Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 159-160

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Б. В. Григорьев

Поступила в редакцию 09.10.2019
После доработки 16.10.2019
Принята к публикации 18.10.2019

Полный текст (PDF)

При замерзании грунта часть грунтовой воды не претерпевает фазового превращения при отрицательных температурах [1, 2]. Количество незамерзшей воды зависит от типа грунта и температуры и оно тем больше, чем больше его дисперсность. При большой дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, связывающая поровую воду, велика [2].

В данной работе предложен метод определения содержания незамерзшей воды [3] в мерзлых грунтах, суть которого заключается в фиксировании и учете количества энергии, которую надо удалить из образца при его замораживании.

Экспериментальная установка с внешним контуром охлаждения [4] содержит криостат с встроенным перекачивающим насосом, необходимый для охлаждения до заданной температуры термостатирующей жидкости в диапазоне от 0 до –25°C, циркуляционный блок, в рабочей камере которого происходит замораживание образца, аналого-цифровой преобразователь, теплоизолированные трубопроводы для соединения криостата и циркуляционного блока в единый контур, термометры сопротивления и датчик теплового потока.

Рабочая часть циркуляционного блока представляет собой камеру 1 с внутренним диаметром 107 мм, состоящую из теплоизолированного циркуляционного контура 2 (рис. 1), в стенках которого циркулирует теплоноситель. В камере циркуляционного контура расположен термометр сопротивления ТСП Pt100.

Рис. 1.

Циркуляционный блок. 1 – корпус; 2 – циркуляционный контур; 3 – бюкс с образцом.

Бюкс для грунта (рис. 2) изготовлен из нержавеющей стали и представляет собой цилиндрический сосуд 1 диаметром 40, высотой 105, с толщиной стенки 1 мм и с крышкой. На боковой стороне бюкса расположен датчик теплового потока 2, который фиксирует до 91% площади теплообмена между грунтом и камерой, оставшаяся площадь теплоизолируется. По центру бюкса в грунт вставлен термометр сопротивления 4, данные с которого, как и с датчика теплового потока, поступают на аналого-цифровой преобразователь, где преобразуются и выводятся на экран монитора.

Рис. 2.

Бюкс с грунтом. 1 – бюкс; 2 – датчик теплового потока; 3 – исследуемый грунт; 4 – термометр сопротивления.

Во время эксперимента происходит медленное замораживание влажного грунта. Для этого в криостате с использованием испарительного блока устанавливается заданная отрицательная температура, что приводит к охлаждению теплоносителя. Теплоноситель при помощи встроенного насоса циркулирует по циркуляционному контуру, охлаждая внутреннее пространство камеры.

Формула для нахождения массы льда в образце при температуре окончания замораживания tх имеет вид

${{m}_{{\text{л}}}} = \frac{{\sum\limits_{{{\tau }_{2}}}^{{{\tau }_{5}}} {({{q}_{i}}\Delta {{\tau }_{i}})\, - \,({{t}_{{\text{з}}}}\, - \,{{t}_{{\text{х}}}})({{c}_{{\text{г}}}}{{m}_{{\text{г}}}}\, + \,{{c}_{{\text{в}}}}{{m}_{{{\text{в}}\,{\text{исх}}}}}\, + \,{{c}_{{\text{б}}}}{{m}_{{\text{б}}}}\, + \,{{c}_{{\text{p}}}}{{m}_{{\text{p}}}})} }}{{{{L}_{{\text{ф}}}} + {{t}_{{\text{х}}}}({{c}_{{\text{в}}}} - {{c}_{{\text{л}}}})}},$
где qi, Вт – тепловой поток за интервал времени ∆τi [с]; τ2 – время начала кристаллизации воды в порах грунта; τ5 – время окончания эксперимента, когда температура образца становится равной температуре рабочей камеры, а плотность теплового потока равной нулю; ср, Дж/(кг · К) – теплоемкость материала датчика теплового потока; mр, кг – масса датчика теплового потока, находящегося в контрольном объеме; сг, св, сл и cб [Дж/(кг · К)] – соответственно теплоемкость сухого грунта, воды, льда и материала бюкса; mг, mв исх, mл и mб [кг] – масса грунта, воды исходной, льда и бюкса; Lф, Дж/кг – теплота фазового перехода; tз – температура начала замерзания грунта. Исходная масса воды в образце mв исх определяется стандартным методом высушивания грунта до постоянной массы после эксперимента с охлаждением [5]. Масса незамерзшей воды, содержащейся в грунте при температуре tх, находится как разность массы воды исходной и массы льда в образце при температуре tх.

Для подтверждения достоверности получаемых данных проведен сравнительный анализ результатов, полученных двумя разными экспериментальными методами – калориметрическим методом и методом на основе измерения теплового потока в интервале от –0.2 до –13°С для суглинка с влажностью 23.4%. Различия определения незамерзшей воды в интервале температур от –1.5 до –13°С составляют <0.5%. В интервале от ‒0.2 до –1.5°С максимальное различие между данными составляет 5%. Аналогичный сравнительный анализ для мелкозернистого песка показал максимальное отличие не более 1.5%. При этом нужно учитывать, что любой грунт является сложной гетерогенной многокомпонентной системой, и результаты, получаемые при определении большинства физических характеристик грунта, относятся к категории трудновоспроизводимых.

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента РФ СП-3897.2018.1.

Список литературы

  1. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990.

  2. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973.

  3. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов / Под ред. С.Е. Гречищева, Э.Д. Ершова. М.: Недра, 1983.

  4. Григорьев Б.В., Шабаров А.Б. Патент на полезную модель № 141361 RU // Опубл. 27.05.2014. Бюл. № 15.

  5. ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2016.

Дополнительные материалы отсутствуют.