Введение
Циклическое промерзание и оттаивание грунтов представляет собой один из наиболее распространенных природных процессов в холодных и умеренных климатических зонах. Его влияние не сводится к объемному расширению воды при кристаллизации. При движении фронта промерзания возникают температурные градиенты, меняется химический потенциал поровой воды, развивается криогенное всасывание и происходит перераспределение влаги. В результате после оттаивания грунт может существенно отличаться от исходного по строению порового пространства, плотности, водопроницаемости и механическим свойствам [3–6]. Для дисперсных грунтов особенно важна роль гранулометрического и минералогического состава. Чем выше доля пылеватых и глинистых частиц, тем заметнее вклад связанной и незамерзшей воды, а также миграции влаги к фронту замерзания. Однако знак и величина изменения свойств не являются однозначными: рыхлые и плотные грунты, закрытые и открытые системы, водонасыщенные и ненасыщенные образцы реагируют на одинаковое число циклов по-разному [5; 7; 8]. Именно поэтому перенос результатов отдельного лабораторного эксперимента на природный массив требует осторожности. Актуальность темы усиливается тем, что сезонная динамика температуры грунта меняется вместе с продолжительностью снежного покрова, количеством переходов температуры через 0 °C и режимом увлажнения. В инженерной геологии это влияет на оценку оснований дорог, площадочных сооружений и других объектов, работающих в зоне сезонного промерзания. ГОСТ 25100-2020 выделяет мерзлые грунты как самостоятельный класс и связывает их состояние с наличием льда и отрицательной температурой [1]. При проектировании оснований в районах распространения многолетнемерзлых грунтов дополнительно учитываются температурное состояние и возможность изменения свойств при оттаивании [2]. Цель работы – обобщить закономерности изменения структуры и водно-физических свойств дисперсных грунтов под действием повторных циклов замораживания–оттаивания. Для достижения цели решались задачи: сопоставить применяемые в публикациях условия циклирования; выделить показатели, наиболее чувствительные к фазовым переходам воды; определить общие и зависящие от условий тенденции изменения пористости, влажности и фильтрационных свойств; обозначить ограничения лабораторного моделирования.
Материалы и методы
Работа выполнена как обзорно-аналитическое исследование. В качестве материала использованы нормативные документы по классификации и расчетному учету мерзлых грунтов [1; 2], классические и современные рецензируемые публикации по физике промерзания, структурным перестройкам и изменению свойств глинистых и пылеватых грунтов [3–10]. При отборе источников учитывались наличие контролируемых циклов замораживания–оттаивания, описание исходного состояния грунта и фиксация хотя бы одного водно-физического или структурного показателя. Работы, посвященные только морозному пучению без анализа состояния грунта после оттаивания, рассматривались как вспомогательные. Сопоставление исследований проводилось по четырем группам факторов: 1) тип и исходная структура грунта; 2) влажность и степень водонасыщения; 3) температурный режим и число циклов; 4) условия водообмена. Такой подход необходим, поскольку одинаковое число циклов при разных минимальных температурах и скоростях охлаждения не является эквивалентным воздействием. Обзор Henry [3] показывает, что чрезмерные температурные амплитуды и быстрые лабораторные переходы могут снижать природную репрезентативность эксперимента. В таблице 1 приведены параметры, определяющие результат лабораторного циклирования. Таблица 1 – Параметры, определяющие результат лабораторного циклирования Фактор Физический смысл Ожидаемое влияние Исходная плотность Определяет резерв для уплотнения или разуплотнения Рыхлые и плотные образцы могут менять объем в противоположных направлениях Влажность / насыщение Определяет количество воды, способной к фазовому переходу При высокой влажности сильнее проявляются миграция воды и структурная перестройка Минимальная температура Задает долю замерзшей воды и интенсивность температурного градиента Более низкая температура обычно усиливает криогенное воздействие Условия водообмена Открытая система допускает приток воды, закрытая – нет Приток воды повышает вероятность сегрегационного льдообразования Число циклов Характеризует накопленное воздействие Наиболее быстрые изменения часто наблюдаются в первые циклы Примечание. Составлено автором на основе [3–8].
Для сопоставления влажностного состояния использовалась массовая влажность w, определяемая отношением массы воды к массе сухого грунта. В общем виде показатель записывается как: w = (m_w )/(m_d ) · 100 % , где m_w – масса воды в пробе; m_d – масса сухого грунта. Для описания порового пространства использовались пористость n и коэффициент пористости e. При известной плотности частиц ρs и сухой плотности ρd коэффициент пористости может быть выражен зависимостью: e = (ρ_s )/(ρ_d ) - 1 . Для количественного сравнения изменения любого показателя X после N циклов применима относительная величина изменения: Δ X_N = ((X_N - X_0 )/(X_0 )) · 100% , где X0 – исходное значение, XN – значение после N циклов. В настоящей работе эта формула используется как единая схема интерпретации опубликованных данных, а не для формирования искусственно объединенной выборки: различия методик не позволяют корректно рассчитывать единую метааналитическую оценку без доступа к первичным данным.
Результаты
Сопоставление публикаций показывает, что повторное замораживание–оттаивание следует рассматривать не как простой процесс разрушения, а как структурную перестройку. При замерзании часть поровой воды превращается в лед, а незамерзшая вода мигрирует в направлении зоны с более низким потенциалом. Ледяные включения создают локальные напряжения и раздвигают частицы; при оттаивании сформированная структура частично оседает. Одновременно возможны агрегация тонких частиц и изменение контактов между агрегатами. Поэтому итоговая структура определяется конкуренцией разуплотнения, уплотнения и переупаковки частиц [4; 6]. Для глинистых грунтов характерна выраженная зависимость результата от исходного состояния. Konrad J.-M. [5] показал, что после циклов общий коэффициент пористости талого пылевато-глинистого грунта мог как возрастать, так и уменьшаться в зависимости от степени переуплотнения, при этом эффективная пористость возрастала, а вертикальная гидравлическая проводимость после оттаивания увеличивалась. Fan и соавт. [7] также выявили неоднородное изменение влажности, сухой плотности и коэффициента пористости по высоте водонасыщенного глинистого образца. Это подтверждает, что использование только среднего значения по всему образцу может скрывать локальные зоны структурной перестройки. Повторность воздействия имеет нелинейный характер. В экспериментальных работах с глинами наиболее заметная часть изменений физико-механических показателей происходит в начальные циклы, затем темп изменения снижается [6]. Подобное поведение согласуется с представлением о переходе системы к структуре, более устойчивой к заданному режиму циклирования. Однако «стабилизация» не означает возвращение к исходному состоянию: новое равновесие может характеризоваться иной системой пор и другими фильтрационными путями. Водно-физические свойства наиболее тесно связаны с изменением распределения пор по размерам. Развитие трещин и расширение части макропор после оттаивания способно повышать водопроницаемость; с другой стороны, уплотнение отдельных зон и переориентация глинистых агрегатов могут локально снижать ее. Современные обзоры механических свойств мерзлых грунтов указывают на растущее значение методов компьютерной томографии, ЯМР, электронной микроскопии и ртутной порометрии, позволяющих связывать макроскопический отклик с эволюцией микроструктуры [9]. Таблица 2 – Обобщенные изменения свойств дисперсных грунтов после циклов замораживания–оттаивания Показатель Типичная тенденция Ключевые оговорки Плотность сухого грунта Может уменьшаться или возрастать Зависит от исходной плотности, нагрузки и дренирования Коэффициент пористости Перераспределяется; знак среднего изменения неоднозначен Необходимо учитывать распределение по высоте и размер пор Гидравлическая проводимость Часто возрастает после оттаивания Эффект сильнее при формировании связных макропор и трещин Влажность Перераспределяется внутри образца При открытой системе возможен дополнительный приток воды Структурная устойчивость В первые циклы обычно снижается или перестраивается В последующих циклах возможен выход на квазистационарный режим Примечание. Таблица отражает качественные тенденции и не является универсальной расчетной зависимостью; составлено по [3–9]. Анализ методик выявляет существенное ограничение сравнимости данных. В публикациях используются разные диапазоны температур, длительности фаз, размеры образцов и критерии завершения замораживания. Быстрое охлаждение небольшого лабораторного образца способно создавать температурные градиенты, которые отличаются от естественного промерзания массива. Кроме того, закрытая система исключает внешний источник воды, тогда как в природном грунте миграция из нижележащих горизонтов может быть принципиально важной [3; 5]. Поэтому число циклов само по себе не может служить достаточной характеристикой криогенного воздействия. Для инженерно-геологической интерпретации наиболее надежным является совместный анализ температуры, влажности, плотности и изменения порового пространства. Если после циклирования фиксируется увеличение водопроницаемости при небольшом изменении средней пористости, это может указывать не на отсутствие структурной трансформации, а на перераспределение пор и формирование более связной сети крупных каналов. Аналогично одинаковое среднее влагосодержание не исключает сильного внутрипрофильного перераспределения воды. Такие эффекты особенно важны для тонкодисперсных грунтов, где доля незамерзшей воды сохраняется и при отрицательной температуре. В природных условиях действие замораживания–оттаивания сочетается с нагрузкой, фильтрацией, засолением и сезонным высыханием. Поэтому лабораторные результаты следует использовать как механизм-ориентированную основу, а не как прямой коэффициент пересчета свойств основания. Для практических исследований целесообразно задавать температурные режимы по данным наблюдений на конкретной площадке и фиксировать не только начальное и конечное состояние, но и пространственное распределение температуры и влажности в ходе цикла.
Заключение
Циклы замораживания–оттаивания вызывают комплексную перестройку дисперсных грунтов, включающую фазовые превращения поровой воды, миграцию влаги, изменение контактов между частицами и перераспределение пор. Эти процессы определяют последующее состояние грунта после оттаивания и могут существенно менять его водно-физические свойства. Обобщение опубликованных данных показывает, что универсального направления изменения плотности и пористости не существует. Результат задается исходной структурой, влажностью, степенью водонасыщения, температурной амплитудой, внешней нагрузкой и возможностью притока воды. При этом увеличение гидравлической проводимости после циклирования встречается достаточно часто и связано прежде всего с перестройкой сети эффективных пор и развитием трещиноватости. Наиболее интенсивные изменения во многих экспериментах приходятся на первые циклы, после чего темп трансформации снижается. Это позволяет говорить о формировании нового квазистационарного состояния, но не о восстановлении исходной структуры. Для корректной оценки необходимо рассматривать не только средние значения влажности или пористости, но и их пространственное распределение. Перспективным направлением является сочетание традиционных физических испытаний с компьютерной томографией, ЯМР и другими методами визуализации порового пространства. Такой подход позволяет связать макроскопические изменения водопроницаемости и деформируемости с конкретными микроструктурными механизмами и повысить надежность прогноза поведения сезонно промерзающих грунтов.