Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние химического состава солей на прочность мерзлых засоленных грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние химического состава солей на прочность мерзлых засоленных грунтов"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНОВ ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

р Г 5 ОД Геологический факультет

1 3 МАЯ 1Я97

На правах рукописи

Свинтицкая Лиляна Феликсовна

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СОЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель

- доктор геолого-минералогических наук Л.Т.Роман

Официальные оппоненты

- доктор геолого-минералогических наук М.А.Минкин

- кандидат технических наук Я.А.Кроник

Ведущая организация

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

Защита диссертации состоится 16 мая 1997 года в 14.30 час. 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: Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, аудитория №

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

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатями, просим присылать по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 15 апреля 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук /

В.Н.Соколов

Введение

Засоленные грунты повсеместно распространены в криолитозоне. Даже незначительное количество растворенных солей приводит к снижению прочности мерзлых грунтов, что подтверждено многочисленными экспериментами, полученными как в России (В.И.Аксенов, Н.П. Анисимова, A.B. Брушков, Ю.А.Велли, С.С.Вялов, С.Э.Городецкий, В.В. Докучаев, A.A. Карпунина, Я.А.Кроник, В.Т.Трофимов, А.Д. Фролов, И.В. Шейкин, А.Н.Яркин и др.) так и за рубежом (Д.Никсон, Г. Лем, Н.Огата, М.Ясуда, Т. Катаока, Д. Сего, Цу Янлин, Карби и др.)

Большинство авторов рассматривает прочность мерзлых засоленных грунтов в зависимости от общей засоленности, представляющей отношение массы соли к массе сухого грунта, без учета концентрации порового раствора и химического состава солей. Именно в зависимости от засоленности мерзлые грунты относятся к классу засоленных, при этом граничная величина, принятая в нормативных документах весьма незначительна.

Имеющиеся опытные данные показывают отличие прочности мерзлых засоленных грунтов морского и континентального типа засоления, что свидетельствует о влиянии химического состава солей на прочность при прочих равных условиях, которое до настоящего времени практически не исследовано, хотя многими авторами подчеркивается несоответствие расчетных характеристик прочности мерзлых засоленных грунтов, полученных по опытным данным в различных регионах криолитозоны с расчетными характеристиками, приведенными в нормативных документах. Такое несоответствие обусловлено прежде всего неучетом химического состава солей и их концентрации в поровом растворе.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей влияния химического состава солей на прочность мерзлых засоленных грунтов в условиях различных типов засоления и разработка методов учета этого влияния при определении прочностных характеристик.

Для осуществления поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить экспериментальные исследования и установить закономерности влияния химического состава солевых комплексов, характерных для континентальных и морских типов засоления, на прочность мерзлых засоленных грунтов, определяемую в условиях различных методов загружения.

2. Выявить основные параметры физических свойств, обусловленных химическим составом и содержанием солей, определяющих прочность мерзлых засоленных грунтов.

3. Сопоставить прочностные показатели мерзлых засоленных грунтов при оценке их с позиций общей засоленности и с выделением влияния химического состава солей и концентрации порового раствора.

4. Оценить длительную прочность мерзлых засоленных пород в зависимости от химического состава солей и их содержания в поровом растворе.

5. Разработать методы учета влияния химического состава солей при определении расчетных показателей прочности мерзлых засоленных грунтов.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния химического состава солей, характерных для морского и континентального типа засоления на прочность мерзлых засоленных грунтов в условиях основных видов испытаний, широком диапазоне изменения температуры и физических свойств.

2. Обоснованы и выделены основные параметры физических свойств мерзлых засоленных грунтов, обусловленные влиянием химического состава солей и их содержания на прочность.

3. На основе сопоставления прочностных показателей мерзлых засоленных грунтов показана необходимость учета не только общей засоленности, но также химического состава солей и концентрации порового раствора.

4. Разработан метод оценки показателей прочности, основанный на использовании обобщенной зависимости этих показателей от гомологической температуры.

5. Проанализировано влияние нерастворяющего объема грунтовой влаги на концентрацию порового раствора в глинистых грунтах.

6. Проанализированы параметрические уравнения для оценки прочности мерзлых засоленных грунтов.

7. Оценена энергия активации для различных видов мерзлых грунтов, засоленных комплексом солей морского типа №С1, М§С1г, КаНСОз, СаС1г, Ка28 04, при различной концентрации порового раствора.

Практическая значимость работы

Экспериментально подтверждена необходимость учета химического состава солей и их концентраций при определении прочностных и деформационных свойств мерзлых засоленных грунтов. Показана возможность учета типа засоления, основываясь на обобщающих зависимостях прочностных характеристик от гомологической температуры. Полученные закономерности формирования прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов, в зависимости от химического состава солей и их концентрации, предлагается учитывать в практике инженерных изысканий и проектирования.

Личный вклад автора

В ходе исследований автором самостоятельно были освоены методы по изучению прочностных характеристик мерзлых засоленных грунтов при засолении солями различного химического состава и концентрации. Лично проведено около 250 сдвиговых и штамповых испытаний мерзлых засоленных грунтов при различных температурных условиях от минус 1 °С до минус 7 °С, с параллельным определением основных физических свойств грунтов: гранулометрического состава, влажности, плотности, влажности за счет незамерзшей воды, температуры начала замерзания. Для изучения преобразования микростроения в процессе засоления и сдвиговых перемещений сделаны и проанализированы реплики. Выполнен анализ полученных результатов, установлены закономерности влияния химического состава солей и их концентрации в поровом растворе на прочность мерзлых засоленных грунтов. Разработаны методы их практического использования. Апробация работы

Основные положения диссертации апробированы на научной конференции аспирантов и молодых ученых геологического факультета МГУ( Москва, 1993), а также на ежегодной научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 1996), на I Конференции геокриологов России (Москва, 1996) и на ежегодном заседании совета по криологии Земли (Пущико, 1997), принят доклад на Международном симпозиуме по промерзающим грунтам и процессам в мерзлых грунтах (Швеция, 1997),

За время работы по данной теме автором опубликовано 3 научных статьи, 2 статьи находится в печати.

Структура и объем работы г

Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы из 98 наименований. Изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 50 рисунков,.40 таблиц.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследований, выполненных в период обучения в очной аспирантуре кафедры геокриологии геологического факультета МГУ в 1992 - 1996 гг. под руководством доктора геолого-минералогических наук Л.Т.Роман, которой автор выражает искреннюю признательность за постоянное внимание, под держку и помощь. Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору Э.Д.Ершову; профессору Н.Н.Романовскому, кандидату г-м наук Е.М.Чувилину за оказанную помощь и поддержку, кандидату геолого-минералогических наук Л.В.Шевченко, кандидату геолого-минералогических наук С.С.Волохову, кандидату геолого-минералогических наук С.Д.Гановой, инженеру В.И.Артюшиной за полезные советы и помощь при проведении экспериментов.

Глава 1. Общая характеристика мерзлых засоленных грунтов в криолитозоне

Наиболее полно засоленные мерзлые грунты исследовались в Западной Сибири (Г.И.Дубиков, Н.В.Иванова), в Центральной Якутии (Н.П. Анисимова, А.А.Карпунина) п-ве Ямал (В.Т.Трофимов, Г.И.Дубиков), в районе пос. Амдерма Арктического побережья (В.И.Аксенов, В.В. Докучаев, Ю.А.Велли, В.Т.Трофимов, И.В. Шеккин,

A.B. Брушков и др.), в районе о. Колгуев (А.Н.Маслов), сев. побережья Чукотки (А.А.Архангелов, И.Д.Данилов) и др.

Составлена карта распространения засоленных грунтов в криолитозоне, в зависимости от химического состава солей выделены морской и континентальный типы засоления. Морской тип засоления наблюдается в мерзлых грунтах самых северных территорий - вдоль Арктического побережья и на островах; континентальный тип засоления мерзлых пород известен в Центральной Якутии и в Забайкалье.

Мерзлые фунты с морским типом засоления характеризуются устойчивым по площади и в разрезе однотипным хлоридно-натриевым составом поровых растворов. Ионно-солевой состав поровых растворов в мерзлых морских четвертичных отложениях характеризуется соотношением Cl> S042>HC03 и Na+> Mg2+>Cai+, такой же, как в современных морских илах и в морской воде.

По химическому составу поровые растворы мерзлых грунтов с континентальным типом засоления отличаются большим разнообразием как по площади, так и в разрезе в зависимости от условий формирования и промерзания пород, последующей дифференциации солевого состава в процессе динамики мерзлотных условий. Преобладающими типами засоления являются гидрокарбонатный, сульфатно-хлоридный и хлоридно-сульфзтный.

Многочисленными исследованиями (В.И.Аксенов, A.B.Брушков, Ю.А.Велли, П.А.Гришин, Б.И.Далматов, В.В.Докучаев, А.А.Карпунина, Я.А.Кроник,

B.С.Ласточкин, К.Ф.Маркин, Л.Т.Роман, М.В.Самуэльсон, И.А.Тютюнов, С.Б.Ухов, И.В.Шейкин, А.Н.Яркин и др) показано, что даже незначительное содержание солей при обоих типах засоления существенно снижает прочностные характеристики мерзлых грунтов. Многими исследователями справедливо указываются причины такого явления: связывание грунтовой влаги ионами растворенных солей, которое обусловливает увеличение незамерзшей воды, и снижение температуры замерзания. Однако накопленные до настоящего времени данные в основном рассматривают зависимость прочностных показателей от общей засоленности, которая выражена отношением массы всего комплекса солей к массе сухого грунта без учета и анализа химического состава и концентрации солей в поровом растворе.

На данном этапе установлено лишь качественное влияние типа засоления

(морского и континентального) на прочность. Так, А.Н.Яркиным (1979) показано, что

снижение расчетного сопротивления при морском типе засоления происходит

значительно интенсивнее (особенно для песчаных грунтов), чем при континентальном.

При изменении засоленности или химического состава солей в грунте происходит

увеличение или уменьшение количества незамерзшей воды, причем у несвязных грунтов

более выраженно, чем у связных, что и обусловливает различную интенсивность

/

снижения их прочности. Исследования В.И.Аксенова, В.И.Дубикова, Н.В. Ивановой (1980) так же показывают, что прочностные характеристики мерзлых грунтов морского генезиса, имеющих в основном хлоридный состав, по величине заметно меньше, чем прочность засоленных грунтов (например из района г.Якутска), имеющих карбокатно-сульфатный состав. Объяснение этому факту находится в различиях фазовых диаграмм растворов солей, входящих в состав засоления. Действительно, растворы карбонатно-сульфатных солей имеют более высокие температуры замерзания, чем растворы хлоридных солей. Это связано с меньшей их растворимостью при отрицательных температурах, эвтектические точки этих солей характеризуются соответственно заметно меньшими концентрациями и более высокими температурами.

Таким образом, влияние химического состава солей и их концентрации в поровом растворе весьма велико. Установление закономерностей формирования прочности мерзлых засоленных грунтов в зависимости от химического состава солей является актуальной задачей как в теоретическом, так и в практическом аспекте. В теоретическом плане указанные закономерности будут способствовать раскрытию физико-химической природы прочности мерзлых засоленных грунтов. В практическом плане они позволят более достоверно получить расчетные характеристики длительной прочности мерзлых засоленных грунтов как оснований сооружений.

Глава 2. Характеристика исследуемых грунтов.

Влияние на прочность континентального типа засоления исследовалось на следующих грунтах: песке, аллювиальной супеси (аГУ, г.Якутск), глине (тС, г.Гжель). Образцы подлежали засолению №С1, N^804, а также комплексом солей включающим №С1, МдЭОд, ЫаН804, СаБО.) в пропорции 54 : 31 : 7,5 : 7,5. Соотношение солей отражает содержание их в грунте при континентальном типе засоления (на примере статистической обработки данных по водным вытяжкам из природных грунтов г.Якутска). Испытания проведены при следующих значениях засоленности: 0,15; 0,3; 0,5; 1,0 % и температурном диапазоне от минус 1°С до минус 7°С.

Проявление влияния морского типа засоления исследовалось на грунтах (п.Ямал) морского генезиса (mQin.iv): песке, супеси, суглинке, глине. Проводилось засоление комплексом солей морского типа (№С1, К'аНСОз, СаСЬ, MgCl2, КагЗО.») содержащихся в пропорции 0,34 : 0,24: 0,03 : 0,03 : 0,36, которая взята по результатам статистической обработки водных вытяжек из природных грунтов п-ва Ямал. Общая засоленность равнялась 0; 0,3; 0,5; 1% соответственно. Температура опыта - минус 2°С.

Кроме обработки опытных данных собственных экспериментов были проанализированы результаты опытов по исследованию прочностных характеристик мерзлых засоленных грунтов пос. Амдермы, полученные И.В.Шейкиным и В.А.Аксеновым (ПНИИИС), которые исследовали грунты морского генезиса (п-в Ямал) различного гранулометрического состава (глина, супесь, песок (тСЗпыу) при температуре опыта от минус 3°С до минус 7°С. Засоление проводилось как моносолями №:504, КаНСОз, СаС12, №С1, так и би-солями Ка2304 + №С1, N32804 + КаНС03, ]\'аС1 -I- КаНСОз, входящими в состав морского типа засоления.

Глава 3. Методика подготовки образцов, проведения экспериментов и обработки результатов.

Образцы готовились из растертого, промытого и высушенного грунта, увлажненного раствором солей заданной концентрации в дистиллированной воде, дальнейшего отстаивания грунтовой пасты до завершения процессов равномерного распределения солей. Затем грунт укладывался в рабочие кольца сдвигового прибора и компрессионно уплотнялся напряжением 0,1 МПа в условиях температурного режима 18-20°С в течение 24 часов. Далее образцы охлаждались при температуре 0°С и промораживались при температуре минус 30°С для обеспечения массивной криотекстуры. После замораживания образцы устанавливались в испытательные приборы и выдерживались при температуре опыта в течение 24 часов.

Испытания выполнялись на условно мгновенный сдвиг (срез) и на вдавливание сферического штампа.

Опыты на сдвиг проводились в приборе ПРС НИИ Оснований. В каждой серии испытывались образцы-близнецы при различном значении нормального давления (0,01; 0,1; 0,2 МПа) не менее чем с 4-6-ти кратной повторностью. Результаты испытаний обрабатывались методом наименьших квадратов. По уравнению Кулона-Мора определялось условно-мгновенное сцепление и угол внутреннего трения.

Опытами на вдавливание сферического штампа диаметром 22 мм определялось эквивалентное сцепление на период времени до 8 часов. Нагрузка на штамп подбиралась на основе методических опытов при различном значении засоленности и химического

состава солей и температуры. Результаты испытаний обрабатывались методом наименьших квадратов по данным 5-6 идентичных испытаний.

Проанализированные в данной работе эксперименты на одноосное сжатие выполненные Н.К. Пекарской, A.A. Чапаевым, заключались в проведении серии опытов с идентичными образцами замороженного грунта при различных, но постоянных в пределе каждого опыта напряжениях. Методика приготовления образцов соответствовала описанной выше методике приготовления образцов для сдвига и вдавливания сферического штампа При каждом значении температуры проводилась серия опытов для засоленного (морская соль) и незасоленного мерзлого грунта. В итоге получали семейство кривых ползучести, отражающих характер развития деформаций незасоленного и засоленного мерзлого грунта во времени.

Глава 4. Экспериментальные зависимости прочности мерзлых засоленных грунтов от химического состава и содержания солей.

Опытные данные выявили существенное влияние химического состава солей как континентального так и морского типов засоления на прочность мерзлых засоленных грунтов различного гранулометрического состава во всем диапазоне опытных значений температуры и концентрации порового раствора. Так, данные опытов по определению сопротивления сдвигу (срезу) показывают, что при прочих равных условиях сцепление уменьшается в ряду засоления раствором MgS04 < комплексом солей континентального типа <NaCl.

Значения угла внутреннего трения подчиняются той же зависимости, т.е. наименьшие значения при засолении хлористым натрием, наибольшие при засолении сульфатом магния, при комплексном засолении значения угла внутреннего трения имеют промежуточные значения (табл.1.)

Таблица 1.

Значения С и ср для песка, суглинка и супеси при различном типе засоления.

(Dsai = 0,5%; Т = -3°С)

Вид грунта MgS04 Комплекс NaCl

С, МРа Ф С, МРа Ф С, МРа Ф

песок , КПр - 0,0244 0,47 15 0,28 11,8 0,16 6,6

супесь, КПр=0,0164 0,12 9,6 0,11 7,6 0,04 6,08

суглинок, Кпр =0,0149 0,33 11,7 0,25 6,54 0,14 6,5

Указанное влияние на характер снижения условно-мгновенного сцепления проявляется уже при весьма незначительной (до 0,15%) засоленности, затем темп его снижения с дальнейшим увеличением концентрации порового раствора практически одинаков для всех рассматриваемых составов солей (рис.1).

0,5 С,МРа

0,4 '

0,3

0,2 ч

0,1

п

о Нд20ч о Л/лС1

0.6

0,8

Рис.1. Зависимость условно-мгновенного сцепления мерзлой засоленной супеси от засоленности и температуры при моно-и комплексном засолении континентального типа

Отмечается более существенное влияние химического состава солей на сцепление в условиях более высоких температур. Так, при температуре минус 3°С и концентрации порового раствора Кпр = 0,0294, сцепление супеси засоленной раствором более

чем в 6 раз выше, чем в условиях засоления раствором ИаС!. При температуре опыта минус 7°С это соотношение не превышает 1.5.

Все опытные данные выявили также тенденцию зависимости сцепления от основных параметров мерзлых засоленных грунтов, которые обусловлены как содержанием, так и химическим составом солей, а именно: температуры начала замерзания Ты и содержания незамерзшей воды Анализ закономерности изменения прочностных параметров и величин Ты и Wн для испытанных грунтов показал, что растворы солей, действие которых в большей степени понижают прочность, дают большие значения влажности за счет незамерзшей воды и в наибольшей степени понижают температуру начала замерзания (табл.2) Таблица 2.

Значение Ты и Wн (Т= - 3°С) в испытанных грунтах при 05а| = 0,5%

Вид грунта N^04 Комплекс ИаС1

Тьг \Ун Ти \УН Тьг

песок -0,14 0,034 -0,63 0,048 -0,89 0,053

суглинок -0,66 0,13 -0,91 0,14 -1,14 0,16

супесь -0,7 0,14 -1,0 0,14 -1,25 0,17

Четко прослеживается влияние химического состава солей на прочность и при морском типе засоления. Это видно из табл.3, где показаны величины восьмичасового эквивалентного сцепления (Сэк,8) глины при засолении ее. как моно- так и би-солями морского типа при прочих равных условиях.

Таблица 3.

Значения C-jkj глины, ззсолсннои различными солями (по В.И.Аксенову, И.В. Шейкину) при W = 0,5; К„Р = 0,0099; Т= -4<>С.

Засоление Tbf, °C СзкЛ MPa

Na2S04 -0,55 0,292

NaHCOs -0,6 0,294

CaCb -0,68 0,187

NaCl -0,73 0,093

Na2S04&NaHC03 -0,57 0,250

NaCl&Na2SO< -0,68 0,220

NaCl & NaHC03 -0,7 0,247

Как можно видеть, химический состав солей обусловливает величину эквивалентного сцепления, при этом отмечается идентичность влияния вида солей на Сэк,8 и Ты. Прослеживается снижение Сэк,8 с понижением температуры Ты при монозасолении в ряду ЫаНСОз > КаНБО^ СаС12> ЫаС1 и при би-засолении - в ряду Ыа2804 & КаНСОз > НаС1&ЫаНС03 > НаС1 & Ыа250„.

Сопоставление величин эквивалентного сцепления в зависимости от показателя засоленности (0,а1) и концентрации порового раствора (Кпр) показали, что общий характер зависимостей Сэк = Г (1Э5а|) и Сэк = £(К„Р) аналогичен. При этом, наряду с влиянием температуры замерзания четко проявляется влияние на ' эквивалентное сцепление содержания незамерзшей воды. Однако соотношение сцепления грунтов различного гранулометрического состава при постоянной засоленности отличается от такого же при постоянной концентрации порозого раствора (табл.4).

В данном примере при Б„1 = 0,3% Сзк8 песка больше СЭк8 глины в 3,9 раза, тогда как при одной и той же концентрации порового раствора равной 0.015, С™8 превышает Сэк8 глины в 5,7 раза. Такое несоответствие Сзк8 песка и глины вызвано различной влажностью этих грунтов, которая формирует различное значение концентрации порового раствора при одинаковой засоленности. Это указывает на необходимость учета концентрации порового раствора при оценке прочности мерзлых засоленных грунтов.

Таблица 4.

Сравнительные значения Сэк для различного вида грунтов при постоянных значениях

а,1ик,,р(т = -2°с)

Вид грунта Значение Сэк8 при

= 0,3% КПР = 0,015

песок XV = 0,2 0,43 0,4

супесь = 0,25 0,18 0,15

суглинок \У = 0,3 0,15 0,125

глина АУ = 0,4 0,11 0,07

Испытания на сопротивление сдвигу по поверхностям смерзания подтвердили существенное влияние на прочность химического состава солей, присутствующих в поровом растворе грунтовой влаги. Это сказывается во всем диапазоне времени при прочих равных условиях.

Анализ результатов испытаний на одноосное сжатие показал различие в поведении под нагрузкой незасоленного и засоленного грунтов при всех значениях температуры. При испытания? временного сопротивления разрушение незасоленного ■ мерзлого грунта имело ярко выраженный хрупкий характер. Оно происходило при незначительной величине деформации, сопровождалось трещиннообразованием и сколами. При испытаниях того же грунта, засоленного комплексом солей, отражающим морской тип засоления, разрушению предшествовало развитие значительных по величине деформаций, сопровождавшихся изменением поперечных размеров образца, момент разрушения был выражен слабо или вообще не фиксировался.

Глава 5. Теоретические предпосылки для оценки влияния химического состава солей и а прочность мерзлых засоленных пород.

С целью установления теоретических предпосылок, объясняющих влияние химического состава солей на прочность, проанализировано это влияние на содержание незамершей воды и температуру начала замерзания, как основных показателей определяющих прочность мерзлых засоленных грунтов.

Сравнение количественного содержания незамерзшей воды в породах близких гранулометрических разновидностей и химико-минерального состава показало значительное его отличие в континентальных и морских отложениях. Это обусловлено как тем обстоятельством, что морские отложения более дисперсны по сравнению с континетальными, так и тем, что в них преобладают хлориды, соли натрия, имеющие высокую активность, а также ион в составе ионнообменного комплекса.

Температура начала замерзания (или оттаивания) является граничным (пороговым) условием фазового состояния грунтового раствора. Величина температуры начала замерзания обусловлена минеральным составом, дисперсностью,

начальной суммарной влажностью грунтов, удельной активной поверхностью частиц, внешним давлением и т.д.

Можно предположить, что температура замерзания является параметром обобщенно реагирующим на изменения выше перечисленных характеристик грунта. Как показано рядом исследователей (И.В.Шейкин, Ю.П.Акимов, Л.Т.Роман, Л.Г.Иванова, В.И. Артюшина), температура начала замерзания в засоленных грунтах в целом подчиняется уравнениям Клайперона-Клаузиуса и Рауля - Вант-Гоффа, при условии учета влияния активной поверхности частиц. Предложенное для расчета температуры замерзания засоленных грунтов уравнение дает результаты хорошо согласующиеся с опытными данными. Оно имеет вид (Роман, 1994):

Ть/~ 1,86%т1 + Г.ь/ (1),

I

где т = Кпрх1000/М - моляльность грунтового раствора, представляющая мольно-весовую концентрацию раствора, зависящую от его концентрации (К„р) и молекулярного веса соли {М), /( - изотонический коэффициент для /-той соли; п -количество солей, содержащихся в грунтовой растворе; Т'у - температура начала замерзания незаселенного грунта.

Как можно видеть из этого уравнения, влияние химического состава солей на температуру начала замерзания учитывается молекулярным весом солей и изотоническим коэффициентом ¡, который определяется для каждого раствора электролита по понижению температуры замерзания и отражает процесс распада легкорастворимых солей на ионы. Влияние содержания солей учитывается концентрацией порового раствора (Кпр), величина которой связана с засоленностью и -суммарной влажностью грунта (Цгс) выражением Кпр =Оза!/(Оза1-г¡Ус). Однако многими исследователями (Гедройц, А.А.Ананян, С.Я.Самойлов, В.И.Квливидзе, Р.И.Злочевская и др.) отмечается пониженная растворяющая способность "связанной" воды, вплоть до полной неспособности к растворению - возникновения нерастворяющего объема, что связано с "положительной" и "отрицательной" гидратацией ионов.

Явление "отрицательной" и "положительной" гидратации объясняется как стремление дисперсной среды осуществить изменение концентрации веществ в слое дисперсионной среды непосредственно примыкающем к поверхности дисперсионной частицы. Поверхность раздела дисперсионной среды и дисперсной фазы имеет концентрацию иную, чем в остальной части; вещества понижающие поверхностное натяжение чистой дисперсионной среды, стремятся сконцентрироваться на поверхности раздела и этим уменьшить поверхносгную энергию системы; вещества же, повышающие

поверхностное натяжение чистой дисперсионной среды, стремятся разжижиться на поверхности раздела, чтобы этим уменьшить поверхностную энергию системы.

V самой поверхности частицы образуется наиболее концентрированный раствор, а по мере удаления от частиц в средней точке между ними концентрация раствора будет понижаться - "положительная " адсорбция, т.е. наблюдается повышение концентрации растворенного вещества в слое дисперсионной среды, непосредственно примыкающем к частицам дисперсной фазы. Вещества, повышающие своим присутствием поверхностное натяжение дисперсионной среды, вызывают обратное явление - "отрицательную" адсорбцию. Растворы этих веществ в воде тем сильнее повышают поверхностное натяжение, чем они более концентрированы, и поэтому стремление дисперсионной среды понизить свою поверхностную . энергию достигается тем, что в слое дисперсионной среды, примыкающем к частице, возникает более низкая концентрация растворенного вещества в отличие от остальной жидкости.

Выполненный в нашей работе анализ образования нерастворяющего объема влаги (Who), показал необходимость учитывать его влияние на величину концентрации порового раствора при определении моляльности в уравнении (1). В этом случае Кпр = Dsal/(Dsd+ Wc-Who). Если рассчитывать Кпр по указанному уравнению, т.е. с учетом (Who), то в расчете температуры начала замерзания засоленных грунтов по уравнению)]) можно пренебречь величиной Ту', отражающей влияние активной поверхности частиц.

Следует отметить, что уравнение (1) применимо для расчета температуры начала замерзания грунтового раствора лишь когда растворы солей, входящих в состав засоления имеют низкие эвтектические температуры.

Температура начала замерзания грунтовой влаги, отображая физико-химическое влияние солей на фазовые переходы, является как бы "температурной сдвижкой", обусловливающей содержание незамерзшей воды - основного показателя от которого зависит прочность мерзлых грунтов. Возможность обобщения значений количества незамерзшей воды для различных типов засоления и концентрации порового раствора от отношения температуры грунта к температуре начала замерзания Т/Тьу показана в работах Л.Т.Роман (1987,1994). Это соотношение является симплексом, который назван гомологической температурой. Так как с содержанием незамерзшей воды тесным образом связана прочность мерзлых грунтов, то очевидно, гомологическая температура является обобщающим параметром, определяющим механические характеристики. Сказанное подтвердилось результатами экспериментов. Обработка опытных данных в координатах Ri - f(Г/Ту) - (где Ri - прочностная характеристика мерзлых засоленных грунтов при /- ом значении температуры 77) "показала существование единой зависимости прочности от гомологической температуры при различных видах испытаний (условно-мгновенном сдвиге, вдавливании сферического штампа, сдвиге по

поверхностям смерзания, одноосном сжатии)(рис.2).

14 12 Я"Ю Ра «у о. V

« ® Уо *

а « уГ' X"1 А „У"

4 У

г тли

0 5 10 15 20

1* 1 /о а

• 4 2

а

% ю м »

Рис.2. Зависимость прочностных характеристик мерзлых засоленных грунтов от гомологической температуры: условно-мгновенного сцепления при срезе (а); длительного сопротивления сжатию (по А.А.Карпуниной) (б); сдвигу по бетонным поверхностям (по У Хао Фену) (в). о,а песок; о супесь; <5 суглинок.

Установленная закономерность позволяет суммарно (обобщенно) учитывать влияние химического состава солей, их концентрации в поровом растворе на прочность мерзлых засоленных грунтов и определять расчетные характеристики мерзлых засоленных грунтов в зависимости от гомологической температуры.

Значение температуры начала замерзания засоленных грунтов легко определяется экспериментально и позволяет на стадии инженерных изысканий отказаться от трудоемких химических анализов устанавливающих содержание и вид солей в водных вытяжках. Однако предлагаемый способ задания расчетных характеристик прочности мерзлых засоленных грунтов может быть реализован только после обобщения большого количества опытных данных, позволяющих получить расчетные характеристики мерзлых засоленных грунтов в зависимости от гомологической температуры в широком диапазоне изменения химического состава солей, их. содержания и температуры грунтов.

Глава 6. Длительная прочность мерзлых засоленных грунтов.

Прогноз длительной прочности мерзлых засоленных грунтов на период времени, сопоставимый со сроком службы сооружений, является одной из важных проблем. Большинство исследователей (Ю.А.Велли, В.И.Аксенов, А.А.Карлунина, В.В.Докучаев, А.В.Брушков, А.Н.Яркин и др.), для прогноза длительной прочности мерзлых засоленных грунтов на любой заданный период времени, чаще всего используют уравнение С.С.Вялова(1959), полученное для твердомерзлых незасоленных грунтов:

Параметры этого уравнения (ßw В) определяются по опытной линейной зависимости I/o - Int.

Ввиду большего содержания незамерзшей воды и понижения температуры начала замерзания грунтовой влаги, засоленные грунты под нагрузкой проявляют более ярко выраженные реологические свойства по сравнению с незаселенными при прочих равных условиях. Выполненная в данной работе обработка результатов экспериментов показывает, что зависимость 1/а - Int для них нелинейна, поэтому получаемые прогнозные значения длительной прочности мерзлых засоленных грунтов получаются завышенными. Степень их нелинейности тем больше, чем выше концентрация порового раствора и, следовательно, чем больше суммарный эффект влияния химической активности солей на температуру начала замерзания и содержание незамерзшей воды (рис.3).

a^ = ß/(lnt/B){2).

-i

Рис.3 Зависимость

1/Сэ.МСЬ."

1/С, - Int для мерзлой глины, засоленной комплексом солей морского типа при различной концентрации порового раство-

о

z

з

4

Int.c ра (Т=-2°С, W=0,4): Кпр-о-0,0; а-0,012; л- 0,024.

Как показывает обработка опытных данных, полученных при проведении настоящих исследований, а так же данных других авторов, более удовлетворительные прогнозные значения длительной прочности мерзлых засоленных грунтов получаются

при использовании феноменологического уравнения, предложенного Л.Т.Роман (1987) для пластичномерзлых грунтов:

(3).

Параметры этого уравнения to, ß рассматриваются с позиций кинетической теории прочности твердых тел: to принимается равным Ю-'2 - 10-!1 с, а величины <у0 и ß определяются по опытным линейным графикам снижения прочности во времени в логарифмическом масштабе (Igcr- Igt).

В данной работе это уравнение (3) было использовано для обработки опытных данных по вдавливанию сферического штампа в грунтах различного гранулометрического состава, с морским типом засоления различной концентрации солей в перовом растворе. Для каждого вида грунта прослеживается зависимость параметров а0 и ß от концентрации порового раствора. На рис.4 приведен пример зависимости igC,-lgt для мерзлой засоленной глины.

Рис.4 . Зависимость -

мерзлой засоленной глины при морском типе засоления с различной концентрацией

порового раствора Кпр, равной: о-0,0; о-0,0074; д -0,0124.

Использование указанного уравнения для прогноза длительной прочности и трактовка процесса разрушения с позиций кинетической теории прочности твердых тел позволили разработать методику определения энергии активации мерзлых засоленных грунтов на основе сопоставления периодов времени до разрушения по уравнению (3) и уравнения кинетической теории прочности (Журков, 1953). Полученное выражение для определения энергии активации будет иметь вид:

Vа - 2,3 ИТ (1п<то - 1па) (4), где К - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, К. Графики зависимости £/„ от сг, вычисленные по уравнению (4) для различных видов грунтов, засоленных комплексом солей морского типа при различной концентрации порового раствора показывают, что опытные точки образуют

ступенчатую систему групп, однако они расположены весьма близко и дают возможность провести единую зависимость энергии активации от прочности (рис.5).

Справедливость такой закономерности подтверждается опытными данными ( Э.Д.Ершов, Э.З.Кучуков, И.А.Комаров, 1975) по определению интенсивности сублимации льда в засоленной мерзлой глине при различной концентрации раствора СаСЬ, т.к. энергия сублимации сопоставима с энергией активации.

б- ¿^КЖ+Л ^/л-о^ь

5

4

-

0.2 0.4 0.0 0.8 1 «

6-. ЛЦкеАЛ /но/л

3'

4 По

0.2 о.4 о.б о.» 1 и

Рис.5. Зависимость энергии активации мерзлых грунтов (1 - песок; 2 -супесь; 3 - суглинок; 4 - глина) засоленных комплексом солей морского типа при различной засоленности £>м/, равной о-0,15%; 0 -0,3%; Д -0,5%.

Результаты выполненных исследований по выявлению влияния химического состава солей и их концентрации в поровом растворе позволяют сопоставить расчетные характеристики прочности мерзлых засоленных грунтов, полученные с учетом такого влияния, с этими же характеристиками в случае, когда их значения рассматриваются только в зависимости от общей засоленности грунта, (0,^). Пример такого сопоставления расчетных давлений для мерзлой засоленной супеси по данным СНиП 2.02-04-58 и по полученным графикам а- 777^приведены в табл. 5.

Как можно видеть, четко прослеживается зависимость расчетного давления от химического состава солей и концентрации порового раствора. По данным строительных норм и правил, где это влияние не учтено, расчетное давление существенно завышено.

Таблица5.

Сопоставление расчетных давлений на мерзлую засоленную супесь, определенных по СНиП2.-2.-04-88 и с учетом влияния химического состава солей и концентрации порового раствора.

Характеристика грунта Засоление Температура начала замерзания, °С Расчетное давление, определенное с учетом химического состава и Кпр> кг/см2 Расчетное давление по СНиП 2.02.04.88, кг/см2

Супесь, р=1,73 г/см3 №С1 Ты = -1,25 Я = 2,1 Я = 4,5

р5=2,6 г/см3 Тьг=-0,7 К = 4,0

Е>5а1=0,5% Т= -3°С Комплекс солей КаСкМ^О^а НСС^СаБОд 54:31 :7,5:7,5. Ти--1,0 11 = 3,1

То же, но \У=0,15% Кпр=0,032 КаС1 Ти=-2,25 Я = 0,9

То же, но \У=0,15% Кпр=0,032 №С1 Ты = -1,39 И = 3,2

Проведенный анализ показывает необходимость учета влияния химического состава солей и концентрации порового раствора на расчетные характеристики мерзлых засоленных грунтов. Такой учет может осуществляться посредством использования зависимостей расчетных характеристик от гомологической температуры. Для получения указанных графиков с целью доведения их до расчетных значений необходимо дальнейшее обобщение опытных данных и целенаправленные комплексные исследования по определению зависимости прочности от химического состава солей и их концентрации в поровом растворе для широкого диапазона изменения свойств грунтов и их температуры.

Выводы

Основные результаты исследований, определяющие научную и практическую

значимость работы сводятся к следующему.

1. Получена количественная оценка и установлены закономерности влияния химического состава солей и их содержания на прочность мерзлых засоленных грунтов при различных видах загружения.

2. Установлено, что влияние химического состава солей и их содержания на прочность мерзлых засоленных грунтов проявляется идентично их влиянию на содержание незамерзшей воды и температуру начала замерзания грунтовой влаги.

3. Показано, что при оценке температуры начала замерзания грунтовой влаги в засоленных грунтах по уравнению Рауля Ван-Гоффа, которое раскрывает влияние химического состава солей и их содержания (через молекулярный вес, концентрацию раствора и изотонический коэффициент), дополнительно следует учитывать влияние нерастворяющего объема грунтовой влаги, адекватного энергетическому влиянию поверхности грунтовых частиц.

4. Установлена возможность обобщения прочности мерзлых засоленных грунтов при различных видах испытаний на основе ее зависимости от гомологической температуры, которая является параметром обобщающим влияние химического состава солей их содержания на прочность мерзлых засоленных грунтов и на характер повышения прочности при понижении температуры. Получены графики зависимости прочностных характеристик мерзлых засоленных грунтов от гомологической температуры.

5. Показана возможность определения длительной прочности мерзлых засоленных грунтов на основе феноменологического уравнения, параметры которого трактуются с позиций кинетической теории прочности твердых тел и разработана методика расчета энергии активации мерзлых засоленных грунтов. Получены численные значения энергии активации в условиях различных типов засоления.

6. Показано, что при установлении закономерностей формирования прочности мерзлых засоленных грунтов недостаточно учитывать лишь величину общей засоленности ( Ока ), равной отношению массы соли к массе сухого грунта, как это принято практически всеми исследователями и введено в нормативные документы при назначении расчетных прочностных характеристик, а следует рассматривать прочность мерзлых засоленных грунтов в зависимости от всех физических свойств, в том числе химического состава солей, их концентрации в г.оровом растворе.

Основные положения диссертации отражены в работах: 1. Влияние химического состава солей и их концентрации на прочность при сдвиге мерзлой супеси. Вестн. Моск. Ун-та, сер.4, Геология, 1996, № 5, стр. 66 -73. (совместно с Л.Т.Роман).

2. Физико-химическме основы прочности мерзлых засоленных грунтов. Первая конференция геокриологов России, 1996, Москва, кн. 2. с. 183-193 (совместно с Л.Т.Роман, И.В.Шейкиным, В.И.Аксеновым.)

3. Формирование прочности мерзлых засоленных грунтов. Ежегодная научная конференция Ломоносовские чтения, 1996, с.138-139 (совместно с Л.Т.Роман, И.В.Шейкиным, В.И.Аксеновым, С.Д.Гановой, В.В.Лендиным).

4. Formation of strength of frozen saline soils. Internationa! Symposium of Ground Freezing and Frost Action in Soils. 1997 Lu'ea, Sweden (в печати).

5. Влияние химического состава солей на прочность и деформируемость мерзлых засоленных грунтов. Доклады годичного собрания научного совета по криологии Земли. Пущино, 1997 (в печати).