Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при проектировании зданий и сооружений для определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Для этого осуществляют бурение скважин с отбором керна, оттаивают полученный образец замороженного грунта и определяют суммарное содержание влаги по непрерывному изменению информативного показателя в ходе оттаивания. В качестве информативного показателя используют отношение активности акустической эмиссии из контролируемой области массива к активности акустической эмиссии наиболее водонасыщенного участка полностью оттаявшего керна; для обоих показателей учитывают удельный по массе грунт и усредненные, последовательные и соизмеримые по продолжительности интервалы времени для определения распределения суммарного содержания влаги по глубине. Регистрацию акустической эмиссии осуществляют с помощью преобразователей, размещаемых по глубине скважин массива. Количество незамерзшей воды на различных участках массива 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. Изобретение обеспечивает способ контроля геологической среды. 4 ил.

 

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

где t - отрицательная температура; P - стабилизированное давление нагружения; ρл - плотность льда; L - удельная теплота фазового перехода воды в лед; T0 - 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.

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 M ( N ˙ n у д ) / M ( N ˙ 0 у д ) удельной по массе грунта активности N ˙ n у д акустической эмиссии из контролируемой области массива, усредненной в течение каждого из последовательных, соизмеримых по продолжительности интервалов времени к аналогичным образом усредненной удельной активности N ˙ 0 у д акустической эмиссии наиболее водонасыщенного участка полностью оттаявшего керна , на котором также определяют распределение CΣ(h) суммарного содержания влаги CΣ 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.

На фиг. 1 и фиг. 2 приведены в качестве примера характерные экспериментально полученные временные распределения 1 активности N ˙ 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.

Из фиг. 1 и фиг. 2 следует, что при наличии ледопородного ограждения (область A, M ( N ˙ 1 ) = 0,055  имп ./с и M ( N ˙ 2 ) = 0,049  имп ./с ) уровень M ( N ˙ ) значительно ниже, чем при его формировании (область Б, M ( N ˙ 1 ) = 57,4  имп ./с и M ( N ˙ 2 ) = 141,7  имп ./с ) или разрушении оттаиванием (область В, M ( N ˙ 1 ) = 69,6  имп ./с и M ( N ˙ 2 ) = 159,4  имп ./с ). Также видно, что уровень N ˙ 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 N ˙ 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.

Фиг. 3 иллюстрирует процедуру контроля и показывает качественный вид зависимостей 8 и 9 M ( N ˙ n у д ) / M ( N ˙ 0 у д ) 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.

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 M ( N ˙ у д ) , 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).

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 Ci в ходе оттаивания. Параллельно регистрируют сигналы акустической эмиссии и рассчитывают такой параметр как средняя удельная активность акустической эмиссии M ( N ˙ у д ) - 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.

Далее строят распределения и суммарного содержания влаги в керне CΣ=ΣCi 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 M ( N ˙ у д ) , 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.

На основе полученной таким образом измерительной информации рассчитывают зависимости параметра M ( N ˙ n у д ) / M ( N ˙ 0 у д ) от глубины h. Качественный вид этих зависимостей на фиг. 3 иллюстрируется кривыми 8 и 9. Под M ( N ˙ 0 у д ) 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 M ( N ˙ у д ) .

Наличие и местоположение талой зоны 10 в массиве мерзлых грунтов определяют по достижении значениями M ( N ˙ у д ) на некотором его участке величины, превышающей одну треть от значения M ( N ˙ 0 у д ) . В свою очередь, по стабильному во времени уровняю M ( N ˙ у д ) 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.

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, отличающийся тем, что 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 суммарного содержания влаги по глубине, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области мобильной радиосвязи, а именно к устройству вызова абонента посредством телефонного аппарата. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей мобильных телефонов путем обеспечения возможности звукового вызова натуральным звуком механического музыкального инструмента.

Использование: изобретение относится к области электроакустики, а именно к мобильным (транспортируемым) звуковоспроизводящим устройствам, которые могут использоваться для озвучивания, преимущественно, салонов автомобилей, а также помещений и открытых площадок.

Изобретение относится к устройствам звуковой системы для создания стереоаудиоотображений, включающих в себя коллекторы для вывода генерированного звука из устройства, и используется в переносном устройстве.

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для воздействия на психофизиологическое состояние человека в процессе обучения, в арт-терапии, при исполнении музыки в концертных залах, в театральных и цирковых спектаклях, в процессе производства фильмов, при анимации изображений и т.д.

Изобретение относится к устройствам, образующим концентрированные потоки акустической энергии низкой частоты, большой мощности с направленным звуковым лучом, служащим для увеличения притока нефти в скважины.

Изобретение относится к классу звукошумовых устройств, осуществляющих обработку электрического звукового сигнала, и может быть использовано при записи и воспроизведении звука.

Изобретение относится к исследованию химических и физических свойств веществ, а именно к области неразрушающего контроля качества материалов с помощью ультразвука.

Изобретение относится к качественному и количественному определению воды во внутренней сфере координационных соединений (КС) и может найти применение в координационной химии и фармации.

Изобретение относится к области методов проведения оперативного контроля и регулирования влажности в герметичных контейнерах с электронными приборами для обеспечения надежности их функционирования.

Устройство автоматизированного управления многоопорной дождевальной машиной фронтального действия для точного полива включает установленные на тележках с электроприводом трубопроводы правого и левого крыльев машины, блок синхронизации движения по курсу с направляющим тросом и блок управления скоростью движения машины.

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов. Способ заключается в том, что газ подвергают сжатию в замкнутой измерительной камере, в которой установлено равноплечевое коромысло, снабженное измерительным поплавком и противовесом, до давления, при котором плотность газа становится равной плотности измерительного поплавка, что определяют по всплытию поплавка и горизонтальному положению коромысла, фиксируют значения температуры и давления в замкнутой измерительной камере в момент всплытия поплавка и используя измеренные значения, определяют значение влагосодержания исследуемого газа по следующим соотношениям: где ρпара - плотность водяного пара, ρпара=0,803 г/литр ρсух - плотность сухого воздуха, ρсух=1,293 г/литр где Vпопл - объем поплавка (в литрах), mпопл - вес поплавка с учетом противовеса (в граммах), T0=273°C, tлаб - температура исследуемого воздуха, °C, P0 - нормальное атмосферное давление, P0=760 мм рт.ст., Pлаб - давление в лаборатории, мм рт.ст., ΔPизб - величина избыточного давления ΔPизб=(Pкамера-Pлаб), мм рт.ст. Pкамера - давление в измерительной камере в момент всплытия поплавка, мм рт.ст. Техническим результатом является снижение эксплуатационных затрат и повышение безопасности измерений. .

Изобретение относится к области измерения влагосодержания воздуха (газов), в частности может быть использовано для поверки гигрометров без демонтажа с места установки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения относительной влажности воздуха от 0 до 100% в интервале температур (- 20÷50)°С.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Изобретение относится к средствам измерения обводненности жидких нефтепродуктов и может быть использовано для определения доли воды в нефтепродуктах при их переработке и/или сжигании и/или приготовлении водно-топливных эмульсий (ВТЭ).

Изобретение относится к устройствам для измерения содержания капельной жидкости в потоке природного и попутного газа диапазона применения устройства по давлению в газопроводе.

Изобретение относится к способу определения количества наносимой жидкости при выполнении процессов кожевенного и мехового производства намазными способами Способ характеризуется тем, что количество жидкости, которое может поглотить кожевая ткань, определяют по влагосодержанию в момент усадки образцов при сваривании в процентах.

Изобретение относится к способам определения деформаций земной поверхности при отсутствии взаимной видимости между наблюдаемыми пунктами. Сущность: на изучаемой площади закладывают грунтовые реперы по наблюдательной линии, предварительно рассчитав ее длину.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при проектировании зданий и сооружений для определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Для этого осуществляют бурение скважин с отбором керна, оттаивают полученный образец замороженного грунта и определяют суммарное содержание влаги по непрерывному изменению информативного показателя в ходе оттаивания. В качестве информативного показателя используют отношение активности акустической эмиссии из контролируемой области массива к активности акустической эмиссии наиболее водонасыщенного участка полностью оттаявшего керна; для обоих показателей учитывают удельный по массе грунт и усредненные, последовательные и соизмеримые по продолжительности интервалы времени для определения распределения суммарного содержания влаги по глубине. Регистрацию акустической эмиссии осуществляют с помощью преобразователей, размещаемых по глубине скважин массива. Количество незамерзшей воды на различных участках массива 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. Изобретение обеспечивает способ контроля геологической среды. 4 ил.

Наверх