Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1и>998929

Союз Советских

Соцналнстнческнх

Республик (6! ) Дополнительное к авт. саид-ву(22)Заявлено 14. 04.81 (21) 3272764/18-25 с присоединением заявки Ле

{23) П рноритет— (51)М. Кл.

6 01 и 25/56

Геаударатееиые квинтет СССР яй делан кзебретений и еткрьпий

Опублнковамо 23 . 02 . 83 . о1оллетемь .В 7 (И) УДЗ(551 508.

° 7(088. 8) Дата опубликования описания 23. 02.83

Н. В. Чураев, Я. Б. Горелик (72) Авторы изобретения

Государственный научнс1-ис институт нефтяной и га.им. В.И. Муравленко и Орд институт физическ ектный (71) Заявители о Знамени (54} СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ,НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ .ГРУНТАХ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения количества незамерзшей воды, в мерзлых грунтах, и может быть использовано при инженерных изысканиях, проектировании, строительстве и зксп1 луатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых пород.

Известен калориметрический способ определения количества незамерзшей

-10 воды в мерзлых грунтах, основанный на измерении количества тепла, поглощаемого образцом исследуемой породы в результате его оттаивания (1),Недостатком известного способа яв15 ляется использование холодильникатермостата, что практически исключает применение данного способа в. поле\ вых условиях.

Наиболее близким техническим решением к изобретению -является способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, заключающий-.

2 ся s том,,что замерзший образец помещают в контейнер и в оттаявшем состо» янии смачивают определенным количест" вом воды до влажности, выше предельной полевой влагоемкости, и измеряют количество воды, просочившейся через испытываемый образец (?).

Однако известный способ недостаточно точен при определении незамерзшей воды в мерзлых грунтах.

Цель изобретения - повышение точ" ности определения количества незамерзшей воды в зависимости от отрицательной температуры образца без использования охлаждающей и злектроизмеритель ной аппаратуры.

Цель достигается тем, что согласно способу определения количества незамерзшей воды в,мерзлых грунтах, заклю. чающемуся в том, что образец помещают в контейнер и в оттаявшем состоянии смачивают определенным количеством воды до влажности, выше предельной полевой влагоемкости, и измеряют ко3 9989 личество воды, просочившейся через испытываемый образец, водонасыщенный талый образец нагружают прессом, с помощью которого вытесняют содержащуюся в нем воду до стабилизации коли- . чества отжатой воды, после чего определяют стабилизированное значение давления и по известной начальной влаж1 ности образца и количеству отжатой .воды определяют весовую влажность об- 16 раэца, а отрицательную температуру, ! при которой это. значение влажности равно количеству незамерзшей воды в мерзлом образце,! Определяют по формуле „р 6 е=- -" "Т у обад À«отрицательная температура;

Р - стабилизированное давление нагружения; 26

ПЛОТНОСТЬ ЛЬДар

L - удельная теплота фазового перехода;

Т© " температура фазового перехода воды в лед. 2$

После чего создают следующую сту" пень нагружения, пока не будет перекрыт практически весь необходимый диапазон температуры..

Ца фиг. изображено одно иэ воз- щ можных устройств,. реализующих способ; на фиг. 2 и 3 - две минеральные частицы с находящимися между ними льдом и пленками незамерзше"; на фиг. 4" кривые незамерзшей воды.

Устройство состоит из пресса 1, способного создавать давление от О до !

О Н/м, с манометром 2, металлического стакана 3, снабженного поршнем

4, металлическим фильтром 5 и прозрач- 4< ной водоотводной трубкой 6 с нанесенной на ней шкалой для измерения уровня воды. Водоотводная трубка 6 соединена с емкостью стакана 3 отверсти ем 7 в дне стакана. Цифрой 8 обозначен испытуемый образец.

Расчет по приведенной Формуле показывает, что предельное давление, создаваемое прессом и равное 0 Н/м, М соответствует температуре -2,5 С, что перекрывает наиболее важный для целей строительства диапазон отрицательных температур мерзлого грунта. Данный интервал давлений может быть обеспе- у чен ручным гидравлическим прессом.

Способ определения количества не-. замерзшей воды в мерзлом грунте осу29 4 ществляют на талом образце в следую-1 щем порядке

Стакан наполняют водой примерно до уровня верхнего торца металлического-фильтра, опускают на дно стакана металлический фильтр и промокательной бумагой убирают излишки влаги, находящиеся над металлическим фильтром. Талый водонасыщенный,образец рунта с известной массой скелета (МОК1 укладывают равнонерно поверх

1металлического фильтра. Затем вводят

)в стакан поршень до соприкосновения е образцом и стакан устанавливают под .пресс. В этом положении снимают начальный уровень воды в трубке. Далее с помощью пресса создают давление на поршень, которое регистрируется маноМЕТРОМ. УPOBPHb ВОДЫ В ВОДООТВОДНОЙ трубке увеличивается по мере вытесне ния воды из образца до некоторого,стабилизированного значения, которое устанавливается примерно в течение ч.

После стабилизации уровня снимают отсчет по манометру (Р) и соответствующее ему изменение уровня воды (фН) в водоотводной трубке. Весовую влажность образца под нагрузкой определяют по формуле

9р hHS мач р, „ где S - площадь проходного сечения водоотводной трубки, а отрицательную температуру, при которой полученное значение влажности соответствует количеству незамерзшей воды в мерзлом образце, определяют по формуле

Р т

Фb у Ь

После этого без выемки образца создают следующую ступень нагружения с идентичной обработкой результатов и так далее пока не будет перекрыт весь практически необходимый диапазон температуры.

Вывод формулы для расчета температуры основан на сравнении выражений для расклинивающего давления в пленке воды между льдом и минеральной частицей и в пленке между двумя минеральными частицами. Равновесное зна- . чение расклинивающего давления в пленке незамерзшей воды между льдом и минеральной частицей связано с температурой пленки следующим соотношением

99892 где за точку отсчета давлений принято давление в свободной (непленочной} воде.

На фиг. 2 схематически .изображены две минеральные частицы с находящимися между ними льдом и пленками незамерзшей воды. Цифрами 9- 11 обозначе-ны соответственно: минеральные частицы; лед; характерное поведение функции взаимодействия молекул воды с по- 10 верхностью минерала.

Если выражение для расклинивающего давления в пленке воды между льдом и минеральной частицей выразить через функцию взаимодействия молекул воды IS с твердыми поверхностями, толщина пленки незамерзшей воды на поверхности минеральной частицы в несколько раз будет превосходить это значение для пленки на поверхности льда при 26 той же отрицательной температуре.

Радиус взаимодействия молекул воды с поверхностью минерала в несколько раз превосходит это значение для взаимодействия молекул. воды с поверх- щ остью льда. Поэтому в данном случае

i достаточной для практики точностью ожно пренебречь взаимодействием моекул воды со льдом.

Если лед заменить второй минераль- ной частицей, то молекулы воды, находящиеся в пленке между ними, могут . взаимодействовать уже с обеими поверхностями. На фиг. 3 цифрой 12 обозначены минеральные частицы, цифрой 13кривые взаимодействия молекул воды с каждой из частиц и цифрой 14 — кривая суммарного взаимодействия молекул воды с обеими поверхностями. Наличие дальнодействия вблизи твердых поверхностей связано с преимущественной ори; ентацией жестких диполей воды во внешнем поле поверхности. Если считать приближенно спреведливым принцип суперпозиции полей от двух минеральных частиц, то поскольку эти поля между частицами направлены в противоположные стороны,.полная энергия взаимодействия молекулы воды с обеими поверхностями равна разности энергий взаимодействия с каждой из поверхностей.

Поскольку в мерзлом грунте поверхность льда со всех сторон через пленку контактирует с минеральными частицами (на фиг. 2 с двух сторон), то его влажность за счет пленки. незамерз- шей воды толщиной h будет примерно совпадать с влажностью талого образца с пленкой толщиной 2h.

9 4

На фиг. 4 для сравнения показаны кривые. незамерзшей воды, полученные известным и предлагаемым спосббами для бентонита, где сплошная линия соответствует предлагаемому способу, а пунктирная — известному.

По сравнению с известными предлагаемый способ не требует применения ,холодильников и эяектроизмерительной аппаратуры, что с учетом компактности реализующего способ устройства делает возможным его использование в полевых условиях.

Формула изобретения

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, заклю- чающийся в том, что образец помещают в контейнер и в оттаявшем состоянии смачивают определенным количеством воды до влажности выше предельной по-. левой влагоемкости и измеряют количество воды, просочившейся через испытываемый образец, о т л и ч а юшийся тем, что, 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 темпер, туру, при которой это значение влажности равно, количеству незамерзшей воды в мерзлом грунте определяют по формуле р

t- Т

4-ор„Ь где t - отрицательная температура;

Р - стабилизированное давление нагружения;

, -.плотность льда;

L - удельная теплота фазового перехода воды в лед;

Т - температура фазового перехода о воды в лед, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе .

1. Ершов 3.Д. и др. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. Иэд-во ИГУ, 1979, с. 189.

2. Авторское свидетельство СССР

h" 824001, кл, G 01 N 25/56, 1979 (прототип) .

998929

° О

Составитель A. Платова

Редактор С. Патрушева Техред М. Гергель - Корректор А. Ференц

Заказ 1145/66

И(,Др

О.о

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР па делам изобретений и открытий

113035, Москва, N- 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4