Введение к работе
Актуальность проблемы Практически вся территория России подвержена эпизодическому, кратковременному, сезошюму или многолетнему промерзанию. С этим процессом связано такое распространенное явление как морозное пучение грунтов, в результате которого в промерзающем грунте формируется напряженно-деформированное состояние. Это может вызвать деформации и повреждения промышленно-гражданских зданий и сооружений, разрушение покрытий автомобильных дорог и аэродромов, деформации железнодорожных насыпей, смещение опор мостов, линий электропередач, трубопроводов и других линейных сооружений, а также малонагруженных фундаментов зданий. Недопустимые деформации сооружений особенно часто возникают в районах глубокого сезонного промерзания грунтов и на территории распространения многолешемерзлых пород, то есть в криолитозоне, занимающей около 65 % территории России.
На важность решения проблемы морозного пучения грунтов указывали многие ведущие специалисты - геокриологи: М.И. Сумгин, Н.А. Цытович, П.Ф. Швецов, Б.И. Далматов, В.А. Кудрявцев, В.О. Орлов, И.А. Тютюнов, СЕ. Гречищев, Э.Д. Ершов, и др. Актуальность этой проблемы неоднократно подчеркивалась на международных и межведомственных конференциях по мерзлотоведению.
На современном этапе теория морозного пучения развивалась по следующим направлениям: 1. Натурные исследования деформаций и сил морозного пучения (Б.И. Далматов, В.Ф. Жуков, М.Ф. Киселев, Я.А. Кроник, В.О. Орлов, Н.А. Перетрухни, Ch. Xiaobai, J.S. Buska, J.B. Johnson и др.); 2. Изучение природы явления (А.А. Ананян, A.M. Глобус, М.И. Гольдштейн, СЕ. Гречищев, Э.Д. Ершов, В.О. Орлов, И.А. Тютюнов, Е.А. Федосов, Г.М. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.Г. Чеверев и др.); 3. Установление параметров морозного пучения и зависимостей его от различных факторов (Э.Д. Ершов, Б.Н. Ю.П. Лебеденко, В.О. Орлов, B.C. Петров, Г.М. Фельдман, В.Г. Чеверев, Л.В. Чистотинов, E.J. Chamberlain, J.M. Konrad, Т. Ishizaki, R.D. Miller, J.T.C Seto, P.J. Williams и др.); 4. Разработка и совершенствование методов расчета деформаций морозного пучения грунтов ( И.А. Золотарь, В.О. Орлов, Г.М. Фельдман, В.Г. Меламед, А.В. Медведев, В.Я. Хаин, СН. Булдович, P.J. Williams Т. Ishizaki и др.); 5. Развитие теоретических основ взаимодействия морозоопасных грунтов с сооружениями (Б.И. Далматов, М.Ф. Киселев, В.О. Орлов, Н.А. Перетрухин, В.И. Пусков, В.Б. Швец, А.Я. Тулаев, Б.Г. Петров и др.); 6. Теория и практика противопучшшых мероприятий (М.В. Аверочкина, Б.И. Далматов, М.Ф. Киселев, О.С. Кононова, Я.А. Кроник, A.M. Пчелинцев, СБ. Ухов, А.Я. Тулаев, И.А. Тютюнов и др.).
Благодаря работам предшественников сформулирован ряд основных положений теории морозного пучения грунтов. К ним прежде всего относятся: принцип термодинамического равновесия между незамерзшеи водой и льдом в мерзлом грунте; определяющая роль криогенной миграции в этом процессе;
формирование под действием градиента температуры градиента потенциала влаги в мерзлой зоне промерзающего грунта как движущей силы криогенной миграции; наличие зоны одновременного пучения в диапазоне отрицательных температур, в которой происходит миграция незамерзшей воды и сегрегационное льдовыделение; внутриобъемная усадка талой зоны промерзающего грунта за счет ее дегидратации и другие.
Однако, несмотря на обширный материал, в перечисленных работах не выполнен анализ степени участия различных категорий влаги как в талой, так и в мерзлой зонах промерзающих грунтов в формировании криогенной миграции влаги; нет оценки нелинейности процесса криогенной миграции; недостаточно изучен механизм внутриобъемной усадки талой зоны промерзающего грунта; требуют также своего развития и экспериментальные методы определения потенциалов влаги в промерзающих грунтах.
Основываясь на вышеизложенном основной целью работы являлось -разработка методики и исследование особенностей механизма криогенной миграции и закономерностей формирования влагопроводных свойств на основе экспериментального определения порового давления.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
- разработать методику экспериментального определения потенциала
влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах промерзающих грунтов;
экспериментально обосновать методику перехода от изотерм сорбции-десорбции немерзлых грунтов к определению содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах;
выполнить анализ энергетических характеристик различных категорий незамерзшей воды для выявления их влияния на морозную пучинистость грунтов;
- экспериментально исследовать зависимость потенциала влаги от
отрицательной температуры, установить закономерности формирования
порового давления, плотности потока влаги, коэффициентов влагопроводности
в промерзающих грунтах и на их основе уточнить механизм криогенной
миграции с учетом различных категорий влаги;
установить зависимость потока влаги и коэффициента влагопроводности от градиентов порового давления в немерзлой зоне промерзающих грунтов и начального градиента криогенной миграции от плотности и температуры грунтов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1.Разработана методика и аппаратура комплексного исследования параметров влагопереноса в промерзающих грунтах и их влагопроводных свойств на основе экспериментального малоинерционного способа определения потенциалов влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах.
2. Экспериментально обоснована методика применения изотерм сорбции-десорбции немерзлых фунтов для определения зависимостей содержания незамерзшей воды от потенциала влаги и температуры мерзлых грунтов. Обоснована возможность использования для расчета потенциала подвижных
категорий незамерзшей воды (область температур интенсивных фазовых переходов) значений теплоты фазового перехода и мольного объема как для свободной воды (6,03 кДж/моль и 18 см3/моль).
3. Установлена роль различных категорий незамерзшей воды в
формировании морозной пучинистости грунтов на основе анализа их
энергетических характеристик. При этом выделены категории: а)
способствующая интенсивной криогенной миграции (осмотическая вода
низкого уровня связи), б) механически препятствующие ей (адсорбированная и
осмотическая вода высокого уровня связи) и в) активно тормозящая ее
формирование (иммобилизованный поровый раствор).
4. На основе экспериментальных исследований получена зависимость
потенциала незамерзшей воды от отрицательной температуры грунта и
расширены представления о характере формирования порового давления,
плотности потока влаги и коэффициентов влагопроводности в промерзающих
грунтах. На их основе уточнен механизм криогенной миграции с учетом
различных категорий влаги;
5. Установлена область нелинейной зависимости потока влаги и
коэффициента влагопроводности от градиентов порового давления в немерзлой
зоне промерзающих грунтов и определено влияние плотности и температуры
грунтов на начальный градиент давления криогенной миграции.
Практическая значимость работы.
Проведенные исследования, в соответствие со своей конечной целью, предназначены для составления новой эффективной технологии в строительстве по стабилизации промерзающих грунтов от морозного пучения и создания благоприятных условий при возведении и эксплуатации линейных сооружений и инженерных объектов, имеющих малонагруженные и малозаглубленные фундаменты. Полученные результаты по параметрам влагопереноса могут быть использованы для уточнения расчетов сил и деформаций морозного пучения промерзающих грунтов.
Личный вклад автора
В ходе исследований с личным участием автора: разработана методика и аппаратура определения потенциалов влаги в мерзлой и порового давления в талой зонах; экспериментально обоснована методика применения изотерм сорбции-десорбции, полученные ранее в агрофизике и грунтоведении на немерзлых почвах и грунтах для определения зависимостей содержания незамерзшей воды от химического потенциала влаги и температуры мерзлых грунтов; построены диаграммы областей существования различных категорий влаги в мерзлых грунтах с массивной криогенной текстурой и определена их роль в формировании морозной пучинистости грунтов. Лично автором выполнены методические эксперименты и испытано более 230 образцов грунтов и проведено более 200 экспериментов по определению потенциалов влаги в мерзлых грунтах, характеристик влагопереноса в промерзающих и немерзлых грунтах в зависимости от их плотности и температуры, с параллельным определением физических свойств (влажности, плотности,
содержания незамерзшей воды, температуры начала замерзания). Все экспериментальные данные обработаны автором при помощи электронной таблицы Excel 5.0 и разработанной для нее программы автоматического построения диаграмм. Проанализированы полученные результаты и установлены закономерности.
Апробация работы
Основные положения диссертации апробированы на первой конференции геокриологов России (Москва, 1996), ежегодной научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 1996, 1997), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 97" (Москва, 1997), принят доклад на 7ю Международную конференцию по мерзлотоведению (Канада, 1998). По данной теме автором опубликованы 5 научных статей и 1 сдана в печать.
Структура и объем работы
