СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
METHOD FOR DETERMINING THE NUMBER OF UNFROZEN WATER CONTENT IN FROZEN SOIL

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерных изысканиях с целью контроля качества геологической среды и находящихся в ней объектов, проектировании зданий и сооружений.
Известен способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, заключающийся в том, что образец помещают в контейнер и в оттаявшем состоянии смачивают определенным количеством воды до влажности выше предельной полевой влагоемкости и измеряют количество воды, просочившейся через испытываемый образец, при этом с целью повышения точности определения водонасыщенный талый образец нагружают прессом, с помощью которого вытесняют содержащуюся в нем воду до стабилизации количества отжатой воды, после чего определяют стабилизированное значение давления и по известной начальной влажности образца и количеству отжатой воды определяют весовую влажность образца, а отрицательную температуру, при которой это значение влажности равно количеству незамерзшей воды в мерзлом грунте, определяют по формуле
л
0
где t - отрицательная температура; P - стабилизированное давление нагружения; ρ - плотность льда; L - удельная теплота фазового перехода воды в лед; T - температура фазового перехода воды в лед (Авторское свидетельство СССР №998929, кл. G01N 25/56. Опубликовано 23.02.1983, бюл. №7).
Недостатком данного способа является использование сложной и громоздкой приборно-измерительной базы, не позволяющей применить этот способ для мониторинга количества незамерзшей воды непосредственно в массиве. Кроме того, результаты определения по этому способу зависят не только от влагосодержания, но и от температуры, вещественного состава, а также плотностных свойств грунтов, которые могут сильно отличаться даже на соседних участках ледопородного массива.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий получение образца замороженного грунта, его последующее оттаивание, определение суммарного содержания влаги и непрерывное в ходе оттаивания измерение информативного показателя, по изменению которого во времени, относительно величины суммарного содержания влаги рассчитывают количество незамерзшей воды в массиве (Авторское свидетельство СССР №968163, кл. E02D 1/00. Опубликовано 23.10.1982, бюл. №39).
Недостатком известного способа, основанного на термометрических измерениях, является низкая точность и надежность его измерительной информации при определении динамики количества незамерзшей воды на различных участках в глуби массива мерзлых пород. Кроме того, сложность проведения указанных измерений и необходимость отбора представительного числа проб для их реализации не позволяет своевременно выявлять возникновение и достоверно оценить развитие талых зон внутри замораживаемой геосреды, угрожающих по просадкам фундаментов зданий и сооружений или опасных по прорыву плывунных пород в горные выработки.
Отмеченный недостаток обусловлен тем, что известный способ по результатам испытаний отдельных образцов и измерений температур некоторых точек контролируемого массива позволяет судить о количестве незамерзшей воды только в достаточно однородной и стабильной во времени по суммарному содержанию влаги и теплофизическим параметрам среде, что не соответствует условиям массива мерзлых грунтов, находящегося под действием сезонных замораживающих устройств и при этом растепляемого в ходе строительства, а также эксплуатации зданий и сооружений.
Таким образом, из-за неравномерности условий замораживания/растепления, большого содержания и неоднородности распределения воды в мерзлых породах термометрические измерения, проведенные в некоторых точках их поверхности, непосредственно контактирующей со скважиной, не позволяют определить тепловой баланс и, соответственно, количество незамерзшей воды именно внутри геосреды. Это обосновывает низкую точность и надежность получаемой с помощью известного способа информации для непрерывного определения динамики количества незамерзшей воды в ледопородном массиве.
В настоящей заявке решается задача разработки способа определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, повышающего надежность и точность результатов при определении абсолютных показателей и динамики количества незамерзшей воды на различных участках в глуби ледопородного массива путем обеспечения непрерывного получения и интерпретации соответствующей измерительной информации о всем объеме указанного массива.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
Σ
Σ
Для решения поставленной задачи в способе определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающем получение образца замороженного грунта, его последующее оттаивание, определение суммарного содержания влаги и непрерывное в ходе оттаивания измерение информативного показателя, по изменению которого во времени, относительно величины суммарного содержания влаги рассчитывают количество незамерзшей воды в массиве, в качестве информативного показателя используют отношение
удельной по массе грунта активности
акустической эмиссии из контролируемой области массива, усредненной в течение каждого из последовательных, соизмеримых по продолжительности интервалов времени
к аналогичным образом усредненной удельной активности
акустической эмиссии наиболее водонасыщенного участка полностью оттаявшего керна
, на котором также определяют распределение C(h) суммарного содержания влаги C по глубине h, для контроля массива регистрацию акустической эмиссии осуществляют с помощью преобразователей, размещаемых по глубине скважин, выбуренных с отбором керна и равномерно охватывающих контролируемый массив, количество незамерзшей воды на различных участках которого рассчитывают из произведения
указанного информативного показателя и суммарного содержания влаги в кернах, полученных на той же глубине и в той же скважине, что и соответствующее значение данного показателя.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности результатов определения абсолютных показателей и динамики количества незамерзшей воды в глуби различных участков массива мерзлых грунтов.
Технический результат достигается за счет того, что предложенный способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах основан на регистрации акустико-эмиссионных сигналов, испускаемых самим массивом пород, соответственно разместив вдоль него, по глубине каждой замораживающей скважины, с определенным шагом гирлянду приемных акустических преобразователей, можно непрерывно получать информацию обо всем его объеме в натурных условиях. Проведя лабораторные испытания кернов, полученных с различных участков и глубин контролируемой геологической формации можно определить уровень активности акустической эмиссии слагающего ее геоматериала, соответствующий той или иной стадии его оттаивания. Зная зависимость количества жидкофазной воды в геоматериале от уровня ее акустической эмиссии, а также располагая координатами преобразователей, на которых этот уровень зарегистрирован, можно определить количество незамерзшей воды и примерно оценить ее местоположение в пространстве, а затем отслеживать развитие талых зон в ледопородном массиве в режиме реального времени, тем самым позволяя обнаруживать опасные переходные процессы на начальных стадиях. При этом точность определения принципиально ограничивается только чувствительностью, помехозащищенностью и шагом размещения приемных преобразователей.
Предложенный способ базируется на установленных авторами экспериментально закономерностях акустической эмиссии при замораживании и последующем оттаивании образцов обводненных грунтов, соответствующих по своему составу и свойствам (в т.ч. влажности) грунтам, характерным для объектов строительства в условиях криолитозоны.
Суть этих закономерностей заключается в зависимости величины средней за определенный период времени удельной по массе активности акустической эмиссии грунта от наличия в нем незамерзшей жидкости. Чем ее больше, тем интенсивнее идут гидродинамические процессы, например, перетоки, и, соответственно, тем пропорционально выше уровень акустической эмиссии.
Способ определения количества незамерзшей воды в ледопородных ограждениях иллюстрируется фиг. 1-4.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены в качестве примера характерные экспериментально полученные временные распределения 1 активности
АЭ в функции от динамики температур 2 образцов грунта, состоящих из песчано-суглинистой смеси, влажностью ≈52,0% (фиг. 1) и ≈80,0% (фиг. 2). Масса твердой фазы каждого образца составляла 2,0 кг.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,055</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,049</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>57,4</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>141,7</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>69,6</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>159,4</mn><mtext> имп</mtext><mtext>./с</mtext></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo></msub></mrow>
Из фиг. 1 и фиг. 2 следует, что при наличии ледопородного ограждения (область A,
и
) уровень
значительно ниже, чем при его формировании (область Б,
и
) или разрушении оттаиванием (область В,
и
). Также видно, что уровень
меняется пропорционально убыванию или возрастанию температуры в функции от содержания воды в грунте и по окончании разрушения ледопородной матрицы возвращается примерно к исходному уровню. Чуть более высокий уровень
во время оттаивания связан с тем, что в ходе этого процесса плотность ледопородной матрицы увеличивается, а сигналы АЭ испытывают меньшие диссипативные потери, чем при замораживании, когда каналы передачи акустических импульсов не так развиты.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Фиг. 3 иллюстрирует процедуру контроля и показывает качественный вид зависимостей 8 и 9
от глубины h, получаемых на гирляндах акустических преобразователей 6 и 7, при контроле с их помощью замораживаемого участка геосреды 3, содержащего зону 10 незамороженной воды в ледопородном ограждении.
Репрезентативность характера приведенных на фиг. 1 и фиг. 2 зависимостей подтверждена на представительной выборке образцов грунтов различной влажности и состава, каждый из которых помещался в показанную на фиг. 4 цилиндрическую полую металлическую колбу 11, содержащую в своей центральной части жестко закрепленную стойку 12 с гирляндой вмонтированных в нее приемных преобразователей 13 акустической эмиссии (АЭ). Для исключения влияния на результаты эксперимента окружающих шумов и снижения веса конструкции внутренняя часть колбы выполнена в виде вставки из битумной мастики 14 во фторопластовой опалубке 15. В ходе эксперимента колба 11 с образцом помещалась в лабораторный морозильник и охлаждалась до минус 34°C, выдерживалась на этой температуре в течение не менее 90 минут и затем локально оттаивалась с помощью кольцевого электронагревательного элемента 16, обеспечивающего нагрев по периметру центральной части образца до температуры ≈90°C. Оттаивание велось вплоть до разрушения ледопородной матрицы, о котором судили по изменению температуры в различных областях центрального стержня, измеряемой с помощью набора термосопротивлений (на фиг. 4 условно не показаны), расположенных в специальном кожухе вблизи каждого из приемных преобразователей. Этот способ контроля непригоден для определения динамики количества незамерзшей воды на различных участках в глубине ледопородной матрицы, но позволяет судить о ее полном разрушении. Сигналы акустической эмиссии с выхода каждого из пьезопреобразователей, а также параметрическая информация с термосопротивлений регистрировалась акустико-эмиссионной измерительной системой 17 A-Line 32D.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для каждой из рассмотренных последовательных температурных областей (охлаждение - область Б, полная заморозка - область А и оттаивание - область В, см. фиг. 1 и фиг. 2), производился расчет средней удельной по массе активности акустической эмиссии
, показавший, что момент времени разрушения ледопородной матрицы, определенный по предлагаемому способу, отличается от результатов вышеупомянутого термометрического контроля не более чем на 12%. Соответственно результаты определения промежуточных стадий замораживания, полученные согласно предлагаемому способу как
, также можно считать надежными и достоверными.
Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах реализуют следующим образом (см. фиг. 3).
i
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На участке геосреды 3 в ходе бурения замораживающих (или под свайный фундамент) скважин 4 и 5 проводят отбор керна (на фиг. 3 условно не показан). Далее последний разделяют на образцы, которые используют для определения по стандартной, основанной на весовых измерениях, методике изменения содержания жидкофазной воды C в ходе оттаивания. Параллельно регистрируют сигналы акустической эмиссии и рассчитывают такой параметр как средняя удельная активность акустической эмиссии
- усредненное за дискретный интервал времени число сигналов акустической эмиссии, принятых с каждого кубического сантиметра геоматериала. Кроме того, экспериментально определяется индивидуальная для каждого типа грунтов предельная дальность эффективной регистрации акустических сигналов, исходя из которой выбирают максимальный шаг размещения приемных акустических преобразователей в ледопородном массиве.
Σ
i
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Далее строят распределения
и суммарного содержания влаги в керне C=ΣC по глубине h для каждой скважины в отдельности. После этого в указанных скважинах по их глубине размещают гирлянды акустических преобразователей 6 и 7, с шагом между последними примерно 0,8-1,0 м. В случае скважин под свайный фундамент акустические преобразователи могут быть вмонтированы в сваи по аналогии с конструкцией центрального стержня, показанной на фиг. 4 лабораторной установки. Каждым из преобразователей регистрируют акустическую эмиссию, генерируемую идущими в геосреде гидродинамическими процессами. Через последовательные и сопоставимые по продолжительности (~30 мин) периоды времени рассчитывают среднюю за соответствующий период активность акустической эмиссии
, где n - порядковый номер периода.
При этом период регистрации ТАЭ должен подбираться так, чтобы не совпадать с вызывающими значительные колебания грунта строительными и эксплуатационными операциями, т.е. вестись, например, в ночное время.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На основе полученной таким образом измерительной информации рассчитывают зависимости параметра
от глубины h. Качественный вид этих зависимостей на фиг. 3 иллюстрируется кривыми 8 и 9. Под
понимается уровень активности акустической эмиссии в оттаявшем не менее чем на 80% керне, полученном на наиболее водонасыщенном участке ледопородного массива, или, при невозможности выделения такого участка, полученном на участке массива, где зарегистрировано соответствующее значение
.
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>∑</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˙</mo></mover><mo>∑</mo><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Наличие и местоположение талой зоны 10 в массиве мерзлых грунтов определяют по достижении значениями
на некотором его участке величины, превышающей одну треть от значения
. В свою очередь, по стабильному во времени уровняю
ниже указанного порогового значения судят о качественном промерзании грунтов. Зная координаты датчиков, показания которых (не)удовлетворяют указанному условию, строят карту наличия и расположения талых зон в массиве мерзлых грунтов.
По величине произведения
зависимостей средней удельной активности акустической эмиссии и суммарного содержания влаги, полученных на одинаковой глубине в одной и той же скважине, определяют количество незамерзшей воды в изучаемой области массива мерзлых грунтов.
Таким образом, в предложенном способе определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах за счет обеспечения как непрерывных измерений в натурных условиях, так и возможности интерпретации их результатов в режиме реального времени обеспечивается повышение точности и надежности указанного определения.