Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Арктическая зона составляет около 30 % от всей территории России, а большую часть этих территорий занимают засоленные мерзлые грунты. Распространение на территории арктической зоны засоленных мерзлых грунтов является одной из основных проблем, возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений и зданий. Мерзлые засоленные грунты отличаются меньшей прочностью, преобладанием пластично-мерзлого состояния вместо твердо-мерзлого. Происходящие при этом деформации, разрушения инженерных сооружений, построенных в зоне засоленных мерзлых грунтов, показали упущения в проведении инженерно-геологических исследований грунтов. Поэтому в настоящее время появилась настоятельная необходимость в долговременном прогнозировании поведения мерзлых засоленных грунтов, используемых в качестве оснований инженерных сооружений.

Засоленность мерзлых грунтов существенно влияет на все основные свойства этих грунтов – теплофизические, массообменные и т.д., которые сильно зависят от количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды, в свою очередь, определяется концентрацией порового раствора, влажностью и температурой.

В литературе хорошо освещен вопрос определения количества незамерзшей воды в незасоленных грунтах при различных отрицательных температурах. Изучением влияния количества незамерзшей воды на температурный режим засоленных грунтов занимаются многие исследователи. Большой вклад в изучение этого влияния внесли А.В. Степанов [1], А.М. Тимофеев [2], Р.И. Гаврильев [3], П.П. Пермяков [4], И.Л. Комаров [5] и т.д. В работе [1] предложен метод непрерывного ввода тепла, который наряду с определением теплофизических характеристик позволяет определить количество незамерзшей воды для различных видов грунтов.

Численные методы расчета процессов тепловлагопереноса в мерзлых засоленных грунтах рассматриваются в работах [4–7]. Имеется достаточное количество работ, в которых приводятся формулы, позволяющие рассчитать температурную зависимость количества незамерзшей воды в незасоленных песчаных грунтах [4, 8], а для засоленных песчаных грунтов такие формулы почти не встречаются. Поэтому целью данной работы является снижение трудоемких экспериментальных исследований температурного режима засоленных грунтов путем разработки расчетной методики определения количества незамерзшей воды в образцах при отрицательных температурах с учетом начальной влажности и засоленности грунта.

Материалы и методы исследования

В данной работе приводятся результаты расчета количества незамерзшей воды в песчаном грунте в зависимости от начальной влажности и концентрации порового раствора.

Для исследования был взят речной песок из карьера на берегу р. Лены (Республика Саха (Якутия)). По ГОСТ 12536–2014 был определен гранулометрический состав исследуемого грунта [9] (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что 60 % грунта – это частицы диаметром 0,31 мм и меньше, а 10 % – это частицы диаметром ˂ 0,14 мм. Исходя из этого, определен коэффициент однородности, который равен 2,2, т.е. исследуемый песчаный грунт является однородным.

Таблица 1

Гранулометрический состав песка

Таблица 2

Температура замерзания растворов хлористого натрия (NaCl)

Таблица 3

Экспериментальные значения количества незамерзшей воды в песчаном грунте при начальной влажности W0 = 4,2 %

Образцы готовились из данного песчаного грунта с определенной влажностью 4,2 % и концентрацией 5, 10, 20 %. Для искусственного засоления образцы увлажнялись раствором NaCl. Температура замерзания объемного раствора NaCl в зависимости от концентрации приведена в табл. 2.

Концентрация раствора определялась по формуле

С = (mc / mв ) ∙ 100, (1)

где С – концентрация соли в талом песке, %; mc – масса растворенной соли, mв – масса воды.

Для сравнения также исследовались образцы, увлажненные дистиллированной водой.

Определение количества незамерзшей воды проводилось методом непрерывного ввода тепла. Преимущество метода состоит в том, что он позволяет определить не только количество незамерзшей воды, но и другие теплофизические характеристики, такие как теплопроводность, температуропроводность [1]. Используя этот метод, были получены экспериментальные данные определения количества незамерзшей воды для песчаного грунта с начальной влажностью W = 4,2 % и при варьировании концентрации соли от 0 до 20 %. Результаты экспериментального определения количества незамерзшей воды приведены в табл. 3.

Используя данные табл. 3, можно рассчитать количество незамерзшей воды при различных отрицательных температурах для песчаного грунта при других значениях начальной влажности и концентрации порового раствора.

Результаты исследования и их обсуждение

Для расчета концентрации порового раствора в случае засоленного песчаного грунта в талом состоянии используется отношение (1), а в мерзлом состоянии

С(Т) = (mc / mнв) ∙ 100, (2)

где С(Т) – концентрация соли при отрицательной температуре Т, %; mнв – масса незамерзшей воды, кг; mc – масса соли, кг.

Начальная влажность W0 и количество незамерзшей воды Wнв(Т) рассчитываются по формулам

W = (mв / mск) ∙ 100, (3)

Wнв(Т) = (mнв / mск) ∙ 100, (4)

где mск – масса сухой навески, кг.

В песчаном грунте, при определенной температуре замерзания, концентрация соли остается одинаковой при любых значениях W0, т.е.

С = mc1 / mв1 = mc2 / mв2 и т.д., (5)

где mc1 и mв1 – масса соли и воды в первом образце с влажностью W1, mc2 и mв2 – масса соли и воды во втором образце с влажностью W2.

Используя формулы (3) и (5), получаем

mc1 / mс2 = (mв1 ∙ mск) / (mв2 ∙ mск) = (W1 / W2), (6)

При любой влажности до температуры замерзания порового раствора грунта количество соли mci будет постоянным. Из этого следует, что для двух разных начальных влажностей до температуры замерзания отношение mc1 / mс2 остается постоянным. Поэтому из соотношения (6) следует, что отношение жидкой фазы раствора будет постоянным.

Зная экспериментально определенные значения W0 (в нашем случае W0 = 4,2 %) и Wнв, можно рассчитать Wнв для другой начальной влажности, но при этой же температуре:

Wнв2 = Wнв1 ∙ (W2 / W1), (7)

Если построить графики количества незамерзшей воды от температуры для одной концентрации, то получается семейство кривых в зависимости от различных значений начальной влажности. На рис. 1 показаны значения количества незамерзшей воды, рассчитанные по формуле (7) при постоянной С = 10 %.

Ранее была выведена формула, позволяющая определить температуру начала замерзания порового раствора грунта в зависимости от концентрации [10]:

tзам = –0,7 ∙ С. (8)

Исходя из этой формулы, можно сделать вывод о том, что температура начала замерзания при одной и той же концентрации независима от начальной влажности. Так, например, из рис. 1 видно, что для образца с концентрацией С = 10 % для влажностей 5, 10, 15 и 20 % температура начала замерзания равна -7 °С.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных дает хорошее совпадение, и чем ниже температура, тем меньше расхождение между расчетными и экспериментальными данными.

Для концентраций порового раствора, равных 5, 15, 20 %, используя экспериментально найденные зависимости количества незамерзшей воды от температуры (табл. 2) и формулу (7), можно рассчитать Wнв, температуры начала замерзания при этом определяются по формуле (8) (рис. 2).

Рис. 1. Зависимость количества незамерзшей воды от температуры в засоленном песчаном грунте: С = 10 %:·⁕·⁕·⁕·– эксперимент; –– – расчет по формуле (7) при ♦ – W0 = 5 % , ■ – W0 = 10 %, ● – W0 = 15 %, ▲ – W0 = 20 %

Рис. 2. Зависимость количества незамерзшей воды от температуры в засоленном песчаном грунте W0 = 10 %, × – C = 0 %, ♦ – С = 5 %, ■ – С = 10 %, ▲ – С = 20 %

Рис. 3. Схема расчета температурной зависимости количества незамерзшей воды в засоленных песчаных грунтах

Также на этом рисунке для сравнения приведена экспериментально полученная температурная зависимость количества незамерзшей воды в незасоленном грунте.

На рис. 2 показаны значения Wнв при различных отрицательных температурах и начальной влажности равной 10 %. Таким же образом, пользуясь экспериментальными данными из табл. 2, можно построить зависимость Wнв от Т для других значений W0, например 5, 15, 20 % при различных значениях C. Из рисунка видно, что имеется определенная связь между количеством незамерзшей воды и засоленностью при фиксированной температуре, причем при повышении концентрации соли количество незамерзшей воды увеличивается.

Исходя из вышеизложенного можно построить схему расчета температурной зависимости количества незамерзшей воды в засоленных песчаных грунтах (рис. 3).

Заключение

Исходя из вышеизложенного, используя данные одного эксперимента по определению количества незамерзшей воды при определенном значении влажности и используя приведенную выше формулу, можно рассчитать количество незамерзшей воды для других значений влажности, но при одной концентрации порового раствора грунта. При этом также можно рассчитать значения количества незамерзшей воды при различных значениях концентрации порового раствора, но при постоянной влажности. Полученная формула применима только для засоленных песчаных грунтов. Для засоленных глинистых грунтов эта формула не применяется, так как не учитывается влияние дисперсности грунта и поэтому требуется дальнейшая доработка.

Предложенная методика расчета может использоваться при решении задач по моделированию и диагностике температурных полей мерзлых засоленных песчаных грунтов, служащих основанием для различных инженерных сооружений в Арктической зоне.

Работа выполнена в рамках бюджетного проекта ИФТПС СО РАН FWRS-2021-0045.