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

нарушении их равновесного состояния (А. Ф. Лебедев, Н. А. Цытович, И. А. Тютюнов и др.).

Миграция воды в промерзающих грунтах происходит под влиянием различных сил, которые определяют нреимущественное значение того или иного механизма переноса влаги. На основании вышеизложенных данных перечислим главнейшие из них, отметив область их преимущественного действия. Такими силами мы считаем:

1) силы упругости водяного пара (имеют преимущественное значение в маловажных грунтах);

2) капиллярные силы поровой воды (являются вторичным эффектом действия адсорбционных сил и в процессе миграции воды в промерзающих грунтах, не имея самостоятельного значения, обусловливают капиллярно-пленочный механизм при досягаемой глубине залегания грунтовых вод, меньшей глубины максимального капиллярного поднятия);

3) внешнее и внутреннее давление, включая вакуум (вызывает напорное движение грунтовых вод, обусловливающее при соответствующих условиях значительное пучение грунтов и бугрообразо-вание);

4) осмотические силы (имеют преимущественное значение и определяют процесс миграции лишь при значительном количестве в поровой воде растворенных веществ);

5) силы кристаллизации льда (имеют существенное значение в процессе льдовыделения и накопления льда у фронта промерзания, присоединяя к образовавшимся ледяным телам все новые и новые количества поступающей при миграции порций воды, значительно усиливая процесс адсорбционно-пленочного механизма миграции);

6) адсорбционные силы органо-минерального скелета грунта и льда, возникающие под действием свободной поверхностной энергии минеральных частиц, имеют первостепенное значение для любых промерзающих дисперсных грунтов и в зависимости от природы обменных катионов и капиллярных свойств грунта обусловливают лнтенсивность миграции и величину морозного пучения.

Силы миграции только тогда вызывают движение поровой воды в промерзающих грунтах, когда нарушается равновесие фаз и создаются условия возникновения различных градиентов: влажности, температуры, адсорбционно-пленочных, осмотических и других давлений и, наконец, изобарного потенциала свободной энергии минеральных частиц.

В самом общем случае величина миграционного потока воды миг может быть записана в следующем виде*:

мйг=-gradF, (ПЛ)

где А - коэффициент пропорциональности, характеризующий удельное сопротивление грунтовой системы продвижению влаги; F - обобщенная движущая сила.

* См. например, «Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов». Коллектив авторов под ред. Г. В. Порхаева. Изд-во «Наука», 1964.

Общее уравнение (II.1) определяет поток миграционной воды по градиенту обобщенной силы, которому прямо пропорциональна величина миграционного потока.

За обобщенную силу можно принять любую из перечисленных выше сил миграции. В каких случаях, какую следует принимать обобщенную или частную силу миграции, должно быть установлено чисто экспериментальным путем. В настоящее время наибольшее применение в выборе обобщенной силы миграции F получили четыре концепции.

Согласно первой концепции, за обобщенную силу миграции принимают так называемую силу всасывания грунтов (Р. Рюкли, М. Н. Гольдштейн*, Н. А. Пузаков** и др.)» обусловленную совокупностью действия ряда молекулярных воздействий и определяемую чисто экспериментальным путем. По этой концепции величина миграционного потока зависит от разности между «силой всасывания» и давлением, вызываемым нагрузкой и растущими кристаллами льда (Г. Бесков, 1935 г.; М. Н. Гольдштейн, 1947 г.; Н. А. Пузаков, 1948 г.; Б. И. Далматов, 1957 г. и др.). Первая концепция нашла применение, главным образом, в дорожном строительстве.

По второй концепции - термодинамической, за обобщенную движущую силу миграции, базируясь на теории тепло- и массообмена в капиллярно-пористых коллоидных средах (А. В. Лыков, 1954.; И. А. Пузаков, 1948 г.; И. А. Золотарь, 1958 г.; Н. С. Иванов, 1969 г. и Г. М. Фельдман***, 1964 г.) принимают потенциал массопереноса пленочной влаги. Разработанные на основе второй концепции расчеты льдонакопления и пучения в промерзающих грунтах находят применение в дорожном, гражданском и промышленном строительстве.

Согласно третьей концепции - физико-химической, за основную движущую силу миграции (по исследованиям И. А. Тютюнова, 3. А. Нерсесовой**** и др.) принимается изобарный потенциал съо-бодной энергии минеральных частиц или тонких пленок воды, обволакивающих частицы грунта, зависящий, главным образом, от дисперсности грунтов, емкости поглощения и состава обменных оснований. Последняя концепция применяется в настоящее время в практике разработки физико-химических методов борьбы с миграцией влаги и морозным пучением грунтов.

Четвертая концепция - основной движущей силой миграции считают подвижность молекул воды и структурные особенности ноды в тонких пленках (А. А. Ананян) *****.

*М. Н. Гольдштейн. О явлении всасывания как причине пучения грунтов. «Вестник инженера и техника», 1949, № 4.

** Н. А. Пузаков. Теоретические основы накопления влаги в дорожном полотне и их практическое применение. Дориздат, 1948. *** См. сноску * на стр. 71. **** См. сноски на стр. 66.

***** А. А. Ананян. «Доклады высшей школы», 1959, № 2.

§ 4. Принцип миграции

На основани вышеизложенного, учитывая экспериментально установленные Воздействия на процесс миграции различных факторов и предложения теоретических их объяснений с предпосылками количественных определений, приходим к онределенному общему выводу, а именно, что все движущие силы миграции являются функцией электромолекулярных сил грунтов. Механизм миграции воды при промерзании различных грунтов может быть весьма различным (что, вообще говоря, зависит от многих факторов), но в конце концов он сводится во всех случаях к действию молекулярных адсорбционно-пленочных, пленочно-кристаллизационных и подобных им молекулярных сил поверхности минеральных частиц грунта и льда.

Ранее (1950-1952 гг.) * нами была сформулирована общая зависимость, определяющая процесс миграции влаги в промерзающих грунтах, которую мы назвали «принципом миграции», а именно: «миграция воды в промерзающих влажных грунтах есть результат действия молекулярных сил (упругости, адсорбции, осмотических давлений, напряжений)».., причем при оценке движущих сил миграции особое значение придавалось температурным градиентам, обусловливающим неравновесное состояние фаз грунта, что остается справедливым и в настоящее время.

В свете важных экспериментальных результатов, полученных за последнее двадцатилетие и кратко описанных выше, формулировка принципа миграции влаги в промерзающих грунтах в настоящее время нами несколько расширена, однако описываемая этим принципом общая закономерность сохраняется.

Мы формулируем принцип миграции влаги в промерзающих грунтах следующим образом: миграция воды в промерзающих влажных грунтах есть процесс переноса влаги, постоянно возни-кающий при всяком нарушении равновесного состояния фаз грунта и изменениях внешних воздействий (наличие, градиентов - температуры, влажности, давления, поверхностной энергии минеральных частиц, подвижности молекул в водных пленках и т. п.).

Эта общая формулировка закономерности, определяющей миграцию влаги в промерзающих грунтах, дает физическое объяснение различным механизмам миграции влаги и включает в себя все основные концепции в определении обобщенных сил миграции. Так, только при нарушении равновесного состояния фаз грунта может начаться процесс миграции влаги, так как для совершенно однородных грунтов в изотермических условиях при отсутствии внешних воздействий миграция* влаги в грунтах не будет иметь места.

Все установленные специальными опытами и полевыми наблюдениями факторы, влияющие на процесс миграции влаги в промерзающих грунтах, вполне удовлетворительно объясняются сформулированным принципом миграции. Так, например, перераспределение