ИСТИНА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА Геологический факультет На правах рукописи УДК 551. 340; 624. 131 ЧЕВЕРЕВ Виктор Григорьевич ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАССООБМЕННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ Специальность 04.00.07 – инженерная геология , мерзлотоведение и грунтоведение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук Москва, 1999 г. Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова Научный консультант – доктор геолого-минералогических наук, профессор Э. Д. Ершов Официальные оппоненты: Доктор геолого-минералогических наук, профессор С. Е. Гречищев Доктор геолого-минералогических наук М. А. Минкин Доктор технических наук, профессор А. Д. Фролов Ведущее предприятие - Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС Госстроя РФ) Защита состоится 21 мая 1999 г. в 14 часов 30 мин на заседании диссертационного совета по гидрогеологии, инженерной геологии и мерзлотоведению (Д. 053. 05. 27) при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория № 415. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона А, 6 этаж. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю специализированного совета, профессору Л. С. Гарагуле. Автореферат разослан 21 апреля 1999 г. Ученый секретарь специализированного Совета доктор геолого-минералогических наук, профессор Л. С. Гарагуля ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. В районах распространения сезонно- и многолетнемерзлых грунтов России проектируется, строится и эксплуатируется большое количество зданий и инженерных сооружений. Однако недостаточное знание строительных свойств грунтов приводит или к аварийности, или к необоснованному завышению прочности их конструкций при проектировании. Поэтому существует экономическая целесообразность в продолжении исследований свойств криогенных (мерзлых, промерзающих и протаивающих) грунтов. Сложившееся направление изучения свойств криогенных грунтов базируется в основном на применении к ним фундаментальных законов термодинамики и механики сплошных сред. В результате не учитывается нелинейность характера реакции грунта на воздействие внешних факторов, вызванная сложными интегральными физико-химическими эффектами взаимодействия параметров их фазового состава и строения между собой при переменных условиях состояния. Цель и задачи работы. Главной целью выполненных научных исследований являлась разработка на современном научном уровне физико-химической теории формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов и рекомендаций по их закреплению и стабилизации. Для достижения главной цели работы был поставлен и решался следующий комплекс взаимосвязанных задач методического, теоретического, экспериментального и практического характера. 1. Обобщить и проанализировать результаты фундаментальных исследований в области геокриологии, грунтоведения, физической химии поверхностных явлений, строительной теплофизике, агрофизике по проблеме связанной воды. 2. На основе результатов по п.1 с привлечением собственных экспериментальных исследований оценить энергетическое состояние и формы связи незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах, развить и обобщить представления о механизме и закономерностях формирования количества незамерзшей воды в них. 3. Рассмотреть особенности формирования и устойчивость криогенного строения мерзлых грунтов при воздействии на них различных энергетических полей. 4. Разработать физико-химическую модель мерзлых тонкодисперсных грунтов как многокомпонентных, многофазных, полидисперсных и гетеропористых систем. 5. Исследовать механизм и закономерности формирования массообменных свойств промерзающих тонкодисперсных грунтов различного типа на основе экспериментального определения порового давления и потенциалов воды в них. 6. Изучить природу криогенного влагопереноса, формирования сил морозного пучения в промерзающих грунтах и разработать физическую постановку математического моделирования процесса. 7. Изучить природу аномальных температурных деформаций и зависимости теплопроводности мерзлых грунтов различного состава от переменных условий состояния. 8. Разработать научные основы управления свойствами криогенных грунтов физико-химическими методами и предложить рекомендации для их технической мелиорации путем повышения их связности и упрочнения ледяного компонента. Научная новизна полученных в работе результатов в целом состоит в разработке новой физико-химической теории формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов, которая представляет собой совокупность следующих разработанных научных положений. 1. Методология и методика исследования природы и закономерностей формирования фазового состава, криогенного строения и свойств мерзлых грунтов как сложных многокомпонентных, многофазных, полидисперсных и гетеропористых систем с учетом нелинейности, происходящих в них физико-химических процессов тепло- и массообмена, новые способы и аппаратура для ее применения. 2. Классификация форм связи воды в мерзлых грунтах, составленная на энергетическом принципе и теоретические основы формирования удельного содержания незамерзшей воды в них. 3. Физико-химическая модель мерзлых тонкодисперсных грунтов, учитывающая энергетическое состояние, взаимодействие и взаиморасположение их компонент и фаз и динамика криогенного строения промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов. 4. Теория формирования массообменных свойств криогенных грунтов на основе рассмотрения природы связи, энергетического состояния и геометрических параметров различных категорий незамерзшей воды в них. 5. Фильтрационно-осмотическая теория криогенного влагопереноса и формирования сил морозного пучения при промерзании грунтов и физическая постановка математического моделирования процесса с учетом химических потенциалов незамерзшей воды. 6. Развитие представлений о механизме и закономерностях формирования аномальных температурных деформаций и теплопроводных свойств криогенных грунтов при переменных условиях состояния. 7. Физико-химические основы теории и новые эколого-безопасные способы технической мелиорации грунтов криолитозоны с использованием водного раствора поливинилового спирта. Методика исследований. Цель работы определила единый комплекс методов исследований, включающий в себя обобщение, теоретический анализ и физическое моделирование формирования свойств криогенных грунтов. В работе использованы лабораторные методы исследования параметров процессов тепло- и массообмена и деформирования грунтов, разработанные как лично автором, так и заимствованные из области геокриологии, грунтоведения, гидрогеологии, строительной теплофизики и агрофизики. Личный вклад автора. В основу работы положены теоретические и экспериментальные материалы, полученные лично автором или при его непосредственном творческом участии с 1970 года по настоящее время совместно с аспирантами, студентами и сотрудниками, руководимых автором научных коллективов и лабораторий кафедры геокриологии МГУ и ПНИИИС Госстроя РФ. За период тридцатилетней научной деятельности автор был научным руководителем (или ответственным исполнителем) более 30 госбюджетных и хоздоговорных тем по профилю диссертации, которые в основном были включены в научно-технические программы ГКНТ СМ СССР, Госстроя и Газпрома РФ. Практическое значение. Работа имеет практическое значение для совершенствования нормативно-методической базы инженерно-геокриологических изысканий под проектирование и строительство зданий и инженерных сооружений в области распространения сезонно - и многолетнемерзлых грунтов России, а также для инженерной защиты территории от опасных экзогенных процессов и закрепления грунтовых оснований сооружений. Практическое использование материалов диссертации осуществлено путем подготовки на базе ПНИИИС и утверждения Госстроем РФ ряда нормативных документов и передаче научно - технических достижений в форме отчетов заказчикам. Так, результаты диссертационной работы вошли в четыре нормативные документа по линии Госстроя РФ, составленные или при участии, или под руководством автора. Рекомендации по технической мелиорации грунтов переданы для практического использования в РАО Газпром, Минстройинвест Якутии, Арктикуголь и ВНИИСТ. По патентам автора изготовлены и переданы в производство (ПО Стройизыскания, Минстрой Якутии) и в учебный процесс на геологическом факультете МГУ новые технические средства. Материалы диссертационной работы почти полностью вошли в учебники и учебные пособия, опубликованные с участием автора в издательстве МГУ (Общее мерзлотоведение, 1978; Петрография мерзлых пород, 1987 и др.). Публикации и апробация работы. Результаты диссертационной работы опубликованы в 112 печатных трудах, в том числе в 2-х учебниках, 9 монографиях и в 13 авторских свидетельствах на изобретения. Материалы доложены на научных конференциях и совещаниях различного ранга на: 2, 3, 4, 6 и 7-ой Международных конференциях по мерзлотоведению (Якутск, 73; Канада, 78; Вашингтон, 83; Китай, 93; Канада, 98), заседаниях Научного совета по криологии Земли АН СССР и РАН (Москва, 1991 и др.), 4 и 5-ой Всесоюзных конференциях по тепло- и массообмену (Минск, 72, 76), 6-ой конференции по поверхностным силам (Москва, 76), 5-ом Всесоюзном совещании- семинаре по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях (Красноярск, 68), 3-ем Республиканском совещании по инженерно - геологическим изысканиям в районах распространения вечномерзлых грунтов (Чита, 72), на ряде научно - производственных конференциях и совещаниях по строительству на мерзлых грунтах (Чита, 73; Воркута, 75. 86; Хабаровск, 75), на научных конференциях МГУ - Ломоносовские чтения (96-99), на Первой конференции геокриологов России (Москва, 96). Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 разделов, включающих 13 глав, заключения и списка используемой литературы из 340 наименований. Объем работы составляет 305 страниц текста, иллюстрирована 142 рисунками, фотографиями и таблицами. Благодарности. Автор благодарен доктору наук А.А.Ананяну ,,профессорам Б.Н.Достовалову и В.А.Кудрявцеву за ценные консультации в начале своей научной деятельности, профессорам Л.С. Гарагуле, И.Д. Данилову, Н.Н. Романовскому, Л.Н. Хрусталеву и другим сотрудникам кафедры за обсуждение содержания диссертации при подготовке ее к защите, а так же сотрудникам кафедры инженерной геологии и экологической геологии: профессору В.А. Королеву, доктору наук В.Н. Соколову и канд. геол.-мин. наук Р.И. Злочевской за ценные консультации. Особую признательность автор выражает доктору наук Ю.Д. Зыкову и профессору Л.Т. Роман, а также кандидату наук К.А. Кондратьевой за полезные советы и замечания при написании диссертации и автореферата. Автор благодарен за участие в получении исходных фактических материалов сотрудникам и аспирантам кафедры: Ю.П. Акимову, Е.Н. Барковской, И.Ю. Видяпину, М.А. Магомедгаджиевой, Г.В. Николаевой, Д.М. Шестерневу; сотрудникам ПНИИИС: В.Е. Гагарину, В.И. Панченко, В.В. Разумову, А.В. Чумичеву. Автор особо благодарен своему научному консультанту профессору Э.Д. Ершову за постоянное внимание и поддержку в работе. РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ И АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ Научные обобщения по теории формирования свойств мерзлых грунтов выполнены рядом ведущих специалистов-геокриологов (А.А. Ананяном, 1952-79; П.И. Андриановым, 1936-46; С.С. Вяловым, 1962-76; М.Н. Гольдштейном 1948-71; С.Е. Гречищевым, 1970-96; Э.Д. Ершовым, 1972-97; Ю.Д. Зыковым, 1985; В.О. Орловым, 1962-77; Л.Т. Роман, 1981-96; А.Д. Фроловым, 1976-98; Н.А. Цытовичем, 1945-73 и др.). Известно, что специфические свойства грунты приобретают при переходе в мерзлое состояние из-за появления в них незамерзшей воды, льда и особого криогенного строения. При этом механизм и закономерности формирования этих свойств в существенной мере определяются категориями незамерзшей воды в них. Анализу разновидностей воды в мерзлых грунтах уделено внимание в работах А.А. Ананяна, Б.Н. Достовалова, З.А. Нерсесовой, Н.А. Цытовича, И.А. Тютюнова. Так при объяснении механизма криогенной миграции, А.А. Ананян рассматривал существование в промерзающих грунтах трансляционных скачков из толстых пленок незамерзшей воды в тонкие. Сходное подразделение незамерзшей воды на типы применял и И.А. Тютюнов (граничная и приграничная фазы). Б.Н. Достовалов предполагал существование в тонкодисперсных грунтах категории воды с особо высокой подвижностью, которую он называл «развязанной» водой. Механизм существования ее он связывал с растягивающими силами, действующими со стороны минеральных поверхностей на воду, находящуюся между ними. Наличием такой категории воды в грунтах Б.Н. Достовалов пытался объяснить понижение температуры замерзания воды в них. Однако обнаружить эту категорию воды в природных грунтах, отличающихся гетеропористостью и поэтому интегральными эффектами по связыванию воды, по признанию самого автора идеи, не представляется возможным. Более общей по тому времени (50-60 годы) можно считать классификацию воды в мерзлых грунтах З.А. Нерсесовой и Н.А. Цытовича (пар, лед, незамерзшая прочно- и рыхлосвязанная вода). В последующий период в грунтоведении и физической химии поверхностных явлений был выполнен значительный объем фундаментальных исследований по связанной воде в дисперсных грунтах. В том числе: исследованы поверхностные силы в тонких пленках (Б.В. Дерягин, Н.В.Чураев и др.), свойства квазижидких пленок на льду (В.И. Квливидзе и др.), получены и проанализированы изотермы адсорбции и формы связи воды для дисперсных тел (М.Ф. Казанский и др.), грунтов (Е.М. Сергеев, Р.И. Злочевская и др.), почв (Б.Н. Мичурин, И.И. Судницын и др.), исследована природа формирования прочностных и деформационных свойств глин (В.И. Осипов, Р.С. Зиангиров), изучены и систематизированы формы связи воды в глинах, закономерности взаимодействия категорий связанной воды между собой, рассмотрено их энергетическое состояние и основные свойства, построены диаграммы компонентного и фазового состава дисперсных грунтов (Р.И. Злочевская, В.А. Королев). В гидрогеологии и грунтоведении исследованы области нелинейной фильтрации и природа ее формирования (Г.П. Алексеенко, Г.М. Березкина, В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов, А.И. Чураков, Д. Эванс и др.). В агрофизике разработаны теоретические основы применения термодинамики необратимых процессов к описанию массообмена в почвах (А.М. Глобус, А.Д. Воронин, С.В. Нерпин, И.И. Судницин и др.). Однако в геокриологии по этим вопросам сложилось явное отставание, связанное с недостаточным использованием достижений смежных областей знания для решения проблемы установления и классифицирования форм связи воды в мерзлых грунтах на энергетическом принципе и описания процессов тепло- и массообмена в криогенных грунтах с использованием теории потенциалов влаги. Результаты исследования зависимостей удельного содержания незамерзшей воды от различных факторов, опубликованные в ряде специальных работ послужили исходными фактическими материалами для постановки исследований автора. При этом наибольшее значение для представленной диссертации имел принцип термодинамического равновесия между незамерзшей водой и льдом в мерзлом грунте (Н.А. Цытович), зависимость содержания незамерзшей воды в грунтах различного литологического и генетического типа от температуры (А.А. Ананян, М.А. Минкин, З.А. Нерсесова и др.), влияние на фазовый состав мерзлых грунтов структуры порового пространства (Т.А. Литвинова), давления (Г.П. Бровка и др.), а так же замерзания-оттаивания грунтов (С.Е. Гречищев, Л.В. Чистотинов и др.). Однако при анализе физической сущности зависимости содержания незамерзшей воды (Wн) в мерзлых грунтах от их минерального состава и дисперсности в большинстве работ использовалось их различие в удельной активной поверхности (Sуд). В связи с этим следует особо подчеркнуть, что только лишь Sуд не представляется возможным объяснить формы и пересечения кривых Wн(Т) в грунтах различного состава. В литературе так же существуют неоднозначные представления о влиянии внешней нагрузки, засоленности, общей влажности, плотности и других факторов на содержание незамерзшей воды. Решить эти противоречия оказалось возможным путем развития физико-химического подхода к исследованию мерзлых грунтов как сложных многокомпонентных и гетеропористых систем с учетом категорий и химических потенциалов незамерзшей воды в них. В литературе накоплен большой фактический материал по криогенному строению мерзлых грунтов, механизму формирования их первичной криогенной текстуры. Однако, как показано С.С. Вяловым, Н.К. Пекарской, Р.В. Максимяк, В.В. Роговым, Ю.В. Кулешовым, В.Д. Ершовым, Е.М. Чувилиным, автором и др., криогенное строение мерзлых грунтов может испытывать существенные преобразования при различных внешних энергетических воздействиях. Отсюда возникает проблема оценки ее устойчивости и изучения направленности изменения. Для определения природы и закономерностей формирования, разработки методов прогноза и приемов управления свойствами криогенных грунтов большое значение имеет развитие модельных физико-химических представлений о криогенных грунтах. Известные модели зернистых и капиллярно-пористых влагосодержащих сред не адекватны мерзлым грунтам (Фролов, 1998). Физико-химическая модель немерзлой водонасыщенной глины Л.И. Кульчицкого и О.Г. Усьярова (1981), полезна для построения модели мерзлого грунта, но далеко не достаточна. Основами физической модели мерзлого грунта явились более существенные для представленной работы понятия о: компонентном составе мерзлой породы, пространственной криогенной кристаллизационно-коагуляционной структуре, физических подсистемах мерзлой породы, определяющих ее отклик на внешнее воздействие, предложенные А.Д. Фроловым (1998). Однако специфика грунта при переходе его в мерзлое состояние и при дальнейшем охлаждении состоит в том, что коагуляционная структура постепенно переходит в льдоцементационную, вымерзая, прекращают свое существование определенные категории незамерзшей воды и т.д.. Эти важнейшие факторы необходимо было учесть автору диссертации при составлении физико-химической модели мерзлого глинистого грунта. Массообменные и тепловые свойства криогенных грунтов исследовались многими российскими и зарубежными учеными. Полученные материалы опубликованы в учебниках, монографиях и многочисленных статьях, использованы при составлении нормативных документов в области строительства. Наиболее полно они представлены в трудах А. А. Ананяна; А.В. Брушкова, С. С. Вялова; Р.И. Гаврильева, С. Е. Гречищева, Б. Н. Достовалова; Э. Д. Ершова, Ю.Д. Зыкова, Н. С. Иванова, Я.А. Кроника, В. А. Кудрявцева, В.Я Лапшина, В. О. Орлова, Л. Т. Роман; М. И. Сумгина, Г.М. Фельдмана, А.Д. Фролова, Н. А. Цытовича, И.В. Шейкина, Е.П. Шушериной, G. Beskow, G.Bouyoucos, A. Ducer, A. Jumikis, S. Taber и др.. Исследования проводились путем получения зависимостей свойств криогенных грунтов от различных факторов их состава, строения и условий состояния. Дальнейшее развитие представлений о механизме и закономерностях формирования свойств криогенных грунтов автору представляется плодотворным на основе более детального рассмотрения их как сложных полигенетических систем, с учетом происходящих в них внутренних физико-химических и массообменных процессов, анализа форм связи и химических потенциалов незамерзшей воды, микро- и макроструктурных преобразований. Концептуальное значение здесь имеет отношение к температуре мерзлого грунта не только как потенциалу теплопереноса, но и как к параметру, который определяет потенциал влагопереноса в промерзающих и оттаивающих грунтах и в целом энергетическое состояние воды в них, поэтому разработка этого направления весьма актуальна. Развитие методов технической мелиорации грунтов идет по различным направлениям, из которых физико-химическое, с позиций представленной работы, представляется наиболее наукоемким и эффективным. Оно состоит в понимании и всестороннем учете свойств тонкодисперсной части грунта, его емкости обмена, состава поглощающего комплекса и химико-минерального состава и геохимических процессов. Это направление развивалось М.М. Филатовым, Е.М. Сергеевым, С.С. Морозовым, С.Д. Воронкевичем, В.И. Сергеевым, И.А. Тютюновым и др.. При этом изучались процессы, происходящие на границе раздела дисперсной среды, характер связей, возникающих в искусственно улучшенных грунтах и другие явления и их роль в формировании заданных свойств криогенных грунтов. Автору представляется, что дальнейшая разработка эффективных физико-химических методов управления свойствами криогенных грунтов должна идти через создание адекватных математических (С.Н. Булдович, Э.Д. Ершов, Ю.С. Даниэлян и др.) и логико-графических (В.Т. Трофимов и др.) модельных представлений о механизме и закономерностях формирования свойств грунтов. Решение этой проблемы позволит выявлять наиболее чувствительные к направленному регулированию параметры процесса формирования свойств криогенных грунтов и определять тем самым наиболее оптимальные направления для технической мелиорации грунтов криолитозоны. Таким образом, анализ состояния проблемы исследования механизма формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов и фундаментальных исследований свойств связанной воды в физической химии поверхностных явлений и грунтоведении, теории тепло- и массообмена в строительной теплофизике и агрофизике, показывает, что сложились предпосылки для разработки новой физико-химической теории формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов. Автору представляется, что эта теория должна быть основана на парадигме, характеризующей мерзлый глинистый грунт как неоднородную в структурном и энергетическом отношении криогенную минеральную систему с нелинейной, как правило, реакцией на внешнее энергетическое воздействие. ГЛАВА 2. ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ В научной и нормативной литературе опубликовано значительное количество способов изучения фазового состава, строения и свойств мерзлых грунтов, дано краткое описание технических средств для их реализации. Так, в настоящее время известен десяток способов опытного определения фазового состава воды в мерзлых грунтах: 1- криоскопический (Л.В. Чистотинов и др.), 2 - контактный (Э.Д. Ершов и др.), 3- гигроскопический (И.Н. Вотяков), 4 - криогигроскопический (В.Г. Чеверев и др.), 5 -сублимационный (В.А. Кудрявцев и др.), 6 - метод ядерного магнитного резонанса - ЯМР (А.А. Ананян и др.), 7 - калориметрический (З.А. Нерсесова и др.), 8 - тепломерный (Э.Д. Ершов, Ю.С. Даниэлян и др.), 9 - дилатометрический (П.И. Андрианов и др.), 10 - электрический, диэлектрический, ультразвуковой (А.Д. Фролов и др.). Важнейшее преимущество первых шести способов - прямое определение содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах, геофизических – возможность использования в натурных условиях и в ходе эксперимента. Каждый из них хорошо работает лишь в ограниченном диапазоне по типу грунтов и условиям состояния. Методы исследования криогенного микростроения описаны в работах П.А. Шумского, Т.Н Жестковой, В.В. Рогова, О.С. Кононовой, Е.М. Чувилина и др. Несмотря на то, что проблема в целом решается, следует отметить сложность и трудоемкость методики исследования микростроения мерзлых грунтов и льдов. Способы и технические средства определения массообменных, морозно-пучинистых и тепловых свойств криогенных грунтов опубликованы в работах А.А. Ананяна, Н.И. Гамаюнова, А.М. Глобуса, С.Е. Гречищева, Б.И. Долматова, Э.Д. Ершова, Н.С. Иванова, В.О. Орлова, Н.А. Пузакова, Л.В., И.А. Тютюнова, Г.М. Фельдмана, Л.В. Чистотинова, Е.П., И.В. Шейкина, Е.П. Шушериной, M. Fukuda, P. Williams и др. В смежных областях знания также разработаны методы и аппаратура для исследования микростроения и свойств дисперсных материалов, почв и грунтов, которые могут быть использованы и в геокриологии (В.Н. Соколов, А.М. Глобус, А.В Лыков, И.И. Судницын, Н.В. Чураев, А. Андерсен, Л. Ричардс, Н. Эдлефсен, и др.). Однако многие из них нуждаются в модификации. Прежде всего, автору предстояло разработать методику перехода от изотерм адсорбции к содержанию незамерзшей воды в мерзлых грунтах, способы и аппаратуру по определения химического потенциала и порового давления в промерзающих грунтах, коэффициентов влаго- и теплопроводности и температурных деформаций при переменных условиях состояния. РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В основу постановки исследований были положены следующие методологические аспекты решения проблемы. Генетический аспект отражен в представительном выборе объекта исследований – около 50-ти типов грунтов по дисперсности, химико-минеральному составу, возрасту и генезису, которые испытывались в естественном и нарушенном состоянии, в широком диапазоне по плотности, влажности и температуре. Адекватность лабораторных испытаний натурным условиям обеспечивалась путем моделирования различных условий по тепло- и массообмену, давлению, промерзанию-оттаиванию, в том числе циклическому. Подвергая грунты различным видам энергетического воздействия, исследовались параметры внутренних процессов преобразования криогенного строения, фазовых переходов и напряженно-деформированного состояния. Комплексная постановка исследований позволяла с физико-химических позиций интерпретировать результаты физического моделирования процессов тепло-массообмена, морозного пучения и деформирования криогенных грунтов. Масштабный эффект учитывался при подготовке образцов. Например, исследование теплопроводных свойств крупнообломочных грунтов проводилось на крупноразмерных образцах, диаметром 40 см и высотой 15 см, с тем расчетом, чтобы размер самого крупного обломка был в 5 раз меньше минимального размера образца, то есть не превышал бы 3 см. Таким же путем учитывались геометрические параметры криогенной текстуры и слоистых образцов. ГЛАВА 4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, РАЗРАБОТАННЫЕ И ПРИМЕНЕННЫЕ В ХОДЕ ИССЛЕДОВАНИЙ Методика исследования фазового состава влаги мерзлых грунтов состояла из двух частей: 1- способа перехода от изотерм сорбции для немерзлых грунтов к исследованию форм связи влаги в мерзлых грунтах и 2- экспериментального определения содержания незамерзшей воды в них. Сущность способа, позволяющего перейти от кривых десорбции талых грунтов к фазовому составу воды в их мерзлом состоянии, заключалась в использовании известного в термодинамике почвенной влаги равенства химических потенциалов парообразной (п) и жидкой (w) фаз влаги в условиях равновесия. При этом для немерзлых грунтов имеем: w=п= -RTlg(р/рs)/ Vw (1), а для мерзлых: w= - TL/TVw (2), где Vw - удельный объем воды, L - теплота фазового перехода незамерзшей воды в лед, р/рs – относительное давление паров воды (Эдлефсен, Андерсен, 1966; Судницын, 1979 и др.). Отсутствие надежных данных по Vw и L для незамерзшей воды в мерзлых грунтах и в связи с этим наличие проблемы в использовании формулы (2), потребовало разработки экспериментального способа определения химического потенциала влаги в мерзлых грунтах. В основу методических проработок нами были положены известные в области агрофизики способы измерения потенциалов влаги в немерзлых почвах. Однако без соответствующей переделки и доработки их применение для мерзлых грунтов не представлялось возможным. В ходе выполнения исследовательских работ были изготовлены устройства и опробованы четыре наиболее перспективные по нашим исходным представлениям способа определения потенциалов влаги: тензиометрический, гигроскопический, осмометрический и микрокапиллярный. Известный в агрофизике гигроскопический метод определения потенциалов влаги был применен нами в новой модификации, назван криогигроскопическим и, наряду с тензиометрическим, оказался весьма перспективным. Именно этим методом был получен основной результат по определению потенциалов влаги для мерзлого состояния грунтов. По результатам гигроскопических испытаний (сорбция и десорбция), используя известную формулу (1), с учетом температурной поправки были получены зависимости равновесной влажности грунтов от отрицательной температуры и эквивалентного давления (потенциала) влаги. Для этих же грунтов при фиксированных отрицательных температурах определялось равновесное влагосодержание со льдом контактным методом. Сравнение, сведенных на один график, зависимостей равновесного влагосодержания грунтов от температуры и потенциала (давления) влаги, полученных при сорбции из льда, пара и десорбции грунтов различного состава позволило оценить их применимость для определения потенциала влаги мерзлых грунтов (рис.1). Установлена сходимость зависимостей содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах от температуры с политермами десорбции. Применимость политерм сорбции возможна лишь при низких температурах, ниже -30С, очевидно по причине капиллярного гистерезиса. Таким путем был разработан метод перехода от изотерм к политермам десорбции влаги и, соответственно, к зависимостям содержания незамерзшей воды от температуры, который одновременно является новым криогигроскопическим методом определения содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах, для реализации которого не требуется холодильное оборудование. Помимо вышеизложенного криогигроскопического метода, в работе применялись еще несколько известных способов экспериментального определения фазового состава влаги в мерзлых грунтах – калориметрического, контактного и криоскопического. В методику исследования природы формирования фазового состава воды в мерзлых грунтах входили также методы получения их физико-химических и структурных характеристик - удельной активной поверхности и распределения объемов пор по радиусу (методом ртутной порометрии). Криогенное микростроение изучалось методом реплик с применением оптического и растрового микроскопов, а макростроение - визуально с применением цейтрайферной киносъемки, которая позволяла наблюдать процесс зарождения, развития и таяния ледяных шлиров при промерзании и оттаивании грунтов. Для выявления природы формирования криогенного строения промерзающих грунтов, связанное с их морозным пучением, и их массообменных характеристик, производилось физическое моделирование процесса промерзания - оттаивания. При этом изучались параметры процесса тепломассообмена (температура, поровое давление, плотность потока влаги, динамика движения фронта промерзания и зоны льдовыделения), послойно измерялись деформации усадки и пучения, криогенное текстурообразование. Для этой цели были сконструированы специальные экспериментальные установки, которые позволяли производить одностороннее промораживание или оттаивание образцов грунта с различными заданными граничными условиями по тепло- и массообмену. Исследование температурных деформаций мерзлых образцов грунта выполнялось с помощью специально изготовленных форм из оргстекла, на стенках которых закреплялись датчики деформаций в различных направлениях. Изучение температурных деформаций при различном механическом давлении осуществлялось в компрессионных приборах. Коэффициенты теплопроводности исследовались на специально сконструированных приборах. Аналогичный метод определения теплопроводности мерзлых грунтов и схема устройства в дальнейшем вошли в «ГОСТ №26263-84. Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности», составленный автором совместно с сотрудниками ПНИИИС, ВНИИОСП и Гф МГУ. РАЗДЕЛ 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ГЛАВА 5. ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ С целью оптимизации пути разработки теории формирования количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, множество стандартных характеристик, ввиду их функциональной взаимозависимости, в работе сведены к минимальному числу физико-химических свойств, в совокупности своей в основном определяющих фазовый состав воды в мерзлых грунтах. К ним автор относит: удельную активную поверхность грунта, структуру его порового пространства, ионную силу порового раствора, его удельное содержание в грунте и суммарную влажность. Незамерзшая вода всех разновидностей может заполнять как капилляры грунта, так и покрывать поверхности минералов жидкообразной пленкой практически во всем диапазоне температур. Однако при более низких температурах (ниже - 3 0С) незамерзшая вода преимущественно находится в пленочной форме, а при более высоких - в капиллярной. Поэтому в формировании количества незамерзшей воды (Wн) в области низких температур основную роль играет удельная активная поверхность грунта, а в области высоких - структура его порового пространства, то есть распределение объемов пор по радиусу. Этим можно объяснить характер кривых Wн(Т) и их пересечение в глинах различного минерального состава (рис. 2).      Так монопористость каолинитовой глины приводит к резкому снижению удельного содержания незамерзшей воды в ней в узком диапазоне температур, напротив гетеропористость монтмориллонитовой глины придает растянутый по оси Т характер зависимости Wн(Т). Структура порового пространства грунтов хорошо описывается логарифмически нормальным законом, который в свою очередь определяет линейную логарифмическую зависимость удельного объема незамерзшей воды от температуры грунта до –100С. В ходе экспериментальных исследований нами установлена закономерность, состоящая в том, что удельное количество незамерзшей воды в грунтах подчиняется правилу аддитивности. Суть этого правила состоит в том, что если грунт представляет смесь частиц и микроагрегатов различного минерального состава, то общее содержание Wн соответствует арифметической сумме удельных количеств жидкой фазы каждого компонента грунта в отдельности. Такое правило соблюдается при не очень высоких температурах, не выше –10С, когда роль крупных пор мерзлых грунтов в формировании содержания незамерзшей воды не велика. Той же физической природой объясняется и отсутствие заметного изменения фазового состава воды между грунтами естественного и нарушенного сложения при прочих равных условиях, когда механическое размельчение грунта или его уплотнение идет лишь на макроуровне, не затрагивая микростроения. Как следует из результатов экспериментов по определению содержания незамерзшей воды криоскопическим методом, внешнее механическое давление на мерзлый грунт, если оно предается на незамерзшую воду в условиях открытой системы, повышает ее химический потенциал и тем самым сдвигает фазовое равновесие в сторону уменьшения содержания жидкой фазы. При этом температура замерзания – оттаивания грунта повышается, что можно представить, используя формулу (2) и заменяя химический потенциал незамерзшей воды на ее эквивалентное давление (-Рw), в виде: T = - Pw(T) + Pw(G)T۰Vw/L, (3) где Pw(G) – повышение давления в незамерзшей воде за счет внешней механической нагрузки, Pw(G) = кG, где к  1. Эффект от этого фактора на порядок превосходит сдвиг фазового равновесия по уравнению Клапейрона – Клаузиуса однокомпонентной системы вода – лед. Классифицирование форм связи воды с минеральным компонентом в мерзлых глинистых грунтах предполагает определение характерных для мерзлых грунтов категорий воды, природы их связи, мест расположения, температурных диапазонов формирования и оценку их основных физико-химических свойств. Для немерзлых грунтов и капиллярно-пористых материалов в грунтоведении и физикохимии эта задача в значительной степени выполнена. В основе ее решения лежит анализ изотерм сорбции-десорбции воды в грунтах, на которых наблюдаются характерные перегибы, соответствующие смене формы связи воды с минеральным компонентом. Использование этого анализа с целью получения исходных данных для систематизации форм связи воды в мерзлых грунтах осуществлено на основе, разработанной автором, методики перехода от изотерм сорбции (десорбции) к фазовому составу мерзлых грунтов, суть которой изложена в гл.4. При этом показано, что характерным значениям Р/Рs = 0,5; 0,9 и 0,98 соответствуют температуры –80, -12 и -30С. Кроме того, в работе экспериментально установлена еще одна характерная температура - -0,60С, выше которой в морозно-пучинистых грунтах незамерзшая вода пока еще способна передавать поровое давление и, соответственно, подчиняться фильтрационному механизму влагопереноса (гл.8). Отличительным принципом предложенной классификации является то, что она составлена безотносительно к какому либо конкретному грунту или состоянию, а систематизирует все основные категории воды в мерзлых минеральных грунтах по природе связи и месту расположения, которые существенны для анализа их свойств. При этом в конкретном мерзлом грунте в зависимости от его литологического типа и температуры могут присутствовать одни категории воды и отсутствовать другие (рис. 3). В то же время различные категории воды могут или совмещаться друг с другом, занимая общий объем в грунте (например, капиллярная и осмотическая незамерзшая вода) или, наоборот, не могут иметь общий объем (например, осмотическая незамерзшая вода и иммобилизованный раствор из-за конкуренции за связывание молекул воды). В работе это подробно рассматривается. По агрегатному состоянию автор подразделяет воду в мерзлых грунтах на четыре категории: молекулы воды, жидкость, пар и лед. При этом, с учетом общей схемы П.А. Ребиндера применительно к мерзлым грунтам, выделяются четыре типа незамерзшей воды по природе связи: 1 - химически и физикохимически связанные молекулы воды, 2 - физикохимически связанная вода и лед, 3 - физически связанная вода и 4 - механически связанная вода, пар и лед (таб.1). Химически и физикохимически связанные молекулы воды не являются ни самостоятельной жидкой фазой, ни паром, ни льдом, а входят в состав минеральной фазы грунта и имеют моноэнергетическую и наиболее высокую степень связи с минеральной поверхностью. Среди этого типа связи выделяются молекулы воды, входящие в кристаллогидраты и физикохимически адсорбированные молекулы воды, которые образуют неоднородные, вероятно дискретные слои толщиной до 1нм. Адсорбированные молекулы воды характеризуются энергией взаимодействия с минеральной поверхностью значениями порядка (90 - 300) кДж/кг и температурой кристаллизации от -80 0С и ниже, растворимость соли в них понижена не менее чем в 10 раз по сравнению с обычной водой («не растворяющий» объем по Квливидзе и др. 1988). Второй тип незамерзшей воды по природе связи - физикохимически связанная незамерзшая вода имеет полиэнергетическую связь с минеральной и ледовой поверхностями, величина которой зависит от толщины водной пленки. Этот тип воды подразделяется на два вида: адсорбированная пленочная вода и осмотически связанная вода. Адсорбированная пленочная незамерзшая вода образуется путем межмолекулярного взаимодействия поляризованных твердыми гидрофильными поверхностями грунта молекул воды с помощью водородных связей. Это относительно короткодействующий тип связи, существующий в диапазоне от 1 до 8 нм (Дерягин, Чураев,1985). Адсорбированная пленочная вода подразделяется на 4 разновидности: незамерзшая вода на внешней поверхности глинистых минералов, неглинистых минералов, внутрикристаллического набухания и квазижидкие пленки на льду. Адсорбированная незамерзшая вода внутрикристаллического набухания формируется только в мерзлых глинистых грунтах, имеющих в своем составе набухающие минералы. С помощью метода дифракции рентгеновских лучей (Андерсен и Моргенштерн, 1973) в монтмориллонитовой глине была установлена кристаллизация льда только вне пределов межплоскостного пространства. При повышении температуры грунта и таянии в нем ледяных кристаллов, появляющаяся вода, вновь поступает в межпакетное пространство набухающих минералов. Очевидно, что описанное явление существенно влияет на время установления фазового равновесия в глинах. Таблица-1. Классификация категорий воды в мерзлых грунтах по природе связи и месту расположения (без парообразной фазы) Классы по фаз. состоян Типы по природе связи Виды по природе связи Разновидности по месту расположения -Т, 0С - w, кДж/кг hпл, dкап, нм Моле- Хим. и физ. -химически Кристал-логидраты Молекулы воды входят в состав мин. - - - кулы воды связ. мол. воды (мо-ноэн. сос.) Физ.-хим. адсорбир. мол. воды Адсорбированные мол. воды на внеш. поверхности минер. 80 300- 90 - Адс. вода на внеш. поверх. глин. мин. 80-12 90-14 1-2 Физико - химически Адсорби- рованная Адс. вода на поверх. неглин. минералов. 80-Тнз 90-1,2Тнз 1-8 связанная вода пленочная вода Вода внутрикрис-таллического набух. 12-3 11-3,4 0,6-1,5 (полиэнер- гетическое Квазижидкие пленки на льду 12-3 11-3,4 0,0-1,5 состояние) Осмотич. Осмотическая вода ультрамикропор 12-3 11-3,4 2-100 Жидкая вода связанная вода на Осмотическая вода микрокапилляр. пор 3-0,6 3,4-0,7 200-103 поверхн. минералов Осмотическая вода мезокапилл. пор 0,6-0,02 0,7-0,03 103-104 и льда Осмотическая вода на поверхн. льда 3-Тнз 3,4-1,2Тнз 1,5-5 Физически Капиллярн. Микрокапиллярная вода несквоз. пор 3-0,6 3,4-0,7 200-103 связ. вода (моноэнерг связанная вода Мезокапиллярная вода сквозных пор 0,6-0,02 0,7-0,03 103-104 состояние) Макрокапиллярная вода сквозных пор 0,02-Тнз 0,03-1,2Тнз 104-106 Механичес. Иммобил. минер. скелетом раствор от 2 связ. вода (моноэнерг Иммобили-зованный Иммобил. раствор между мин. и льдом -Т = 1,86۰ С۰i \* 1,2Т до106 и бо- состояние) раствор Иммобилизованный льдом раствор лее Физ.-хим. связан. лед (полиэнерг. состояние) Адгезион-ный лед Приповерхностный лед 12 11 0,9-8 Лед Механичес. связан. лед Объемный Внутрипоровый лед (моноэнер- гетическое состояние) лед Внепоровый лед (шлировый, порфировидный) 12 1,2Т 8 Примечание: \* С - моляльная концентрация порового раствора; i – изотонический коэффициент Вант - Гоффа. Квазижидкие пленки на льду образуются за счет его собственной гидрофильности и обнаружены методами рентгеноструктурного анализа при температурах в основном до -12 0С (Квливидзе и др. 1988).По аналогии с формами связи незамерзшей воды на минеральной поверхности, в силу сходной природы адсорбции, целесообразно подразделить температурный диапазон формирования квазижидких пленок на льду на две категории: от -12 до -3 и от -3 до Тот 0С. При этом низкотемпературная категория незамерзшей воды будет соответствовать адсорбированной квазижидкой пленки на льду, а высокотемпературная -осмотической воде на поверхности льда. Второй вид физикохимически связанной воды это - осмотически связанная незамерзшая вода на поверхности минералов и льда. Механизм формирования этого вида воды состоит в гидратации ионов двойного электрического слоя поверхности минералов и льда, имеющих электростатический заряд. В соответствии с классификацией влаги в мерзлых грунтах, автором выделяется осмотическая незамерзшая вода четырех разновидностей: осмотическая вода ультрамикропор, микрокапиллярных и мезокапиллярных пор и осмотическая вода на поверхности льда. Их общие свойства следующие. Диапазон существования осмотически связанной незамерзшей воды составляет Тот  -12 0С. Она полиэнергетически связана с минеральной и ледовой поверхностями, которая естественно ослабевает по мере удаления от гидрофильной поверхности. Количество осмотически связанной воды в глинистых грунтах зависит от сорбционных свойств минеральных поверхностей и льда, радиуса и плотности заряда катионов и ионной силы порового раствора. При больших концентрациях раствора (1 н) ионы диффузного слоя полностью переходят в адсорбционный слой, а осмотически связанная незамерзшая вода перестает существовать. Особое значение для процесса массопереноса в криогенных грунтах имеет осмотическая незамерзшая вода мезокапиллярных пор, которая составляет значительные объемы незамерзшей воды и существует в диапазоне температур -0,6  -0,02 (или до Тот) 0С. Она передает поровое давление и характеризуется нелинейной фильтрацией. Эта категория незамерзшей воды играет определяющую роль в формировании движущих сил криогенного влагопереноса, давления и деформаций морозного пучения грунтов (табл.1) Третий тип незамерзшей воды - физически связанная вода, имеет моноэнергетическую связь с твердой компонентой мерзлого грунта по причине физического механизма связывания. Этот тип незамерзшей воды представлен видом капиллярно связанной воды. В эту категорию автор не включает адсорбированную пленочную воду, находящуюся на стенках тех же капилляров и механизм образования которой иной. В соответствии с предложенной классификацией, четвертым типом незамерзшей влаги является механически связанная вода. Она подразделяется на два вида иммобилизованный раствор и иммобилизованный пар. Механически (структурно) связанная влага характеризуется моноэнергетическим состоянием потому, что ее химический потенциал, как и температурный диапазон существования, определяется только ионной силой порового раствора. По данным рентгеноструктурного анализа при обычных термодинамических условиях в порах мерзлого грунта образуется лишь лед гексагонального типа, то есть лед-1 (Андерсен, Моргенштерн, 1973). При этом обнаружена повышенная дефектность мелких кристаллов приповерхностного порового льда. Учитывая явление поверхностного псевдоморфизма (Осипов, 1980), применительно к мерзлым грунтам можно предположить, что химический потенциал льда, образовавшегося из пленок связанной воды в непосредственной близости от минеральной поверхности (Т -120С) и испытывающего ее энергетическое воздействие, будет ниже химического потенциала, удаленного от нее, объемного льда. Поэтому в классификацию, построенную на энергетическом принципе, вошли два вида льда: адгезионный приповерхностный лед, полиэнергетически, физикохимически связанный с минеральным скелетом и объемный лед, имеющий только механическую связь с грунтом и моноэнергетическое состояние. ГЛАВА 6. СТАТИКА И ДИНАМИКА КРИОГЕННОГО СТРОЕНИЯ ГРУНТОВ В мерзлых грунтах, в связи с наличием в них льда, существенное значение приобретают водородные связи, которые можно количественно оценить по величинам химических потенциалов незамерзшей воды по формуле (2). При промерзании грунтов повышается значение ионно-электростатических связей, поскольку их природа состоит не только в связывании минеральных поверхностей обменными ионами, но и в притяжении разноименно заряженных минеральных поверхностей и льда (по Э. Д. Ершову). Напротив молекулярные силы связи, играющие существенную роль в слабо литифицированных грунтах, теряют свое значение при переходе их в мерзлое состояние. В мерзлых грунтах в зависимости от их температуры могут формироваться любые из трех известных типов контактов - коагуляционные, точечные и фазовые. Их взаимные переходы осуществляются при изменении температуры мерзлого грунта, сопровождаемого фазовыми переходами лед - незамерзшая вода, а также поровый раствор - кристаллы соли. Под действием градиентов механических напряжений (Вялов и др. 1970; Кулешов, Чувилин, 1985; Ершов В. Д., 1978; Роггенсак и Моргенштерн, 1978) , градиентов температуры (Ершов, Чеверев, 1974 - 97) и осмотического давления (Лебеденко, 1988) криогенное строение мерзлых грунтов претерпевает, пропорциональные величине воздействия, преобразования. Появляются новые шлиры льда, а имеющиеся прослои утолщаются. Происходит перераспределение льдистости. Мелкие ледяные образования объединяются в крупные. Нами также установлены факты преобразования массивной криогенной текстуры в шлировую при миграции незамерзшей воды в мерзлых и в мерзлой зоне оттаивающих грунтов под действием градиента температуры. Кроме того, в мерзлых грунтах механическая нагрузка в зоне влияния штампа, в соответствии с формулой (3), повышает потенциал незамерзшей воды. В результате вода перемещается на периферию, то есть туда, где давление меньше. Там она вымерзает с образованием ледяных прослоев, ориентированных вдоль изолиний механических напряжений. После снятия нагрузки, содержание незамерзшей воды восстанавливается, естественно, за счет ближайшего порового льда, а не за счет новообразованного шлирового льда на периферийном участке. При этом нагружение мерзлого грунта приводит к временному повышению его температуры, а снятие нагрузки наоборот к ее понижению за счет скрытой теплоты фазовых переходов. Очевидно, что при циклической нагрузке - разгрузке этот процесс будет повторяться, то есть будет работать «механический криогенный насос», «перекачивающий» лед из напряженных центральных участков к ненапряженным периферийным. Из вышеизложенного следует, что криогенное строение мерзлых грунтов не является чем-то стабильным и неизменным. Оно может претерпевать под действием различных энергетических полей существенные преобразования как количественные, так и качественные. Результат преобразования первичного криогенного строения мерзлых грунтов во вторичное зависит от вида энергетического воздействия, температуры и литологических особенностей грунта через его фазовый состав воды, повышаясь с ростом температуры, дисперсности грунта и его засоленности и при переходе от шлировой текстуры к массивной. Мерзлые грунты, для которых характерна массивная криогенная текстура, высокое содержание незамерзшей воды и дисперсность порового льда, имеют наименьшую устойчивость по криогенному строению. Энергетическое воздействие на мерзлый грунт и нарушение тем самым его термодинамического равновесия, сопровождается уменьшением поверхностной энергии льда в нем, что проявляется в преобразовании в определенном направлении его криогенного строения. Обобщая установленные опытным путем факты, автором сформулирован закон-тенденция: «энергетическое воздействие на мерзлый дисперсный грунт приводит к уменьшению поверхностной энергии порового льда, которое проявляется в стремлении к интеграции мелкодисперсного льда в крупнодисперсный и к переходу от массивной криогенной текстуры к шлировой, а от шлировой к порфировидной». ГЛАВА 7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕРЗЛОГО ГРУНТА В основе физико-химической модели мерзлого грунта заложены элементы, отражающие: его компонентный и фазовый состав; пространственную криогенную льдоцементационно-коагуляционную структуру; строение и свойства подсистем мерзлого грунта, определяющих его реакцию на внешнее воздействие. Модельные представления автора распространяются на три различных температурных диапазона существования грунта в мерзлом состоянии, категории воды в которых и криогенная структура качественно различны. Дополнительно, для сопоставления, приведены модели талого состояния грунта в рыхлом и плотном сложении (рис. 3). Диапазоны отрицательных температур ранее были обоснованы в главе 5 и представлены в классификации категорий воды в мерзлых грунтах (таб. 1). Анализ сущности физико-химической модели мерзлого незасоленного глинистого грунта целесообразно провести, начиная с его талого состояния. Обезвоживание талой зоны грунта, за счет криогенного влагопереноса в зону промерзания, происходит до влажности предела усадки (Wу). При ней контакты между глинистыми агрегатами осуществляются через оболочки осмотически связанной воды, обладающие заметным расклинивающим действием и химический потенциал которых ниже потенциала порового раствора (рис. 3). Однако, как это предусмотрено в модели (рис. 3, п. 4), в межагрегатных порах остаются некоторые дискретные объемы макрокапиллярной воды, не обладающие расклинивающим давлением и не имеющие общей непрерывной гидравлической связи. Такое представление структуры грунта согласуется с формированием в нем нелинейной фильтрации, в результате влияния электровязкостного эффекта торможения. В модели грунта учтено, что вымерзание дискретных объемов макрокапиллярной воды несквозных пор в диапазоне температур от Тнз до -0,6 0С не нарушает гидравлической связи гидратных оболочек, способных передавать поровое давление, но и не вызывает еще дефицита жидкой фазы и появление расклинивающего давления и, соответственно, движущих сил криогенного влагопереноса. Это показано сохранением вблизи Тнз толщины гидратных оболочек ДЭС соответствующих талому состоянию. Только с началом вымерзания оболочек осмотической категории незамерзшей воды мезокапиллярных пор в этом диапазоне температур, следует ожидать появление движущей силы влагопереноса. Учитывая логнормальное распределение объемов пор по радиусу в глинистом грунте, наиболее интенсивное льдовыделение следует ожидать на некотором расстоянии от температуры начала замерзания (оттаивания) вглубь мерзлой зоны. Криогенная структура мерзлого грунта в этом диапазоне температур определена в модели как коагуляционная, поскольку вымерзание дискретных объемов макрокапиллярной воды не образует пока еще непрерывной ледяной структуры (рис. 3). Рис. 3. Физико-химическая модель мерзлого глинистого грунта. Структура: Л – льдоцементационная, Л-К – льдоцементационно-коагуляционная, К – коагуляционная. Условные обозначения: 1 – лед, 2 – минеральные агрегаты и частицы с адсорбированными пленками незамерзшей воды, 3 – осмотическая незамерзшая вода ДЭС, 4 – макрокапиллярная вода несквозных пор, 5 – макрокапиллярная вода сквозных пор. В диапазоне температур -0,6  -3 0С, как это следует из модели мерзлого грунта, подвижные категории мезокапиллярной незамерзшей воды сквозных пор, способных передавать поровое давление, вымерзают. Оставшаяся осмотическая микрокапиллярная вода пока еще сохраняет единую сеть, но передавать поровое давление не может и поэтому способна перемещаться лишь диффузионным путем. Здесь же коагуляционная криогенная структура преобразуется в смешанную льдоцементационно-коагуляционную и грунт характеризуется как пластично-мерзлый. При температурах -3  -12 0С в глинистом грунте присутствует дискретная, локализованная внутри минеральных агрегатов, осмотическая вода ультрамикропор. В результате формируется прочная льдоцементационная криогенная структура, переводящая мерзлый грунт в твердомерзлое состояние. Возможность перемещения жидкой фазы здесь крайне ограничена и локализована внутриагрегатной пористостью. Переход в область температур ниже -12 0С приводит к более прочной льдоцементационной структуре глинистого грунта, в котором отсутствует какая-либо категория подвижной жидкой фазы воды, а компонентный состав становится по существу однофазным и двухкомпонентным минерал – лед (рис. 3). Для наглядного отображения компонентного состава мерзлого грунта автор также воспользовался треугольной диаграммой Гиббса и работой Р.И. Злочевской и В.А. Королева (1991). На диаграмме компонентного состава каждая сторона треугольника отражает содержание какой-либо из трех компонент мерзлого грунта - минеральной, водной (жидкое и кристаллическое состояние) и газообразной, а точка внутри диаграммы характеризует определенное соотношение объемных долей рассматриваемых фаз в данном грунте (рис. 4). 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 4. Диаграмма компонентного и фазового состава мерзлой каолинитовой глины. М, Г, W – удельное объемное содержание компонентов, соответственно, минерального, газового и вода-лед; 1-сегрегационный лед, 2-поровый лед,3-осмотическая незамерзшая вода мезокапиллярных сквозных пор и на поверхности льда, 4-осмотическая незамерзшая вода микрокапиллярных пор и на поверхности льда, 5-осмотическая незамерзшая вода ультрамикропор и квазижидкие пленки на льду, 6-адсорбированная пленочная незамерзшая вода и адсорбированные молекулы воды на поверхности минералов, 7-изотермы в 0С. Диаграммы компонентного состава можно использовать при анализе механизма формирования свойств мерзлых грунтов, в том числе, которые сопровождаются изменением соотношения фаз и компонент грунта, например, компрессионной сжимаемости, морозной пучинистости и др. В этом случае путь перемещения точки на диаграмме отражает направление изменения компонентного состава мерзлого грунта и их количественного соотношения. Например, при компрессии, отжимается незамерзшая вода, но одновременно для поддержания фазового равновесия воды в грунте, оттает такое же количество льда, восстанавливая равновесное содержание незамерзшей воды, что и отразится уменьшением удельного содержания льда на диаграмме компонентного состава. Кроме того, из анализа диаграмм видно, что высокая морозная пучинистость каолинитовой глины, по сравнению с монтмориллонитовой обусловлена существенно большим содержанием в ней наиболее подвижных категорий незамерзшей воды осмотической природы связи. На теоретических представлениях автора о взаиморасположении фаз и категорий воды в мерзлых грунтах составлена модель форм связи воды в мерзлом глинистом грунте, графическое изображение которой представлено в диссертационной работе. Модельные представления относятся к тем же пяти различным температурным диапазонам существования мерзлого грунта, фазовый состав воды в которых качественно различен. Таким образом, общая физико-химическая модель мерзлого грунта представлена совокупностью ряда частных моделей, качественное различие которых обусловлено переходом от одного температурного диапазона к другому. РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАССООБМЕННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ГЛАВА 8. ПРИРОДА ФОРМИРОВАНИЯ МАССООБМЕННЫХ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ Влагопроводность мерзлого грунта в основном определяется фазовым составом содержащейся в нем воды, а точнее, ее удельным количеством, способным к влагопереносу. Как следует из опытных данных, на кривой зависимости w(Wн) можно выделить два характерных участка (рис.5, 6). На 1-ом участке, которому соответствует диапазон температур от Тнз до –0,6 0С влагопроводность грунта в зависимости от температуры и содержания незамерзшей воды по сравнению с талым состоянием экспоненциально снижается в 150-300 раз. Здесь отмечается заметное влияние на влагопроводность горизонтальных шлиров льда, прерывающих влагопоток и снижающих коэффициент влагопроводности, что указывает на способность грунта пока еще передавать поровое давление и осуществлять фильтрацию незамерзшей воды. На 2-ом участке, от -0,6 до -3 0С, зависимость между коэффициентом влагопроводности и содержанием незамёрзшей воды близка к линейной. Изменение градиентов эквивалентного давления влаги здесь не влияет на коэффициенты влагопроводности грунтов (по испытаниям в пределах от 1900 до 15000 ед.). Как установлено экспериментально наличие ледяных прослоев в этом диапазоне температур на влагопроводность грунта не влияет, так же как отсутствует разница между питанием грунта влагой из ледяной подложки и из нижележащего более высокотемпературного слоя грунта. Это дает основание считать, что в диапазоне температур от -0,6 до -3 0С и ниже действует не фильтрационный, а диффузионно-пленочный механизм влагопереноса незамерзшей воды в виду отсутствия способности незамерзшей воды передавать поровое давление. В условиях "открытой" системы льдонакопление в грунте происходит полностью в соответствии с зависимостью влагопроводности от температуры. Максимальное льдонакопление имеет место при наиболее высоких отрицательных температурах, при которых проводимость интенсивнее падает с понижением температуры, или до смены знака производной зависимости содержания незамерзшей воды от температуры. В условиях "закрытой" системы миграция влаги может идти только за счет перераспределения собственных запасов влаги мерзлого грунта. В области с более высокими температурами, откуда уходит незамерзшая вода, происходит постоянное подплавление льда и пополнение за счет этого удельного содержания незамерзшей воды. В иссушаемой зоне оно со временем становится ниже, чем равновесное, даже тогда, когда запасы льда там еще полностью не исчерпаны. Рис. 5. Зависимость коэффициента влагопроводности грунтов различного минерального и гранулометрического состава от температуры: 1 – глина каолинитовая; 2 – суглинок полиминеральный; 3 – глина монтмориллонитово-гидрослюдистая; 4 – глина монтмориллонитовая; 5 – супесь полиминеральная (с участием аспиранта И.Ю. Видяпина). Рис. 6. Зависимость коэффициента влагопроводности мерзлых грунтов различного минерального и гранулометрического состава и различной плотности от объемного содержания незамерзшей воды: 1 – глина каолинитовая (d = 1.38 г/см3); 2 – глина каолинитовая (d = 1.7 г/см3); 3 – суглинок полиминеральный (d = 1.5 г/см3); 4 – суглинок полиминеральный (d = 1.8 г/см3); 5 – глина монтмориллонитово-гидрослюдистая (d = 1.56 г/см3); 6 – глина монтмориллонитовая (d = 0.62 г/см3); 7 – супесь полиминеральная (d = 1.7 г/см3) (с участием аспиранта И.Ю. Видяпина). Физика этого, установленного нами нового явления, состоит в том, что плавление порового льда ведет к ухудшению контакта между ним и пленками незамерзшей воды и, следовательно, к затруднению дальнейших фазовых превращений и пополнения запасов жидкой фазы. В результате потенциалы влаги здесь ниже равновесных значений и соответствуют не отрицательной температуре грунта, а реальному содержанию в нем незамёрзшей воды. Поэтому использование температуры грунта для определения движущих сил влагопереноса при расчёте коэффициентов влагопроводности в данном случае некорректно, так как приводит к их явному занижению. Температуры от -3 0С и ниже, соответствуют наличию лишь осмотической незамерзшей воды некапиллярных ультрамикропор, адсорбированной и химически связанной категорий воды. Из наших опытных данных следует, что эти категории влаги практически не принимают участия в криогенном влагопереносе. Исследование закономерностей формирования влагопроводных свойств мерзлых грунтов от их температуры, минерального состава, дисперсности, плотности и криогенного строения показало следующее. Характер зависимости коэффициента влагопроводности от температуры для исследованных грунтов (рис.5) соответствует зависимости содержания незамерзшей воды в них от температуры. Это говорит о том, что влагопроводность грунта определяется содержанием определённых категорий незамерзшей воды в нем. При этом угол наклона прямолинейного участка кривой зависимости коэффициента влагопроводности от объемного содержания незамерзшей воды является постоянным для каждого типа грунта. Максимальный угол наклона характерен для каолинитовой, а минимальный для монтмориллонитовой глины (рис. 6). Это объясняется более интенсивным снижением содержания незамерзшей воды в каолинитовой глине по сравнению с монтмориллонитовой. Как следует из опытов, зависимость коэффициента влагопроводности от дисперсности мерзлого грунта носит экстремальный характер, а коэффициенты влагопроводности снижаются в ряду - полиминеральный пылеватый суглинок, полиминеральная глина, полиминеральная супесь. При сходной дисперсности влагопроводность грунтов снижается при увеличении содержания минералов группы монтмориллонита, в ряду - каолинитовая, монтмориллонитово-гидрослюдистая, монтмориллонитовая глина, что объясняется увеличением в том же ряду доли неподвижных категорий незамерзшей воды (адсорбированной пленочной и осмотической воды ультрамикропор). Если плотность грунта равна или превосходит плотность предела усадки, коэффициент влагопроводности мерзлого грунта возрастает пропорционально увеличению плотности (рис. 6). Это объясняется тем, что пропорционально увеличению плотности при снижении льдистости растет удельное объемное содержание незамерзшей воды, а вместе с ним площадь сечения потока влаги. Физическое моделирование влагопереноса в талой части промерзающих грунтов для исследования их влагопроводности проводилось на суглинке и каолинитовой глине при их полном влагонасыщении. В ходе опыта стационарный режим влагообмена на одном и том же образце намеренно достигался при различных условиях испарения по интенсивности и температуре. Это позволяло с каждого образца получать зависимости коэффициентов влагопроводности от потока влаги, градиентов порового давления и температуры. Тем самым физически моделировались и изучались условия соблюдения закона Дарси при миграции влаги в промерзающих грунтах, при различной температуре и плотности. При моделировании влагопереноса в талой зоне промерзающих грунтов было установлено необычное явление - промерзание верхнего слоя грунта в условиях положительной температуры окружающего воздуха от +1,2 до +0,5 0С. Его можно связать с эффектом резкого охлаждения поверхностного слоя грунта при затратах тепловой энергии на испарение грунтовой влаги. В результате понижения температуры произошло промерзание верхних слоев грунта до 6 см, при общей высоте образцов 12 см, возникла интенсивная криогенная миграция и сформировались ледяные прослои. При проведении экспериментальных исследований параметры процесса влагопереноса в талой зоне промерзающих грунтов при ее физическом моделировании изменялись в пределах: Jw - от 0,3610-3 до 1810-3 м/сут, w - от 0,410-5 до 18,510 -5 м/сут, dP/dx - от 4 до 430 ед. (здесь Р выражается в метрах водяного столба) и температура внешней среды от + 0,8 до + 22 0С. Все давления, измеренные в опытах, имели отрицательные значения. Диапазон их изменения составил 0  - 0,09 МПа (рис.7). Рассматривая установленные закономерности формирования коэффициентов влагопроводности грунтов в талом состоянии, можно сказать следующее. На рис. 8 выделяются три области, в которых по разному проявляется зависимость коэффициента влагопроводности (w) от градиента порового давления (Pw). В области наибольших gradPw, выше gradPwкр эта зависимость носит практически линейный характер. Из опытных данных следует, что зависимость коэффициента влагопроводности от градиента давления линейная только в области больших градиентов давления и нелинейная в области малых градиентов. Следовательно, существуют условия, при которых в талой зоне промерзающего глинистого грунта происходит нелинейная фильтрация. В средней части рассматриваемой зависимости с уменьшением градиента порового давления убывает и коэффициент влагопроводности. Как видно из опытных данных, критический градиент давления при этом зависит от типа, плотности грунта и его температуры. В проведенных нами опытах, он изменялся в пределах 20 - 125 ед. и увеличивался с понижением температуры и увеличением плотности грунта. Причем по кривым зависимости коэффициента влагопроводности от градиента давления в зависимости от давления и температуры проведены огибающие линии (обозначены пунктиром), по которым можно определить критические градиенты для других плотностей (от 1,24 до 1,7 г/см3 и выше) и температур (от 22 до 0,8 С и ниже). Важным обстоятельством является то, что для природных условий сезонного промерзания грунтов характерна область малых градиентов порового давления, а поэтому и нелинейность этой зависимости. Наличие предела применимости закона Дарси очевидно определяется торможением потока, вызванного электрокинетическим потенциалом течения воды в порах глинистых пород (Алексеенко, 1980). Он обусловлен свойством диффузного слоя ионов оказывать сопротивление фильтрационному потоку, путем возникновения градиента электрокинетического потенциала, направленного против градиента порового давления. Результирующий поток воды в порах глинистого грунта в этом случае можно представить выражением: Jw = w ۰gradPw - e ۰grade, (4) где wgradPw - прямой поток за счет градиента порового давления, egrade -обратный поток за счет градиента электрокинетического потенциала течения. Движение воды через глинистые грунты происходит прежде всего по наиболее крупным порам, не полностью занятым связанной водой. Из пор меньшего размера под влиянием градиента давления происходит выход в более крупные поры части поровой влаги, наименее прочно связанной со стенками пор. Через частично освободившееся поровое пространство осуществляется транзитный влагоперенос. Адсорбированная и осмотическая вода ультрамикропор и некапиллярных микропор во влагопереносе не участвует. При этом, чем больше градиент порового давления, тем больше молекулярных слоев воды вовлекается в движение. Таким путем работает «поршневой эффект» фильтрации. В то же время снижение градиента порового давления восстанавливает неньютоновское поведение связанной воды. Сечение водного потока при увеличении градиента давления может расширяться только до определенного предела, а, именно, до границы высокоподвижных категорий связанной воды (осмотическая вода и мезокапиллярная вода сквозных пор) с малоподвижными (адсорбированная пленочная и осмотическая вода микропор). Кроме того, анализ формы кривых зависимости коэффициента влагопроводности от dP/dx показал, что при экстраполяции они не проходят через точку с координатами 0 - 0, а отсекают на оси Х некоторое значение, что указывает на возможное существование пороговых градиентов давления, лишь с превышением которых начинается влагоперенос. Вопрос о существовании пороговых градиентов дискуссионный. По мнению автора, понятие начального градиента следует принимать как относительное во времени, так как за очень длительный промежуток времени, учитывая реологические свойства пленок связанной незамерзшей воды, возможно ее заметное перемещение и при очень малых градиентах давлений. Тем не менее, для криогенного влагопереноса при сезонном промерзании грунтов его существование необходимо учитывать. ГЛАВА 9. ФИЛЬТРАЦИОННО-ОСМОТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ КРИОГЕННОГО ВЛАГОПЕРЕНОСА И МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ Результаты экспериментальных исследований параметров влагопереноса в мерзлых, промерзающих, оттаивающих и талых грунтах послужили основой для разработки теории криогенного влагопереноса и морозного пучения промерзающих грунтов, которая более конкретно, учитывая установленный механизм влагопереноса, может быть названа «фильтрационно-осмотической». Сущность ее состоит в следующем. В криогенном влагопереносе при определенных условиях могут участвовать различные категории незамерзшей воды, имеющие физико-химическую связь с минеральным компонентом грунта. Однако по удельному содержанию и возможности к передаче порового давления основную роль должна играть осмотическая категория незамерзшей воды (таб. 1). Поэтому доминирующим механизмом в формировании движущих сил криогенного потока влаги в условиях обычного промерзания тонкодисперсных грунтов является осмотический механизм, обусловленный существованием двойного электрического слоя (ДЭС). При этом химически и физико-химически адсорбированные категории незамерзшей воды, а также иммобилизованный поровый раствор снижают морозную пучинистость промерзающих грунтов: адсорбированная вода ввиду ее малого количества и низкой подвижности, вода внутрикристаллического набухания из-за не участия в транзитном влагопотоке, а поровый раствор из-за конкурирующего взаимодействия с диффузным слоем катионов и отсутствия физико-химической связи с минеральным скелетом. В ходе промерзания перед фронтом промерзания со стороны талой зоны грунта формируется слой с транзитным влагопереносом, в котором практически нет градиентов влажности, но есть градиенты порового давления. Влажность этого слоя соответствует пределу усадки, а сам процесс усадки талой зоны промерзающего грунта обусловлен формированием отрицательного порового давления в ней. При развитии процесса уплотнения грунта перед фронтом промерзания появляется и постепенно увеличивается поток воды в промерзающую зону из внешнего источника. Объем влагосодержания грунта за счет превышения его начальной влажности над влажностью предела усадки (W = Wнач – Wу) идет на избыточное шлировое льдовыделение в промерзающих грунтах, действуя в рамках закрытой системы. Оно не определяет давление криогенного влагопереноса и поэтому не может быть подавлено внешним давлением эквивалентной величины. С учетом полученных результатов разработана физическая постановка приближенного аналитического решения задачи тепломассопереноса и льдовыделения в талой и мерзлой зонах промерзающего грунта. Решение реализовано на кафедре геокриологии и получены адекватные природе процесса результаты, расширяющие наши представления об общих закономерностях криогенной миграции и морозного пучения грунтов. Результаты расчетов с использованием новой математической модели легли в основу разработки методов управления морозной пучинистостью промерзающих грунтов и изложены в разд. 5. Компрессионное сжатие мерзлого грунта в общем виде можно рассматривать как совокупность четырех частных процессов: упругого сжатия компонент грунта, закрытия его пор и дефектов, фазового перехода льда в незамерзшую воду и оттока незамерзшей воды. Роль каждой составляющей общего сжатия мерзлого грунта зависит от его состава, строения, сложения, температуры и режима нагружения. Основное внимание в работе уделено фильтрационно-компрессионной стадии консолидации мерзлых грунтов. Она имеет место при выполнении двух условий: необходимого механического и достаточного фильтрационного. Механическое условие состоит в преодолении первичной структурной прочности мерзлого грунта (G  Рсц), а фильтрационное выполняется при наличии трех факторов: 1) пространственной непрерывности пленок и капилляров незамерзшей воды, 2) возможности беспрепятственной передачи порового давления в ней (Рw) и 3) превышения G над поровым давлением (Рw). Величина Рw при этом может быть определена с учетом температуры мерзлого грунта по формуле Рw =Т۰1,2МПа/град. Фильтрация иммобилизованного порового раствора из слоя грунта при его компрессии, в результате того, что вместе с водой уходят и ионы порового раствора, опресняет его, повышая несущую способность как основания фундамента сооружения. Лед может служить экраном для фильтрации незамерзшей воды, что определяет роль криогенного строения в компрессии мерзлого грунта. Массивная криогенная текстура способствует фильтрации незамерзшей воды при компрессии мерзлого грунта, слоистая и, тем более блоковая - препятствует этому. ГЛАВА 10. ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ К тепловым свойствам автор относит способность мерзлых грунтов к температурным деформациям и их теплопроводность. Они объединены в одну главу по причине схожести физики формирования аномальности температурной сжимаемости грунтов и гистерезиса зависимости их теплопроводности от температуры при переходе из талого в мерзлое состояние и обратно. Экспериментальные исследования показали, что мерзлые грунты аномально сжимаются при охлаждении, хотя за счет увеличения объема воды при замерзании они могли бы, наоборот, расширяться (С.Е. Гречищев, И.Н. Вотяков, Е.П. Шушерина и др.). Для объяснения этой аномальности С.Е. Гречищевым была высказана интересная гипотеза. Суть ее в том, что при охлаждении грунта, лед образуется в центральной части пор. Для дальнейшего его роста к нему от частиц подтягивается незамерзшая вода. Поэтому толщина пленок воды между частицами уменьшается, они сближаются, а грунт в результате всего этого сжимается. Правомерность этой гипотезы подтверждена нами экспериментально и кроме того установлены дополнительные условия формирования аномальной сжимаемости мерзлых грунтов при их охлаждении. Они связанны с термоусадкой, обеспеченной структурным резервом сжатия, образующимся при разрыхлении влагонасыщенных грунтов в ходе неравномерной кристаллизации в них влаги. Как следует из наших опытов, при увеличении скорости охлаждения сжимаемость мерзлого грунта уменьшается, что можно объяснить снижением количества влаги, мигрирующей из тонких пор к растущим в крупных порах кристаллам льда и неполной реализацией структурного резерва деформирования. При многократных циклах промерзания - оттаивания, характерных для природных условий, температурные деформации мерзлых грунтов независимо от степени заполнения пор влагой качественно аналогичны (сжатие при охлаждении и расширение при нагревании). Причиной этому так же является образование структурного резерва сжатия при охлаждении. Внешнее давление на мерзлые грунты существенно изменяет величины температурных деформаций, вплоть до смены знака. При этом, чем выше внешняя нагрузка на мерзлый грунт, тем при охлаждении формируется меньший структурный резерв сжатия и тем большую роль начинает играть увеличение объема мерзлого грунта за счет фазового перехода воды в лед. В результате мерзлый грунт при своем охлаждении переходит от сжатия к расширению, то есть температурные деформации меняют свой знак от положительного к отрицательному (рис.9). Кроме того, экспериментально показано, что внешнее давление снижает, вплоть до нуля, величину площади петли гистерезиса кривых зависимости коэффициента линейного температурного деформирования мерзлого грунта от температуры в цикле охлаждение - нагревание, что также связано с уменьшением его структурного резерва сжатия. Аналогичный эффект разуплотнения влажных дисперсных грунтов, возникающий при их промерзании-оттаивании, сказывается на их теплопроводности. Так, экспериментально получен гистерезис зависимости теплопроводности от температуры в цикле промерзание - оттаивание (рис.10). При этом площадь петли гистерезиса увеличивается при увеличении дисперсности и заторфованности грунтов. Зависимость (t) носит сложный характер и состоит из семи различных участков. Уменьшение теплопроводности грунта при его охлаждении в области положительных температур носит линейный характер (а-б) и составляет примерно 0,01 - 0,001 Вт/(мК) на градус, что определяется аналогичной зависимостью теплопроводности воды от температуры с изменением порядка 0,004 Вт/(мК) на градус. Участок зависимости (t) (б-в) соответствует диапазону температур интенсивных фазовых переходов грунта. На нем происходит резкое возрастание теплопроводности грунта в связи с образованием льда в поровом растворе, теплопроводность которого в четыре раза выше самого раствора. Зависимость (t) на этом участке кривой количественно определяется химико-минеральным составом грунта через его фазовый состав. По мере дальнейшего понижения температуры грунта (в-г), теплопроводность его начинает снижаться, что связано с образованием микротрещин и разрыхлением структуры за счет появления микронапряжений при неравномерных фазовых переходах влаги. Обратный ход температуры в диапазоне (г-д) сохраняет неизменной теплопроводность мерзлого грунта. Повышение температуры до температуры интенсивных фазовых переходов влаги, увеличивает содержание незамерзшей воды, которое способствует закрытию микротрещин. Поэтому на температурном участке (д-е) коэффициент теплопроводности грунта начинает расти, достигая своего максимума в точке (е). Далее в диапазоне (е-ж) он резко снижается, достигая величин соответствующих талому состоянию, по причине снижения льдистости в области интенсивных фазовых переходов влаги. При этом точка (ж) является температурой оттаивания мерзлого грунта. Дальнейшее повышение температуры грунта после его оттаивания (ж-а) не несет каких – либо существенных для теплопередачи структурных преобразований в нем и поэтому зависимости (t) в цикле нагревания и охлаждения здесь совпадают. Рис. 10. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры водонасыщенных пород в условиях промерзания – оттаивания. 1 - супесь тяжелая кварцевая, 2 - глина монтмориллонитовая, 3 – глина каолинитовая. РАЗДЕЛ 5. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ (НА ПРИМЕРЕ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ СТАБИЛИЗАТОРА ГРУНТОВ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА) ГЛАВА 11. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ В развитии общих положений технической мелиорации грунтов криолитозоны, рассмотрена логическая схема решения проблемы технической мелиорации грунтов, основанная на последовательном выполнении этапов: постановка задачи - геокриологическая съемка - исходный прогноз свойств грунтов криолитозоны - прогноз естественно-исторического преобразования состава, строения, Р-Т условий и свойств грунтов - прогноз техногенного преобразования того же - совмещенный прогноз предварительных прогнозов - прогноз по вариантам технической мелиорации грунтов - выбор рационального сочетания оптимальных приемов мелиорации. В работе разработаны основы типизации мерзлых грунтов по степени устойчивости с учетом их криогенной текстуры, как главного индификационного показателя. Мерзлые грунты предлагается подразделять по четырем типам устойчивости: неустойчивый, метастабильный, квазистабильный и стабильный с учетом, установленных в работе характерных температурных диапазонов, свойства грунтов в которых принципиально различны (Тот  -0,6; -0,6  -3 и –3  -120С). Выбор физико-химических методов управления свойствами криогенных грунтов предлагается проводить на основе использования моделей компонентного и фазового состава мерзлых грунтов, их типизации по криогенных текстурам, степени и области устойчивости по основным свойствам. Так, анализируя в этом отношении физико-химическую модель мерзлого глинистого грунта, можно, в качестве примера, определить наиболее эффективные пути его закрепления. Наличие льда в мерзлом грунте является существенным фактором его упрочнения по сравнению с талым грунтом. Повышение прочности льда увеличивает и прочность самого грунта. Однако из модели мерзлого грунта видно, что этот путь эффективен лишь при температурах ниже –0,60С, когда дискретные кристаллы льда в грунте объединяются в единую ледяную матрицу. Поэтому упрочнение ледяного компонента и придание ему длительной прочности, в частности по разработанному нами способу (глава 12), будет эффективным для закрепления мерзлых грунтов лишь при температурах ниже –0,60С и будет возрастать при дальнейшем понижении их температуры с увеличением роли льдоцементационного сцепления. Эффективность разработки методов управления свойствами криогенных грунтов качественно возрастает, когда появляется адекватная природе математическая модель формирования того или иного их свойства. Так, разработанная на кафедре геокриологии МГУ приближенная аналитическая модель процесса промерзания и морозного пучения грунтов (Булдович, Ершов, Чеверев, Медведев, 1999) позволяет выявить основные определяющие параметры, изменяя которые можно добиться наибольшего эффекта в снижении морозной пучинистости грунтов. Расчеты показали, что основную роль в формировании морозного пучения играет температура на холодной поверхности грунта и влагопроводность его талой и высокотемпературной мерзлой зоны, поэтому и стабилизировать грунты от морозного пучения целесообразнее именно через эти параметры. Кроме того, существование начального градиента фильтрации (гл. 8) может быть использовано в качестве одного из способов предохранения грунтов от морозного пучения, путем снижения скорости их промерзания. ГЛАВА 12. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ДОБАВКАМИ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА (ПВС) Экспериментальные исследования механизма криогенного структурообразования и закономерностей фазовых переходов водных растворов ПВС, с целью получения теоретических основ для разработки рекомендаций по технической мелиорации криогенных грунтов полимером, показали следующее. Минимальное время гелеобразования в замороженных водных растворах ПВС составляет 5-7 сут. при оптимальной температуре от –2 до –50С. Температура переохлаждения раствора достигает 15-200С, а температура оттаивания после завершения гелеобразования повышается до первых десятых градуса по Цельсию. Наибольшую и длительную прочность лед получает, с учетом необходимой выдержки, при достижении концентрации в нем полимера 1-2%. Длительная прочность смерзания тонкодисперсного засоленного грунта с материалом фундамента достигается при содержании ПВС в грунтовом растворе уже при 2% по отношению к воде (таб.2). Таблица - 2. Длительная прочность смерзания грунтового раствора с материалом фундамента (сталь, бетон) Состав раствора Raf, кг/см2 (при -4,5 0С) песчаный без ПВС 3,25 песчаный на 2% растворе ПВС 13,7 суглинистый без ПВС 1,7 суглинистый на 2% растворе ПВС 9,7 Криоструктуирование грунтов криолитозоны, что подтверждено многолетними исследованиями в натурных условиях на стационарных площадках, оборудованных в различных климатических зонах, предохраняет их от ветровых и водных эрозионных процессов уже при концентрации 0,5-1% к весу грунта или с расходом материала порядка 30-50 г/м2. При этом растения-рекультиванты получают более благоприятные условия по влажности, минеральному питанию и температуре, удлиняется их вегетационный период за счет, сопутствующего мелиорации, парникового эффекта. ГЛАВА 13. НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УПРАВЛЕНИЮ СВОЙСТВАМИ КРИОГЕННЫХ ГРУНТОВ ДОБАВКАМИ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА Технология профилактического покрытия от ветровой и водной эрозии грунтов раствором ПВС состоит из трех этапов: 1) выбор способа нанесения профилактического покрытия и оптимальной концентрации ПВС, 2) приготовление водного раствора полимера и 3) нанесение профилактического покрытия на защищаемую поверхность. Одним из существенных элементов технологии применения предлагаемого закрепляющего состава является предварительная оценка грунта по его проницаемости для раствора полимера, что определяется его дисперсностью, плотностью и влажностью. Для обоснованного выбора способа и времени профилактического покрытия и оптимальной для местных условий концентрации раствора ПВС предусматривается выполнение комплекса лабораторных и камеральных работ: 1) рассмотрение и оценка климатических условий местности и выбор оптимального способа и времени нанесения профилактического покрытия, 2) проведение лабораторного моделирования по обработке образцов грунта выбранным способом нанесения покрытия с определением оптимальной концентрации раствора ПВС. В зависимости от конкретных условий предусмотрено два варианта технологии закрепления. Первый вариант реализуется тогда, когда фундамент опирается на мерзлые грунты. В этом случае производятся следующие операции. 1). Приготавливают закрепляющий состав из водного раствора ПВС концентрацией до 2% и дисперсного заполнителя, например, из местного песчаного или глинистого грунта. Оптимальное содержание раствора полимера соответствует пористости дисперсного минерального заполнителя. Отсутствие дисперсного заполнителя не исключает применение чистого раствора ПВС, но естественно увеличивает его расход. 2). Закрепляющий раствор, нагнетают в приконтактную зону грунта и фундамента. Если необходимо уменьшить удельную нагрузку на фундамент, путем повышения его опорной площади, то приконтактную зону грунта разрыхляют или оттаивают с целью повышения ее проницаемости, а разрыхленный слой пропитывают закрепляющим составом. Эффективным способом в этом случае может быть внедрение раствора ПВС в окружающие слои грунта гидроразрывом. 3). Введенный в приконтактную зону закрепляющий состав, замораживают естественным путем от мерзлых грунтов или от сваи, нагружение которой не рекомендуется производить в течении 5-7 суток, то есть до завершения процесса гелеобразования. Второй вариант технологии применяется при случае, если фундаменты вынуждены опираться на льды. В этом случае предусматривается следующее. 1). Лед у основания фундамента разрушается, путем оттаивания или раздробления, до получения требуемой опорной площади. 2). Освобожденное пространство заполняется раствором полимера или раствором полимера с дисперсным наполнителем, концентрацией около 2%. 3). Закрепляющий раствор замораживают и выстаивают по методике, аналогичной изложенной в третьем пункте первого варианта. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленная работа является научным обобщением результатов тридцатилетних исследований автора и опубликованных материалов по связанной воде в глинах, фазовому составу, строению и свойствам промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов. Ее основной результат - физико-химическая теория формирования массообменных, морозно-пучинистых и тепловых свойств криогенных грунтов. Эта теория является фундаментальным направлением в геокриологии, отражает теоретическое, методическое и практическое значение разработок автора и представляет собой совокупность следующих защищаемых научных положений. 1. Методология и методика исследования механизма и закономерностей формирования свойств криогенных грунтов 1.1. Основная методологическая концепция в исследовании природы формирования свойств криогенных грунтов в работе состояла в развитии представлений о них как о сложных многокомпонентных, многофазных, полидисперсных и гетеропористых системах с учетом нелинейности, происходящих в них физико-химических процессов тепло - и массообмена. С целью решения, поставленных в работе задач, разработан ряд новых способов и устройств для исследования характеристик криогенных грунтов, новизна которых, как правило, подтверждена патентами и авторскими свидетельствами на изобретения, в частности: 1.2 методика и аппаратура для комплексного исследования параметров влагопереноса и пучения промерзающих грунтов на основе экспериментального определения потенциала влаги и порового давления в талой и в мерзлой зонах; 1.3 методика применения изотерм сорбции и десорбции для определения потенциала влаги и содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах; 1.4 способы: промораживания образцов грунта, определения давления морозного пучения промерзающих грунтов; 1.5 устройства для определения: массообменных свойств капиллярно-пористых систем, водопрочности дисперсных грунтов, влажности и изменения объема в процессе сушки образцов, физико-механических характеристик грунта; термо-стабилометр и др. 2. Классификация форм связи воды в мерзлых грунтах и теоретические основы формирования удельного содержания незамерзшей воды в них 2.1. Категории воды в мерзлых грунтах систематизированы на энергетическом принципе, классифицированы по фазовому состоянию, природе связи, месту расположения, охарактеризованы температурным диапазоном формирования, величинами химических потенциалов, толщиной пленок, взаимодействием между собой как энергетически, так и в объеме пор и основными свойствами. Из 22-х выделенных разновидностей воды 9 обусловлены присутствием льда в мерзлом грунте. 2.2. В формировании удельного содержания незамерзшей воды в области низких температур (ниже –30С) основную роль играет активная удельная поверхность грунта, а в области высоких - структура его порового пространства (распределение объемов пор по радиусу). Последнее хорошо описывается логарифмически нормальным законом, в результате которого в области высоких отрицательных температур (выше -30С) имеет место линейная логарифмическая зависимость между содержанием незамерзшей воды и температурой. Для грунтов с большей гетеропористостью и меньшим радиусом пор характерна растянутая по оси температуры область интенсивных фазовых переходов и наоборот. 2.3. Для мерзлых грунтов при температуре ниже –0,5  -0,60С действует правило аддитивности, по которому общее содержание незамерзшей воды соответствует арифметической сумме удельного количества незамерзшей воды по каждой минеральной разновидности. Зависимость содержания незамерзшей воды от начальной влажности мерзлого грунта определяется удельным содержанием набухающих глинистых минералов в нем. 2.4. Внешнее механическое давление на мерзлый грунт, если оно передается на незамерзшую воду в условиях открытой системы, повышает ее химический потенциал и тем самым сдвигает фазовое равновесие в сторону уменьшения содержания жидкой фазы. При этом температура замерзания – оттаивания грунта повышается. Эффект от этого фактора примерно на порядок превосходит сдвиг фазового равновесия под давлением по уравнению Клапейрона – Клаузиуса для однокомпонентной системы вода-лед. 3. Физико-химическая модель мерзлых тонкодисперсных грунтов и развитие представлений о преобразовании их криогенного строения 3.1. Модель мерзлого грунта основана на представлениях о компонентном составе, пространственной льдоцементационно-коагуляционной структуре и физико-химических подсистемах грунта как сложной гетерогенной макросистемы. 3.2. Общая модель грунтов представлена совокупностью ряда частных моделей, качественное различие которых осуществляется с переходом через рубежные температуры: Тот; -0,6; -3; -12; -800С. Температуры обоснованы сменой различных категорий воды и типов пространственных криогенных структур в мерзлых грунтах. В общую модель входят частные модели форм связи воды и диаграммы компонентного и фазового состава мерзлого грунта. С позиций этой модели непротиворечиво объясняются физико-химическая природа и закономерности формирования фазового состава воды, строения и свойств криогенных грунтов. 3.3. Преобразование первичного криогенного строения мерзлых грунтов во вторичное, при изменяющихся параметрах состояния, определяется типом их криогенной текстуры, в которой доминирующее значение имеет наличие шлиров льда, их пространственное расположение и соответствие влажности грунта характерному диапазону: W Wf, W между Wf - Wу и W Wу, где Wf и Wу – соответственно, влажности предела текучести и усадки. 3.4. На основе обобщения результатов преобразования первичного криогенного строения во вторичное сформулирован закон-тенденция: “Энергетическое воздействие на мерзлый дисперсный грунт приводит к уменьшению поверхностной энергии порового льда в нем, которое проявляется в стремлении к интеграции мелкодисперсного льда в крупнодисперсный и к переходу от массивной криогенной текстуры к шлировой, а от шлировой к порфировидной”. 4. Развитие представлений о механизме и закономерностях формирования массообменных свойств грунтов при их промерзании, оттаивании и компрессионном сжатии 4.1. Существуют температурные диапазоны для мерзлых пылеватых и глинистых грунтов, в которых коэффициенты влагопроводности резко различны. Влагопроводность незасоленного мерзлого грунта в интервале Тнз  -0,60С по сравнению с талым состоянием в зависимости от содержания незамерзшей воды экспоненциально снижается в 150 - 300 раз, ввиду вымерзания ее наиболее подвижных категорий, для которых характерен нелинейный механизм фильтрации. Зависимость коэффициента влагопроводности незасоленного мерзлого грунта от содержания незамерзшей воды в нем в диапазоне температур от -0,6 до -30С близка к линейной и не зависит от градиентов эквивалентного давления влаги (в пределах 1900-15000 ед.). Ледяные шлиры в этом диапазоне температур не препятствуют влагопереносу, являясь источником воды для поддержания фазового равновесия в грунте, что указывает на диффузионно-пленочный механизм переноса незамерзшей воды. 4.2. Угол наклона прямолинейного участка кривой зависимости коэффициента влагопроводности от объемного содержания незамерзшей воды является постоянным для каждого типа грунта, максимальный угол наклона получен для каолинитовой глины, минимальный для монтмориллонитовой глины. Это объясняется более интенсивным снижением содержания незамерзшей воды в каолинитовой глине по сравнению с монтмориллонитовой. Зависимость коэффициента влагопроводности от дисперсности мерзлого грунта носит экстремальный характер, а коэффициенты влагопроводности понижаются в ряду - полиминеральный пылеватый суглинок, полиминеральная глина, полиминеральная супесь. При сходной дисперсности влагопроводность грунтов понижается при увеличении содержания минералов группы монтмориллонита, в ряду каолинитовая - монтмориллонитово-гидрослюдистая - монтмориллонитовая глина, что объясняется увеличением в том же ряду доли неподвижных категорий незамерзшей воды (адсорбированной пленочной и осмотической воды ультрамикропор). 4.3. Если плотность грунта равна или превосходит плотность предела усадки, коэффициент влагопроводности мерзлого грунта возрастает пропорционально увеличению плотности. Это объясняется тем, что пропорционально увеличению плотности при снижении льдистости растет объемное удельное содержание незамерзшей воды, а вместе с ним площадь сечения ее потока. 4.4. В талой зоне промерзающих глинистых грунтов фильтрация осмотически связанной воды происходит в основном не линейно, то есть не подчиняется закону Дарси и имеются начальные градиенты фильтрации. Область зависимости коэффициента влагопроводности от градиента порового давления для глинистых грунтов расширяется при повышении плотности и понижении температуры. 4.5. Компрессионно-фильтрационная стадия консолидации мерзлых грунтов имеет место при выполнении двух условий: необходимого механического и достаточного фильтрационного. Механическое условие состоит в преодолении первичной структурной прочности мерзлого грунта (G  Рс), а фильтрационное выполняется при наличии трех факторов: 1)пространственной непрерывности пленок и капилляров незамерзшей воды, 2) возможности беспрепятственной передачи порового давления в ней (Рw) и 3) превышения G над поровым давлением. Величина Рw при этом ориентировочно может быть определена с учетом температуры мерзлого грунта по формуле Рw = -1,2Т МПа. 4.6. Компрессия влагонасыщенных высокотемпературных мерзлых грунтов происходит в основном путем оттока незамерзшей воды с одновременным поддержанием ее равновесного количества за счет внутреннего источника влаги - льда. Уменьшение льдистости в ходе компрессии грунта снижает интенсивность оттока незамерзшей воды из слоя мерзлого грунта до полного ее прекращения. 4.7. Фильтрация иммобилизованного порового раствора из слоя грунта при его компрессии опресняет его, повышая несущую способность как основания фундамента сооружения. 4.8. Лед служит экраном для фильтрации незамерзшей воды, что определяет роль криогенного строения в компрессии мерзлого грунта. Массивная криогенная текстура способствует фильтрации незамерзшей воды при компрессии мерзлого грунта, слоистая и, тем более блоковая - препятствует этому. 5. Фильтрационно-осмотическая теория криогенного влагопереноса и морозного пучения грунтов 5.1. Движущая сила криогенного влагопереноса формируется на поверхности раздела незамерзшая вода – лед, за счет освобождения поверхностной энергии минерального скелета грунта пропорционально его отрицательной температуре. В криогенном влагопереносе, в соответствие с классификацией форм связи воды в мерзлых грунтах (таб. 1), принципиально могут участвовать три категории незамерзшей воды - адсорбированная, осмотическая и капиллярная. Но доминирующее значение имеют осмотическая разновидность воды мезокапиллярных сквозных пор в мерзлой и макрокапиллярная вода в талой зоне. Это утверждение обосновывается их повышенной активностью, связанной с наибольшей толщиной пленок и радиусами капилляров, где они располагаются. 5.2. Дополнительным подтверждением определяющей роли осмотической категории незамерзшей воды в морозном пучении грунтов является экстремальный характер влияния на него засоления грунта. Он состоит в том, что грунт в ультрапресном состоянии, когда диффузный слой ионов в нем недостаточно полно развит, не проявляет наибольшее морозное пучение. Однако небольшая концентрация порового раствора (до 0,01 н), дающая полное развитие ДЭС, увеличивает поток незамерзшей воды. Дальнейшее повышение концентрации до 0,1 н и выше действует в обратном направлении - снижает интенсивность криогенного влагопереноса путем сжатия ДЭС и при концентрации в 1 н он полностью подавляется. 5.3. Из вышеизложенных положений 5.1 и 5.2 следует правомерность осмотического механизма формирования движущих сил криогенного влагопереноса в мерзлой зоне промерзающих грунтов под влиянием ДЭС, вызывающего так же градиент порового давления и фильтрационный поток в его талой зоне. 5.4. Наличие сквозных капиллярных пор в талой зоне промерзающих грунтов, передающих поровое давление непременное условие проявления их аномально большой морозной пучинистости, так как только фильтрационный механизм влагопереноса может обеспечить существенное поступление воды из внешнего источника в промерзающую зону. 5.5. Под действием отрицательного порового давления в талой зоне перед фронтом промерзания формируется и расширяется в ходе промерзания усадочный слой грунта, в котором идет транзитный поток воды в промерзающую зону. В нем отсутствует существенный градиент влажности, но есть градиент порового давления, который и обеспечивает криогенный влагоперенос. 5.6. В диапазоне температур до -0,60С в морозно-пучинистых грунтах реализуется, как и в талой зоне, фильтрационный механизм влагопереноса, а в диапазоне -0,6  -30С - диффузионно-пленочный. 5.7. Давление криогенного влагопереноса, как основное давление морозного пучения грунтов, формируется в диапазоне от Тнз до, примерно, -0,60С, то есть там где пока еще есть возможность для фильтрации незамерзшей воды. Хотя ее величина является функцией процесса промерзания грунта, но ориентировочно она может быть определена по формуле: Рw = -К۰Т, где К = 1,2 МПа/град. 5.8. Объем влагосодержания грунта за счет превышения его начальной влажности над влажностью предела усадки (W = Wнач – Wу) идет на избыточное шлировое льдовыделения в промерзающих грунтах, действуя в рамках закрытой системы. Оно не определяет давление криогенного влагопереноса и поэтому не может быть подавлено внешним давлением эквивалентной величины. Давление криогенного влагопереноса реализуется в условиях открытой по влагообмену системы, а давление кристаллизации - закрытой. 5.9. В условиях "открытой" системы максимальная интенсивность льдовыделения имеет место в области высоких отрицательных температур, где проводимость быстрее падает с понижением температуры. 5.10.В условиях "закрытой" системы в грунте формируются две четко выраженные зоны: в области с более высокими температурами происходит иссушение, а с низкими - дополнительное льдовыделение. Содержание незамерзшей воды в иссушаемой зоне по мере развития процесса влагопереноса становится ниже, чем равновесное. По этой причине потенциалы влаги и коэффициенты влагопроводности здесь снижаются и соответствуют реальному содержанию незамерзшей воды. 5.11. Полученные результаты легли в основу физической постановки математического моделирования морозного пучения грунтов в прогрессивной потенциальной форме (Булдович, Ершов, Чеверев, Медведев, 1999). С использованием математической модели процесса промерзания грунтов получено, что температура и поровое давление на фронте промерзания зависит от скорости промерзания грунта. При большой скорости промерзания эти параметры понижаются, а при снижении повышаются, стремясь в пределе к соответствию температуры на фронте - температуре начала замерзания (оттаивания), а порового давления - давлению в талой зоне. 6. Развитие представлений о механизме и закономерностях формирования температурных деформаций и теплопроводности криогенных грунтов при переменных условиях состояния 6.1. Характер изменения температуры и внешнее механическое воздействие - существенные факторы, определяющие условия формирования, качественные и количественные значения температурных деформаций мерзлых грунтов. С повышением дисперсности грунта это влияние возрастает. 6.2. Природа аномального сжатия мерзлых грунтов при их охлаждении связана с термоусадкой, обеспеченной изначально свободной пористостью или структурным резервом сжатия, образующимся при разрыхлении влагонасыщенных грунтов в ходе неравномерной кристаллизации в них влаги. 6.3. Величины температурных деформаций мерзлых грунтов существенно изменяются, вплоть до смены знака под действием внешнего давления. При этом, чем выше внешняя нагрузка на мерзлый грунт, тем при охлаждении формируется меньший структурный резерв сжатия и тем большую роль начинает играть увеличение объема мерзлого грунта за счет фазового перехода вода - лед . 6.4. Внешнее давление снижает, вплоть до нуля, величину площади петли гистерезиса кривых зависимости коэффициента линейного температурного деформирования мерзлого грунта от температуры в цикле охлаждение - нагревание, что также связано с уменьшением его структурного резерва сжатия. 6.5. Зависимость теплопроводности мерзлых тонкодисперсных грунтов и торфов от их температуры при промерзании – оттаивании носит гистерезисный характер, который связан со структурным разуплотнением грунта (см. п. 6.2) при переходе его в область отрицательных температур. 6.6. Чем более тонкодисперсный грунт, тем в большей мере проявляется гистерезис зависимости его теплопроводности от температуры. 7. Научные основы управления свойствами криогенных грунтов физико-химическими методами 7.1. Схема последовательности этапов управления свойствами криогенных грунтов физико-химическими методами, основана на использовании, разработанных автором, моделей компонентного и фазового состава мерзлых грунтов, их типизации по криогенных текстурам, степени и области устойчивости по основным свойствам. 7.2. Управление свойствами криогенных грунтов рекомендуется проводить через регулирование основных определяющих параметров ответной реакции грунтов на внешнее воздействие. Так, с помощью математического моделирования процесса промерзания показано, что наиболее эффективный путь по стабилизации грунтов от морозного пучения это - понижение влагопроводности грунта, его осушение и регулирование температуры на холодной поверхности. 7.3. Физико-химические основы управления свойствами криогенных грунтов растворами поливинилового спирта (ПВС) состоят в следующем. Время гелеобразования происходит в замороженных водных растворах ПВС в течение 5-7 суток при температуре от -2 до -5 0С. Температура переохлаждения водного раствора ПВС мало зависит от его концентрации и может достигать 15-20 градусов, но снижаться практически до нуля при контакте со льдом. Температура оттаивания в системе лед- ПВС понижается до -1,5  -2,0 0С при повышении концентрации полимера до 4-5%; при дальнейшем росте концентрации полимера температура фазового равновесия практически не изменяется. При выдержке замороженного раствора полимера до полной его кристаллизации (5-7 сут.) происходит повышение температуры оттаивания системы до -0,50С. При замораживании водных растворов ПВС концентрацией до 1% формируются ледяные кристаллы с извилистыми, пилообразными границами; пленки полимера включаются в межкристаллическое пространство льда, армируя его. 7.4. Присутствие поливинилового спирта во льду даже небольшой концентрации - 1%, качественно улучшает его деформационные и повышает прочностные свойства до 8-9 раз и придает ему предел длительной прочности, которого он сам по себе не имеет. Длительная прочность смерзания среднезасоленного суглинистого грунта с материалом фундамента (сталь, бетон), за счет 0,5-1% по весу содержания ПВС в нем, повышается до 5-6 раз. Так же многократно повышается прочность мерзлого грунта на сжатие. Наличие ПВС в мерзлом грунте затрудняет образование в нем трещин разрушения при сжатии. 7.5. Криоструктуирование грунтов криолитозоны с помощью ПВС, что подтверждено многолетними исследованиями в натурных условиях на стационарных площадках, оборудованных в различных климатических зонах, предохраняет их от ветровых и водных эрозионных процессов уже при концентрации полимера 0,5-1% к весу грунта или с расходом материала порядка 30-50 г/м2. При этом растения-рекультиванты, за счет сопутствующего мелиорации парникового эффекта, получают более благоприятные условия по влажности, минеральному питанию и температуре, удлиняется их вегетационный период. 7.6. Разработаны научно-технологические рекомендации по управлению свойствами криогенных грунтов добавками поливинилового спирта, в частности: по созданию профилактического покрытия грунтов для защиты от ветровой и водной эрозии и повышению несущей способности мерзлых (в том числе засоленных) грунтов и льдов как оснований инженерных сооружений. Список основных работ, опубликованных по теме диссертации 1. Приближенный метод расчета среднего эффективного радиуса пор (капилляров) грунта. Сб. Мерзлотные исследования, вып. 13. Изд-во МГУ, 1973 (соавтор- Э.Д.Ершов). 2. Миграция влаги в дисперсных грунтах различного состава, строения и свойств. Сб. трудов 2-ой МКМ, Якутск, 1973 (соавторы- В.А.Кудрявцев, Э.Д.Ершов). 3. Влагоперенос в мерзлых грунтах. Сб. Вестник МГУ, сер. геология, вып.5. Изд-во МГУ, 1973 (соавторы- В.А.Кудрявцев, Э.Д.Ершов). 4. Подвижность связанной влаги в зависимости от ее распределения в грунте. Сб. Мерзлотные исследования, вып.14. Изд-во МГУ, 1974 (В.А.Кудрявцев и др.). 5. Коэффициенты диффузии влаги различного генезиса и возраста. Сб. Вестник МГУ, сер. геология, вып.2. Изд-во МГУ, 1974. 6. Методические указания по полевому и лабораторному определению параметров процесса влагопереноса в дисперсных грунтах. М. Изд-во МГУ, 1974 (соавтор- Э.Д.Ершов). 7. Экспериментальные исследования миграции влаги в мерзлой зоне оттаивающих грунтов. Сб. Вестник МГУ, сер. геология, вып.1. Изд-во МГУ, 1976 (соавторы-Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко). 8. Влагоперенос и сегрегационное льдовыделение в промерзающих - оттаивающих дисперсных породах. Сб. докл. на 5 всесоюз. конфер. по тепломассообмену. Минск,1976 (соавторы- В.А.Кудрявцев, Э.Д.Ершов и др.). Доклад опубликован так же в США в журнале: «Heat Transfer-Soviet Research», vol.9, №1, Jan-Feb, 1977. 9. Миграция влаги, структурообразование и шлировое льдовыделение в промерзающих глинистых грунтах. Материалы 3 МКМ. Канада, 1978 (соавторы- Э.Д.Ершов и др.). 10. Содержание незамерзшей воды в зависимости от структуры порового пространства и засоленности грунтов. Сб. Мерзлотные исследования, вып.17. Изд-во МГУ, 1978 (соавторы- Э.Д.Ершов, Ю.П.Акимов). 11. Влагопроводные свойства грунтов. В учебнике Общее мерзлотоведение. Изд-во МГУ, 1978. 12. Незамерзшая вода в мерзлых горных породах. В кн. Инженерное мерзлотоведение. Мат-лы 3-ей МКМ. Изд-во Наука, Новосибирск, 1979 (соавтор- Ю.П.Акимов). 13. Особенности механизма влагопереноса в промерзающих дисперсных породах. Сб. Труды ПНИИИС, вып.2, 1979 (соавторы- Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко). 14. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М. Изд-во МГУ (соавторы- Э.Д.Ершов, Ю.П.Акимов и др.). 15. Теплопроводные свойства современных склоновых отложений Чульманской впадины. Сб. Мерзлотные исследования, вып.20. Изд-во МГУ, 1981 (соавторы- Э.Д. Ершов, Д.М.Шестернев). 16. Закономерности формирования теплопроводности дисперсных пород различного состава и строения при промерзании и оттаивании. Сб. Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства. М. Изд-во МГУ, 1981 (соавторы- Э.Д.Ершов, Е.Н.Барковская). 17. Механизм и закономерности изменения теплопроводности горных пород при промерзании и оттаивании. Сб. Вечная мерзлота, 4-ая МКМ. Труды, т.1. Вашингтон, 1983 (Е.Н.Барковская и др.). 18. Физико-химическая природа формирования незамерзшей воды. Там же (соавторы- Ю.П.Акимов, Э.Д.Ершов). 19. Экспериментальные исследования тепломассопереноса в промерзающих грунтах. Ж. Инженерная геология, №3. Изд-во АНСССР. М., 1983 (соавторы- Ю.С.Даниэлян и др.). 20. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов. М. Недра, 1983 (коллектив авторов). 21. Теплофизические свойства горных пород. М. Изд-во МГУ, 1984 (соавторы Э.Д.Ершов и др.). 22. Механизм и закономерности формирования напряжений пучения в промерзающих грунтах. Ж. Вестник МГУ, сер. геология, вып.2. М. Изд-во МГУ, 1984 (соавторы- Э.Д.Ершов и др.). 23. Петрография мерзлых пород. Учебник. М. Изд-во МГУ (соавторы- Э.Д.Ершов, И.Д.Данилов). 24. Природа компрессионной сжимаемости мерзлых грунтов. Сб. Геокриологический прогноз при строит. освоении территории. М., Наука, 1987 (соавторы- Э.Д.Ершов и др.). 25. Природа аномальных температурных деформаций мерзлых грунтов. Сб. Геокриологические исследования. М. Изд-во МГУ, 1989 (соавторы- Э.Д.Ершов, Г.В.Николаева и др.). 26. Температурные деформации промерзающих и мерзлых грунтов при различном тепловом и механическом воздействии. Ж. Инженерная геология, вып.5. М. Изд-во РАН, 1990 (соавторы- Э.Д.Ершов, Г.В.Николаева и др.). 27. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости (руководители- В.О.Орлов, В.Г.Чеверев). 28. Классификация влаги в мерзлых грунтах. Сб. Мерзлые породы и криогенные процессы (под ред. Г.И.Дубикова). М. Наука, 1991. 29. О природе сил морозного пучения грунтов и методике их оценки. Там же (соавтор- Ю.П.Лебеденко). 30. Methods of control Over the Properties of Ground and Ice with the help of Water-Soluble Polymers. The Soviet-China-Japan symposium and field workshop on natural disasters. As China, Bejng, 1991(соавторы- В.Е.Гагарин и др.). 31. Закономерности изменения теплопроводности аллювиально-болотных грунтов (соавтор- В.В.Разумов). 32. Основы геокриологии, часть 1: Физико-химические основы геокриологии, гл.4 § 1,2,4; гл.6 § 1,2,4; гл.8 § 1,4. М. Изд-во МГУ, 1995 (соавторы- Э.Д.Ершов и др.). 33. Основы геокриологии, часть 2: Литогенетическая геокриология, гл.1 §2, гл.4 §2, §3. М. Изд-во МГУ, 1996 (соавторы- Э.Д.Ершов и др.). 34. Техническая мелиорация грунтов криолитозоны водным раствором полимера. Мат-лы Первой конференции геокриологов России, книга 3. М. МГУ, 1996. 35. Исследование формирования температурного поля и преобразования криогенной текстуры мерзлых грунтов под действием потока тепла и влаги. Там же, книга 4 (соавторы- Э.Д.Ершов, И.Ю.Видяпин). 36. Экспериментальные исследования химического потенциала влаги в мерзлых грунтах в спектре отрицательных температур. Там же, книга 4 (соавторы- Э.Д.Ершов, М.А.Магомеджиева). 37. Results, of physical simulation of frost heaving in soils. 7 International Conference on Permafrost, Canada,1998 (соавторы - Э.Д. Ершов и др.). 38. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. Авт. свид. №894484. Бюл.48 от 30.12.81 (соавтор Э.Д.Ершов). 39. Способ определения потенциала воды в дисперсных средах. Авт. свид. №1060990. Бюл. 46 от 15.12.83 (соавтор - В.Я.Калачев). 40. Устройство для определения водопрочности дисперсных пород. Авт. свид. №1126695. Бюл. 44 от 30.11.84 (соавторы - Ю.П.Акимов, В.Я.Калачев). 41. Устройство для определения влажности и изменения объема в процессе сушки образцов. Авт. свид. №1161850. Бюл.22 от 15.06.85 (соавторы - В.Я.Калачев, С.А.Лапицкий). 42. Способ определения давления морозного пучения грунтов. Авт. свид. №1596241. Бюл.36 от 30.09.90 (соавторы - Э.Д.Ершов, Ю.П.Лебеденко). 43. Способ получения искусственного льда. Авт. свид. №1649218. Бюл.18 от 15.05.91 (соавторы - В.Е. Гагарин и др.). 44. Способ испытания оттаивающих грунтов. Авт. свид.№1680867. Бюл.36 от 30.09.91 (соавторы - М.Г. Маренинов и др.). 45. Стабилометр. Авт. свид. №1716376. Бюл.8 от 29.02.92 (соавтор - Б.Е. Воробьевский). 46. Устройство для определения физико-механических характеристик грунта. Авт. свид. №1716436. Бюл. 8 от 29.02.92. 47. Способ создания профилактического покрытия против водной и ветровой эрозии. Авт. свид. №1790593. Бюл.3 от 23.01.93 (соавторы - В.И. Панченко и др.). 48. Способы повышения несущей способности мерзлых грунтов и льдов. Патент РФ №2064555. Бюл.21 от 27.07.96 (соавтор - В.В. Разумов).