1400

Отметим, что были предложены и другие теории миграции вла­ ги в промерзающих грунтах, базирующиеся на иных предпосылках: теория химического потенциала (И. А. Тютюнов, 1959 г. и др.), со­ гласно которой миграция воды в промерзающих грунтах является функцией свободной энергии поверхности минеральных частиц или их изобарного потенциала; молекулярно-кинетическая теория, в

основу которой положены представления о структурных особенно­ стях воды в тонких пленках и капиллярах (А. А. Ананян, 1959 г.); теория адсорбционных давлений полностью водонасыщенных грун­ тов с использованием эмпирического уравнения Таммана — Бридж­

сорбционно-пленочная теория, основанная на совокупном действии нескольких процессов (Бесков, 1936 г.; А. П. Боженова, 1957 г.; В. О. Орлов, 1962 г.; Юмикис, Хекстра, 1960 г. и др.). Согласно современным представлениям, особенности воды в пленках различ­ ной толщины, обусловленные воздействием активных центров по­ верхности минеральных частиц, вызывают движение воды из тол­ стых пленок с более подвижными молекулами к тонким пленкам.

Наконец, в последнее время довольно широкое применение на­ чинают приобретать феноменологические теории миграции влаги в грунтах, базирующиеся на математически строгом дифференциаль­

Отметим, что И. А. Золотарь впервые решил задачу влагопроводности в промерзающих грунтах с учетом заданного закона дви­ жения фронта промерзания при глубоком залегании грунтовых вод.

Н. А. Пузаков ** при разработке расчета накопления влаги в промерзающих грунтах принял, что градиент давления в связанной воде прямо пропорционален градиенту содержания незамерзшей воды, который в свою очередь пропорционален величине отрица­ тельной температуры, и на основе сделанных предпосылок о сум­ марном действии адсорбционно-кристаллизационных, диффузных и расклинивающих сил определил «расчетную всасывающую силу», а по ней и приток воды в промерзающий слой грунта. Следует, од­ нако, заметить, что методика определения некоторых характеристик для зоны фазовых превращений воды, например коэффициента влагопроводности, в настоящее время недостаточно разработана, что затрудняет использование полученных решений.

Г.М. Фельдман*** решил задачу о миграции влаги в промерзаю­

*См. сноски * 2 и 3 на стр. 50.

щих грунтах на основе теории тепло- и массопроводности А. В. Лы­ кова для условий ритмического движения фронта промерзания (что соответствует явлениям промерзания, наблюдаемым в .природ­

оценке их значимости), не вносящие, однако, недопустимых погреш­ ностей, довел расчеты для нескольких наиболее важных для прак­ тики случаев до числовых величин, сравнение которых с результа­ тами наблюдений в натуре дает вполне сопоставимые результаты.

Из изложенной весьма краткой характеристики основных тео­ рий миграции влаги в промерзающих грунтах вытекает, что про­ цесс миграции воды в грунтах является весьма и весьма сложным природным явлением, обладающим в известной мере большой общностью, отдельные стороны которого уже е успехом описыва­ ются теми или иными полученными зависимостями, но интеграль­ ная теория миграции влаги в промерзающих грунтах в общем виде еще не разработана. Поэтому в следующем параграфе рассмотре­ ны результаты непосредственных измерений перераспределения влажности в промерзающих и мерзлых грунтах и специальных опытов по изучению ее миграции при промерзании грунтов.

§ 2. О распределении влажности в промерзающих грунтах

Исследования распределения влажности в промерзающих грун­ тах в различные промежутки времени от начала замерзания были впервые поставлены еще в конце XIX в. русскими агро-почвоведа­ ми. Так, Г. Я- Близнин * приводит экспериментальные данные о пе­ рераспределении влажности в почве до глубины ПО см и констати­ рует, что за месяц (с 27/1 по 28/11) влажность в верхних горизонтах почвы увеличилась на 1,9—11%, а в нижних слоях уменьшилась на 0,3—1,6%.

Ф. В. Чириков и А. Малюгин **, наблюдая распределение влаж­ ности в почве в процессе замерзания и оттаивания, установили, что на глубине 0—5 см влажность увеличивалась почти в 2 раза, а на глубине 5—10 см — в 1,5 раза по сравнению с начальной влаж­ ностью (до начала замерзания); при этом они считали, что пере­ движение влаги из более глубоких горизонтов происходило в па­ рообразном состоянии. Таким образом, уже в начальный период исследования была зафиксирована миграция влаги в промерзаю­ щей почве к поверхности промерзания. Однако в 1927 г. Н. А. Качинский*** на основании своих полевых наблюдений утверждал, что влажность при замерзании фиксируется морозом. Он пишет:

* Г. Я. Б л и з н и н. Влажность почвы по наблюдениям Елисаветградской метеорологической станции 1887—1889 гг. СПб. 1890.

** Ф. В. Ч и р и к о в и А. М а л ю г и н. Ход влажности в подзолистой поч­ ве при замерзании и оттаивании. «Научно-агрономический журнал», JSfe 1, 1926.

«Приходящие морозы механически задерживают дальнейшее про­ движение воды и фиксируют ту картину ее залегания, какая наблю­

дается в последний момент перед замерзанием».

Специально поставленными опытами М. И. Сумгин * с исчерпы­ вающей полнотой доказал факт миграции влаги в промерзающих грунтах, а не ее фиксации.

поверхности охлаждения, при этом после промерзания в верхней части образцов образовались значительные прослойки льда, а влажность образцов в нижней части уменьшилась в среднем с 25,5 до 16,8%..С. Тебер, на основе изучения процесса перераспределе­ ния влаги при замерзании грунтов, предложил разделять замерза­ ющие системы на два класса: закрытые (или замкнутые), в кото­ рых происходит перераспределение имеющейся влаги, и открытые с наличием подтока воды извне. Это подразделение замерзающих грунтовых систем стало общепринятым.

В дальнейшем, в СССР многие исследователи посвятили свои работы изучению миграции влаги в промерзающих грунтах (А. Е. Федосов, А. П. Боженова, В. И. Морошкин, Н. В. Орнатский,

С. Л. Бастамов, А. Я. Тулаев, Н. А. Пузаков, М. Н. Гольдштейн

идр.). Отметим лишь результаты, наиболее существенные для дальнейшей разработки вопроса.

Так, А. Е. Федосов*** установил факт внутриобъемной усадки (компрессии) промерзающих глинистых грунтов и предложил при­ нимать влажность агрегатов между прослойками льда равной нижнему пределу пластичности (влажности на границе раскаты­ вания).

А. П. Боженова **** продолжила опыты М. И. Сумгина и С. Тебера и обнаружила различный эффект миграции воды в глинах и песках: глины увеличивали свою влажность в направлении к фрон­ ту промерзания (при средней влажности образца глины в 63,9% —

шил влажность (с 18,6% для низа образца до 16,9% для верха при средней влажности в 17,3%).

Последний факт требовал разъяснения, так как практически было очень важно установить, происходит ли при искусственном промораживании песчаных грунтов скважинами накопление льда или отжатие воды и при каких условиях. Этот вопрос по заданию

них жидкой фазы. Труды ИГН АН СССР, вып. 4, 1940.

А. П. Б о ж е н о в а . Некоторое развитие опытов Тебера по пучению грунтов. Труды ГИН АН СССР, вып. 22, 1940.

Комитета содействия строительству гидростанций СССР был под­ робно исследован автором *.

Было установлено, что в водонасыщенных песках при наличии хотя бы в одном направлении свободного оттока воды (дренирова­ ния) не происходит миграции воды к фронту промерзания, а на­ блюдается ее отжатие, вследствие чего пористость замороженных водонасыщенных песков остается практически неизменной (изме­ нения меньше 0,2%). При отсутствии же дренажа, например в ус­ ловиях всестороннего замораживания, наблюдалось увеличение пористости замороженного водонасыщенного песка в отдельных го­ ризонтах до 4%.

Для дисперсных глинистых грунтов напор воды, возникающий при росте кристаллов льда, вследствие большого внутреннего со­ противления фильтрации погашается на очень небольшом расстоя­ нии от фронта промерзания, но продолжает действовать кристал­ лизационно-пленочный механизм миграции воды.

Изучению вопроса об основном механизме миграции и оценке значимости отдельных механизмов миграции воды в дисперсных грунтах при их промерзании была посвящена специальная работа, выполненная в лаборатории Института мерзлотоведения АН СССР

под руководством автора **.

Эти исследования показали, что в процессе миграции влаги в промерзающих грунтах основное значение имеют адсорбционные силы минерального скелета, обсловливающие «кристаллизацион­ но-пленочный механизм» передвижения влаги к фронту промер­ зания.

Для изучения миграции воды при промерзании грунтов различ­ ного гранулометрического состава *** были применены цилиндры, разделенные вертикальной нетеплопроводной перегородкой на две половины: в одну половину помещали исследуемый грунт; во вто­ рую на различной высоте вставляли тонкие стеклянные трубки, засыпанные мелкой пробкой. В процессе промерзания водонасы­ щенных грунтов вода отжималась в стеклянные трубки, и объем мигрирующей воды мог быть замерен. Описанный опыт дал в бук­ вальном смысле слова очевидное доказательство миграции воды в промерзающих дисперсных грунтах преимущественно в жидкой фазе. Кроме того, опыты показали, что вода в полностью водона­ сыщенных грунтах всегда мигрировала из крупнозернистых грун­ тов в более дисперсные также преимущественно в жидкой фазе. Для грунтов же неводонасыщенных, но влажных миграция воды в полной мере обусловливалась кристаллизационно-пленочным меха­

вания механизмов передвижения* влаги в промерзающих грунтах. Сб. 3 «Мате­ риалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов». Изд-во АН СССР, 1957.

*** См. сноску **** на стр. 62.

Опыты С. Л. Бастамова * показали, что при частичном запол­ нении пор грунта водой, особенно при W <W V, миграция парооб­ разной влаги имеет место как постоянное явление. Однако, хотя накопление влаги по направлению к охлаждаемой поверхности про­ исходит весьма медленно (до 20—30 суток), оно может явиться причиной значительного увлажнения промерзающего неводонасы­ щенного грунта.

Наконец приведем данные о миграции незамерзшей воды в

от поверхности .равнялась: в декабре 25,9%; в январе 31,1 и в ап­ реле 41,2%'. Приведенные данные доказывают, что перераспределе­ ние влажности в мерзлом суглинке произошло главным образом за счет миграциинезамерзшей воды.

Для проверки возможности миграции незамерзшей воды в мер­ злых грунтах автором (1950 г.) был поставлен специальный лабо­ раторный опыт: монолит мерзлого подмосковного суглинка более суток .подвергался постоянному действию градиента отрицательных температур величиной около 1,7 град/см. Температура поверхности замороженного при —4,4° образца сильно увлажненного суглинка поддерживалась с одной стороны от —4,2 до —4,8°, с другой — от —20,2 до —21,2°. Распределение влажности в образце грунта до

трактующие процессы взаимодействия воды и поверхности алюмо­ силикатных систем на основании кристалло-химических представ­

ложена новая теория химического потенциала, в основном бази­ рующаяся на исследовании взаимодействия поверхности мине­

ральных частиц грунтов с поровой водой.

В настоящее время теория миграции влаги в грунтах развивает­ ся на основе молекулярно-кинетических представлений о структур­ ных особенностях воды в тонких пленках^ (А. А. Ананян, 1959 г.) ** и кристаллохимии силикатов (Г. Б. Бокий, 1961 г.) ***.

Выяснению роли физико-химических особенностей поверхности грунтов на процессы миграции влаги и льдовыделеиия посвящена работа 3. А. Нерсесовой в лаборатории Института мерзлотове­ дения им. В. А. Обручева АН СССР, начатая под руководством ав­

тора ****.

Изучались процессы миграции воды, льдовыделеиия и пучения при промерзании в условиях открытой системы в трех суглинках и в двух мономинеральных глинах в естественном состоянии и при насыщении различными обменными катионами:

Al3+, Fe3+, Са2+, Н+, Na+ и К+

Были исследованы: каолинитовая глина — глуховецкий каолин;

става обменных катионов на процесс миграции воды при промерза­ нии. Так на рис. 27 показан вертикальный разрез образцов глуховецкого каолина при насыщении их катионами

Fe3+, Са2+, Н \ Na+, К+

Из рис. 27 и 28 — графиков изменения весовой влажности образцов каолина после их промораживания видно, что наиболее ин­ тенсивная миграция воды при промерзании, льдовыделение и пуче­ ние наблюдаются у Fe-каолина (69,3% от начальной высоты об­ разца) и Са-каолина (70,7%), причем в начале опыта Fe-каолин показал несколько большее пучение по сравнению с Са-каолином;

минимальная же миграция воды, льдовыделение и пучение (до 8%) имели место у К-каолина.

* И . А. Т ю т ю н о в , 3. А. Н е р с е с о в а . П ри рода миграции воды в грунтах при промерзании и основы физико-химических прием ов борьбы с пучени­

Подведем кратко итог чисто экспериментально установленным фактам, определяющим миграцию воды в промерзающих грунтах и обусловливающим протекание ее во времени.

Прежде всего отметим, что миграция воды в промерзающих и мерзлых грунтах может протекать в трех физических состояниях:

парообразном, жидком и твердом.

Последний вид миграции воды, т. е. миграция в твердом состоя­ нии (в виде льда), по-видимому, может иметь место лишь как ре­ зультат чисто пластических течений льда. Однако «миграция» (точ­ нее перераспределение льда путем перехода его в воду и последую­ щего безпромедлительного замерзания) наблюдалась в мерзлых и вечномерзлых грунтах под действием лишь внешней нагрузки (опыты С. С. Вялова и др. в Игарке) *, а в природных условиях может проявляться в льдонасыщенных нижних толщах вечномерз­ лых грунтов, испытывающих значительные давления от веса выше­ лежащих слоев грунта. Действительно, как показывают соответст­ вующие расчеты, в точках контакта минеральных частиц и льда возникают значительной величины местные напряжения (давле­ ния), которые могут вызвать пластические течения льда, т. е. обус­ ловить его перераспределение в мерзлых и вечномерзлых грунтах. Для промерзающих же грунтов это явление не типично и нами здесь лишь отмечается.

Миграция воды в жидком и парообразном виде имеет место преимущественно в промерзающих грунтах.

Миграция в парообразном состоянии, как отмечалось ранее, имеет значение для грунтов с малой степенью водонасыщения, ког­ да поры лишь частично заполнены водой, что было подробно ис­ следовано А. Ф. Лебедевым ** для немерзлых грунтов, но выводы из этих исследований в полной мере можно применить и для нево­ донасыщенных замерзающих грунтов. Лебедев соответствующими опытами доказал, что миграция воды во влажных, неводонасыщен­ ных почвах и грунтах обусловливается перемещением водяного пара от мест с большей его упругостью к местам с меньшей упру­ гостью. При незначительной влажности грунта (меньшей макси­ мальной гигроскопичности) влага может передвигаться только в парообразном состоянии.

Условия передвижения влаги в замерзающих грунтах отличают­ ся от условий передвижения ее в грунтах немерзлых, во-первых, тем, что в замерзающих грунтах пары воды не только конденсиру­ ются в жидкость, но и превращаются непосредственно в лед, уве­ личивая льдистость грунта у фронта промерзания, во-вторых, тем, что миграция паров может происходить и при одной и той же тем­