Экспериментальное изучение термоградиентной миграции влаги в грунте с использованием химического маркера

Аннотация

Цель исследования. Экспериментальное изучение термоградиентной миграции влаги в грунте с использованием  химического маркера.

Место и время проведения. Исследование проводили в лабораторных условиях в течение февраля – мая 2025 г.

Методы. Изучение перераспределения влаги под влиянием температурного градиента осуществляли в колонках насыпного грунта разного гранулометрического состава. Для выявления преобладающей формы мигрирующей влаги использовали метод химического маркирования. В качестве маркера применяли хлорид-ион. Для формирования в модельных грунтах профиля влажности, аналогичного распределению воды в высоко увлажненных естественных грунтах, пары колонок с заранее заданным содержанием влаги (9,6–19,8% массы) выдерживали в течение 14 суток при температуре +25°С. Затем в одной из колонок каждой пары определяли профильное распределение влаги. Вторую колонку, увлажненную водным раствором хлорид-иона, помещали в холодильную установку и подвергали охлаждению сверху до отрицательных температур. В нижних частях экспериментальных колонок сохранялась положительная температура. Спустя 14 суток во вторых колонках определяли вертикальное распределение влаги термостатно-весовым методом и хлорид-иона методом Мора. Образцы отбирали в каждом 2-см слое в двукратной повторности. Заключения о формах передвижения влаги под влиянием температурного градиента делали на основании послойного распределения хлорид-иона.

Основные результаты. Установлены профили влажности высоко увлажненных грунтов при температуре +25°С, сходные с вертикальным распределением влаги в грунтах юга Сибири в летний сезон. В суглинистых и супесчаных вариантах на глубинах 4–12 см отмечено снижение влажности на 1% массы и ее повышение на 1–2% в слое 0–4 см. Это связано с внутригрунтовым испарением влаги и с ее аккумуляцией перед изолирующей пленкой на поверхности колонок. Вертикальное распределение влагосодержания сходно с профилем увлажненных степных суглинистых грунтов на паровых участках при положении грунтовых вод ниже критической глубины. В песчаных вариантах установлено снижение содержания влаги в слое 0–10 см на 1,0–2,5% массы и соответствующее увеличение влажности в нижней части колонок вследствие перемещения части влаги под влиянием силы тяжести. В песчаных колонках появились черты сходства их профиля влажности с аналогичными профилями естественных грунтов с близко расположенными грунтовыми водами. 

В результате охлаждения сверху в колонках установлено передвижение влаги в промерзший слой из нижней части. Наибольший объем миграции отмечен в песчаном грунте: влагосодержание в промерзшей части возросло на 5–10% массы. С утяжелением гранулометрического состава грунтов объем перераспределившейся влаги снижается. Полученные профили влажности аналогичны отрезку профиля влажности естественных грунтов в нижней части зоны намерзания влаги и верхней части зоны подмерзлотного иссушения при залегании грунтовых вод ниже критической глубины.

Установлена однотипность вертикального распределения хлорид-иона в экспериментальных колонках после их охлаждения. Особенностями профильного распределения хлорида явились резкое увеличение его содержания в промерзшем фрагменте и относительно равномерное распределение по талой части профиля. На этом основании полагаем, что в криогенной миграции в высоко увлажненных грунтах (в песчаном с влажностью 9,6 и 13,9%; в супесчаном с влажностью 15,4% и в тяжелосуглинистом с влажностью 19,8%) доминировала жидкая влага. Установление послойного соответствия содержания влаги и хлорид-иона показало, что наибольшая роль жидкой воды в криогенном перераспределении влаги характерна для тяжелосуглинистого грунта.

Заключение. В результате проведенной работы уточнены параметры влажности экспериментальных грунтов, при которых криогенная миграция влаги осуществляется преимущественно в жидком состоянии. В дальнейшем предполагается последовательно снижать исходную влажность грунтов для установления условий, при которых происходит смена преобладающего потока влаги.