ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ГИДРОСМЕСЕЙ
Практика современной разработки суглинистых грунтов отмечает особую роль глинистой примеси при гидротранспортировании. Установлено, то наличие этой примеси в песчаном грунте в определенной пропорции значительно улучшает условия гидротранспорта. Например, песчано-глинистую смесь можно передать на значительно большее расстояние, чем песчаную (без примеси глины), теми же транспортирующими средствами по трубам того же диаметра.
Глина в смеси с водой, во-первых, «глинизирует» стенки трубопровода, т. е. уменьшает их шероховатость, во-вторых, благодаря своим коллоидным свойствам создает среду, в которой песчаные частички легче переносятся потоком, а осаждение их происходит при меньших скоростях, чем при движении в водно-песчаной смеси. Кроме того, глинистые частицы сглаживают турбулентные пульсации в потоке гидросмеси.
Таким образом, наличие глины в гидросмеси придает потоку особые характеристики, причем некоторое количество глины в песчаной гидросмеси способствует снижению гидравлических потерь и уменьшению критической скорости.
При движении структурных жидкостей по трубам с шероховатыми стенками вблизи стенок создается тонкий неподвижный слой жидкости. О толщине этого слоя можно судить, в частности, по следующим наблюдениям: пропуская такую жидкость (например, глинистый раствор) по прозрачным (из стекла или плексигласа) трубам с небольшими остроконечными выступами на внутренней поверхности, замечаем, что при малых скоростях движения выступы остаются в неподвижном слое. При увеличении скорости наиболее высокие выступы начинают обтекаться водой и за ними образуются характерные вихревые дорожки. При еще больших скоростях и более мелкие выступы попадают в область движущейся жидкости с хорошо заметным шлейфом обтекания.
Исследования движения песчано-глинистых гидросмесей по трубам (в том числе и по прозрачным) также подтверждают наличие неподвижного слоя у стенок трубы. При достаточно высоком содержании глины в смеси и при малых скоростях движения гидросмеси в трубах этот слой не пробивается движущимися в потоке песчинками, так как глинистый раствор вследствие высокой вязкости гасит вертикальные (радиальные) перемещения твердых частиц, т. е. глинистый раствор сглаживает (спрямляет) траектории песчинок.
При больших скоростях движения гидросмеси через прозрачные стенки трубопровода можно видеть спародические касания или удары песчинок о стенки.
Учитывая, что в результате малого касания песчинок о стенки труб износ их уменьшается, рекомендуется по возможности транспортировать совместно песчаные и глинистые грунты. Например, при вскрышных работах где часто встречаются песчаные и глинистые прослойки, следует разрабатывать их совместно и транспортировать в виде песчано-глинистой гидросмеси.
Условия удерживания во взвешенном состоянии и переноса твердых, достаточно крупных частиц потоками мелкодисперсных суспензии или жидкостями, образующими «структуру», т. е. обладающими тиксотропными свойствами, необходимо рассмотреть применительно к следующим состояниям или режимам движения таких жидкостей: состояние покоя или наличие твердых частиц в ядре течения; ламинарный режим движения структурной жидкости; переходный и турбулентный режимы движения структурной жидкости.
Взвешивающая способность структурных сред, находящихся в потоке. Под взвешивающей способностью структурной жидкости следует понимать способность жидкости удерживать во взвешенном состоянии твердые частицы значительно большей крупности, чем частицы, входящие в состав взвешивающей среды.
Взвешивающая способность зависит от прочности структуры взвешивающей среды, которая, в свою очередь, обусловливается природой, степенью дисперсности и концентрацией вещества, придающего структурные свойства жидкости.
Взвешивающая способность дисперсоида оценивается наибольшей (критической) крупностью и количеством частиц, которые могут удерживаться данной средой во взвешенном состоянии.
Критическим размером частиц следует считать предельно большой размер индивидуальной частицы, которая предельно удерживается во взвешенном состоянии (при данных характеристиках взвешивающей среды); об относительном количестве частиц, находящихся одновременно во взвешенном состоянии, можно говорить только в том случае, если крупность таких частиц меньше критической.
Критический размер частицы (принимая ее условно цилиндрической, высота которой равна диаметру) можно определить из условия предельного равновесия такой частицы во взвешивающей среде: способности данной гидросмеси по отношению к транспортируемому материалу.
Если в данную гидросмесь ввести какое-то количество крупных включений, превышающее транспортирующую способность гидросмеси, то крупные включения осядут на дно, причем в потоке останется вполне определенное количество крупных включений, соответствующее транспортирующей способности данной суспензии в условиях данного русла с учетом слоя выпавших крупных включений.
Для определения взвешивающей способности суспензий, находящихся в покое, применяют суспензиометры. Суспензиометр состоит из цилиндра, который при необходимости может быть разделен по высоте на две части вдвигающейся в горизонтальной плоскости заслонкой. Этот прибор позволяет определить предельную нагрузку крупных включений, равномерно распределяемых в массе суспензии или засыпаемых на свободную поверхность суспензии, и критический размер крупных включений.
Перенос крупных включений в ламинарном потоке структурной жидкости. Вопрос о переносе твердой частицы в ламинарном потоке однородной жидкости представляет собой сложную математическую задачу. Решение этой задачи дано акад. С. А. Христиановичем. Для плоского движения исходное уравнение имеет вид
Что касается массового взвешивания твердого материала, то можно сказать, что чем больше твердых частиц данной крупности d находится во взвешенном состоянии в единице объема суспензии, тем выше ее взвешивающая способность. В том случае, когда требуется перенос крупных частиц в мелкодисперсной среде, эта характеристика взвешивающей способности является наиболее важной.
Во всех этих и подобных им случаях переносимый зернистый или кусковой материал в потоке гидросмеси будем называть твердым компонентом, который является крупным включением в жидкой среде с мелкодиспергиро- ванньш тем или иным материалом. Таким образом, предельное количество крупных включений в единице объема гидросмеси, при котором включения еще не оседают на дно, характеризует взвешивающую и транспортирующую
Задача о переносе крупных включений в ламинарном потоке структурной жидкости осложняется наличием дополнительной характеристики этой жидкости — напряжением начальному сдвигу и необходимостью учета разности скоростей над переносимым включением и под ним. Эта разность скоростей, т. е. особенность обтекания твердого включения жидкостью, обусловливает дополнительную составляющую подъемной силы, действующей на крупное включение и обеспечивающей перенос данного крупного включения (твердой частицы) во взвешенном состоянии.
Перенос крупных включений в турбулентном потоке структурной жидкости. При вполне развитой турбулентности в потоке структурной жидкости достигается полное разрушение структуры. Причем жидкость представляет собой совокупность вихревых масс различных размеров: от соизмеримых с поперечными размерами потока до самых малых вихрей, энергия которых гасится силой трения, обусловленной вязкостью жидкости. Энергия этих малых вихрей переходит в- теплоту.
В таких потоках большое влияние на процесс переноса во взвешенном состоянии оказывают крупные вихри, размер которых значительно больше размера переносимых частиц.
Сама жидкость теряет характерные для структурной жидкости свойства и ведет себя как однородная жидкость с большей плотностью, чем жидкая составляющая данной гидросмеси.