ПРОЗРАЧНЫЙ МЕРЗЛЫЙ ГРУНТ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО ГРУНТА Российский патент 2017 года по МПК G01N1/28 G01N33/24 E02D33/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к прозрачному грунту, в частности, к прозрачному мерзлому грунту, способу его получения и применению.

Уровень техники

В модельных испытаниях в рамках инженерной геологии, исследования закона внутреннего преобразования и механизма грунтовых массивов имеют огромное значение в изучении проблем инженерной геологии. В частности, регионы с вечномерзлым, сезонномерзлым и временно мерзлым грунтом на земле занимают приблизительно 50% суши, причем область распространения вечномерзлого грунта составляет 35000000 км2, что примерно равно 20% суши. Мерзлый грунт является грунтовым массивом, чрезвычайно чувствительным к температуре. По мере повышения температуры его прочность явно снижается, а прочность после оттаивания грунтового массива падает в геометрической прогрессии по сравнению с замерзанием. Результаты связанных исследований показали, что холмистые участки абдоминальных зон регионов с вечномерзлым грунтом на Цинхай-Тибетском нагорье и т.п. могут вызывать оползание на уклоне более 3° в процессе оттаивания. Когда мерзлый грунт поверхностного слоя оттаивает из-за повышения температуры окружающей среды в условиях высокой льдистости, сползающий грунтовый массив представляет собой смесь блоков твердой породы и жидкой грязи и легко может привести к тому, что плоскость скольжения будет практически параллельной поверхности откоса. К примеру, в районе между Вудаолян и Тотохе возле мильного столба мильного участка K3035 Цинхай-Тибетского шоссе с углом откоса приблизительно 7° наблюдается местное явление оползания вследствие оттаивания с продольным направлением 95 м и максимальной шириной 72 м. Таким образом, необходимо разработать исследования характеристик оттаивания/оползания и механизма откосов под малым углом.

В документе «Исследование на модельном опыте оползания вследствие оттаивания в районе вечной мерзлоты Цинхай-Тибетского нагорья» (Цзинь Дэу и соавт., Инженерные изыскания, 2006 г., 9: с. 1-6) спроектирована физическая модель (сжата до масштаба 1:10), сходная с геометрией и структурой откоса таящего оползневого массива на мильном участке K3035 Цинхай-Тибетского шоссе; процесс испытания был разделен на несколько этапов обработки ледника и изготовления ледяного слоя, раскатки и получения проб грунта; корректировку и калибровку контрольно-измерительных приборов, изготовление модели масштаба откоса в опытном боксе с погружением приборов; специальный ледяной слой использовался в процессе испытания для контроля температуры, температура была установлена на -1°С, другой слой использовался для контроля температуры грунтового массива; всего было выполнено четыре периодических цикла замораживания/оттаивания, и благодаря предварительно заложенным стандартным датчикам температуры и тензометрам можно было измерить поле смещения и поле температуры откоса. Несмотря на то, что стандартный способ измерения деформации грунтового массива заключается в установке нескольких датчиков в грунтовый массив и смещении некоторых дискретных точек, датчики легко подвергаются воздействию нарушения внешней среды, результаты измерения зачастую неточны, а поле смещения при непрерывной деформации грунтового массива невозможно представить в полной мере. Современные технологии цифрового изображения предусматривают измерение только макроскопической или предельной деформации грунтового массива и не могут наглядно показать его внутреннюю деформацию; несмотря на то, что для измерения непрерывной деформации грунтового массива можно использовать технологии рентгеновского, γ-лучевого, компьютерного томографического сканирования (САТ-сканирование) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), большие расходы ограничивают широкое применение этих технологий.

Управляемое взрывание - это метод взрывания, который предотвращает общие опасности падающих предметов, землетрясения, воздушной ударной волны, дыма, шума и т.д., которые образуются из-за взрыва объекта, который подлежит подрыву с помощью взрывчатки и определенных технических средств, и широко применяется в инженерном строительстве, например, направленное взрывание, контурное взрывание, гладкое взрывание, взрывание пробки в породе, миллисекундное управляемое взрывание; взрывание для демонтажа, статическое взрывание, взрывание с заполнением, свободное взрывание, взрывание с использованием горючего вещества и т.д. Направленное взрывание - это метод взрывания, в котором используется взрывное действие взрывчатки для отбрасывания грунта и породы с определенного участка на другой участок и формирования определенной формы. Оно преимущественно используется для дамб (водозадерживающих или хвостовых дамб), дорожно-строительных работ (дорожные насыпи и дорожное полотно) и планировки местности (строительство на землях для промышленной застройки и сельскохозяйственных землях). В частности, оно подходит для рабочих зон с дефицитом рабочей силы, неудобной транспортной развязкой и отсутствием строительных площадок.

В документе 1 «Исследование воронки взрывания мерзлого грунта и модельное испытание взрываемости мерзлого грунта» (Ma Циньюн. Журнал Китайского угольного сообщества, 1997, 22(3): 288-293) раскрыта программа модельных испытаний с взрыванием воронок для мерзлого глинистого и песчаного грунта при различных температурах; в документе 2 «Предварительное исследование параметров взрывания для проходки шахтного ствола в мерзлом грунте» (Цзун Ци, Ян Луцзюнь, Инженерное взрывание, 1999, 5(2): 25-29) и документе 3 «Исследование гладкого взрывания в мерзлом грунте шахтного ствола путем моделирования» (Цзянь Юйсун, Журнал Хуайнаньского технологического института, 2001, 21(4): 31-34) раскрыта программа модельных испытаний взрывания с врубом и гладкого взрывания мерзлого песчаного грунта; а в документе 4 «Исследование путем испытаний и способов взрывания вечномерзлых и искусственно замороженных грунтов» (Ma Циньюн, Журнал гражданского строительства, 2004, 37(9): 75-78) комплексно представлены исследовательские наработки и достижения испытаний по взрыванию воронок, взрыванию с врубом и гладкому взрыванию мерзлого грунта. Все эти программы модельных испытаний основаны на стандартных средствах испытаний и не могут эффективно достичь особой морфологии излома мерзлого грунта после взрывных испытаний. Несмотря на то, что стандартный способ измерения деформации грунтового массива заключается в установке нескольких датчиков в грунтовый массив и смещении некоторых дискретных точек, датчики легко подвергаются воздействию нарушения внешней среды, результаты измерения зачастую неточны, а поле смещения при непрерывной деформации грунтового массива невозможно представить в полной мере. Современные технологии цифрового изображения предусматривают измерение только макроскопической или предельной деформации грунтового массива и не могут наглядно показать его внутреннюю деформацию; несмотря на то, что для измерения непрерывной деформации грунтового массива можно использовать технологии рентгеновского, γ-лучевого, компьютерного томографического сканирования (САТ-сканирование) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), большие расходы ограничивают широкое применение этих технологий.

Искусственный синтез прозрачного грунта в сочетании с технологиями оптического наблюдения и обработки изображений используется для того, чтобы наглядно показать внутреннюю деформацию грунтового массива, имеет низкие расходы, прост в эксплуатации и может широко применяться в модельных испытаниях в рамках инженерной геологии для исследования внутреннего закона и механизма грунтового массива, что имеет огромное значение в изучении проблем инженерной геологии. Предпосылкой является получение искусственно синтезированного грунта с высокой прозрачностью и свойствами, схожими с естественным грунтовым массивом. В настоящее время для получения прозрачного грунта применяются различные материалы, и появились некоторые достижения в этой области. Тем не менее, текущие технические данные показывают, что в твердых частицах для получения прозрачного грунта зачастую используются кварц с коэффициентом преломления твердых частиц 1,44-1,46 и боросиликатное стекло с коэффициентом преломления твердых частиц 1,46-1,48, что намного выше коэффициента преломления воды 1,33 и льда 1,31. Таким образом, применение существующих твердых частиц для получения прозрачного грунта не дает возможность создать пробу насыщенного прозрачного мерзлого грунта.

Фторсодержащий полимер представлен тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³. Он устойчив к действию высоких и низких температур, химической коррозии, не вязок, не токсичен, не загрязняет окружающую среду, имеет высокую прозрачность и низкий коэффициент преломления, газопроницаемую структуру, гидрофобность и химическую инертность, а по своим свойствам подобен естественному грунтовому массиву. Тефлон AF 1600 можно растворять во фтористых растворителях, преобразовывать в пленку или формовать путем плавкого сжатия. В настоящее время он преимущественно используется в облицовке или пропитке, либо преобразуется в волокна, а готовое жидкое ядро также применяется в различных сферах абсорбции, флуоресценции, рамановском спектральном анализе, датчиках газа и т.д. Фторсодержащий полимер имеет высокую прозрачностью и коэффициент преломления, как у льда, поэтому его можно использовать как прозрачный твердый материал при приготовлении прозрачного мерзлого грунта.

Сущность изобретения

Цель изобретения: для решения технических проблем на предшествующем уровне техники, настоящее изобретение предусматривает прозрачный мерзлый грунт, способ его получения и применение таким образом, чтобы готовый прозрачный мерзлый грунт мог имитировать свойства естественного прозрачного мерзлого песчаного грунта.

Техническое содержание: чтобы достичь вышеуказанной технической цели, данное изобретение предусматривает прозрачный мерзлый грунт, отличающийся тем, что его получают из фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости на этапах приготовления материалов, смешивания, вакуумирования и замораживания, а количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; бесцветная поровая жидкость представлена водой, фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм с неправильной формой и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; диаметр частиц кубикового льда составляет 0,1-0,5 мм; физические свойства прозрачного мерзлого грунта следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м³ и относительная плотность - 20-80%; механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4.

Предпочтительно, частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%.

Для снижения влияния на коэффициент преломления, в качестве жидкости используется очищенная вода.

Изобретение также предусматривает способ получения вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта, отличающийся тем, что он включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой;

(2) смешивание: сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0°С до -8,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре - 20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м³ и относительная плотность - 20-80%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4.

Предпочтительно, частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%.

Данное изобретение также предусматривает применение вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта.

Вышеописанное применение включает следующие процессы:

(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели откоса естественного мерзлого грунта выполнены прозрачный опытный бассейн и модель откоса прозрачного мерзлого грунта, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта, причем модель откоса прозрачного мерзлого грунта состоит из прозрачного мерзлого грунта и включает шпуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из прозрачного высокопрочного стекла;

(2) монтаж: модель откоса прозрачного мерзлого грунта загружается в прозрачный опытный бассейн, и в соответствии с планом испытания детонаторы и взрывчатка загружаются в отведенные шпуры; цифровые камеры, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна, и они соединяются с устройством обработки по линиям передачи данных;

(3) испытание: детонаторы и взрывчатка приводятся в действие, процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта для образования искусственного откоса снимается и записывается цифровыми камерами, записанные данные передаются на устройство обработки по линиям передачи данных; и

(4) процесс (1)-процесс (3) повторяются, процессы направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта в условиях разных естественных высот откоса, диаметров шпуров, глубины и количества взрывчатки передаются на устройство обработки, чтобы проанализировать механизм направленного взрывания мерзлого грунта и завершить испытание модели откоса мерзлого грунта направленным взрыванием.

Данное изобретение также предусматривает применение вышеуказанного прозрачного мерзлого грунта в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.

Вышеописанное применение включает следующие этапы:

(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели мерзлого грунта дорожной насыпи выполнены прозрачный опытный бассейн и модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, которая имитирует модель мерзлого грунта дорожной насыпи, причем модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы и предварительно оснащена датчиками температуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из органического стекла;

(2) монтаж: в криогенной лаборатории модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи загружается в прозрачный опытный бассейн, и источник нагрева помещается на прозрачный опытный бассейн поверх солнечной стороны модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; снаружи прозрачного опытного бассейна одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается лазерным источником, а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается цифровой камерой, причем цифровая камера и датчик температуры соединены с устройством обработки по линиям передачи данных; осевая линия цифровой камеры перпендикулярна осевой линии лазерного источника, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры и лазерного источника находится внутри прозрачного опытного бассейна; и

(3) испытание: включается лазерный источник, проверяется яркость плоскости касания частиц, образованной внутри модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и угол лазера регулируется таким образом, чтобы он падал перпендикулярно на плоскость касания и проходил через центр продольного направления модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; включается цифровая камера, и ее объектив регулируется таким образом, чтобы она могла охватывать солнечную и теневую сторону модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; т.е. лазерный источник освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, освещаемое лазерным источником, записывается цифровой камерой; согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой, а записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных.

На этапе (2) на солнечной стороне размещается теплоизоляционный материал, а у ее подножия размещается порог; теплоизоляционный материал представлен слоем щебня, который дополнен частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой, а порог выполнен из органического стекла; на этапе (3) согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой, записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных, и оценивается влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания.

Преимущества: по сравнению с предыдущим уровнем техники, в настоящем изобретении применяется фторсодержащий полимер тефлон AF 1600 с коэффициентом преломления, аналогичным коэффициенту преломления льда, а также кубиковый лед и вода для получения прозрачного мерзлого грунта, причем готовый грунт имеет схожие свойства с естественным мерзлым грунтовым массивом, может по большей части заменять естественный мерзлый песчаный грунт, хорошо имитирует свойства естественного прозрачного мерзлого грунта, эффективно используется в модельных испытаниях в инженерной геологии, включая имитирование направленного взрывания и оползания мерзлого грунта вследствие оттаивания, показывает точные результаты измерения и может наглядно представить внутреннюю деформацию грунтового массива, а кроме того низкозатратен и прост в эксплуатации.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема испытательного устройства для направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта; и

На фиг. 2 представлена схема испытательного устройства для оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.

Особые варианты осуществления изобретения Пример 1 Получение прозрачного мерзлого грунта

Применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта: используясь в качестве прозрачного твердого материала при получении прозрачного мерзлого грунта, фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм с неправильной формой и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³.

Способ получения прозрачного мерзлого грунта из вышеуказанного фторсодержащего полимера включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 20%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 20%, а в сумме по массе выходит 100%, и они равномерно смешиваются; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой, а для того, чтобы сохранить коэффициент преломления, эта вода представлена очищенной водой;

количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб;

проба по данному примеру обладает содержанием воды 100%, плотностью в сухом состоянии 0,55 г/см³ и размером пробы (высота 125,0 мм и диаметр 61,8 мм), температура в криогенной лаборатории составляет -6,0°С, масса частиц фторсодержащего полимера (масса частиц = плотность в сухом состоянии × объем пробы), необходимая для приготовления пробы, по расчетам составляет 206,0 г, а общее количество воды (содержание воды 100,0%, масса общего количества воды равна массе частиц) составляет 206,0 г; так как песчаный грунт обладает содержанием незамороженной воды примерно 15% при температуре -6,0°С, масса очищенной воды, добавленной в процессе приготовления пробы, должна составлять 30,9 г, а масса кубикового льда - 175,1 г;

(2) смешивание: сначала частицы фторсодержащего полимера и кубиковый лед, которые определены на этапе (1), равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре -6,0°С, загружают в форму по 3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем до 70% расчетной относительной плотности; затем в форму добавляют очищенную воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре - 20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,9 г/см³, удельная масса - 19 кН/м³ и относительная плотность - 70%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 31°, модуль упругости - 40 МПа и коэффициент Пуассона - 0,3.

Прозрачный мерзлый грунт по настоящему примеру может использоваться для имитирования насыщенного мерзлого песчаного грунта.

Пример 2 Получение прозрачного мерзлого грунта

Этапы приготовления подобны этапам в примере 1, но разница заключается в том, что на этапе (1) выбраны частицы фторсодержащего полимера плотностью 2,1 г/см³, частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 20%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 20%, а в сумме по массе выходит 100%, и они равномерно смешиваются;

на этапе (2) относительная плотность контролируется на уровне 30%; и

физические свойства прозрачного мерзлого грунта, полученного в данном примере, следующие: плотность - 1,82 г/см³, удельная масса - 18 кН/м³ и относительная плотность - 30%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30°, модуль упругости - 10 МПа и коэффициент Пуассона - 0,35.

Прозрачный мерзлый грунт по настоящему примеру может использоваться для имитирования насыщенного мерзлого песчаного грунта.

Пример 3 Применение прозрачного мерзлого грунта в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта.

Испытательное устройство для направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта включает прозрачный опытный бассейн 1-1, который оснащен моделью откоса прозрачного грунта 1-2, имитирующей естественный откос 1-4; модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 также оснащена шпурами 1-3, в которых находятся взрывчатка и детонаторы; цифровые камеры 1-6, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна 1-1, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна 1-1, и они соединяются с устройством обработки 1-7 по линиям передачи данных; процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 для образования искусственного откоса 1-5 в условиях разных естественных высот откоса 1-4, диаметров шпуров, глубины и количества взрывчатки снимается цифровыми камерами 1-6, а записанные данные передаются на устройство обработки 1-7, чтобы завершить испытание направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта. Прозрачный опытный бассейн 1-1 по настоящему изобретению выполнен из прозрачного высокопрочного стекла.

Модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 по данному изобретению состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы, приготовленной по примерам 1 и 2 в прозрачном опытном бассейне с необходимыми размерами.

Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (в данном изобретении применяется 500 w), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (в данном изобретении применяется 10 мкс).

Способ испытания направленного взрывания модели откоса мерзлого грунта включает следующие процессы:

(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели откоса естественного прозрачного мерзлого грунта выполнены прозрачный опытный бассейн 1-1 и модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта, причем модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 состоит из прозрачного мерзлого грунта и оснащена шпурами 1-3; а прозрачный опытный бассейн 1-1 выполнен из прозрачного высокопрочного стекла; и

сначала согласно требованиям к испытаниям изготавливается форма, имитирующая модель естественного откоса, а количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам формы; в настоящем примере используются условия примера 1 для получения прозрачного мерзлого грунта, и выполняется модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта;

(2) монтаж: модель откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 загружается в прозрачный опытный бассейн 1-1, и в соответствии с планом испытания детонаторы и взрывчатка загружаются в отведенные шпуры 1-3, а количество взрывчатки определяется по плану испытания; цифровые камеры 1-6, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна 1-1, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна 1-1, и они соединяются с устройством обработки 1-7 по линиям передачи данных; и

цифровые камера 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 500 w, выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс; и

(3) испытание: детонаторы и взрывчатка приводятся в действие, процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 для образования искусственного откоса снимается и записывается цифровыми камерами 1-6, а записанные данные передаются на устройство обработки 1-7 по линии передачи данных; и

для обработки данных изображения, полученных цифровыми камерами 1-6, в испытании применяется технология PIV (анемометрия по изображениям частиц) наряду с программным обеспечением для обработки изображений PIVview2C; и

(4) процесс (1)-процесс (3) повторяются, процессы направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта 1-2 в условиях разных естественных высот откоса 1-4, диаметров шпуров 1-3, глубины и количества взрывчатки передаются на устройство обработки 1-7, чтобы проанализировать механизм направленного взрывания мерзлого грунта и завершить испытание модели откоса мерзлого грунта 1-2 направленным взрыванием.

Пример 4 Применение прозрачного мерзлого грунта в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.

Испытательное устройство для оползания мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания включает криогенную лабораторию 2-1, которая оснащена прозрачным опытным бассейном 2-5, в свою очередь оснащенным моделью прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, имитирующей дорожную насыпь 2-9; модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 предварительно оснащена датчиком температуры 2-12, а на солнечной стороне дорожной насыпи 2-9 размещается источник нагрева 2-6, установленный на прозрачном опытном бассейне 2-5; на солнечной стороне 2-7 размещается теплоизоляционный материал 2-11, а у ее подножия размещается порог 2-10; снаружи прозрачного опытного бассейна 2-5 одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается лазерным источником 2-2 (находится в одной части теневой стороны 2-8 в примере), а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается цифровой камерой 2-3, причем цифровая камера 2-3 и датчик температуры 2-12 соединены с устройством обработки 2-4 по линии передачи данных; осевая линия цифровой камеры 2-3 перпендикулярна осевой линии лазерного источника 2-2, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры 2-3 и лазерного источника 2-2 находится внутри прозрачного опытного бассейна 2-5; лазерный источник 2-2 освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, освещаемое лазерным источником 2-2, записывается цифровой камерой 2-3.

Модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 по настоящему изобретению выполнена из прозрачного мерзлого грунта, количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и очищенной воды рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб в форме, а модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 подготавливают в форме, применяя способ получения прозрачного мерзлого грунта по примеру 2.

Когда углы наклона солнечной стороны 2-7 и теневой стороны 2-8 превышают 4-9°, существует вероятность возникновения оползания вследствие оттаивания. Угол наклона солнечной стороны 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, полученной по примеру, составляет 31°, а угол наклона теневой стороны 2-8-36°.

Прозрачный опытный бассейн 2-5 и порог 2-10 по настоящему изобретению выполнены из органического стекла; а теплоизоляционный материал 2-11 - это слой щебня, дополненный частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой.

Источник нагрева 2-6 по настоящему изобретению - это линейный провод теплового сопротивления, а максимальная температура возле провода сопротивления может достигать 25-28°С.

Лазерный источник 2-2 по данному изобретению - это внутрирезонаторное гелий-неоновое лазерное устройство, мощность которого может составлять 50-500 мВт (500 мВт в данном примере).

Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (500 w в данном примере), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (10 мкс в данном примере).

В частности, способ испытания оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания включает следующие процессы:

(1) моделирование: прозрачный опытный бассейн 2-5 и модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-3, имитирующая модель мерзлого грунта дорожной насыпи, выполнены согласно требованиям к испытаниям и размерам модели мерзлого грунта дорожной насыпи; модель мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы и предварительно оснащена датчиком температуры 2-12; прозрачный опытный бассейн 2-5 выполнен из органического стекла;

(2) монтаж: в криогенной лаборатории 2-1 модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 загружается в прозрачный опытный бассейн 2-5, и источник нагрева 2-6 помещается на прозрачный опытный бассейн 2-5 поверх солнечной стороны 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; снаружи прозрачного опытного бассейна 2-5 одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается лазерным источником 2-2 (находится в одной части теневой стороны 2-8 в примере), а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, оснащается цифровой камерой 2-3, причем цифровая камера 2-3 и датчик температуры 2-12 соединены с устройством обработки 2-4; осевая линия цифровой камеры 2-3 перпендикулярна осевой линии лазерного источника 2-2, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры 2-3 и лазерного источника 2-2 находится внутри прозрачного опытного бассейна 2-5; и

источник нагрева 2-6 по настоящему изобретению - это линейный провод теплового сопротивления, а максимальная температура возле провода сопротивления может достигать 25-28°С.

Лазерный источник 2-2 по данному изобретению - это внутрирезонаторное гелий-неоновое лазерное устройство, мощность которого может составлять 50-500 мВт (500 мВт в данном примере).

Цифровые камеры 1-6 по настоящему изобретению - это высокоскоростные цифровые камеры высокого разрешения с разрешением 50-500 w (500 w в данном примере), выдержкой кадра, количеством кадров 25 и временем выдержки 10 мкс - 10 с (10 мкс в данном примере).

(3) испытание: включается лазерный источник 2-2, проверяется яркость плоскости касания частиц, образованной внутри модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и угол лазера регулируется таким образом, чтобы он падал перпендикулярно на плоскость касания и проходил через центр продольного направления модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; включается цифровая камера 2-3, и ее объектив регулируется таким образом, чтобы она могла охватывать солнечную 2-7 и теневую 2-8 сторону модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13; т.е. лазерный источник 2-2 освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13, освещаемое лазерным источником, записывается цифровой камерой 2-3; согласно плану опыта источник нагрева 2-6 периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой 2-3, а записанные данные передаются на устройство обработки 2-4 по линии передачи данных.

Для обработки данных изображения, полученных цифровыми камерами 1-6, в испытании применяется технология PIV (анемометрия по изображениям частиц) наряду с программным обеспечением для обработки изображений PIVview2C; чтобы оценить влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания, на солнечной стороне размещается теплоизоляционный материал 2-11, а у ее подножия размещается порог 2-10; теплоизоляционный материал 2-11 представлен слоем щебня, который дополнен частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой (слой щебня, дополненный частицами фторсодержащего полимера толщиной 10 мм в примере), а порог выполнен из органического стекла; на этапе (3) согласно плану опыта источник нагрева 2-6 периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне 2-7 модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи 2-13 вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровой камерой 2-3, записанные данные передаются на устройство обработки 2-4 по линии передачи данных, и оценивается влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания.

Группа изобретений относится к прозрачному мерзлому грунту, способу его получения и применению. Прозрачный мерзлый грунт получают из фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости. Количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывают согласно условиям испытаний и размерам проб. Фторсодержащий полимер, представленный частицами неправильной формы диаметром 0,25-2,0 мм из тефлона AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³, подвергают очистке от примесей и сушат в сушильном шкафу. Кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм. Бесцветная поровая жидкость представлена водой. Сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0 до -8,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем. Затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом. Устройство вакуумирования используют для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния. Пробу загружают в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживают на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м³ и относительная плотность - 20-80%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4. Применяют прозрачный мерзлый грунт в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта и в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания. Прозрачный мерзлый грунт, полученный по настоящему изобретению, может имитировать свойства естественной прозрачной мерзлой глины, эффективно используется в модельных испытаниях в инженерной геологии, обладая точными результатами измерений, и может наглядно показать внутреннюю деформацию грунтового массива. Он низкозатратен и прост в эксплуатации. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Прозрачный мерзлый грунт, отличающийся тем, что его получают из фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости на этапах приготовления материалов, смешивания, вакуумирования и замораживания, а количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; бесцветная поровая жидкость представлена водой, фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм неправильной формы из тефлона AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; диаметр частиц кубикового льда составляет 0,1-0,5 мм; физические свойства прозрачного мерзлого грунта следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м и относительная плотность - 20-80%; механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4.

2. Прозрачный мерзлый грунт по п. 1, отличающийся тем, что частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%.

3. Прозрачный мерзлый грунт по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используется очищенная вода.

4. Способ получения прозрачного мерзлого грунта по п. 1, отличающийся тем, что он включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывают согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер, представленный частицами неправильной формы диаметром 0,25-2,0 мм из тефлона AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³, подвергают очистке от примесей и сушат в сушильном шкафу; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой;

(2) смешивание: сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0 до -8,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м³ и относительная плотность - 20-80%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4.

5. Способ получения прозрачного мерзлого грунта по п. 4, отличающийся тем, что на этапе (1) частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%.

6. Применение прозрачного мерзлого грунта по п. 1 в модельном испытании направленного взрывания мерзлого грунта.

7. Применение по п. 6, отличающееся тем, что оно включает следующие этапы:

(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели откоса естественного мерзлого грунта выполнены прозрачный опытный бассейн и модель откоса прозрачного мерзлого грунта, которая имитирует модель откоса естественного мерзлого грунта, причем модель откоса прозрачного мерзлого грунта состоит из прозрачного мерзлого грунта и включает шпуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из прозрачного высокопрочного стекла;

(2) монтаж: модель откоса прозрачного мерзлого грунта загружается в прозрачный опытный бассейн, и в соответствии с планом испытания детонаторы и взрывчатка загружаются в отведенные шпуры; цифровые камеры, которые способны полностью охватить пространство прозрачного опытного бассейна, устанавливаются на передней, боковой и верхней смотровой поверхности снаружи прозрачного опытного бассейна, и они соединяются с устройством обработки по линиям передачи данных;

(3) испытание: детонаторы и взрывчатка приводятся в действие, процесс направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта для образования искусственного откоса снимается и записывается цифровыми камерами; записанные данные передаются на устройство обработки по линиям передачи данных; и

(4) повторение этапов 1-3, процессы направленного взрывания модели откоса прозрачного мерзлого грунта в условиях разных естественных высот откоса, диаметров шпуров, глубины и количества взрывчатки передаются на устройство обработки, чтобы проанализировать механизм направленного взрывания мерзлого грунта и завершить испытание модели откоса мерзлого грунта направленным взрыванием.

8. Применение прозрачного мерзлого грунта по п. 1 в испытании оползания модели мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания.

9. Применение по п. 8, отличающееся тем, что оно включает следующие этапы:

(1) моделирование: согласно требованиям к испытаниям и размерам модели мерзлого грунта дорожной насыпи выполнены прозрачный опытный бассейн и модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, которая имитирует модель мерзлого грунта дорожной насыпи, причем модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи состоит из прозрачной мерзлой почвенной массы и предварительно оснащена датчиками температуры; а прозрачный опытный бассейн выполнен из органического стекла;

(2) монтаж: в криогенной лаборатории модель прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи загружается в прозрачный опытный бассейн, и источник нагрева помещается на прозрачный опытный бассейн поверх солнечной стороны модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; снаружи прозрачного опытного бассейна одна сторона, параллельная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается лазерным источником, а другая сторона, перпендикулярная поперечному сечению модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, оснащается цифровой камерой, причем цифровая камера и датчик температуры соединены с устройством обработки по линии передачи данных; осевая линия цифровой камеры перпендикулярна осевой линии лазерного источника, а точка пересечения осевых линий цифровой камеры и лазерного источника находится внутри прозрачного опытного бассейна; и

(3) испытание: включается лазерный источник, проверяется яркость плоскости касания частиц, образованной внутри модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и угол лазера регулируется таким образом, чтобы он падал перпендикулярно на плоскость касания и проходил через центр продольного направления модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; включается цифровая камера, и ее объектив регулируется таким образом, чтобы она могла охватывать солнечную и теневую сторону модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи; т.е. лазерный источник освещает поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, и при этом поперечное сечение модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи, освещаемое лазерным источником, записывается цифровой камерой; согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровыми камерами, а записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных.

10. Применение по п. 9, отличающееся тем, что на этапе (2) на солнечной стороне размещается теплоизоляционный материал, а у ее подножия размещается порог; теплоизоляционный материал представлен слоем щебня, который дополнен частицами фторсодержащего полимера толщиной 5-15 мм или полиэтиленовой пенопластовой сеткой, а порог выполнен из органического стекла; на этапе (3) согласно плану опыта источник нагрева периодически включается, процесс оползания на солнечной стороне модели прозрачного мерзлого грунта дорожной насыпи вследствие оттаивания в периодическом цикле замораживания и оттаивания снимается и записывается цифровыми камерами, записанные данные передаются на устройство обработки по линии передачи данных, и оценивается влияние мер по обработке на устранение явления оттаивания/оползания.