книги / Механика грунтов

стене поверхностных молекулярных сил адсорбции, что и пони­ жает температуру замерзания воды.

Известный исследователь мерзлых грунтов М. И. Сумгин 1 непосредственными опытами показал, что вода в тонких плен­ ках, нанесенных на поверхность стекла, имеет значительно бо­ лее низкую температуру замерзания по сравнению с водой сво­

частиц слои лиосорбированной воды; далее при новом пониже­ нии температуры — следующие слои воды, более близкие к по­ верхности твердых частиц, и т. д.

Часть же воды, как показывают соответствующие исследова­ ния (1940—1950 гг.)2, всегда остается в мерзлых грунтах в не­ замерзшем состоянии при любой их отрицательной температуре. Так, по опытам центральной лаборатории Института мерзлото­ ведения Академии наук СССР3 различные грунты при темпера­ туре от —0,3 до —30°С содержали от 0,5% (в песках) до 35%

Изменение льдистости грунтов в зависимости от температуры. Доклады АН

СССР, т. XXV, № 6, 1950.

Однако количество незамерзшей при данной температуре во­ ды не остается постоянным, а все время изменяется в зависи­ мости от колебаний отрицательной температуры, величины внешнего давления и других воздействий. Исследования фазово­ го состава воды в мерзлых грунтах позволили установить, что «количество, состав и свойства воды и льда, содержащихся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с из­ менением внешних воздействий, находясь в динамическом рав­ новесии с последними». Это формулирует основное положение теории равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах (проф. Цытович)

•При понижении отрицательной температуры количество не­ замерзшей воды уменьшается (что можно с достаточной точ­ ностью установить калориметрическим путем), льдистость уве­ личивается (т. е. содержание льда) и возрастает прочность мерз­ лого грунта. В мерзлых глинах содержится значительно боль­ шее количество незамерзшей воды по сравнению с мерзлыми песками, в связи с этим мерзлые глины обладают значительно меньшей прочностью12, чем мерзлые пески.

В о д я н о й пар также может существовать в замерзающих и мерзлых грунтах, заполняя свободные от льда и пленок воды крупные поры, морозобойные трещины и пр. Пар передвигается от мест с большим давлением к местам с меньшим давлением. Так как давление пара, зависящее от величины абсолютной температуры, тем больше, чем выше температура, то и миграция водяных паров происходит из мест с более высокой температу­ рой в места с пониженной температурой, т. е. по направлению к области промерзания.

П р о ц е с с ы з а м е р з а н и я и о т т а и в а н и я оказывают существенное влияние на формирование свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов и имеют ряд особенностей, которые можно выяснить, изучая ход изменения температуры грунта в процессе замерзания и оттаивания.

Проф. П. И. Андрианов3, подробно исследовавший темпера­ туры замерзания ряда грунтов, показал, что при всестороннем охлаждении образцов грунта вначале до некоторой температуры наблюдается их переохлаждение, а затем при переходе во­

лотненного давлением 0,5 кг/см2, равна —0,1°С. Если же уве­ личить давление, то температура понизится (например, для об­ разца суглинка, уплотненного давлением 10 кг/см2, температура замерзания будет равна —0,9^С). Глинистые грунты твердой консистенции имеют еще более низкую температуру замерзания. Таким образо»м, чем плотнее и дисеерснее грунт, тем большая будет связанность воды, что и понижает температуру замер­ зания.

Рис. 15. Кривая замерзания и оттаивания подмосковного суглан ка при общей 'влажности 24,4% и предварительном уплотнении

0,5 кг!см2

После достижения грунтом температуры замерзания 13 в те­ чение некоторого (иногда и длительного) промежутка времени наступает равновесие между внешней теплоотдачей и теплоприходом от выделения скрытой теплоты льдообразования, и кривая изменения температур имеет горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении грунта (после начала замер­ зания) кривая изменения температур получает выпуклость в противоположную сторону по сравнению с первым участком кривой охлаждения, т. е. еще продолжает выделяться скрытая теплота льдообразования вследствие замерзания слоев более связанной воды. Для песка это явление наблюдается до темпе­ ратуры примерно около —1°С, после чего кривая температур становится прямолинейной; для суглинистых грунтов и, особен­ но, дисперсных глин после начала замерзания во время даль­ нейшего охлаждения (по нашим опытам до температуры —60°С)

выделяется скрытая теплота льдообразования, т. е. все время увеличивается льдистость.

Если начать нагревать мерзлый грунт, то, как показывают результаты непосредственных наблюдений, льдистость его на­ чинает уменьшаться, и при температурах, близких к 0° (для не­ которых дисперсных грунтов при несколько более низких тем­ пературах), происходит полное таяние льда в порах грунта.

Таким образом, на замерзание и оттаивание грунтов прежде всего влияет количество содержащейся в них связанной воды. Как замерзание, так и оттаивание не характеризуются одной какой-либо температурой (температура замерзания соответству­ ет лишь началу льдовыделения), а представляют сложные теп­ ловые процессы, протекающие во времени.

М и г р а ц и я в л а г и в п р о м е р з а ю щ и х г р у н т а х происходит в процессе их охлаждения и, особенно, замерзания.

в 1889 г.1 показал, что влажность почвы в верхних горизонтах увеличилась за время промерзания (с 27 января по 28 февраля) с 1,9 до 11%, а Чириков и Малютин2 в 1926 г. уже приводят целые таблицы данных, подтверждающих, что верхние слои поч­ вы во время промерзания увеличивают свою влажность. Зару­ бежные ученые значительно позднее (и то лишь в лаборатор­ ных опытах)3 также пришли к выводу о перераспределении влажности в промерзающих грунтах.

Миграция влаги в водонасыщенных грунтах, как впервые было показано М. И. Сумгиным4, происходит в процессе про­ мерзания преимущественно в жидкой фазе; при неполном же насыщении грунта водой миграция обусловливается главным об­ разом передвижением парообразной воды5.

Рассмотрим первый вид миграции воды в жидкой фазе, как имеющий наибольшее практическое значение.

Как показывают исследования, миграцию воды в промерзаю­ щих грунтах могут обусловливать несколько различных причин.

этому максимальное накопление влаги при промерзании наблю­ дается в п ы л е в а т ы х и с у п е с ч а н ы х грунтах.

Кроме того, исследования А. П. Боженовой1, М. Н. Гольд­ штейна и др. установили, что результирующий эффект миграции

процессе промерзания в дисперсных грунтах влага всегда под­ тягивается к границе промерзания, то в крупнозернистых на­ блюдается как бы отжатие виаги (поршневой эффект) расту­ щими кристаллами льда от границы промерзания вследствие ничтожной величины сил всасывания и отсутствия в них значи­ тельного сопротивления выжиманию воды.

Последнее обстоятельство имеет весьма существенное зна­ чение, так как на практике (например, в дорожном деле) позво­ ляет использовать крупнопесчаные грунты для устройства противопучинных прослоек, прерывающих приток воды к границе промерзания.

Необходимо отметить, как показали исследования2, что при соответствующих температурных градиентах и определенной во-

щих отрицательную температуру и сцементированных льдом, вследствие наличия в них пленок незамерзшей воды. Миграция воды может в известной степени сказаться и на зимнем пере­ распределении влаги во влажных дисперсных грунтах.

Таким образом, одной из основных причин миграции воды в грунтах при замерзании являются осмотические силы (силы вса­ сывания), возникающие при любых температурных градиентах и значительно возрастающие при льдообразовании.

М. И. Сумгина3, также будут являться причиной миграции вла­ ги. При неравномерном промерзании, особенно при наличии на некоторой глубине водонепроницаемого слоя, создаются усло­ вия для возникновения и дальнейшего развития в толще грунтов значительных напряжений, обусловливающих напор, под дей­ ствием которого вода и движется в места наименьшего сопро­ тивления.321

Теория напряжений в промерзающих грунтах, хорошо объяс­ няя напорное движение влаги в процессе промерзания, особенно интенсивное при наличии водонепроницаемой и малосжимаемой подошвы водоносного слоя, не дает, однако, объяснений явле­ нию миграции воды при плоскопарзллельном (равномерном) промерзании грунтов. Следует также отхметить, что в природных условиях почти всегда наблюдается неравнохмерное промерзание грунтов. Поэтому миграция воды в промерзающих грунтах под действием возникающих в них напряжений накладывается на процесс миграции воды под действиехМ осмотических сил вса­ сывания.

Наконец, известную долю в процессе миграции воды может составить и капиллярный подъем воды .по трещинам и порам замерзания (теория Штукенберга), что, надо полагать, будет иметь лишь местное значение.

В результате миграции воды в захмерзающих грунтах, как по­ казывают многочисленные наблюдения, кроме отдельных вклю­ чений в порах грунта образуются целые прослойки и линзы льда. Образование прослоек и линз льда в процессе промерза­ ния грунтов носит название л ь д о в ы д е л ения. Различают «нормальное» льдовыделение, или льдовыделение в закрытых системах, где наблюдается лишь перераспределение влаги, со­ держащейся в данном объеме грунта, и «избыточное» льдовы­ деление (по проф. Гольдштейну) —образование прослоек и линз льда в результате поступления воды из грунта, подстилающего промерзающий слой, т. е. льдовыделение в открытых системах с подтоком воды извне.

На интенсивность льдовыделения влияет целый ряд факто­ ров: захмерзание в условиях закрытой или открытой системы, состав грунтов, их влажность, температура и режим замора­ живания и пр.

При замерзании в условиях закрытой системы образование линз и прослоек льда происходит в результате обезвоживания соседних участков, при этом, как показали опыты А. Е. Федо­ сова1, влажность агрегатов глинистых грунтов хМежду прослой­ ками льда после захмерзания -близка к пределу пластичности этих грунтов, т. е. в процессе промерзания глин происходит их внутрио-бъехмное сжатие.

Опыты ряда советских исследователей установили, что при влажности грунтов, близкой к пределу пластичности, линзы льда вообще не образуются. Точно также заметная миграция воды

впромерзающих грунтах возникает лишь при определенной их

1А. Е. Ф е д о с о в . Ф,изико-механические процессы в грунтах при их замерзании и оттаивании. Трансиздат, 1935.