Способ определения физических свойств мерзлого грунта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических свойств мерзлых грунтов. Способ определения физических свойств мерзлого грунта включает отбор образца, его взвешивание, заполнение сосуда водой известного объема V₁, помещение образца грунта в сосуд с водой, определение объема воды с образцом ненарушенного сложения, определение объема образца по разности объемов воды с образцом V₂ и воды в сосуде без образца V₁, определение плотности мерзлого грунта. Отличительной особенностью является то, что после таяния образца определяют объем воды с растаявшим грунтом V₃, контролируя при этом температуру воды и корректируя ее объем, а затем определяют объем льда V_л, содержащегося в грунте, по формуле где ε - коэффициент объемного расширения при переходе льда в воду, а затем вычисляют суммарную влажность, суммарную льдистость мерзлого грунта, весовую льдистость, объемный вес скелета мерзлого грунта, количество незамерзшей воды. Устройство содержит мерный сосуд, выполненный составным из двух цилиндров. Внутренний цилиндр снабжен уплотнением на верхней кромке. Внешний цилиндр снабжен сетчатой капсулой для образца и мерной трубкой. Технический результат: изобретение позволяет существенно сократить сроки лабораторных работ при сохранении высокого качества и достоверности получаемых результатов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических свойств мерзлых грунтов, которые служат основанием и средой взаимодействия с сооружениями при промышленном и гражданском строительстве.

Несмотря на широкие и разносторонние исследования вопросов, связанных с определением физических свойств мерзлых грунтов, мало простых и надежных (с точки зрения объективности различных коэффициентов) методик, позволяющих оперативно определять физические свойства в полевых условиях с достаточной точностью.

Известен способ определения плотности мерзлого грунта, путем гидростатического взвешивания образца на технических весах, в сосуде с водой на подставке. Описание способа приведено в инструктивных указаниях "Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов", сборник 2, Инструктивные указания, Изд-во Академии наук СССР, М., 1954, с. 32-35). Известен также способ определения физических свойств, плотности мерзлого грунта (объемного веса) ненарушенной структуры. Вырезанный образец ненарушенной структуры взвешивается на технических весах (g). Образец опускают в мерный цилиндр или мензурку с нейтральной жидкостью, охлажденной до отрицательной температуры, и измеряют изменение объема жидкости. Плотность рассчитывают по формуле (См. "Указания по определению физико-механических и теплофизических характеристик мерзлых и оттаивающих грунтов". ГОССТРОЙ СССР, Москва, 1970, с. 56).

К недостаткам способов можно отнести возможности определять только одно свойство - плотность грунта.

Известно устройство для определения физических свойств твердых веществ, состоящее из двух сосудов, внутренний из которых с волюмометрической жидкостью, вмонтирован во внешний, содержащий жидкость, причем первый имеет возможность вертикально перемещаться по направляющим внутри второго сосуда. Оба сосуда прозрачные и снабжены спиральными шкалами. Во внутреннем сосуде размещают приспособление для образца. Внешний сосуд смонтирован на специальной подставке (см. авт. св. СССР 151095 по кл. G 01 N 9/04 от 1961 г.).

Данное устройство имеет ряд недостатков, к которым можно отнести определенные сложности при работе в полевых условиях, необходимость приобретения, перевозки и использования волюмометрических жидкостей, сложности изготовления сосудов и нанесение спиральных шкал, тарировку устройства. Устройство позволяет определять в лаборатории только одно свойство мерзлых грунтов - плотность мерзлого грунта.

Предлагаемое техническое решение позволяет просто и достоверно определять физические свойства (характеристики по СНиП II-18-76) мерзлых грунтов как в полевых, так и в стационарных условиях.

Достигается это способом определения физических свойств мерзлого грунта, включающим отбор образца грунта, его взвешивание, заполнение сосуда водой известного объема - V₁, помещением образца грунта в сосуд с водой и определением объема воды с образцом ненарушенного сложения - V₂, определением объема образца V_обр по разности объемов воды с образцом V₂ и воды в сосуде без образца V₁, определением плотности мерзлого грунта, отличающимся тем, что после таяния образца определяют объем воды с растаявшим грунтом - V₃, контролируя температуру воды в сосуде и корректируя этот объем. Способ осуществляется с помощью устройства.

Устройство для измерения объемов образца выполнено в виде двух цилиндров. Внутренний цилиндр с резиновым уплотнением на верхней кромке жестко закреплен на основании, приводимом в горизонтальное положение, а внешний цилиндр, снабженный размещенной внутри него сетчатой капсулой для образца и прозрачной мерной трубкой снаружи, опускается сверху на внутренний. Существо предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором изображено предлагаемое устройство.

Устройство для определения объемов мерзлого и растаявшего грунта включает мерный сосуд, выполненный из внутреннего цилиндра 1, смонтированного на металлическом основании 2, приводимом в горизонтальное положение с помощью винтов 3, и внешнего цилиндра 4, снабженного конусообразным верхом 5, с прикрепленной к нему мерной трубкой 6, а внутри него размещается сетчатая капсула для образца 7. На верхней кромке цилиндра 1 закреплено уплотнение 8, а на основании - цилиндрический уровень 9.

Способ определения физических свойств мерзлых грунтов предлагаемым устройством включает в себя следующие операции: Образец отобранного мерзлого грунта взвешивается. Во внутренний цилиндр 1 до кромки наливается вода с фиксированным точным объемом V₁ см³. Взвешенный образец мерзлого грунта помещают в капсулу 7 цилиндра 4 и опускают в цилиндр 1. С помощью тарированной стеклянной мерной трубки измеряют объем воды с мерзлым грунтом V₂ см³. По разности объемов V₁ и V₂ находят объем образца V_обр= V₂-V₁. Зная объем образца V_обр и вес образца Р_обр, определяют плотность мерзлого грунта по формуле После того, как помещенный в устройство образец мерзлого грунта растает, что происходит в течение 5-10 мин, и разрушится, содержимое цилиндра перемешивается для удаления защемленного воздуха и измеряется объем воды с растаявшим грунтом V₃ см³. В процессе опыта контролируется температура воды в сосуде и объем ее корректируется. Корректировка выполняется исходя из рекомендаций "Справочника по элементарной физике". Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, изд-во "Наука", г. Москва, 1982 г., с. 70. Величину поправки объема на понижение температуры воды справочником рекомендуется рассчитывать по таблице 42. Этот же справочник рекомендует определять поправку экспериментальным путем. Экспериментальная поправка находится следующим образом. После того, как зафиксирована отметка объема V₃, вода в устройстве с растаявшим грунтом подогревается до исходной температуры, которая была в устройстве до погружения образца мерзлого грунта. По разнице отметок в мерной стеклянной трубке находится объем, который делится на величину понижения температуры (количество градусов) для определения величины поправки объема при понижении температуры воды на 1 (один) градус. Для каждого из остальных образцов величина изменения объема на 1 градус умножается на величину понижения температуры и эта поправка вычитается из объема растаявшего льда (V₂-V₃). После этого объем льда V_л, содержащегося в грунте, определяется следующим образом. При фазовом переходе льда в воду, его объем уменьшается на величину V_л-V_в = εV_в = V₂-V₃, где V_л - объем льда, содержащегося в грунте, V_в - объем воды растаявшего льда, ε - коэффициент фазового перехода льда в воду.

В разных условиях промерзания грунт содержит различные типы льда, например, молочно-белый, прозрачный и т.д., которые при одинаковой температуре имеют неодинаковую плотность, поэтому корректировка коэффициента необходима. Для этой цели отбираются образцы жильного льда без включений и этим же способом, погружая в устройство лед, измеряют объемы V₁ см³, V₂ см³ и V₃ см³, по которым из равенства V_л-V_в = εV_в = V₂-V₃ определяется коэффициент ε, учитывающий физические свойства льда в конкретных условиях промерзания или конкретном инженерно-геологическом элементе.

Объем льда, содержащегося в грунте, находится из приведенного выше равенства V_л = V_в(1+ε), а объем воды из растаявшего льда в образце находится из того же равенства тогда объем льда После этого вычисляют:
Суммарную влажность мерзлого грунта находится из отношения веса всех видов воды к весу скелета грунта (в соответствии с определением формулы этой характеристики по СНиП II-18-76, Изд-во Стройиздат, М., 1977 г.)

где P_ск=P_обр-P_в.

Вес частиц скелета грунта определяется следующим образом:
Р_ск=Р_обр-Р_в, где P_в = V_в•ρ_в, где ρ_в - плотность воды при данной t^o.

Общая влажность по рекомендации Н.А. Цытовича в книге "Механика мерзлых грунтов" (Изд-во Высшая школа, М., 1973 г.) определяется из соотношения

Суммарная льдистость мерзлого грунта (в соответствии со СНиП II-18-76, Изд-во Стройиздат, М., 1977 г.), определяемая отношением содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта, находится из

Весовая льдистость рассчитывается по формуле

где ρ_л - плотность льда.

Количество незамерзшей воды определяется из разности отношений веса воды и веса льда к весу скелета грунта
W_н=W_с-Л_вес.

Объемный вес скелета мерзлого грунта (по СНиП II-18-76) равен весу сухого грунта в единице объема мерзлого.

В таблице представлены результаты определений показателей физических свойств мерзлых моренных суглинков на дамбе верхнего бассейна Загорской ГАЭС, полученные параллельно определениям по ГОСТ. В последнем столбце таблицы приведены значения суммарной влажности, определенной прямым путем в соответствии с ГОСТ. Результаты определения влажности в лаборатории близки результатам, полученным предлагаемым способом.

Существующие способы определения характеристик физических свойств мерзлых грунтов носят точечный характер и зависят от того, из какой части монолита взят образец. Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что характеристики физических свойств определяются проще, быстрее и достовернее, потому как получаются для всего монолита, а не его части, что дает возможность оценивать свойства массива с большей достоверностью.

Практика работы с многолетнемерзлыми породами в поле и лаборатории показывает, что очень сложно измерить вручную объемы ледяных включений как в образцах, так и в выработках вследствие того, что включения эти не выдержаны по мощности и по простиранию. Предлагаемое устройство и способ позволяют в сжатые сроки получить основные характеристики мерзлых грунтов с высокой степенью точности как в полевых, так и в лабораторных условиях.

Формула изобретения

1. Способ определения физических свойств мерзлого грунта, включающий отбор образца грунта, его взвешивание, заполнение сосуда водой известного объема V₁, помещение образца грунта в сосуд с водой и определение объема воды с образцом ненарушенного сложения V₂, определение объема образца V_oбp. по разности объемов воды с образцом V₂ и воды в сосуде без образца V₁, определение плотности мерзлого грунта, отличающийся тем, что после таяния образца определяют объем воды с растаявшим грунтом V₃, контролируя температуру воды в сосуде и корректируя этот объем, после чего объем льда V_л, содержащийся в мерзлом грунте находится по формуле

где ε - коэффициент объемного расширения при переходе льда в воду, а затем вычисляют суммарную влажность, суммарную льдистость мерзлого грунта, весовую льдистость, объемный вес скелета мерзлого грунта, количество незамерзшей воды.

2. Устройство для определения объемов образца мерзлого и растаявшего грунта, включающее установленный на регулируемом основании мерный сосуд цилиндрической формы с мерной трубкой для измерения объемов образца, отличающееся тем, что мерный сосуд выполнен составным из двух цилиндров, внутренний из которых с резиновым уплотнением на верхней кромке жестко закреплен на основании, приводимом горизонтальное положение, а внешний цилиндр снабжен размещенной внутри него сетчатой капсулой для образца и мерной трубкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2