Фазовые переходы в мерзлых грунтах

Основные представления о фазовом равновесии и фазовых переходах в системе лед-вода

Существование незамерзшей воды

В начале прошлого века G. J. Bouyoucos [17], основываясь на своих исследованиях, показал, что некоторое количество воды в грунте остается незамерзшим вплоть до температуры -78 °С. Этот факт в дальнейшем был подтвержден Н. А. Цытовичем, согласно которому часть грунтовой воды не претерпевает фазового превращения при достижении грунтом отрицательной температуры. При этом образуется так называемая незамерзшая вода, количество которой зависит от величины отрицательной температуры и нелинейно убывает с понижением последней. Присутствие незамерзшей воды в мерзлых и вечномерзлых грунтах сохраняется до температуры -70 °С [15].

Экспериментальные методы первой половины XX в., направленные на количественное определение незамерзшей воды в грунтах, а это, в первую очередь, дилатометрический [12], криоскопический и др., не отличались высокой точностью. Они скорее могли дать качественную оценку явления, но не количественное значение незамерзшей воды в грунте при конкретной отрицательной температуре. Ключевым фактором в решении этой проблемы было внедрение в 1953; 1957 гг. калориметрического метода 3. А. Нерсесовой [1, 15, 18]. Данный метод позволил получить кривые содержания незамерзшей воды в зависимости от отрицательной температуры для различных видов грунтов (рис. 4.1).

Экспериментальные данные, представленные на рис. 4.1 позволяют утверждать, что каждому типу грунта согласно величине отрицательной температуры соответствует своя характерная кривая содержания незамерзшей воды. Например в песке практически вся вода замерзает при температуре -1 °С, в то время как в глине и суглинке большое количество воды остается в незамерзшем состоянии даже при температуре -10 °С и ниже.

Рис. 4.1. Кривые содержания незамерзшей воды в зависимости от отрицательной температуры [1, 15]. 1 — кварцевый песок; 2 — супесь;

3 — суглинок; 4 — глина; 5 — глина, содержащая монтмориллонит Основными факторами, влияющими на количественное содержание незамерзшей воды, помимо температуры, являются: активная удельная поверхность частиц, слагающих грунт, причем суммарное количество незамерзшей воды тем больше, чем больше дисперсность грунта, поскольку при большой дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, связывающая поровую воду, велика; влияние засоленности мерзлого грунта на фазовый состав влаги мерзлых пород определяется не только концентрацией, но и видом и химическим составом солей [8]; суммарная влажность, как показали исследования отечественных и зарубежных ученых [17], практически не оказывает влияния на количество незамерзшей воды, выраженное в процентах к весу сухого грунта, что, однако, не относится к торфяным грунтам, в них прослеживается четкая зависимость между содержанием незамерзшей воды и начальным влагосодержанием.