Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах



Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах
Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах
Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

 


Владельцы патента RU 2592915:

Федеральное государственное бюджетное Учреждение науки - Институт мерзлотоведения им.П.И.Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях и проектировании зданий и сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов. Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах включает оттаивание мерзлого грунта до температуры ниже установленной температуры начала его оттаивания, одновременную регистрацию температуры образца и времени, построение графика изменения во времени логарифма избыточной температуры, определяемой как разность между температурой образца и температурой среды, фиксирование по построенному графику времени и температуры начала оттаивания, построение графика изменения температуры образца во времени, по которому определяют время и температуру окончания оттаивания и расчет искомого количества незамерзшей воды из приведенной зависимости. Образец мерзлого грунта помещают в металлический сосуд с дном. После оттаивания насыщают водой до полного заполнения пор и измеряют начальную высоту образца. Оттаявший образец грунта замораживают ступенчато-возрастающей отрицательной температурой с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образцаю. На каждой ступени температуры снимают показания индикатора деформации. Технический результат состоит в повышении точности измерения, обеспечении получения возможности определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах по водонасыщенным образцам, упрощении расчетов количества незамерзшей воды. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях и проектировании зданий и сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов.

Известен способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, основанный на измерении теплового эффекта при оттаивании образцов мерзлого грунта в калорифере [1]. Недостатками способа являются необходимость определения множества промежуточных параметров, значительная трудоемкость при измерении и обработке результатов.

Известен также способ [2], который позволяет определять количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах по температурам оттаивания предварительно замороженных образцов одного и того же грунта с различной исходной влажностью. Недостатком способа является низкая производительность.

Известен также способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах в течение одного эксперимента, основанный на измерении количества тепла, идущего на нагрев оттаивающего образца и плавление льда [3]. Недостатком способа является необходимость определения большого числа исходных параметров грунта (объем образца, влажность, теплофизические свойства) до начала эксперимента, что снижает точность определения количества незамерзшей воды, значительные затраты времени на вычислительные операции ввиду сложности расчетной формулы, а также необходимость иметь специальное устройство для измерения теплового потока.

Наиболее близким техническим решением является «Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах» [4], основанный на непрерывном измерении температуры образца при оттаивании с последующим определением количества незамерзшей воды по результатам измерений одного эксперимента.

Недостатком способа является низкая точность измерений, связанная с наличием неравновесного теплообмена в процессе измерения, приводящим к неточному измерению температуры, узкая область применения, связанная с невозможностью определения параметров водонасыщенных мерзлых грунтов, сложность графических представлений и расчетов количества незамерзшей воды.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения, получение возможности определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах по водонасыщенным образцам, упрощение расчетов количества незамерзшей воды.

Технический результат достигается тем, что способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий оттаивание мерзлого грунта до температуры ниже установленной температуры начала его оттаивания, одновременную регистрацию температуры образца и времени, построение графика изменения во времени логарифма избыточной температуры, определяемой как разность между температурой образца и температурой среды, фиксирование по построенному графику времени и температуры начала оттаивания, построение графика изменения температуры образца во времени, по которому определяют время и температуру окончания оттаивания и расчет искомого количества незамерзшей воды из соотношения

где τ - текущая координата времени, соответствующая температуре образца;

τн - момент времени начала оттаивания фазовых переходов в образце мерзлого грунта;

τот - момент времени полного оттаивания образца мерзлого грунта;

we - естественная влажность образца мерзлого грунта;

wм,г - максимальная гигроскопическая влажность образца мерзлого грунта,

характеризуется тем, что образец мерзлого грунта помещают в металлический сосуд с дном, после оттаивания насыщают водой до полного заполнения пор и измеряют начальную высоту образца, оттаявший образец грунта замораживают ступенчато-возрастающей отрицательной температурой с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образца, а на каждой ступени температуры снимают показания индикатора деформации.

Индикатор деформации можно применять часового типа. Указанный индикатор позволяет достигнуть высокой точности при простоте обслуживания.

После получения результатов проведенного эксперимента можно определить массу грунта, массу и объем минеральных частиц, по которым рассчитывают влажность и плотность минеральных частиц образца грунта.

По полученным значениям приращения показаний индикатора деформации и физических характеристик образца можно определить влажность образца грунта по незамерзшей воде на каждой ступени температуры из соотношения:

Где ρs, ρw и ρi - плотность минеральных частиц в образце грунта, воды и льда;

- влажность образца водонасыщенного грунта;

m и md - масса образца грунта и минеральных частиц;

F - площадь поперечного сечения образца;

h - начальная высота образца;

с - цена деления индикатора деформации часового типа;

Δn - приращение показаний индикатора.

Можно при необходимости построить график зависимости количества незамерзшей воды в образце грунта от температуры. Указанный график можно использовать при дальнейших расчетах, например, деформационных характеристик грунта для расчетов фундаментов сооружений.

Устройство измерения деформации с часовым индикатором схематически показано на фиг. 1 (разрез), где:

1 - станина;

2 - стойка;

3 - устройство для крепления индикатора;

4 - индикатор;

5 - металлический стакан;

6 - металлическая пластина;

7 - образец грунта.

Устройство действует следующим образом. Установка состоит из станины 1 со стойкой 2, устройства 3 для крепления индикатора перемещений часового типа 4, металлического стакана 5, в который помещается образец грунта 7, накрываемый металлической пластиной 6.

Расчетная формула (1) получена из уравнения взаимосвязи показателей физических свойств грунтов [5].

где Va и V - объем воздуха и грунта; ww - влажность грунта по незамерзшей воде.

При полном заполнении пор грунта водой . В этом случае из (1) получаем выражение влажности грунта по незамерзшей воде:

Заменив , где F - площадь поперечного сечения образца; h и hi - начальная и текущая высота образца; с - цена деления индикатора деформации и Δn - приращение показаний индикатора, получаем расчетную формулу влажности мерзлого грунта по незамерзшей воде:

Для определения ww по формуле (4) образец мерзлого грунта обрабатывают и помещают в стакан 5, затем оттаивают и на основании известного положения [6] о том, что количество незамерзшей воды не зависит от влажности грунта, насыщают водой путем заливки воды в стакан, измеряют начальную высоту подготовленного образца. После этого всю установку с образцом помещают в холодильную камеру, в которой температуру понижают ступенями с выдержкой до прекращения деформации образца. На каждой ступени температуры фиксируют показания индикатора 4. Ступени температуры задают исходя из общих закономерностей фазовых переходов воды в грунтах. По мере понижения температуры количество незамерзшей воды уменьшается в разных грунтах с различной интенсивностью [6]. В области интенсивных фазовых переходов от 0 до минус 2,5°С ступень принимается, равной 0,5°С, в области средней интенсивности от минус 2,5 до 4,5°С - 1,0°С и при температурах ниже 4,5-2,0°С.

По данным физических характеристик образца грунта можно найти максимальное значение приращения показаний индикатора деформации в конце эксперимента, что дает возможность оценить приемлемость способа.

Когда вся вода в образце практически замерзает ww=0 и, приняв во внимание, что , из формулы (4) найдем максимальное значение приращения показаний индикатора:

Пример. Образец грунта: суглинок, глубина отбора образца 1 м, ρd=1,28 г/см3, ρs=2,71 г/см3, w=0,42 д.е. (Техническое заключение по результатам инженерно-геологических изысканий на стройке: Комплексная застройка квартала 84 в г. Якутске. ООО «Якутпроект-Изыскатель». Фонды ИМЗ СО РАН, арх. №005378).

Влажность, соответствующая полной влагоемкости рассматриваемого образца грунта, найденная по формуле , равна 0,41 д.е., т.е. образец был водонасыщенным. Максимальное приращение образца по формуле (5) после замерзания всей воды при высоте образца 50 мм и цене деления индикатора с=0.01 мм

деления.

Существенное изменение показаний индикатора при замерзании образца грунта показывает возможность определения количества незамерзшей воды путем измерения его деформации.

Технический результат - повышение точности измерения достигается ступенчатым изменением температуры с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образца, при этом на каждой ступени измерения отсутствуют значимые для результата неравновесные тепловые процессы.

Технический результат - получение возможности определения параметров водонасыщенных мерзлых грунтов достигается применением приема насыщения водой до полного заполнения пор.

Технический результат - упрощение расчетов количества незамерзшей воды достигается отсутствием необходимости построения графика.

Литература

1. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1973, с. 20.

2. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов. / Под ред. С.Е. Гречищева. М.: Недра, 1983, с. 18.

3. Авторское свидетельство СССР N968163, кл. Е02D 1/00, 1982.

4. Патент RU 2034110 6, Е01D 1/00, 1995.

5. Кузьмин Г.П. Взаимосвязь показателей физических свойств грунтов. Проблемы инженерного мерзлотоведения. Материалы IX Международного симпозиума. 03.07.2011, г. Мирный. С. 60-62.

6. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. - Новосибирск: Наука, 1975. - 178 с.

1. Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий оттаивание мерзлого грунта до температуры ниже установленной температуры начала его оттаивания, одновременную регистрацию температуры образца и времени, построение графика изменения во времени логарифма избыточной температуры, определяемой как разность между температурой образца и температурой среды, фиксирование по построенному графику времени и температуры начала оттаивания, построение графика изменения температуры образца во времени, по которому определяют время и температуру окончания оттаивания и расчет искомого количества незамерзшей воды из соотношения

где τ - текущая координата времени, соответствующая температуре образца;
τн- момент времени начала оттаивания фазовых переходов в образце мерзлого грунта;
τот - момент времени полного оттаивания образца мерзлого грунта;
We - естественная влажность образца мерзлого грунта;
Wм,г - максимальная гигроскопическая влажность образца мерзлого грунта,
отличающийся тем, что образец мерзлого грунта помещают в металлический сосуд с дном, после оттаивания насыщают водой до полного заполнения пор и измеряют начальную высоту образца, оттаявший образец грунта замораживают ступенчато-возрастающей отрицательной температурой с выдержкой на каждой ступени до прекращения деформации образца, а на каждой ступени температуры снимают показания индикатора деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что индикатор деформации применяют часового типа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения результатов проведенного эксперимента определяют массу грунта, массу и объем минеральных частиц, по которым рассчитывают влажность и плотность минеральных частиц образца грунта.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по полученным значениям приращения показаний индикатора деформации и физических характеристик образца определяют влажность образца грунта по незамерзшей воде на каждой ступени температуры из соотношения

где ρsw и ρi - плотность минеральных частиц в образце грунта, воды и льда;
- влажность образца водонасыщенного грунта;
m и md - масса образца грунта и минеральных частиц;
F - площадь поперечного сечения образца;
h - начальная высота образца;
с - цена деления индикатора деформации часового типа;
Δn - приращение показаний индикатора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что строят график зависимости количества незамерзшей воды в образце грунта от температуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и предназначено для измерения деформаций морозного пучения, сжимаемости при оттаивании и коэффициента фильтрации при нескольких циклах промерзания-оттаивания в лабораторных условиях.

Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства и может быть использовано в технике и технологии исследования физико-механических свойств грунтов в естественных условиях.

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.

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 строительству, а именно к испытанию грунтов методом статического зондирования в труднодоступных участках. Установка статического зондирования содержит винтовой механизм зондировочный и включает два или более винтовых валов с возможностью синхронного вращения, расположенных параллельно колонне зондировочных штанг, связанных общей подвижной траверсой для упора колонны зондировочных штанг.

Изобретение относится к области инженерной геологии, а именно к способам для определения влияния различных веществ на газообразующую способность грунтов в лабораторных и полевых условиях, и позволяет подобрать ингибиторы газообразования в грунтах.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» весомой среды в ее массиве и на краях откосов в естественном и нарушенном состоянии.

Изобретение относится к области «Физики контактного взаимодействия материальной среды», конкретно к способу определения несущей способности и устойчивости дисперсной среды под нагрузкой от плоского жесткого штампа.

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения характеристик деформируемости грунтового основания. Способ испытания грунтового основания штампом включает нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживание при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа, регистрацию осадки штампа при нагружении и конечном давлении и определение характеристик деформируемости грунтового основания.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для отбора проб воздуха из грунта в местах подземных переходов магистральных газопроводов под водными и иными преградами, в местах расположения подземных газовых хранилищ, емкостей и т.д.

Изобретение относится к техническим устройствам для испытания грунтового основания фундамента штампом. Тензометрический секционный штамп содержит чувствительный элемент и измерительные приспособления для измерения контактного давления. Чувствительный элемент расположен между грунтовым основанием и жестким штампом, выполнен в виде упругой плиты постоянной толщины из материала с модулем упругости, меньшим в 10 и более раз модуля упругости материала штампа, и имеет размеры и форму штампа в плане и толщину, равную не более 1/10 ширины штампа. Штамп и упругая плита имеют соосные сквозные отверстия, каждое из которых служит геометрическим центром секции, выделенной физически или виртуально из упругой плиты, и в которых в теле жесткого штампа закрепляют или изготавливают полые цилиндры со стержнями, имеющими возможность свободно перемещаться относительно полых цилиндров, но закрепленными посредством анкеров, выполненных в форме дисков, на нижней грани упругой плиты, а перемещения стержней относительно полых цилиндров определяют измерительными приспособлениями. Технический результат: повышение эффективности тензометрического штампа за счет возможности измерения двумерного распределения контактного давления по подошве штампа, уменьшения сложности изготовления и эксплуатации, а также снижение его стоимости. 2 ил.
Наверх