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

грунта практически не зависит от суммарной влажности грунта (конечно, при влажности грунта, большей его молекулярной вла-гоемкости. - Я. Ц.) * и определяется, главным образом, величиной отрицательной его температуры (что подтверждается также исследованиями П. Вильямса **).

Это положение имеет важное практическое приложение, а именно: определив в полевых условиях суммарную влажность грунта и его отрицательную температуру (что является обязательным при •всех инженерно-криологических изысканиях), а в стационарной лаборатории - количество незамерзшей воды по увлажненному образцу того же грунта на!рушен-ной структуры, представляется возможным рассчитать по температуре количество незамерзшей воды и льдистость грунта в условиях его естественного залегания. Последние характеристики необходимы при определении физических свойств и оценке- состояния мерзлых грунтов -в делях возможности использования рекомендаций СНиПа для строительства на вечномерзлых грунтах.

Исследования также показа-0 -1 -2-3-4-5-6 -7-8-9-10-11 вС ли, что в дисперсных глинах, в

которых обменные катионы оказывают существенное влияние на дисперсность, водные свойства и пр., содержание незамерзшей воды при данной отрицательной температуре зависит от насыщения их темп или иными обменными катионами, например, насыщение Na-HOHOM обусловливает наибольшую дисперсность монтмориллонитовой глины (аскангеля) и наибольшее содержание в ней незамерзшей воды. На рис. 20 показаны кривые изменения незамерзшей воды в мономинеральных грунтах при насыщении их обменного комплекса различными катионами: Na, Са и Fe ***.

Следует отметить, что в случае насыщения аскангеля железом (Fe), когда коагуляция и агрегирование выражены в наибольшей

120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 V

Рис. 20. Количество незамерзшей воды в глинах в зависимости от состава обменных катионов и величины отрицательной температуры (-6°):

1 - Са-каолин; 2 - Na-каолин; 3 - Na-аскангель; 4 - Са-аскангель; 5 - Fe-аскангель

* Здесь и далее Н. Ц. - примечание автора. ** С. Т. Цветков а, Н. Л. Братцева и др.. Современное состояние геокриологических исследований за рубежом. Изд. ВСеГИНГЕО, 1966. *** См. сноску * на стр. 37.

степени, а ультрапористость наименьшай, 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 отличается от того, насыщен ли поглощающий комплекс аскангеля натрием или железом. Для малодисперсного каолина насыщение поглощающего 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 грунтов, так и особенностями структуры пленочной воды и льда.

§ 5. О динамическом равновесии незамерзшей воды и льда

в мерзлых 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 (температуры, давления и пр.) на них, до 1945 г. (когда был сформулирован принцип динамического равновесия воды и льда в мерзлых грунтах) * 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 закаменевший, не изменяющийся очень длительное время при обычных изменениях температуры, давления и пр.

Однако изучение свойств мерзлых грунтов показало, что они чрезвычайно чувствительны к изменениям отрицательных температур и резко скачкообразно меняются при оттаивании. Эти изменения настолько велики, что с ними совершенно необходимо считаться в практических целях.

Так, например, по нашим опытам, приращение временного сопротивления сжатию на 1°С для мерзлой глины равнялось: 9,6 кГ/см в интервале от -0,3 до -1,0° С; 4,5 кГ/см -от -1,0 до -5° С и 3,8 кГ/см - от -5 до -10° С. Точно такая же картина наблюдается и для супеси, где в зависимости от интервала температур временное сопротивление сжатию при изменении температуры на 1°С менялось от 16,0 до 4,8 кГ/см.

* Н. А. Ц ы т о в и ч. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грунтах. Изд-во АН СССР. Серия географическая и геофизическая, № 5-6, т. IX, 1945.

при определении сопротивления сжатию мерзлых грунтов автором было получено, что при замораживании образцов мерзлого песка в течение одних суток сопротивление сжатию при -5° С равно 48 кГ/см; при замораживании же в течение трех суток при той же температуре -59 кГ/см и, наконец, при замораживании в течение пяти суток - 64 кГ/см.

Таким образом, и время замораживания, даже при постоянстве температуры, влияет на механические свойства мерзлых грунтов и особенно в начале их промораживания.

Существенным образом на свойства мерзлых грунтов влияет и время действия нагрузки: чем быстрее прикладывается нагрузка, тем сопротивление их больше и наоборот. При медленном загру-жении с выдерживанием до полного затухания деформаций от данной ступени нагрузки сопротивление мерзлых грунтов значительно падает, что подробно будет рассмотрено ниже.

Отметим, что с увеличением внешнего давления жесткость мерзлых грунтов, как показывают соответствующие опыты, уменьшается, что существенно сказывается на величине модуля нормальной упругости мерзлых грунтов.

Из приведенных примеров с очевидностью вытекает, что мерзлые грунты следует рассматривать как материал чрезвычайно чувствительный к изменению внешних воздействий.

Чтобы установить физические причини изменения механических свойств мерзлых грунтов и закономерности, управляющие этими изменениями, необходимо было углубиться в изучение природы мерзлых грунтов и в первую очередь - изменения их льдистости и содержания незамерзшей воды под влиянием температурных и других внешних воздействий.

Некоторое количество воды в жидкой фазе {незамерзшей воды) в любом дисперсном мерзлом грунте всегда содержится даже при очень низких температурах (по крайней мере до -70°С). Всякое изменение количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, как показывают соответствующие опыты, вызывает вполне ощутимые, а иногда и значительные изменения механических свойств мерзлых грунтов. Даже в мерзлых песках, в которых содержится незначительное количество незамерзшей воды, изменение ее под влиянием понижения температуры сказывается на изменении прочностных свойств мерзлого песка.

Дело в том, что незамерзшая вода концентрируется в самых узких щелях, капиллярах и точках контакта минеральных зерен, и всякое изменение ее количества сильно сказывается на сцеплении между минеральными частицами.

Количество же незамерзшей воды, содержащееся в данном мерзлом грунте (а следовательно, и льдистость, и сцементированность частиц льдом), не остается постоянным, а изменяется с изменением внешних воздействий.

Изменения отрицательной температуры и величины внешнего давления особо существенно влияют на количество содержащейся в мерзлом грунте воды в жидкой фазе, а следовательно, и на льдис-