Что такое мерзлый грунт по госту

Добавлено: 02.06.2018, 20:12 / Просмотров: 65545
Закрыть ... [X]

Студопедия Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Предыдущая12345678910Следующая

1. Что такое мерзлый грунт? (Cравнить с талыми, морозными, сыпучемерзлыми).

2. Общая классификация методов исследования мерзлых грунтов (МИМГ)

3. Полевые и лабораторные МИМГ

4. Структурный состав МГ

5. Минеральные частицы, роль их удельной поверхности

6. Биогенные грунты, классификация, определение степени заторфованности

7. Категории воды в грунте (свободная, рыхло – и прочносвязанная)

8. Температура замерзания, уравнение Клапейрона-Клаузиуса

9. Определение температуры замерзания, характерные участки графика замерзания

10. Содержание незамерзшей воды (способы определения, формула, график)

11. Поровые растворы, определение засоленности грунта.

12. Определение температуры замерзания засоленного грунта, эвтектические смеси

13. Основные категории льда в МГ

14. Роль газовой компоненты в МГ

15. Строение МГ, текстуры и структуры

16. Физические свойства МГ, базовые характеристики, расчетные формулы

17. Теплофизические свойства МГ

18. Экспериментальное определение теплофизических свойств

19. Три рода граничных условий температурного режима

20. Характерные температуры и уровни толщи МГ

21. Расчет среднегодовой температуры на характерных уровнях

22. Поправки к температуре за счет отепляющего воздействия солнечной радиации и снега

23. Расчет среднемесячных и максимальных температур грунта

24. Деятельный слой, расчет его мощности

25. Оценочный расчет мощности мерзлых пород и слоя годовых нулевых амплитуд

26. Типы термометры для грунта, шкалы (Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, абсолютная)

27. Механические свойства, общие положения

28. Три стадии ползучести

29. Мгновенная, длительная и предельно длительная прочность

30. Перечислите деформационные показатели МГ

31. Модули общей деформации и нормальной упругости, коэффициент Пуассона

32. Вязкость и сжимаемость

33. Общие требования к механическим испытаниям МГ

 

Исследованием грунтов вообще занимается грунтоведение – наука о грунтах. Но исторически так сложилось, что она изучает в основном немерзлые грунты. Геокриологию – как науку о мерзлых грунтах, методы ее исследования можно считать дальнейшим развитием грунтоведения в части учета специфики мерзлых грунтов. В чем же главное отличие мерзлых грунтов от немерзлых?

Мерзлым называется грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своем составе лед. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие льда относят к морозным. Крупнообломочные и мелкодисперсные грунты с отрицательной температурой, но не сцементированные льдом, вследствие их малой влажности, называют сыпучемерзлыми. Морозные и сыпучемерзлые (т.е. маловлажные) грунты по физико-механическим свойствам мало отличаются от грунтов с положительной температурой. Грунтовая вода, замерзая при отрицательной температуре, цементирует частицы грунта, придает ему связность, высокую прочность, реологические свойства, другие особенности. Таким образом, главным отличительным признаком мерзлого грунта является наличие льда, а определяющим фактором его физического состояния, строения и свойств – отрицательная температура. Наш курс посвящен методам исследования мерзлых грунтов и касается всего круга вопросов, связанных с определением их сущности, которая обычно выражается через характеристики их состава, строения, свойств.

Что такое метод? Это путь, способ, совокупность приемов (алгоритм) решения какой-либо конкретной задачи, в нашем случае – исследования мерзлых грунтов. Но описать способ исследования объекта невозможно без описания самого объекта, его основных параметров. Поэтому и в нашем курсе описанию метода исследования основных параметров мерзлых грунтов предшествует характеристика этих параметров.

По условиям и составу работ различают полевые (натурные) и камеральные (лабораторные) методы исследования.

В полевых условиях собирается фактический материал, визуально и инструментально изучается, фотографируется и описыватся состав и строение мерзлых толщ, картируется их распределение в пространстве. В группе полевых методов выделяются горно-буровые и геофизические методы. Основными задачами горно-буровыхработ является а) изучение параметров мерзлых грунтов (состава, температуры, мощности, криогенного строения, льдистости) и отбор проб для лабораторных анализов; б) проведение режимных термометрических и гидрогеологических наблюдений, комплексного геофизического каротажа.

Геофизические методы применяются для изучения температурных полей, состава, теплового состояния (талое или мерзлое), залегания различных типов пород в разрезе и плане. Для этого производятся термометрический, электрический, акустический и ядерный каротаж скважин, электропрофилирование и вертикальное электрическое зондирование, инфракрасная, радиотепловая и радиолокационная аэросъемки.

 

В лабораторных (камеральных) условиях на основе специальных опытов с образцами грунта и инструментальных наблюдений (замеров) выявляются их конкретные свойсва, количественные показатели, взаимосвязи и зависимость от внешних условий – климата, растительности, человеческой деятельности и т.д. В этих исследованиях широко применяется метод обобщения переменных. Он состоит в том, что все множество возможных значений данного размерного параметра заключается в узкий интервал 0…1 изменения безразмерных (относительных, абстрактных) величин. Этот прием называется нормализацией или нормированием (центрированием) по 1. Для этого используется простая формула:

 

j =(x-xmin)/( xmax - xmin),(1)

 

где х, xmax и xmin – наблюдаемые текущее, максимальное и минимальное значения показателя.

 

Этот метод позволяет резко сократить объем трудоемких экспериментальных работ и делает возможным корректное численное сопоставление параметров разной природы и размерности. Приведу 2 примера.

1. В книге С.С. Вялова [3, стр. 311] помещен объединенный график зависимости предельно-длительной прочности смерзания глинистых пылеватых грунтов Рпс с фундаментом от температуры t по результатам экспериментов российских и американских исследователей (всего по пяти источникам), выполненных в разных условиях (разные грунты, температуры, материал фундамента, способы его погружения). Диапазоны изменения температуры: 0 – -6 оС, прочности смерзания: 0 – 0,3 МПа.

Рис. 1. Зависимость прочности смерзания глинистых грунтов jпс от температурыj t в безразмерном виде(пояснения в тексте)

 

На рис. 1 приведен график зависимости крайних (максимальной -1 и минимальной -2) значений относительной длительной прочности смерзания jпс от относительной температуры j t, снятых с графика С.С. Вялова; остальные значения jпс лежат между ними. Величины jпс и j t вычислены по формуле (1). Кривые а и б построены по аппроксимирующим формулам, записанным на рис. 1, который демонстрирует хорошую сходимостьфактических данных с вычислениями по обеим формулам.

2. На рис. 2дан график зависимости относительной деформации (ползучести) мерзлой супеси при одноосном сжатии jс от относительного времени jτ по наблюдениям за этими величинами в размерном виде [Л.Т.Роман, 1978]. Величины jс и jτ рассчитывались по формуле (1). Максимумы и минимумы деформации в долях единицы, необходимые для расчета: для серии 3) 2,48. 10-3 и 1,9. 10-3 – при Р3 = 0,7 МПа; для серии 4) 1,8. 10-3 и 1,5. 10-3 – при Р4 = 0,6 МПа; максимум и минимум времени (τ, час) - 12 и 1. Опыты этих серий проведены при t= -4.5º С. Значки – экспериментальные данные, кривая – расчет по формулам на рисунке. График показывает хорошую сходимость фактических и вычисленных значений jс.

.

Рис. 2. Ход относительной деформации мерзлой супеси при одноосном сжатии jс в относительном времени jτ при разных температурах и давлениях

 

Сравнение графиков зависимости нормированных значений прочности от температуры (рис. 1) и ползучести от времени (рис. 2) и аппроксимирующих формул показывает их идентичность. Это означает, что данные процессы на таком уровне обобщения подобны; их специфика в полной мере отражается в величинах любых соответственных пар функции и аргумента (jпс и j t или jпч и jτ). Т.е., если известна хотя бы одна соответственная пара, например, t и Рпс, то с помощью формулы (1) и графиков или формул на рис.1, несложно определить и Рпс при любых других t.

Интересно, что коэффициенты формулах кривых рассмотренных зависимостей совпадают с константами Золотого сечения. Напомню, что золотым сечением называют иррациональное число 0,61803…или его обратную величину 1,61803… Оно делит единичный отрезок так, что отношение 1 к большей части (х) равно отношению большей части к меньшей (1-х): 1/х=х/(1-х)=1,618. Это наиболее распространенное соотношение близких к равновесию оппозиций во многих системах мироздания, обеспечивающее их гармонию и устойчивое состояние (Стахов, 1984).

Конечной целью всех исследований является построение максимально полной количественной модели мерзлого грунта на данной территории (площади), выраженной совокупностью математических формул, таблиц, графиков, карт и т.п., позволяющей прогнозировать и управлять его характеристиками при изменениях внешних условий, вызванных как естественными факторами, так и жизнедеятельностью человека. Определения (расчеты) различных параметров мерзлого грунта с помощью таких моделей составляют сущностьрасчетных методовисследования; методы, связанные с непосредственными наблюдениями и инструментальными замерами относятся к экспериментальным. Расчетные методы основываются на экспериментальных, они предельно экономичны, но практическое их применение возможно лишь на определенном, достаточно высоком, уровне изученности рассматриваемого параметра.

Современный уровень изученности большинства физических, теплофизических, механических и др. свойств мерзлых грунтов допускает их определение расчетными методами по данным о базовых физических свойствах – плотности, влажности и некоторых других.

1. Состав мерзлых грунтов.

По своему агрегатному состоянию мерзлые грунты относятся к твердым телам. Однако, по составу, они являются многофазными, включая разные по физико – химическим и механическим свойствам компоненты, находящиеся в различном фазовом состоянии (твердом, жидком, паро- и газообразном). Все компоненты мерзлых грунтов находятся в механическом, физическом и химическом взаимодействии, которое формирует физико-механические свойства, определяющие поведение мерзлых грунтов при внешнем воздействии. Поэтому мерзлые грунты рассматривают как сложную многофазную систему, включающую следующие структурные элементы: 1) твердые минеральные частицы, 2) биогенные включения как растительного, так и животного происхождения, 3) лед – цемент, обусловливающий сцепление (смерзание) частиц и лед прослойков (ледяные шлиры), 4) незамерзшую воду, которая может содержать растворенные соли, кислоты и щелочи (поровые растворы), 5) поровые газы.

Твердые минеральные частицы оказывают существенное воздействие на физико-механические свойства мерзлых грунтов. Большое значение имеют размеры и форма частиц, их компоновка, химико-минеральный состав. По размеру частиц и их относительному содержанию мерзлые грунты классифицируются так же как и немерзлые: крупнообломочные, песчаные (пески и супеси) и глинистые (суглинки и глины). Наименование грунта устанавливается стандартными методами: по числу пластичности (ГОСТ 5183-77 и ГОСТ 5184-77) или, более подробно, по гранулометрическому составу (Лабораторные методы исследования мерзлых грунтов, Изд-во МГУ, 1985, табл.1.1 и 1.4)

Дисперсность минеральных частиц является причиной поверхностных физико-химических процессов, интенсивность которых зависит от удельной поверхности и минсостава. Удельная поверхность (УП) дисперсных грунтов, определяемая как отношение массы образца грунта к его площади, может составлять от нескольких квадратных метров до нескольких сотен квадратных метров на грамм грунта. Например, в каолинитовой глине УП близка к 10 м2/г, а в монтмориллонитовой – к 800 м2/г. Чем больше УП частиц, тем значительней энергия их химических связей. Поэтому минералы с малыми величинами УП (кварц, полевой шпат) слабее взаимодействуют с водой и льдом, чем минералы с большими УП (например, уже упомянутые каолинит и монтмориллонит).

Особенностью химико-минерального состава мерзлых грунтов является повышенное содержание углекислоты, восстановительная обстановка и кислая среда, что создает благоприятные условия для разложения силикатов, миграции труднорастворимых элементов Fe, Al, Ti, P, Mg, Zn и образования закисных соединений железа и глеевых горизонтов. Наиболее характерные минеральные образования в мерзлых грунтах: сидерит, вивианит, марказит, пирит, шамозит, глуконит, гидрослюды, монтмориллонит, бейделлит, различные водородные соединения (метан, сероводород).

Биогенные включения обладают повышенной гидрофильностью. Поэтому мерзлые грунты с биогенными остатками отличаются повышенной льдистостью и содержат больше незамерзшей воды. Это приводит к снижению их прочности и увеличению просадочности при оттаивании.

Относительное содержание растительных остатков в грунте называется степенью заторфованности (q) и определяется как отношение их массы в образце грунта, высушенного при температуре 100-105оС (mб), к массе его минеральной части (mгр) - q=mб /mгр. Схема классификации мерзлых грунтов с растительными остатками приведена в табл.1

 

____________________________________________________________________________________

Таблица 1

Наименование грунта q

______________________________________________________________________________________

Песчаные с примесью растительных остатков 0,03-0,1

Глинистые с примесью растительных остатков 0,05-0,1

Слабозаторфованные 0,1-0,25

Среднезаторфованные 0,25-0,4

Сильнозаторфованные 0,4-0,6

Торф > 0,6

______________________________________________________________________________________

Заторфованность грунта определяетсяпутем механичекого отделения органических остатков или методом сухого сжигания. В инженерных практике заторфованность грунта определяется расчетом по формуле Л.Т.Роман (1985) в зависимости от плотности заторфованного песчаного или глинстого грунта r, г/см2:

q=А/r – В (1)

где А (г/см2) и В (безразмерный) – коэффициенты, равные 3,46 и 1, 3 для песчаного грунта и 3,26 и 1,19 для глинистого.

Водаприсутствует в грунте обычно в виде слабых растворов химических составляющих грунта. Она играет исключительную роль в формировании мерзлого грунта, обусловливая при отрицательных температурах специфику его строения и свойств, как особого геологического образования. При замерзании она цементирует минеральные и биогенные частицы, в десятки раз увеличивая прочность и долговечность грунта. Вода характеризуется рядом аномальных свойств: в отличие от других веществ при замерзании она увеличивается в объеме (на 8,3%), ее плотность имеет максимум при температуре 40С. Причина аномальных свойств воды кроется в водородных связях и устойчивости кристаллической решетки льда, наличии в ней пустот, превышающих размеры молекулы воды, что и вызывает уменьшение плотности льда по сравнению с жидкой фазой. По данным С.Я.Самойлова примерно до температуры плюс 40С, в талой воде все еще сохраняется льдоподобный каркас. Атомы в свободной молекуле воды образуют равнобедренный треугольник Н-О-Н с углом в вершине О равным 105,3о и сторонами О-Н и Н-Н равными 0,096 и 0,154 нм. Соотношение сторон молекулы 0,096/0,154 =0,62 близко к величине ранее упоминаемого золотого сечения, что является признаком ее устойчиво равновесного состояния.

Характерно, что пропорции золотого сечения в системе вода-лед наблюдаются и на макроуровне, например в расположении характерных (выделенных) точек на температурной шкале существования обычной воды (рис.1). Кроме верхнего (100 оС, температура кипения) и нижнего (минус 22оС – ниже этой температуры обычная вода существует только в твердой фазе) пределов, на этой шкале можно выделить 0 оС - температуру плавления (кристаллизации) и 37 оС – температуру минимальной теплоемкости (и максимальной химической активности). Cоотношение выделенных точек- в области положительных температур: (100-37)/100=0,63; в области повышения активности от -22о до 37о: 37/(22+37) =0,63.

В отличие от обычной (свободной) воды, замерзающей при 0оС, температура замерзания грунтовой влаги, всегда ниже, поскольку находится в поле электромолекулярного взаимодействия с минеральными и биогенными частицами, кристаллами льда, растворенными солями. Такая вода называется связанной. По классификации А.Ф.Лебедева вода в грунтах подразделяется на свободную, рыхлосвязанную и прочносвязанную. Прочносвязанная вода состоит из отдельных молекул, входящих в состав минеральной фазы грунта и имеющих наиболее высокую степень связи с ее поверхностью (90-300 кДж/кг). Она замерзает при температуре -80оС и ниже. Меньшим энергетическим взаимодействием обладают адсорбированные и осмотические пленки воды на поверхности частиц грунта и кристаллов солей и льда – рыхлосвязанная вода. Толщина этих пленок от 1 до 8 нм. Рентгеноструктурным анализом установлено наличие квазижидких пленок на кристаллах льда до -12оС. К рыхлосвязанной воде относят также капиллярно-связанную воду и растворы. Таким образом, замерзание грунтовой влаги происходит в диапазоне отрицательных температур. Сначала при температуре начала замерзания в лед переходит свободная вода, затем наблюдается постепенное замерзание рыхлосвязанной влаги и частичное замерзание прочносвязанной. Т.е. практически при любой температуре в мерзлых грунтах находится какое-то количество незамерзшей воды, убывающее при понижении температуры.

Температура замерзаниия (кристаллизации), так же как и оттаивания (плавления) tк определяется из классического уравнения фазового равновесия Клапейрона-Клаузиуса:

 

tк = Р(Vтв –Vж)To/Qк = Рk, (2)

 

где tк=|Т –То| – температура замерзания (оттаивания) воды в оС со знаком "плюс"; Т – то же, на шкале Кельвина; То= 273(К) –температура замерзания при атмосферном давлении; Vтв и Vж – предельные удельные объемы твердой (1,09.10-3 м3/кг) и жидкой (10-3 м3/кг) фазы; Qк – скрытая теплота кристаллизации (плавления); Р – внешнее давление; k=(Vтв –Vж)To/Qк ≈ 0,08 оС/МПа.

Часто возникает и обратная задача: при известной температуре нужно определить давление эамерзающей поровой воды. Тогда:

Р=kt (2)’

В этом уравнении, в отличие от (2), управляющим (внешним) параметром является температура, а Р – это внутреннее давление.

 

Скрытая температура кристаллизации (плавления) Qк заметно зависит от температуры (оС) –

Зависимость Qк от температуры t [Савельев,1991]

 

-t,oC Qф,кДж/кг Qф,кДж/моль 5,6 5,1 4,7 4,3 4,2 Qф,ккал/кг 4,7 57,6 56,2

 

Характерно, что Qк системы вода-лед 1, практически совпадает с квантом энергии =N . n . h = 4 кДж/моль, где N, n, h – число Авогадро, средняя частота колебаний атомов, постоянная Планка. Уравнение (2) справедливо для обычной, несвязанной воды. В мерзлом грунте всегда находится определенное количество незамерзшей (рыхло – и прочносвязанной) воды. Ее объем Vж при замерзании уменьшается, теоретически до нуля, при котором величина k ≈ 0,92 оС/МПа. Т.е., объем жидкой фазы Vж является переменной величиной.

Формула (2) справедлива для жестких (неподатливых) систем. В формуле (2) не отражен процесс достижения фазового равновесия, когда постепенность изменения объема поровой влаги, обусловленная сопротивлением (степенью податливости) окружающего грунта, а также неполное водонасыщение грунтовой поры вызывают появление разности давлений жидкой (Рж) и твердой (Ртв) фазы. Большее давление оказывает (доминирует) та из них, объемное содержание которой увеличивается. При кристаллизации это твердая фаза, при плавлении – жидкая. Этот фактор учтен в обобщенном законе Клапейрона-Клаузиуса [Уильямс, 1972; Головко, 1983], согласно которому температура замерзания равна:

 

tф = To(РтвVтв - РжVж)/Qк = РтвТо(Vтв-VжD)/Qк = Ртвkоб (3)

 

где kоб = То(Vтв-VжD)/Qк; D=(Рж/Ртв)£1.

 

Коэффициент D зависит от деформационных и водно-фильтрационных свойств среды и отвечает за изменение объемов фаз. При замерзании VжD=V – это убывающий от Vж до 0 объем жидкой фазы. Подставив в выражение kоб физические константы воды и льда, получаем:

 

kоб =0,92-0,83D (4)

 

 

В жестких системах Рж = Ртв. Соответственно D=1, а kоб = k = 0,08 oC/МПа.

В нежестких, податливых давлению замерзающей воды, системах, таких как грунты, величины D и kоб занимают промежуточные значения, первые (безразмерные) - между 1 и 0, вторые– между, примерно, 0,08 и 0,92 oC/МПа. Причем в крупнодисперсных грунтах они близки к нижнему пределу (D =1, kоб »0,08), а в тонкодисперсных (пластичных) стремятся к верхнему (D=0, kоб »0,92).

 

Максимальное понижение температуры фазового равновесия в системе вода-лед 1: tф=-22oC, наблюдается при Р=214…220 МПа [Савельев, 1991]. При Р>220 МПа знак зависимости tф от Р меняется на обратный: tф начинает повышаться, достигая 0оС при Р=638 МПа – лед начинает себя вести как "нормальное" твердое тело. Т.е. пределы tэв=-22 oC (или Тэв=251К) и Рэв=220 МПа, характеризуют равновесие, которое по аналогии с пересыщенными растворами (температура их замерзания перестает зависеть от концентрации и появляется третья фаза) можно назвать звтектическим (в переводе с греческого - легкоплавящимся). На рис.1 показана эта зависимость температуры замерзания от давления, из которого следует, что при t< -22 oC обычная вода существует только в твердой фазе.

 

Рис.1 Область существования обычной воды при t < 0oC

 

 

Экспериментальное определение температуры замерзания. Для определения tф образец талого грунта с датчиком температуры (термометром, термопарой…) помещают в бюксу, заносят в морозильную камеру с температурой минус 5-10оС и через определенные промежутки времени фиксируют температуры промерзающего грунта. На рис.1 приведен типичный пример хода температуры песка с влажностью 19,6 % при температуре охлаждения -10оС в цикле замерзания – оттаивания [7]. Замерзанию влаги предшествует ее переохлаждение ниже температуры кристаллизации tк, до величины tпер. Эту температурную область (Э на рис.1) можно назвать скрытой или эмбриональной стадией кристаллизации, на которой незаметно для наблюдателя формируются зародыши кристаллов. При достижении значения tпер температура мгновенно повышается до величины tк с выделением некоторого количества тепла ∆Qк и “на свет” являются первые кристаллы льда, центры (зародыши) последующей кристаллизации всего объема воды.

 

 

Рис.1.Кривые замерзания (а) и оттаивания (б); 1-3 – номера характерных участков кривой.

 

Температура грунта в области t ≥ tпер зависит от температуры охлаждающей среды tох, стремится к ней со скоростью, зависящей от его температуропроводности. Т.е. температура в этой области определяется обычным уравнением теплопроводности Фурье. Переохлаждение создает температурный перепад (tк - tпер), необходимый для получения энергии образования зародышей кристаллов. Его величину, как и время переохлаждения, можно сократить и даже обнулить, например путем встряхивания образца, увеличением внешнего давления Р или с помощью затравок кристаллизации, в качестве которых могут быть использованы любые механические примеси и вещества, по строению близкие ко льду. Естественными затравками являются растворенные в воде соли, ионы которых увеличивают количество активных поверхностей, служащих центрами кристаллизации. В отличие от tк, tпер повышается при увеличении давления. Поэтому при повышении давления сокращение перепада (tк - tпер) идет за счет как понижения tк, так и повышения tпер. Например, в наших опытах с суглинком, замерзающим под давлением, величины tк и tпер составили: -0,3о и -3о при Р=0,1 МПа и -0,8 и -1,4 при Р=5,7 МПа [3].

С началом явной стадии кристаллизации влаги влияние tох в значительной степени перекрывается влиянием скрытой теплоты кристаллизации Qф:

 

Qф = tc (Св - Сл ) (1)

 

где Св и Сл – удельные теплоемкости воды и льда, tc = kос(tк - t) - средняя температура в интервале (tк - t), kос - коэффициент осреднения. При линейном распределении температуры kос = 0,5. Сопоставление справочных данных о скрытых теплотах плавления и теплоемкостях [6] показал, что у большинства материалов kос, рассчитанный по формуле (1) при t= -273о С, не намного отличается от 0,5 (у железа 0,52, у меди 0,56, у нафталина 0,6…). У льда kос ≈ 0,583; Св = 4,2; Сл = 2,1 (кДж/кг град). В нормальных условиях у льда tк ≈ 0. Тогда, Qк = 0,583.2,1. 273 = 334 кДж/кг, а ее малая часть, выделившаяся при повышении t от tпер до tк, ∆Qк = 0,583 (Св - Сл )(tк – tпер). Чем ниже tох, тем меньше t пер.

Температура грунта в области выше tпер зависит от температуры охлаждающей среды tох и его теплофизических свойств. В общем случае tпер равна температуре, которая установилась бы в данном месте и при отсутствии фазовых превращений (в сухом грунте), согласно закону теплопроводности, по которому при τ < ∞ величина tпер всегда выше tох. С приближением к поверхности образца и уменьшением размеров датчика температуры эта разница сокращается, стремясь к нулю. Допустимо принимать, что tпер ≈ tох [Гречищев и др., 2005].

Чем ниже температура охладителя, тем меньше период переохлаждения t пер. При достаточно низких tох величина t пер становится меньше разрешающей способности измерительных приборов и весь участок переохлаждения из-за его малости не фиксируется наблюдениями. Для примера на рис.2 приведены результаты наших с Л.Т.Роман, называть рождаются первые кристаллы льда и температурный скачок __________________________________________________________опытов по определению tк и tпер у заторфованных глинистых грунтов при разных tох, частично описанных в [Роман, 1987]. Из рис.2 видно, что tпер всегда выше tох, причем с понижением tох область переохлаждения сокращается и при tох около минус 6 оС уходит за пределы «видимости» измерительных приборов.

 

Рис.2. Термограммы промерзающего грунта при разных tох, tпер и tк

 

Но и во всех других случаях tпер выше tох. Видимо это связано с тем, что метастабильное состояние в них наступило, точнее сказать, - зафиксировано (наблюдено), при температурах выше tох. В то же время ничто не запрещает полагать, что при этом произошло также и мгновенное, инструментально “не замеченное” понижение температуры от tпер до tох. И только после этого, в следующее мгновение, она повысилась до tк. Т.е. при достаточно низких tох температура грунта в метастабильном состоянии мгновенно пробегает весь спектр температур - от наблюденной tпер до скрытой (ненаблюдаемой) tох и обратно, до tк. Но из-за сверхбыстрой скорости пробега температуры ниже наблюденного значения tпер не отражаются на физических свойствах грунта.

Детальные исследования взаимозависимости tпер и tпер выполнены Гречищевым с сотрудниками [2].

 

Рис.2.Зависимость tпер от τпер (105 с)

 

Нарис.2 даны ее графики для суглинков с разной влажностью: wc = 26,2% (опыт 1) и wc = 20,5% (опыт 2) по [2]. Они хорошо описываются формулой [3, 5]:

 

tпер / tmin =(tmin /tпер) g (2)

 

где tmin и tmin - минимальные время и температура переохлаждения из наблюдаемых в опыте (tmin по модулю - максимальная величина).

Температуры в формуле (2) отсчитываются от температуры кристаллизации tк. Поэтому согласно (2) период переохлаждения уменьшается как при понижении tпер, так и при повышении tк. Величина g близка к относительной деформации кристаллизации g » jк » 0,091, а максимальное переохлаждение (мгновенное, при tпер »10-13с) при подстановке в формулу экспериментальных данных, получается равным минус 22-25оС. Это близко к минимальной температуре, при которой еще может существовать (не замерзать) обычная вода. Т.е. максимум и минимум температур переохлаждения и кристаллизации примерно одинаковы: 0 и -22оС. Крайние значения ∆Qк в этом интервале, рассчитанные по формуле (1) равны 0 и 27 кДж/кг, а отношение ∆Qк /Qк изменяется, соответственно, от 0 до 0,082.

Из (2) следует, что для каждой грунтовой разности

 

tпер (tпер )g = tmin (t min )g = £ = соnst (3)

 

Величина £ устанавливается эмпирически по результатам определения нескольких соответственных пар tпер и tпер. Оценим ее, например, для условий опыта 1 на рис.2 [2]: суглинок с влажностью 26, 2%, -tк =0,4…0,5оС, g » 0,1; tmin= -3,3 оС и t min = 30 с. Подставив эти цифры в (3), имеем: £ » -4,6 (оС.. с 0,1). C помощью (3) можно установить минимальную температуру охлаждения (tох), при которой еще наблюдается tпер. В частности, при tпер = - 4,6о величина t пер составляет 1с, при -5 о она уже равна 0,43 с, а при -8 о -всего 0,004 с. Ясно, что в данном случае tпер фиксируется при tох не ниже -4…-5о С. При повышении tпер величина t пер наоборот увеличивается. В том же опыте, но при tпер = -1, t пер уже около 2 мес, и далее с приближением tпер к tк она резко возрастает, стремясь к ∞.

Предыдущая12345678910Следующая


Источник: http://mylektsii.ru/12-33886.html


Поделись с друзьями



Рекомендуем посмотреть ещё:



Похожие новости


Можно сажать ребенка на переднее кресло
Жимолость правильно посадить сибирь
Поделка аппликация цветок
Адрес для навигатора рынка садовод
Белокрылка в доме
Книга семена ремезова


Что такое мерзлый грунт по госту Что такое мерзлый грунт по госту Что такое мерзлый грунт по госту Что такое мерзлый грунт по госту
Что такое мерзлый грунт по госту


ГОСТ Грунты. Классификация (с Поправкой ГОСТ от 12 июля)
Методы исследования мерзлых грунтов. 1. Что такое мерзлый грунт?



ШОКИРУЮЩИЕ НОВОСТИ