Вода в твердом состоянии появляется в грунтах при отрицательных температурах, при которых гравитационная и часть связанной воды замерзают, образуя кристаллы льда или ледяные прослойки и жилы. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства мерзлых грунтов резко отличаются от свойств талых грунтов [24]. Изучением свойств мерзлых грунтов занимается особая наука – мерзлотоведение.
3.2 Влаго- и теплообмен в грунтах
Влагообмен в грунтах может осуществляться передвижением воды и диффузией пара.
Влияние диффузии пара значительно только тогда, когда она сопровождается испарением и конденсацией. Перемещение влаги в парообразном состоянии происходит благодаря наличию разности температур в грунтах из мест с большей упругостью пара в места с меньшей его упругостью. В летнее время перемещение парообразной влаги происходит из верхних, более нагретых слоев грунта, в нижние менее нагретые, а зимой, наоборот, из нижних слоев – в верхние, так как нижние слои грунта имеют температуру более высокую, чем верхние. Это приводит к увеличению влажности грунта на границе промерзания.
Передвижение воды в грунтах может осуществляться в виде фильтрации или миграции, или одновременно фильтрации и миграции.
Фильтрация воды связана с действием внешних сил, обычно гравитационных, а миграция – действием внутренних сил, обычно капиллярных и молекулярных.
Передвижение воды под действием сил тяжести происходит, в основном, в грунтах с крупными порами, где действием капиллярных и молекулярных сил незначительно, т.е. происходит передвижение свободной воды. Направление движения ее под действием сил тяжести всегда происходит в сторону более низких мест, а скорость передвижения в крупных порах более высокая, чем в мелких.
Передвижение воды под действием молекулярных сил происходит благодаря ослаблению действия последних. Это объясняется следующим образом. Когда влажность грунта выше максимальной его гигроскопичности, силы притяжения молекул
84
воды к поверхности грунтовых частиц ослабевают и на поверхности грунтовых частиц вода располагается в виде тонких пленок. Подвижность этой пленочной воды значительно ниже, чем свободной. Она передвигается от грунтовых частиц, имеющих на своей поверхности более толстую пленку воды, а следовательно, и меньшее молекулярной притяжение верхних молекул воды, в места, где эти пленки имеют меньшую толщину, а молекулы воды находятся под более высоким молекулярным притяжением. Направление движения пленочной воды не зависит от влияния силы тяжести.
Перемещение капиллярной вода связано с наличием сил поверхностного натяжения, а также зависит от гранулометрического состава грунта, степени уплотнения грунта, температуры грунта, размера пор и т.д. В дорожном земляном полотне вода из канав может по капиллярам передвигаться в боковом направлении, однако скорость ее будет значительно меньше, чем скорость передвижения воды в направлении сверху вниз. Это связано с влиянием собственного веса воды.
По теории Онзагера, все явления переноса, в том числе фильтрации и миграции, выражаются идентичными линейными законами:
скорость фильтрации Vф определяется законом Дарси
V = −k |
dPвнеш ; |
(3.1) |
ф |
ф dx |
|
скорость миграции Vмг – законом Букингема
V |
|
= −k |
|
dPвн |
; |
(3.2) |
|
|
|
||||
|
мг |
|
мг dx |
|
||
где kф, kмг – коэффициент фильтрации и миграции;
dPdxвнеш и dPdxвн – градиенты внешнего и внутреннего давлений.
На основании решения уравнения для скорости миграционного потока А.В. Лыковым получено выражение для миграционного потока iмг в виде
85
iмг |
=ρвVмг |
∂W |
+δт |
∂V |
(3.3) |
|
=−ρkв |
∂x |
, |
||||
|
|
|
|
∂x |
|
|
где ρв и ρ – соответственно плотность воды и грунта; kв – коэффициент влагопроводности грунта;
δт – термоградиентный коэффициент.
По исследованиям А.В. Лыкова, М.Г. Мурашко, В.П. Яблонской коэффициент влагопроводности в основном зависит от влажности и дисперсности грунта, а термоградиентный коэффициент — от температуры и влажности.
При увеличении влажности грунта увеличивается и значение kв и δт , а при влажности грунта, соответствующей максимальной молекулярной влагоемкости значения kв ≈0 и δт ≈ 0и миграция
влаги отсутствует.
Теплопередача в грунтах осуществляется тремя различными процессами: молекулярной теплопроводностью (кондукцией), излучением и массообменом.
Процесс переноса тепла теплопроводностью характеризуется тем, что его возникновение обусловлено наличием вещественной среды и тем, что теплообмен совершается только между соприкасающимися частицами тела. В этом процессе перемещение частиц не происходит, а тепло передается от частицы к частице. Когда частицы меняют свое положение в пространстве и являются носителями тепла, то такой процесс теплообмена носит название
массообменного или конвекции. Такой процесс характерен в движущихся жидкостях и газах, когда передача тепла осуществляется посредством теплопроводности при условии, что вся масса текущей жидкости не обладает одинаковой температурой.
Процесс теплообмена посредством излучения характеризуется тем, что некоторая часть внутренней энергии тела преобразуется в энергию излучения и в такой форме передается через пространство. Встречая на своем пути другое тело, лучистая энергия полностью или частично вновь превращается в теплоту.
Эти различные формы теплообмена редко встречаются в отдельности и в большинстве своем проявляются совместно. В связи с этим распределение температуры грунта по глубине является результатом воздействия всех тепловых эффектов, а также
86
и влагопереноса. Поэтому для решения вопросов тепло- и влагопереноса А.В. Лыковым предложена и развита теория тепло- и влагопроводности. Им составлена система дифференциальных уравнение тепло- и влагопроводности (3.4), (3.5), решение которой представляет большой практический интерес
сρd |
∂t |
= |
∂ |
|
λ |
∂t |
+εфLρd |
∂τ |
|
∂x |
|||||
|
|
∂x |
|
|
|||
∂W = kв ∂2W +kвδт ∂2t ∂τ ∂x2 ∂x2
∂W |
|
|
|
∂τ |
|
|
|
|
, |
(3.4) и (3.5) |
|
|
|
||
|
|
|
|
где с — удельная теплоемкость грунта; ρd — плотность сухого грунта;
L— теплота льдообразования;
λ— коэффициент теплопроводности;
εф — критерий фазового перехода, который показывает
соотношение между переносом влаги в грунте в виде пара и в виде жидкости.
Значение εф изменяется в пределах 0 ≤εф ≤1. Если εф = 0 – перенос только в виде жидкости, а если εф =1 – только пара.
Теплопередача в промерзающем грунте, где при изменении температуры непрерывно происходят фазовые переходы вода — лед, также подчиняется уравнениям (3.4; 3.5)
3.3. Влагоемкость, водопроницаемость и водоподъемная способность грунтов
Влагоемкостью грунта называется способность его вмещать и удерживать в себе определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести.
Различают максимальную, или полную влагоемкость, когда все поры грунта заполнены водой; капиллярную влагоемкость, когда вода в грунте заполняет только капиллярные поры в результате поднятия капиллярной воды снизу, от свободного уровня воды; пленочную или максимальную молекулярную влагоемкость, которая соответствует количеству физически связанной воды,
87
удерживаемой частицами грунта, гигроскопическую влагоемкость, соответствующую количеству прочносвязанной (адсорбированной) воды. Способы определения влагоемкости грунтов изложены в руководствах по методике лабораторных исследований свойств грунтов [31].
По стенени влагоемкости горные породы разделяются на очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки), слабо влагоемкие (мел, мегель, лессовые породы, супеси, мелкозернистые пески) и невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).
Водопроницаемостью грунта называют способность его пропускать через свою толщу воду, находящуюся под влиянием силы тяжести или под действием гидростатического напора.
Скорость просачивания воды через толщу грунта в основном зависит от гранулометрического состава и пористости грунта. Однако, не всякая порода, обладающая большой пористостью является водопроницаемой, так глины, имеющие пористость до 50% и свыше являются водонепроницаемыми. Различают горные породы
водопроницаемые (галечники, гравий, пески), полупроницаемые
(глинистые пески, торф, пористые известняки и др.) и водонепроницаемые породы (глины, массивные горные породы и др.).
Водопроницаемость грунтов количественно характеризуется коэффициентом фильтрации, представляющим собой отношение расхода воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте, равном единице; (или скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице); размерность его см/с, м/ч, м/сут.
За последние годы большое распространение при гидрогеологических расчетах наряду с коэффициентом фильтрации подучил коэффициент водопроводимости, который представляет способность водоносного горизонта мощностью Н, и шириной 1 м фильтровать через себя воду в единицу времени при напорном градиенте, равном единице. Размерность его м2/сут, м2/ч. Следовательно, коэффициент фильтрации и коэффициент водопроводимости определяют водопроницаемость грунтов и дают ее количественную характеристику.
Скорость фильтрации воды зависит от ее вязкости и с повышением температуры увеличивается. Она зависит от размера зерен грунта и для песчаных грунтов примерно пропорциональна
88