Impact of the freeze-thaw cycles upon the heat and mass transfer properties of the technogenic cryogenic soil of the northeastern regions of the cryolithozone

В развитии производительных сил северо-восточных районов России определяющее значение имеют открытая и подземная разработки месторождений полезных ископаемых, строительство и эксплуатация различных инженерных сооружений, зданий и коммуникаций. Безопасность и надежность всех этих форм производственной деятельности человека базируется на научных знаниях о свойствах горных пород, грунтов и почв, слагающих верхние горизонты земной коры и происходящих в них физико-механических процессах.

В настоящее время инженерной геокриологией создан надежный научный фундамент для решения технических проблем и задач, возникающих при техногенном воздействии человека на многолетнемерзлые горные породы. Разработаны теоретические положения влагопереноса и криогенного текстурообразования в промерзающих, мерзлых горных породах и грунтах. Среди большого количества задач и проблем, решаемых инженерной геокриологией, одной из главных является прогноз изменения геокриологических условий при хозяйственном освоении территории, а также теплового и механического взаимодействия инженерных сооружений с горными породами.

Для строительства различных плотин, дамб, насыпей под дороги, подсыпок при вертикальной планировке строительной площадки используются местные грунты. Такие грунты при классификации их по ГОСТу 25100-95 выделяются в класс техногенных – естественных грунтов, измененных и перемещенных в результате производственной и хозяйственной деятельности человека.

В результате превращения естественных грунтов в техногенные, их физико-механические свойства существенно меняются. По нормативным требованиям испытания техногенных грунтов для определения теплофизических характеристик, коэффициента фильтрации, сжимаемости, прочности и других свойств проводятся в лабораторных условиях. Для получения результатов, более полно соответствующих северным условиям, свойства техногенных грунтов необходимо изучать после воздействия отрицательных температур.

Еще в начале 60-х г. ХХ в. в инженерном мерзлотоведении было установлено, что коэффициент фильтрации грунтов слоя сезонного оттаивания в условиях естественного залегания намного превышает коэффициент фильтрации тех же грунтов с нарушенной структурой, определенный в лабораторных условиях. Таким образом, этот установленный факт доказывает, что и у техногенных грунтов после сезонного промерзания - оттаивания коэффициент фильтрации резко увеличится.

Для длительной безаварийной эксплуатации зданий и инженерных сооружений в криолитозоне уже на начальных этапах проектирования требуется выполнить тщательный теплотехнический расчет и математическое моделирование процессов тепломассообмена в техногенных грунтах и в строительных материалах, конструкциях. Исходная информация для прогнозных приближенных оценок и детальных теплотехнических расчетов температурно-влажностных полей, циклических тепломассообменных процессов в дисперсных материалах включает совокупность теплофизических, массообменных характеристик и данных по фазовому состоянию поровой влаги при отрицательных температурах. При этом тепломассообменные свойства дисперсных материалов испытывают значительные количественные изменения при переходе через температуру начала замерзания и в диапазоне температур фазовых превращений порового раствора и воды, связанной поверхностными силами минеральных частиц грунтов и дисперсных материалов. Эти изменения и криогенная текстура, появляющаяся в результате циклов замораживания-оттаивания требуют разработки новых методов исследования тепломассообменных свойств, учитывающих происходящие изменения.

В трудах выдающихся советских теплофизиков А.В. Лыкова, А.Ф. Чудновского и их многочисленных учеников заложены основы учения о тепло- и массообмене в дисперсных, капиллярно-пористых средах ^{[1, 2, 3, 4]}. Теория тепло-массопереноса, применительно к мерзлым и протаивающим горным породам криолитозоны, развита в работах Н.С. Иванова ^{[5, 6, 7]}, Э.Д. Ершова ^{[8, 9]}, А.П. Порхаева ^[10], А.В. Павлова ^[11] и др. В последние годы на эту тему защитили докторские диссертации В.Г. Чеверев ^[12], И.А. Комаров ^[13], Р.И. Гаврильев ^[14], А.М.Тимофеев ^[15], Е.Г.Старостин ^[16].

Изучение процессов тепло- и массообмена в грунтах и горных породах при промерзании и протаивании, а также разработка методов целенаправленного воздействия на эти процессы возможны лишь при наличии систематизированных данных об их тепломассообменных свойствах в диапазоне естественного изменения физических параметров.

Все разнообразие дисперсных материалов можно объединить в три основные категории, характеризующиеся определенными закономерностями тепло- и массообмена;

– Мелкозернистые материалы, обладающие высокоразвитой поверхностью раздела, значительным содержанием связанной воды, которая замерзает в диапазоне температур фазовых переходов лед-вода. Типичными представителями таких материалов являются глинистые и порошковые;

– Крупнозернистые материалы со сравнительно слабо развитой поверхностью раздела и незначительным содержанием связанной воды. Фазовые переходы поровой воды в таких средах происходят при определенной температуре. К таким средам относятся крупнозернистые пески, галечниково-щебенистые и измельченные материалы;

– Крупнообмолочные материалы, содержание связанной и свободной воды в которых незначительно. Фазовые переходы поровой воды в таких материалах не имеют существенного значения, а процессы теплообмена как при положительных, так и при отрицательных температурах протекают идентично.

В настоящее время более подробно изучено влияние циклических криогенных воздействий на структуру дисперсных сред ^{[9, 17]}, а о влиянии их на тепломассообменные характеристики дисперсных сред имеются разрозненные малочисленные данные. В связи с этим в данном докладе приводятся собственные результаты экспериментальных исследований изучения влияния циклов замораживания-оттаивания на тепломассообменные характеристики техногенных грунтов, проведенных в Институте физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН ^[18-22].

На рис. 1 показана зависимость плотности смеси песчаных и глинистых грунтов от содержания глинистой составляющей (Г).

Рис. 1. Зависимость плотности смеси грунтов

от содержания глинистой составляющей (Г).

Наибольшая для всех смесей грунтов плотность достигается при содержании глинистой составляющей, равной около 20% (см. рис. 1). Это хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей, которые свидетельствуют о том, что экстремальные значения физических свойств зернистого материала наблюдаются в смесях из 70% крупных частиц и 30% мелкозернистого заполнителя. Так, например, на рис. 2 показана

Рис. 2. Зависимость теплопроводности сухой смеси грунтов

от содержания глинистой составляющей (Г).

экспериментально найденная зависимость теплопроводности сухой смеси, которую можно достичь для данной смеси уплотнением, от концентрации глинистой составляющей Г имеет ярко выраженный максимум при Г=20-40 %.

На рис. 3 приведены результаты исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на теплофизические свойства техногенных грунтов.

Рис. 3. Изменение теплопроводности естественного грунта в результате

воздействия циклов замораживания-оттаивания.

· – l до замораживания; ´ – l после циклов замораживания.

Результаты этих работ показывают, что значения теплопроводности горных пород в талом состоянии после замораживания и оттаивания уменьшается по сравнению со значением до замораживания. Наибольшее уменьшение теплопроводности наблюдается после первого цикла замораживания-оттаивания. В последующих циклах замораживания-оттаивания существенного уменьшения теплопроводности не наблюдается, хотя тенденция к уменьшению сохраняется.

Для определения коэффициента фильтрации использовался фильтрационный прибор Ф-1М. Основные детали прибора – пьезометр и одометр.

При вырезании образцов грунта обоймой с режущим краем из монолита, а так же в результате воздействия циклов замораживания-оттаивания глинистого грунта в обойме одометра, между стенкой обоймы и образцом грунта может образоваться зазор. Просачивание части воды через него приводит к ошибке определения коэффициента фильтрации. Чтобы исключить ее были изготовлены специальные перфорированные диски с режущим кольцом, диаметр которого меньше внутреннего диаметра обоймы. При сборке одометра, кольцо вдавливалось в образец и изолировало приконтактную зону.

В глине и ее смесях с песком в результате замораживания-оттаивания коэффициент фильтрации возрастает до 10-7-10-6м/с, т.е. изменяется на 2-3 порядка по сравнению с таковым непромороженного материала.

Определяющее влияние на изменение величины коэффициента фильтрации оказывает первый цикл замораживания-оттаивания. После него происходит кардинальная перестройка структуры глинистого материала, появляются широкие плоские капилляры, которые и становятся основными проходами для воды. Последующие три цикла увеличивают коэффициент еще в 3-4 раза, т.е. перестройка структуры глинистого дисперсного материала продолжается при последующих циклах замораживания-оттаивания. На величину изменения коэффициента фильтрации воздействует начальная влажность глинистого грунта.

Влияние состава песчано-глинистой смеси на величину коэффициента фильтрации видно на рис. 4.

Рис. 4. Влияние воздействия циклов замораживания - оттаивания

на коэффициенты фильтрации

D – без замораживания при нижнем пределе пластичности; ¡– без замораживания при верхнем пределе пластичности; o – после циклов замораживания - оттаивания при нижнем пределе пластичности; l – после циклов замораживания - оттаивания при верхнем пределе пластичности

Две нижние линии графика соответствуют зависимости коэффициента фильтрации от содержания глинистой составляющей смеси при влажностях, соответствующих нижнему и верхнему пределам пластичности дисперсного материала. Две верхние линии показывают величину коэффициента фильтрации песчано-глинистых смесей, подвергнутых циклам замораживания-оттаивания при влажностях, близких к верхнему и нижнему пределам пластичности. Подробно о влиянии циклов замораживания-оттаивания на тепломассообменные свойства техногенных грунтов изложено в монографии А.В. Степанова «Тепломассообменные свойства техногенных грунтов криолитозоны» ^[19].

Выводы

Установлены определяющие зависимости теплофизических свойств песчано-глинистых техногенных грунтов от их влажности, температуры и содержания глинистой составляющей.

Изучено влияние циклов замораживания-оттаивания на тепломассообменные свойства песчано-глинистых техногенных грунтов в зависимости от влажности и глинистой составляющей. Установлено уменьшение теплопроводности песчано-глинистых техногенных грунтов до 30%, увеличение коэффициента фильтрации до значений 10-6 м/с, а коэффициента диффузии – на 2-3 порядка в результате влияния циклов замораживания-оттаивания.