Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах Советский патент 1983 года по МПК G01N25/56 

(5) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

.НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ .ГРУНТАХ - . ; , Изобретение относится к измеритель ной технике, а именно к способам опре деления количества незамерзщей воды, в мерзлых грунтах, и может быть использовано при инженерных изысканиях проектирювании, строительстве и эксплуатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых пород. Известен калориметрический способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, основанный на измерении количества тепле, поглощаемого образцом исследуемой породы в результате его оттаивания ClJ. Недостатком известного способа яв ляется использование холодильникатермостата, что практически исключает применение данного способа в- поле вых условиях. Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, заключающийся в 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 точности определения количества незамерзшей воды в зависимости от отрицательной температуры образца без использования охлаждающей и электроизмерительной аппаратуры. Цель достигается тем, что согласно способу определения количества незамерзшей воды в,мерзлых грунтах, заключающемуся в том, что образец помещают в контейнер и в оттаявшем состоянии смачивают определенным количеством воды до влажности, выше предельной полевой влагоемкости, и измеряют количество воды, просочившейся через испытываемый образец, водонасыщенный талый образец нагружают прессом, с помощью которого вытесняют содержащу юся в нем воду до стабилизации коли чества отжатой воды, после чего опре деляют стабилизированное значение дав ления и по известной начальной влаж«ости образца и количеству отжатой воды определяют весовую влажность об разца, а отрицательную температуру, при которой это значение влажности равно количеству незамерзшей воды в мерзлом образце,/определяют по форму ле. р отрицательная температура; стабилизированное давление нагружения; плотность льда; удельная теплота фазового перехода;температура фазового перехода воды в лед. . После чего создают следующую ступень нагружения, пока не будет перекрыт практически весь необходимый диапазон температуры. Ua фиг. 1 изображено одно из возможных устройств, реализующих способ на фиг, 2 и 3 - две минеральные частицы с находящимися между ними льдом и пленками незамерзшей воды; на фиг. кривые незамерзшей воды. Устройство состоит из пресса 1, способного создавать давление от О до 10 Н/м, с манометром 2, металлического стакана 3 снабжённого поршнем , металлическим фильтром 5 и прозрач ной водоотводной трубкой 6 с нанесенной на ней шкалой для измерения уровня воды. Водоотводная трубка 6 соединена с емкостью стакана 3 отверстием 7 в дне стакана. Цифрой 8 обозначен испытуемый образец. Расчет по приведенной лорм-уле пока зывает, что предельное давление, создаваемое прессом и равное Н/м, соответствует температуре -2,, что перекрывает наиболее важный для целей строительства диапазон отрицательных температур мерзлого грунта. Данный интервал давлений может быть обеспечен-ручным гид1эавлическим прессом. Способ определения количества незамерзшей воды а мерзлом грунте осу94ществляют на талом образце в следую-) щем порядке. Стакан наполняют водой примерно до уровня верхнего торца металлического фильтра, опускают на дно -стакана металлический фильтр и промокательной бумагой убирают излишки влагиj находящиеся над металлическим фильтром. Талый водонасыщенный.образец й-рунта с известной массой скелета (Ск) укладывают равномерно поверх Металлического фильтра. Затем вводят IB стакан поршень до соприкосновения 1C образцом и стакан устанавливают пЪд .пресс. В этом положении снимают начальный уровень воды в трубке. Далее с помощью пресса создают давление на поршень, которое регистрируется манометром. Уровень воды в водоотводной трубке увеличивается по мере вытеснения воды из образца до некоторого .стабилизированного значения, которое устанавливается примерно в течение 1 ч. После стабилизации уровня снимают отсчет по манометру (Р) и соответствую;щее ему изменение уровня воды (ДН) в водоотводной трубке. Весовую влажность образца под нагрузкой определяют по формуле & н 5 где S - площадь проходного сечения водоотводной трубки, а отрицательную температуру, при которой полученное значение влажности соответствует количеству незамерзшей воды в мерзлом образце, опреде 1яют по формуле То 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. I Вывод формулы для расчета температуры основан на сравнении выражений 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 P. 59.S где за точку отсчета давлений принято давление в свободной (непленочной) воде. На фиг. 2 схематически изображены две минеральные частицы с находящими ся между ними льдом и пленками незамерзшей воды. Цифрами обозначе ны соответственно: минеральные частицы; лед; характерное поведение функции взаимодействия молекул воды с поверхностью минерала. Если выражение для расклинивающего давления в пленке воды между льдом и минеральной частицей выразить через функцию взаимодействия молекул воды с твердыми поверхностями, толщина пленки незамерзшей воды на поверхности минеральной частицы в несколько раз будет превосходить это значение для пленки на поверхности льда при той же отрицательной температуре. Радиус взаимодействия молекул воды с поверхностью минерала в несколько раз превосходит это значение для взаимодействия молекул-воды с поверх остью льда. Поэтому в данном случае .с достаточной для практики точностью можно пренебречь взаимодействием мо)лекул воды со льдом. Если лед заменить второй минеральНОИ частицей, то молекулы воды, находящиеся в пленке между ними, могут взаимодействовать уже с обеими поверхностями. На фиг. 3 цифрой 12 обозначены минеральные частицы, цифрой 13 кривые 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 внеш нем 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 м.ерзлом грунте поверхность льда со всех сторон через пленку контактирует с минеральными частицами (на фиг. 2 с двух сторон), то его влажность за смет пленки незамерз шей воды толщиной h будет примерно совпадать с влажностью талого образца с пленкойТОЛЩИНОЙ 2h. На фиг. k для сравнения показаны кривые, незамерзшей воды, полученные известным и предлагаемым способами для бентонита, где сплошная линия соответствует предлагаемому способу, а пунктирная - известному. По сравнению с известными предлагаемый способ не требует применения холодильников и электроизмерительной 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, заключающийся в том, что образец помещают в контейнер и в оттаявшем состоянии смачивают определенным количеством воды до влажности выше предельной полевой влагоемкости и измеряют количество воды, просочившейся через испытываемый образец, отличающийся 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 температуру, при которой это значение влажности равно .количеству незамерзшей воды в мерзлом грунте определяют по формуле А. отрицательная температура; стабилизированное давление нагружения; плотность льда; удельная теплота фазового перехода воды в лед; температура фазового перехода воды в лед. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ершов Э.Д. и др. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. Изд-во МГУ, 1579, с. 189. 2.Авторское свидетельство СССР N 824001, кл. G 01 N 25/56, 1979 (прототип).

Фи. 1

фиг 2

фиг 5

v,d.e ОМ

0.50.2. 0.1Ч

X

s -n

фиг A