СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОЗДУХА В ТАЛОМ ГРУНТЕ
METHOD TO DETECT AIR CONTENT IN THAWED SOIL

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических свойств грунтов.
Известен «Способ определения объемного веса, удельного веса, пористости и защемленного воздуха в почвах и грунтах и пикнометр для его осуществления» (SU 125938) [1]. В пикнометр вводят замеренный объем жидкости, заполняющей макропоры и микропоры почвы, и по истечении двух-трех минут сливают не впитавшуюся в почву жидкость, затем повторно наполняют пикнометр жидкостью до риски, помещают под вакуум для откачивания защемленного воздуха и снова замеряют объем жидкости, дополнительно введенной до риски на пикнометре.
Недостатком известного способа является пониженная точность измерения, связанная с применением жидкости (керосина), характер взаимодействия которой индивидуален для каждого состава грунта.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛОГО ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» RU 2193180 [2], включающий отбор образца грунта, взвешивание и определение его объема, влажности.
Недостатком известного способа [2] является узкая область применения, связанная с невозможностью точного определения содержания воздуха в грунте, что приводит к снижению точности оценки деформационных характеристик грунтов, имеющих первостепенное значение для строительства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения благодаря получению возможности точного измерения содержания воздуха и, как следствие, уточнение оценки деформационных свойств грунтов.
Технический результат достигается тем, что после отбора образца грунта, взвешивания и определения его объема, влажности дополнительно производят высушивание образца грунта, определяют объем твердых частиц грунта, плотность сухого грунта, плотность твердых частиц, после чего определяют относительное содержание воздуха в талом грунте, причем расчет содержания воздуха в талом грунте выполняют по формуле
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>w</mi><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
a
где V - объем воздуха в образце талого грунта;
V - объем образца;
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac></mrow>
- плотность сухого грунта,
d
где m - масса сухого образца грунта;
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- плотность твердых частиц,
d
где V - объем твердых частиц образца;
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- влажность грунта,
где m - масса образца грунта;
w
ρ - плотность воды.
Параметры, определяемые известными способами:
- плотность грунта
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>m</mi><mi>V</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где m - масса образца грунта; V - объем образца;
- плотность сухого грунта
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
d
где m - масса сухого образца грунта;
- плотность твердых частиц
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
d
где V - объем твердых частиц образца;
- влажность грунта
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Окончательная зависимость отношения объема содержания воздуха в грунте к общему объему грунта имеет вид:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>w</mi><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Зависимость (5) получена из представления объема грунта как суммы объемов его компонентов.
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>w</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>a</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
w
a
где V и V - объем соответственно воды и воздуха в грунте.
Из выражений (2) и (3) следует, что
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mi>V</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Объем воды в грунте равен
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
w
d
где m=m-m - масса воды в грунте.
Массу воды в грунте на основании (4) можно представить в виде
<mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub><mi>w</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
или с учетом (2)
<mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mi>w</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mi>V</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
После подстановки выражения массы воды (10) в (8) получаем
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>w</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mi>V</mi></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставив (7) и (11) в (6), после небольшого преобразования находим выражение относительного содержания воздуха в талом грунте
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>w</mi><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Пример расчета содержания воздуха в талом грунте.
По экспериментально найденным показателям физических свойств талого грунта, а также воды:
d
s
w
i
3
3
3
3
w=0,20 д.е., ρ=1,667 г/см, ρ=2,70 г/см, ρ=1,0 г/см и ρ=0,916 г/см
по формуле (12) находим
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>1,667</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2,7</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>0,20</mn></mrow><mrow><mn>1,0</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,05</mn></mrow>
.
Благодаря получению возможности определения содержания воздуха в грунте появляется возможность более точного расчета деформационных характеристик грунтов, что приводит к более точному расчету фундаментов. Уточнение расчета фундаментов приводит к снижению затрат без снижения надежности построек.
Промышленное применение. Изобретение может быть с успехом применено для расчета воздуха, содержащегося в талом грунте.