Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

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-механических процессов, могущих существенно влиять на прочность и устойчивость фундаментов сооружений.

Для областей распространения вечномерзлых грунтов деятельный слой будет определяться не глубиной максимального промерзания грунтов, а глубиной их максимального протаивания. Под последним понимается глубина полного оттаивания льда, содержащегося 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 нулевой температуры в мерзлый грунт.

Глубина оттаивания может быть определена теплотехническим расчетом или приближенно по картам изолиний сезонного оттаивания грунтов (рис. 17 и 18) *, где даны глубины оттаивания, близкие к максимальным, для песчаных грунтов при влажности (в долях единицы) Wc = 0,05 и для глинистых-при Wc = 0,l5. При большей влажности глубина протаивания будет меньше, что определяется по графикам рис. 17 и 18, умножая глубину оттаивания на К-ю = Нс)-

Для районов вечномерзлых грунтов, как отмечалось ранее, глубина 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 протаива-ние грунтов (особенно дисперсных глинистых) представляют собой сложнейшие физические процессы фазового изменения воды в мерзлых грунтах, существенно влияющие на свойства замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов, что требует особого, более детального их рассмотрения в последующем изложении.

§ 4. Характерные области фазовых превращений воды в лед и содержание 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 сооружений на вечномерзлых грунтах». НИИОСП. Стройиздат, 1969.

2* .5

ровая вода переходит в лед, а лишь часть ее. При дальнейшем же понижении отрицательной температуры фазовые превраиления воды продолжаются, но все с меньшей интенсивностью, причем количество замерзающей воды будет зависеть как от величины отрицательной температуры (основной фактор), так и от удельной поверхности минеральных частиц, состава поглощенных катионов, давления и пр.

Понижение температуры замерзания поровой воды происходит, как указывалось ранее, вследствие противоположного действия сил притяжения к зоне прочносвязанной воды и воды переменного фазового состава, так как между последними (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 содержания незамерзшей воды от величины отрицательной температуры, произведенные, главным образом, в лаборатории механики мерзлых грунтов Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР под руководством автора, дают возможность выделить три основные области фазовых переходов воды в мерзлых грунтах*:

1) область значительных фазовых преврашений, в которой изменения количества незамерзшей воды Wyl на 1°С составляет 17о и более (по отношению к весу высушенного грунта);

2) область переходную, где изме-

Рис. 19. Кривые содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах в зависимости от величины отрицательной температуры:

I - кварцевый песок; 2 - супесь: 5 - суглинок; 4 - глина; 5 - глина, содержащая монтмориллонит

нения содержания незамерзшей воды менее 17о, но более 0,1%; 3) область практически замерзшего состояния, где фазовые превращения воды в лед на ГС не превышает 0,1 %.

В области значительных фазовых превращений воды в замерзающих грунтах, т. е. в начальной области кривых зависимости содержания незамерзшей воды от величины их отрицательной температуры -6° (рис. 19), замерзает вся свободная вода (в крупных 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. Цытович. 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 полностью переходит в лед).

Опыты по калориметрическому определению содержания неза-мезшей воды в мерзлых грунтах также показали, что для каждого вида грунта имеется своя характерная кривая содержания незамерзшей воды, т. е. кривая зависимости содержания незамерзшей воды от величины отрицательной температуры грунта -0° (см. рис. 19 и табл. 2), имеющая такое же значение для оценки физических и механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов, какое для немерзлых грунтов имеет компрессионная кривая.

Таблица 2

Содержание незамерзшей воды в незаселенных грунтах в зависимости от величины отрицательной температуры*

* По опытам 3. А. Нерсесовой (см. И. А. Ц ы т о в и ч, 3. А. И е р с е с о в а «О физических явлениях и процессах в промерзающих, мерзлых и протаивающих грунтах». Сб. 3 «Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов». Под ред. И. 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 большую удельную поверхность минеральных частиц, а следовательно, обладают большей способностью связывать норовую воду.

По исследованиям в МГУ (Т. А. Литвиновой), содержание незамерзшей воды в очень дисперсных грунтах зависит не только от их пористости, но и от микропористости грунтов (внутренней пористости их минеральных частиц).

Как показали детальные исследования 3. А. Нерсесовой содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах с помощью чувствительного 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.