности в обоих зонах.

2. Экспериментально обоснована методика применения изотерм сорбции-десорбции немерзлых грунтов для определения зависимостей содержания незамерзшей воды от химического потенциала влаги и температуры мерзлых грунтов. Обоснована возможность использования для расчета потенциала подвижных категорий незамерзшей воды (область температур интенсивных фазовых переходов) значений теплоты фазового перехода и мольного объема как для свободной воды (6,03 кДж/моль и 18 см3/моль).

3. На основании анализа зависимостей потенциала влаги, количества незамерзшей воды и с использованием классификации форм связи влаги в мерзлых грунтах по В.Г. Чевереву и фазовых диаграмм немерзлых грунтов В.А. Королеву построены диаграммы областей существования различных категорий влаги в мерзлых грунтах с массивной криогенной текстурой, имеющих существенное значение для анализа природы формирования их свойств (или прогноза свойств).

4. Определена роль различных разновидностей влаги в формировании процесса криогенной мшрации на основе анализа их энергетических характеристик. При этом наибольшее значение в мерзлой зоне промерзающего грунта отводится осмотической разновидности незамерзшей воды низкого уровня связи, а в талой капиллярной воды мезо- и макропор.

Кроме того, установлены категории влаги пассивно препятствующие (адсорбированная и осмотическая высшего уровня связи) и активно тормозящие (иммобилизованный поровый раствор) формирование криогенной миграции. Это объясняет причины аномальной морозной пучинистости

пылеватых суглинков и каолинитовых глин, содержащих наибольший объем активных категорий незамерзшей воды как в немерзлой, так и в мерзлой зонах промерзающих грунтов.

5. Экспериментально доказана возможность использования линейной зависимости Pw = -k(AT), где к = 12 атм/град для расчета потенциалов влаги не только мерзлых, но и в промерзающих грунтах.

6. Экспериментально доказана возможность криогенной миграции в немерзлой зоне промерзающих грунтов без наличия в ней градиента влажности. Получено, что в немерзлой зоне промерзающих пучинистых грунтов формируется отрицательное поровое давление, из чего, следует, что механизм миграции влаги в ней - вакуумно-фильтрационный. В мерзлой же зоне по мере вымерзания незамерзшей воды низкого уровня связи вакуумно-фильтрационный механизм миграции, очевидно, сменяется на диффузионный.

7. Исследованы параметры влагопереноса в немерзлой зоне промерзающих грунтов с позиций применимости закона Дарси. Установлена область нелинейной зависимости и Iw (dP/dx) для суглинка и каолинитовой глины при их различной плотности (1,24 + 1,7 г/см3) и температуры (22 -4-1,2 °С). Предложен принцип учета начального градиента влагопереноса в промерзающих грунтах в соответствии с его интенсивностью.

8. Полученные результаты по параметрам влагопереноса рекомендуется использовать для уточнения расчетов сил и деформаций морозного пучения промерзающих грунтов в потенциальной форме.

Основные положения диссертации отражепы в работах :

1. Экспериментальные исследования химического потенциала влаги в мерзлых грунтах в спектре отрицательных температур. Первая конференция геокриологов России, 1996, Москва, кн.4, с.79-84 (Совместно с Э.Д. Ершовым, В.Г. Чеверевым).

2.0 механизме формирования химического потенциала влаги в мерзлых грунтах и методика его определения. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 1996, с. 142-143 (Совместно с В. Г. Чеверевым).

3. Состояние воды в мерзлых глинистых грунтах. Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам

Ломоносов-97'", 1997.

4. Анализ форм связи влаги в мерзлых грунтах. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения",1997, с. 152-153 (Совместно с В. Г. Чеверевым).

5. Особенности влагопереноса в талой зоне промерзающей глины. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 1997, с. 142-143 (Совместно с В. Г. Чеверевым).

6. Results of physical simulation of frost heaving in soils. 7th International Conference on Permafrost, 1998 ( with V.G. Cheverev, E. D. Ershov, I.Y. Vidyapin), (in print).

Издательство АО "Диалог-МГУ". ЛРЫ 063999 от 04.04.95 Подписано к печати 23.04.98 г. Усл.печл. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 478. Тел. 939-3890, 939-3891, 928-1042. Тел./факс 939-3891. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ.