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

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, к_Н; d_b - диаметр шарикового штампа, см; S_b – 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.

¨- песок+ПАВ; - n - песок; Т=-21⁰С;- 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.

¨- 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.