Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов изучения многофазных сред 13
1.1. Математические модели многофазной среды 13
1.2. Существующие методы определения предельного напряжения сдвига селевых смесей 19
2. Разработка методики определения статического напряжения сдвига вязкопластичных двухфазных смесей 24
2.1. Постановка задачи, рабочая модель селевой смеси 24
2.2. Техника и методика проведения экспериментов 27
2.3. Влияние граничных условий на измерительной поверхности 39
2.4. Исследование статического напряжения сдвига монодисперсных смесей 49
2.5. Влияние осреднения диаметров частиц твердой фазы 59
2.6. Влияние неоднородности "дисперсионной" среды 65
2.7. Методика расчета статического напряжения сдвига полидисперсных смесей 76
2.8. Интерпретация экспериментальных данных 82
3. Исследование статического напряжения сдвига селевых смесей 91
3.1. Методика определения. Контрольные опыты 96
3.2. Обоснование необходимости измерения статического напряжения сдвига селевой суспензии 96
3.3. Пределы существования пластических свойств селевой смеси 104
3.4. Роль кулоновского трения в природе статического напряжения сдвига селевой вязкопластичной смеси
и при ее движении 116
3.5. Апробирование методики расчета статического напряжения сдвига селевых смесей по натурным данным о селях 123
4. Приложение к инженерным расчетам 131
4.1. Определение профиля свободной поверхности селевой смеси в селехранилище 131
4.2. Инструкция для определения статического напря« жения сдвига селевой смеси и суспензии 136
Заключение 144
Список литературы
- Существующие методы определения предельного напряжения сдвига селевых смесей
- Влияние граничных условий на измерительной поверхности
- Влияние неоднородности "дисперсионной" среды
- Пределы существования пластических свойств селевой смеси
Введение к работе
Селями называют возникающие в горах потоки, состоящие из смеси воды и рыхлообломочной породы, включающей в себя глинистые, пылеватые, песчаные и более крупные обломки грунта. В зависимости от состава и плотности различают три типа селевых потоков: наносоводные, грязевые и грязекаменные. Селевые потоки обычно возникают или при прорыве моренных озер, или в результате ливней. В обоих случаях они характеризуются как внезапные и сравнительно кратковременные стихийные явления. Прохождение селей наблюдается во всех горных районах в весенне-летний период. Ущерб, наносимый селями людям и народному хозяйству, трудно оценить, особенно, если учесть, что их прохождение часто сопровождается и человеческими жертвами. В качестве примера достаточно вспомнить известные катастрофические сели Заилийского Алатау.
Селевой поток 1921 года, возникший в верховьях Малой Алматинки, прошел через город Алма-Ату двухсотметровой полосой и перенес приблизительно 2 млн. м3 грязекаменной массы / 10 /, уничтожив все на своем пути. Следы его в виде отдельных валунов остались в городе до настоящего времени.
Иссыкский сель 1963 года в воскресный день уничтожил озеро Иссык, зону отдыха алмаатинцев, и разрушил часть районного центра Иссык. Расход его оценивается / II / в 7 І 3 тыс. м3/с
Сель 1973 года на Малой Алматинке, остановленный плотиной на Медео, по оценке специалистов примерно за десять минут принес в селехранилище 3,8 млн. м3 грязекаменной массы / II /., разрушил мосты, селезащитные сооружения, дороги, турбазу. В отсутствии плотины вся массы дошла бы до города, последствия чего могли быть более катастрофичными, чем в 1921 году.
Селевой поток 1977 года, прошедший по бассейну Большой Алматинки, занес всю долину реки грязекаменной массой, разрушил мосты, линию электропередачи, канализационные и водозаборные сооружения, в результате чего в городе несколько дней были перебои с водой. Объем его оценивается приблизительно в 3-3,2 млн. м3 / 57 /. Менее мощные сели проходят практик чески каждый год, разрушая жилые дома, дороги, уничтожая посевы сельскохозяйственных культур в различных районах страны.
Благодаря научно-техническому прогрессу, с каждым годом все активней происходит освоение горных районов, прежде мало посещаемых. Примером мажет; служить строительство БАМ, проводящееся в селеопасной зоне. Поэтому, хотя частота прохождения селей год от года может и не увеличиваться, ущерб, наносимый ими, может возрастать. Соответственно возрастает значение борьбы с селями и необходимость селезащитных мероприятий.
Актуальность этой проблемы вызвала принятие Советом Министров СССР специального постановления (от 7 марта 1978 года, № 183) "О мерах по улучшению защиты населенных пунктов, предприятий, других объектов и земель от селевых потоков, снежных лавин, оползней и обвалов". В соответствии с этим постановлением активизировались работы по защите от селей, что потребовало значительных финансовых и других материальных затрат.
Проведение рациональных селезащитных мероприятий, повышение их надежности и эффективности стало делом государственной важности в связи с указанными ХХУ и ХХУІ Съездами КПСС основными направлениями экономического развития: переводом экономики на интенсивный путь развития, необходимостью всемерной экономии всех видов ресурсов. Рациональность, надежность и эффективность противоселевых мер в большой степени определяется научным уровнем расчетно-нормативных документов для проектирования и строительства селезащитных сооружений.
Создание научно-обоснованных методов расчета характеристик селей может быть основано только на всесторонних исследованиях и требует углубленного изучения физических, механических, в частности, реологических свойств селей.
Активное, систематическое изучение селей в СССР началось с 1948 года после создания при Академии наук специальной селевой комиссии и сети селевых подразделений при научно-исследовательских учреждениях. Однако к настоящему времени еще нет четкого понимания физики селевых явлений и механизма селевых потоков. Такое положение, несомненно, можно объяснить чрезвычайной сложностью селевых явлений, множеством взаимосвязанных факторов, определяющих ход процесса.
На первом этапе изучение селей носило в основном описательный характер. Так как время прохождения селей непредсказуемо и скоротечно, то вся информация о них долгое время добывалась по оставленным ими следам и свиде тельствам очевидцев. Этот способ широко используется и в настоящее время, но уже на основе единой методики / 62 /.
Начало лабораторных исследований физико-механических свойств селей положено работами М.С. Гагошидзе / 23 /, его сотрудниками и СМ. Флейшмана / 76 /. Эти исследования, имеющие в основном качественный характер, сводились к изучению свойств грязевой составляющей селей.
Для получения достоверных данных о селях, необходимых для разработки и апробирования методов расчета селевых характеристик, были организованы стационарные наблюдения в местах возникновения и прохождения селей. Такие наблюдения велись в селевом бассейне р. Дуруджи (Главный Кавказский хребет) в I961-1967 гг. / 5 /, в бассейне р. Кокчека (Заилийский Алатау) в 1966-1967 гг. / 38 /, ведутся в настоящее время в бассейне р. Акжар (Заилийский Алатау).
Кроме того, для решения частных задач производились работы по искусственному созданию селевых потоков в натурных условиях: в I95I-I955 гг. в русле р. Чимбулак / 34,67 /, в 1968-1970 гг. в районе озера Иссык / 42 /. В 1952 году сотрудниками Иркутского геологического управления / 33 / для проходки геолого-разведочных канав осуществлялись попуски воды на крутых склонах, вследствие чего образовывались небольшие селевые потоки. Однако эти эксперименты приводили к созданию потоков невысокой плотности (1200 кг/м3) и малой мощности (10 м3/с).
Искусственно воспроизведенные селевые потоки, по характеристикам своим приближающиеся к природным, (максимальный расход 430 м3/с, средняя плотность 2160 кг/м3) удалось получить только в 1972-1978 гг. в результате натурных экспериментов в бассейне р. Чемолган, осуществленных сотрудниками КазНИИ Госкомгидромета / 39,70,81 /.
Эти работы позволили решить ряд коренных вопросов по седеформированию и получить объективную информаци ю о них с помощью специально созданного аппаратурного комплекса / 68 /, стереофотографий / 13 / и киносъемки / 15,16 /. Однако большая трудоемкость постановки экспериментов в натурных условиях исключает возможность их широкого применения для изучения всех сторон многогранного селевого процесса. Метод натурного эксперимента практически не дает возможности воспроизведения исходных условий, результатов и варьирования условий эксперимента. Поэтому наиболее приемлемыми для изучения селевых явлений остаются методы математического и физического эксперимента.
Важность построения математических моделей селевых потоков не вызывает сомнений, поскольку они дают реальную возможность проанализировать множество частных случаев и предсказать ход процесса при тех или иных условиях.
Селевой процесс очень сложное явление и создание универсальной модели, описывающей все его стороны в разное время, практически неосуществимо. Поэтому при решении прикладных задач отдельно рассматриваются процесс образования, движение сформировавшегося потока и процесс его остановки. У каждого типа селей механизм этих процессов своеобразен. Соответственно каждый тип селя и каждый отдельный процесс должны описываться наиболее подходящей моделью.
Поскольку сели представляют собой неоднородную среду, то наиболее строго к их изучению следовало бы подходить с позиций механики многофазных сред. Для применения моделей многофазных сред к описанию селей нужно как минимум понимать и формализовать механизмы межфазного взаимодействия, что само пока нерешенная проблема. Поэтому для описания селей в настоящее время используют так называемую модель гомогенного течения, рассматривая селевую смесь как некую квазиоднородную среду, а неоднородность учитывая через параметры среды.
Одной из подобных моделей, применяемой для описания грязевых и грязекаменных селей / 23,73,76,88,90 /, является модель вязкопластичной среды Бингама-Шведова. Эта модель, основанная на гипотезе о существовании пластических свойств у селевой смеси, позволяет объяснить такие явления, как способность селей двигаться на малых уклонах при определенной глубине потока, переносить на большие расстояния крупные глыбы и даже целые дома в неповрежденном виде (информация очевидцев селя 1921 года в Алма-Ате / 10 /), оставлять неперед-вигающийся слой селевых отложений на пути движения. В свою очередь эта гипотеза выдвинута на основании фактов и наблюдений.
Предметом нашего исследования является статическое напряжение сдвига селевых смесей - определяющий параметр вязко-пластичной среды, характеризующий переход среды от состояния упруго-пластических деформаций в состояние наблюдаемого вязко-пластичного течения, вследствие разрушения структурных связей в смеси вблизи поверхности сдвига.
Актуальность темы определяется тем, что исследование параметров состояния селевых смесей является необходимым условием прогресса в изучении селей и прогнозировании селевых характеристик для проведения научно-обоснованных мероприятий защиты от селей.
Для того, чтобы получить замкнутое решение даже наиболее простой одномерной, стационарной задачи о вязкопластичных селях, необходимо обладать значением статического напряжения сдвига селевой смеси. Предложенные ранее методики определения этого параметра, полученные на основании результатов измерения конкретных образцов селевых смесей, имеет узкую область применения для селеопасных рек Большого Кавказского хребта. Так как сели возникают в разных горных районах и, следовательно, характеризуются разнообразным составом селеобразующего грунта, то необходимо иметь методику для определения статического напряжения сдвига различных селевых смесей.
В связи с этим разработка , методики определения пластических свойств селевых смесей была включена в план НИР КазНИИ Госкомгидромета на I98I-I985 гг. по проблеме ГЖГ 0.85.01, задание 08.02 "Разработать научно-технические основы прогноза селей и защиты от них", этап Дб "Провести исследования и разработать новые методы расчета и прогноза селей".
Цель работы заключалась в создании общей методики расчета величины статического напряжения сдвига различных селевых смесей с учетом полидисперсности твердой фазы и ее минералогического состава, а также в определении области существования пластических свойств селевых смесей. Учет названных факторов и осуществление цели посредством поиска закономерностей, присущих физической модели селевой смеси, определяют новое в исследовании проблемы.
Основные положения исследования сводятся к следующему:
I. Величину статического напряжения сдвига различных селевых смесей с достаточной для практики точностью можно рассчитать по разработанной методике. При этом:
а) значение статического напряжения сдвига селевой суспензии, входящее в исходные данные, следует определять путем измерения;
б) в составе твердой фазы селевой смеси следует учитывать только частицы, диаметр которых не больше выступов шероховатости поверхности сдвига.
- II 2. Величина статического напряжения сдвига монодисперсных смесей глинистой суспензии и грунтовых частиц возрастает по мере увеличения концентрации и уменьшения диаметров частиц согласно установленной экспериментальной зависимости.
3. Пластические свойства селевых смесей существенны в определенном диапазоне ее плотностей, который для селей Заилийского Алатау оценивается как 2520-2373 кг/м3. Этот диапазон характеризует пределы применимости модели вязкопластичной среды для описания селей данного региона.
В первой главе приводится обзор методов изучения многофазных сред и анализируется возможность их применения для изучения селей. Здесь же рассмотрены существующие методики определения статического напряжения сдвига.
Во второй главе описывается постановка задачи, замысел экспериментального исследования. Приводятся результаты экспериментов с монодисперсными и полидисперсными смесями, состоящими из глинистой суспензии и частиц грунта. Полученные экспериментальные зависимости позволяют рассчитать величину относительного статического напряжения сдвига монодисперсных и полидисперсных смесей. Глава завершается трактовкой найденных закономерностей.
В третьей главе излагается методика расчета относительного статического напряжения сдвига селевой смеси, созданная на основании экспериментальных исследований, описанных в предыдущей главе. Исходными данными при этом служат гранулометрический состав селеформирующего грунта и влажность селевой смеси. Для нахождения абсолютного значения статического напряжения сдвига селевой смеси нужно знать величину статического напряжения сдвига селевой суспензии. На основе представлений о формировании пластических свойств у селевой суспензии обосновывается, что в настоящее время значение ее статического напряжения сдвига можно определить только путем измерения.
В этой же главе устанавливаются пределы применимости модели вязкопластичной среды для описания селей, исходя из того, что пластичность селевой смеси наиболее существенно проявляется в определенном диапазоне ее влажности. В результате опытов выяснено, что природа статического напряжения сдвига селевой смеси не связана с кулоновским трением между частицами твердой фазы. В конце главы приводится апробирование предложенной методики с использованием натурных данных, показавшее приемлемость ее для инженерных расчетов.
В четвертой главе описана простейшая математическая модель расчета профиля свободной поверхности селевой смеси в селехранилище с учетом пластических свойств селевых смесей.
Дана инструкция для определения статического напряжения сдвига селевых смесей и приведены значения относительного статического напряжения сдвига некоторых потенциальных селевых смесей Заилийского Алатау и Большого Кавказского хребта. Основные положения работы опубликованы в статьях / 17-22 /.
Существующие методы определения предельного напряжения сдвига селевых смесей
Селевые смеси высокой плотности моделируются сплошной вяз-копластичной средой. Основными параметрами этой модели являются вязкость и предельное напряжение сдвига. Первые работы в СССР, посвященные исследованию этих характеристик, начатые в 50-х годах, принадлежат СМ. Флейшману / 76 / и селевикам из Грузии / 23 /, где сели подобного типа весьма частое явление. Общей чертой этих работ является одинаковый подход к изучению реологических свойств селевых смесей, а именно: практическое отождест вление этих свойств с подобными свойствами глинистой суспензии, входящей в состав селевой массы. На основе этой концепции в качестве основных факторов, определяющих свойства селей, были выбраны количества глинистых частиц и воды в составе селевых смесей.
На первом этапе такой подход, видимо, был оправдан, так как наблюдения показывали, что селевые потоки высокой плотности, обладающие высокой транспортирующей способностью, образуются лишь при наличии в селеформирующем грунте глинистых частиц. Результаты исследований СМ. Флейшмана имели в основном качественный характер.
Усилия селевиков из Грузии были направлены на поиск зависимости предельного напряжения сдвига селевой смеси от содержа - 20 -ния глинистых частиц и воды в ней. В общем виде эту зависимость можно представить следующим выражением: т-А - где К - весовое содержание глинистых частиц ( 0,001 мм ), 0 - весовое содержание воды в селевой массе. Постоянные А, Х, . определяются в результате обработки полевых и лабораторных исследований.
Последняя из зависимостей этого вида, предложенная Д.К. Пруидзе, записывается как K s Го= 18 gr -% (1.2.1)
Это выра/жение получено на основе экспериментов, проводимых с образцами селевых смесей, отобранных на конусах выноса р. Ду-руджи и р. Нагвареви-Хеви. Весовое содержание глинистых частиц ( 0,001 мм) в образцах изменялось от 2,56j& до 5,6%. Измерения производились на ротаццонном вискозиметре при величине межцилиндрового зазора равной 22,12 см и высоте внутреннего цилиндра равной II см. Ограниченность области применения формулы (1,2.1) очевидна, так как при одинаковом содержании глины и воды, но разном минералогическом составе глины, реологические свойства глинистой суспензии могут существенно различаться. Аналогичный подход к определению реологических свойств селевых смесей прослеживается в работах японских специалистов. В статье /89/ при обсуждении роли глинистых частиц в образовании свойств селей приводятся ссылки на эксперименты, призванные определить правомочность модели Бингама для описания селей. Эти эксперименты проводились с суспензией каолиновой глины при концентрации равной концентрациям глины в реальных селевых потоках. Результаты показали, что за счет пластических напряжений глинистой суспензии во взвешенном состоянии могут поддерживаться только частица диаметром менее 3 мм. Поскольку это не согласуется с наблюдающейся высокой транспортирующей способностью селей, переносящих большие валуны, то у автора возникают сомнения в правомочности модели Бингама. В другой работе / 88 / приводятся данные наблюдений за селями, по которым величина предельного напряжения сдвига в модели Бингама оценивается как 602 нДг, что на несколько порядков превышает подобную величину для глинистых суспензий. Отсюда делается правильное заключение, что пластические свойства глинистой суспензии в селевом потоке не могут объяснить наблюдающиеся явления и, следовательно, присутствие крупных частиц влияет на свойства селя. Попытки количественно учесть влияние твердой фазы на предельное напряжение сдвига селей были предприняты Г.М. Беручаш-вили / 4 / и В.И. Тевэадзе / 73 /. Зависимость, предложенная Г.М. Беручашвили для определения предельного динамического касательного напряжения сдвига (терминология автора), получена на основе наблюдений за возникновением селей в селеобразующих очагах Р« Дуруджи. Указанная характеристика является параметром в формуле для определения критической глубины первичной селевой массы в селевом очаге, при которой происходит нарушение равновесия массы и возникает селевой поток
Влияние граничных условий на измерительной поверхности
При экспериментальных исследованиях реологических свойств дисперсных систем / 3,48,60,84 / особое внимание обращается на пристенный эффект, неучет которого приводит к получению искаженных характеристик системы. Приводится также объяснение этого эффекта как явления проскальзывания частиц дискретной фа зы системы вблизи твердой стенки за счет образования жидкого пристенного слоя из дисперсионной среды, по которому и происходит скольжение дисперсной системы. Вследствие этого при использовании гладкой измерительной поверхности, когда дисперсные частицы практически не взаимодействуют или имеют малое число контактов с ней, измеряемое напряжение сдвига оказывается меньше, чем при использовании шероховатой поверхности. Чтобы исключить проявление этого эффекта, приводящего к искажению истинных величин реологических параметров системы, измерительную поверхность делают шероховатой. Так, например, в стандартном приборе СНС-2, предназначенном для определения статического напряжения сдвига глинистых суспензий, поверхность внутреннего цилиндра изготавливают рифленой.
Для полного исключения пристенного эффекта при измерении статического напряжения сдвига предлагалось / 64 / заменить сплошную измерительную поверхность сетчатой путем изготовления внутреннего цилиндра с вертикальными и радиальными отверстиями и таким образом контакты типа раствор-металл заменить контактами типа раствор-раствор. Кроме того, для той же цели при измерении параметров глинистых суспензий используют / 48 / шероховатость из наклеенных песчаных частиц.
В то же время, высказывалось мнение / 36 /, основанное на результатах экспериментальных работ, согласно которому при измерении вязкости дисперсных систем на ротационных приборах рекомендовалось использовать цилиндры с хорошо отшлифованными поверхностями, ибо в противном случае результаты измерений оказывались зависящими от величины межцилиндрового зазора.
Однако, на наш взгляд, если эта рекомендация и имеет смысл, то исключительно при измерениях свойств ньютоновских жидкостей. В применении к дисперсным системам, суспензиям, она неприемлема, так как неизбежно будет иметь место пристенный эффект.
Подтверждение этому вытекает из работы / 55 /, где авторы описывают свои эксперименты по измерению реологических характеристик глинистых суспензий с применением различных измерительных цилиндров, имеющих полированную поверхность, рифленую поверхность, и с этими же поверхностями при наложении электри - 41 ческого поля для обеспечения принудительного сцепления глинистых частиц с поверхностью.
Полученные таким путем данные практически совпадают при определении вязкости. При определении статического напряжения сдвига величины, полученные в опытах с гладким цилиндром, оказываются меньше таковых, полученных при рифленном цилиндре, но совпадают с ними при вынужденном сцеплении глинистых частиц с поверхностью гладкого цилиндра. Из этого делается вывод, что в ротационных приборах, предназначенных для измерения вязкости и статического напряжения сдвига глинистых суспензий, целесообразно применять рифленый внутренний цилиндр.
По нашим представлениям,для грубодисперсных систем влияние шероховатости должно сказываться гораздо сильнее при изме рении вязкости (то есть при деформации с большими скоростями), нежели при измерении статического напряжения сдвига (при малой скорости деформации), так как в первом случае выступы шероховатости должны приводить к турбулизации около стенки. Из таких же соображений измерения вязкости проводят в приборах с гладкими стенками, а для учета пристенного эффекта вводят поправки / 86 /, которые выводятся из чисто гипотетических представлений о толщине пристенного слоя и его реологических характеристиках. мм. R. И. Ларине Перейдем к определению граничных условий, которые должны иметь место при измерении статического напряжения сдвига таких грубодисперсных систем, как глинисто-песчаные смеси. В реальных условиях среда всегда занимает некую область пространства с заданными граничными условиями, в которой и происходит ее течение.
Влияние неоднородности "дисперсионной" среды
Установленный факт зависимости величины статического напряжения сдвига монодисперсных смесей от диаметров частиц твердой фазы указывает на то, что осреднение полидисперсных частиц, диаметры которых изменяются в широком диапазоне, может привести к искажению результатов при определении статического напряжения сдвига.
Для того, чтобы выяснить степень влияния осреднения диаметров частиц, проводились эксперименты со смесями, твердая фаза которых составлялась из набора последовательных фракций грунта, то есть создавались смеси с непрерывным распределением диаметров частиц. При этом диаметры наименьших и наибольших частиц различались в десять раз. Одни рабочие смеси составлялись из частиц, диаметры которых распределялись в интервале 0,1-1 мм, другие из частиц 0,5-5 мм, третьи « из частиц 1-Ю мм. Процентное содержание отдельных частиц в смесях изменялось. Соответственно менялся и вклад каждой фракции частиц в создание статического напряжения сдвига смеси. Состав всех использованных смесей приводится в таблице 2.5.1.
Определенные в результате экспериментов значения относительного статического напряжения сдвига смесей сравнивались с расчетными. Расчет производился по формуле для монодисперсных смесей (2.4.1). При этом Б качестве параметра (( брался средний диаметр частиц, в качестве параметра с - общая концентрация частиц.
Вполне допустимо, что результат осреднения диаметров частиц в какой-то мере будет предопределяться самим способом осреднения. Поэтому осреднение диаметров производилось по трем
Первый способ широко распространен, второй рекомендуется для расчета характеристик псевдоожиженных систем / 24 /, третий используется, в частности, для оценки неоднородности несвязных грунтов / 7 /.
Сопоставление расчетных и экспериментальных значений относительного статического напряжения сдвига смесей показало (см. табл. 2.5.1), что при третьем способе осреднения сопоставляемые величины несколько ближе, чем при других способах осреднения. Однако не настолько, чтобы отдать ему предпочтение.
Во всех случаях величина относительного статического напряжения сдвига полидисперсной смеси меньше, чем таковая ее монодисперсной модели, причем с ростом концентрации твердой фазы это различие усиливается. Результаты измерения также пока зывают, что смеси, состоящие из одних и тех же частиц, при разном их процентном содержании, но одинаковой общей концентрации, обладают различной величиной статического напряжения сдвига. Следовательно, можно подобрать такой состав смеси, при котором статическое напряжение сдвига будет наименьшим или наибольшим.
При концентрации частиц равной 0,15 и диаметрах частиц более I мм влияние осреднения диаметров частиц практически не сказывается. По мере увеличения общей концентрации частиц, это влияние усиливается. При концентрации равной 0,3 различие между экспериментальными и вычисленными значениями Г/ достигает 26$. На основе анализа и обобщения полученных данных предположили, что вычисление относительного статического напряжения сдвига полидисперсной смеси, у которой отношение диаметров минимальных и максимальных частиц составляет 0,1, можно производить по формуле где Г (С, и ) - функция, определяющая величину относительного статического напряжения сдвига монодисперсной смеси при параметре С равном общей концентрации частиц и параметре d равном средневзвешенному диаметру полидисперсных частиц. Значения функции г определяются по формуле (2.4.1). функция, учитывающая влияние осреднения диаметров частиц. Значения функции 1 всегда меньше единицы.
Способ осреднения частиц по средневзвешенному диаметру частиц выбрали, как наиболее удсшриемлемый. Вид функции I определен на основе экспериментального материала следующим образом: ho- 1-035с- . 12-5-2)
Вычисленные по формуле (2.5.1) значения относительного статического напряжения сдвига смесей в большинстве случаев находятся в пределах интервала неопределенности экспериментальных данных (см. табл. 2.5.1). Максимальное отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет 18%, при вероятности того, что отклонение будет меньше, равной 0,96.
Учитывая, что максимальная погрешность определения функции г равна 16%, получим максимальную погрешность определения функции I равной 10%. Так как с увеличением размера частиц их влияние на статическое напряжение сдвига смесей уменьшается, то разумно предположить, что при осреднении более крупных полидисперсных частиц в таком же интервале изменения диаметров погрешность расчета не превысит указанной. Однако экстраполяция формулы (2.5.1) в область концентраций больших 0,3 была бы неп , равомерной, так как моделирование полидисперсной смеси монодисперсной, основанное на осреднении диаметров частиц при идентичности концентрации, имеет смысл лишь при концентрациях, присущих монодисперсным смесям. Как известно,верхний предел концентрации твердой фазы снеси при полидисперсном составе может быть значительно выше, чем при монодисперсном. На это указывают и полученные результаты. Поэтому монодисперсная модель, построенная на условии идентичности концентрации твердой фазы, в принципе не может решить проблемы определения свойств полидисперсных смесей при больших концентрациях.
Пределы существования пластических свойств селевой смеси
В качестве примера приведем некоторые цифры, характеризующие гранулометрический состав селеобразующего грунта Заи-лийского Алатау. По приближенным подсчетам суммарная поверхность всех частиц менее I мм, при их весовом содержании 15$ в тонне грунта, составляет 98$ общей поверхности всех фракций до 5 м включительно. Суммарная поверхность частиц менее 0,1 мм, при их весовом содержании 4,4$, составляет 92$. Поверхность глинистых частиц менее 0,001 мм составляет 38,7$ при их весовом содержании равном 0,06%. Эти цифры довольно убедительно говорят о значимости мелкодисперсных частиц в формировании пластических свойств селевых смесей.
Однако, ставить пластические свойства селевой суспензии в прямую зависимость от поверхности частиц было бы слишком упрощенно. Явление связывания воды весьма сложно и механизм его к настоящему времени не установлен. Для того чтобы получить представление о состоянии изученности этого явления, кратко изложим существующие представления о структурообразовании в глинистых суспензиях. Существуют два направления, объясняющие причины связывания воды глинистыми частицами / 45 /. Первое предполагает наличие физической связи между водой и глинистыми частицами, второе - наличие химической связи между ними.
Согласно последним сообщениям / 45 /, решающим фактором в образовании связанной воды является кристаллохимия поверхности минералов. Анализируя экспериментальные данные по структурным изменениям глинистых минералов в процессе их гидратации, Осипов В.И. / 54 / делает вывод, что "в основе механизма образования граничной пленки воды со специфическими свойствами лежит явление псевдоморфизма, заключающееся в постепенном приспособлении воды к структуре минерала путем последовательных трансформаций водородных связей". Предполагается, что оболочки из связанной воды, обладающие повышенной вязкостью, -плотностью и сопротивлением сдвигу, служат стабилизирующим фактором, спо собствующим фиксации частиц в определенном положении.
Другим важным фактором, определяющим механические свойства глинистых систем, считаются структурные связи. Если прежде структурные связи включали в понятие структуры грунта / 65 /, то позднее ввиду особой роли, которую они играют в формировании свойств грунта, было предложено выделить их в отдельное понятие / 66 /. По современным представлениям / 45,54 / на структурные связи в глинистых породах оказывают влияние магнитные, диполь ные, капиллярные, молекулярные,;ионно-электростатические и химические силы. При этом, предполагается / 45 /, что образование структурных связей идет не по всей поверхности частиц, а только в местах их наибольшего сближения - контактах.
В физико-химической механике дисперсных систем выделяют три типа контактов: коагуляционный, переходный и фазовый.
Для глинистых суспензий свойственны коагуляционные контакты, характеризующиеся наличием жидкой прослойки между глинистыми частицами. Образование связей между частицами при таких контантах идет за счет дальнодействующих молекулярных сил, а в некоторых случаях магнитных и дипольных. Наряду с ними действугот ионно-электростатические силы отталкивания. Видимо, такой же характер связей присущ и селевым суспензиям.
Аналитического описания взаимодействия глинистых частиц при коагуляционных контактах в данное время не существует. Раз- работка его затрудняется в частности тем, что нет количественного выражения для определения взаимодействия гидратных оболочек вокруг частицы. В то же время в отсутствии этих данных, а также без количественной информации о числе связей в единице объема среды, истинной площади контактов в среде не представляется возможным и теоретический расчет структурной прочности глинистой суспензии. Тем более, подобный расчет невозможен для селе вой суспензии, состоящей из глинистых, илистых и пылеватых час- тиц, каждые из которых обладают своей спецификой связывания воды.
Поскольку пластические свойства мелкозема в большой степе , ни зависят от его минералогического состава, который в реальном грунте неоднороден, то это еще более усложняет априорное прогнозирование величины статического напряжения сдвига селевой суспензии.
Изложенное убеждает в том, что в настоящее время для определения статического напряжения сдвига суспензии из грунтовых частиц менее 0,1 мм доступным является только путь непосредственного измерения.
Для прикладных целей имеет смысл измерять статическое напряжение сдвига селевой суспензии из всех частиц менее I мм. Во-первых, при этом уменьшается доля фракций селевого грунта, влияние которых на статическое напряжение сдвига селевой смеси будет находиться расчетным способом, что повышает точность ее определения. Во-вторых, надежно выделить смесь фракций менее I мм из селеобразующего грунта легче, чем смесь глинистых и пылеватых частиц. В то же время измерения статического напряжения сдвига селевой суспензии не вызывают принципиальных трудностей.
