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

даемым явлениям, но расчетная теория, которая в общем случае давала бы количественно верные результаты, пока не разработана.

Осветим весьма кратко основные теории миграции влаги при промерзании грунтов и наметим хотя бы ориентировочно (если это окажется возможным) области их применимости.

Следует указать, что подробно теории миграции изложены в цитируемой в настоящем параграфе литературе *, поэтому нет необходимости их детально излагать.

Одной из первых в России была предложена «капиллярная теория пор замерзания» (В. И. Штукенберг, 1885 г.), согласно которой впервые было принято, что причиной морозного пучения грунтов является миграция влаги к фронту промерзания вследствие подъема воды по капиллярам, образованным трещинами и «порами замерзания». Однако возникновение «пор замерзания», а также капиллярных менисков на границе промерзания не было подтверждено опытами, и эта теория не получила дальнейшего развития.

К. О. Никифоровым (1912 г.), М. И. Сумгиным (1929 г.) и др. на основании наблюдений за процессами бугрообразования в условиях вечномерзлых грунтов была предложена «теория напорных давлений», которая по современным воззрениям применима лишь для случая промерзания водонасыщенных грунтов в закрытых (замкнутых) системах.

В двадцатых годах XX в. была разработана очень важная теория пленочной миграции воды во влажных дисперсных грунтах (А. Ф. Лебедев, 1919 г., Г. Бесков, 1935 г. и др.), применимая как к немерзлым, так с известными дополнениями и к промерзающим дисперсным грунтам.

Для объяснения процессов, возникающих при кристаллизации льда в замерзающих грунтах, была предложена «теория сил кристаллизации». (Буюкос, 1923 г., Тебер, 1929 г. и др.), которая дополняет теорию пленочной миграции для случая промерзающих грунтов, но не дает объяснения миграции воды в грунтах при положительных температурах и не является, таким образом, общей теорией.

Теории пленочной миграции влаги в промерзающих грунтах близка «теория осмотических давлений» (М. Н. Гольдштейн, 1948 г.), которая, однако, как показано А. П. Боженовой**, лишь в незначительной мере определяет механизм миграции влаги в промерзающих грунтах, так как ощутимые результаты осмоса наблюдаются лишь при значительной концентрации раствора солей в поровой воде.

В последние десятилетия довольно широкое признание получила обобщенная «теория сил всасывания» (Р. Рюкли, 1943 г., Н. А. Пузаков, 1960 г. и др.), в -которой силы всасывания принимаются как некоторый расчетный эквивалент суммарного действия сил миграции, но не рассматривается природа последних.

* См., например, монографию В. О. Орлова. Изд-во АН СССР, 1962 и др. ** А. П. Боженова. Значение осмотических сил в процессе миграции влаги. Материалы по лабораторным исследованиям, сб. № 3. Изд-во АН СССР, 1957.

Отметим, что были предложены и другие теории миграции влаги в промерзающих грунтах, базирующиеся на иных предпосылках: теория химического потенциала (И. А. Тютюнов, 1959 г. и др.), согласно которой миграция воды в промерзающих грунтах является функцией свободной энергии поверхности минеральных частиц или их изобарного потенциала; молекулярно-кинетическая теория, в основу которой положены представления о структурных особенностях воды в тонких пленках и капиллярах (А. А. Ананян, 1959 г.); теория адсорбционных давлений полностью водонасыщенных грунтов с использованием эмпирического уравнения Таммана - Бридж-мена между давлением и температурой плавления льда (X. Р. Хакимов, 1957 г.); теория порового вакуума в промерзающих грунтах (С. И. Танеев, 1956 г.) и др.

В настоящее время наиболее распространенной является ад-сорбционно-пленочная теория, основанная на совокупном действии нескольких процессов (Бесков, 1936 г.; А. П. Боженова, 1957 г.; В. О. Орлов, 1962 г.; Юмикис, Хекстра, 1960 г. и др.). Согласно современным +представлениям, особенности ,воды в пленках различной толщины, обусловленные воздействием активных центров поверхности минеральных частиц, вызывают движение воды из толстых пленок с более подвижными молекулами к тонким пленкам.

Наконец, в последнее время довольно широкое применение начинают приобретать феноменологические теории миграции влаги в грунтах, базирующиеся на математически строгом дифференциальном уравнении тепло- и массообмена А. В. Лыкова * (работы И. А. Золотаря, 1958 г.; Н. А. Пузакова, 1960 г.; Г. М. Фельдмана, 1963 г.; Н. С. Иванова, 1969 г. и др.).

Отметим, что И. А. Золотарь впервые решил задачу влагопроводности в промерзающих грунтах с учетом заданного закона движения фронта промерзания при глубоком залегании грунтовых вод.

Н. А. Пузаков ** при разработке расчета накопления влаги в промерзающих грунтах принял, что градиент давления в связанной воде прямо пропорционален градиенту содержания незамерзшей воды, который в свою очередь пропорционален величине отрицательной температуры, и на основе сделанных предпосылок о суммарном действии адсорбционно-кристаллизационных, диффузных и расклинивающих сил определил «расчетную всасывающую силу», а по ней и приток воды в промерзающий слой грунта. Следует, однако, заметить, что методика определения некоторых характеристик для зоны фазовых превращений воды, например коэффициента влагопроводности, в настоящее время недостаточно разработана, что затрудняет использование полученных решений.

Г. М. Фельдман *** решил задачу о миграции влаги в промерзаю-

* См. сноски * 2 и 3 на стр. 50. ** Н. А. Пузаков. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. Автотрансиздат, 1960.

*** Г. М. Ф е л ь д м а н. Миграция влаги в грунтах при промерзании. В книге «Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов*. Изд-во «Наука», 1964.

щих грунтах на основе теории тепло- и массопроводности А. В. Лыкова для условий ритмического движения фронта промерзания (что соответствует явлениям промерзания, наблюдаемым в природных условиях, например опытам Р. Мартина, А. М. Пчелинцева и др.) и, введя некоторые упрощения (согласно произведенной оценке их значимости), не вносящие, однако, недопустимых погрешностей, довел расчеты для нескольких наиболее важных для практики случаев до числовых величин, сравнение которых с результатами наблюдений в натуре дает вполне сопоставимые результаты.

Из изложенной несьма краткой характеристики основных теорий миграции влаги в промерзающих грунтах вытекает, что процесс миграции воды в грунтах является весьма и весьма сложным природным явлением, обладающим в известной мере большой общностью, отдельные стороны которого уже с успехом описываются теми или иными полученными зависимостями, но интегральная теория миграции влаги в промерзающих грунтах в общем виде еще не разработана. Поэтому в следующем параграфе рассмотрены результаты непосредственных измерений перераспределения влажности в промерзающих и мерзлых грунтах и специальных опытов по изучению ее миграции при промерзании грунтов.

§ 2. О распределении влажности в промерзающих грунтах

Исследования распределения влажности в промерзающих грунтах в различные промежутки времени от начала замерзания были впервые поставлены еще в конце XIX в. русскими агро-почвоведа-ми. Так, Г. Я. Близнин * приводит экспериментальные данные о перераспределении влажности в почве до глубины ПО и констатирует, что за месяц (с 27/1 по 28/П) влажность в верхних горизонтах почвы увеличилась на 1,9-117о, а в нижних слоях уменьшилась на 0,3-1,67о.

Ф. В. Чириков и А. Малюгин **, наблюдая распределение влажности в почве в процессе замерзания и оттаивания, установили, что на глубине О-5 см влажность увеличивалась почти в 2 раза, а на глубине 5-10 см - в 1,5 раза по сравнению с начальной влажностью (до начала замерзания); при этом они считали, что передвижение влаги из более глубоких горизонтов происходило в парообразном состоянии. Таким образом, уже в начальный период исследования была зафиксирована миграция влаги в промерзающей почве к поверхности промерзания. Однако в 1927 г. Н. А. Ка-чинский*** на основании своих полевых наблюдений утверждал, что влажность при замерзании фиксируется морозом. Он пишет:

* Г. Я. Близнин. Влажность почвы по наблюдениям Елисаветградской метеорологической станции 1887-1889 гг. СПб. 1890.

**Ф. В. Чириков и А. Малюгин. Ход влажности в подзолистой почве при замерзании и оттаивании. «Научно-агрономический журнал», № 1, 1926.

*** Н. А. Качинский. Замерзание, размерзание и влажность почвы. Труды Института почвоведения МГУ, 1927.