СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
METHOD FOR DETERMINING THE AMOUNT OF UNFROZEN WATER IN FROZEN SOILS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях и проектировании зданий и сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов.
Известен способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, основанный на измерении теплового эффекта при оттаивании образцов мерзлого грунта в калорифере [1]. Недостатками способа являются необходимость определения множества промежуточных параметров, значительная трудоемкость при измерении и обработке результатов.
Известен также способ [2], который позволяет определять количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах по температурам оттаивания предварительно замороженных образцов одного и того же грунта с различной исходной влажностью. Недостатком способа является низкая производительность.
Известен также способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах в течение одного эксперимента, основанный на измерении количества тепла, идущего на нагрев оттаивающего образца и плавление льда [3]. Недостатком способа является необходимость определения большого числа исходных параметров грунта (объем образца, влажность, теплофизические свойства) до начала эксперимента, что снижает точность определения количества незамерзшей воды, значительные затраты времени на вычислительные операции ввиду сложности расчетной формулы, а также необходимость иметь специальное устройство для измерения теплового потока.
Наиболее близким техническим решением является «Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах» [4], основанный на непрерывном измерении температуры образца при оттаивании с последующим определением количества незамерзшей воды по результатам измерений одного эксперимента.
Недостатком способа является низкая точность измерений, связанная с наличием неравновесного теплообмена в процессе измерения, приводящим к неточному измерению температуры, узкая область применения, связанная с невозможностью определения параметров водонасыщенных мерзлых грунтов, сложность графических представлений и расчетов количества незамерзшей воды.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения, получение возможности определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах по водонасыщенным образцам, упрощение расчетов количества незамерзшей воды.
Технический результат достигается тем, что способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий оттаивание мерзлого грунта до температуры ниже установленной температуры начала его оттаивания, одновременную регистрацию температуры образца и времени, построение графика изменения во времени логарифма избыточной температуры, определяемой как разность между температурой образца и температурой среды, фиксирование по построенному графику времени и температуры начала оттаивания, построение графика изменения температуры образца во времени, по которому определяют время и температуру окончания оттаивания и расчет искомого количества незамерзшей воды из соотношения
где τ - текущая координата времени, соответствующая температуре образца;
н
τ - момент времени начала оттаивания фазовых переходов в образце мерзлого грунта;
от
τ - момент времени полного оттаивания образца мерзлого грунта;
e
w - естественная влажность образца мерзлого грунта;
м,г
w - максимальная гигроскопическая влажность образца мерзлого грунта,
характеризуется тем, что образец мерзлого грунта помещают в металлический сосуд с дном, после оттаивания насыщают водой до полного заполнения пор и измеряют начальную высоту образца, оттаявший образец грунта замораживают ступенчато-возрастающей отрицательной температурой с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образца, а на каждой ступени температуры снимают показания индикатора деформации.
Индикатор деформации можно применять часового типа. Указанный индикатор позволяет достигнуть высокой точности при простоте обслуживания.
После получения результатов проведенного эксперимента можно определить массу грунта, массу и объем минеральных частиц, по которым рассчитывают влажность и плотность минеральных частиц образца грунта.
По полученным значениям приращения показаний индикатора деформации и физических характеристик образца можно определить влажность образца грунта по незамерзшей воде на каждой ступени температуры из соотношения:
s
w
i
Где ρ, ρ и ρ - плотность минеральных частиц в образце грунта, воды и льда;
- влажность образца водонасыщенного грунта;
d
m и m - масса образца грунта и минеральных частиц;
F - площадь поперечного сечения образца;
h - начальная высота образца;
с - цена деления индикатора деформации часового типа;
Δn - приращение показаний индикатора.
Можно при необходимости построить график зависимости количества незамерзшей воды в образце грунта от температуры. Указанный график можно использовать при дальнейших расчетах, например, деформационных характеристик грунта для расчетов фундаментов сооружений.
Устройство измерения деформации с часовым индикатором схематически показано на фиг. 1 (разрез), где:
1 - станина;
2 - стойка;
3 - устройство для крепления индикатора;
4 - индикатор;
5 - металлический стакан;
6 - металлическая пластина;
7 - образец грунта.
Устройство действует следующим образом. Установка состоит из станины 1 со стойкой 2, устройства 3 для крепления индикатора перемещений часового типа 4, металлического стакана 5, в который помещается образец грунта 7, накрываемый металлической пластиной 6.
Расчетная формула (1) получена из уравнения взаимосвязи показателей физических свойств грунтов [5].
a
w
где V и V - объем воздуха и грунта; w - влажность грунта по незамерзшей воде.
При полном заполнении пор грунта водой . В этом случае из (1) получаем выражение влажности грунта по незамерзшей воде:
i
Заменив , где F - площадь поперечного сечения образца; h и h - начальная и текущая высота образца; с - цена деления индикатора деформации и Δn - приращение показаний индикатора, получаем расчетную формулу влажности мерзлого грунта по незамерзшей воде:
w
Для определения w по формуле (4) образец мерзлого грунта обрабатывают и помещают в стакан 5, затем оттаивают и на основании известного положения [6] о том, что количество незамерзшей воды не зависит от влажности грунта, насыщают водой путем заливки воды в стакан, измеряют начальную высоту подготовленного образца. После этого всю установку с образцом помещают в холодильную камеру, в которой температуру понижают ступенями с выдержкой до прекращения деформации образца. На каждой ступени температуры фиксируют показания индикатора 4. Ступени температуры задают исходя из общих закономерностей фазовых переходов воды в грунтах. По мере понижения температуры количество незамерзшей воды уменьшается в разных грунтах с различной интенсивностью [6]. В области интенсивных фазовых переходов от 0 до минус 2,5°С ступень принимается, равной 0,5°С, в области средней интенсивности от минус 2,5 до 4,5°С - 1,0°С и при температурах ниже 4,5-2,0°С.
По данным физических характеристик образца грунта можно найти максимальное значение приращения показаний индикатора деформации в конце эксперимента, что дает возможность оценить приемлемость способа.
w
Когда вся вода в образце практически замерзает w=0 и, приняв во внимание, что , из формулы (4) найдем максимальное значение приращения показаний индикатора:
d
s
3
3
Пример. Образец грунта: суглинок, глубина отбора образца 1 м, ρ=1,28 г/см, ρ=2,71 г/см, w=0,42 д.е. (Техническое заключение по результатам инженерно-геологических изысканий на стройке: Комплексная застройка квартала 84 в г. Якутске. ООО «Якутпроект-Изыскатель». Фонды ИМЗ СО РАН, арх. №005378).
Влажность, соответствующая полной влагоемкости рассматриваемого образца грунта, найденная по формуле , равна 0,41 д.е., т.е. образец был водонасыщенным. Максимальное приращение образца по формуле (5) после замерзания всей воды при высоте образца 50 мм и цене деления индикатора с=0.01 мм
деления.
Существенное изменение показаний индикатора при замерзании образца грунта показывает возможность определения количества незамерзшей воды путем измерения его деформации.
Технический результат - повышение точности измерения достигается ступенчатым изменением температуры с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образца, при этом на каждой ступени измерения отсутствуют значимые для результата неравновесные тепловые процессы.
Технический результат - получение возможности определения параметров водонасыщенных мерзлых грунтов достигается применением приема насыщения водой до полного заполнения пор.
Технический результат - упрощение расчетов количества незамерзшей воды достигается отсутствием необходимости построения графика.
Литература
1. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1973, с. 20.
2. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов. / Под ред. С.Е. Гречищева. М.: Недра, 1983, с. 18.
3. Авторское свидетельство СССР N968163, кл. Е02D 1/00, 1982.
4. Патент RU 2034110 6, Е01D 1/00, 1995.
5. Кузьмин Г.П. Взаимосвязь показателей физических свойств грунтов. Проблемы инженерного мерзлотоведения. Материалы IX Международного симпозиума. 03.07.2011, г. Мирный. С. 60-62.
6. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. - Новосибирск: Наука, 1975. - 178 с.