Замерзание влажных грунтов в неравновесных условиях

Ряд авторов [3] указывают, что при быстром замораживании система лед — вода в грунте при рассматриваемой температуре не находится в состоянии устойчивого термодинамического равновесия. При этом определяющим фактором в соотношении фаз лед — вода при конкретной температуре является время замораживания грунта. При быстром замораживании не достигается состояние фазового равновесия: система лед — вода находится в неравновесном состоянии.

С помощью калориметрического метода была проведена серия экспериментов, с целью выявить влияние времени замораживания на содержание незамерзшей воды при одной и той же отрицательной температуре [4, 5].

В случае проведения экспериментов с глиной, замораживание одного и того же образца проводилось в течение 5; 3; 1 час и 16 минут, что соответствует кривым на рис. 4.16. По представленным кривым можно судить о времени, необходимом для наступления фазового равновесия. Отличие между кривыми 1 и 2 практически отсутствует, поэтому можно полагать, что в этих случаях происходит равновесный процесс замерзания воды в порах грунта.

Кривые 3 и 4 на рис. 4.16 соответствуют неравновесным условиям замораживания грунта. При этом влажность мерзлого грунта зависит не только от вида и температуры грунта, но и от интенсивности теплопереноса от грунта в окружающую среду.

Чтобы установить степень влияния интенсивности замораживания на содержание незамерзшей воды для песка, были проведены 5 серий экспериментов при замораживании с различной интенсивностью теплоотвода, в результате получены 5 кривых незамерзшей воды, где замораживание длилось 3 часа, 1 час, 35 минут, 25 мин и 16 минут (рис. 4.17).

Рис. 4.16. Кривые зависимости содержания незамерзшей воды.

от температуры при различном времени замораживания для глины Видно, что экспериментальные точки трех кривых (3 часа, 1 час, 35 минут) практически совпадают, т. е. любая из этих трех кривых является равновесной: система лед—незамерзшая вода находится в устойчивом термодинамическом равновесии. В то же время, как следует из рис. 4.17, при замораживании в течение 16 и 25 минут наблюдается ярко выраженное отклонение системы от равновесного состояния. При этом чем ниже конечная температура замораживания, тем меньше отклонение от равновесия. Эта тенденция в той или иной мере наблюдалась для глины и торфа. Очевидно, что при продолжении эксперимента для кривой «16 мин», например при * = -11 °С, полученное значение W// не отличалось от равновесного ее содержания при этой температуре. Такой характер кривой, по мнению автора, объясним следующим образом: при быстром отводе тепла от системы грунт — вода, часть свободной воды не кристаллизуется, превращаясь в аморфную структуру. При высоких отрицательных температурах силы взаимодействия между молекулами воды не успевают сгруппировать их в тетраэдры (что обусловлено в первую очередь высокой интенсивностью теплоотвода в короткий промежуток времени, и высокой t), однако при более низких температурах, как указано в статье [1], силы взаимодействия значительно возрастают и, следовательно, больше молекул воды группируется в тетраэдры с высвобождением скрытой теплоты кристаллизации, т. е. межмолекулярные силы в воде при низкой отрицательной температуре преодолевают дезориентационный эффект при такой интенсивности замораживания.

Рис. 4.17. Кривые зависимости содержания незамерзшей воды от температуры в зависимости от времени замораживания (песок)

В рассматриваемых экспериментах параметром, характеризующим неравновесность фазового перехода вода — лед в грунте является отношение тепловой мощности q [Вт], отводимой от массы т мерзлого грунта в контрольном объеме к теплоемкости тс, т. е. qlmc [°С/сек]. Это отношение определяет скорость изменения температуры грунта. В качестве параметра неравновесности, удобного для обработки экспериментальных данных, используется отношение времени изменения температуры на заданную величину в неравновесных и равновесных условиях:

где г, То — время изменения температуры грунта на At, °С в неравновесных и равновесных условиях.

Экспериментальные данные, соответствующие неравновесным кривым на рис. 4.16−4.17, позволяют получить эмпирическую зависимость влажности мерзлого грунта в неравновесных условиях [4]:

_ ЦТ ЦТ

где fV (t) = —-^2?Ш-; fVo (t) — зависимость влажности.

^Kicx ^ост

мерзлого грунта от температуры в равновесных условиях [5]. Для глины: я (т) = с, +с₂ 1п (т). Для песка: /?(г) = с,+с₂ •?. Коэффициенты с и сг представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Эмпирические коэффициенты.

Абсолютная погрешность определения относительной влажности глины по зависимости 4.13 в рассмотренных условиях не превышает ±2%, для песка — ±3% в координатах соответствующих графиков.