Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

Т а б л и ц а 2

Результаты опытов М. И. Сумгина с пленочной водой

при температуре ниже 0°. В отдельных случаях вода в широком сосуде может без кристаллизации охлаждаться до —10° С и ниже; в реках она переохлаждается до сотых долей градуса». Пленочная вода переохлаждается и затем кристаллизуется при температуре ниже 0°.

В опытах М. И. Сумгина пленочная вода, получаемая методом расплющивания воды между отшлифованными стеклянными пла­ стинками, подвергалась охлаждению при различных температурах. Результаты опытов приведены в табл. 2.

Длительное переохлаждение воды наблюдалось и в опытах А. П. Боженовой [11] при температуре, близкой к 0°.

А. А. Ананян отмечал длительное переохлаждение суглинков и глин; при атом было установлено, что чем ближе влажность об­ разцов к влажности предела раскатывания, тем больше тенден­ ция к длительному переохлажденному состоянию. Он объясняет зависимость длительности переохлаждения воды в грунте от влажности, исходя из представлений об искажении структуры воды под влиянием активных центров поверхности частиц, и счи­ тает, что способность к переохлаждению может служить одним из косвенных указаний на характер строения жидкой фазы [8].

Б. А. Савельев [4] подчеркивает различие между переохлаж­ денной и незамерзшей водой; первая находится в неустойчивом термодинамическом состоянии, так как упругость пара ее при данной отрицательной температуре выше упругости пара льда; вторая пребывает в состоянии устойчивости равновесия, так как упругость пара ее при данной отрицательной температуре равна упругости пара льда. Меньшее переохлаждение воды в горной породе по сравнению с чистой водой в объеме связано с тем, что частицы породы являются ядрами кристаллизации, ускоряющими упорядоченность молекул воды в решетку льда. В свою очередь, кристаллизующее действие инородного тела, по мнению Б. А. Са­ вельева, создает слой ориентированных молекул воды на его по­ верхности.

36

влаги в данном объеме не изменяется; б) в условиях «открытой системы», когда в процессе промер­

зания количество влаги увеличивается за счет притока извне. М. И. Сумгин [12, стр. 35] дал схему возможных причин ми­

грации воды в различных агрегатных состояниях (табл. 4). Характеризуя процесс миграции влаги в замерзающих грунтах,

М. И. Сумгин писал: «Миграция воды в замерзающих грунтах имеет много общего с миграцией ее в талых грунтах, но имеет ,и свои особенности в количественном и качественном отношении.

Вода в виде пара в замерзающих грунтах передвигается, как и в талых грунтах, от мест с большой упругостью паров к местам

сменьшей упругостью их, а так как упругость паров прямо про­ порциональна температуре, то и передвижение водяных паров идет от пород, имеющих более высокую температуру, к породам

сболее низкими температурами.

Отличие от талых грунтов состоит в том, что в первых мета­ морфозы паров не идут дальше жидкости, в процессе же промер­ зания грунтов и в мерзлых грунтах пары, передвигаясь с одного места в другое, превращаются и в твердое тело —лед» [12, стр. 27]. Миграция'паров воды может происходить не только под влиянием температуры, но и вследствие различной интенсивности испарения у менисков разной кривизны. Как было установлено В. Томсоном, насыщенные пары у вогнутой поверхности имеют меньшую упру­ гость, чем у плоской, а у плоской — меньшую, чем у выпуклой.

37

Т а б л и ц а 4

Агрегатное состояние воды и причины миграции (по М. П. Сумгину)

нлед)

II.Жидкость 1. Закон тяготения

2.Напряжение в грунте при его замерзании

3.Капиллярные силы (передвижение по капиллярам,

вчастности по порам замерзания)

4.Изменения молекулярного давления под влиянием градиентов: температуры, влажности, кристаллиза­ ции, концентрации растворенных веществ, электри­ ческих и других потенциалов

III.Твердое тело 1. Внешнее давление

2.Напряжение в грунте при его замерзании

Пр и м е ч а н и е . В процессе замерзания грунтов может, помимо льда, миг­

рировать и минеральная твердая фаза; причины те же, что и для миграции воды в фазе льда (случай III).

Вусловиях естественного залегания тонкодисперсные нороды обычно уплотнены и диффузия паров в них затруднена. Мигра­ ция воды в парообразном состоянии преобладает при влажности пород, не превышающей содержание нрочносвязаннои воды (мак­ симальной гигроскопической влажности).

Вприродных условиях доминирующее значение имеет мигра­ ция воды в жидкой фазе.

Первые гипотезы миграции жидкой воды были предложены

русскими инженерами В. Штукенбергом в 1885 г. и Н. С. Богдано­ вым в 1912 г. для объяснения пучения грунтов при промерзании. Эти исследователи связывали миграцию влаги с возникновением в зоне промерзания трещин вследствие увеличения объема воды при переходе в лед и подтоком последней по этим трещинам к про­ мерзающему слою.

В. Н. Сукачев, К. Никифоров и Д. А, Драницын объяснили деформации влажных грунтов при промерзании возникающими напряжениями.

Впоследствии М. И. Сумгин [12, стр. 47] расширил и развил представления о миграции воды в промерзающем грунте под влия­ нием напряжений для объяснения образования пучин на дорогах; при этом он рассмотрел случаи образования пучин без подтока воды (замкнутая система) и с притоком воды (открытая система) и дал соответствуюцие уравнения для бугров пучения и наледи. А. Е. Фздосов на основании опытов по замораживанию водона­ сыщенных глинистых грунтов пришел в 1935 г. к выводу, что при образовании льда в грунте возникают давления, подобные компрес-

.18

«ионным; в определенных участках происходит внутриобъемная

рераспределение не только жидкой, но и твердой фазы грунта. Принимая за основную причину миграции воды напряжения, возникающие в замерзающем влажном грунте при увеличении его объема и образовании пор замерзания, М. И. Сумгин допускал в качестве второй причины действие сил кристаллизации растущих

кристаллов льда.

Американские исследователи Тэбер и Боюкос объяснили ми­ грацию воды силами кристаллизации растущих кристаллов льда и наличием на его поверхности адсорбированной пленки воды, обладающей большой прочностью на растяжение. При этом Тэбер подчеркивал значение капилляров только как путей миграции воды. Однако, как было показано опытами А. II. Боженовой и Ф. Г. Бакулина, силы кристаллизации имеют второстепенное значение.

Впервые уравнение миграции воды на основании представления о капиллярном потенциале, который характеризует притяже­ ние воды к поверхности грунта, дал в 1907 г. Букингэм.

Большинство гипотез миграции влаги в промерзающих тонко­ дисперсных горных породах исходит из представлений о законо­ мерностях передвижения водной пленки, сформулированных в общем виде А. Ф. Лебедевым. В той или иной степени эти гипо­ тезы учитывают взаимодействие воды с минеральным скелетом.

Вопросу о механизме миграции влаги при промерзании тонко­ дисперсных горных пород посвящено много работ советских и зарубежных исследователей. Большинство из них приходит к вы­ воду, что миграция осуществляется под влиянием ряда градиен­ тов и различными механизмами, но основным механизмом мигра­ ции жидкой воды признается в настоящее время пленочно-кри­ сталлизационный, обусловленный наличием водных пленок на поверхности частиц породы и формирующегося в них льда. В связи с этим приобретает особое значение активная поверхность твер­ дых составляющих промерзающей породы: минерального скелета породы и льда.

Интенсивность миграции воды в промерзающих тонкодисперс­ ных горных породах зависит от следующих факторов:

1)природы минерального скелета (дисперсности, минерало­ гического и химического состава, обменных катионов);

2)плотности;

3)температурного режима;

4)наличия источника поступления воды, т. е. возможности промерзания в условиях открытой системы.

Величина удельной поверхности, пористость и ультрапори­ стость породы, минералогический состав глинистой фракции и природа обменных катионов взаимосвязаны и в совокупности оп­ ределяют толщину и подвижность водных пленок и капиллярные

39