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

а в направлении параллельном - проявление реологических свойств во льду настолько малы, что после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. В то же время под нагрузкой лед, даже при весьма малых напряжениях, всегда имеет вязко-пластические деформации (деформации течения), при этом вязкость льда, как показывают соответствующие опыты, может меняться в зависимости от направления усилий в 100 раз и более. Упругими свойствами лед обладает лишь при мгновенных нагрузках, причем предел упругости льда (по Б. П. Вайнбергу) настолько мал, что область чисто упругих его деформаций не имеет практического значения.

Особым свойством строения льда I является подвижность атомов водорода в его кристаллической решетке, которая беспрерывно изменяется под влиянием внешних воздействий (изменений отрицательной температуры, давления и пр.). При понижении температуры подвижность атомов водорода уменьшается, и лед принимает более упорядоченную (более плотную и более прочную) структуру, а при температуре -78° С кристаллическая решетка льда принимает стабильное состояние (по Савельеву Б. А.); при температуре ниже -70° С лед из гексагональной сингонии переходит в кубическую. С повышением температуры возрастает энергия активизации его молекул и ускоренная их перегруппировка с ослаблением межмолекулярных связей, что существенно сказывается на снижении прочностных свойств льда.

Из изложенного вытекает, что в природных условиях, где всегда имеют место некоторые изменения термодинамических условий (температуры, давления и пр.), свойства льда (его строение, вязкость и пр.) могут значительно изменяться. Эти изменения обусловливают нестабильность свойств как льда, так и мерзлых грунтов при всяком изменении природных условий. Отметим также, что поверхностные электромолекулярные связи льда значительно превосходят молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.

Вода в жидкой фазе в мерзлых и вечномерзлых грунтах - незамерзи1ая вода при обычных отрицательных температурах (по крайней мере до температуры примерно -70° С) всегда содержится в том или ином количестве, как это было на основании теоретических соображений показано еще в 1939 г. * и в дальнейшем полностью подтверждено результатами непосредственных опытов как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Отметим, что неполное замерзание воды в глине наблюдал в лабораторных опытах Е. Юнг в 1932 г., но этому явлению тогда не было уделено должного внимания.

Незамерзшая вода в мерзлых и вечномерзлых грунтах может быть в двух состояниях:

* Н. А. Цытович. Исследование деформаций мерзлых грунтов, т. II докторской диссертации, стр. 45 и др. Ленинград, 1940;

Н. А. Цытович. Строительство в условиях вечной мерзлоты. Тезисы докладов на Конференции СОПС АН СССР. Изд-во АН СССР, 1941.

1) прочносвязанном поверхностью минеральных частиц (с избытком энергии активизации), когда вследствие огромных электромолекулярных сил поверхности вода не может перейти в гексагональную кристаллическую решетку льда даже при очень низких температурах;

2) рыхлосвязанном - вода переменного фазового состава (по Б. Н. Достовалову и В. А. Кудрявцеву * с недостатком энергии активизации), выделяющая тепло кристаллизации при калориметри-ровании и замерзающая при температурах ниже 0°С, причем, чем тоньше будут слои рыхлосвязанной воды, тем больше воздействие поверхности минеральных частиц грунта она будет испытывать и температура замерзания ее будет более низкая. По Достовалову и Кудрявцеву** более правильной будет формулировка: «связанная вода (рыхлосвязанная переменного фазового состава) замерзает при тем более низкой температуре, чем интенсивнее в ней процесс уменьшения связей по сравнению со свободной водой и образования зон повышенной подвижности, вследствие противоположного действия смежных структур». Понижение температуры замерзания рыхлосвязанной воды происходит вследствие того, что между слоем связанной воды и воды свободной возникает слой менее связанной и более подвижной, как бы более «теплой воды», чем свободная вода, требующий больше энергии и более низкой температуры его кристаллизации.

Количество незамерзшей воды в мерзлых и вечномерзлых грунтах уменьшается с понижением отрицательной температуры грунта, причем каждый грунт характеризуется вполне определенной кривой содержания незамерзшей воды.

Определение содержания незамерзшей воды в мерзлых и вечномерзлых грунтах производится по образцам их с помощью чувствительного калориметра, а результаты калориметрирования обрабатываются, учитывая, что только замерзшая вода (лед) при таянии выделяет скрытую теплоту льдообразования (80 кал/г), незамерзшая же вода скрытой теплоты таяния не имеет.

Содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах и ее изменения под влиянием внешних воздействий во многом определяют физико-механические свойства мерзлых и вечномерзлых грунтов и имеют огромное значение в физике и механике мерзлых грунтов.

Газообразными компонентами мерзлых грунтов будут пары воды (при неполном насыщении мерзлого грунта водой и льдом) и газы.

Пары воды в мерзлых грунтах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так-как они, как известно, перемещаются от мест с большей упругостью (определяемой, главным образом, температурой) к местам с меньшей упругостью и в водоненасыщен-ных грунтах могут явиться основной причиной перераспределения

*Б. Н. Достовалов, В. А. Кудрявцев. Общее мерзлотоведение. Изд-во МГУ, 1967 Там же.

влажности в процессе изменения их температуры и замерзания грунтов.

Что касается газов, то их роль в мерзлых грунтах сводится лишь к образованию пористости грунтов и в условиях наличия замкнутых газовых вакуолей - к увеличению упругости.

Все перечисленные в настоящем параграфе отдельные компоненты-твердые минеральные частицы, лед, незамерзшая и прочно-связанная вода, пары и газы, обладая своими специфическими свойствами, в мерзлых грунтах находятся во взаимодействии друг с другом, обусловленным в первую очередь силовым полем поверхности минеральных частиц и льда с водой различных состояний, интенсивность которых зависит от удельной поверхности и физико-химической природы твердых компонентов грунтов и состава их обменных катионов, а также от влияния внешних воздействий (температуры, давления и пр.).

§ 3. Особенности замерзания поровой воды в грунтах

Замерзание поровой воды в грунтах имеет свои особенности, обусловленные взаимодействием воды с поверхностью минеральных частиц грунта, а также наличием того или иного количества растворенных в воде солей.

Свободная не связанная вода при нормальном атмосферном давлении, как известно, имеет температуру замерзания 0°С, но поровая вода, находящаяся в силовом поле поверхности минеральных частиц, особенно при тонких слоях воды (пленочная вода), будет иметь более низкую температуру замерзания.

Величина температуры замерзания грунтов (т. е. кристаллизации в них поровой воды) имеет важное значение для определения глубины промерзания и протаивания грунтов, т. е. установления зоны, в которой в естественных условиях, а также при взаимодействии с сооружениями, происходит ряд существенных физико-механических процессов: морозное выветривание с изменением внутренних связей грунтов, трещинообразование, морозное пучение и пр. и пр. Вследствие последних причин слои ежегодного промерзания и протаивания являются ненадежными как основание сооружений, и глубину промерзания грунтов надлежит рассматривать как один из важнейших параметров, определяющих заложение фундаментов сооружений (вне области вечномерзлых грунтов).

Различные грунты имеют разную температуру замерзания (от -О до -2,5°С и несколько ниже), под которой понимают устойчивую температуру замерзания поровой воды (после температурного скачка, если имело место переохлаждение воды), что сопровождается увеличением объема грунта, льдовыделением, смерзаемостью его части и пр.

Рассмотрим процесс понижения температуры грунта до начала кристаллизации в нем поровой воды, процесс промерзания грунта и дальнейшее усиление промерзания и охлаждения мерзлого грунта.