Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ 998929 Союз СоветскихСоцналнстнческнхРеспублик(6 ) Дополнительное к авт. свид-ву.(22)Заявлено 14,0.81 (21) 3272764/18-25с присоединением заявки ЛеДата опубликования описания 23. 02.83 Н. В, Чураев, Я. Б. Горелик(72) Авторы изобретен Гос дарственныи науцнс- нститут нефтяной и В.И. Муравленко и Оинститут физиче 7 ) Заявители Знаме Й) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ,НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ .ГРУ 1Изобретение 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 зксплуатации сооружений в области распространения многолетнемерзлых пород.Известен калориметрический способ определения количества незамерзшейводы в мерзлых грунтах, основанныйна измерении количества тепла, поглощаемого образцом исследуемой породы в результате его оттаивания 1),Недостатком известного способа является использование холодильникатермостата, что практически исключает применение данного способа в полевых условиях.Наиболее близким техническим решением к изобретению -является способопределения количества незамерзшейводы в мерзлых грунтах, заключающий-. 2ся 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, просоцившейся черезиспытываемый образец 2.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 ко 3 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 дав. ления и по известной нацальной влажности образца и количеству отжатой .воды определяют весовую влажность об раэца, а отрицательную температуру,при которой это. значение влажности равно количеству незамерзшей воды в мерзлом образце,Определяют по формуле р 6щ" - Т1. ОРгде й - отрицательная температураР - стабилизированное давлениенагружения; 26ПЛОТНОСТЬ ЛЬДар- удельная теплота Фазового перехода;Т " температура Фазового переходаводы в лед, 2%После чего создают следующую сту" пень нагружения, пока не будет перекрыт практицески весь необходимый диапазон температурыЦа Фиг. 1 изображено одно иэ воз- щ можных устройств,. реализующих способ; на фиг. 2 и 3 - две минеральные частицы с находящимися между ними льдом и пленками незамерзшей воды; на фиг. 1" кривые незамерзшей воды.Устройство состоит из пресса 1, способного создавать давление от 0 до ОН/м, с манометром 2, металлического стакана 3, снабженного поршнемметаллическим фильтроми прозрач В ной водоотводной трубкой 6 с нанесенной на ней шкалой для измерения уровня воды. Водоотводнан трубка 6 соединена с емкостью стакана 3 отверстием 7 в дне стакана. ЦиФрой 8 обозначен испытуемый образец. Расчет по приведенной Формуле показывает, что предельное давление, создаваемое прессом и равное 10 Н/м , 56 соответствует температуре -2,5 фС, 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 незамерзшей воды в мерзлом грунте осу 29 4ществляют на талом образце в следую щем порядке,Стакан наполняют водой примернодо уровня верхнего торца металлического фильтра, опускают на дно стакана металлический фильтр и промокательной бумагой убирают излишки влаги,находящиеся над металлическим Фильтром. Талый водонасыщенный,образецрунта с известной массой скелета.(МОК 1 укладывают равнонерно поверх1 металлического Фильтра. Затем вводятГ1 В стакан поршень до соприкосновенияс образцом и стакан устанавливают под.пресс. В этом положении снимают начальный уровень воды в трубке. Далеес помощью пресса создают давление напоршень, которое регистрируется маноМЕТРОМ. УРОВЕНЬ ВОДЫ В ВОДООТВОДНОЙтрубке увеличивается по мере вытесне"ния воды из образца до некоторого,стабилизированного значения, которое устанавливается примерно в течение 1 ч.После стабилизации уровня снимают отсчет по манометру (Р) и соответствующее ему изменение уровня воды фН) вводоотводной трубке. Весовую влажностьобразца под нагрузкой определяют поформуле9 р аНЬмач р,где 5 - площадь проходного сечения водоотводной трубки, а отрицательную температуру, при которой полученное значение влажности соответствует количеству незамерзшей воды в мерзлом образце, определяют по формуле9Ф У 1,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 плен. ке незамерзшей воды между льдом и минеральной частицей связано с температурой пленки следующим соотношением99892 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 верхностью минерала.Если выражение для расклинивающего давления в пленке воды между льдом и минеральной частицей выразить черезфункцию взаимодействия молекул воды 1% 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- щостью льда. Поэтому в данном случаедостаточной для практики точностьюожно пренебречь взаимодействием моекул воды со льдом.Если лед заменить второй минераль. З 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 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 внешнем поле поверхности. Если считать приближенно спреведливым принцип суперпозиции полей от двух минеральныхчастиц, 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-ф шей воды толщиной и будет примерно совпадать с влажностью талого образца с пленкойтолщиной 2 п,9 4На 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 изобретенияСпособ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, эакло-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 ющ и й с я 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 формулеРй- Т4.09,Ьгде с - отрицательная температура;Р - стабилизированное давлениенагружения;) - плотность льда;- удельная теплота фазового перехода воды в лед;Т - температура фазового переходаоводы в лед,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе .1. Ершов З.Д. и др. Фазовый составвлаги в мерзлых породах. Иэд-во ИГУ,1979, с. 189,2, Авторское свидетельство СССРЬ" 824001, кл, 6 О 1 К 25/56, 1979-35, Раушс иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектн И,й О.оираж 871 Гас ударс лам изоб осква, Ж Подписное митета СССР ткрытиЙ ая наб., д.