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

Следует заметить, что процесс промерзания грунтов зависит также от внешних условий: величины отрицательной температуры скорости ее понижения и пр. Так, например, автором в опытах с ту-гопластичными глинами (кинельского яруса) было установлено, что их промерзание и морозное пучение начинается лишь при определенном начальном градиенте (А95 град!см), который преодолевает внутреннее сопротивление миграции воды при продвижении ее к фронту промерзания.

Температура замерзания различных грунтов нарушенной структуры в лабораторных условиях подробно исследовалась П. И. Андриановым *, который показал, что при охлаждении образца грунта со всех сторон (грунт замо- .о раживался -в пробирке, погруженной в сосуд Дюара, наполненный замораживающей смесью) вначале наблюдается переохлаждение-6°, затем резкое повышение температуры - скачок (рис. 14) вследствие выделения скрытой теплоты льдообразования, наконец, после достижения температурой некоторой величины (температуры замерзания) происходит замораживание всего образца. Высшая и наиболее устойчивая температура

ном скачке, соответствует (по П. И. Андрианову) замерзания грунта.

Для различных по механическому составу грунтов, имеющих примерно одну и ту же влажность (около 20% весовых) при охлаждении их от -4,5 до -7,5° С получена температура замерзания от -0,03 (для грунта с гигроскопичностью в 0,21%) до -1,56°С (при гигроскопичности в 4,62%).

Дальнейшее изучение температуры замерзания грунтов в СССР было поставлено под руководством автора в Центральной лаборатории мерзлотоведения АН СССР А. П. Боженовой **, которая применяла ту же методику исследований, что и П. И. Андрианов, но весь процесс охлаждения и промерзания автоматически записывался на фотобумаге с помощью зеркального гальванометра. Приведем некоторые из полученных кривых охлаждения и замерзания Для характерных типов грунтов.

Рис. 14. Кривая охлаждения грунта

-6°, наблюдаемая при

и замерзания

температур-температуре

* П. И. -Андрианов. Температура замерзания грунтов. СОПС АН СССР, 1936.

** А. П. Боженова. Переохлаждение воды при замерзании в почвах и грунтах. Материалы по лаб. исслед. мерзлых грунтов под рук. Н. А. Цытовича,. сб. 1. Изд-во АН СССР, 1953.

На рис. 15 показана кривая замерзания водонасыщенного люберецкого кварцевого песка. Эту кривую можно рассматривать состоящей из нескольких участков. Первый участок / соответствует процессу охлаждения и переохлаждения образца грунта, т. е. только понижению температуры грунта без льдовыделения.

Как в данном, так и в подобных других случаях, участок кривой охлаждения имеет вогнутость к оси температур. Наибольшая температура переохлаладения в данном опыте оказалась равной 9п= =-3,0° С. Отметим, что температура переохлаждения зависит от условий опыта, главным образом, от общего теплового баланса замораживаемого образца грунта.

Далее, как только в образце грунта начинает замерзать поровая вода, выделяется значительное количество скрытой теплоты льдо-

80 90 t мин

Рис. 15. Кривая охлаждения и замерзания песка (влажность 1=19,6%, температура охлаждающей смеси - 10° С)

образования, и температура грунта резко повышается (участок , на рис. 15). В рассматриваемом случае (водонасыщенный песок) это повышение достигло 0°С (9з0°С). При этой температуре в песках происходит замерзание всей свободной воды, причем время замерзания зависит от влажности песка, интенсивности охлаждения и размеров образца. Опыты также показывают, что температура замерзания, т. е. устойчивая температура, достигаемая при температурном скачке, для всех влажных и водонасыщенных песков близка к 0°С (участок III на кривой рис. 15).

Если продолжать замораживать грунт, то по прошествии некоторого времени температура его начнет понижаться - вначале (для водонасыщенного песка примерно до -0,5--1°С) по криволинейному закону, при этом кривая будет иметь выпуклость (а не вогнутость, как при охлаждении) к оси температур. Последнее показывает, что на рассматриваемом участке еще продолжает выделяться некоторое количество скрытой теплоты льдообразования и замерза-

ет рыхлосвязанная (переменного фазового состава) вода. Однако при температуре ниже -1°С (для рассматриваемого опыта) охлаждение идет по прямолинейному закону (участок IV на кривой рис. 15), т. е. можно считать состояние песка замерзшим, т. е. практически в нем вся вода перешла в лед, а если и осталось некоторое незначительное количество незамерзшей воды, то оно практически уже не сказывается на балансе тепла.

При повышении температуры (участок V на кривой рис. 15) сначала температура изменяется прямолинейно, а затем (для песков при температуре примерно от -0,5 до -1°С) криволинейно, т. е. скрытая теплота льдообразования начинает поглощаться, еще не достигнув температуры таяния грунта.

Что касается значения величины температуры переохлаждения (-9п на рис. 14), то она не является константой для данного

Рис. 16. Кривая охлаждения и замерзания дисперсной бентонитовой глины (влажность 11=80,6%, температура охлаждения -10° С)

грунта и наблюдается на образцах грунтов (в лабораторных опытах) и в верхних слоях природных грунтов лишь при постепенном охлаждении и отсутствии в грунте кристаллов льда («ледяных затравок», например снежинок). Если же началось в какой-либо точке льдовыделение, то переохлаждение уже не будет иметь место, но температура замерзания грунта (по величине, вообще говоря, ниже нуля градусов) будет зависеть от механического и минералогического состава грунта, насыщения его частиц теми или иными катионами, природной уплотненности и пр.

Все сказанное в полной мере будет относиться и к глинистым грунтам (глинам, суглинкам и супесям), но отличие замерзания этих грунтов будет заключаться в том, что при их охлаждении после температурного скачка устанавливается (на некоторое время) более низкая температура (порядка от -0,1 до -2,5° С и несколько ниже в зависимости от свойств грунта), а криволинейный участок дальнейшего охлаждения и промораживания уже мерзлого грунта (участок IV на кривой рис. 16) продолжается значительно дальше, и для дисперсных глин полное замерзание (практически, замерзшее состояние) может быть достигнуто при очень низких температурах (порядка нескольких десятков градусов ниже нуля), когда темпе-