2.Геокриологическое районирование.

Экзаменационный билет № 18

1. Природа и механизм миграции влаги в дисперсных породах: относительный термодинамический потенциал, дифференциальная влагоемкость грунта.

Перемещение влаги в водонасыщенных дисперсных породах характеризуется сложным механизмом переноса массы и многообразием движущих сил влагообмена, применительно к геокриологическим задачам. Наибольший интерес представляют вопросы миграции связной капиллярной воды и пара. причиной миграции воды и пара в дисперсных породах является неравномерное состояние системы "влага-грунт", вызываемое изменением во времени и в пространстве термодинамических параметров (температура, давление, конвекция ионов, влажность, электрические, магнитные, гравитационные потенциалы). Измерить непосредственно движущиеся силы каждого из механизмов в отдельности не всегда возможно. Этим, в частности, объясняется стремление найти единую силу, более или менее полно учитывающую совокупное действие отдельных составляющих миграционного потока. В результате стал развиваться энергетический (термодинамический) подход к массопереносу в коллоидных капиллярно-пористых телах, к которым относится и грунтовая система.

Вся вода в грунтах, исключая свободную, удерживается за счет свободной поверхностной энергии минерального скелета породы Е_п . При взаимодействии минералов с водой часть энергии Е_п затрачивается на связывание ионов двойного электрического слоя и молекул воды. Разность Е_п- Е_в= Е_н представляет собой часть неизрасходованной на взаимодействие с водным раствором свободной поверхностной энергии грунтовой системы. Очевидно, что основной движущей силой влагопереноса по жидкой фазе (то есть миграции влаги в грунтах) является grad Е_н , то есть градиент этой энергии. Под Е_н понимается величина удельной свободной энергии Гиббса, которую нередко называют абсолютным химическим, или изобарно-изотермическим потенциалом для связанной воды . Учитывая, что абсолютные значения величин многих термодинамических функций не определимы, отыскивается не абсолютный, а относительный термодинамический потенциал связанной воды . При этом - абсолютный химический потенциал для свободной воды, а так как , то имеет отрицательный знак.

Относительный термодинамический потенциал грунтовой влаги наиболее полно отражает величину понижения энергии свободной воды при ее взаимодействии с твердым телом. Он представляет собой работу, которую нужно совершить, чтобы обратимо и изотермически перевести 1 г свободной воды в связанную влагу. Потенциал влаги, характеризующий энергию связи воды в грунтовой системе с помощью взятой с обратным знаком работы, измеряется в единицах работы, отнесенной к единице массы воды (например, Дж/кг, Дж/моль).

Потенциал грунтовой влаги зависит от влагосодержания породы (W_об, г*см^-3). По аналогии с объемной теплоемкостью для температурного поля А. В. Лыковым было введено понятие объемной или дифференциальной влагоемкости грунта C_w, которая показывает, какое количество воды необходимо добавить в грунт, чтобы изменить значение потенциала воды на единицу. Она является переменной величиной, зависящей от потенциала грунтовой влаги, состава, структурно-механических особенностей дисперсной породы, и определяется по соотношению , где Т - температура по кельвину.

С потенциалом влаги связано введенное Б. В. Дерягиным понятие расклинивающего давления тонких пленок связанной воды Р_Р, которое представляет собой перепад давления при переходе через плоскую межфазную поверхность от жидкости, находящейся в тонком слое, к воде, граничащей с ним.

В том случае, если Р_Р по абсолютному значению окажется больше, чем силы взаимодействия между двумя минеральными частицами и внешней нагрузки на них, то они будут отдаляться друг от друга за счет расклинивающего действия пленочной воды, которая мигрирует под действием поверхностных сил минеральных частиц.