Механические особенности уплотнения

Механические особенности уплотнения

Благодаря способу, изложенному во введении, проблема уплотнения снега на Гренландском ледяном щите была представлена как проводящийся в огромных масштабах эксперимент по спеканию зернистого вещества. Этот эксперимент идет всегда, все время прогрессирует, и мы считаем, что он протекает при некоторой постоянной температуре и с неизменной скоростью движения снега под действием вертикального градиента давлений, т. е. полагаем, что процесс проходит в статических условиях. При этих «экспериментальных условиях» выведена простая взаимосвязь между пористостью снега и приложенной к нему нагрузкой, которая хорошо согласуется с данными натурных наблюдений! Таким образом, наблюдаемое соотношение между глубиной снега и его плотностью можно выразить в виде достаточно простого уравнения. Преобразования, которые происходят в снегу при его уплотнении, до настоящего времени не рассматривались. Здесь мы рассмотрим эти преобразования и попытаемся выделить главные из них.

Прежде чем приступить к рассмотрению способов уплотнения снега, следует обратить внимание на основную особенность, а именно изменение скорости процесса уплотнения при достижении величин плотности, близких к критической. Это изменение имеет место в любом случае независимо от степени увлажнения снега.

С полным основанием мы можем ожидать, что с этим будут связаны изменения в основном способе, при помощи которого происходит уплотнение. Как только величина плотности становится больше критической, скорость уплотнения уменьшается, естественно, что в этом случае мы должны обнаружить уменьшение эффективности или полное исчезновение одного или нескольких механизмов уплотнения снега.

Можно насчитать по меньшей мере семь способов транспортировки вещества внутри снежной толщи, которые могут привести к общему уплотнению снега:

1) таяние с последующим замораживанием талой воды;

2) структурное уплотнение (за счет более плотной упаковки зерен);

3) испарение и конденсация (могут иметь место и при отсутствии в снегу жидкой фазы; в этом случае процесс называется сублимацией);

4) поверхностная (на границах зерен) диффузия молекул;

5) объемная диффузия молекул;

6) пластическое течение;

7) вязкое течение.

Если в снегу обнаружили один из этих процессов, то это ни в коей мере не означает, что в нем не могут действовать и другие: наличие одного не исключает возможности существования и другого (или других); часто они действуют одновременно. Однако по своей эффективности они не равнозначны, и на определенных стадиях развития диагенеза некоторые из них могут полностью отсутствовать. Наиболее ясно это можно видеть на примере пункта 1: при температурах ниже 0° С таяния не наблюдается. Как видно, отсутствие талой воды во время диагенеза уменьшает скорость общего уплотнения более чем в 2 раза. Другой пример структурное уплотнение. Перемещение кристаллов относительно друг друга и более компактная упаковка их увеличивает плотность снега, однако до известного предела, который невозможно превзойти, не вызвав при этом деформации или разрушения снега.

Уплотнение снега, плотность которого меньше критической. На первой стадии процесса увеличение плотности снега в основном происходит за счет структурного уплотнения, действие которого усиливается механическим перемещением зерен, вызванным другими причинами. Для простоты мы сначала рассмотрим случай, когда таяния не наблюдается. Попытаемся выяснить, до какой величины может возрасти плотность под действием только структурного уплотнения. Если сделать допущение, что снег состоит из однородных сферических зерен, то в этом случае теоретические пределы будут следующими:

1) при кубическом расположении зерен или рыхлой укладке -47,64%;

2) при ромбоэдрическом расположении зерен или плотной укладке — 25,95%.

Эти величины получены теоретически, и подтвердить их экспериментальными данными пока не удалось. Разумеется, при этом неоднократно было наглядно доказано, что «…пористость массы, состоящей из частиц сферической формы или даже песка, в любом случае будет около 40%, несмотря на осторожные попытки стимулировать уплотнение и даже в тех случаях, когда взаимное расположение частиц главным образом ромбоэдрическое, при котором теоретически пористость должна быть всего 26%».

Если средняя пористость равна 40%, то плотность снега составит 0,55 г/см3. Минимальная пористость, которую удалось получить при экспериментах, была 36-37%; при этом частицы подвергались одновременно воздействию давления (поршнем) и вибрации. Это соответствует плотности снега около 0,58 г/см3 и хорошо согласуется с данными о максимальных плотностях снега, полученных в лаборатории. По отношению к теоретическим пределам уплотнения эта величина лежит между двумя значениями, определенными для уплотняющейся массы, состоящей из однородных шариков. Достижение критической пористости следует рассматривать как прекращение беспорядочного уплотнения частиц.

Было предложено считать критическую пористость (или критическую плотность) пределом, после которого эффективное уплотнение кристаллов уже невозможно. Действительно, когда плотность снега достигает критического значения, скорость уплотнения уменьшается в 4 раза; при этом увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения величины и формы кристаллов, которые под действием давления начинают срастаться.

Все вышеизложенное относится к сухому снегу. Если в снеге есть свободная вода, то такой снег может приобрести большую плотность, чем сухой. Это объясняется тем, что вода, заполняющая пространство между зернами льда, как бы смазывает их и способствует их перемещению при уплотнении; кроме того, поверхностное натяжение воды стремится притянуть зерна друг к другу. Можно видеть результат воздействия влаги, содержащейся в снегу: увеличивается скорость уплотнения и растет величина критической плотности. Таким образом, представляется вполне возможным отнести все то, что было сказано выше о сухом снеге, и к мокрому.

Критическая плотность характеризует не только переход снега (или фирна) в ледниковый лед, но и другие важные качественные изменения свойств снега. Когда плотность становится равной критической, это свидетельствует о том, что в материале произошли структурные изменения, в то время как превращение снега (фирна) в лед—процесс медленный и, по определению, возникает он лишь в тот момент, когда воздухопроницаемость снега становится равной нулю. Поскольку критическая плотность свидетельствует о происшедших структурных изменениях, она должна сказываться и на других физических свойствах материала. Разумеется, при достижении критической плотности происходит быстрое изменение механических свойств снега; если изменения различных физических свойств снега нанести на график в логарифмических координатах, то, как видно из, характерные перегибы кривых, показывающие наиболее резкие изменения параметров, будут во всех случаях соответствовать величине плотности приблизительно 0,55 г/см3.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.