Массоперенос в мерзлых и талых грунтах

Различают два вида промерзания грунтов: без миграции (происходит в случае слабовлажных грунтов) и с миграцией воды. При миграции воды в мерзлой части промерзающего грунта прослеживается картина, сходная с миграцией влаги и льдовыделением в мерзлых породах под действием градиента температуры. Вследствие возникающих процессов миграции и фазовых переходов влаги в сезонно мерзлом слое образуются прослойки льда, происходит вертикальное пучение грунтов, возникают деформации усадки (в талых грунтах) и распучивания (в мерзлых грунтах). Перед образованием льда происходит испарение воды с поверхности грунта и некоторая усадка его скелета с объемным увеличением воды в порах, далее объем воды увеличивается, она постепенно переходит в лед, создаются условия для миграции влаги в зону промерзания. Дальнейшее влияние отрицательной температуры на поверхность слоя грунта приводит к постепенному объемному расширению льда и к морозному пучению грунта. Перемещение влаги в неводонасыщенных дисперсных грунтах характеризуется сложным механизмом переноса массы и многообразием движущих сил влагообмена (например, перемещение капиллярной влаги в основном осуществляется за счет лапласовых сил). С термодинамической точки зрения причиной миграции воды и пара в дисперсных грунтах является неравновесное состояние системы «грунт — влага» [13- Основной движущей силой влагопереноса жидкой фазы является градиент удельной свободной энергии Гиббса, а потенциал грунтовой влаги зависит от влагосодержания грунта.

А. В. Лыковым было введено понятие дифференциальной влагоемкости грунта, которое показывает, какое количество воды необходимо добавить в грунт, чтобы изменить значение потенциала воды на единицу.

Существуют определенные трудности, связанные с формальным введением потенциала массопереноса и применением системы уравнений А. В. Лыкова к пористым телам в самом общем виде без учета структурных характеристик материала и особенностей протекания массообменного процесса. Кроме модели А. В. Лыкова в настоящее время, особенно в зарубежных исследованиях, широко используется теория влагопереноса, которая развивалась в работах D. R. Philip, De Vreis, учитывающих перенос влаги как за счет градиента давления жидкости, так и за счет температурного градиента. В дальнейшем эта модель была усовершенствована Nasar и Horton, которые добавили член, учитывающий влияние осмотического давления на перенос влаги.

Для потока воды в насыщенном или ненасыщенном грунте также широко применяется закон Дарси. Процесс промерзания грунтов вызывает резкое нарушение сложившегося термодинамического равновесного состояния системы и проявляется в динамическом сосуществовании мерзлой, промерзающей и талой зон и в возникновении фронта промерзания. В мерзлых дисперсных грунтах большую роль играет миграция связанной воды, осуществляемая обычно в пленочном виде; также нередко говорят о смешанном капиллярнопленочном механизме переноса. Влагоперенос в мерзлых грунтах с общих термодинамических позиций может быть обусловлен градиентом каркасно-капиллярного, осмотического, температурного и других потенциалов. Создание и поддержание в мерзлом грунте градиента температуры приводит к возникновению градиентов потенциалов связанной воды и парообразной влаги, а также градиентов концентрации насыщенных водяных паров. Эти потенциалы вызывают перемещение незамерзшей воды и пара из мест с большим в места с меньшим потенциалом влаги, т. е. от участков с более высокой в участки с более низкой отрицательной температурой, при этом градиенты температуры в талой зоне не приводят к формированию движущих сил миграции влаги. Плотность миграционного потока влаги существенным образом зависит от состава и структурно-текстурных особенностей грунта и влаги. Уменьшение гидравлической проводимости мерзлого грунта связано с уменьшением количества незамерзшей воды, что соответствует уменьшению гидравлической проводимости ненасыщенного грунта с положительной температурой при уменьшении содержания воды в нем. В работе [11] авторы изучают взаимосвязь между способностью к диффузии воды и содержанием воды и льда в грунте. Они определили, что нельзя напрямую использовать уравнения диффузии для случая мерзлых грунтов, несмотря на то, что эти уравнения дали удовлетворительные результаты для талых грунтов.