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

ленные составляющие находятся во взаимной связи друг с другом, зависящей как от свойств отдельных фаз, так и от интенсивности внешних воздействий.

Диффузионная одолочка

Ста связанной 6одь1£Гг ,уу. / / .ах: / (граничная (раза) iiVtJ77> )\ Yn / / /

Минеральная частица

ЗлетричесниеХ потенциалы \

нинеюическиа

\Осмотичесмая

Рыхмо -сдязанная

Рис. 13. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральной частицы с водой: / - минеральная частица; 2 ~ вода связанная; 5 - вода рыхлосвязанная (осмотическая)

§ 2. Основные компоненты мерзлых грунтов

Основными компонентами мерзлых грунтов следует считать: твердые минеральные частицы, вязко-пластичные включения льда, жидкую (незамерзшую и прочносвязанную) воду и газообразные включения (пары и газы).

Твердые минеральные частицы мерзлых грунтов оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов, которые зависят как от размеров и формы минеральных частиц, так и от физико-химической природы их поверхности, определяемой, главным образом, минералогическим составом частиц и составом поглощенных ими катионов.

Мерзлые грунты по гранулометрическому (зерновому) составу классифицируются так же, как и грунты немерзлые (СНиП П-Б. 1-62) *, т. е. мерзлые грунты различают: крупнообломочные, песчаные и глинистые (глина, суглинки, супеси).

Однако, кроме размеров минеральных зерен, на свойства мерзлых грунтов существенное влияние оказывает и форма твердых минеральных частиц. От формы твердых зерен зависит величина местных усилий, передаваемых на мерзлый грунт от внешней нагрузки. Например, при плоской форме минеральных частиц, что наблюдается иногда у слюдистых песков **, внешнее давление в точках контакта частиц почти не трансформируется, тогда как при остроугольной форме (горные пески) оно может достигать огромной величины. Так, в примере, приведенном в нашей книге (см. Цытович Н. А. и Сумгин М. И. «Основания механики мерзлых грунтов», Изд-во АН СССР, 1937), усилия по контакту круглого кварцевого зерна диаметром в 1 мм с плоской прослойкой льда (при значении модуля упругости для кварца 3*10 кГ/см, а подстилающей прослойки льда 3*10 кГ/см), рассчитанные по известным из. теории упругости формулам Герца, при внешнем давлении в 2 кГ/см равнялись примерно 1170 кГ/см; в случае же соприкасания двух твердых минеральных зерен того же диаметра (1 мм), как показывает расчет, усилия будут в несколько раз больше. Такие давления могут иметь место лишь в упругой стадии деформаций (например, при кратковременных нагрузках), с течением же времени, вследствие ползучести соприкасающихся материалов и особенно прослойков льда, которые «текут» даже при весьма малых давлениях, площадь контактов увеличится, а усилия в них уменьшатся. Однако возникновение значительных давлений между минеральными частицами и льдом и в точках контакта между минеральными частицами несомненно сказываются на свойствах мерзлых грунтов, в частности, на содержании в них незамерзшей воды (так как лед тает под давлением даже весьма незначительной величины), на изменении структуры мерзлых грунтов, увеличении трения между частицами, что в свою очередь увеличивает их сопротивление сдвигу и т. п.

Дисперсность минеральных частиц грунтов также влияет на свойства мерзлых грунтов, главным образом, в направлении протекания в них физико-химических поверхностных явлений, интенсивность которых зависит и от удельной поверхности частиц, зависящих в свою очередь от минералогического состава грунтов. Например, частицы каолиновой глины имеют удельную поверхность порядка 10 м/г, а монтмориллонитовой - до 800 м/г, т. е. в 1 г

* Разница с немерзлыми грунтами заключается лишь в том, что в случае мерзлых грунтов, содержащих частицы размером от 0,05 до 0,005 мм (пылеватых) более 50%, к обычному названию грунта добавляется слово «пылеватый».

** Автор наблюдал в шурфах при строительных работах в районе Забай-калья (пос. Тарбагатай) сухие пески, состоящие почти исключительно из мелких слюдяных пластинок, обусловивших свойства этих песков (сжимаемость, сопротивление* сдвигу и др.), близкие к свойствам пластичных глин.

дисперсного грунта удельная поверхность его частиц может измеряться от нескольких квадратных метров до нескольких сотен и даже тысяч квадратных метров.. Одни минералы (например, кварц, полевой шпат и некоторые другие) менее активно взаимодействуют с поровой водой, другие (монтмориллонит, оттапульгит и др.) - значительно сильнее, причем меняется и характер взаимодействия, так как от минералогического состава и неоднородности поверхности грунтовых частиц зависит число центров взаимодействия их с окружающей средой.

Роль минеральной части грунтов обусловливается огромной энергией химических связей поверхности минеральных частиц с окружающей их средой, например, с поровой водой и внутрипоро-вым льдом.

Лед, являясь обязательной компонентой мерзлых грунтов, в оротивоположность твердым частицам грунтов, представляет мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами, резко отличными от других горных пород. Мерзлые грунты могут содержать и другие крио-гидратные минералы (минералы, существующие только при отрицательных температурах), как-то: углекислый натрий (ЫагСОз -с температурой замерзания - 2,ГС), хлористый магний {MgCb - с температурой замерзания - 3,9° С) и др.

Льдом называют все твердые модификации воды независимо от их кристаллического или аморфного состояния.

В настоящее время различают одну аморфную модификацию льда (образующуюся при быстром, очень низком - «глубоком» замораживании), три модификации льда (I, II, III), существующие при отрицательных температурах и соответствующих давлениях, и модификации льда (кристаллической воды), образующегося при давлениях в несколько десятков тысяч атмосфер, которые могут существовать не только при отрицательных, но и при положительных температурах.

По опытам Таммана (излагаем по монографии Б. П. Вайнберга «Лед», Гостехтеориздат, 1940), при понижении температуры льда й повышении давления до 2200 ат обыкновенный кристаллический лед I переходит в лед II (который тяжелее воды), а при давлении в 2236 ат и температуре -34 и -64°С -в лед III, причем переходы эти происходят с резким изменением объема и поглощением громадных количеств тепла.

При обычных давлениях и не очень низких температурах (по крайней мере, до температуры порядка -100° С) существует наиболее распространенная в природе модификация льда - обычный лед I.

Лед I является важнейшей компонентой мерзлых грунтов; .его весьма своеобразные свойства в большой мере обусловливают и механические свойства мерзлых грунтов. Лед I - кристаллическое тело гексагональной системы обладает резко выраженной анизотропией свойств: он имеет максимальную вязко-пластичную деформацию в направлении, перпендикулярном главной оптической оси,