Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах

Влагоперенос в мерзлых породах с общих термодинамических позиций может быть обусловлен градиентом каркасно-капиллярного, осмотического, температурного, электрического и других потенциалов — частных составляющих общего термодинамического потенциала незамерзшей воды, что вызывает появление в грунтовой системе градиента незамерзшей воды (grad WH3). Выражение для плотности стационарного потока незамерзшей воды в мерзлой породе имеет вид

Iw = — λwm grad μw (5.3)

где λwm — коэффициент влагопроводности мерзлой породы.

Пароперенос и режим течения парогазовой смеси в порах дисперсной породы определяются главным образом соотношением между длиной свободного пробега молекул (L = 0,5*10^{-5 см) и размерами пор — капилляров породы r. Если r < 10-5 см, то закономерности паропереноса будут подчиняться теории кнудсеновского течения (}для газов - течение при котором столкновения молекул друг с другом крайне редки), характеризуясь молекулярным (эффузионным) механизмом переноса. В мерзлых породах эффузионный механизм паропереноса практически не работает, поскольку ультрапоры и наиболее узкие участки точечных капилляров дисперсных пород, где может быть развита эффузия пара, в большей своей части оказываются заполнены связанной (незамерзшей) водой. При r>10-5 см возникают диффузия и молярный пароперенос. Причем если r > 10-3 см, то преобладает вязкостный режим течения, т.е. перенос пара осуществляется молярным (объемным) путем. Плотность стационарного потока парогазовой смеси при этом определяется законом Пуазейля (ламинарное течение вязкой жидкости в тонкой цилиндрической трубке) и оказывается прямо пропор­циональной градиенту общего давления и обратно пропорциональной вязкости газа. Наибольшее значение молярный пароперенос приобретает в крупнообломочных породах, в пустотах и трещинах скальных пород, а также в карстовых полостях.

Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах под действием градиента температуры. Создание и поддержание в мерзлой породе градиента температуры приводит к возникновению градиентов потенциалов связанной воды (grad μw) и парообразной влаги (grad μp), а также градиентов концентраций насыщенных водяных паров (grad dH). Эти потенциалы вызывают в свою очередь перемещение незамерзшей воды и пара из мест с большим в места с меньшим потенциалом влаги, т. е. от участков с более высокой в участки с более низкой отрицательной температурой.

При существовании grad t в мерзлой породе происходит только перемещение влаги, но и сегрегационное льдовыделение (при сезонном промерзании пылеватых и глинистых отложений ­– образование прослоев льда через определенный промежуток) и развитие ряда сложных физико-химических и физико-механических процессов. По мере продвижения влаги в сторону более низких отрицательных температур плотность потока влаги в мерзлой породе снижается что приводит к вымерзанию избыточного количества незамерзшей воды.

Сильное обезвоживание высокотемпературной части мерзлого слоя приводит к развитию интенсивных усадочных процессов вплоть до возникновения здесь сети усадочных трещин. Выше этой зоны вначале происходит зарождение отдельных микрошлиров льда, которые, постепенно утолщаясь и удлиняясь, сливались между собой, образовав сплошной сегрегационный прослой льда. Образец мерзлой породы при этом увеличился в размере на толщину этого ледяного прослоя, т. е. зафиксирована деформация пучения. В мерзлых образцах каолинитовой глины (по сравнению с образцами монтмориллонитовой глины) при близких значениях grad t наблюдается более быстрый рост ледяного прослоя, что объясняется существованием в каолинитовой глине больших градиентов незамерзшей воды и больших коэффициентов диффузии влаги, которые и обеспечивают более высокие значения плотности потока W_нз.

В целом же, в условиях «закрытой» системы (без подложки льда к образцу), миграция влаги идет за счет перераспределения лишь собственных запасов влаги мерзлого грунта носит затухающий характер.

В условиях «открытой» системы (при наличии примороженного слоя льда у высокотемпературной части мерзлого образца), по сравнению с «закрытой», плотность миграционного потока W_нз под действием grad t существенно возрастает. Это приводит к формированию более мощного прослоя сегрегационного льда.

Приведенные выше экспериментальные данные получены в опытах длительностью менее месяца. В природных же условиях, где мерзлые породы характеризуются сложной криогенной текстурой с чередованием прослоев сегрегационного льда и минеральной породы, существующих не одну сотню и тысячу лет, по-видимому, также следует ожидать (при наличии достаточных grad t) роста одних прослоев льда за счет других. Иными словами, прослои льда, формирующиеся при более низкой отрицательной температуре, будут расти за счет высокотемпературных прослоев льда путем перераспределения льдистости. В результате возможно и изменение первоначальной криогенной текстуры мерзлых пород. Наиболее вероятен такой процесс в мерзлых породах сезоннопротаивающего и сезоннопромерзающего слоев, характеризующихся большими значениями grad t.

Влагоперенос в мерзлых породах при их взаимодействии с воздушной средой. При морозном иссушении дисперсных пород внешней движущей силой переноса незамерзшей воды является перепад давления водяных паров между воздушной средой Р_ср и поверхностью раздела «грунт — воздушная среда» Р_пов. По мере сублимации льда в мерзлой породе и выноса влаги в окружающую воздушную среду в породе формируется иссушенная зона, которая обнаруживается визуально по более светлой окраске. Граница фронта сублимации (мощность иссушенной зоны) в льдонасыщенных песках выражена наиболее четко и не размыта, как, например, это наблюдается в глинистых породах. Интенсивность сублимации льда в дисперсных породах не остается постоянной во времени, а закономерно снижается по мере углубления фронта сублимации. С увеличением содержания в грунтах глинистых и пылеватых частиц, минералов группы монтмориллонита, а также многовалентных катионов и степени засоления интенсивность сублимации возрастает. Это связано с увеличением W_H3 на фронте сублимации, а следовательно, grad W_нз и плотности потока незамерзшей воды. В песках, где незамерзшая вода практически отсутствует, перенос влаги осуществляется целиком за счет паропереноса. Наличие градиента влагосодержания в глинистых породах указывает на существенную роль в процессе внутреннего влагопереноса миграции незамерзшей воды к поверхности. Доля миграции незамерзшей воды в глинах может составлять существенную величину, достигая 50—70 % от общего потока влаги (пар + вода).

Скорость продвижения фронта сублимации в мерзлом грунте, фиксирующаяся визуально по изменению оттенка иссушенного грунта, а также по первому изгибу кривой распределения суммарной влажности по высоте образца, прямо пропорциональна величине I_с и обратно пропорциональна плотности скелета γ₀ и начальному суммарному влагосодержанию (W_нач = W_ест) породы.

Особенности влагопереноса и льдообразования в мерзлых породах под действием градиента механических напряжений, электрического поля и других внешних сил. В массивах мерзлых дисперсных пород в результате как естественно - исторического хода их развития, так и различных инженерных воздействий возникает и существует градиентное поле механичес к и х напряжений. Наличие перепада этих напряжений вызывает перемещение влаги в мерзлых породах из участков повышенного к участкам пониженного сжимающего давления, из участков с пониженным к участкам с повышенным растягивающим или сдвиговым напряжением. Среди механических напряжений, возникающих в мерзлых породах, широкое развитие имеют сдвиговые н апряжения. В плоскостях сдвига, где фиксируются максимальные напряжения между грунтовыми частицами и минимальные значения термодинамических потенциалов влаги μ _w, незамерзшая вода испытывает растягивающие напряжения, что и обеспечивает поступление сюда дополнительного ее количества под действием grad μ _w.

В удаленных от зоны сдвига слоях грунт подвергается обезвоживанию. В зоне сдвига наблюдаются перестройка криогенной текстуры и формирование микро- и макрошлиров льда.

Миграция влаги и льдообразование в мерзлых породах под действием градиента электрического поля. Механизм миграции влаги в этом случае представляется следующим. Электрическое поле, наложенное на образец мерзлого грунта, нарушает динамическое равновесие жидкой и твердой фазы воды и приводит к перемещению гидратированных катионов двойного электрического слоя к катоду. В этом же направлении движутся, и окружающие катионы слои связанной воды, увлекая за собой остальную жидкость.

Силы такого переноса вызывают перемещение в первую очередь наименее связанной воды от анода к катоду. Нарушающееся при этом равновесие твердой и жидкой фаз воды восстанавливается за счет того, что в анодной зоне некоторая часть льда переходит в воду и восполняет ее убыль. Поступившая в катодную зону незамерзшая вода оказывается избыточной, т. е. превышает равновесное содержание W_нз при данной температуре. Перераспределение влаги в мерзлом грунте под действием электрического поля оказывается весьма существенным. В катодной зоне (уже на шестые сутки опыта) при напряжении 2—3 В /см и средней температуре образца глины порядка —2°С грунт был вспучен, и в нем содержалось большое количество вновь образовавшихся ледяных шлиров. Этими экспериментальными данными была подтверждена также линейная зависимость скорости электрокинетического перемещения незамерзшей воды от напряжения электрического поля.

Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах под действием осмотических сил (в безградиентном температурном поле). Этот процесс неразрывно связан с диффузией солей в мерзлой породе, с миграцией химических элементов в мерзлых толщах. Действительно, при взаимодействии мерзлых пород с солевыми растворами происходит одновременное развитие двух взаимообусловленных процессов: миграции ионов солей и незамерзшей воды. При этом может иметь место как нормальный, так и обратный осмос влаги. При нормальном осмосе миграция влаги в направлении, противоположном потоку ионов, приводит к осмотическому осушению, сопровождающемуся усадкой породы образца. Однако этот процесс имеет место лишь при взаимодействии мерзлых пород с высококонцентрированными растворами. Чаще всего в мерзлых породах происходит обратный осмос воды, т. е. миграция ее в одном направлении с потоком ионов. Связано это с тем, что общий термодинамический потенциал контактирующего раствора оказывается выше, чем у незамерзшей воды мерзлого образца.

Экспериментальные исследования показывают, что при контакте насыщенных растворов или кристаллов солей с мерзлыми образцами каолинитовой глины при температуре — 4°С происходит осмотический перенос незамерзшей воды из породы в контактирующую с ней соль. При этом кристаллы соли растворяются, переходя в раствор, а мерзлая порода вблизи контакта иссушается. По мере уменьшения концентрации контактирующего с мерзлой породой раствора нормальный: осмотический поток влаги уменьшается, достигая при некоторой критической концентрации нулевого значения. При критической концентрации раствора общий термодинамический потенциал воды в грунте равен осмотическому потенциалу воды в растворе и наступает состояние термодинамического равновесия. Критические значения концентрации контактирующего с породой раствора С_кр определяются составом, строением пород, а также внешними термодинамическими условиями. Величина С_кр возрастает с повышением дисперсности и понижением отрицательной температуры. Для песков, взаимодействующих с раствором NaCl, C_kp составляет менее 0,1 г*моль / л, для глин – более 5 г*моль / л.

Дата добавления: 2014-01-07