Механизм и закономерности формирования влагопроводных свойств мерзлой зоны промерзающих грунтов

ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................4
ГЛАВА 1. Изученность механизма и закономерностей миграции влаги в промерзающих и мерзлых грунтах.................9
1.1. Развитие представлений о природе влагопереноса в мерзлых грунтах и в мерзлой зоне промерзающих и протаивающих грунтов............................................9
1.2. Существующие методы исследования параметров влагопереноса в промерзающих и мерзлых грунтах.................24
ГЛАВА 2. Методика комплексного исследования влагопереноса в мерзлой зоне промерзающих грунтов ............ 32
2.1. Методика экспериментального изучения влагопроводных свойств дисперсных грунтов в мерзлом состоянии..................................................... 33
2.1.1. Подготовка образцов к экспериментам.......... 3^
2.1.2. Экспериментальные исследования
влагопереноса в стационарном температурном
поле ..............................................47
2.1.3. Обработка полученных результатов ........... 50
2.2. Методика экспериментального изучения влагопереноса в промерзающих дисперсных грунтах ’............. 55
ГЛАВА 3. Характеристика исследуемых грунтов..............61
ГЛАВА 4. Механизм миграции влаги в мерзлой зоне промерзающих дисперсных грунтов................................70
4.1. Влияние температуры на механизм влагопереноса
в мёрзлой зоне промерзающих дисперсных грунтов................73
4.2. Влияние условий влагообмена на формирование параметров влагопереноса в мёрзлой зоне промерзающих дисперсных грунтов........................................... 82
ГЛАВА 5. Закономерности формирования влагопроводных свойств мерзлой зоны промерзающих грунтов различного состава и плотности....................... 94
5.1. Закономерности влияния минерального состава
на влагопроводность мерзлой зоны промерзающих грунтов .......94
5.2. Закономерности влияния дисперсности на влагопроводность мерзлой зоны промерзающих грунтов ......... 102
5.3. Закономерности влияния уплотнения на влагопроводность мерзлой зоны промерзающих грунтов ......... 106
ГЛАВА 6. Математическое моделирование промерзания и морозного пучения дисперсных грунтов.......... 115
6.1. Постановка задачи об одностороннем промерзании дисперсных грунтов, при наличии
влагопереноса .............................................. 115
6.2. Экспериментальная проверка расчетной модели промерзания и морозного пучения грунтов..................... 131
6.3. Результаты математического моделирования промерзания и морозного пучения грунтов................... .142
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ....................................... 156
ЛИТЕРАТУРА............................................. 160
В 60-70 годах за рубежом стала популярной т.н. «капиллярная» теория морозного пучения (Penner, 1959; Everett. 1961 и др.), основанная на использовании уравнения поверхностного натяжения Лапласа. Однако прогноз давлений пучения на основании этой теории давал сильно заниженные результаты. Кроме того, с помощью этой теории никак нельзя было объяснить образование ледяных шлиров на некотором расстоянии от фронта промерзания. Для объяснения этого явления было введено понятие о «вторичном пучении» (Miller. 1978). Теория «вторичного пучения» основана на механизме т.н. «перемерзания» (regelation), который вызывает движение включенных в лёд частиц под действием градиента температуры. Возможность этого была экспериментально показана Рёмкенсом и Миллером (Romkens. Miller. 1973). Математическое описание этой теории получило название «модели жёсткого льда». Впоследствии попытки сделать практические расчёты на основании этой модели делались многими исследователями (O’Nill. Miller. 1980, 1985; Holden, 1983; Block. Miller, 1985 и др.).
На основе молекулярно-кинетических представлений о водных растворах (Френкель. 1945, Самойлов. 1957) перенос влаги в мёрзлой зоне промерзающих пород и в собственно мёрзлых породах под действием градиента температуры А.А Ананян (1960) объяснял преимущественным перемещением молекул воды путем самодиффузии из области с более высокими температурами в область с более низкими. Однако этот подход не позволял осуществлять количественную оценку параметров влагопереноса
Широкое распространение получила феноменологическая теория влагопереноса. базирующаяся на строгой математической модели тепло- и влагопереноса, развитой A.B. Лыковым (1960) применительно к немерзлым грунтам и строительным материалам. Эта теория строится на использовании обобщённой движущей силы влагопереноса - градиента общего термодинамического потенциала грунтовой влаги или его частных составляющих. Она дабт возможность объединить все существовавшие ранее концепции и теории влагопереноса. Кроме того она позволила другим исследователям (Золотарь, 1965; Иванов, 1965; Меламед, 1966; Hoekstra. 1965. 1966; Palmer. 1967 и др.) осуществить приближённую количественную оценку переноса влаги, льдовыделения и пучения при промерзании грунтов
В целом к концу 70-х годов работами большого коллектива исследователей были получены важные закономерности влагопереноса и общего льдонакопления в промерзающих грунтах в зависимости от дисперсности, минерального состава и состава обменных катионов, плотности пород и степени их водонасыщения. оторфованности, первичного сложения породы и других характеристик рыхлых промерзающих отложений (Втюрина, Втюрин. 1970; Жесткова. 1966; Катасонов, 1962; Нерсесова, 1961; Полтев. 1967; Попов. 1967; Попов. Катасонов. 1975; Тютюнов. 1974; Чистотинов, 1973. и др.).'
В последнее время все чаще для описания всего комплекса процессов в грунтах, вызываемых промерзанием, используются теории, в основу которых ложатся законы термодинамики