Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода (стр. 3 )

Результаты исследований зоны протаивания вокруг подземного неохлажденного трубопровода показывают, что глубина протаивания под трубой за
20 лет эксплуатации достигает десятков метров. Размеры зоны протаивания определяются в основном температурой транспортируемой среды и влажностью грунта. Вследствие изменения температуры газа с расстоянием, а также различия влажности грунта по площади массива, наиболее вероятна неравномерная осадка его и трубы.

Поэтому, при разработке физико-математических моделей процессов тепло-массообмена вблизи труб различного назначения следует, безусловно, учитывать специфику каждой конкретной задачи и, кроме того, иметь в виду, что на результаты расчетов может значительно влиять правильное определение теплофизических свойств грунта.

Криогенные физико-геологические процессы

Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что при промерзании и оттаивании грунта возникают сложные физические, физико-химические и механические процессы и явления. Без знания указанных процессов невозможно обеспечить научно обоснованные рекомендации по прогнозу их изменения и целенаправленному преобразованию в связи с хозяйственным освоением территории.

Экспериментальным и теоретическим исследования этих процессов посвящено большое количество научных работ как в нашей стране, так и за рубежом.

Очень богатой, с физической точки зрения, является монография
, ,   «Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов» [24].

Криогенные (мерзлотные) физико-геологические явления возникают в результате изменения теплового состояния грунтов, сопровождающегося фазовыми переходами содержащейся в них воды.

В одной из своих работ [36] анализирует три фазы влаги, которые включают в себя мерзлые породы все (незамерзшую воду,  лед и пар), находящиеся в равновесном состоянии и способные к взаимным переходам. «Поведение мерзлых пород в значительной мере определяется теми термодинамическими, тепломассообменными, структуро - и текстурообразовательными и механическими процессами, которые развиваются в ходе образования (промерзания), дальнейшего существования (при отрицательной температуре) и развития (протаивания или циклов промерзания-протаивания) этих физико-химических грунтовых систем».

Следствием перечисленных процессов является появление в грунтах внутренних напряжений и деформаций, осадка и течение пород, образование трещин. Все это приводит в естественных условиях к возникновению целого комплекса физико-геологических процессов, в результате которых развиваются разнообразные криогенные явления.

В книге «Общая геокриология» [35] приводится классификация криогенных процессов и их характеристика.

Из всех криогенных процессов наиболее интенсивно исследовалось пучение грунта. Работы экспериментального и теоретического характера включают в себя как специализированные монографии [45], так и большое количество статей в отечественных и зарубежных журналах.

Криогенное пучение – это комплекс процессов, обусловленный промерзанием грунта и включающий криогенную и напорную миграцию воды или разжиженной грунтовой массы, ее замерзание и  образование льда, разуплотнение грунтового скелета, приводящее к увеличению его объема, а также поднятие поверхности грунта [24].

Различают два основных механизма образования бугров пучения: инъекционный и сегрегационный.

Инъекционный лед [54] образуется при промерзании грунтовой воды, внедрившейся в толщу мерзлых дисперсных пород под напором. Он встречается в виде пластов на различных глубинах многолетнемерзлой толщи. Размеры его залежей составляют от долей метра до нескольких десятков метров. В результате этого на поверхности грунта возникают взбугривания, которые растут при повторяющихся или непрерывно происходящих процессах замерзания и поступления новых порций инъекций.

В данной диссертационной работе рассматривается процесс сегрегационного морозного пучения дисперсного грунта, вызванного миграцией влаги из талого слоя к фронту промерзания, поэтому рассмотрим этот процесс более подробно.

Миграция воды в дисперсных породах при их замерзании приводит также к образованию ледяных скоплений. Основным условием замерзания воды в грунте является существование градиента температуры в замерзающем и подстилающем талом слоях. При небольших градиентах температуры промерзание породы будет проходить медленно, незамерзшая влага успеет мигрировать к фронту промерзания снизу из талого слоя, возникнут условия избыточного льдовыделения. Такой лед представляет собой сегрегационный (миграционный) лед. В результате образуется слоистая криогенная текстура, когда лед будет залегать в породе в виде слоев, линз, так называемых шлиров различной толщины и протяженности.

После возникновения ледяного прослоя или системы прослоев их рост и дальнейшее развитие будут определяться в основном уже условиями теплообмена и миграции влаги. При этом условие теплового равновесия на фронте промерзания принимается основным  при росте шлиров льда. Нарушение этого равновесия приводит к дальнейшему промерзанию породы до следующего равновесного момента, определяющего остановку фронта промерзания и рост нового прослоя льда [32].

В обобщающей работе [76] указано, что во всех случаях, кроме условий резкого промерзания грунта при температурах ниже минус , установлен факт миграции влаги. В мерзлых дисперсных породах практически свободная влага (если она существует при данной естественной влажности) замерзает при температуре начала замерзания , а связная в диапазоне температур – ниже . Поэтому в мерзлых грунтах, в отличие от талых, кроме твердых минеральных частиц и воздуха, всегда присутствует лед, как породообразующий материал, и незамерзшая вода.

Выяснено, что у дисперсных,  глинистых грунтов наблюдается приток воды к фронту промерзания. В лабораторных и полевых условиях доказан ритмичный и скачкообразный характер льдовыделения. Миграция воды в промерзающих грунтах – процесс переноса влаги, постоянно возникающий при всяком нарушении равновесного состояния фаз грунта и изменениях внешних воздействий (наличие градиентов температуры, влажности, давления, поверхностной энергии минеральных частиц, подвижности молекул в водных пленках и т. д.).

Большой вклад в исследовании миграции воды в промерзающих грунтах внес . В своих работах [34, 36] он обосновал важность изучения этой проблемы, обобщил имеющийся опыт в ее решении и вывел новые закономерности, которые привели к новым научным выводам и открытиям.

«Долгое время проблема сегрегационного льдовыделения или формирования криогенных текстур рассматривалась как обязательная, сама собой разумеющаяся, составная часть процесса миграции влаги, а не как  представляющая самостоятельный интерес комплексная проблема, требующая выяснения и одновременного совместного анализа особенностей роста кристаллов и прослоев льда».

Впервые условия зарождения ледяных шлиров попытался объяснить
Г. Бесков. Вслед за ними и принимали, что при росте кристаллов льда у фронта промерзания за счет расклинивания породы растущими кристаллами образуются трещины, проникающие в еще талую породу, которые впоследствии заполняются льдом; а далее эти трещины сливаются, соединяются и, следуя неравномерностям фронта промерзания, образуют горизонтальные и наклонные прослои льда.

Начиная с 70-х годов, выдвигается еще одно весьма важное условие для зарождения и роста сегрегационных прослоев льда, а именно: формирование криогенной текстуры определяется не только термодинамическими, но и термомеханическими условиями в промерзающем грунте.

Исследования, осуществляемые , привели к выявлению новых закономерностей миграции влаги и льдообразования, промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных породах  в зависимости от их свойств, состава и строения. Ученый впервые осуществил попытку создания классификационной схемы криогенных текстур, в основе которой – сочетание теплофизических, физико-механических и литологических факторов, влияющих на возникновение ледяных включений в промерзающих породах.

Сегрегационное морозное пучение – сложный природный процесс, интересный объект для исследования. Необходимый обзор теоретических и экспериментальных работ по сегрегационному пучению приводится ниже в п. 1.2.3 и в гл. III данной диссертационной работы.

Моделирование процессов тепло-влагообмена в мерзлых дисперсных грунтах

Проблема формирования криогенных текстур в промерзающих грунтах неразрывным образом связана с проблемой тепло - и влагопереноса в них, с вопросами зарождения и дальнейшего роста макроскопических прослоев льда и геолого-генетическими особенностями промерзающих пород.

[76] сформулирован принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах: количество жидкой фазы воды находится в динамическом равновесии с параметрами состояния грунта, как термодинамической системы.

Задача о промерзании (протаивании) грунта в спектре температур математически была впервые сформулирована в работах (1952, 1953). Она считается общепринятой и в настоящее время.

Наиболее разработаны модели процессов телообмена, описывающие промерзание – протаивание в виде обобщения задачи Стефана, которая возникает при допущении фазовых превращений на границе раздела фаз.

В слабовлажных тонкодисперсных грунтах температурное поле в промерзающей зоне описывается уравнением Фурье при введении эффективной теплоемкости, включающей в себя помимо теплоемкости фазовые переходы незамерзшей воды.

Главной особенностью мерзлых пород, в отличие от талых, является их термодинамическая неустойчивость. Существующие условия теплообмена на поверхности земли приводят к сезонному или многолетнему промерзанию и оттаиванию пород, к смене одного процесса другим на протяжении коротких периодов времени и в пределах огромных территорий.