Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Закономерности неизотермического влагопереноса в песчаных и пылеватых грунтах

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности неизотермического влагопереноса в песчаных и пылеватых грунтах"

На правах рукописи

Федяева Елена Алексеевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПЕСЧАНЫХ И ПЫЛЕВАТЫХ ГРУНТАХ

Специальность 25.00.08 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005559694

3 ПАР 2015

Москва-2015

005559694

Работа выполнена на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель-, доктор геолого-минералогических наук, профессор Королев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук Перльпгтейн Георгий Захарович

профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории геокриологии ФГБУН Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

кандидат геолого-минералогических наук Кашперюк Павел Иванович доцент, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

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

Защита диссертации состоится 17 апреля 2015 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете имени МБ. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ, корпус «А», геологический факультет, аудитория 415.

Автореферат размещен на интернет-сайгах Геологического факультета МГУ им. Ломоносова http://islina-msu.ru/dissertation соипс1ЫсоипсЦ$/387326/ и Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru. С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Научной библиотеки Московского государственного университета им. М В. Ломоносова, в Ощеле диссертаций Фундаментальной библиотеки по ацрвгу гьмюпоеопекиИ пдхллюкт, 27; сектор А, 8 этаж, к. 812).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлял, по адресу: 119234, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. МБ. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.00130, профессору ВГ. Чеверёву.

Автореферат разослан 25 февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . .

доктор геолого-минералогических наук, ¿и /^у

профессор АуХдЖ? В .Г. Чеверёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена изучению закономерностей неизотермического влагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах, под которым понимается перераспределение влаги под действием температурного градиента. Постановка темы обусловлена недостаточной изученностью данного вопроса для различных природных не полностью водонасыщенных грунтов, а также его большой практической и научной значимостью.

Актуальность проблемы изучения термовлагопереноса обусловлена тем, что термовлагоперенос является одним из ведущих процессов перераспределения влаги в дисперсных грунтах зоны аэрации, т.е. в грунтах, находящихся в состоянии не полного водонасыщения. Вблизи дневной поверхности этот глобальный процесс осуществляется благодаря температурным градиентам направленным вертикально в зависимости от времени года: либо вверх, либо вниз. Таким образом, верхняя, наиболее важная в инженерно-геологическом отношении часть грунтового массива, в пределах которой сосредоточено большинство различных инженерных сооружений (фундаментов зданий, подземных сооружений, коллекторов и т.п.) вследствие наличия температурных градиентов повсеместно испытывает непостоянство температуры. Подобные условия вызывают специфические механизмы массообмена, влияющие на поля влагосодержания и концентрацию растворенных веществ в зоне аэрации, через которую осуществляется влагообмен грунта с атмосферой.

В настоящее время деятельность человека приобрела такие масштабы, что ее относят к мощному антропогенному фактору развития геологической среды. Так, наряду с природными, весьма значительные температурные градиенты мохуг быть вызваны и антропогенными тепловыми воздействиями на не полностью водонасыгценные грунты со стороны различных инженерных сооружений и объектов хозяйственной деятельности человека. Формирующиеся в техногенных условиях искусственные градиенты температуры также вызывают перераспределение влаги и трансформацию естественных полей влажности. В результате этого меняется влажность грунтов зоны аэрации, что ведет к изменению свойств грунтов в пределах этих полей.

Поэтому не удивительно, что такой важный вопрос, как влияние температурного поля грунтов зоны аэрации на тепловлагоперенос в этих грунтах вызывает все больший интерес со стороны многих исследователей (Королёв В.А., 1988, 1990; Кошелев А.Г., 2001, 2002; Кашперюк A.A. и др., 2013 и др.). При этом обращается внимание на то, что прогноз изменения основных физико-механических свойств грунтов оснований многих сооружений невозможен без обязательного проведения термометрических работ при инженерно-геологических изысканиях. Также отмечается, что прогнозирование изменения инженерно-геологических особенностей грунтов оснований сооружений невозможно без определения целого ряда параметров дисперсных грунтов, зависящих от

температурного режима грунтовой толщи. Тем не менее, на сегодняшний день работы по исследованию процесса тепловлагопереноса в грунтах даже в условиях крупных городов практически отсутствуют. По-видимому, это связано с тем, что существующие положения действующих нормативных документов по инженерно-геологическим изысканиям вне криолитозоны не содержат требований по проведению исследований температурного режима изучаемых грунтовых массивов. Поэтому перераспределение влаги в дисперсных грунтах в различных термодинамических условиях среды в связи с гидротехническим строительством, сооружением теплосетей, газо- и нефтепроводов, строительством АЭС, ТЭЦ и других тепловых энергетических сооружений до сих пор должным образом не учитывается. Не существует и надежного способа прогнозирования изменения поля влажности грунтовых массивов в условиях непостоянства температур.

Следовательно, изучение закономерностей переноса влаги в ненасыщенных немерзлых дисперсных грунтах при наложении градиента температуры с применением новых методов и методик исследования, с возможностью дальнейшего переноса полученных данных на любой природный грунт является одной из актуальных инженерно-геологических задач, имеющих важное научное и практическое значение.

В связи с этим, целью настоящей работы является выявление и анализ факторов и закономерностей термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах в области невысоких положительных температур и получение прогнозной оценки эффективности переноса влаги в данных грунтах при наличии температурных градиентов.

Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Критически проанализировать данные об уже известных факторах и закономерностях неизотермического влагопереноса в дисперсных системах.

2. Разработать методику определения параметров неизотермического влагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах и их анализа с помощью треугольных диаграмм фазового состава, позволяющих исследовать закономерности при различном соотношении твердой, жидкой и газообразной фаз в грунте.

3. Выявить закономерности для не изученных факторов, влияющих на неизотермический влагоперенос в не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах и проанализировать их с помощью треугольных диаграмм фазового состава.

4. Разработать математические модели для прогнозной оценки параметров термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах песчаного и пылеватого состава и прогноза перераспределения в них влаги в заданных условиях.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положен фактический материал, собранный лично автором в период 2010-2014 гг. В ней изложены результаты исследований, выполненных в процессе самостоятельных лабораторных работ автора, в ходе которых были проведены длительные эксперименты по наблюдению за динамикой изменения исходного распределения влажности по длине образца не полностью водонасыщенного грунта, находящегося в заданном поле положительных температур. Всего было исследовано 9 типов грунтов от гравелистых песков до пылеватых грунтов. Для каждого изученного грунта была выполнена серия опытов с тем, чтобы охватить наибольший диапазон соотношения исходных показателей влажности-плотности (по 16-45 опытов для каждого образца). Кроме того, для всех грунтов определялись минеральный и гранулометрический состав, структурные параметры, а также показатели физических и физико-химических свойств по общеизвестным методикам.

Для решения поставленных задач применялась разработанная автором оригинальная методика исследований. В ходе экспериментов проводилось наблюдение за изменением поля влажности в образцах при заданных температурных условиях, создаваемых в специально сконструированном приборе. Затем на основе полученных данных определялись параметры термовлагопереноса с помощью составленной автором компьютерной программы. Для анализа полученных результатов автором впервые было предложено использовать треугольные диаграммы фазового состава грунта. Математическая модель была построена на основе опытных данных и параметров, полученных в ходе расчетов на ПК с использованием собственных алгоритмов, развитых в данной работе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые для выявления закономерностей термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах использованы треугольные диаграммы фазового состава;

2. С помощью треугольных диаграмм установлено влияние фазового состава не полностью водонасыщенного грунта, его структурных особенностей, включая гранулометрический состав, на параметры термовлагопереноса во всем возможном диапазоне изменения твердой, жидкой и газообразной фаз грунта. Одновременно установлено изменение вклада различных категорий влаги в суммарный термовлагоперенос при изменении дисперсности грунта.

3. Разработана оригинальная математическая модель для прогноза динамики поля влажности за счет термовлагопереноса, позволяющая определять изменение влажности в не полностью насыщенных дисперсных грунтах разного гранулометрического состава в любой момент времени в заданных краевых и начальных условиях.

Практическое использование полученных результатов заключается в возможности прогнозирования полей влажности в песчаных и пылеватых грунтах зоны аэрации для всей области возможного их фазового состава при наличии различных температурных градиентов в диапазоне положительных температур 0-70°С. Это важно как для проведения инженерно-геологических изысканий, так и для проектирования и строительства различных инженерных сооружений, а также учета изменения инженерно-геологических условий в процессе их эксплуатации.

Обоснованность и достоверность результатов исследования определяется использованием методологии комплексного подхода к проведенному исследованию. В процессе работы над диссертацией были изучены и проанализированы отечественные и зарубежные литературные научные источники. Полученную на их основе информацию автор использовал для проведения собственных исследований, которые осуществлялись с помощью оригинальной методики, отработанной в ходе многочисленных повторных экспериментов, что выражается в хорошей воспроизводимости их результатов. Кроме того, достоверность базируется на точности применяемых методов исследований, как давно известных, так и современных, надежности используемой аппаратуры, количественной обработки полученных результатов согласно принятым государственным стандартам, нормам и правилам. Достоверность результатов математического моделирования подтверждается сопоставлением с опытными результатами, полученными в ходе экспериментов.

Защищаемые положения

1. Разработана методика определения параметров термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах и их анализа с помощью треугольных диаграмм фазового состава. Она позволяет выявлять закономерности данного процесса во всем диапазоне возможного изменения соотношения фаз грунта с одновременным учетом взаимосвязанного влияния различных физических характеристик грунта, зависящих от этого соотношения (влажности, плотности, степени влажности и др.), а также отслеживать динамику поля влажности грунта во времени и сравнивать особенности данного процесса для грунтов различного состава и структуры.

2. Установлены ранее не известные закономерности термовлагопереноса в не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах, заключающиеся в следующем:

■ общим для всех грунтов является существование «наиболее благоприятного» соотношения всех трёх фаз грунта (что соответствует определенной области на треугольной фазовой диаграмме), при котором значения параметров неизотермического влагопереноса максимальны, что обусловлено оптимальным соотношением при этом количества влаги, способной к перемещению в жидком и парообразном состоянии, а также морфологическими особенностями поровых каналов грунта;

- в неизотермических условиях максимальные значения коэффициентов влаго-(Dw) и термопереноса (DT) уменьшаются с ростом дисперсности грунтов, а значения параметров, меняющихся во времени (скорости перераспределения влаги V, максимального потока влаги qwr и перепада влажности (AW)^), увеличиваются с ростом дисперсности, что обусловлено уменьшением при этом ширины каналов для миграции влаги и увеличением роли капиллярных сил; значения доли перераспределившейся влаги (2¡wt) максимальны у мелких песков и закономерно уменьшаются с любым изменением дисперсности;

- основным фактором, влияющим на эффективность процесса термовлагопереноса, является преобладание воды определенного энергетического вида в общем паро-жидкостном потоке влагопереноса: с увеличением дисперсности уменьшается вклад свободной и собственно капиллярной воды, но увеличивается роль капиллярно-стыковой и капиллярно-конденсированной воды. При этом механизм переноса влаги меняется от преимущественно парового к преимущественно жидкостному.

3. Разработана математическая модель термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах, основанная на обобщении полученного экспериментального материала. Она применима для прогноза динамики поля влагосодержания в грунтах в широком диапазоне влажности для различных моментов времени от начала наложения температурного поля на любом расстоянии от источника тепла и может использоваться для решения различных практических инженерно-геологических задач термовлагопереноса.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены и обсуждались на различных научных конференциях: "Ломоносовские чтения", МГУ (2011, 2013 и 2014); "Инженерные изыскания в строительстве", ПНИИИС (2011,2012, 2013 и 2014).

Публикации. По теме работы опубликовано в открытой печати 16 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 213 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и девяти приложений. Работа содержит 25 таблиц (17 из них в приложениях), 130 рисунков (28 из них в приложениях) и список литературы из 125 наименований, в том числе 46 зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору В.А.Королеву за постоянную помощь, полезные советы, тщательное руководство и терпеливые обсуждения вопросов, возникавших в ходе работы. Автор выражает глубокую признательность профессору В.Н.Соколову и О.В. Разгулиной за помощь в проведении исследования структуры грунтов и плодотворные обсуждения по теме диссертации. Автор очень благодарна профессору Э.В. Калинину и Л.Л. Панасьян за полезные консультации, В.М. Ладыгину и С.К.Николаевой за

предоставление необходимого оборудования для исследований и ценные замечания, а также многим сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова за поддержку и советы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ВЛАГОПЕРЕНОСЕ В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ

Термовлагоперенос - процесс миграции влаги в грунтах под действием температурного градиента - широко распространен в природных условиях. Наличие в объеме грунта температурного градиента существенно усложняют общий массоперенос за счет дополнительных потоков пара, воды и тепла, что влечет за собой перераспределение влаги от более нагретой области к более холодной и существенно меняет свойства грунтов. При этом на влагу действуют две разнонаправленные движущие силы: под действием gradT — парожидкостной перенос и под действием gradW - "изотермический" влагоперенос. На начальной стадии влагопереноса первая из них значительно превышает вторую, в результате чего происходит довольно активный перенос влаги от горячего торца к холодному. Но по мере увеличения gradW вторая сила увеличивается и постепенно замедляет этот процесс. Когда действие сил уравняется, термоперенос влаги заканчивается; профиль влажности по длине образца становится стационарным. Термовлагоперенос характеризуются его основными параметрами, так называемыми, "абсолютными" характеристиками грунта - коэффициентами влагопереноса (Dw) и термопереноса (DT). а также такими интегральными характеристиками эффективности термопереноса влаги как: скорость

перераспределения влаги V, максимальный поток влаги qwi, перепад влажностей (Д\¥)хг и доля перераспределившейся влаги Хит-

Большинство работ по изучению процесса термовлагопереноса выполнены в основном почвоведами. В разное время его изучали: G.J, Bouyoucos, 1915; А.Ф. Лебедев, 1929; J.R. Philip, D.A. de Vries, 1957; A.J. Peck, 1960; R.K. Mattes, H.D. Bowen, 1963; A.B. Лыков, 1972; Б.М. Мичурин, 1975; И.А. Брилинг, И.С. Пашковский, 1982; А.М.Глобус, 1983, Б.В. Дерягин, 1989; В.А. Королев, 1987; А.Т. Cahill, М.В. Parlange, 1998; D. Haga et al., 1999; D. Smiles et al., 2002; W.G. Gray, C.T. Miller, 2005; R. Juanes, 2008 и др. При этом исследования влияния факторов на данный процесс проводилось как бы "в одной плоскости": изучались зависимости параметров термовлагопереноса от влажности илн степени насыщения. Влияние прочих факторов выявлялось лишь косвенно, по сдвигу характерных кривых на графиках этих зависимостей.

Очевидно, что для более полного и всестороннего анализа данного процесса с целью выявления факторов и закономерностей неизотермического влагопереноса в дисперсных грунтах требуется, в первую очередь, новая методика исследования,

позволяющая охарактеризовать изучаемый процесс во всей области возможных соотношений объемных долей фаз грунта. Благодаря этой методике можно будет оценить комплексное влияние влажности-плотности на параметры неизотермического влагопереноса. Необходимо также более подробно рассмотреть влияние структурных характеристик, гранулометрического состава и его особенностей (однородности и отсортированное™) на комплекс параметров термовлагопереноса грунтов, с одной стороны, в пределах одного литологического типа, а с другой - грунтов разных литологИческих типов (песков и лессов). И, как итог работы, - разработать прогнозные модели для оценки параметров неизотермического влагопереноса в дисперсных грунтах песчаного и пылеватого состава.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ГРУНТОВ

Для исследования были взяты преимущественно кварцевые пески (8 образцов: из Карелии - обр. № 3, с побережья Балтийского моря - обр. № 5, остальные 6 образцов из Подмосковья) и лессовидный суглинок (из Узбекситана) как грунты, во-первых, весьма широко распространенные в природе, а во-вторых, наиболее удобные для проведения экспериментов во всем возможном диапазоне их фазового состава. Данные грунты отличаются по генезису, гранулометрическому составу, отсортированности и т.п. Так, были представлены: гравелистый песок (обр. № 1), крупные неотсортированный (обр. № 2) и отсортированный (обр. № 3) пески, пески средней крупности неотсортированный (обр. № 4) и отсортированный (обр. № 5), мелкие неотсортированный (обр. № 6) и отсортированный (обр. № 7) пески, пылеватый песок (обр. № 8) и легкий суглинок (лёсс, обр. № 9). Некоторые свойства этих грунтов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Физические и физико-химические свойства исследуемых грунтов

№ образца | Наименование грунта по ГОСТ 25100-12 Плотность ТВ. фазы, Р-ч (г/см3) Плотность с нарушенной структурой Пористость, п(%) Коэф. уплот- нясмо- сти, р Коэф. фильтрации, Кф, м/сут Влажность

макс, гигроскопическая % •ЪИЕС менве. влэгоэд -косш" % капиллярной влагаем кости,'^, %

Ртах* (сЫ1) Рпип» (г'см5) Л шах» (%) Ипиа» (%)

1 Песок гравелистый 2,64 1,86 1,59 40 29 0,60 8,06 0,7 4,7 10

2 Песок крупный 2,63 1,76 1,53 42 33 0,46 27,65 0,3 5,7 15

3 Песок крупный 2,65 1,62 1.47 44 39 0,27 207,4 0,2 3,0 8

4 Песок средней КОУПНОСТИ 2,65 1,79 1,53 42 33 0,51 5,76 0,3 5,6 15

5 Песок средней КОУПНОСТИ 2,65 1,62 1,42 47 39 0,38 46,08 0,5 7,5 23

6 Песок мелкий 2,65 1,65 1,26 53 38 0,84 2,82 0,6 8,0 21

7 Песок мелкий 2,67 . 1,55 1,25 53 42 0,57 3,17 0,7 8,5 22

8 Песок пылеватый 2,67 1,56 1,21 55 42 0,71 0,19 1,4 9,6 24

9 Суглинок легкий 2,72 1,35 0,96 65 51 0,81 0,01 1,8 18,7 32

Из табл. 1 следует, что у части песков (наиболее крупных) \¥с < 15 %. На треугольных диаграммах фазового состава содержания категорий влаги (рис. 1) капиллярная влага в них занимает не более половины области возможного изменения фазового состава, при высокой влажности может присутствовать ощутимое количество свободной воды, механически удерживаемой дисперсной системой (иммобилизованной). У более дисперсных грунтов > 20% , в них капиллярная влага занимает почти всю область возможного изменения фазового состава, свободная вода практически отсутствует. К первой группе относятся пески от гравелистого до среднезернистого (обр. №№ 1-4). Пески второй группы - мелкие и пылеватый (обр. №№ 6-8). К ним относится и среднезернистый однородный песок (обр. № 5), который, несмотря на отсутствие пылеватой фракции, имеет довольно узкие поры и высокую влажность капиллярной влагоемкости. Изучались образцы с нарушенным сложением, учитывая при этом их основные свойства в естественном залегании (плотность, пористость и др.).

Рис. 1. Диаграммы фазового состава и содержания категорий влаги в гравелистом песке (обр. № 1) с номерами контрольных точек. Пунктир — область возможного соотношения фаз в данном грунте; \У - весовая влажность; — степень влажности; максимальная гигроскопическая;

\Уттк - максимально адсорбированная влага; \Ут1ту - влажность максимальной молекулярной влагоемкости; \Ус - капиллярной влагоемкости. Области влаги. 1 - связанной воды полимолекулярной адсорбции; 2 - капиллярно-стыковой; 3 - собственно капиллярной воды; 4 -капиллярной и свободной (иммобилизованной) влаги

Глава 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА

В данной главе обосновывается первое защищаемое положение: разработана методика определения параметров термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных грунтах и их анализа с помощью треугольных диаграмм фазового состава.

Методика заключалась в наблюдении за динамикой изменения исходного распределения влажности по длине образца анализируемого грунта в известных температурных условиях, т.е. при задаваемом температурном градиенте. Для проведения опытов была использована лабораторная термоосмотическая установка, конструкция которой показана на рис. 2.

I г в у

Рис. 2. Схема установки для исследования параметров неизотермического

термовлагопереноса: 1 - образец фунта, 2 — трубка, 3 - крышка, 4 - пластина, 5 -теплообменник, 6 - термочувствительные элементы, 7 - выводы проводников, 8 -термостатирующая оболочка

Предварительно увлажненный до определенной влажности образец грунта (1) загружался в трубки (2) с определенной одинаковой степенью уплотнения. Трубки герметизировались и помещались в установку, где в них задавался требуемый постоянный температурный градиент (~ 2 град/см) с помощью теплообменника (5). Контроль температуры осуществлялся термопарами (6). Через определенное время производился разбор трубок, из каждой отбирались пробы на влажность по длине образца. По полученным данным строились профили влажности № = /(х), где х -координата вдоль длины образца, характеризующие динамику поля влажности образцов во времени.

По данным профилям вычислялись коэффициенты О^ и £>г путем решения переопределенной системы уравнений вида:

Г?т. 1 = -О» дгаё т - Г>1 дгай 74 (Д

2 = -0» дгай УГI -15 с дгаЛ Т2 (ДЬ) , I Р«в, I = -О» дгаЯ ИЛ - О, дгаА Т[ (Щ

где черта над параметрами означает осреднение величин для данного интервала времени Значения линейной скорости ¥ш переноса влаги через единичное сечение х колонки для интервала времени 12 - /1 (левая часть уравнений) вычислялась графическим

интегрированием профилей влажности:

--> (2)

где х - расстояние от холодного торца трубки (х = 0) до рассматриваемого сечения.

Градиенты влажности и температуры находили осреднением и ¡¡гас1Т в

моменты времени ^ и /2 и (3 и т. д., значения максимального потока влаги д^т в среднем сечении х колонки за время Г находились по формуле:

<7ит = р.У„д; (3)

а доли перераспределившейся в образце влаги £ит—по формуле:

(4)

где х — координата профиля = / - длина образца.

Для анализа полученных результатов использовались треугольные диаграммы фазового состава (см. рис. 1). Для их построения сначала по опытным данным оконтуривалась область возможных соотношений объемных долей фаз данного грунта при различном его сложении и влажности. Далее для каждого опыта на эту область наносились пронумерованные точки, соответствующие соотношению фаз грунта в начале опыта. Затем им присваивались соответствующие опытные значения параметров термовлагопереноса, перечисленные выше, по которым затем путем интерполяции строилась область

их значений в изолиниях. Кроме того, для характеристики влияния форм воды и степени водонасыщения пор на параметры термовлагопереноса на треугольные диаграммы наносились области существования различных энергетических категорий воды, показанные штриховкой и крапом (см. рис. 1).

Данная методика позволяет, во-первых, выявлять закономерности термовлагопереноса во всем диапазоне возможного изменения соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз анализируемого грунта, путем нанесения на диаграмму значений параметров неизотермического влагопереноса в виде изолиний. Во-вторых, именно с помощью треугольных диаграмм легко проследить динамику изменения поля влажности в объеме грунта во времени, что можно оценить по изменению расположения и конфигурации вышеуказанных изолиний для разных периодов времени. И, наконец, в-третьих, с их помощью легко выявлять и учитывать различия параметров данного процесса для грунтов разных видов.

Глава 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ФАКТОРЫ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ

Данная глава посвящена обоснованию второго защищаемого положения: установлены ранее не известные закономерности термовлагопереноса в не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах.

Прежде всего, было выявлено влияние фазового состава на параметры термовлагопереноса в изученных грунтах: установлены области максимальных и минимальных значений этих параметров, проанализировано их изменение во времени.

Было установлено, что расположение на фазовых диаграммах значений коэффициентов влагопереноса (Ода) и термопереноса (От) для всех грунтов носит довольно четкий центрально-симметричный характер (как это показано на рис. 3 и рис. 4) с максимальными значениями параметров термовлагопереноса в центре области возможного изменения фазового состава грунта и их закономерным уменьшением к периферии этой области.

Рис. 3. Диаграмма значений коэффициента Рис. 4. Диаграмма значений коэффициента влагопереноса 103, см2/с в зависимости от термопереноса Е>т10б, см2/град-с в фазового состава гравелистого песка; здесь и зависимости от фазового состава мелкого далее: V/ - весовая влажность; — степень однородного песка влажности

Для параметров термовлагопереноса, меняющихся во времени по мере перераспределения влаги от нагретой к холодной области образца, подобная закономерность прослеживается только у части исследованных грунтов (менее дисперсных, с \УС < 15%) и, в основном, в первые часы от начала опыта (рис. 5). При этом области максимальных значений этих параметров для данных грунтов располагаются в зоне 5Г > 0,25. Для другой части грунтов (более дисперсных, с \¥с > 20%) характерно смещение областей значений "интегральных" характеристик, в зону пониженной влажности (£г < 0,25) (рис. 6).

Так как процесс термовлагопереноса активно протекает только в первые часы с начала опыта, а со временем замедляется, то к концу опыта (примерно через сутки от его начала) значения "интегральных" характеристик термовлагопереноса меняются.

Рис. 5. Диаграмма значений скорости Рис. 6. Диаграмма значений скорости

перераспределения влаги К106, см/с через 4 перераспределения влаги К106, см/с через 4

часа от начала опыта в зависимости от часа от начала опыта в зависимости от

фазового состава крупного неоднородного фазового состава мелкого неоднородного

песка песка

Скорость перераспределения влаги (V) всегда уменьшается и практически уравнивается для различных начальных влажностей грунта, причем при том фазовом состоянии грунта, при котором в начале опыта скорость V была максимальна, процесс замедляется быстрее всего.

Этот факт сказывается на распределении значений максимального потока влаги (д^т), проходящего через среднее сечение колонки за время I. К окончанию опыта изменения значений д^- зависят не столько от самой скорости перераспределения влаги, сколько от скорости затухания процесса термовлагопереноса. Быстрое его затухание означает уменьшение со временем величин значений потока если же процесс затухает медленно, то плотность потока со временем возрастает. Так как в разных зонах области возможного изменения фазового состава грунта значения скоростей V меняются неодинаково, то для каждого конкретного грунта форма изолиний потока на треугольной диаграмме может меняться сложным образом (рис. 7)

Рис. 7. Диаграммы значений максимального потока влаги дт 102, г/см2 через 20 часов от начала опыта в зависимости от фазового состава крупного (а) и мелкого (б) неоднородных песков

Значения перепада влажности (ДХУ),^ и доли перераспределившейся влаги Дут со временем всегда увеличиваются. При этом закономерность расположения изолиний значений (А^),,,. в зависимости от дисперсности грунтов остается прежней, так как этот параметр тесно связан со скоростью перемещения влаги. Очевидно, что перепад влажности будет максимален при таком соотношении фаз, при котором были максимальны скорости перемещения влаги, и как долго эти скорости сохранялись в течение опыта, о чем можно судить также и по значениям потока влаги. Распределение значений пг на треугольной диаграмме несколько иное: со временем максимальные значения этого параметра даже для крупных песков достигаются при пониженном содержании жидкой составляющей (рис. 8).

Рис. 8. Диаграммы значений доли перераспределившейся влаги 2\ут (%) через 4 (а) и 20 (б) часов с начала опыта в зависимости от фазового состава гравелистого песка

Слабовлажный грунт содержит гораздо большее количество пор незаполненных водой, способных "принять" влагу, мигрирующую под действием £гас1Т, чем более влажный грунт. Поэтому вода в нем может перейти из нагретой области в охлажденную практически целиком. Однако для лессовидного суглинка расположение изолиний данного параметра практически не меняется во времени из-за гораздо большего количества адсорбционной воды в системе (рис. 9), чем у песков.

Таким образом, общим для всех грунтов является существование «наиболее благоприятного» соотношения всех трёх фаз грунта (что соответствует определенной области на треугольной фазовой диаграмме), при котором значения параметров термовлагопереноса максимальны. Причем максимальных значений данные параметры достигают в грунте с таким соотношением фаз, чтобы ширина пор и каналов была оптимальной для наиболее свободного прохождения как жидкостного, так и парового составляющих потока влаги. Очевидно, что увеличение плотности фунта, означающее сужение проводящих каналов, способствует замедлению процесса. Уменьшение же плотности, то есть расширение каналов, ведет к увеличению длины свободного пробега молекул воды и пара, что также замедляет процесс. Чем дисперснее грунт, тем уже его поры и каналы, тем при меньшем количестве жидкой составляющей прохождение

потока влаги, особенно его паровой составляющей, может осуществляться более свободно. То есть процесс перемещения влаги под действием gradT протекает медленнее с любым изменением соотношения фаз грунта относительно указанного наиболее благоприятного.

Рис. 9 Диаграммы значений доли перераспределившейся влаги Дут (%) через 4 (а) и 20 (б) часов с начала опыта в зависимости от фазового состава лессовидного суглинка

Помимо уже упомянутой зависимости расположения значений параметров термовлагопереноса на треугольных диаграммах от дисперсности, особенности гранулометрического состава грунтов влияют и на величину этих параметров (рис. 10, 11).

§

г: о и

2 3 § ^ 5 §

В скорость ■ поток

□ перепад

□ доля влаги

ш

ш

Я

1 2 3 4 5 6 7 8 9 3^ , 3 2 4 5 7 6 8 9

Рис. 10. Распределение максимальных Рис. 11. Распределение максимальных значений значений коэффициентов влаго- 0\у и скорости перераспределения влаги V, максимального термопереноса в зависимости от потока влаги (/ил-, перепада влажности (¿Ш)*, и доли гранулометрического состава грунтов; перераспределившейся влаги 2Г«гт через 20 часов от цифры от 1 до 9 - номера грунтов начала опыта в зависимости от гранулометрического

состава грунтов; цифры от 1 до 9 - номера грунтов

Если рассматривать при этом влияние структурных особенностей грунтов на величину параметров термовлагопереноса, то можно обнаружить определенные закономерности. Максимальные значения коэффициента влагопереноса Эда уменьшаются с уменьшением размера пор (или с увеличением дисперсности), причем у крупных песков гораздо медленнее, чем у некрупных (рис 12а). Та же зависимость коэффициента термопереноса общая для песков любой крупности (рис 126).

R!-0,9521 А У

4 A5

/ R1" 0,9579

8 J/ ' Ji 3

—В---II 2 „..,---J7---------------------------

б)

е-

R1 = 0,947

♦ ♦

I '

0 5 „ 10 15 20

Rep., MKM

Рис. 12. Зависимость между коэффициентами: а

60 и Dcp, мкм

влагопереноса ZV и средним радиусом пор

(Яср); б - термопереноса Вт и средним эквивалентным диаметром пор (Вср). Номера у точек соответствуют номеру образца в табл. 1; Я2 - величина достоверности аппроксимации

Значения параметров, меняющихся во времени, увеличиваются с уменьшением размера пор (или с ростом дисперсности), что обусловлено уменьшением ширины каналов для миграции влаги и увеличением роли капиллярных сил. Эта зависимость проявляется особенно четко на этапе завершения формирования стационарного профиля (рис. 13). Максимум графика на рис. 13г объясняется тем, что параметр в равной степени зависит как от дисперсности грунта, так и от количества влаги в системе. Поэтому, когда с увеличением дисперсности возрастает максимальная гигроскопическая влажность грунта, максимальный перепад влажности достигается при все более повышающейся весовой влажности, что ведет к уменьшению значений доли перераспределившейся влаги.

1,0

о 5 10 15 20 25 30 О 100 200 300 400 500

D min, мкм преобладающий дияметр пор, мкм

Рис. 13. Зависимости между: а - скоростью миграции влаги V и величиной удельной поверхности грунта Sys; б - величиной максимального потока и максимальным радиусом пор RmaxS в - величиной перепада влажности AW и минимальным диаметром пор Dmin; г - долей перераспределившейся влаги и преобладающим эквивалентным диаметром пор. Значения параметров термовлагопереноса даны на завершающей стадии опытов

R! - 0,9859

О 0,01 0,02

SyA, 1/мкм

R! = 0,9097

R!= 0.9558

t2 9 6

20 15 10 5

С изменением дисперсности и соответственно структуры грунтов меняется соотношение основных категорий воды, участвующих в переносе влаги. На основе проведенных исследований было установлено следующее.

Связанная (адсорбированная) влага в силу своей природы, а также весьма незначительного содержания в изучаемых грунтах, принимает очень слабое участие в процессе термовлагопереноса. При появлении в грунтах других категорий воды большое влияние на протекание процесса оказывают состав и структура грунтов. Появление капиллярно-стыковой влаги в системе по-разному влияет на неизотермический влагоперенос в грунтах разной крупности: наименьшее участие в процессе она принимает в грунтах с высоким содержанием частиц крупнее 0,5 мм (более 20%) (рис. 14а, б). С уменьшением количества крупных зерен до 5-10% влияние капиллярно-стыковой влаги на термовлагоперенос резко возрастает (рис. 14в) и далее увеличивается с увеличением дисперсности грунта (рис. 14г, д). Так, в среднезернистом песке с небольшим содержанием крупной фракции (7%) по мере увеличения количества капиллярно-стыковой влаги наблюдается резкое увеличение скорости процесса и далее, при накоплении собственно капиллярной влаги, эта скорость остается неизменной (рис. 14в). В лессовидном суглинке скорость процесса увеличивается, пока количество капиллярно-стыковой влаги в системе не достигнет 50% от возможного, а затем наблюдается замедление процесса, так что при появлении собственно капиллярной влаги ее перенос протекает уже довольно слабо (рис. 14д). Наиболее активное участие в процессе термовлагопереноса собственно капиллярная влага принимает в грунтах (песках) с содержанием фракций > 0,5 мм 30-60%. В грунтах с большим содержанием крупных частиц (до 85%) наряду с собственно капиллярной активное участие в процессе принимает свободная вода, механически удерживаемая дисперсной системой. При 100-процентном содержании частиц крупнее 0,5 мм наиболее активно процесс начинает протекать только при появлении свободной воды (рис. 14а).

В соответствии с вышеизложенным меняется вклад парового и жидкостного звеньев в суммарный парожидкостной механизм термовлагопереноса в разных грунтах. В грунтах, содержащих только частицы крупнее 0,5 мм, с очень широкими порами и слабыми капиллярными силами ведущую роль играет паровой поток или паровое звено комбинированного механизма термовлагопереноса. С увеличением дисперсности (у среднезернистых песков) при сужении каналов и увеличении капиллярных сил имеет место равноценное парожидкостное перемещение влаги. При дальнейшем увеличении дисперсности вклад жидкостного звена в общий поток влаги все более усиливается, так что в пылеватых и лессовых грунтах механизм переноса влаги - парожидкостной с преобладающим влиянием жидкого звена.

Таким образом, установлено, что основным фактором, влияющим на эффективность процесса термовлагопереноса, является преобладание воды

определенного энергетического вида в общем паро-жидкостном потоке влагопереноса: с увеличением дисперсности уменьшается вклад свободной и собственно капиллярной воды, но увеличивается роль капиллярно-стыковой и капиллярно-конденсированной воды. При этом механизм переноса влаги меняется от преимущественно парового к преимущественно жидкостному.

— г

н °

о»-

2 г

. О

¡-45 "

О О

о

о £■

а 3

° 2

"е

Глава 5. ПРОГНОЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ

В данной главе обосновывается третье защищаемое положение: разработана математическая модель термовлагопереноса в дисперсных не полностью водонасыщенных песчаных и пылеватых грунтах, основанная на обобщении полученного экспериментального материала.

Так как прогнозная модель, опирающаяся на опыты, проведенные в небольшом объеме грунта в лабораторных условиях, должна правильно описывать процесс,

Рис. 14. Зависимость коэффициентов влаго-Эщ и термопереноса От и скорости миграции влаги V через 4 часа от начала опыта от исходной влажности грунта для различных грунтов

10 15 20 25 30

Исходная влажность, %

а) крупный однородный песок

б) среднезернистый неоднородный песок

—•— Ода

—V

5 10 15 20

Исходная влажность, %

г) мелкий неоднородный песок

5 10 15 20 25 0 5 10 15

Исходная влажность, % Исходная влажность, %

д) лессовидный суглинок

5 10 15 20 25 30

Исходная влажность, % в) среднезернистый однородный песок

протекающий в массиве, при получении результатов необходимо учитывать различные критерии подобия. В процессах, изменяющихся с течением времени г, основным критерием подобия, является критерий гомохронности Фурье Р0 для определения масштаба времени при переносе вещества:

Р0 = Ъ^/и1 = Б212/Ь22 = .. .= П„1„/Ьп2 (5)

где 1 - время от начала температурного воздействия, Ь - характерный размер тела, В1п - коэффициент влагопроводности. Для процесса термовлагопереноса можно принять, что величину критерия гомохронности будет определять коэффициент термопереноса

Сю0т =>р0 = ОтТср1Л.2 (6)

где Тср - величина, постоянная для всех систем с фиксированным перепадом температур на границах. Из формулы (6) для колонок разной длины следует:

12Л, = Ь22/Ц2 (7)

Таким образом, получив в ходе эксперимента профили влажности в колонках длиной 10 см при заданных начальной (средней) влажности и перепаде температур ДТ, а путем расчета - параметры термовлагопереноса, и применяя на практике критерий подобия (7), можно вычислить: время установления стационарного профиля для любого заданного расстояния; расстояние, на которое распространиться изменение влажности для любого заданного времени воздействия температурного градиента; а также построить профиль влажности на требуемое расстояние для двух первых случаев по формуле:

= + (8)

где & - безразмерный аналог длины, вычисляемый по формуле: & = х/Ь, 1 = 0, 1.....Ь.

По этим профилям можно рассчитать, на сколько изменилась влажность относительно первоначальной в любой точке вблизи источника тепла при формировании профиля влажности. При этом надо учитывать, что вышеуказанный критерий подобия МОЖНО применять ТОЛЬКО при ПОЛНОМ соответствии прогнозируемых условий заданным в эксперименте.

Данная модель применима, в основном, к стационарному профилю влажности. Однако на практике может иметь интерес распределение влажности в любой момент времени в процессе его формирования. С этой целью были изучены полученные в ходе опытов профили влажности для разных моментов времени с тем, чтобы выявить закономерности их изменения во времени. Если стационарный профиль близок к линейной функции, то в процессе формирования его форма далека от прямой. Применение различных функций к полученным в ходе опытов профилям влажности показало, что лучше всего их описывает логарифмическая функция:

= А Ш 18[К \У0 (Й +0,1 (1 - »))] + (9)

где Д\¥ - перепад влажности в %; % - безразмерный аналог длины; - начальная влажность в %, К - безразмерный коэффициент, зависящий от \¥0.

Сравнение расчетных профилей влажности с полученными экспериментальным путем, показало, что предложенное уравнение удовлетворительно описывает изучаемый процесс для разных начальных условий и различных грунтов (рис. 15).

А Б

0.2 0.4 0,6 0,8

расстояние от источника тепла

0,2 0.4 0,6 0,8

расстояние от источника тепла

Рис. 15. Профили влажности, полученные экспериментальным путем (А) и путем моделирования (Б) в течение трех промежутков времени для мелкого однородного песка

Входящий в формулу безразмерный коэффициент К был введен в качестве поправки на пропускную способность грунтов в условиях непостоянства температур. Он прямо пропорционален времени формирования профиля влажности I (К = ?Л + Ь) и обратно пропорционален начальной влажности грунта.

Чтобы проанализировать влияние влагосодержания грунта на коэффициент К, были построены графики зависимости коэффициентов а и Ь от \Уо, которые были подвергнуты анализу на предмет, которая из функций описывает их наиболее правильно. Выяснилось, что коэффициент а лучше всего описывается уравнением 4-й степени, а коэффициент Ь - степенной функцией вида у = 1/х" (рис. 17).

у = 2,1865х"0"к941 К1 - 0,9587

10 15

Влажность \У. %

10 15 20

Влажность %

Рис. 17. Зависимости коэффициентов а (А) и Ь (Б) от начальной (средней) влажности \¥0 для крупного однородного песка. Приведены также уравнения, описывающие эти графики, и величины достоверности аппроксимации (Я2)

Рассмотрев сводные графики коэффициентов а и Ь для разных грунтов, было выяснено, что на них определенным образом влияет их состав и структурные

особенности. Эти отличия связаны с коэффициентами уравнений 4-й степени, и степенных функций. Была предпринята попытка связать эти отличия с какими-нибудь показателями, характеризующими структуру грунтов. Так была обнаружена связь одного из коэффициентов с размером среднего радиуса пор грунтов, а другого коэффициента - с величиной удельной поверхности.

Входящее в формулу (9) значение перепада влажности можно определить по графику зависимости от времени, который строится по имеющимся данным (рис. 18). Анализ формы графиков изменения Д\¥ во времени для различных грунтов позволил определить, что лучше всего они описываются степенной функцией. Так что, зная значения ДШ даже для 2-3 моментов времени, можно получить уравнение линии тренда, по которому легко определить значение Лв любой другой момент времени.

При отсутствии данных о значениях Д XV, можно построить линию тренда по двум точкам, одна из которых соответствует началу опыта и близка к 0, а вторая -максимальное значение перепада влажности, соответствующее стационарному профилю, вычисляемое с помощью коэффициентов термо- и влагопереноса по формуле: ДШ = -0тДТ/0№. (10)

Построенные таким образом графики показали, что уравнения линии тренда-1 (полученные по известным значениям Д\У) и линии тренда-2 (полученные по максимальному и минимальному значениям Д\¥) весьма близки (рис. 19).

______—СП- -•-2,9 -"—6,2 -—8,5

-----____________- -•-13,9

время от начала опыта, ч

Рис. 18. Изменение перепада влажности во времени для гравелистого песка. Справа в легенде приведены значения начальной влажности \¥0 в %

время формирования профиля, ■

Рис. 19. Сравнение графиков изменения перепада влажности во времени для лессовидного суглинка при Шо = 13,4 %, полученные из данных опытов (линия тренда-1) и расчетным путем (линия тренда-2). Приведены также уравнения, описывающие эти графики соответствующим цветом

В результате проведенных исследований алгоритм предложенной модели для построения профиля влажности для любого грунта в любой момент времени сводится к следующему.

1. Необходимые начальные сведения должны включать следующее: гранулометрический состав грунта; состояние грунта: начальные влажность и плотность

грунта; перепад влажности между нагреваемой и охлажденной областями грунта (Д\У), полученный лабораторным путем для 2-3 моментов времени; (при отсутствии данных о Д\У) коэффициенты /V и Ит и время формирования стационарного профиля; расстояние от источника тепла и время, для которого требуется построить профиль влажности.

2. Определение По имеющимся данным или по максимальному и минимальному значениям ДW (10) строится график зависимости Д'\У = /(I), по которому вычисляется значение № в нужный момент времени.

3. Определение коэффициента К. Принимая во внимание тип грунта, по графикам, полученным для данного типа, вычисляются коэффициенты а и Ь для нужной влажности \У0. Далее по формуле К = + Ь, где I - "экспериментальное" время, соответствующее необходимому моменту времени (согласно критериям подобия) вычисляется коэффициент К.

4. Построение профиля влажности. Полученные (ДW и К) и имеющиеся (\Уо) данные подставляются в уравнение (9) и строится профиль искомый влажности.

При этом необходимо учитывать, что при исследовании процесса в массиве всегда следует делать пересчет времени согласно критерию подобия (7), а также то, что перепад температур между источником тепла и температурой в массиве должен совпадать с ДТ, используемым в опытах при определении параметров термовлагопереноса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. Для более полного и всестороннего анализа неизотермического влагопереноса была разработана новая методика оценки параметров неизотермического влагопереноса в дисперсных песчаных и пылеватых грунтах и их анализа с помощью треугольных диаграмм фазового состава. Предложенная методика позволяет, во-первых, выявлять закономерности термовлагопереноса во всем диапазоне возможного изменения соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз анализируемого грунта, путем нанесения на диаграмму значений параметров неизотермического влагопереноса в виде изолиний. При этом появилась возможность выявить не просто влияние влажности на параметры процесса, но и вклад отдельных категорий воды, что продвигает решение вопроса о действии различных механизмов и делает более ясной природу процесса в целом. Во-вторых, именно с помощью треугольных диаграмм легко проследить динамику изменения поля влажности в объеме грунта во времени. Это можно заключить по изменению расположения и конфигурации вышеуказанных изолиний для разных периодов времени. И, наконец, в-третьих, благодаря разработанной методике легко выявлять и учитывать различия параметров данного процесса для грунтов разных видов. Сюда входит изучение влияния гранулометрического состава и его особенностей

(структурных характеристик, однородности и отсортированное™) на комплекс параметров термовлагопереноса природных грунтов, с одной стороны, в пределах одного литологического типа, а с другой - грунтов разных литологических типов (песков и лессов).

2. Благодаря использованию данной новой методики установлены ранее неизвестные закономерности неизотермического влагопереноса в песчаных и пылеватых грунтах. Общим для всех грунтов является существование «наиболее благоприятного» соотношения трех фаз (что соответствует области или точке на фазовой диаграмме), при котором значения параметров неизотермического влагопереноса максимальны, а, следовательно, процесс протекает наиболее эффективно. Проведенные исследования показали, что интенсивнее всего перенос влаги осуществляется в крупных однородных и пылеватых песках, а также лессовых грунтах в рыхлом и среднем сложении. Для любых песков влажность, при которой термовлагоперенос наиболее эффективен, понижается с увеличением дисперсности. Равномерное уплотнение грунта, как правило, делает процесс термовлагопереноса менее эффективным. С практической точки зрения, эти сведения позволяют оценить эффективность переноса влаги при наличии температурных градиентов в различных грунтах при любом их фазовом состоянии.

3. На комплекс параметров термовлагопереноса значительное влияние оказывает гранулометрический состав, соотношение фаз и структурные особенности порового пространства, что объясняется как наличием различных категорий воды в разных грунтах, так и шириной и эффективностью поровых каналов, по которым мигрирует влага. Установлено, что:

• "абсолютные" характеристики грунта (Л¡у и £>г) имеют наибольшие значения у среднезернистых песков, что связано с оптимальным соотношением у них величины капиллярных сил и "эффективным" диаметром каналов;

• для интегральных характеристик (д„у, V, (Д\¥)хг и ДуТ) установлено увеличение их значений с увеличением дисперсности изученных грунтов, особенно в завершающей стадии установления профиля влажности;

• на величину перепада влажности ((АУ/)^) основное влияние оказывают гигроскопичность, дифференциальная влагоемкость и влагопроводность. Сочетание этих факторов приводит к тому, что минимальные значения этой функции наблюдаются у низкодисперсных грунтов;

• параметр т в равной степени зависит как от дисперсности грунта, так и от количества влаги в системе. Поэтому, когда с увеличением дисперсности возрастает максимальная гигроскопическая влажность грунта, максимальный перепад влажности достигается при все более повышающейся весовой

влажности, что ведет к уменьшению значений доли перераспределившейся влаги;

• у большинства изученных песков в процесс термовлагопереноса основной вклад вносит вода переходного типа (капиллярная). Однако для грунтов с крупными зернами без пылеватой фракции, содержащих слишком мало капиллярной воды, в данный процесс вносит вклад свободная вода, которая в виде парообразной влаги, легко передвигается по широким порам.

4. Обоснованы простые прогнозные математические модели для стационарных я нестационарных профилей влажности при различных заданных начальных условиях. Прогнозная модель для получения стационарного профиля влажности при заданной начальной влажности и фиксированном перепаде температур позволяет вычислить: время установления стационарного профиля для любого заданного расстояния; расстояние, на которое распространиться изменение влажности для любого заданного времени воздействия температурного градиента и построить профиль влажности на все требуемое расстояние для двух первых случаев. Прогнозная модель для получения нестационарного профиля влажности позволяет прогнозировать эффективность термовлагопереноса для многих грунтов при любой исходной влажности, для любого момента времени с начала наложения температурного поля и на любом расстоянии от исочника тепла, в то же время не требующая сложных вычислений и специальных компьютерных программ. Данные модели можно применять при проектировании оснований любых инженерных сооружений в зоне аэрации, предполагающих в процессе эксплуатации наличие температурных полей.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в рецензируемых журналах:

1. Королев В.А., Федяева Е.А. Влияние фазового состава на параметры термовлагопереноса песчаных грунтов // Инженерные изыскания. 2011. № 10. С. 38-46.

2. Королев В.А., Федяева Е.А. Закономерности термовлагопереноса в лессовых грунтах II Инженерная геология. 2013. № 2. С. 62-71.

3. Королев В.А., Федяева Е.А. Сравнительный анализ термовлагопереноса в дисперсных грунтах разного гранулометрического состава // Инженерная геология. 2012. №6. С. 18-31.

4. Королев В.А., Федяева Е.А., Ахромеева Т.Я. Закономерности термовлагопереноса в ненасыщенных дисперсных грунтах // Инженерная геология. 1990. №3. С. 16-29.

5. Korolev V.A., Fedyaeva Е.А. Effect of phase composition on the parameters of non-isothermal moisture transfer in unsaturated sandy soils // Journal of Civil Engineering and Management. 2014. V. 20. № 1. P. 95-102.

Статьи и тезисы докладов в сборниках трудов конференций:

6. Королёв В., Федяева Е., Ахромеева Т. Термодинамика влагопереноса в ненасыщенных глинистых грунтах // Тез. докл. XIV Всес. конф. "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве". Часть 2. - Новосибирск, 1988. С. 4950.

7. Федяева Е.А. Математическое моделирование термовлагопереноса в ненасыщенных дисперсных грунтах // Ломоносовские чтения, 16-22 апреля 2014 г., МГУ; секция «Инженерная и экологическая геология». М., 2014а. Ьар:/^ео^еЬ.гиМЬ/п^.Ьйп1?гш(1=1187684

8. Федяева Е.А. Прогноз и моделирование неизотермического влагопереноса в дисперсных грунтах // Тез. X Научно-практич. конф. молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве", ПНИИИС. - М.: 2014. С. 33-38.

9. Федяева Е.А. Прогнозная модель неизотермического влагопереноса в дисперсных грунтах // Сергеевские чтения: мат-лы годичной сессии Научн. совета РАН (21 марта 2014). - М.: РУДН, 2014. С. 130-135.

10. Федяева Е.А. Сравнительный анализ термовлагопереноса в песках разного гранулометрического состава // Тез. VIII Научно-практич. конф. молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве", ПНИИИС. - М.: 2012. С. 17-21.

11. Федяева Е.А., Королев В.А. Влияние структурных особенностей песчаных грунтов на параметры термовлагопереноса // Тез. IX Научно-практич. конф. молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве", ПНИИИС. - М.: 2013. С. 3-7.

12. Федяева Е.А., Королев В.А. Влияние фазового состава на параметры термовлагопереноса песчаных грунтов // Тез. X Междунар. конф. "Новые идеи в науках о Земле", РГГРУ. - М., 2011. Т. 3. С. 69.

13. Федяева Е.А., Королев В.А. Влияние фазового состава песков на параметры неизотермического влагопереноса // Ломоносовские чтения, посвященные 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, 15-17 ноября 2011 г., МГУ, секция "Инженерная и экологическая геология". - М.: 2011. http://geo.web.ru/conf/

14. Федяева Е.А., Королев В.А. Закономерности и факторы неизотермического влагопереноса в дисперсных грунтах разного гранулометрического состава // Ломоносовские чтения, 16-24 апреля 2013 г., МГУ, секция "Инженерная и экологическая геология". - М.: 2013. ЬНр://ееолуеЪ.ги/ёЬ/т8г.Ьип1?т1ё=1187172

15. Федяева Е.А., Королев В.А. Исследование влияния фазового состава на параметры термовлагопереноса песчаных грунтов // Тез. VII Научно-практич. конф. молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве", ПНИИИС. - М.: 2011. С. 84-87.

16. Федяева Е.А., Королев В.А. Исследование зависимости параметров термовлагопереноса от фазового состава песчаных грунтов // Тез. Всеросс. научно-практич. конф. "Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий", УГГУ. - Екатеринбург. 2011. С. 41-43.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж ¡0 0 экз. Заказ № 11Г