Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах Советский патент 1982 года по МПК E02D1/00 

(5) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

1

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

Известен способ определения количества незамерзшей воды в иссле-. .дуемом материале по его электрическим свойствам f 1 .

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

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий нагревание предвари тельно замороженного образца грунта и непрерывное измерение температуры образца, при оттаиванииг 2 J.

Недостатком известного способа является то, что его однократное

применение позволяет определить количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах Уц(Т) только при одной определенной температуре. Однако величина W (т) существенно зависит от температуры, уменьшаясь при ее понижении вплоть до температуры Ту, ниже которой Wjj практически не изменяется (фиг. 1). Поэтому при определении количества незамерзшей

10 воды Wj(T) в диапазоне отрицательных температур этим калориметрическим способом оттаивание грунта приходится проводить не менее пяти раз с соответствующей подготовкой иден15тичных образцов. Это влечет за собой большую длительность замера количества незамерзшей воды W(T) и невысокую точность .определения фазового состава воды,связанную с естест20венным разбросом свойств разных образцов,

Цель изобретения - сокращение времени замера и повышение точности определения фазового состава воды. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, определени 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 воды, выдерживают при этой температуре 3- ч, а при оттаивании образца мерзлого грунта непрерывно регистрируют количество тепла, затраченного на его нагревание, и фазовый переход влаги до температуры образца , затем измеряют суммарную влажность образца и на основе полученных данных определяют непрерывную зависимос количества тепла от температуры, а K личество незамерзшей воды определяют по формуле - ОТ г(M-r ГЛТ w..,(T)-e | Wo bQe 4cat)Q+d) И . .З. где WjT) -количество незамерзшей ЬЗ воды, п.е.; -температура, С; суммарная влажность образца, д.е.; количество тепла, затраченного на нагревание системы грунт-вода-лед и фазовый переход влаги; удельная теплоемкость воды, Дж/кг град; удельная теплоемкость льда, Дж/кг град, удельная теплоемкость сухого грунта, Дж/кг гра -открытая теплота плавления льда, Дж/кг; -объем образца, мЗ; -объемная масса скелета грунта, кг/м. На фиг. 1 приведен график количества незамерзшей воды; на фиг. 2 устройство, реализующее способ, на фиг. 3 - динамика и енения температуры Т и количества тепла Q при оттаивании мерзлого грунта. Устройство содержит образец 1 грунта, помещенный в. камеру 2 из теп лоизоляционного материала, снабженную датчиками температуры 3 и теплового потока k. Способ стпределения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах осуществляют следую1цим образом. Образец 1 помеи1ают в камеру 2, охлаждают его до температуры То, ниже которой фазовый переход практически не происходит (для большинства грунтов, встречаю1цихся на практике, Т не меньше ). Образец выдерживают при этой температуре З- ч (за это время заканчиваются реалаксационные процессы, возникающие при промерзании} . Далее камеру с грунтом помещают в среду с положительной температурой. Образец начинает нагреваться, при этом с помощью электроизмерительных приборов производят запись показаний датчика температурь 3 и теплового потока . 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 0°С, образе11 вынимают из камеры 2 и стандартным весовым способом определяют влажность WQ.. Затем на основе данных изменения температуры образца Т и количества тепла, а при оттаивании грунта получают.непрерывную зависимость П(Т) и результаты измерений обрабатывают по формуле, вывод которой представлен ниже. Уравнение теплового баланса для рассматриваемого образца грунта имеет следующий вид. di где t - время, с; с - удельная теплоемкость грунта, ккал/кг град. Известно соотношение для теплоемкости мерзлого грунта С.;-Сгр & мг - л. где L - льдистость грунта, д.е., которое с учетом того, что . принимает следующий вид C--Cr.p + (C6-Cд). На фиг. 3 изображена динамика изменения температуры Т и количества тепла Q при оттаивании мерзлого грунта. Температура Т при этом процессе монотонно увеличивается.Это позволя ет с учетом уравнения теплового баланса и последнего соотношения запи сать уравнение для функции W (Т) , . ат ° Решение этого уравнения с условием ч, АчоЪ Wp имеет вид : -ICbfd) ц(т)--е . Для того, чтобы использовать эту формулу при T const (в этом случае неопределено dQ/dT), в правой части произведем интегрирование по ча Iстям. Окончательно расчетная формула принимает следующий вид %(T)--e- WotbQe° - J(abQtd)edT, Содержание льда и незамерзшей воды, т.е. фазовый состав влаги, в мерзлых грунтах предопределяет их теплофизические и физико-механические свойства. Это, в свою, оче редь, обуславливает особенности стр ительства и эксплуатации инженерных сооружений на мерзлых грунтах. Способ можно применять для быстрого замера количества незамерзшей воды W,J(T) , что позволит осуществить оперативное определение этой характери|СтИки для большого количества образцов. Формула изобретения Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, включающий нагревание предварительно замороженного образца грунта и непрерывное измерение температуры образца при оттаивании, отлича ющийся тем, что, с цель:-) сокра щения замера времени и повышения точ ности определения фазового, состава воды, замороживание образца грунта 3« производят до температуры, при которой стабилизируется количество незамерзшей воды, выдерживают при этой температуре 3- ч, а при оттаивании образца мерзлого грунта непрерывно регистрируют количество тепла, затраченного на его нагревание, и фазовой температуры образпереход в/1аги до ца О с. затем из меряют суммарную влажность образца и на основе полученных данных определяют непрерывную зависимость количества тепла от температуры, а количество незамерзшей воды определяют по формуле a)--e« VbQe l(abQfale°dTl и. J J. . где W (Т) - количество незамерзшей Ця, воды, д.е. Т - температура, °С; суммарная влажность образца, д.е., количество тепла,затраченного на нагревание системы грунт-вода-лед и фазовый переход влаги, Лж; удельная теплоемкость воды, Дж/кп град; удельная теплоемкость сухого грунта, Дж/кг. градудельная теплоемкость льда, Дж/кг. град; скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; объем образца, м ; объемная масса скелета грунта, кг/м. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 197223, кл. г, 01 N 25/02, 1966. 2.Ершов Э.Д. и др. фазовь|й сое- . ав влаги в мерзлых породах. М., зд-во МГУ, 1979, с. 189.