Способ определения количества незамерзшей воды и льда в горных породах

 

О П И С А Й И Е !!!1532044

Союз Советских

Социалистических

Республик

ЗОБРЕТЬяня

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕа|ЬС ПУ (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 18.12.74 (21) 2084668 25 (51|.Ч. Кл.- з6 01M 25 62 с присоед||нснием заявки М

Государственный комитет

Совета Министров СССР (23) Приорптст

Опубликовано 15.10.76. Б|оллстень ЛЪ 38

Дата опуОл и;(ОВ анпя оп исапиЯ 1 1. 10.76 (3) 3 ДК 620.17133 (088,8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

В. А. Кудрявцев, В. В. Гуров, 3. Д. Ершов, 1О. П. Акимов, И. A. Комаров и 3. 3. Кучуков

Московский ордсна Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. М. В. Ломоносова (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ИЕЗАМЕРЗШЕЙ

ВОДЫ И ЛЬДА В ГОРИЫХ ПОРОДАХ

Изобретение относится к области опреде:ieния фазового состава воды в дисперсных»атериалах при отрицатель!Ных температурах, а более конкретно K области Ollределения количества незамерзшей воды и льда в мерзлых горных породах и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуата ции инженерных сооружений в области распространения многолетнемерзлых пород.

1!

Известен калориметрический способ определения количества льда и !незамерзшей воды в мерзлой породе, основанный 1на измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого образцом исследуемой породы в результате его оттаивания или дальнейшего промерза!Ния. Калориметрический способ определения количества незамерзшей воды в мерзлой породе заключается в измерении содержания льда в этой породе, а жидкая фаза Воды находится по p23IHocTH ме)1(д) с) ммарным Влагосодержанием и установленным количеством льда (1). При расчете содержания льда и незамерзшей воды в мерзлой породе по общеи!ринятому в настоящее время калориметрическому способу необходимо знать количество тепла, поглощаемое или выделяемое всеми частями калориметра при изменении тсмпературы калориметрической жидкости па 1 С, и строго поддерживать тепловыс условия, что ЗО

s cл0)кпяет спосоо ОГ!рсделенпя незамерзг еи

Воды и его аппаратурную реализацию. Следует отмстить, ч Го в 00ласти низких темпера р ВОЗНИI(210 Г Зпа IHTP..IÜÍÛe IIOI)pCUiHOCTI1 В

Опреде|!снии фазОВОГО сОст2Ва ВОды ка Iopll)lстрпческп)1 спос000м за счет выделяемой

l сплоты смач!Iванпя. Дополнптсльная попреш-!.00TH Возникает из-за допущения, что теплосзlкость связанной (|lсЗамсрзшей) ВОды IlpHпнмается равной 1 ккал/(кт.град), хотя в

ДЕИСТВИТЕ ibHOCI OHB НЕСКОЛЬКО МЕНЬШЕ. ВСЕ э l o OTj)Bжаетс11 на точности Опредсления колп|ества незамерзшей воды. Кроме того, содержание неза. lе})зшей Воды В тонкодиспсрсных породах (Г;1!Iны, c) Глинки) 01(азыВаеl ся зависящим от напраиленпя хода изменения тсмперат) ры В 1(2,10 )пзlстре, т, е. Имеет место гис ерез! с, приводящ!|й к неоднозначности

01|1)сдслсния !(0;ill lсс В2 нсзамерзшеи ВОды В

:!сслсдуемом образце. Следует также под .cpl(H! ть, что Hpll кало;)п)lстрпческом спосоое (ОличестВО нсза )!с))зшси ВОды Определяется . Hillb в одном одр зце и следуемой породы, ч т о 3 H B ÷ i! ò е;1 ы l О у c c! 0; 1(í ÿ е ò и р и м е н е н 1! е э т 0 Г 0 спо 00 а Ilp ii )|ас:О во м ollp едсзlении колпчсства незамерзшей золы в Образцах различных пород.

Извес rc:i т||кжс -llс-00 Определения коли водjl в 1|сследтемом MBTе;)|IB,)e !!o ".0 ->,!сктр!Ii!ccl(1I)I сВОнстВахl (2).

532044

Недостатком такого способа является за висимость электрического параметра материала ,не только от влагосодержа ния, но и от температуры образца. В связи с этим датчик элекгрического параметра предварительно градуи.руется при различных, положительных температурах и в. агосодержаниях образца данного материала, а затем результаты градуировки экстраполируются на ооласть отрицательных температур и производится учет влияния влажности на показания датчика, что значительно усложняет определение количества незамерзшей воды и снижает точность определе ния.

Наиболее олизким техническим решением к данному изобретению является стандартныи весовои спосоо определения влажности грунтов Я. Весовым способом можно определить оощую (суммарную) влажность мерзлых горных пород, обусловленную c)ммарным содержанием льда и незамерзшеи воды в породе.

Однако этот способ не позволяет диффер нцировать фазовыи состав влаги в,мерзлых породах, т. е. раздельно определить как содержание незамерзшей воды, так и содержание льда.

Целью изобретения является дифференци,рованное определение содержания жидкой и твердой фаз воды в мерзлых образцах пород, повышение экономической эффективности и точности определения фазового состава воды в образцах пород при .различ ных отрицатель ных температурах.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе осуществляют односторо ннюю сублимацию льда в образцах горных пород, влагоизолируя все поверхности оо разца,,кроме од ной, через которую происходит удаление водяных паров из грунта. 11ри этом в про цессе сублимации льда образцы обдувают вдоль открытой поверхности потоком воздуха задан пои отрицательной температуры.

После достижения преимущественно 10-ти миллиметровой толщины иссушенной зоны породы, наблюдаемой визуально по осветлению породы в этой зоне, на основе послойного определения влажности преимущественно слоями 1 — 2 мм, начиная с открытой поверхности,,находят профиль влагосодержа ния, по которому определяют количество незамерзшей воды в образце породы при заданной отрицательной температуре и суммарное влагосодержа ние. Содержание льда в породе определяют по разности между установленным суммар ным влагосодержанием и содержанием незамерзшей воды.

Определение, количества незамерзающей водь1 иллюстрируется чертежом, isa котором для температур 4 и 4 схематически изображены профили суммарной влажности W(Z) в образцах тонкодиспе рсных горных пород после проведения сублимации льда в них. Искомое ,количество незамерзшей воды определяется точкой W=W,(t). По оси Z отложена текущая координата высоты образца, а W< соответствует начальному суммарному влагосодержанию. Область Z) (, соответствующая влажности W»(W(W>, характеризуется динамическим равновесием незамерзшей воды и льда и постоянством количества незамерзшей воды (при заданной температуре образца).

0бласть 0(Z(g<, иссушаемая в процессе сублимации льда, характеризуется отсутствием льда и увеличением относительной влажности водяного пара до 100% при углуб1п лении от открытой поверхности образца (Z =

=О) к зоне фазовых переходов льда (1 <

Предварительные эксперименты показали, что оптимальная площадь поперечного сечения и высота образцов составляет 10 — 15 см - и б — -8 см соответственно. Ьоковую поверхность и .нижнее основание каждого образца влагоизолируют с помощью прозрачных полиэтиленовых кассет, а верхнее основание

2О оставляют открытым для удаления паров воды при сублимации льда в породе. Для сублимации,льда образцы помещают в холодильный шкаф, температуру в котором зара нее задают равной температуре исследуемых мерзлых образцов и поддерживают постоянной в течение всего эксперимента. Для ускорения процесса сублимации льда с помощью электрического вентилятора осуществляют обдувку верхних оснований образцов потоком воздуха преимущественно со скоростью 5—

6 м/сек.

В процессе сублимации льда происходит углубление зоны фазовых переходов льда.

Определение профиля суммарной влажности по высоте образцов производят через некоторое время после начала сублимации, соответствующее условию g> — 10 мм (см. чертеж) .

Координату Z=E> определяют визуально по осветлению иссушаемой области образца (Wi(W< W„,) по сравнению с областью, незатронутой процессом сублимации льда (W= К ). Суммарную влажность определяют послойно по высоте ооразца весовым методом ,как отношение разности в весах каждого слоя до и после высушивания при 105 С (до достиже ния постоянного веса) к весу сухой породы в да ином слое. Полученные значения влаж|ности наносят |на график в точках, определяющих середи|ну толщины соответствую50 щих слоев. Толщину слоев в области 0 (Z<

<(выбирают равной 2 — 3 мм, в области

g,(Z(1, — 1 мм и в области g (Z h (h— высота об разца) — 3 — 5 мм.

На построенных таким образом профилях суммарной влажности образцов:пород проводят прямые, определяю щие области малого (0(Л< 1) и большого (g>(Z(F2) градиентов влагосодержания, и по точке их пересече ния, характеризующейся ди намическим равно;о весием фаз воды и соответствующей отсутствию льда и 1000 0-.ной относительной влажIHocTH паров воды, определяют, количество незамерзшей воды W„, при заданной отрицательной тем пературе. Начальное суммарное

65 влагосодержание определяют по области 2<

532044 а н м. Ф/, Составитель В. Гуров

Текред Л. Кочемирова

Редактор Н. Каменская

Корректоры; Л. Котова и 1 11. Лейзерман

Заказ 2134/3 Изд. № 1665 Тираж 1029 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

Типография, пр. Сапунова, 2 (Z h, в которой W=Wp, а льдистость — по разности Wo — и нв.

Г1о срав нению с известными, данный способ является прямым, что существен но упрощает определение количества незамерзшеи воды и льда и повышает точность определения искомых величин, которая составляет 2 Надежность способа подтверждена данными параллельного определения количества незамерзшей воды в четырех типах горных пород калориметрическим и сублимационным методом.

К роме того, опособ сублимации, льда в,породах позволяет определять фазовый состав воды одновременно в нескольких десятках и даже сотнях образцов пород, что существенно повышает экономическую эффективность способа.

Экономический эффект использования данного метода Госстроем РСФСР при инженерно-геологических изысканиях и проектировании инженерных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород, в том числе в условиях БАМ, по предварительным расчетам составит 180000 руб, в год.

Формула изооретения

Способ определения, количества незамерзшей воды и льда в горных породах iIIO суммарному влагосодержанию образцов исследуемых мерзлых пород, определяемому весовым методом, отличающийся тем, что, с целью дифференцированного определения содержания жид кой и твердой фаз воды в мерзлых образцах пород, повышения экономической эффективности и точности определения фазового состава воды в образцах пород при различных отрицательных температурах, осуществляют сублимацию льда в каждом образце с одной из его поверхностей, влагоизолируя остальные поверхности, причем в процес=е сублимации льда образцы обдувают вдоль открытой поверхности потоком воздуха заданной отрицательной температуры, и после до10 стижения преимущественно 10-ти миллиметровой толщины иссушенной зоны породы, наблюдаемой визуально по осветлению породы в этой зоне, на основе послойного определения влажности преимущественно слоями 1—

2 мм, находят профиль влагосодержания, по которому определяют количество незамерзшей воды в образце .породы при заданной отрицате IblHQH температуре и суммарное влагосодержа ние, а по разности установленного суммарного влагосодержания и содержания незамерзшей воды определяют содержание льда в породе.

Источники инфо рмации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Нерсесова 3. А. Инструктивные указания по определению количества незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах. «Материалы IIQ лабораторному исследованию мерзлых грунтов», № 22, Изд-во АН СССР, М., 1954.

2. Авт. свид. СССР № 197233, М. Кл.

G 01N 25/02 09 02 66

3. ГОСТ 5179-64. Грунты. Метод лабораторного определения влажности. Стройиздат, М,, 1964.