книги / Механика мёрзлых грунтов (общая и прикладная)
..pdfНа рис. 15 показана кривая замерзания водонасыщенного любе рецкого кварцевого песка. Эту кривую можно рассматривать состоя щей из нескольких участков. Первый участок / соответствует про цессу охлаждения и переохлаждения образца грунта, т. е. только понижению температуры грунта без льдовыделения.
Как в данном, так и в подобных других случаях, участок кривой
охлаждения имеет вогнутость к оси температур. |
Наибольшая тем |
||
пература переохлаждения в данном опыте оказалась |
равной 0П= |
||
= —3,0° С. Отметим, что температура |
переохлаждения |
зависит от |
|
условий опыта, главным образом, от |
общего |
теплового баланса |
|
замораживаемого образца грунта. |
|
|
|
Далее, как только в образце грунта начинает замерзать поровая вода, выделяется значительное количество скрытой теплоты льдо-
d°C
Рис. 15. Кривая охлаждения и замерзания песка (влажность W = 19,6%, температура охлаждаю щей смеси— 10° С)
образования, и температура грунта резко повышается (участок //, на рис. 15). В рассматриваемом случае (водонасыщенный песок) это повышение достигло 0°С (03~О°С). При этой температуре в песках происходит замерзание всей свободной воды, причем время замерзания зависит от влажности песка, интенсивности охлаждения и размеров образца. Опыты также показывают, что температура замерзания, т. е. устойчивая температура, достигаемая при темпе ратурном скачке, для всех влажных и водонасыщенных песков близка к 0°С (участок III на кривой рис. 15).
Если продолжать замораживать грунт, то по прошествии неко торого времени температура его начнет понижаться — вначале (для водонасыщенного песка примерно до —0,5н— 1°С) по криволиней ному закону, при этом кривая будет иметь выпуклость (а не вогну тость, как при охлаждении) к оси температур. Последнее показыва ет, что на рассматриваемом участке еще продолжает выделяться некоторое количество скрытой теплоты льдообразования и замерза
ет рыхлосвязанная (переменного фазового состава) вода. Однако при температуре ниже—1°С (для рассматриваемого опыта) охлаж дение идет по прямолинейному закону (участок IV на кривой рис. 15), т. е. можно считать состояние песка замерзшим, т. е. прак тически в нем вся вода перешла в лед, а если и осталось некоторое незначительное количество незамерзшей воды, то оно практически уже не сказывается на балансе тепла.
При повышении температуры (участок V на кривой рис. 15) сна чала температура изменяется прямолинейно, а затем (для песков при температуре примерно от —0,5 до —1°С) криволинейно, т. е. скрытая теплота льдообразования начинает поглощаться, еще не достигнув температуры таяния грунта.
Что касается значения величины температуры переохлаждения (—0Г на рис. 14), то она не является константой для данного
*в°С
Рис. 16. Кривая охлаждения и замерзания дисперсной бентонитовой глины (влажность №=80,5%, температура охлаждения — 10° С)
грунта и наблюдается на образцах грунтов (в лабораторных опы тах) и в верхних слоях природных грунтов лишь при постепенном охлаждении и отсутствии в грунте кристаллов льда («ледяных за травок», например снежинок). Если же началось в какой-либо точке льдовыделение, то переохлаждение уже не будет иметь место, но температура замерзания грунта (по величине, вообще говоря, ниже нуля градусов) будет зависеть от механического и минералогиче ского состава грунта, насыщения его частиц теми или иными кати онами, природной уплотненности и пр.
Все сказанное в полной мере будет относиться и к глинистым грунтам (глинам, суглинкам и супесям), но отличие замерзания этих грунтов будет заключаться в том, что при их охлаждении после температурного скачка устанавливается (на некоторое время) более низкая температура (порядка от —0,1 до —2,5° С и несколько ниже в зависимости от свойств грунта), а криволинейный участок дальнейшего охлаждения и промораживания уже мерзлого грунта (участок IV на кривой рис. 16) продолжается значительно дальше, и для дисперсных глин полное замерзание (практически, замерзшее состояние) может быть достигнуто при очень низких температурах (порядка нескольких десятков градусов ниже нуля), когда темпе-
ратурная кривая становится прямолинейной, т. е. происходит ох лаждение уже замерзшего грунта без заметного выделения скрытой теплоты льдообразования.
В табл. 1 приведены некоторые результаты описанных лабора торных опытов по определению температуры замерзания грунтов.
Т а б л и ц а 1
|
|
Т ем пература зам ерзания |
грунтов |
|
|
|||
|
|
|
Уплотне |
Темпера |
Весовая |
Температура, °С |
||
|
|
|
|
|
||||
Наименование грунта |
тура ох |
переох |
замер |
|||||
ние, |
лаждающей |
влажность |
||||||
|
|
|
к Г 1 с м - |
смеси, |
1С |
грунта, % |
лаждения |
зания |
Песок |
среднезернистый |
1 |
— 10 |
|
20,5 |
—3,0 |
0,0 |
|
Суглинок |
(содержание |
ча |
|
|
32,2 |
—4,0 |
- 0 ,1 |
|
стиц <0,001 |
м м — 20,8%) |
0,5 |
— 10 |
|
||||
То же . . |
|
10 |
— 10 |
|
19,6 |
—3,3 |
- 0 , 9 |
|
Глина |
(бентонитовая) |
1 |
— 10 |
|
80,5 |
- 4 , 9 |
- 0 , 7 |
Отметим также, что температура замерзания засоленных грун тов зависит, конечно, и от концентрации солей в поровой воде Kz, равной отношению веса растворенных солей к весу порового раство ра (включая и содержание солей), и по данным ЛенморНИИпроекта определяется эмпирическими формулами, причем средние значе ния, например для засоленных суглинков и супесей, будут прибли зительно равны:
П ри |
K z —0,01, |
тем пература |
зам ерзани я |
0 3= |
— 0,5° С |
П ри |
/Cz = 0,05, |
» |
» |
0 3= |
— 2,2° С |
При большей концентрации солей в поровой воде температура замерзания грунтов будет еще ниже. Таким образом, температура замерзания различных грунтов (точнее — температура первого главного периода их замерзания), имеющих определенные физико химические и физико-механические свойства (природную уплотнен ность, влажность, консистенцию и пр.), является вполне определен ной величиной, что и следует учитывать при расчетах промерзания грунтов: для водонасыщенных песчаных, текучих и текуче-пластич ных глинистых грунтов она близка к 0°С; для пластичных глинис тых грунтов в зависимости от их уплотненности изменяется в сред нем от —0,1 до —1,2° С; для полутвердых и твердых глин — от —2 до —5° С. Приведенные данные для конкретных условий должны быть уточнены на основе результатов непосредственных опытов и наблюдений в натуре.
Данные о температуре замерзания грунтов необходимы для теп лотехнических расчетов, связанных с промораживанием грунтов, в частности, с определением глубины промерзания за данный проме жуток времени при данной отрицательной температуре наружного воздуха.
Глубина максимального сезонного промерзания грунтов в есте ственных условиях, как известно (см. СНиП П-Б. 1—62), лимити рует глубину заложения фундаментов гражданских и промышлен-
1362
Рис. 17. Изолинии глубин сезонного оттаивания песчаных грунтов
Рис. 18. Изолинии глубин сезонного оттаивания глинистых грунтов
ных зданий и определяет для районов вне области вечномерзлых грунтов мощность так называемого деятельного слоя, т. е. слоя в котором деятельно протекает целый ряд физических и физико-ме ханических процессов, могущих существенно влиять на прочность и устойчивость фундаментов сооружений.
Для областей распространения вечномерзлых грунтов деятель ный слой будет определяться не глубиной максимального промер зания грунтов, а глубиной их максимального протаивания. Под последним понимается глубина полного оттаивания льда, содержа щегося в грунтах слоя ежегодного промерзания, подстилаемого толщей вечномерзлых грунтов.
Температура полного оттаивания мерзлых грунтов будет близка к 0°С, если грунты не засолены. Глубина протаивания грунтов, а следовательно, и мощность деятельного слоя для вечномерзлых грунтов определяется глубиной проникания положительной и нуле вой температуры в мерзлый грунт.
Глубина оттаивания может быть определена теплотехническим расчетом или приближенно по картам изолиний сезонного оттаива ния грунтов (рис. 17 и 18) *, где даны глубины оттаивания, близкие к максимальным, для песчаных грунтов при влажности (в долях единицы) tt^c = 0,05 и для глинистых — при Wc = 0,15. При большей влажности глубина протаивания будет меньше, что определяется по графикам рис. 17 и 18, умножая глубину оттаивания на Kw=f'(Wc).
Для районов вечномерзлых грунтов, как отмечалось ранее, глу бина максимального оттаивания и будет соответствовать мощности деятельного слоя, примерные величины которого будут следующие (см. рис. 17 и 18):
|
|
Для Крайнего Севера |
|
Для |
песчаных |
грунтов |
1,0—1,8 м |
Для торфо-болотных и глинистых грунтов |
0,4—1,2 м |
||
|
|
Для Южных районов |
|
Для песчаных грунтов |
2,5—4,5 м |
||
Для |
глинистых |
грунтов |
1,0—2,5 м |
Из приведенных данных вытекает, что промерзание и протаивание грунтов (особенно дисперсных глинистых) представляют собой сложнейшие физические процессы фазового изменения воды в мерз лых грунтах, существенно влияющие на свойства замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов, что требует особого, более де тального их рассмотрения в последующем изложении.
§4. Характерные области фазовых превращений воды в лед
исодержание в мерзлых грунтах незамерзшей воды
При промерзании грунтов, особенно дисперсных (например, глинистых), при температуре замерзания грунта далеко не вся по-
* См. «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и соору жений на вечномерзлых грунтах». НИИОСП. Стройиздат, 1969.
ровая вода переходит в лед, а лишь часть ее. При дальнейшем же понижении отрицательной температуры фазовые превращения воды продолжаются, но все с меньшей интенсивностью, причем количест во замерзающей воды будет зависеть как от величины отрицатель ной температуры (основной фактор), так и от удельной поверхнос ти минеральных частиц, состава поглощенных катионов, давления
и пр.
Понижение температуры замерзания поровои воды происходит, как указывалось ранее, вследствие противоположного действия сил притяжения к зоне прочносвязанной воды и воды переменного фа
|
|
|
зовогосостава, так как между по |
||||||
|
|
|
следними (по Б. Н. Достовалову и |
||||||
|
|
|
А. А. Ананяну) |
появляется |
слой с |
||||
|
|
|
более подвижными |
молекулами, как |
|||||
|
|
|
бы более теплый, требующий более |
||||||
|
|
|
низкой температуры замерзания. |
||||||
|
|
|
Исследования |
зависимости |
со |
||||
|
|
|
держания незамерзшей воды от ве |
||||||
|
|
|
личины отрицательной температуры, |
||||||
|
|
|
произведенные, главным |
образом, в |
|||||
|
|
|
лаборатории |
механики |
мерзлых |
||||
|
|
|
грунтов Института |
мерзлотоведения |
|||||
|
|
|
им. В. А. Обручева |
АН |
СССР |
под |
|||
|
|
|
руководством автора, дают возмож |
||||||
|
|
|
ность выделить три основные обла |
||||||
|
|
|
сти фазовых переходов воды в мерз |
||||||
|
|
|
лых грунтах*: |
значительных |
фазо |
||||
|
|
|
1) |
область |
|||||
Рис. 19. Кривые содержания не- |
вых |
превращений, |
в,которой |
изме |
|||||
нения количества незамерзшей воды |
|||||||||
замерзшей |
воды в |
мерзлых |
на Г С составляет 1% и более |
||||||
грунтах в зависимости от ве |
|||||||||
личины отрицательной темпера |
(по отношению к весу высушенного |
||||||||
^ — кварцевый |
туры: |
2 — супесь: |
грунта); |
|
|
|
|
|
|
песок; |
2) область переходную, где изме |
||||||||
3 — суглинок; |
4 — глина; |
5 — глина, |
|||||||
содержащая монтмориллонит |
нения содержания |
незамерзшей |
во |
ды менее 1 %, но более 0,1 %; 3) область практически замерзшего состояния, где фазовые пре
вращения воды в лед на 1°С не превышает 0,1 %.
В области значительных фазовых превращений воды в замер зающих грунтах, т. е. в начальной области кривых зависимости со держания незамерзшей воды Wa от величины их отрицательной температуры —0° (рис. 19), замерзает вся свободная вода (в круп ных порах и капиллярах) и частично рыхлосвязанная вода; в области же переходной замерзает вода переменного фазового состава (т. е. рыхлосвязанная), область же практически замерзшего состояния
Н. А. Цыт о в и ч . Некоторые общие вопросы методики исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Сб. «Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов», № 2. Изд-во АН СССР, 1954.
соответствует содержанию в грунте только прочносвязанной воды, по величине близкому к максимальной гигроскопичности грунта. При температуре же —70° С и ниже, подавляющее большинство грунтов практически полностью замерзает (жидкая фаза воды пол ностью переходит в лед).
Опыты по калориметрическому определению содержания незамезшей воды в мерзлых грунтах также показали, что для каждого вида грунта имеется своя характерная кривая содержания неза мерзшей воды, т. е. кривая зависимости содержания незамерзшей воды U7Hот величины отрицательной температуры грунта —0° (см. рис. 19 и табл. 2), имеющая такое же значение для оценки физи
ческих и механических свойств мерзлых и вечномерзлых |
грунтов, |
|||||||
какое для немерзлых грунтов имеет компрессионная кривая. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 |
|
|
|
Содержание незамерзшей воды в незасоленных грунтах |
|
|
||||
|
|
в зависимости от величины |
отрицательной |
температуры * |
|
|
||
|
|
Количество незамерзшеи поды, в % к весу сухого |
грунта |
|
||||
|
|
|
в зависимости от температуры, О С |
|
|
|||
Наименование грунта |
-0 ,5 |
- 1 ,5 |
уоуо спо •1* |
11 СЛО |
-11,0 |
|
||
|
|
-0 ,5 |
|
|||||
|
|
—“0 ,2-т- |
—0,5ч- |
- 1 ,0 - |
1 |
|
- 1 0 ,0ч- |
|
|
|
1 |
|
|
||||
Песок |
|
0 ,2 |
0 ,2 |
4,5 |
— |
0,0 |
0,0 |
|
Супеси |
— |
5,0 |
4,0 |
3,5 |
|
|||
Суглинок |
12,0 |
10,0 |
7,8 |
— |
7,0 |
6,5 |
|
|
Глина |
|
17,5 |
15,0 |
13,0 |
12,5 |
|
9,3 |
|
Глина |
|
(содержа |
|
|
|
|
|
|
щая |
монтморилло |
|
|
|
|
15,3 |
|
|
нит) |
|
34,3 |
25,9 |
|
19,8 |
|
|
|
* По опытам 3. А. Нерсесовой (см. Н. А. |
Ц ы т о в и ч , 3. |
А. Н е р с е с о в а |
«О физи |
|||||
ческих явлениях и процессах в промерзающих, |
мерзлых и протаивающих грунтах». Сб. |
3 |
||||||
«Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов». Под |
ред. Н. А. Цытовича. |
|||||||
Изд-во АН СССР, 1957. |
|
|
|
|
|
|
Как видно из данных табл. 2 и кривых рис. 19, чем дисперснее (более глинистее) грунт, тем большее количество незамерзшей воды при данной отрицательной температуре он содержит. Последнее становится ясным, так как более дисперсные грунты имеют боль шую удельную поверхность минеральных частиц, а следовательно, обладают большей способностью связывать поровую воду.
По исследованиям в МГУ (Т. А. Литвиновой), содержание не замерзшей воды в очень дисперсных грунтах зависит не только от их пористости, но и от микропористости грунтов (внутренней по ристости их минеральных частиц).
Как показали детальные исследования 3. А. Нерсесовой содер жания незамерзшей воды в мерзлых грунтах с помощью чувстви тельного калориметра *, количество незамерзшей воды для данного
* 3. |
А. Н е р с е с о в а , Н. А. Ц ы т о в и ч . Незамерзшая вода в мерзлых |
грунтах |
Доклады на Международной конференции по мерзлотоведению. Изд-во |
АН СССР, 1963.
грунта практически не зависит’ от суммарной влажности грунта (конечно, при влажности грунта, большей его молекулярной влагоемкости. — Н. Ц.) **и определяется, главным образом, величиной отрицательной его температуры (что подтверждается также исследованиями П. Вильямса **).
|
|
|
|
|
Это положение имеет |
важное |
||||||
|
|
|
|
|
практическое приложение, а имен |
|||||||
|
|
|
|
|
но: определив в полевых условиях |
|||||||
|
|
|
|
|
суммарную влажность |
грунта и |
||||||
|
|
|
|
|
его отрицательную' |
температуру |
||||||
|
|
|
|
|
(что |
является |
обязательным при |
|||||
|
|
|
|
|
всех |
инженерно-криологических |
||||||
|
|
|
|
|
изысканиях), |
а |
в |
стационарной |
||||
|
|
|
|
|
лаборатории — количество |
иеза- |
||||||
|
|
|
|
|
мерзшей воды |
по увлажненному |
||||||
|
|
|
|
|
образцу того же грунта на;рушен- |
|||||||
|
|
|
|
|
ной |
структуры, |
представляется |
|||||
|
|
|
|
|
возможным рассчитать по темпе |
|||||||
|
|
|
|
|
ратуре количество |
незамерзшей |
||||||
|
|
|
|
|
воды и льдистость грунта в усло |
|||||||
|
|
|
|
|
виях его естественного залегания. |
|||||||
|
|
|
|
|
Последние характеристики |
необ |
||||||
|
|
|
|
|
ходимы при определении |
физиче |
||||||
|
|
|
|
|
ских |
свойств и оценке |
состояния |
|||||
|
|
|
|
|
мерзлых грунтов в целях возмож |
|||||||
|
|
|
|
|
ности |
использования |
рекоменда |
|||||
|
|
|
|
|
ций СНиПа для строительства на |
|||||||
|
|
|
|
|
вечномерзлых грунтах. |
|
показа |
|||||
|
|
|
|
|
Исследования |
также |
||||||
|
|
|
|
|
ли, что в дисперсных глинах, в |
|||||||
Рис. |
20. |
Количество незамерзшеп |
которых обменные |
катионы ока |
||||||||
зывают существенное влияние на |
||||||||||||
воды |
в глинах в |
зависимости от |
дисперсность, |
водные |
|
свойства |
||||||
состава |
обменных |
катионов и ве |
|
|||||||||
личины |
отрицательной температу |
и пр., |
содержание |
незамерзшей |
||||||||
|
|
ры (-0 °): |
3 — Na- |
воды |
при данной |
отрицательной |
||||||
I — Са-каолин; 2 — Na-каолин; |
температуре зависит |
от |
насыще |
|||||||||
аскангель; |
4 —Са-аскангель; |
5 — Fe- |
||||||||||
|
|
аскангель |
|
ния их теми или иными обменны |
||||||||
|
|
|
|
|
ми катионами, |
например, |
насы |
|||||
щение Na-ионом обусловливает наибольшую дисперсность |
монтмо- |
|||||||||||
риллонитовой глины (аскангеля) |
и наибольшее содержание |
в ней |
незамерзшей воды. На рис. 20 показаны кривые изменения неза мерзшей воды в мономинеральных грунтах при насыщении их об менного комплекса различными катионами: Na, Са и Fe ***.
Следует отметить, что в случае насыщения аскангеля железом
(Fe), |
когда коагуляция и агрегирование выражены в наибольшей |
* |
Здесь и далее Н. Ц. — примечание автора. |
** С. Т. Цв е т к о в а , Н. Л. Б р а т ц е в а и др.. Современное состояние геокриологических исследований за рубежом. Изд. ВСеГИНГЕО, 1966.
*** См. сноску * на стр. 37.
степени, а ультрапористость наименьшая, количество незамерзшей воды при различных температурах будет значительно меньше, чем при насыщении аскангеля ионом натрия.
Как показывают приведенные данные, количество незамерзшей воды, даже в области практически замерзшего состояния отлича ется от того, насыщен ли поглощающий комплекс аскангеля натри ем или железом. Для малодисперсного каолина насыщение погло щающего комплекса ионами натрия или кальция практически не сказывается на содержании незамерзшей воды.
Влияние водорастворимых соединений в грунтах проявляется как понижением температуры их замерзания, так и уменьшением толщины водных оболочек коллоидных частиц грунтов и зависит от состава воднорастворимых соединений.
Сложность процессов фазовых превращений воды в грунтах обусловлена как сложностью состава и строения дисперсных грун тов, так и особенностями структуры пленочной воды и льда.
§5. О динамическом равновесии незамерзшей воды и льда
вмерзлых грунтах
Механические свойства мерзлых грунтов начали изучать еще в тридцатых годах XX в., но общей теории, которая объяснила бы, отчего происходят те или иные изменения механических свойств мерзлых грунтов и каково влияние внешних воздействий (темпера туры, давления и пр.) на них, до 1945 г. (когда был сформулирован принцип динамического равновесия воды и льда в мерзлых грун тах) * предложено не было. До этого времени считалось обычно, что сильные морозы «сковывают» сильнее мерзлую почву и лед, но в чем заключалось это сковывание, было неясно. Считали также, что заморозить что-либо означает — получить материал как бы за каменевший, не изменяющийся очень длительное время при обыч ных изменениях температуры, давления и пр.
Однако изучение свойств мерзлых грунтов показало, что они чрезвычайно чувствительны к изменениям отрицательных темпе ратур и резко скачкообразно меняются при оттаивании. Эти изме нения настолько велики, что с ними совершенно необходимо счи таться в практических целях.
Так, например, по нашим опытам, приращение временного сопро тивления сжатию на 1°С для мерзлой глины равнялось: 9,6 кГ/см2 в интервале от —0,3 до —1,0° С; 4,5 кГ/см2— от —1,0 до —5° С и 3,8 кГ/см2 — от —5 до —10° С. Точно такая же картина наблюдает ся и для супеси, где в зависимости от интервала температур вре менное сопротивление сжатию при изменении температуры на 1°С менялось от 16,0 до 4,8 кГ/см2.
* Н. А. Ц ы т о в и ч. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грун тах. Изд-во АН СССР. Серия географическая и геофизическая, № 5—6, т. IX, 1945.