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

влажности в промерзающих грунтах, в свете принципа миграции, получает свое ясное физическое объяснение, так как при промерзании все время нарушается равновесное состояние фаз. Постоянно наблюдаемая миграция )Воды в дисперсных грунтах к фронту промерзания (или к поверхностям охлаждения и промерзания), согласно только что сформулированному принципу, также становится совершенно понятной, так как для мест с более низкой температурой грунта будут меньше упругость пара, больше адсорбционные силы скелета грунта и кристаллизационные силы льда, меньше подвижность молекул ВОДЫ в пленках, т. е. будут существовать градиенты различных молекулярных сил по направлению к источнику холода, которые и обусловливают миграцию жидкой фазы воды в этом направлении. Совершенно ясным становится факт избыточного льдовыделения только в гидрофильных увлажненных грунтах при их промерзании, поскольку они имеют адсорбированные пленки воды.

Соотношение между скоростью миграции и скоростью охлаждения определяет количество и мощность ледяных прослойков в грунтах, промерзающих с подтоком воды извне. Чем больше задерживается температура льдообразования на данном уровне, тем более мощные ледяные прослойки возникают здесь, так как для роста кристаллов льда успевает подтягиваться достаточное количество воды.

Наконец, миграция воды в мерзлых грунтах, возможная лишь вследствие наличия в них незамерзшей воды, удерживаемой адсорбционными силами поверхности минеральных частиц грунта и льда, подчиняется тем же законам движения пленочной воды, которые установлены для грунтов, имеющих положительную температуру, но имеет и свои особенности ввиду дополнительного действия кристаллизационных сил льда; однако в этом случае процесс миграции пленочной воды будет весьма медленным.

В заключение отметим, что мы считаем принцип миграции основной закономерностью, которой должны руководствоваться при изучении физико-механических процессов в промерзающих грунтах.

Что касается некоторых явлений, не отмеченных общей формулировкой принципа миграции, то мы полагаем, что они могут дать некоторые поправки второго порядка значимости и не изменят основной закономерности, достаточно полно охватывающей процесс миграции влаги в промерзающих и мерзлых грунтах.

§ 5. Прогноз миграции влаги и пучения в промерзающих грунтах

Сформулированный принцип миграции и конкретные приложения его к расчету льдонакопления в промерзающих грунтах позволяют в настоящее время количественно учесть увеличение влагосо-держания в промерзающих грунтах и вызванное им морозное {криогенное) пучение грунтов. Под последним понимается местное увеличение объема грунтов (как правило, неравномерное) вследствие замерзания содержащейся в них и подтянутой в процессе миграции влаги.

Для Определения дебита миграции в настоящее время имеется два ocHoiHbix способа: первый - чисто эмпирический и второй - теоретический.

Как пример первого способа приведем эмпирическую формулу проф. Н. В. Орнатского* для прогноза сезонного влагонаконления: прирост весовой влажности ISW грунта за время промерзания его t определяется выражением

LW=anl (II.2)

где /q"-средний за зиму температурный градиент в степени «п»; / - время в месяцах; ао -коэффициент, характеризующий гидрогеологические условия пучинистого участка.

Базируясь на наблюдениях пучинных станций МПС, Н. В. Орнат-ский рекомендует принимать среднее значение показателя степени niloVi значение гидрогеологического коэффициента при залегании уровня грунтовых вод глубже 1,5 ж ао = 0,5 и при высоком их стоянии (меньше 1,5 ж от уровня земли) ао= 1.

Характеристика пучинистости при этом выражается следующим соотношением:

Wo-Vo.,lft-W„>Q, (П.З)

где Wo - средняя начальная влажность промерзающего слоя грунта; IFn -влажность, теоретически соответствующая полному заполнению нор грунта водой (без учета набухания грунта).

По Орнатскому, любой грунт становится пучинистым при некоторой критической влажности, равной

W,>W„~a,lft. (II.4)

Конечно, приведенные зависимости могут отвечать действитель ности только в том случае, если опытным путем (на пучинных станциях) определены численные значения, входящих в них коэффициентов для определенных природных грунтовых, климатических и гидрогеологических условий.

По второму способу определения криогенного накопления влаги в промерзающих грунтах имеем целый ряд теоретических предложений, базирующихся в известной мере на исходных экспериментальных данных, в общем в той или иной степени оправдываемых наблюдениями в натуре.

Отметим главнейшие из предложенных аналитических зависимостей и более подробно остановимся на новейших более строгих в теоретическом смысле решениях.

Исходя из принципа миграции в самом общем виде можно записать следующее схематическое выражение:

*Н. в. Орнатский. Проектирование противопучинистых мероприятий. Сб. ДОРНИИ «Регулирование водяного режима». Дориздат, 1946.

т. е. количество воды, обусловленное криогенной мигра1цией, является некоторой функцией движущих градиентов. I

В выражении (II.5) приняты следующие обозначения;

IJMHT - количество мигрирующей воды; h,w,P - дв11жущий градиент (9 -температура, град; W -влажность; g -химический потенциал; р - величина внешнего давления).

Если известна скорость миграции влаги Умиг, то величина пучения при промерзании грунта (увеличение высоты слоя промерзшего грунта) Ниуч будет определяться выражением

V = «cTcKS*o + (l+a) JlMHrrf, (II.6)

где а-коэффициент объемного расширения воды при замерзании; Wc - суммарная весовая влажность промерзшего слоя грунта; YcK- объемный вес скелета грунта; g - глубина промерзания; h - относительная льдистость промерзшего слоя грунта, определяемая по содержанию незамерзшей воды; / - время миграции. Так как дебит миграции Qt на единицу площади равен

Q.fMHr, (И.7)

то выражение (II.6) может быть представлено в виде

М. Н. Гольдштейн *, приняв за обобщенную силу миграции «давление всасывания» Us и допуская справедливость для процесса миграции закона Дарси, получил следующее значение для единичного дебита миграции Qf.

где Us - «давление всасывания», экспериментально определяемое как давление, полностью поглощающее избыточное льдовыделение в грунте; k - коэффициент фильтрации; р - внешнее равномерно распределенное давление; у - объемный вес промерзшего слоя грунта; ув - объемный вес воды; Н - расстояние до уровня грунтовых вод (см. рис. 30); / - время миграции.

Отметим, что применение формулы (11.70 для вычисления дебита миграции, а по нему и величины пучения грунтов при промерзании осложняется необходимостью иметь данные о величине давления всасывания Us, которая является сложной функцией адсорбци-онно-кристаллизационных сил, зависит от ряда факторов (состава грунта, скорости и глубины промерзания, вязкости поровой жидкости и пр.) и в настоящее время не может быть достаточно точно оп-

* 1. М. Н. Гольдштейн. О миграции влаги в грунтах. Сб. НИИ НКПС «Исследование работы грунта в ж.-д. сооружениях». Изд-во НКПС, 1940.

2. М. Н. Гольдштейн. Деформации земляного полотна в основании сооружений при промерзании и оттаивании. Трансжелдориздат, 1948.