Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

 

О П И С А Н И Е ()968163

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскии

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24. 11.80 (2I ) 3008244/29-33 с присоелиненнем заявки № (23 ) Приоритет

Опубликовано 23,10,82. Бюллетень № 39 (5I)M. Кл.

Е 02 0 1/00

3Ьеуааротеаииый комитет

СССР ие делам изобретений и открытий (53) УДК 624,131 (088.8) Дата опубликования описания 23 . 10.82

Э.Д,Ершов, 6.С.Даниэлян, П.A,ßíèöêèé, В.Н.Галиева и А.А.Степкин

1 г

Государственный научно-исследователь ский 1и проектный институт нефтяной и газовой промышленности

1 им. В.И.Муравленко (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

НЕЯАМЕРЗИЕИ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерных изысканиях и проектировании зданий и сооружений.

Известен способ определения количества незамерзшей воды в исследуемом материале по его электрическим свойствам (1 ).

Недостатком этого способа является зависимость электрическог параметра материала не только от влагосодержания, но и от температуры образца.

Наиболее Ьлизким техническим ре-. шением к изоЬретению является способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий нагревание предварительно замороженного оораэца грунта и непрерывное измерение температуры образца при оттаивании (= ).

Недостатком известного способа является то, что его однократное применение позволяет определить количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах Ин(Т) только при одной определеннои температуре. Однако величина W„(Г) существенно зависит отн температуры, уменьшаясь при ее понижении вплоть до температуры Tz, ниже которой Чн практически не изменяется (фиг. 1), Поэтому при определении количества незамерзшей о воды Wö.„(Ò) в диапазоне отрицательных температур этим калориметрическим спосоЬом оттаивание грунта приходится проводить не менее пяти раз

15 с соответствующей подготовкой идентичных образцов. Это влечет за собой большую длительность замера количества незамерзшей воды W„(Т) и невысокую точность .определения фага зового состава воды, связанную с естественным разбросом свойств разных образцов.

Цель изобретения - сокращение времени замера и повышение точности определения фазового состава воды.

3 968163

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающем нагревание, предварительно замороженного образца грунта и непрерывное измерение температуры образца при оттаивании, замораживание образца грунта производят до температуры, при которой стабилизируется количество. незамерзшей )О воды, выдерживают при этой температуре 3-4 ч, а при оттаивании образца мерзлого грунта непрерывно регистрируют количество тепла, затраченного на его нагревание, и фазовый переход И влаги до температуры оЬразца ()"С, затем измеряют суммарную влажность образца и на основе полученных данных определяют непрерывную зависимость количества тепла от температуры, а ко- 0 личество незамерзшей воды определяют по формуле ат" ат а (т)=Е (иоiiiце -J(abQ+d >е dt), Н5 о

2S Спас

vip ж.

c,=с„р сыч„+с„)., где L - льдистость грунта, д.е., которое с учетом того, что

No™) ь где Ц (Т) - количество незамерзшей

)(Ъ воды, д,е.;

Т - температура, С;

1) - суммарная влажность обо разца, д.е., - количество тепла, затраченного на нагревание системы грунт-вода-лед и фазовый переход влаги; с " удельная теплоемкость воды, Дж/кг град; с — удельная теплоемкость

Л льда, Дж/кг град, с — удельная теплоемкость сухого грунта, Дж/кг град, Ж - открытая теплота плавления льда, Дж/кг;

Ч - объем образца, м3; объемная масса скелета грунта, кг/м .

На фиг. 1 приведен график количества незамерзшей воды; на фиг. 2устройство, реализующее способ", на 50 фиг. 3 - динамика изменения температуры Т и количества тепла О при оттаивании мерзлого грунта.

Устройство содержит образец 1 грунта, помещенный в камеру 2 из теп- ss лоизоляционного материала, снабжен- . ную датчиками температуры 3 и теплового потока 4;

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах осуществляют следующим образом.

ОЬразец 1 помещают в камеру 2, охлаждают его. до температуры Т, ниже которой фазовый переход практически не происходит (для большинства грунтов, встречающихся на практике, Т не меньше "1() ). ()бразец выдеро живают при этой температуре 3-4 ч (за это время заканчиваются реалаксационные процессы, возникающие при промерзании).

Далее камеру с грунтом помещают

s среду с положительной температурой.

Образец начинает нагреваться, при этом с помощью электроизмерительных приборов производят запись показаний датчика температуры 3 и теплового потока 4. Таким образом получают данные об изменении во времени температуры

Т и количества тепла, затраченного на нагревание .системы грунт-вода-лед и фазовый переход влаги. Когда температура образца 1 достигнет () С, образец вынимают из камеры 2 и стандартным весовым спосоЬом определяют влажность Чо, Затем на основе данных изменения температуры образца Т и количества тепла, а при оттаивании грунта получают. непрерывную зависимость 0(Т) и результаты измерений обрабатывают по формуле, вывод которой представлен ниже.

Уравнение теплового Ьаланса для рассматриваемого образца грунта имеет следующий вид.

dWH +, dT i aQ

Ч З. с где t - время, с; с - удельная теплоемкость грунта, ккал/кг град.

Известно соотношение для теплоемкости мерзлого грунта принимает следующий вид

C=Cгр+(С0 (.л)ФН С. )(/

На фиг. 3 изображена динамика изменения температуры Т и количества тепла Q при оттаивании мерзлого грунта. Температура Т при этом процессе

5 9681 монотонно увеличивается.Это позволя-. ет с учетом уравнения теплового баланса и последнего соотношения записать уравнение для функции W (Т)

d%us s 89 .1. 1 дт

Решение этого уравнения с условием /г=Ос =14 имеет вид /Нъ(Т) =Е (/о+ (Ь вЂ” „-d) e ат). 1о

-ОТ Т gQ ат

Для того, чтобы использовать эту формулу при T=const (в этом случае неопределено Щ/4Т), в правой части произведем интегрирование по ча стям. Окончательно расчетная формула принимает слецующий вид щ,(т)=Е С1 (Ф,.ЬцраТ вЂ” (аЬа Же Ът) .

Содержание льда и незамерзшей воды, т.е. фазовый состав влаги, в мерзлых грунтах предопределяет их теплофизические и физико-механические свойства. Это, в свою, очередь, обуславливает особенности строительства и эксплуатации инженерных сооружений на мерзлых грунтах. Способ можно применять для быстрого замера количества незамерзшей воды

W®(T), что позволит осуществить оперативное определение этой характери;стики для большого количества образцов.

35 формула изобретения

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий нагревание предварительно замороженного образца грунта и непрерывное измерение температуры образца при оттаивании, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью сокращения замера времени и повышения точ. ности определения фазового, состава воды, замороживание образца грунта

63 6 производят до температуры, при которой стабилизируется количество незамерзшей води, выдерживают при этой температуре 3-ч ч, а при оттаивании образца мерзлого грунта непрерывно регистрируют количество тепла, затраченного на его нагревание, и фазовой переход влаги до температуры образо ца О С, затем измеряют суммарную влажность образца и на основе полученных данных определяют непрерывную зависимость количества тепла от температуры, а количество незамерзшей воды определяют по формуле

w» p ) = eс (а,, о е J(a b Q i a ) e У ) л ь 3 сгР+слжа

x чту ж где Ч (Т) - количество незамерзшей воды, д.е.;

Т - температура, W - суммарная влажность обо разца, д.е.;

0 — количество тепла,затраченного на нагревание системы грунт-вода-лед и фазовый переход влаги, Дж, с - удельная теплоемкость

6 воды, / ж/кг. град, с — удельная теплоемкость сухого грунта, Дж/кг. град

c - удельная теплоемкость льда, Дж/кг.град, К вЂ” скрытая теплота плавления льда, Дж/кг;

1/ — объем образца, м у - объемная масса скелета грунта, кг/м .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство CCCP

197223, кл. 6 01 N 25/02, 1966.

2, Ершов Э.Д, и др. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М., Изд-во МГУ, 1979, с. 189.

968163

Ыц

ЗО

-2 -4 -б -Ю Т, Т С

Фиг.1

М элйктрои3мерительным ириборам

Тепло/ой иотпок юг. 2

T,Ñ

Q,лЮ с

ЯОдд

f000

-10

5бд 1 С, ФигЗ

ВНИКПИ Заказ 8052/44 Тираж

709 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4