Способ испытания мерзлых грунтов термопрессиометром

Союз Советских Социалистических РеспубликОЛ ИКАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ 775221(51)М, Кл,з Е 02 О 1/00 С 01 И 3/10 с присоединением заявки йо Государственный комитет СССР по делан изобретений и открытий(53) УДК 6 24 . 1 31. 382(088.8) Дата опубликования описания 30.10,80(72) Авторы изобретения Е.В.Лебедев и В.В.Лушников Уральский ордена Трудового Красного Знамениполитехнический институт им. С.М.Кирова(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВТЕРМОПРЕССИОМЕТРОМ Изобретение относится к области инженерно-строительных изысканий и используется для определения деформационных характеристик и прочностных свойств грунтов в полевых условиях,Известен способ испытания оттаи" вающих грунтов с помощью термопрес" сиометра, взятый в качестве прототипа Сущность его заключается в образовании вокруг скважины, пройденной в мерзлом грунте, локальной оттаивающей зоны и измерений перемещений стенки скважины в результате воздействия на стенку расширяющейся эластичной 15 оболочкой термопрессидметра (1.При испытании термопрессиометром мерзлого грунта с оттаиванием определяются деформационные и прочностные характеристики оттаявшего грун та. Для этого величина эоны оттаивания из условий точности измерений должна превышать 2-3 диаметра скважины, что приближенно устанавливается по количеству тепла, передаваемого термопрес 25 сиометром в грунт, и времени оттаивания, Однако для определения характеристик грунтов приближенного значения величины эоны оттаивания недостаточно, ЗО Наиболее близким является способ, включающий прогрев термопрессиометром мерзлого грунта до образования оттаявшей эоны вокруг зонда термопрессиометра и измерение оттаявшей зоны, а также измерение радиальных перемещений стенок скважины,;при нагружении термопрессиометром оттаявшей, эоны давлением 1. Недостатками этого способа является:невозможность использования механического зондирования в грунтах, содержащих твердые включения;отсутствие точной информации о величине зоны оттаивания во время проведения термопрессиометрического экс" перимента и связанные с этим потери времени на избыточный прогрев, гарантирующий достаточную зону оттаивания; предварительное измерение шупом исключается из-за значительного нарушения им естественного сложения грунтатизмерение щупом эоны оттаивания включает в себя погружение шупа в скважину и цикл работ по ручному вре" зыванию ножевых элементов в грунт, что создает дополнительные трудоемкие операции.Цель изобретения - повышение достоверности определения деформативных характеристик различных,в том числе и, крупнообломочныхгрунтов, а также сокращения трудозатрат и времени.Поставленная цель достигается тем, что прогревают термопрессиометром 1 мерзлый грунт до образования оттаявшей зоны вокруг зонда термопрессиометра, измеряют оттаявшую зону, затем измеряют радиальные перемещения стенок скважины при нагружении термопрессиометром оттаявшей зоны давлением, измерение величины оттаявшей зоны производят одновременно с оттаиванием , путем измерений температуры поверхности скважины киже зонда15 термопрессиометра на линии изотермы, проходящей в массиве грунта на расстоянии 3-х диаметров скважины от центра Оси зонда в горизонтальной плоскости, а при достижении в точке 2 О измерения температуры границы эоны Оттаивания, производят термопрессиометрическое измерение.Расстояние от зонда прессиометра, на котором производится измерение температуры стенки скважины, определяется для каждого типа термопрессиометров предварительно, один раэ, путем лабораторных исследований теплообменных характеристик зонда термопрессиометра с промерзшим грун- ЗО том, Для этого в замороженном образце грунта изготавливается вертикальная скважина, в которой устанавливается зонд термопрессиометра. В массив же грунта, в горизонтальной плоскос ти, проходящей через центр оси зонда,на расстоянии трех диаметров скважины от центра, устанавливают грунтовый термометр (проволочный, полупроводниковый, термоэлектрический или другой), При прогреве зондом образца грунта по грунтовому термометру Фиксируют момент наступления температуры таяния грунта. Одновременно термометрами, измеряющими температуру поверхности скважины Около зонда, фиксируется распределение температуры прогрева грунта вдоль поверхности скважины с дальнейшим определением положения изотермы с температурой таяния грунта либо по показанию одного термометра либо интерполяцией показаний между несколькими термометрами. Для этого термометры, иэмерякщие температуру поверхности скважины, в количестве 4-5 шт. заранее устанавливают на по верхности скважины на различных фиксированных расстояниях в пределах .размера 2-3 диаметров скважины ниже корпуса зонда.Экспериментально установлено, что при использовании типовых термопрессиометров, имеющих форму вытянутого цилиндра, иэотермы теплового потока, распространяющегося в грунте, на не.котором удалении От термопрессиометра принимают Форму, близкую к зллипсоидальной с полост 1 ю - скважиной,расположенной вдоль Оси эллипсоида,При повторных прогревах одногогрунта образуется Форма изотерм, подобная полученным при лабораторном "тарированном испытании. Значительнаявеличина отношения теплопроводимо-,. -тей грунта и воздуха - 40/1-60/1 и,вытекающая отсюда, параллельностьстенки скважины в продольном сеченииадиабатическнм линиям темгературбогополя грунта исключают заметнге искажения Формы изотерм в поверхностномслое грунта скважины.Перенос тепла конвекцией э скважине незначителен в связи с малььмдиаметрОм скважины тем, чтс скважина сверху покрыта зондо , а такжепотому,ГО поверхность скважины вместе измере 1 ия тзмператур и Огревается сверху,а изотермы поверхностискважины распОложень 1 Горизонтально,Известно, что изотерьы,. близкие к0 "С, в значительной части Грунтовсоответствуют границе эоны оттаивания. Местонахождение этих иэ 1 терм вмассиве окружающего зонд Грунтаопределяет положение границы зоныоттаивания,В грунтах, в которых температуральдООбразОвани Я ниже ну ляГлав не мобразом Глинистые грунты, О местонахОждении ЗОнь 1 Оттаивания судя" 11 ОизОтерме сОответствующей тем 11 ературе льдообраэсвания данного гр.нта,Для каждого отдельного Т 11 па эондсвтермопрессиометров нсобхсдимо Однопредварительное исследование тзплоОбменных характеристик зонда с Гру;, -ТОМ,Н р и м е р. Производилось Опытноеопределение деформативных характеристИК ГРУНТа-ПЕСКа СРЕДНЕЙ КРУПНОСти,Г 1 олностью водонасыщеннОГО, с козфФНциентом пористости 1, 0,6 имеющеготемпературу льдообразования ОСС. Предварительные испытания проводились вмерзлотной лаборатории УПИ им. С,:,Кирова на образцах диаметром 0,8 ми высотой 3 м. Тип устройства моделирования промерзания грунта - ИПГ 11)Стальной контейнер с грунтом, имеющий толщину стенки 3 яч, г 1 омещен вмороэильную камеру и промораживаетсясверху, Температура в верхней частиморозильной камеры над образцом минус ЯОС, в нижней части +5 ОС. Температура на поверхности Образца минус4 С, на глубине 2 и температура Образца минус 0,2 ВС, В центре ОбразцаизГОтОвлена вертикальная скважинадиаметром 96 мм и глубиной 2,5 м,Фронт промерзания Образца находитсяна глубине 2,5 м От поверхности Образца.ПлоскОсть ФрОнта прОмерэания прак"тически Гориэонтальча Вдоль .Оверх -775221 Глубина установки от Температура дсоттаивания, сС Температура вмоментпрекраще ния оттаивания,сС Ф термо- метра Формула изобретения поверхности, м 1,6 0,78 + 0,25 О,бб + 0,08 7 0,04- . 0,11 0,150,51 0,36 2,0 0,2 Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 ности скважины, на глубине 1,6 м 2,0 м. с интервалом 100 мм установлены 5проволочных электротермометров. На глубине 1,2 м, на расстоянии 288 мм от оси скважины в грунте расположен один грунтовой термометр, Электротер-, мсметры используются совместно с циф 5 ровым измерительным прибором - автоматическим мостом сопротивления типа Р.В скважине на глубине 1,2 м установлен зонд термопрессиометра типа 1 ф ТП/1/.Длина зонда 600 мм,ближайшчй к зонду термометр,из числа установленных на поверхности скважины, находится от края зонда на расстоянии 100 мм.В то время, когда температура, эа меренная термометром, установленным на глубине 1,2 м, достигла ОфС, термометры, установленные в скважине, показали значения представленные в таблице. 2 О Интерполяцией значений температуры, чзмереннсй термометрами в скважине, было устансвлено, что нулевая изотерма в стенке скважины находится на расстоянии 270 мм ст нижнего конца зонда, и, следовательно, если установить одинтермометр для измерения температурй стенки скважины на этом расотоянии, тс при достижении температуры таяния зоны, расположенной на расстоянии трехдиаметров скважины от оси зонда прессисметра, термометр в скважине покажет ту же температуру. В дальнейшем эксперимент был повторен с другим грунтом - пылеватым суглинком, и были получены сходные результаты, 55 При определении деФормативных характеристик талого грунта - песка средней крупности согласно приведенной методике, полученный н результате эксперимента модуль деФсдмации Е оказался, равным 380 кгс/см, что с вполне удовлетворительной точностью совпадает сВИИИПИ Заказ 7674/37 результатами испытаний того же грунта в натурных условиях,Использование предлагаемого способа испытания мерзлых грунтов по сравнению с сущестнующим способом механического зондирования, обеспечивает следующие преимещуства:исключаются работы по механическо" му зондированию шупом, благодаря чему сокращаются трудозатраты и уменьшается время испытания на 1,5-2 часа на одно прессиометрическое измерение;повышается достоверность результатсн измерений за счет исключения ошибок возможных при измерении шупом грунтон, содержащих твердые включе" ния;становится возможным использование термопрессиометрического метода измерений для измерения деформативных характеристик крупнообломочных грунтов, в которых механическое зондирование невозможно. Способ испытания мерзлых грунтовтермопрессиометром, включающий прогрев термопрессиометром мерзлого грунта до образования оттаявшей зоны вокруг зонда термопрессиометра и измерение оттаявшей зоны, а также измерениеоттаявшей зоны, а также измерениерадиальных перемещений стенок скважины при нагружении термопрессиометром оттаявшей зоны давлением, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьйнения достоверности определения деФормативных характеристикразличных , в том числе и крупнообломочных, грунтов, а также сокращениятрудозатрат и времени испытаний, измерение величины оттаявшей зоны производят одновременно с оттаиванием,путем измерений температуры поверхности скважины ниже зонда термопрессиометра на линии изотерьы, проходящейв массиве грунта на расстоянии трехдиаметров скважины от центра оси зонда в горизонтальной плоскости, а нридостижении в точке измерения температуры границы зоны оттаивания, производят термопрессиометрическое измерение,Источники инФормации,принятые но внимание при экспертизе1. Инструкция по инженерно-геологическим исследованиям и проектирова,.нию оснований и Фундаментов в условиях Среднего Приобья. ВИ-76 Гип-,ротюменьнефтегаз, Тюмень, 1976. Утверждена и внедена в действие распоряжением 9 196-р (с. 65-67) Главтюменьнефтегаза от 9 июля 1976,Тираж 713Подписное