Актуальность проблемы. В связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий приморских низменностей, в частности газоконденсатных месторождений п-ова Ямал (Крузенштернское, Бованенковское, Харасавейское и т.д.), для которых характерен морской тип засоления, возникает необходимость оценки температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов в естественных условиях и при техногенном воздействии. От температурного и водно-ионного режима зависят инженерно-геокриологические свойства засоленных мерзлых грунтов, несущая способность грунтовых оснований и коррозионная активность мерзлых засоленных грунтов, экологическая обстановка территорий и т.д.
В литературе имеются различные методики прогноза температурного режима засоленных мерзлых пород, удовлетворительно отражающие природу происходящих в них процессов. Основная проблема при их использовании — это корректный выбор входных параметров, прежде всего температуры начала замерзания и фазового состава влаги в засоленных мерзлых породах. Для массива засоленных пород, вмещающего криопэги, приемлемые методики прогноза температурного и водно-ионного режима отсутствуют.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является разработка методик прогноза температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1) сделать обзор существующих в литературе методик прогноза температурного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов, а также экспериментальных и расчетных методов нахождения параметров фазового равновесия влаги;
2) модифицировать криоскопический метод для определения температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды в засоленных породах при произвольной концентрации поровых растворов;
3) разработать алгоритм для расчетной оценки параметров фазового равновесия влаги в мерзлых засоленных породах морского генезиса при произвольной концентрации порового раствора;
4) разработать методику оценки температуры формирования ионно-солевого состава криопэгов по кривой десульфатизации;
5) проанализировать температурные условия формирования ионно-солевого состава криопэгов морского генезиса для ряда районов п-ова Ямал;
6) предложить математическую модель и алгоритм ее реализации для расчета температурного режима криопэга и массива вмещающих его пород, находящихся в слое годовых теплооборотов;
7) сделать прогноз температурного и водно-ионного режима массива засоленных пород и криопэгов для ряда участков Крузенштернского газоконденсатного месторождения (ГКМ);
8) оценить эффективность работы различных типов сезонных охлаждающих устройств (СОУ) в засоленных грунтах для природно-климатических условий п-ова Ямал.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
По экспериментальной части: для нахождения температуры начала замерзания и содержания незамерзшеи воды в засоленных породах при произвольной концентрации и ионном составе поровых растворов предложен модифицированный криоскопический метод, основанный на комплексном анализе термограммы оттаивания;
По расчетно-методической части: разработан алгоритм программы для оценки температуры замерзания и фазового состава влаги в мерзлых породах с преобладающим хлоридным засолением порового раствора произвольной концентрации; в рамках рассмотрения 7-компонентной системы Na-K-Ca-Mg-Cl-SCVHbO предложены: • для засоленных пород произвольного состава и концентрации - методика расчетной оценки температуры замерзания, фазового и химического состава поровой влаги; • для криопэгов произвольного состава и концентрации - методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэга по кривой десульфатизации; • методика расчета теплового взаимодействия криопэга с массивом вмещающих пород в слое годовых теплооборотов;
По прогнозной части: выявлено, что криопэг оказывает отепляющее влияние на нижележащие породы, а изменение общей минерализации криопэгов в течение года может меняться в два и более раз; для ряда участков Крузенштернского ГКМ показано, что изменения значений концентрации порового раствора и минерализации криопэга составляют от сотен процентов в верхних горизонтах до нескольких процентов на глубине 8-10 метров; предложено выделять в слое годовых теплооборотов три типа горизонтов засоленных пород по наличию мирабилита.
Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с применением разработанных методик прогноза температурного режима в засоленных породах и криопэгах, а также методик экспериментального и расчетного нахождения температуры начала замерзания, фазового и ионно-солевого состава поровой влаги и криопэга и т.д. для проектирования, строительства и эксплуатации объектов
промышленного и гражданского назначения в зоне распространения многолетнемерзлых засоленных пород. Впервые проведен сравнительный анализ работы различных типов СОУ в условиях засоленных мерзлых пород для п-ова Ямал.
Ряд материалов используется при чтении курса «Геокриология», а также в ходе выполнения студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.
Личный вклад автора. Все основные результаты исследования получены лично автором либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ на Международных и Всероссийских конференциях и совещаниях, в частности: 2 статьи в журнале «Криосфера Земли» (2003, 2005); 3 доклада на Международных конференциях геокриологов (Пущино, 2002, 2003, Тюмень 2004); 3 статьи в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); 1 статья в сборнике трудов «Теоретические и практические проблемы геотехники» (Санкт-Петербург, 2005); 1 доклад на 2-ой европейской конференции по вечной мерзлоте (Германия, Потсдам, 2005); 1 доклад на научно-практическом семинаре «Мерзлые засоленные грунты в строительстве» (Тюмень, 2005).
ВВЕДЕНИЕ
Общие сведения о засоленных мерзлых породах. Мерзлые породы относят к засоленным, если содержание легкорастворимых солей превышает 0,05 % - для песков, для супесей - 0,15%, для суглинков -0,20%, для глин - 0,25 %. Засоленные мерзлые породы отмечаются на арктических островах, на севере приморских низменностей Якутии, на равнинах центральной части Якутии и в других районах криолитозоны. (Геокриология СССР, 1989). Существуют два основных типа засоления пород: морской и континентальный, которые различаются по химическому составу. Мерзлые породы с морским типом засоления характеризуются значительным содержанием легкорастворимых солей (0,5-1,5 % от массы сухого грунта) и хлоридным натриевым составом поровых растворов. Ионно-солевой состав растворов этих пород (C1»SO42" >НСО'3 и Na+»Mg2+>Ca2+) такой же, что и в современных морских илах и морской воде. Наряду с указанным наиболее распространенным типом химического состава в мерзлых породах является хлоридно-сульфатный натриевый и сульфатный натриевый ионный состав поровых растворов. Морской тип засоления характерен для северных территорий -вдоль Арктического побережья России и на островах. Континентальный тип засоления встречается в породах на аллювиальных равнинах центральной части Якутии и в Забайкалье, где отрицательный баланс атмосферных осадков и ионно-солевой состав -(SO42">Cr>HCO"3 и Ca2+>Mg2+>Na+). Кроме природного засоления, на территории крупных городов (Норильск, Якутск, Воркута) происходит техногенное засоление пород в таликах и слое сезонного оттаивания.
Значительная часть территории России занята засоленными мерзлыми породами, часто содержащими линзы криопэгов - высокоминерализованных вод с отрицательной температурой (рисЛ). Исследования последних лет показали, что поровые воды в засоленных породах криогенной толщи неоднородны по химическому составу в разных районах. Однако эти различия для крупных территорий вполне устойчивы, они связаны с условиями формирования многолетнего промерзания осадочных пород, которые и предопределили распространение двух основных типов засоления: морского и континентального. Как правило, это засоленные породы различных регионов Арктического побережья, имеющие четвертичный плейстоценовый и голоценовый возраст, преимущественно морского генезиса. Однако существуют и континентальные засоленные породы.
Рис. 1. Схема распространения засоленных мерзлых пород на территории России (Дубиков, Иванова, 1991).
Морской тип засоления пород: I - засоленные породы залегают ниже сезонноталого слоя, 2 -кровля засоленных пород на глубинах до 50 м, 3 - кровля засоленных пород преимущественно глубже 50 м, с поверхности -расселенные и незаселенные породы; 4 - континентальный тип засоления пород, засоленные породы залегают с поверхности; 5 -незаселенные и расселенные породы (до глубины 100 м); б - южная граница многолетнемерзлых пород; 7- границы распространения засоленных пород (А -установленная, Б - предполагаемая)
Современное распространение мерзлых пород с морским типом засоления определяется следующими факторами: развитием на северных приморских низменностях плейстоценовых морских трансгрессий с накоплением осадков, физико-химическими диагенетическими изменениями и опреснением верхнего горизонта мерзлых пород при их локальном или региональном оттаивании в эпохи климатических потеплений. Формирование мерзлых засоленных толщ побережья Арктики зависит, кроме того, от температурного режима, концентрации порового раствора и скорости осадконакопления. В соответствии с этим на северо-востоке европейской части России засоленные мерзлые породы слагают низкие морские террасы побережья и островов; в области развития более ранних плейстоценовых трансгрессий, граница которых располагается значительно
южнее, засоленные мерзлые грунты встречаются на отдельных участках, в основном глубже 50 м от поверхности (Дубиков, Иванова, 1991).
Засоленными в Западной Сибири являются как эпигенетические, так и сингенетические отложения. При этом характерно увеличение содержания солей с юга на север от десятых долей процента до 1-1.5%, а также повышение концентраций порового раствора с глубиной, что объясняется регрессивным характером фаций и перераспределением солей в процессе изменения геокриологических условий.
Морские плейстоценовые и голоценовые отложения встречаются на Арктическом побережье Восточной Сибири и Чукотки. В этом регионе также встречаются талики и приуроченные к ним восходящие источники засоленных подземных вод. Эти воды, приуроченные к водоносным горизонтам, вмещающие породы которых насыщенны рассолами или отложениями каменной соли, могут «засолять» грунты сезонноталого слоя. Кроме того, на данной территории встречены засоленные элювиальные и делювиально-солифлюкционные отложения.
Для Европейской территории России данных о мерзлых засоленных породах мало. Например, на Кольском полуострове морские четвертичные отложения практически не распространены, поэтому возможность нахождения там засоленных мерзлых пород невелика. Многолетнемерзлые породы морского генетического типа характерны для Канинско-Тиманского и Мало-Большеземельского региона (Брушков, 1998). На побережье Баренцева моря развиты области охлажденных ниже 0 °С пород с криопэгами (Геокриология СССР, 1988). Это участки на побережье Болванской, Паханченской, Хайпудырской и Печорской губ, а также в дельтах и низовьях рек Нерута, Черная, Морею, Коротаиха, на самом севере п-ова Канин, Югорский. Засоленность мерзлых пород составляет 0,1-0,8 до 1,5 % по данным Г.И. Дубикова, Ю.Я. Велли, И.Д. Данилова и др.
Континентальное засоление мерзлых пород возникает обычно при сочетании аридного климата с преобладанием испарения, осадконакопления и промерзания (без последующего оттаивания) отложений. Такие условия встречаются на холодных равнинах и плоскогорьях Азии (Центральная Якутия, озерные котловины Тибета). Однако мерзлые засоленные толщи не имеют значительной мощности из-за отсутствия в течение больших интервалов времени одновременности этих условий. Содержание в них солей колеблется от 0,05 до 2% и более (Брушков, 1998). Химический состав мерзлых засоленных пород континента различен, что отличает их от морского засоления. Основной источник засоления - атмосферные воды.
Химический и минеральный состав частиц мерзлых дисперсных пород, содержащих в поровом растворе водно-растворимые соли, как правило, не имеет
8
существенных отличий от состава незаселенных пород. Например, на полуострове Ямал преобладают песчаные породы кварцевого состава, встречаются так же глинистые, с примесями железа (Брушков, 1998). Для мерзлых засоленных пород характерно присутствие, особенно в более дисперсных разновидностях, органического вещества. Как правило, прибрежно-морским засоленным мерзлым породам присуща слабая сортировка материала и окатанность, пылеватость песков и наличие песчаной примеси в глинах. Криогенное преобразование химико-минерального состава рыхлых пород в мерзлом состоянии крайне незначительно из-за низких температур. Литогенез мерзлых засоленных пород незавершен, поэтому при изменении внешних условий возможна активизация диагенетических процессов, что обуславливает неустойчивость химико-минерального состояния этих пород.
Химический состав порового раствора засоленных мерзлых пород определяется их происхождением. На Арктическом побережье эти породы обычно представляют собой морские осадки, поэтому состав солей близок к морскому. Морская вода отличается почти постоянным химическим составом, сформировавшимся в течение длительного геологического времени. Однако при отложении морских осадков происходят процессы вытеснения ионов, ионного обмена, адсорбции и бактериального воздействия, в результате чего состав поровой влаги может значительно отличатся от морского. При этом наблюдается изменение концентраций Mg2+, SO42", К+, снижение рН. Нередко оказывается, что минерализация поровых вод донных осадков выше, чем придонного слоя воды. Но в целом, в растворе морской воды преобладают ионы Na+, Ca2+, Mg2+, Cl2', SO42", СОз2", которые содержатся примерно в том же соотношении и в поровой влаге. Постепенно в осадках может уменьшаться содержание сульфат-иона за счет сульфатредуцирующих микроорганизмов. При протаивании может происходить выщелачивание засоленных пород, увеличение в растворе Са2+, Na+, SO42" или НСО". При промерзании происходит накопление бикарбонатов и карбонатов в растворе, частичному осаждению карбонатов, криогенное концентрирование - «криогенная метаморфизация», т.е. преобразования, происходящие при промерзании и протаивании засоленных пород, сложны, неустойчивы и мало изучены.
Криопэги. Криопэги, их состав, геотемпературный режим, генезис представляют научный и практический интерес в современной криологии и инженерной геологии.
Согласно геокриологическому словарю (2003), цитирую «...Криопэги (криогалинные
воды) - природные соленые воды с отрицательными температурами. Термин введен Н.И. Толстихиным и получил всеобщее признание. Криопэги делятся на сезонные и многолетние. Сезонные криопэги формируются зимой в минеральных озерах,
поверхностных слоях замерзающих морей, в основании сезонномерзлого и сезонноталого слоев на суше и на мелководных участках северных морей. Многолетние криопэги присутствуют в глубоководной зоне арктических и приантарктических морей и в субаэральной криолитозопе в северной геокриологической зоне преимущественно в виде над-, под-, меж- и внутримерзлотных вод артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов, реже в минеральных озерах. Установленные температуры криопэгов от 0 до -12 °С. Криопэги в толще мерзлых пород образуются: а) при промерзании изначально засоленных пород, содержащих соленые и солоноватые воды; в таких случаях в процессе льдообразования происходит концентрирование рассолов; б) при миграции вниз рассолов, сформировавшихся в подошве сезонноталого слоя, в) при промерзании толщ переслаивающихся водопроницаемых и водоупорных пород, где первые насыщены низкотемпературными солеными водами, а вторые слабо засолены и промерзают при температуре, близкой к О °С...»
Криопэги представляют собой соленые воды с отрицательной температурой, образующиеся в результате физико-химических процессов под воздействием сезонного или многолетнего криогенного метаморфизма. В результате процессов сезонного или многолетнего промерзания в значительной степени изменяются химический состав и минерализация природных вод. Условия формирования солевого состава криопэгов практически не изучены. Однако, анализ опубликованных данных (Анисимова, 1981, Фотиев, 1978) позволяет охарактеризовать основные закономерности криогенной метаморфизации химического состава вод. Во-первых, температура кристаллизации природных вод зависит от категории воды, степени ее минерализации и, в основном, меняется от 0 до -30°С. При нулевой температуре замерзает гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода. Прочносвязанная вода замерзает при температурах -10°С и ниже, а рассолы с минерализацией 200 г/кг не замерзают даже при -20°С. Во-вторых, изменение фазового состава влаги приводит к дифференциации солей между твердой и жидкой фазами. При кристаллизации воды часть солей выпадает в осадок, часть захватывается льдом, часть отжимается в нижележащие слои, увеличивая минерализацию остаточного раствора. Такой процесс называется криогенным концентрированием. При таянии льда не все выпавшие в осадок соли переходят в жидкую фазу, что вызывает криогенное опреснение воды, при котором минерализация талой воды меньше минерализации исходного раствора. Таким образом, криогенная метаморфизация существенно влияет на химический состав воды.
Преобразование состава воды при криогенной метаморфизации зависит от исходного состава воды и пород, температуры охлаждения, скорости промерзания,
10
степени растворимости солей при отрицательной температуре, биохимических и обменно-адсорбционных процессов во вмещающих породах. Криогенная метаморфизация может происходить как в пресной, так и в соленой воде, однако для образования криопэгов необходимы воды с высокой минерализацией.
Соленые воды характеризуются преимущественно хлоридным натриевым или кальциевым составом. Их минерализация меняется от 10 до 600 г/кг. По генезису соленые воды разделяются на воды выщелачивания каменной соли и морские воды.
Морские воды при криогенном преобразовании наиболее сильно меняют свой химический состав и минерализацию. Морская вода имеет своеобразный состав, ее минерализация практически постоянна во времени и составляет 35 г/кг. Содержание ионов строго последовательно: С1>8С>4>НСОз+СОз и Na+K>Mg>Ca, их количественное соотношение большинства ионов так же постоянно, кроме содержания НСОз и СОз-
11
Глава 1. Методика и результаты экспериментального изучения температуры замерзания мерзлых засоленных пород
К параметрам фазового равновесия мерзлых засоленных пород относят температуру начала замерзания породы, фазовый состав (содержание льда и незамерзшей воды), теплоемкость породы, теплоты фазовых переходов, теплоты криогидратообразования и т.д. Параметры фазового равновесия предопределяют как инженерно-геологические свойства мерзлой породы, так и протекание большинства мерзлотных процессов; в научном отношении определение параметров связано с изучением физико-химических и физико-механических процессов в промерзающих, оттаивающих и мерзлых породах.
1.1. Существующие методики экспериментального определения параметров фазового равновесия влаги в засоленных породах
Как известно, температура замерзания определяет состояние пород, а фазовый состав влаги - во многом основные свойства мерзлого грунта: теплофизические, механические, акустические, электрические и т.д. Практически все методы определения фазового состава оценивают количественное содержание одной из фаз жидкой или кристаллической, а содержание другой фазы рассчитывается путем дифференциации из суммарного влагосодержания.
Рассмотрим принципы работы некоторых методов (наиболее распространенных), представленных в таблице 1-1, с учетом анализа методов, приведенных в работах (Фазовый состав ..., 1979), (Комаров, 2003).
Таблица 1-1. Классификация методов определения температуры начала __________________________замерзания и фазового состава влаги (Фазовый состав ..., 1979).
3 2
§; о
S
5 w
Й Я
Э
о. в о
О,
2
I
2
га
? о
сЗ о Я О
Электрические
Равновесные
Геофизические
Калориметрические
Диэлектрический
По электрическому сопротивлению
СВЧ
Гигроскопический
Сублимационный
Контактный
Нейтронный
ЯМР
Ультразвуковой
Дилатометрический
Дифференциальный термоанализ
Изотермический термоанализ
Адиабатический термоанализ
Криоскопический термоанализ
12
Калориметрические методы основаны на измерении теплового эффекта, возникающего при оттаивании или промерзании пород, при этом теплота фазового перехода лед - незамерзшая вода и теплоемкость фаз принимаются равными их значениям для фаз воды в объеме. Находя из опыта величину суммарного теплового баланса, для задаваемого экспериментально узкого диапазона температур в области температур замерзания, и вычитая из него тепло идущее на изменение температурного поля в образце (с учетом известной теплоемкости пород), в ампуле (форме) в которой находится образец, поправки на теплообмен и т.д., оценивают тепло, идущее на фазовые переходы, а по нему содержание фаз влаги (Фазовый состав ..., 1979). При исследовании засоленных пород ошибка определения фазового состава будет резко возрастать, поскольку в суммарном балансе необходимо учитывать величину теплоты растворения, а теплоемкость растворов ощутимо отличается от теплоемкости свободной воды.
Из группы физических методов следует отметить метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который использует наименьшее число допущений. Он основан на том, что воздействие импульсного электромагнитного поля на мерзлый образец, помещенный в постоянное магнитное поле, приводит к поглощению электромагнитной энергии атомными ядрами в молекулах воды (Ананян и др., 1977). Спектр поглощения льда значительно шире спектра поглощения незамерзшеи воды, представляющего собой узкую спектральную линию. Увеличение влагосодержания в образце предопределяет появление широкой линии льда. Определение максимального влагосодержания, при котором еще отсутствует характерный спектр поглощения льда, соответствует определению содержания незамерзшеи воды в исследуемом образце при данной температуре. Однако, метод ЯМР очень чувствителен к влиянию парамагнитных примесей и, поэтому для засоленных пород его использование осложнено и рассматривается для каждого конкретного случая.
Диэлектрический метод (группа электрических методов) основан на резкой разнице в диэлектрической проницаемости свойств льда и незамерзшеи воды (Фролов, 1998; Зыков, 1999). Метод успешно применяется при исследованиях и засоленных пород, однако его недостатки несколько усугубляются с наличием ионов солей в поровом растворе. Эта методика обуславливает при интерпретации ряд серьезных допущений: изменение собственной частоты колебаний молекул и нарушение структуры воды под действием внешнего электрического поля, неоднозначность величины диэлектрической проницаемости незамерзшеи воды в зависимости от толщины пленки воды и типа минеральной подложки. Другие методы, основанные на различии электрических свойств льда и воды и скорости прохождения ультразвуковых волн в них,
13
вполне удовлетворительно регистрируют указанную разницу, но количественная интерпретация сильно затруднена из-за сложного характера связи равновесного содержания фаз влаги с кинетическими параметрами (Фазовый состав ,..., 1979).
Равновесные методы являются по существу методами термодинамическими, когда фазовый состав оценивается непосредственно в условиях установившегося режима. Гигроскопический метод основан на корреляционной связи между количественным содержанием незамерзшей воды в дисперсной породе, при данной температуре и величиной максимальной гигроскопической влажности, соответствующей 100% относительной влажности воздуха. Сублимационный и контактный методы основаны на принципе динамического равновесия между льдом, незамерзшей водой и паром в мерзлой породе. В сублимационном методе такое динамическое равновесие достигается при морозной сушке, а в случае контактного метода - при перераспределении воды в льдонасыщенной и морозно-сухой пластинах, находящихся в контакте друг с другом.
Для определения фазового состава влаги и температуры начала замерзания дисперсных пород, включая засоленные, наиболее широко используются криоскопический и контактный методы, поскольку они достаточно просты и имеют широкую область применения (Лабораторные методы исследования мерзлых пород, 1985).
Контактный метод, в принципе, можно применять и для исследования засоленных пород, однако необходимо проведение специальных серий экспериментов для нахождения пределов применимости и для оценки времени экспозиции образцов, поскольку на процесс влагопереноса из льдистого образца в образец, находящийся в воздушно-сухом состоянии, может накладываться солеперенос.
Криоскопический метод основан на использовании выделения (поглощения) скрытой теплоты плавления и понижения температуры замерзания воды в порах грунтов. Выделение теплоты фазового перехода вода-лед (80 кал/г или 333 Дж/г) приводит к закреплению в течение некоторого времени температуры, соответствующей температуре замерзания воды в грунте.
Методика определения температур начала и окончания фазовых переходов воды должна учитывать особенности процесса промерзания исследуемого грунта с тем, чтобы результаты оказались наиболее достоверными. При фазовом переходе вьщеление (поглощение) теплоты фазового перехода приводит к резкому изменению скорости нагрева (охлаждения), что и фиксируется на термограмме. Целесообразность применения криоскопического метода в цикле оттаивания показана
14
Л.В. Чистотиновым (Гречищев, Чистотинов, Шур, 1980). В этом случае снимаются проблемы, связанные с переохлаждением и влиянием условий теплообмена, поскольку температура замерзания, полученная в цикле охлаждения, зависит от скорости подвода тепла. Температура окончания оттаивания в этом плане является величиной достаточно стабильной. В случае, когда температура оттаивания (tOT) достаточно близко соответствует температуре замерзания (t3), можно для их определения использовать методы исследования зависимости количества незамерзшей воды от температуры. При этом надо учитывать, что содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре to равно той влажности грунта, которой соответствует температура to его замерзания или оттаивания. Если в методах определения WH3 определяется зависимость WH3 = f(t), то в данном случае, наоборот, экспериментально определяется соответствие температуры замерзания и оттаивания грунта наперед заданной влажности W, т. е. t3.0T = f(W).
Общепринятая методика обработки термограммы оттаивания. Ходу температуры во времени при оттаивании грунтов присущи три основных участка (рис. 1.1а). Для первого характерно резкое изменение температуры за счет того, что теплоемкость грунтов при низких температурах мала из-за низкой интенсивности фазовых переходов. В то же время разность температур образца в бюксе и окружающей среде велика, поэтому оттаивание идет высокими темпами. На втором участке отмечается слабое изменение температуры во времени, так как при приближении к температуре полного оттаивания грунта теплоемкость его за счет интенсивных фазовых переходов резко увеличивается. Наличие этого участка объясняется интенсивным поглощением скрытой теплоты плавления, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки льда. И, наконец, третий участок кривой характеризуется возрастанием скорости повышения температуры, что происходит после прекращения фазовых переходов и резкого снижения теплоемкости грунта. Температура в точке перехода от второго к третьему участку — это температура оттаивания грунта, которая может быть получена из графика зависимости скорости изменение температуры грунта от ее значения в ходе оттаивания.
Из рассмотренных экспериментальных методов наиболее доступным и распространенным является криоскопический метод. Этот метод не требует квалифицированного персонала и обладает большой производительностью, поэтому его целесообразно использовать. Однако, стандартная методика криоскопического метода не позволяет точно определять температуру начала замерзания пород, с малыми влажностями и высокими концентрациями поровых растворов. Для
15
корректного нахождения температуры начала замерзания засоленных пород нами предлагается модификация методики обработки термограммы оттаивания.
мин
от
t,°c
Рис. 1.1. Общепринятая обработка термограммы оттаивания при использовании криоскопического метода
1.2. Модифицированная методика экспериментального определения температуры начала замерзания и фазового состава влаги в засоленных породах с помощью криоскопического метода в цикле оттаивания
Конструкция экспериментальной установки и ведение эксперимента. Экспериментальная установка для определения температуры замерзания грунта включает в себя термостат или холодильный шкаф, в которых поддерживается температура до -5 * -10° С так, чтобы ее значение было несколько ниже температуры возможного переохлаждения грунта. В качестве датчика температуры используются термопары, подключенные к самопишущему автоматическому потенциометру КСП-4. Современные потенциометры такого типа имеют диапазон измерений до 1 мВ и более. При использовании прибора со шкалой, рассчитанной на 1 мВ, погрешность шкалы
16 |
