Свойства воды в талых и мерзлых грунтах
Изучение вопроса об искусственном засолении грунтов как способе улучшения их разрабатываемости и уплотняемости при отрицательных температурах невозможно, если нет ясного представления о физических явлениях и процессах, происходящих в промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах. Все эти явления и процессы тесно связаны с изменением состояния воды, находящейся в порах грунта, свойства которой в значительной степени предопределяют свойства грунта.
Кристаллическая решетка минералов, из которых состоят частицы грунта, образуется атомами химических элементов. У большинства атомов, находящихся внутри кристаллической решетки, положительно заряженные ядра уравновешены отрицательно заряженными электронами. Потеря или присоединение к нейтральному атому одного или нескольких электронов делают атом положительно или отрицательно заряженным ионом.
На поверхности частиц грунта минералы часто имеют неполностью уравновешенные атомы, так как внешние электрические заряды остаются свободными. Поэтому частицы грунта ведут себя как заряженые тела. Физические и химические проявления заряда определяют поверхностную активность минеральных частиц.
Поверхностная активность сильно проявляется во взаимодействии с молекулами воды, имеющими положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы кислорода. Это взаимодействие приводит к притяжению ориентированных дипольных молекул воды к поверхности минеральных частиц.
Электромолекулярные силы притяжения огромны, но по мере удаления от поверхности грунтовой частицы они быстро убывают до нуля. Под действием этих сил молекулы воды адсорбируются поверхностью частиц грунта и, в свою очередь, притягивают другие слои молекул, образуя гидратные оболочки вокруг; минеральных частиц.
Первый слой молекул воды притягивается поверхностью твердой частицы силами, достигающими тысяч и даже десятков тысяч килограммов на 1 см2. Последующие слои воды испытывают также большие силы взаимодействия, поэтому они оказываются прочно связанными с поверхностью частиц так, что их не удается отделить даже центрифугированием, развивающим силы, в десятки тысяч раз превосходящие силу тяжести.
Эти слои молекул воды (обычно несколько десятков рядов) составляют связанную воду. В свою очередь, связанная вода ориентирует прилегающие к ней молекулы воды в пределах некоторой оболочки, называемой диффузной. Иногда диффузную оболочку называют ориентированной, или рыхлосвязанной водой. Только за пределами диффузной оболочки находится свободная вода без электрохимических сил взаимодействия, развивающихся по поверхности твердых частиц грунта.
По свойствам прочно связанную воду следует рассматривать как находящуюся в особом, твердом состоянии, так как ее молекулы не обладают подвижностью и ориентированы в строгом порядке в виде цепочек. Удельный вес этой воды существенно больше 1 г/см3. Вязкость связанной воды резко возрастает с уменьшением толщины ее пленки.
В наибольшей степени свойства связанной воды отражаются на дисперсных грунтах, состоящих из большого количества мелких глинистых и коллоидных частиц и имеющих большую удельную поверхность установлено, что, температура начала замерзания воды в грунтах в основном зависит от толщины водных пленок, а также от наличия солей в растворенном виде. Различным по гранулометрическому составу грунтам при невысокой их влажности соответствуют неодинаковые значения температуры начала их замерзания.
Песок, супесь обычно имеют температуру начала замерзания около нуля. У суглинков, глин эта температура может быть значительно ниже, если они не содержат свободную воду.
Однако при температуре начала замерзания грунта не вся вода превращается в лед: значительная часть диффузной оболочки и связанная вода остаются в незамерзшем состоянии. Эту воду называют незамерзшей водой. По мере понижения температуры грунта замерзает все большее и большее количество воды за счет перехода в лед все новых и новых слоев гидратной оболочки. Количество незамерзшей воды, содержащейся в. грунте, при этом уменьшается.
Если вода, заключенная в порах грунта, содержит в растворенном виде соли и грунтовый раствор имеет относительно высокую концентрацию, то температура начала замерзания грунта существенно понижается.
При понижении же температуры засоленного грунта ниже температуры начала замерзания часть воды будет переходить в твердое состояние — лед. За счет этого возрастает концентрация грунтового раствора. Поэтому замерзанию дальнейших порций воды будет препятствовать повышенная концентрация раствора. Следовательно, количество незамерзшей воды в засоленных грунтах будет больше, чем в незасоленных.
Количество незамерзшей воды зависит от гранулометрического состава, температуры, свойств твердых частиц грунта, внешнего давления, концентрации и химического состава грунтового раствора.
Явления, происходящие в грунтах при промерзании
Явления, происходящие при промерзании грунтов в природных условиях, зависят от электрохимических сил взаимодействия, развивающихся между поверхностями твердых частиц и молекулами воды, а также различных по природе сил, появляющихся вследствие перехода части воды в лед.
В процессе промерзания грунта могут развиваться следующие явления:
1) замерзание части воды, содержащейся в порах грунта, у границы промерзания, обычно при температуре начала замерзания;
2) замерзание части воды диффузной оболочки и связанной воды по мере понижения температуры грунта ниже температуры начала его замерзания;
3) увеличение объема воды, переходящей в твердое состояние — лед при температуре начала замерзания грунта;
4) увеличение объема связанной воды и воды диффузных оболочек, замерзающих в толще уже мерзлого грунта при понижении его температуры;
5) миграция влаги к фронту промерзания в глинистых и пылеватых грунтах и, как правило, от фронта промерзания в водонасыщенных крупнозернистых грунтах;
6) изменение объема твердых частиц и льда при понижении температуры.
Первые пять явлений могут сопровождаться увеличением объема грунта — пучением. Миграция же влаги к фронту промерзания приводит к образованию включений льда в виде прослоек линз, гнезд и т. п.
В зависимости от способности грунтов к пучению различают три их состояния:
непучинистое, соответствующее случаю, когда при промерзании грунт в естественных условиях не увеличивается в объеме;
слабопучинистое, когда увеличение объема грунта происходит за счет изменения объема воды, переходящей в лед; при этом возможно некоторое отжатие воды от фронта промерзания;
пучинистое, сопровождающееся миграцией влаги к фронту промерзания.
При пучинистом состоянии увеличение объема грунта происходит преимущественно за счет увеличения его влажности на данном горизонте вследствие миграции воды из нижних слоев. Кроме того, увеличение объема грунта происходит за счет изменения объема воды, переходящей в лед. Чаще всего при миграции воды к фронту промерзания в грунте образуются заметные на глаз указанные выше включения льда.
В зависимости от характера включений льда, образовавшихся в грунте при его промерзании, различают следующие три текстуры мерзлого грунта:
массивную, характеризующуюся наличием только льда- цемента, то есть кристаллов льда, относительно равномерно распределенных в порах грунта без заметного нарушения однородности. Массивная текстура образуется при непучинистом или слабопучинистом состоянии грунта. При образовании массивной текстуры кристаллы льда либо совершенно не нарушают первоначального сложения грунта, либо лишь местами незначительно раздвигают минеральные частицы;
слоистую, сопровождающуюся включениями льда преимущественно в виде прослоек и линз различной мощности — от долей миллиметров до нескольких сантиметров. Эти включения при слоистой текстуре располагаются более или менее взаимно параллельно; сетчатую, для которой также характерно наличие прослоек льда, но расположенных в виде пространственной сетки взаимно пересекающихся ледяных включений.
При образовании одной из двух последних текстур резко нарушается первоначальное сложение грунта. Такие грунты при оттаивании уменьшаются в объеме за счет вытаивания включений льда и отжатия части образовавшейся при этом воды из пор грунта.
Природа миграции воды к фронту промерзания в полной мере не раскрыта. В общем случае влага мигрирует в жидком виде, а также, если грунт не водонасыщен, — в газообразном.
Основная миграция влаги, приводящая к образованию относительно крупных включений льда, происходит за счет сил, развивающихся как около мест образования кристаллов льда, так и в некоторой зоне ниже этого места.
Силы, приводящие к миграции воды, в различных грунтах проявляются неодинаково. Наибольшие силы у фронта промерзания развиваются в мелкодисперсных грунтах (глины, суглинки). В пылеватых грунтах они меньше, а в песках развиваются даже отрицательно направленные силы (силы отжатия). Поэтому на первый взгляд кажется, что чем меньше размеры частиц грунта, тем большее количество воды должно мигрировать при одинаковых условиях промерзания.
Однако в натуре в ряде случаев этого не наблюдается. Для развития процесса миграции влаги необходимы не только большие силы всасывания, но и малое сопротивление грунта перемещению воды из подстилающих слоев. Эти слои в данном случае могут условно рассматриваться как питающий резервуар. Поэтому пучение грунта зависит также от его фильтрационных способностей и запаса влаги в подстилающих слоях.
Наибольшим пучением обладают слоистые глины (например, ленточные глины и суглинки озерно-ледникового происхождения) и пылеватые грунты (супеси, легкие суглинки). При этом, конечно, предполагается, что указанные грунты водонасыщены и уровень грунтовых вод находится на небольшой глубине.
В качестве примера можно указать, что ленточные глины при промерзании часто увеличиваются в объеме на 20% и более.
На строительстве одного жилого дома ленточная глина под фундаментом оказалась промороженной на 15 см. Вскрытие показало, что в слое мерзлого грунта имеются линзы льда мощностью до 25 мм. Общая мощность линз льда превосходила 50 мм.
Такое пучение неизбежно приводит к развитию значительных деформаций. Примером может являться деформация двухэтажного строящегося здания, в стенах которого раскрытие трещин достигло 250 мм при промораживании грунта на глубину 80 см под фундаментами.
Еще большие деформации, иногда приводящие к обрушениям конструкций, наблюдаются при оттаивании грунтов, замерзание которых сопровождалось пучением. Этих деформаций можно избежать, если принять меры, предупреждающие промерзание грунтов под фундаментами и около них, в частности, путем их засоления.
Механическая прочность мерзлых грунтов
Форма и размер кристаллов льда, ориентация их, пространственное соотношение с минеральным скелетом и количественное содержание в грунте незамерзшей воды в значительной степени обуславливают прочностные и деформативные характеристики мерзлых грунтов.
Многое сделано в области познания процессов, происходящих при разработке мерзлых грунтов различными землеройными машинами. Созданы теоретические основы разрушения мерзлых грунтов различными методами - резанием, динамической (ударной) нагрузкой, вибрирующими органами и виброударным способом.
Большое значение для оценки разрабатываемости мерзлых грунтов имеют удельные энергоемкости скола и резания.
Однако для оценки трудности разработки и уплотнения искусственно засоленных грунтов при отрицательных температурах можно воспользоваться величиной временного сопротивления сжатию, которое в конечном счете завершается сдвигом отдельных частиц грунта. Это сопротивление для мерзлых грунтов может быть в десятки раз больше, чем для грунтов, находящихся в незамерзшем состоянии.
Главным фактором, определяющим прочность мерзлых грунтов при сжатии, является значение их отрицательной температуры. Чем ниже температура, тем временное сопротивление сжатию больше, так как с понижением температуры происходит уменьшение количества незамерзшей воды, а также увеличиваются цементационные связи льда.
Для дисперсных мерзлых грунтов в зависимости от их влажности — льдистости, существует определенный максимум предела прочности при сжатии.
Существенными факторами, влияющими на прочность мерзлых грунтов при сжатии, являются гранулометрический и минералогический составы. У крупнодисперсных грунтов — песков временное сопротивление сжатию при одной и той же отрицательной температуре значительно выше, чем у мелкодисперсных — глин и суглинков. Если временное сопротивление сжатию температуре — 10 градусов для глин составляет 30—50 кг/см2, то для песков оно может достигать 120 кг/см2 и более. Это согласуется с теорией равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах и объясняется тем, что глины при этой температуре содержат значительно большее количество незамерзшей воды, чем пески.
На величину сопротивления грунтов сжатию влияют скорость приложения нагрузки и продолжительность ее действия.
Мгновенное сопротивление мерзлых грунтов внешним силам достаточно велико и измеряется величиной порядка десятков, а иногда даже не сколько более сотни килограммов на 1 см2. При постоянно действующих же нагрузках мерзлые грунты разрушаются при значительно меньших напряжениях. Время от начала загружения до момента разрушения будет тем больше, чем меньше нагрузка. При длительном действии нагрузок сопротивление мерзлых грунтов внешним силам уменьшается за счет ослабления структурных и льдо-цементных связей. Эта особенность мерзлых грунтов обусловлена главным образом наличием в них незамерзшей воды и пластическими свойствами льда. Наиболее существенно она сказывается в области значительных фазовых переходов.
Прочность мерзлых грунтов функционально связана с временем действия постоянной нагрузки. Эта связь близка к логарифмическому закону. Однако кривые, построенные по экспериментальным данным, отличаются от теоретически вычисленных, когда грунт принят за идеально упруго-вязкое тело.
Если для целей фундаментостроения необходимо знать сопротивление грунта сжатию в течение длительного промежутка времени, то при разработке мерзлых грунтов или уплотнении в земляных сооружениях зимой, наоборот, очень важной характеристикой будет являться сопротивление грунта действующей нагрузке в течение короткого промежутка времени.
Наличие водорастворимых солей в грунте существенно может изменить отмеченные выше закономерности.
Сущность способа искусственного засоления грунтов
Известно, что присутствие в воде растворенного вещества понижает точку ее замерзания. При этом чем больше концентрация раствора, тем ниже точка замерзания.
При замерзании ненасыщенных растворов сначала переходит в лед растворитель, с выделением которого концентрация раствора увеличивается, вследствие чего температура его замерзания не остается постоянной, а постепенно понижается. Такое понижение температуры замерзания раствора происходит до определенного предела, называемого точкой выделения эвтектики, при которой одновременно переходят в твердое состояние как растворитель, так и растворенное вещество. Образование эвтектической смеси в растворах наблюдается при строго определенных значениях температуры и концентрации раствора.
Известно, что получить абсолютно чистые соли весьма затруднительно. Поэтому в литературных источниках для одной и той же соли можно встретить различные значения эвтектических характеристик.
Объяснить явление понижения температуры замерзания растворов по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя можно на основании молекулярно-кинетической теории. Согласно этой теории точка замерзания раствора или воды определяется температурой, при которой одновременно существуют жидкая и твердая фазы данного вещества. Это имеет место только тогда, когда давление пара твердой и жидкой фаз оказывается одинаковым. Давление же насыщенного пара над любой жидкостью зависит от числа молекул, вылетающих при испарении с ее поверхности в единицу времени. Поскольку в растворе, в отличие от чистого растворителя, часть его свободной поверхности представлена молекулами нелетучего вещества, то оказывается, что число молекул, покидающих в единицу времени поверхность раствора при отрицательной температуре, будет меньше, чем при тех же условиях у чистого растворителя. По этой причине давление пара раствора понижается по сравнению с давлением пара растворителя, вследствие чего и температура замерзания раствора оказывается ниже, чем чистого растворителя, причем тем ниже, чем концентрированнее раствор.
В природных условиях влага в грунтах обычно представлена грунтовым раствором, содержащим то или иное количество соли, заимствованное непосредственно от минеральных частиц или принесенное грунтовыми водами.
Путем искусственного увеличения содержания в грунте водорастворимых солей можно повысить концентрацию грунтового раствора и понизить тем самым температуру замерзания грунта.
После добавления в грунт соли происходит ее растворение в грунтовой воде. Так как прочносвязанная вода не вступает в химические соединения, то надо полагать, что в процессе образования раствора участвуют преимущественно свободная вода и
вода диффузных оболочек, причем концентрация образующегося в грунте раствора будет зависеть от количества внесенной в него соли и содержания двух последних категорий воды. С введением в грунт нового химического вещества происходят физико-химические изменения, связанные с обменом катионов, гидратацией, изменением дисперсности — диспергацией, пептизацией и другими явлениями. Эти явления зависят в основном от количества и активности элемента, вводимого в грунт, влажности, дисперсности грунта и его минералогического состава.
В большинстве случаев глины и суглинки обычно насыщены кальцием и магнием, то есть в составе обменных катионов в этих грунтах присутствуют указанные двухвалентные катионы. Такие грунты обладают выраженной микроструктурой. При насыщении этих грунтов солью, содержащей сильно гидратированные одновалентные катионы, как, например, катионы натрия, происходит вытеснение и замещение последними склеивающих катионов кальция и магния. В результате такого замещения микроагрегаты распадаются на мелкие частицы глинистых минералов. Вокруг оставшихся катионов электролита образуются оболочки из связанной воды. Таким образом, в грунте оказывается большее количество связанной воды, чем ее было до введения соли.
Если грунт не содержит кальция, магния или других каких-либо катионов, то под влиянием электрических зарядов ионов электролитов, введенных в грунтовую воду, дипольные молекулы последней ориентируются вокруг этих ионов, образуя как бы новые гидратные оболочки, связанные уже силами притяжения с ионами электролитов. В результате такой диссоциации нарушаются прежняя связь молекул воды и взаимное расположение их по отношению к минеральным частицам. Вследствие этого часть молекул грунтового раствора оказывается связанной силами взаимодействия с ионами электролита, а часть — с минеральными частицами.
Чем выше концентрация электролита, введенного в грунт, тем сильнее проявится его дезориентирующее действие в зоне
диффузных оболочек и тем большее количество молекул перейдет из сферы связи с минеральными частицами в сферу связи с ионами электролита. При некоторой концентрации раствора вода диффузных оболочек может полностью перейти под влияние ионов электролита, и под действием сил минеральных частиц останется только прочносвязанная вода. Это также приведет к понижению температуры замерзания грунтов.
Наряду с перечисленными явлениями при засолении грунтов будет иметь место действие сорбционных сил минеральных частиц. Притягивающее и удерживающее их действие по отношению к молекулам электролита будет проявляться также в зависимости от суммарной поверхности частиц — дисперсности грунта. Существенное значение в данном случае будет иметь фильтрационная способность грунта.
В мелкодисперсных грунтах, обладающих слабой фильтрацией, водорастворимая соль будет находиться значительно дольше, чем в хорошо фильтрующих крупнозернистых.
Проникновение соли в грунты
При искусственном засолении грунтов процесс перераспределения соли в массиве грунта имеет весьма важное значение. Зная развитие этого процесса во времени, можно устанавливать расчетом необходимую концентрацию грунтового раствора на различных расстояниях от места засоления.
Водорастворимая соль, введенная в грунт в кристаллическом виде, постепенно растворяется грунтовой водой, и в связи с этим резко повышается концентрация грунтового раствора. Вследствие наличия градиента концентрации возникает осмотическое давление, приводящее к развитию процессов диффузии.
Процесс диффузного перемещения молекул соли в грунте происходит в направлении убывания концентрации грунтового раствора. Одновременно под действием осмотических сил вода незасоленного грунта как растворитель перемещается в сторону большей концентрации раствора. В результате такого взаимного перемещения частиц растворенного вещества и растворителя концентрация грунтового раствора в засоленной части грунта уменьшается, а в незасоленной, наоборот, увеличивается. Это приводит к постепенному уменьшению осмотических сил.
Существенное влияние на характер диффузного процесса имеет температурный градиент, под действием которого вода перемещается в сторону более низкого значения температуры.