Дослідження міграції вологи у грунтах

Дослідження промерзання грунтів і явищ, що супроводжують йому вперше були початі в 80-е роки минулого сторіччя. Російський гірський інженер Войслав у 1880 р. провів такі простої досвід [17]. З пылеватого грунту, замішаного з водою, він приготував кульку діаметром 5 см і, поклавши в блюдце з водою наситив його до повної влагоемкости. Потім, охлаждая такою цілком насичений водою кулька з грунту, він зауважив, що кулька, замерзаючи, додатково убирав у себе воду з блюдця збільшуючись при цьому в обсязі набагато більш того обсягу, що відповідає простому переходові в лід води, що була раніше в грунті. Цей наочний досвід показав, що в процесі замерзання в грунтах з'являються додаткові сисну воду сили чим він і пояснив обдимання грунту в умовах наявності джерело зволоження. В. И. Штукенберг, а також Н. С. Богданов зв'язували явище обдимання винятково з наявністю грунтових вод; по їхньому поясненню, грунтова вода по капілярах проникала в промерзання тріщини, що утворяться в зоні, у пылеватом грунті «Число цих тріщин,-писав у 1912 р.Н. С. Богданов,-и внутрішніх пустот повинно збільшуватися при зниженні температур унаслідок неоднакових коефіцієнтів стиску породи грунту і лежачих у його товщі крижаних жилок і прошарків. По водосыщенным тріщинах надходить нагору грунтова вода і, заповнюючи всі пустоти в грунті, при замерзанні дає другу пучину і ряд нових тріщин у грунті, по яких надходить нагору нова вода і повторює такт процесу.

Перераховані дослідники знаходили, таким чином, пояснення складного явища притоки додаткової кількості вологи в єдиному процесі утворення і росту кристалів льоду за рахунок капілярного пересування до них вологи по тріщинах, що утвориться в зоні промерзання, і по капілярах у зоні поталого грунту , що нижележит.

Подальші дослідження показали, що пояснити міграцій води в зоні промерзання дією тільки меніскових капілярних сил не можна, оскільки власне капілярна вода замерзає вже при температурі, практично рівної 0 . Вода надходить у зону промерзання тільки після попереднього переходу капілярної води в плівкову, що потім уже по плівках надходить у кристал льоду. Пояснення Штукенберга й інших дослідників того часу було неповним і суперечило досвідом, що свідчив, що значне влагонакопление I грунтах спостерігається також 'и при відсутності постійних грунтових вод біля поверхні мерзлого грунту.

С. И. Буюкос у 1917 р. [118] писав, що вода, що просочується восени від осадків поверх або збоку, із боку канав, при відсутності постійного рівня грунтової води утворить у зоні майбутнього промерзання підвішеного стикового, капілярну року; т значних капілярах вода замерзає раніш, ніж у вузьких; при кристалізації лід притягає до себе воду з більш вузьких капілярів із стиків і з плівок, що оточують частки грунту! так поступово осушуються прошарки, що нижележат, і волога збирається! ^верхньої частини зони промерзання. По Буюкосу, пересування вологи в зону промерзання пояснюється спільною дією меніскових капілярних сил, так і молекулярно-адсорбційних сил чинних по поверхні часток грунту і по поверхні кристалів льоду, що утворяться знову. Про природу і дію цими останніми, названих силами кристалізації, ще в 1916 р. американський геолог С. Тебер [96] писав: « крижаний прошарок, щоРосте, у грунті являє собою крижаний кристал, що знаходиться в зіткненні з тонкою плівкою води, подібної адсорбованому прошарку, що могет взагалі утворитися на всіх тілах при соприкасании їх із водою, якщо тільки ці тіла змочуються нею. Коли одна з молекул цієї плівки під 'влиянием охолодження орієнтується і притягається до кристала, обусловливая его' ріст, на її місце стає інша з ділянки рідини, що прилежит, що просочує грунт. Так підтримуються і цілість плівки і ріст кристала. Під час росту крижаного прошарка вода йде до неї через між часткові капілярні проміжки в< грунті. Проте цей потік води нагору не варто приписувати капілярним силам, тому що для розвитку їх немає вільної поверхні, немає менісків».

Тебер пояснював міграцію вологи дією тільки сил кристалізації; підтягування води до зони промерзання грунту відбувається, на його думку, унаслідок більшої енергії зв'язку молекул води з льодом, чим із частками грунту. Тим часом підтягування плівкової води знизу нагору, як показали дослідження I \А. Ф. Лебедєва [49], відбувається в грунтах і при відсутності льоду, наприклад у поталому грунті при випарі з нього вологи. Лебедєв показав, що під дією молекулярно-адсорбційних сил плівкова вода рухається від більш товстих плівок до більш тонкого. У дійсних умовах при промерзанні грунту плівкова вода пересувається одночасно і під дією додаткових сил кристалізації льоду, що утвориться, і сил молекулярно-адсорбційного тяжіння води частками грунту і капілярно-меніскових сил, що викликають тиск усмоктування в стовпі капілярної води в зоні позитивних температур.

До числа додаткових внутрішніх сил, дією яких можна пояснити міграцію вологи, деякі дослідники відносять осмотические сили. Так, М. Н. Гольдштейн у 1948 р. [24] у такий спосіб пояснював міграцію вологи в зону промерзання:

«У результаті замерзання частини води в гидратационной оболонці часток грунту підвищується концентрація розчину в буферній плівці, що залишається, і виникає різниця осмотических тисків під впливом якої відбувається підтягування в цю плівку води з менше концентрованих оболонок нижче расположенных. часток, ще не захоплених промерзанням».

На доказ своєї гидратационной теорії М. Н. Гольдштейн проводив досвіди з гидрофобными порошками, у яких; при зволоженні і промораживании не утворювалися крижані прошарки, у той час як у гидрофильных порошках з'являлися лінзи льоду. Проте ,А. П. Баженова [б], що спеціально займалася перевіркою гидратационной теорії, у своїх досвідах виявила. що в гидрофобных матеріалах, як і в засолених грунтах, де плівковий механізм пересування вологи також виключений; за рахунок одних тільки капілярних меніскових сил і сисної сили поверхонь крижаних кристалів, що утворяться знову, у зоні промерзання накопляется вода, хоча й у набагато меншій кількості чим при плівковому пересуванні. У цих випадках вода накопичувалася в 2 разу меншій кількості.

А. П. Баженова вважає, що в умовах незначної концентрації розчину, що заповнює пори грунту, значення градіенту осмотических сил у процесі міграції вологи мізерно мало в порівнянні з впливом градіентів температури і градиенто содержания' вологи. Введення в грунт солей, як показують досвіди А. П. Баженовой і Ф. Г. Бакулина [6, 7], понижает інтенсивності процесу міграції, оскільки значна концентрація селі! придушує . плівковий механізм пересування вологи.

Представления С. Тебера про причини міграції вологи надалі одержали на Заході розвиток у роботах шведського інженера Г. Бескова ['116], швейцарського інженера Р. Рюкли [127] ряду інших дослідників.

У 30-х роках поглядам цих вчених іноді противопоставлялись погляди деяких російських дослідників, що вважали, що теорія Тебера розходиться з практикою. Так, у цей період М. И. Сумгин [91] уперше показав, що при охолодженні грунтів прямування води в них буває двох типів: по напрямку теплового потоку (у зв'язкових грунтах) і проти теплового потоку (а пісках). Отжатие води при промерзанні пісків пояснюється наявністю компресійного тиску, що розвивається в грунтах унаслідок збільшення обсягу води при замерзанні; у насичених грунтах , що фільтрують добре , тиск розширення водые . діє на незамерзшую воду і віджимає її за межі зони промерзання. Таким чином, напрямок прямування вологи при! замерзанні насиченого грунту залежить від співвідношення в нем| внутрішніх сил, що всмоктують незамерзшую воду в зону промерзання, і компресійних сил, її що віджимають. Непрямою ознакою, що відбиває відношення грунтів до промерзання, може служити їхній гранулометрический склад. У насичених песчаных грунтах практично незмога усмоктування, немає плівкової води, і в них при замерзанні відбувається отжатие води через розширення її на 9%; у глинистих грунтах, навпаки, немає або дуже мало вільної води, уся вода адсорбована величезною поверхнею часток грунту, тому при промерзанні грунту вона не віджимається, а, навпаки, повільно, поступово переміщається по плівках у зону утворення і росту кристалів льоду.

У пылеватых грунтах є і вільна капілярна вода, легко рухлива, є і пов'язана плівкова. Це забезпечує найбільші можливості швидкого росту крижаних прошарків за рахунок надолуження плівок капілярною водою (мал. 5).

1| Опытами Л. Казагранде, А. Дюкера, Д. Мортона, Г. Бескова й ін. установлено зразкові межі морозоопасных грунтів, у котрих зимой накопляется волога. Так, по Л. Казагранде й А. Дюкеру [20], що проводили ретельні лабораторні досвіди по Заморожуванню грунтів і чистих фракцій при підтоку води знизу, грунти, що містять більш 10% часток менше 0,02 мм, є морозоопасными; зимой у них може накопляться волога. Шайбль, а також Мортон вважають, що в звичайних умовах залягання грунтів у земляній полотнині морозоопасными варто вважати грунти, що містять більш 15-20% часток мельче 0,02 мм.

Рисунок 3.1 - Схема кристалоутворення в різних грунтах:

а - у піску; б - у глине; в - у пилуватому грунті;

1-кристали льоду: 2 - вільна вода: 3-частки грунту; 4 - зв'язкова вода

Пізніші дослідження К. Кейля [122], И. А. Тютюнова й ін. показали недостатність одного лише показника гранулометрического складу грунту для оцінки його морозоопасности; поряд із гранулометрическим впливає також мінералогічний і іонний склад грунту, не що враховуються критеріями Казагранде й інших; тим часом, наприклад, 3% моятмориллонита вже роблять вирішальний вплив на влагонакопление в піску. " Кейль; . Тютюнов і інші дослідники правильно указывав ют на важливість мінералогічного й іонного складу грунтів, що обумовлюють якість поверхні часток, інтенсивність і форму зв'язку часток грунту і води. И. А. Тютюнов і 3. А. Нерсесова показали, що, чим більше валентність елемента, тим більше енергія гидратации, що розташовується в такий ряд: