ПРОЗРАЧНЫЙ МЕРЗЛЫЙ ГРУНТ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
TRANSPARENT FROZEN SOIL, METHOD OF ITS PRODUCTION AND APPLICATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к прозрачному грунту, в частности к прозрачному мерзлому грунту, способу его получения и применению.
Уровень техники
2
В модельных испытаниях в рамках инженерной геологии исследования закона внутреннего преобразования и механизма грунтовых массивов имеют огромное значение в изучении проблем инженерной геологии. В частности, регионы с вечномерзлым, сезонно-мерзлым и временно мерзлым грунтом на Земле занимают приблизительно 50% суши, причем область распространения вечномерзлого грунта составляет 35000000 км, что примерно равно 2% суши. Мерзлый грунт является грунтовым массивом, чрезвычайно чувствительным к температуре. По мере повышения температуры его прочность явно снижается, а прочность после оттаивания грунтового массива падает в геометрической прогрессии по сравнению с замерзанием. Результаты связанных исследований показали, что холмистые участки абдоминальных зон регионов с вечномерзлым грунтом на Цинхай-Тибетском нагорье и т.п. могут вызывать оползание на уклоне более 3° в процессе оттаивания. Когда мерзлый грунт поверхностного слоя оттаивает из-за повышения температуры окружающей среды в условиях высокой льдистости, сползающий грунтовый массив представляет собой смесь кусков твердой породы и жидкой грязи и легко может привести к тому, что плоскость скольжения будет практически параллельной поверхности откоса. К примеру, в районе между Вудаолян и Тотохе возле мильного столба мильного участка К3035 Цинхай-Тибетского шоссе с углом откоса приблизительно 7° наблюдается местное явление оползания вследствие оттаивания с продольным направлением 95 м и максимальной шириной 72 м. Таким образом, необходимо разработать исследования характеристик оттаивания/оползания и механизма откосов под малым углом.
В документе «Исследование на модельном опыте оползания вследствие оттаивания в районе вечной мерзлоты Цинхай-Тибетского нагорья» (Цзинь Дэу и соавт. Инженерные изыскания, 2006 г., 9: с. 1-6) спроектирована физическая модель (сжата до масштаба 1:10), схожая с геометрией и структурой откоса таящего оползневого массива на мильном участке К3035 Цинхай-Тибетского шоссе; процесс испытания был разделен на несколько этапов обработки ледника и изготовления ледяного слоя, раскатки и получения проб грунта; корректировку и калибровку контрольно-измерительных приборов, изготовление модели масштаба откоса в опытном боксе с погружением приборов; специальный ледяной слой использовался в процессе испытания для контроля температуры, температура была установлена на -1°C, другой слой использовался для контроля температуры грунтового массива; всего было выполнено четыре периодических цикла замораживания/оттаивания, и благодаря предварительно заложенным стандартным датчикам температуры, датчикам смещения и тензометрам можно было измерить поле смещения и поле температуры откоса. Несмотря на то что стандартный способ измерения деформации грунтового массива заключается в установке нескольких датчиков в грунтовый массив и смещении некоторых дискретных точек, датчики легко подвергаются воздействию нарушения внешней среды, результаты измерения зачастую неточны, а поле смещения при непрерывной деформации грунтового массива невозможно представить в полной мере. Современные технологии цифрового изображения предусматривают измерение только макроскопической или предельной деформации грунтового массива и не могут наглядно показать его внутреннюю деформацию; несмотря на то что для измерения непрерывной деформации грунтового массива можно использовать технологии рентгеновского, γ-лучевого, компьютерного томографического сканирования (САТ-сканирование) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), большие расходы ограничивают широкое применение этих технологий.
Управляемое взрывание - это метод взрывания, который предотвращает общие опасности падающих предметов, землетрясения, воздушной ударной волны, дыма, шума и т.д., которые образуются из-за взрыва объекта, который подлежит подрыву с помощью взрывчатки и определенных технических средств, и широко применяется в инженерном строительстве, например направленное взрывание, контурное взрывание, гладкое взрывание, взрывание пробки в породе, миллисекундное управляемое взрывание; взрывание для демонтажа, статическое взрывание, взрывание с заполнением, свободное взрывание, взрывание с использованием горючего вещества и т.д. Направленное взрывание - это метод взрывания, в котором используется взрывное действие взрывчатки для отбрасывания грунта и породы с определенного участка на другой участок и образования определенной формы. Оно преимущественно используется для ремонта дамб (водозадерживающих или хвостовых дамб), дорожно-строительных работ (дорожные насыпи и дорожное полотно) и планировки местности (строительство на землях для промышленной застройки и сельскохозяйственных землях). В частности, оно подходит для рабочих зон с дефицитом рабочей силы, неудобной транспортной развязкой и отсутствием строительных площадок.
В документе 1 «Исследование воронки взрывания мерзлого грунта и модельное испытание взрываемости мерзлого грунта» (Ма Циньюн. Журнал Китайского угольного сообщества, 1997, 22 (3): 288-293) раскрыта программа модельных испытаний с взрыванием воронок в мерзлом глинистом и песчаном грунте при разных температурах; в документе 2 «Предварительное исследование параметров взрывания для проходки шахтного ствола в мерзлом грунте» (Цзун Ци, Ян Луцзюнь, Инженерное взрывание, 1999, 5 (2): 25-29) и документе 3 «Исследование гладкого взрывания в мерзлом грунте шахтного ствола путем моделирования» (Цзянь Юйсун, Журнал Хуайнаньского технологического института, 2001, 21 (4): 31-34) раскрыта программа модельных испытаний взрывания с врубом и гладкого взрывания мерзлого песчаного грунта; а в документе 4 «Исследование путем испытаний и способов взрывания вечномерзлых и искусственно замороженных грунтов» (Ма Циньюн, Журнал гражданского строительства, 2004, 37 (9): 75-78) комплексно представлены исследовательские наработки и достижения испытаний по взрыванию воронок, взрыванию с врубом и гладкому взрыванию мерзлого грунта. Все эти программы модельных испытаний основаны на стандартных средствах испытаний и не могут эффективно достичь особой морфологии излома мерзлого грунта после взрывных испытаний. Несмотря на то что стандартный способ измерения деформации грунтового массива заключается в установке нескольких датчиков в грунтовый массив и смещении некоторых дискретных точек, датчики легко подвергаются воздействию нарушения внешней среды, результаты измерения зачастую неточны, а поле смещения при непрерывной деформации грунтового массива невозможно представить в полной мере. Современные технологии цифрового изображения предусматривают измерение только макроскопической или предельной деформации грунтового массива и не могут наглядно показать его внутреннюю деформацию; несмотря на то что для измерения непрерывной деформации грунтового массива можно использовать технологии рентгеновского, γ-лучевого, компьютерного томографического сканирования (САТ-сканирование) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), большие расходы ограничивают широкое применение этих технологий.
Искусственный синтез прозрачного грунта в сочетании с технологиями оптического наблюдения и обработки изображений используется для того, чтобы наглядно показать внутреннюю деформацию грунтового массива, имеет низкие расходы, прост в эксплуатации и может широко применяться в модельных испытаниях в рамках инженерной геологии для исследования внутреннего закона и механизма грунтового массива, что имеет огромное значение в изучении проблем инженерной геологии. Предпосылкой является получение искусственно синтезированного грунта с высокой прозрачностью и свойствами, схожими с естественным грунтовым массивом. В настоящее время для получения прозрачного грунта применяются различные материалы, и появились некоторые достижения в этой области. Тем не менее, текущие технические данные показывают, что в твердых частицах для получения прозрачного грунта зачастую используются кварц с коэффициентом преломления твердых частиц 1,44-1,46 и боросиликатное стекло с коэффициентом преломления твердых частиц 1,46-1,48, что намного выше коэффициента преломления воды 1,33 и льда 1,31. Таким образом, применение существующих твердых частиц для получения прозрачного грунта не дает возможность создать пробу насыщенного прозрачного мерзлого грунта.
3
Фторсодержащий полимер представлен тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см. Он устойчив к действию высоких и низких температур, химической коррозии, не вязок, не токсичен, не загрязняет окружающую среду, имеет высокую прозрачность и низкий коэффициент преломления, газопроницаемую структуру, гидрофобность и химическую инертность, а по своим свойствам подобен естественному грунтовому массиву. Тефлон AF 1600 можно растворять во фтористых растворителях, преобразовывать в пленку или формовать путем плавкого сжатия. В настоящее время он преимущественно используется в облицовке или пропитке, либо преобразуется в волокна, а готовое жидкое ядро также применяется в различных сферах абсорбции, флуоресценции, рамановском спектральном анализе, датчиках газа и т.д. Фторсодержащий полимер имеет высокую прозрачностью и коэффициент преломления, как у льда, поэтому его можно использовать как прозрачный твердый материал при приготовлении прозрачного мерзлого грунта.
Сущность изобретения
Цель изобретения: для решения технических проблем на предшествующем уровне техники настоящее изобретение предусматривает прозрачный мерзлый грунт, способ его получения и применение таким образом, чтобы готовый прозрачный мерзлый грунт мог имитировать свойства естественной прозрачной мерзлой глины.
3
3
3
Техническое содержание: чтобы достичь вышеуказанной технической цели, данное изобретение предусматривает прозрачный мерзлый грунт, отличающийся тем, что его получают из фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости на этапах приготовления материалов, смешивания, вакуумирования, затвердевания и замораживания, а количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; бесцветная поровая жидкость представлена водой, фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤0,074 мм с неправильной формой и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см, диаметр частиц кубикового льда составляет ≤0,074 мм; физические свойства прозрачного мерзлого грунта следующие: плотность - 1,63-2,1 г/см, удельная масса - 15-20 кН/м и значение степени переуплотнения - 0,8-3; механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 19-22°, связность - 1-3 кПа, модуль упругости - 5-9 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,3.
Для снижения влияния на коэффициент преломления в качестве жидкости используется очищенная вода.
Изобретение также предусматривает способ получения вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта, отличающийся тем, что он включает следующие этапы:
3
(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤0,074 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц ≤0,074 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой;
(2) смешивание: сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0°C до -8,0°C, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;
(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и
(4) затвердевание: проба помещается в плотномер со значением степени переуплотнения 0,8-3; и
3
3
(5) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°C и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенную мерзлую глину, физические свойства которой следующие: плотность - 1,63-2,1 г/см, удельная масса - 16-21 кН/м и значение степени переуплотнения - 0,8-3; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 19-22°, связность - 1-3 кПа, модуль упругости - 5-9 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,3.
На этапе (1) в качестве жидкости используется очищенная вода.
Данное изобретение также предусматривает применение вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта.
Вышеописанное применение включает следующие процессы:
(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели откоса естественного мерзлого грунта выполнены прозрачный опытный бассейн и модель откоса прозрачного мерзлого грунта, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта, причем модель откоса прозрачного мерзлого грунта состоит из прозрачного мерзлого грунта и включает шпуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из прозрачного высокопрочного стекла;
(2) монтаж: модель откоса прозрачного мерзлого грунта загружается в прозрачный опытный бассейн, и в соответствии с планом испытания детонаторы и взрывчатка загружаются в отведенные шпуры; цифровые камеры, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна, и они соединяются с устройством обработки по линиям передачи данных;
(3) испытание: детонаторы и взрывчатка приводятся в действие, процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта для образования искусственного откоса снимается и записывается цифровыми камерами, записанные данные передаются на устройство обработки по линиям передачи данных; и
(4) процесс (1) - процесс (3) повторяются, процессы направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта в условиях разных естественных высот откоса, диаметров шпуров, глубины и количества взрывчатки передаются на устройство обработки, чтобы проанализировать механизм направленного взрывания мерзлого грунта и завершить испытание модели откоса мерзлого грунта направленным взрыванием.
Данное изобретение также предусматривает применение вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.
(1) Моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели мерзлого грунта дорожной насыпи выполнены прозрачный опытный бассейн и модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, которая имитирует модель мерзлого грунта дорожной насыпи, причем модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы и предварительно оснащена датчиками температуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из органического стекла;
(2) монтаж: в криогенной лаборатории модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи загружается в прозрачный опытный бассейн, и источник нагрева помещается на прозрачный опытный бассейн поверх солнечной стороны модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; снаружи прозрачного опытного бассейна одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается лазерным источником, а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается цифровой камерой, причем цифровая камера и датчик температуры соединены с устройством обработки по линиям передачи данных; осевая линия цифровой камеры перпендикулярна осевой линии лазерного источника, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры и лазерного источника находится внутри прозрачного опытного бассейна; и
(3) испытание: включается лазерный источник, проверяется яркость плоскости касания частиц, образованной внутри модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и угол лазера регулируется таким образом, чтобы он падал перпендикулярно на плоскость касания и проходил через центр продольного направления модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; включается цифровая камера, и ее объектив регулируется таким образом, чтобы она могла охватывать солнечную и теневую сторону модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; т.е. лазерный источник освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, освещаемое лазерным источником, записывается цифровой камерой; согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой, а записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных.
Предпочтительно, на этапе (2) на солнечной стороне размещается теплоизоляционный материал, а у ее подножия размещается порог; теплоизоляционный материал представлен слоем щебня, который дополнен частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой, а порог выполнен из органического стекла; на этапе (3) согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой, записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных, и оценивается влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания.
Преимущества: по сравнению с предыдущим уровнем техники, в настоящем изобретении применяется фторсодержащий полимер тефлон AF 1600 с коэффициентом преломления, аналогичным коэффициенту преломления льда, а также кубиковый лед и вода для получения прозрачного мерзлого грунта, причем готовый грунт имеет схожие свойства с естественным мерзлым грунтовым массивом, может по большей части заменять естественный мерзлый грунт, имитирует свойства естественной прозрачной мерзлой глины, эффективно используется в модельных испытаниях в инженерной геологии, включая имитирование направленного взрывания и оползания мерзлого грунта вследствие оттаивания, показывает точные результаты измерения и может наглядно представить внутреннюю деформацию грунтового массива, а кроме того, низкозатратен и прост в эксплуатации.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема испытательного устройства для направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта; и
На фиг. 2 представлена схема испытательного устройства для оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.
Особые варианты осуществления изобретения
Пример 1. Получение прозрачного мерзлого грунта
3
Применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта: он используется в качестве прозрачного твердого материала в получении прозрачного мерзлого грунта, имеет вид частиц диаметром ≤0,074 мм с неправильной формой и представлен тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см.
Способ получения прозрачного мерзлого грунта из вышеуказанного фторсодержащего полимера включает следующие этапы:
3
(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤0,074 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц ≤0,074 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой, а для того чтобы сохранить коэффициент преломления, на этапе (1) по настоящему изобретению эта вода представлена очищенной водой;
количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб;
3
проба по данному примеру обладает содержанием воды 100%, плотностью в сухом состоянии 0,55 г/см и размером пробы (высота 125,0 мм и диаметр 61,8 мм), температура в криогенной лаборатории составляет -6,0°C, масса частиц фторсодержащего полимера (масса частиц = плотность в сухом состоянии × объем пробы), необходимая для приготовления пробы, по расчетам составляет 206,0 г, а общее количество воды (содержание воды 100,0%, масса общего количества воды равна массе частиц) составляет 206,0 г; и так как глина обладает содержанием незамороженной воды примерно 15% при температуре -6,0°C, масса очищенной воды, добавленной в процессе приготовления пробы, должна составлять 30,9 г, а масса кубикового льда - 175,1 г;
(2) смешивание: сначала частицы фторсодержащего полимера и кубиковый лед, определенные на этапе (1), равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0 до -8°C, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;
в примере частицы фторсодержащего полимера и кубиковый лед, определенные на этапе (1), сначала равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре -6,0°C, загружают в форму по 3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем до расчетной относительной плотности; затем в форму добавляют очищенную воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;
(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и
(4) затвердевание: проба помещается в плотномер для затвердевания со значением степени переуплотнения 0,8-3; и
значение степени переуплотнения по примеру составляет 1,5; и
3
3
(5) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°C и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенную мерзлую глину, физические свойства которой следующие: плотность - 1,93 г/см и удельная масса - 19,1 кН/м; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 20°, связность - 3 кПа, модуль упругости - 9 МПа и коэффициент Пуассона - 0,3.
Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенной мерзлой глины.
Пример 2. Получение прозрачного мерзлого грунта
3
Этапы приготовления подобны этапам в примере 1, но разница заключается в том, что на этапе (1) выбраны частицы фторсодержащего полимера плотностью 2,1 г/см;
на этапе (4) значение степени переуплотнения составляет 0,8; и
3
3
физические свойства прозрачного мерзлого грунта, полученного по данному примеру, следующие: плотность - 1,83 г/см и удельная масса - 18 кН/м; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 19°, связность - 1 кПа, модуль упругости - 5,2 МПа и коэффициент Пуассона - 0,22.
Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенной мерзлой глины.
Пример 3. Применение прозрачного мерзлого грунта в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта
Испытательное устройство для направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта включает прозрачный опытный бассейн 1-1, который оснащен моделью откоса прозрачного грунта 1-2, имитирующей естественный откос 1-4; модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 также оснащена шпурами 1-3, в которых находятся взрывчатка и детонаторы; цифровые камеры 1-6, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна 1-1, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна 1-1, и они соединяются с устройством обработки 1-7 по линиям передачи данных; процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 для образования искусственного откоса 1-5 в условиях разных естественных высот откоса 1-4, диаметров шпуров, глубины и количества взрывчатки снимается цифровыми камерами 1-6, а записанные данные передаются на устройство обработки 1-7, чтобы завершить испытание направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта. Прозрачный опытный бассейн 1-1 по настоящему изобретению выполнен из прозрачного высокопрочного стекла.
Модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 по данному изобретению состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы, приготовленной по примерам 1 и 2 в прозрачном опытном бассейне с необходимыми размерами.
Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (в данном изобретении применяется 500 w), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (в данном изобретении применяется 10 мкс).
Способ испытания направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта включает следующие процессы: (1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели откоса естественного прозрачного мерзлого грунта выполнены прозрачный опытный бассейн 1-1 и модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта, причем модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 состоит из прозрачного мерзлого грунта и оснащена шпурами 1-3; а прозрачный опытный бассейн 1-1 выполнен из прозрачного высокопрочного стекла; и сначала согласно требованиям к испытаниям изготавливается форма, имитирующая модель естественного откоса, а количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам формы; в настоящем примере используются условия примера 1 для получения прозрачного мерзлого грунта, и выполняется модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта;
(2) монтаж: модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 загружается в прозрачный опытный бассейн 1-1, и в соответствии с планом испытания детонаторы и взрывчатка загружаются в отведенные шпуры 1-3, а количество взрывчатки определяется по плану испытания; цифровые камеры 1-6, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна 1-1, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна 1-1, и они соединяются с устройством обработки 1-7 по линиям передачи данных; и
цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 500 w, выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс;
(3) испытание: детонаторы и взрывчатка приводятся в действие, процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 для образования искусственного откоса снимается и записывается цифровыми камерами 1-6, а записанные данные передаются на устройство обработки 1-7 по линии передачи данных; и для обработки данных изображения, полученных цифровыми камерами 1-6, в испытании применяется технология PIV (анемометрия по изображениям частиц) наряду с программным обеспечением для обработки изображений PIVview2C; и
(4) процесс (1) - процесс (3) повторяются, процессы направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 в условиях разных естественных высот откоса 1-4, диаметров шпуров 1-3, глубины и количества взрывчатки передаются на устройство обработки 1-7, чтобы проанализировать механизм направленного взрывания мерзлого грунта и завершить испытание модели откоса мерзлого грунта 1-2 направленным взрыванием.
Пример 4. Применение прозрачного мерзлого грунта в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания. Испытательное устройство для оползания мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания включает криогенную лабораторию 2-1, которая оснащена прозрачным опытным бассейном 2-5, в свою очередь оснащенным моделью прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, имитирующей дорожную насыпь 2-9; модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 предварительно оснащена датчиком температуры 2-12, а на солнечной стороне дорожной насыпи 2-9 размещается источник нагрева 2-6, установленный на прозрачном опытном бассейне 2-5; на солнечной стороне 2-7 размещается теплоизоляционный материал 2-11, а у ее подножия размещается порог 2-10; снаружи прозрачного опытного бассейна 2-5 одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается лазерным источником 2-2 (находится в одной части теневой стороны 2-8 в примере), а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается цифровой камерой 2-3, причем цифровая камера 2-3 и датчик температуры 2-12 соединены с устройством обработки 2-4 по линии передачи данных; осевая линия цифровой камеры 2-3 перпендикулярна осевой линии лазерного источника 2-2, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры 2-3 и лазерного источника 2-2 находится внутри прозрачного опытного бассейна 2-5; лазерный источник 2-2 освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, освещаемое лазерным источником 2-2, записывается цифровой камерой 2-3.
Модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 по настоящему изобретению выполнена из прозрачного мерзлого грунта, количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и очищенной воды рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб в форме, а модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 подготавливают в форме, применяя способ получения прозрачного мерзлого грунта по примеру 2.
Когда углы наклона солнечной стороны 2-7 и теневой стороны 2-8 превышают 4-9°, существует вероятность возникновения оползания вследствие оттаивания. Угол наклона солнечной стороны 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, полученной по примеру, составляет 31°, а угол наклона теневой стороны 2-8 - 36°.
Прозрачный опытный бассейн 2-5 и порог 2-10 по настоящему изобретению выполнены из органического стекла; а теплоизоляционный материал 2-11 - это слой щебня, дополненный частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой.
Источник нагрева 2-6 по настоящему изобретению - это линейный провод теплового сопротивления, а максимальная температура возле провода сопротивления может достигать 25-28°C.
Лазерный источник 2-2 по данному изобретению - это внутрирезонаторное гелий-неоновое лазерное устройство, мощность которого может составлять 50-500 мВт (500 мВт в данном примере).
Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (500 w в данном примере), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (10 мкс в данном примере).
В частности, способ испытания оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания включает следующие процессы:
(1) моделирование: прозрачный опытный бассейн 2-5 и модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-3, имитирующая модель мерзлого грунта дорожной насыпи, выполнены согласно требованиям к испытаниям и размерам модели мерзлого грунта дорожной насыпи; модель мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы и предварительно оснащена датчиком температуры 2-12; прозрачный опытный бассейн 2-5 выполнен из органического стекла;
(2) монтаж: в криогенной лаборатории 2-1 модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 загружается в прозрачный опытный бассейн 2-5, и источник нагрева 2-6 помещается на прозрачный опытный бассейн 2-5 поверх солнечной стороны 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; снаружи прозрачного опытного бассейна 2-5 одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается лазерным источником 2-2 (находится в одной части теневой стороны 2-8 в примере), а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается цифровой камерой 2-3, причем цифровая камера 2-3 и датчик температуры 2-12 соединены с устройством обработки 2-4; осевая линия цифровой камеры 2-3 перпендикулярна осевой линии лазерного источника 2-2, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры 2-3 и лазерного источника 2-2 находится внутри прозрачного опытного бассейна 2-5; и
источник нагрева 2-6 по настоящему изобретению - это линейный провод теплового сопротивления, а максимальная температура возле провода сопротивления может достигать 25-28°C.
Лазерный источник 2-2 по данному изобретению - это внутрирезонаторное гелий-неоновое лазерное устройство, мощность которого может составлять 50-500 мВт (500 мВт в данном примере). Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (500 w в данном примере), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (10 мкс в данном примере);
(3) испытание: включается лазерный источник 2-2, проверяется яркость плоскости касания частиц, образованной внутри модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и угол лазера регулируется таким образом, чтобы он падал перпендикулярно на плоскость касания и проходил через центр продольного направления модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; включается цифровая камера 2-3, и ее объектив регулируется таким образом, чтобы она могла охватывать солнечную 2-7 и теневую 2-8 сторону модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; т.е. лазерный источник 2-2 освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, освещаемое лазерным источником, записывается цифровой камерой 2-3; согласно плану опыта источник нагрева 2-6 периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой 2-3, а записанные данные передаются на устройство обработки 2-4 по линии передачи данных.
Для обработки данных изображения, полученных цифровыми камерами 1-6, в испытании применяется технология PIV (анемометрия по изображениям частиц) наряду с программным обеспечением для обработки изображений PIVview2C; и чтобы оценить влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания, на солнечной стороне размещается теплоизоляционный материал 2-11, а у ее подножия размещается порог 2-10; теплоизоляционный материал 2-11 представлен слоем щебня, который дополнен частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой (слой щебня, дополненный частицами фторсодержащего полимера толщиной 10 мм в примере), а порог выполнен из органического стекла; на этапе (3) согласно плану опыта источник нагрева 2-6 периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой 2-3, записанные данные передаются на устройство обработки 2-4 по линии передачи данных, и оценивается влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания.