Исследование влияния поверхностно-активных веществ на прочность мерзлых грунтов криолитозоны Республики Саха (Якутия)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Исследование влияния поверхностно-активных веществ на прочность мерзлых грунтов криолитозоны Республики Саха (Якутия)

Ефимов Василий Моисеевич, Кравцова Ольга Николаевна

Степанов Анатолий Викторович, Тимофеев Анатолий Викторович

Васильчук Юрий Кириллович, Таппырова Надежда Ивановна

Аннотация

Ефимов Василий Моисеевич

заместитель директора, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск

677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, каб. 101

bmr2008@list.ru

Кравцова Ольга Николаевна

кандидат технических наук

с.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1

kravtsovao.n.@yandex.ru

Степанов Анатолий Викторович

доктор технических наук

г.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

677677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1

.v.stepanov@iptpn.ysn.ru

Тимофеев Анатолий Викторович

доктор технических наук

г.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1

a.m.timofeev@iptpn.ysn.ru

Васильчук Юрий Кириллович

доктор геолого-минералогических наук

профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ)

119991, Россия, г. Москва,

vasilch_geo@mail.ru

Таппырова Надежда Ивановна

ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1

nadejda.tappyrova@yandex.ru

Статья посвящена экспериментальным исследованиям влияния добавок поверхностно - активных веществ на прочность мерзлых дисперсных грунтов. Затронута проблема поиска новых теоретических подходов к механическим свойствам дисперсных грунтов, учитывающих наличие свободной поверхностной энергии и влияние физико - химических факторов на поведение и свойства грунтов. Обоснован физико - химический подход как наиболее перспективный в данном направлении. Представлен механизм упрочнения талых грунтов посредством воздействия на них поверхностно активных веществ, изученный и предложенный П. А. Ребиндером. Проведены экспериментальные исследования прочностных характеристик мерзлых дисперсных грунтов с добавлением ПАВ и без добавок. Для определения прочности использовался метод шарикового штампа при действии постоянной нагрузки. В результате проведенного исследования были получены экспериментальные кривые зависимости предельной прочности от времени для мерзлого песка и суглинка с добавкой ПАВ и без добавок. Также получены зависимости незамерзшей воды в суглинке с добавкой ПАВ и без добавок от температуры. Полученные данные позволяют сделать вывод, что введение ПАВ оказывает влияние на важнейшие свойства мерзлых грунтов, независимо от их разновидности. Кроме того установлено, что увеличение прочности мерзлых грунтов как песков так и суглинков обусловлено структурными изменениями происходящими при введении ПАВ. талый грунт дисперсный прочность

Ключевые слова: криолитозона, грунты, поверхностно активные вещества, предельная прочность, механика грунтов, количество незамерзшей воды, упрочнение, грунтоведение, деформация, нагрузка

Abstract

Stepanov Anatolii Viktorovich

Doctor of Technical Science

Chief Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

Kravtsova Ol'ga Nikolaevna

PhD in Technical Science

Senior Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

Efimov Vasilii Moiseevich

Deputy Director, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1, office #101

Timofeev Anatolii Viktorovich

Doctor of Technical Science

Chief Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

Vasil'chuk Yurii Kirillovich

Doctor of Geology and Mineralogy

Professor, M. V. Lomonosov Moscow State University

119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory Street 1, office #2009

Tappyrova Nadezhda Ivanovna

Leading Engineer, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

This article focuses on the experimental research of the impact of additives of surface active agents upon the strength of the frozen dispersed soils. The work touches on the problem of finding new theoretical approaches towards mechanical properties of dispersed soils accounting for presence of free surface energy and impact of the physical chemistry factors upon the behavior and properties of the soils. Substantiation is made on the physical chemistry approach as the most promising one in this area. Pyotr Rebinder's mechanism for strengthening thawed soils through the effects of the surface active agents is presented in this research. Experimental research was conducted on the strength characteristics of the frozen dispersed soils with use of surfactants and without additives. The conducted research yielded experimental curve relationship of the maximal strength from time for frozen sand and loam with surfactants and without.

Keywords: hardening, amount of unfrozen water, soil mechanics, ultimate strength, soil science, surface active agents, soils, cryolithozone, deformation, load

Вследствие высокой межфазной поверхности грунтов сильное влияние на их механические свойства оказывают физико-химические факторы, под действием которых происходит изменение свободной поверхностной энергии грунтов. Так, например, адсорбция воды на межфазной поверхности глинистых минералов приводит по Гиббсу к снижению свободной поверхностной энергии, т.е. к уменьшению работы разрушения структуры и, в конечном итоге, к изменению их механических свойств. Такая особенность дисперсных грунтов обуславливает заметное отклонение их механических свойств от поведения сплошных тел, применительно к которым разработаны классические теории прочности.

Применимость этих теорий дисперсным грунтам затруднена именно тем, что они не учитывают наличие свободной поверхностной энергии в дисперсных системах и следовательно полностью игнорируют влияние физико-химических факторов на поведение и свойства изучаемых грунтов. Поэтому одной из важнейших проблем грунтоведения и механики грунтов является поиск новых теорий прочности и деформирования дисперсных грунтов [1] К числу наиболее перспективных направлений такого поиска следует отнести физико-химическое направление, в основе которого лежат представления физико-химической механики пористых тел, сформулированные П.А. Ребиндером [2]. Им был изучен и предложен механизм упрочнения талых грунтов посредством воздействия на них поверхностно активных веществ (ПАВ).

В институте мерзлотоведения СО РАН были проведены экспериментальные исследования влияния ПАВ на прочностные свойства талых грунтов, как засоленных и нет. В талые грунты вводился в качестве ПАВ поливиниловый спирт, что привело к увеличению их прочностных свойств [3].

Нашими исследованиями было установлено, что введение ПАВ в талые грунты ощутимо влияет на коэффициент влагопереноса и теплопроводность. При этом теплоемкость практически (в пределах 5 % не зависит от введения ПАВ) это объясняется тем, что введение ПАВ не приводит к химическим реакциям, а приводит к структурным изменениям. О структурных изменениях при введении ПАВ сообщается так же в работах В.Г. Чеверева [4].

Наличие нескольких специфических факторов влияющих на прочность мерзлых грунтов не позволяет однозначно экстраполировать экспериментальные данные, полученные при положительных температурах, в область мерзлого состояния грунтов. Прочность мерзлых грунтов зависит не только от минерального и гранулометрического состава и влажности, но существенное значение имеют количество незамёрзшей воды и льдистость [5]. Введение ПАВ в грунты может вызвать понижение прочности вследствие увеличения количества незамёрзшей воды. Поэтому, в исследованиях ставилась задача экспериментально проверить воздействие ПАВ на прочностные свойства мерзлых грунтов.

Проведены экспериментальные исследования влияния ПАВ на прочность мерзлых грунтов (песок и суглинок). Общая влажность равнялась максимальной влагоемкости пород. В качестве ПАВ использовался поливиниловый спирт с концентрацией 2 % . Оптимальное значение концентрации было установлено предыдущими исследованиями.

Образцы грунта помещались в небольшие дюралюминиевые бюксы и замораживались при определенных температурах 21 -8 0C. Для глины -1 -24 0С.

Для измерения прочностных характеристик (эквивалентных сил сцепления) использовался метод шарикового штампа при действии постоянной внешней нагрузки. Сущность метода испытания образцов грунта шариковым штампом заключается в определении деформации ползучести грунта при длительном вдавливании в него под постоянной нагрузкой шарикового штампа. По полученным значениям деформации образца грунта вычисляли эквивалентное сцепление и фиксировали его изменения по времени. Значение эквивалентного сцепления для каждого момента времени определяли по величине погружения в грунт шарикового штампа при действии постоянной нагрузки и рассчитывали по формуле

где F -нагрузка на шариковый штамп, кН; db - диаметр шарикового штампа, см; Sb - глубина погружения шарикового штампа в грунт в конце испытания, см; k - безразмерный коэффициент равный 1 при испытаниях до условной стабилизации деформации и 0,8 - при ускоренном режиме.

Если удельная нагрузка, рассчитанная на площадь поверхности полусферы шарикового штампа, не превышает предельного разрушающего напряжения, то скорость погружения шарикового штампа в грунт будет уменьшаться, стремясь с течением времени к нулю, деформация при этом затухнет. Это означает, что внутренние силы сопротивления грунта в деформируемой зоне пришли в полное соответствие с действующей на него удельной нагрузкой. Эти минимальные силы внутреннего сопротивления называются предельно длительным или пределом длительной прочности грунта F пр . Предел длительной прочности грунта связан с длительными силами сцепления соотношением

На рис 1. Изображены начальные участки кривых зависимости предельной прочности от времени измерения для мерзлого песка при двух различных температурах с добавкой ПАВ и без.

Рис. 1 Кривая длительной прочности мерзлого песка.Ё- песок+ПАВ; - n - песок; Т=-210С;Ѓ- песок+ПАВ,?- песок; Т= -80С

Видно, что с понижением температуры прочность мерзлого песка увеличивается. Кроме того, происходит изменение прочности мерзлого песка при введении ПАВ. Как известно, количество незамерзшей воды в песках при отрицательных температурах является небольшим и его влиянием на прочностные свойства при температурах проведения эксперимента можно пренебречь. Это позволяет интерпретировать полученные результаты именно как влияние ПАВ.

Видно, что, как и для песков, у суглинков при введении ПАВ происходит увеличение прочностных свойств, причем при этом не происходит заметного увеличения количества незамерзшей воды (табл. 1). На рис. 2 изображены такие же зависимости для мерзлого суглинка.

Рис. 2 Кривая длительной прочности мерзлого суглинка.Ё- суглинок+ПАВ; - n - песок; Т= -210С

Таблица 1 Зависимость количества незамерзшей воды в суглинке от температуры

Все это позволяет сделать вывод, что введение ПАВ оказывает влияние на важнейшие (массообменные, тепловые, прочностные) свойства мерзлых грунтов, независимо от разновидности последних. Кроме того установлено, что увеличение прочности мерзлых грунтов как песков так и суглинков обусловлено структурными изменениями происходящими при введении ПАВ.

Необходимо отметить:

1. Обнаружение универсального характера воздействия введенных ПАВ на изменение важнейших свойств грунтовых талых и мерзлых объектов независимо от разновидности последних.

2. Наличие изменений прочностных свойств при введении ПАВ и у мерзлых песков, причем и при высокой отрицательной температуре, у песков, обладающих ничтожной удельной поверхностью и не содержащих, поэтому, незамерзшей воды при указанной температуре подтверждает основную роль структурной перестройки грунта при введении в него ПАВ.

Поэтому безусловный теоретический интерес имеет разработка механизма изменения прочностных свойств мерзлых грунтов без «традиционного» затрагивания количественного изменения содержания незамерзшей воды в изучаемых системах.

Наличие изменений при введении ПАВ у мерзлых песков, причем при высоких отрицательных температурах, по-видимому, подтверждает то, что основу изменения прочности мерзлых грунтов составляет, в данном случае не разница в содержании количества незамерзшей воды, а соответствующие структурные и текстурные перестройки в грунте. На это же обстоятельство указывает примерно одинаковая степень упрочнения пород. Именно с изменением структуры грунтов связано и очень сильное уменьшение коэффициентов фильтрации, а также понижение скорости удаления влаги из образцов, насыщенных ПАВ и, кроме того, примерное постоянство количества незамерзшей воды у суглинка без ПАВ и с ПАВ.

Все вышеизложенное позволило нам объяснить происходящие изменения в грунтах при введении в них ПАВ перестройкой их структуры.

Библиография

1. Осипов В.И. Некоторые проблемы изучения дисперсных грунтов // Инж. геология, 1986, № 1, с. 17-22.

2. Ребиндер П.А. Физико-химические основы современных методов закрепления грунтов // Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979, с. 356-370.

3. Шишкин Ю.П. О результатах практического использования взаимосвязи физико-химических и механических свойств мерзлых пород // Инженерно-геологическое изучение и оценка мерзл., промерзающих и протаивающих глинистых грунтов. «ИГК-90» 6 2-ой Всесоюзный семинар, Ленинград, 1990, с.86-89.

4. Чеверев В.Г. Физико-химическая теория формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов / Автореф. Дис. На соискание ученой степени д. г.-м.н., .М., 1999, 41 с.

5. Курилко А.С., Ермаков С.А.,. Хохолов Ю.А, Каймонов М.В., Бураков А.М. Моделирование тепловых процессов в горном массиве при открытой разработке россыпей криолитозоны.- Новосибирск, Академическое издательство “ГЕО” 2011, 140 с.

Размещено на Allbest.ru