Способ определения физических характеристик лессового грунта

Изобретение относится к способам определения физических характеристик лессового грунта и может быть использовано при измерении площади островов неоднородности грунта, плотности материала частиц грунта, размера и толщины слоев на разной глубине, анализе и оценке структуры грунта в геологии, климатологии, минералогии и строительстве. Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Определяют ветровое воздействие на частицы грунта с учетом розы ветров в области территории для взятия проб грунта. Затем производят отбор частиц грунта путем бурения на различной глубине, по крайней мере, 1 м со стороны преобладающих скоростей ветра и, по крайней мере, в двух точках, расположенных на расстоянии 3-5 метров друг от друга. При этом в соответствии с поведением частиц грунта различного размера при ветровом воздействии (перекатывание, непосредственный отрыв, отрыв после поворота, состояние покоя) возможны три состояния динамических процессов структурирования: неизменное положение частиц, формирование «островов неоднородности» (отрыв первых частиц среднего размера, перекатывание вторых частиц до появления препятствия и неподвижность третьих), перекатывание незначительной доли частиц с изменением положений частиц. Динамическое состояние, при котором происходит формирование «островов неоднородности», объясняет физику структурирования. Частицы размерами 5-50 мкм в этом состоянии остаются неподвижными, а в результате воздействия ветра на более крупные частицы (от 80 до 400 мкм) происходит сортировка по размерам, они перекатываются и образуют острова, площадь которых определяют по формуле: , где S - площадь поверхности, где ветром срываются частицы, при отсутствии островов; S_о - площадь острова в текущий момент времени; S_o0 - площадь острова в первоначальный момент времени; <r> - средний размер частиц; Т - характерное время нахождения вне поверхности; - число слоев частиц, срываемых за T; <t>_k - время отрыва одного слоя частиц; - число частиц на поверхности; t - текущий момент времени.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения физических характеристик лессового грунта: плотности материала, размера и толщины слоев на разной глубине.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам определения физических характеристик лессового грунта и может быть использовано при измерении площади островов неоднородности грунта, плотности материала частиц грунта, размера и толщины слоев на разной глубине, анализе и оценке структуры грунта в геологии, климатологии, минералогии и строительстве.

Уровень техники

Известен способ определения водопрочностных характеристик лессового просадочного грунта, включающий установку образца грунта на сетку прибора для определения размокаемости грунта, погружение сетки с образцом в воду и фиксирование времени размокания образца, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения допускаемой неразмывающей скорости водного потока, при этом перед установкой образца грунта на сетку прибора определяют массу скелета образца, а допускаемую неразмывающую скорость водного потока для грунта определяют по следующей зависимости: ;

где v - допускаемая неразмывающая средняя скорость потока воды при его глубине 1 м, м/с;

t - время размокания образца, с;

m - масса скелета образца, г.

(См. а.с. SU №1298289, кл. Е02В 1/02, опубл. 23.03.1987 г.)

Недостатком данного способа является неточность определения водопрочностных характеристик лессового просадочного грунта.

Известен способ определения характеристик свойств грунта, заключающийся в том, что отбирают образцы грунта с ненарушенной природной структурой, определяют его вес и начальную влажность, причем предварительно влажные грунты высушивают до воздушно-сухого состояния, затем помещают образец на сетку прибора для определения размокаемости грунта, погружают в воду, пригодную для питья, с температурой 20°С, фиксируют время размокания образца, определяют базовое удельное время размокания, при этом параллельно испытывают не менее 8 образцов, затем вычисляют среднее для испытанных образцов значение базового удельного времени размокания и находят коэффициент быстроты размокания грунта, после чего проводят классификацию грунта и определяют совокупность его свойств по формулам. При температуре воды, отличной от 20°С, удельное время размокания приводит к базовому. В способе решается задача повышения достоверности и точности определения удельного времени размокания грунтов и на этой основе определения совокупности свойств грунтов и их классификации (см. пат. RU №2054501, МПК Е02D 1/00, G01N 33/24, опубл. 20.02.1996 г.).

Недостатками данного способа являются невысокая достоверность и низкая точность измерения характеристик свойств грунтов.

Известен способ определения объема частиц грунта, включающий помещение пробы грунта в емкость для пробы, соединенную с измерительной емкостью и датчиком давления пневмопроводом с вентилем, закрывание вентиля между измерительной емкостью и емкостью с пробой, установление давления, неравновесного с атмосферным, в измерительной емкости, открывание крана между измерительной емкостью и емкостью с пробой, уравновешивающего давление в емкостях, снятие показаний датчика давления, вычисление объема частиц, при этом он дополнительно содержит пневмонасос, нагнетающий давление выше атмосферного, соединенный с измерительной емкостью, а объем частиц грунта вычисляют по формуле

p₁V₁=p₂(V₂+V₁-V)

где p₁ - избыточное давление в емкости объемом V₁; р₂ - избыточное давление в системе объемом (V₁+V₂-V).

В способе плотность частиц грунта находят по формуле

.

Устройство для осуществления способа, содержащее герметичную емкость, соединенную с измерительной емкостью и датчиком давления пневмопроводом с вентилем, при этом оно дополнительно содержит пневмонасос, соединенный с измерительной емкостью.

В устройстве пневмонасос соединен с измерительной емкостью посредством вентиля.

(См. пат. RU №2397474, МПК G01N 9/26, опубл. 20.08.2010 г.)

Недостатками данного способа являются невысокая достоверность и низкая точность измерения характеристик свойств грунта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является способ определения физических характеристик лессового грунта, включающий отбор частиц грунта, определение плотности материала частиц грунта, их расположения, размера и толщины слоев на разной глубине (см. Малиновская Е.А., Рыскаленко Р.А. Математическое моделирование структурных процессов в природных системах. Ставрополь: Бюро новостей, 2010. - 168 с.).

Недостатками данного способа являются невысокая точность определения физических свойств грунта и ограниченность его практического применения.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения физических характеристик лессового грунта, обладающего точностью определения его физических свойств, а именно плотности материала частиц грунта, размера и толщины слоев на разной глубине.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к точности определения физических характеристик лессового грунта: плотности материала, размера и толщины слоев на разной глубине.

Технический результат достигается с помощью способа определения физических характеристик лессового грунта, включающего отбор частиц грунта, определение плотности материала частиц грунта, их расположения, размера и толщины слоев на разной глубине, при этом дополнительно определяют ветровое воздействие на частицы грунта с учетом розы ветров в области территории для взятия проб грунта, причем отбор частиц грунта производят, по крайней мере, в двух точках, расположенных на расстоянии 3-5 м друг от друга и на глубине, по крайней мере, 1 м со стороны преобладающих скоростей ветра, а расположение частиц грунта определяют по ветровому воздействию, включающему неизменное положение частиц грунта с размером 5-50 мкм, перекатывание доли частиц с размером 80-400 мкм с изменением положений частиц и форматированием островов неоднородности, при этом площадь островов неоднородности определяют по формуле:

где S - площадь поверхности, где ветром срываются частицы, при отсутствии островов;

S_o - площадь острова в текущий момент времени;

S_o0 - площадь острова в первоначальный момент времени;

<r> - средний размер частиц;

Т - характерное время нахождения вне поверхности;

- число слоев частиц, срываемых за время Т;

- время отрыва одного слоя частиц;

n_d - число частиц на поверхности;

t - текущий момент времени.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Определяют ветровое воздействие на частицы грунта с учетом розы ветров в области территории для взятия проб грунта, затем производят отбор частиц грунта путем бурения на различной глубине, по крайней мере, 1 м со стороны преобладающих скоростей ветра и, по крайней мере, в двух точках, расположенных на расстоянии 3-5 метров друг от друга, при этом в соответствии с поведением частиц грунта различного размера при ветровом воздействии (перекатывание, непосредственный отрыв, отрыв после поворота, состояние покоя) возможны три состояния динамических процессов структурирования: неизменное положение частиц, формирование «островов неоднородности» (отрыв первых частиц среднего размера, перекатывание вторых частиц до появления препятствия и неподвижность третьих), перекатывание незначительной доли частиц с изменением положений частиц. Динамическое состояние, при котором происходит формирование «островов неоднородности», объясняет физику структурирования. Частицы размерами 5-50 мкм в этом состоянии остаются неподвижными, а в результате воздействия ветра на более крупные частицы (от 80 до 400 мкм) происходит сортировка по размерам, они перекатываются и образуют острова, площадь которых определяют выражением:

где S - площадь поверхности, где ветром срываются частицы, при отсутствии островов;

S_o - площадь острова в текущий момент времени;

S_o0 - площадь острова в первоначальный момент времени;

<r> - средний размер частиц;

Т - характерное время нахождения вне поверхности;

- число слоев частиц, срываемых за время Т;

<t_k> - время отрыва одного слоя частиц;

n_d - число частиц на поверхности;

t - текущий момент времени.

Осуществление изобретения

Примеры конкретного выполнения способа определения физических характеристик лессового грунта.

Пример.

Предварительно определяют ветровое воздействие на частицы грунта с учетом розы ветров в области территории для взятия проб грунта, затем производят отбор частиц грунта путем бурения на различной глубине, по крайней мере, 1 м со стороны преобладающих скоростей ветра и, по крайней мере, в двух точках, расположенных на расстоянии 3-5 метров друг от друга, при этом в соответствии с поведением частиц грунта различного размера при ветровом воздействии (перекатывание, непосредственный отрыв, отрыв после поворота, состояние покоя) возможны три состояния динамических процессов структурирования: неизменное положение частиц, формирование «островов неоднородности» (отрыв первых частиц среднего размера, перекатывание вторых частиц до появления препятствия и неподвижность третьих), перекатывание незначительной доли частиц с изменением положений частиц. Динамическое состояние, при котором происходит формирование «островов неоднородности», объясняет физику структурирования. Частицы размерами 5-50 мкм в этом состоянии остаются неподвижными, а в результате воздействия ветра на более крупные частицы (от 80 до 400 мкм) происходит сортировка по размерам, они перекатываются и образуют острова, площадь которых определяют выражением:

где S - площадь поверхности, где ветром срываются частицы, при отсутствии островов;

S_o - площадь острова в текущий момент времени;

S_о0 - площадь острова в первоначальный момент времени;

<r> - средний размер частиц;

Т - характерное время нахождения вне поверхности;

- число слоев частиц, срываемых за время Т;

<t_k> - время отрыва одного слоя частиц;

n_d - число частиц на поверхности;

t - текущий момент времени.

Таким образом, с учетом числа оторванных сальдирующих частиц получают возможность оценки толщины слоев, в которых сосредоточены пылеватые частицы, то есть толщину слоев на разной высоте при различных скоростях ветра, а также плотность материала частиц и их характерные размеры на различных глубинах.

Например, если среднее значение времени реакции частиц со средним радиусом 10^-4 м и плотностью материала 1800 кг/м³ равно 0,0018 с, то при скорости ветра 5 м/с формируется структурный элемент с высотой 0,2 см и длиной около 1,2 см. Угол наклона наветренной стороны составляет 12°, угол наклона подветренной стороны 60°, далее происходит рост структуры в соответствии с формулой:

Увеличивается высота структуры до величины 2-3 см в зависимости от параметров среды. Совокупность структур за счет их «расширения» объединяется в единый слой, далее происходит формирование новых структур на новой поверхности и нового слоя.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- точное определение физических характеристик лессового грунта, а именно: плотность материала частиц, размер частиц, толщина слоев на разной высоте при различных скоростях ветра;

- возможность анализа структуры лессовых отложений в связи с исследованиями, например, климатических особенностей их формирования в прошлом;

- использование при инженерных изысканиях в строительстве.

Способ определения физических характеристик лессового грунта, включающий отбор частиц грунта, определение плотности материала частиц грунта, их расположение, размер и толщину слоев на разной глубине, отличающийся тем, что дополнительно определяют ветровое воздействие на частицы грунта с учетом розы ветров в области территории для взятия проб грунта, при этом отбор частиц грунта производят, по крайней мере, в двух точках, расположенных на расстоянии 3-5 м друг от друга и на глубине, по крайней мере, 1 м со стороны преобладающих скоростей ветра, а расположение частиц грунта определяют по ветровому воздействию, включающему неизменное положение частиц грунта с размером 5-50 мкм, перекатывание доли частиц с размером 80-400 мкм с изменением положений частиц и форматированием островов неоднородности, при этом площадь островов неоднородности определяют по формуле

где S - площадь поверхности, где ветром срываются частицы, при отсутствии островов;
S_o - площадь острова в текущий момент времени;
S_o0 - площадь острова в первоначальный момент времени;
<r>- средний размер частиц;
Т - характерное время нахождения вне поверхности;
- число слоев частиц, срываемых за время Т;
<t_k> - время отрыва одного слоя частиц;
n_d - число частиц на поверхности;
t - текущий момент времени.