ЛАБОРАТОРНЫЙ  КОМПЛЕКС  ДЛЯ  ИЗУЧЕНИЯ  МЕРЗЛЫХ  ГРУНТОВ

Григорьев  Борис  Владимирович

канд.  техн.  наук,  ФГБОУ  ВПО  «Тюменский  государственный  университет»,  РФ,  г.  Тюмень

E -mail:  Raskatov_@mail.ru

Григорьев  Николай  Владимирович

студент,  Тюменский  государственный  нефтегазовый  университет,  РФ,  г.  Тюмень

E-mail:  

LABORATORY  COMPLEX  FOR  THE  STUDY  OF  FROZEN  SOILS

Boris  Grigoriev

candidate  of  Science,  Tyumen  State  University,  Russia  Tyumen

Nikolai  Grigoriev

student,  Tyumen  State  Oil  and  Gas  University,  Russia  Tyumen

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена  разработка  и  создание  установки  для  исследования  процессов  и  явлений,  возникающих  в  грунтах  и  пористых  материалах  при  их  замораживании  и  оттаивании.  Уделено  внимание  описанию  технических  особенностей  и  возможностей  комплекса.  Приведена  конструкция  и  технические  характеристики  установки.      

ABSTRACT

Considered  the  development  and  creation  of  device  for  research  processes  and  phenomena  occurring  in  soils  and  porous  materials  at  their  freezing  and  thawing.  Attention  is  paid  to  the  description  of  the  technical  features  and  capabilities  of  the  complex.  Shows  the  design  and  specifications  of  the  system.

Ключевые   слова:  экспериментальная  установка;  мерзлый  грунт;  незамерзшая  вода;  автоматизированный  комплекс;  тензоизмерения.

Keywords:   the  experimental  device;  the  frozen  soil;  unfrozen  water,  automated  complex;  strain-gauge  measurement.

В  настоящее  время,  в  ходе  активного  освоения  северных  территорий  РФ  строительные  компании  сталкиваются  с  большими  трудностями  при  возведении  и  дальнейшей  эксплуатации  жилых  и  промышленных  объектов,  транспортных  путей  сообщения,  ведь  такие  явления  как  пучение,  усадка  и  т.  д.  значительно  сокращают  сроки  службы  линейных  и  сосредоточенных  объектов.  Изменение  физических  и  прочностных  свойств  мерзлых  грунтов,  под  действием  внешнего  давления  и  температуры,  приводит  к  снижению  устойчивости  фундаментов  и  деформациям  дорожного  полотна  вызываемого  миграцией  незамерзшей  воды.  В  первом  случае,  миграция  обусловлена  градиентом  температур  между  фундаментом  и  окружающим  грунтом,  и  направлена  в  сторону  возрастания  температуры.  Второй  случай  вызван  в  большей  степени  внешним  давлением  вызывающим  отжатие  незамерзшей  и/или  талой  воды  из  области  повышенного  давления,  что  и  является  причиной  деформаций.  Поэтому  изучение  мерзлых  и  талых  грунтов,  явлений  сопровождающих  замерзание  и  оттаивание  для  анализа  и  предупреждения  негативных  последствий  находит  востребованность  в  инженерных  и  научных  изысканиях. 

Целью  нашей  работы  была  разработка  и  создание  программно-аппаратного  комплекса  для  изучения  процессов  замерзания-оттаивания  грунтов,  в  частности  исследования  явлений  равновесного  и  неравновесного  замерзания-оттаивания  разных  типов  влажных  грунтов,  почв  и  пористых  материалов;  определения  напряжений  связанных  с  фазовым  переходом  воды;  определения  температуры  переохлаждения,  температуры  начала  кристаллизации,  содержания  незамерзшей  воды  при  различных  отрицательных  температурах,  а  также  других  характеристик  широкого  круга  грунтов  и  материалов,  изучение  которых  имеет  высокую  практическую  значимость  в  строительстве  несущих  и  ограждающих  конструкций  зданий,  возведения  ж/д  и  авто  дорог  на  территориях  занимаемых  вечной  мерзлотой  или  подвергающихся  сезонному  замерзанию.  Приоритетом  при  создании  установки  являлись:  охват  широкого  круга  исследуемых  задач,  возможность  вариаций  темпом  замораживания/оттаивания,  широкий  интервал  рабочих  температур,  высокая  степень  автоматизации  при  проведении  эксперимента  и  т.  д.

Конструкция  установки  предполагает  фиксирование  и  учет  количества  энергии,  выделяющейся  из  образца  при  его  замораживании-оттаивании  с  одновременным  измерением  его  температуры.  Для  оценки  степени  напряжений  возникающих  при  кристаллизации  воды  применены  тензометрические  датчики  давления  грунта,  что  позволяет  исследовать  зависимость  изменения  давления  в  грунте  при  его  замерзании  и  оттаивании. 

Технические  особенности  разработанной  установки  состоят  в  следующем:  использованы  высокоточные  датчики  (платиновые  термометры  сопротивления)  и  прецизионные  приборы  обработки  сигналов,  замораживание  образца  происходит  в  отдельном  блоке,  реализована  возможность  как  плавного  замораживания  так  и  плавного  оттаивания  образца,  с  выбранным  темпом  в  °С/мин.  Применены  два  способа  изменения  темпа  замораживания/оттаивания:  с  помощью  нагревателя  в  камере  криостата  и  с  помощью  перепускного  клапана,  что  позволяет  варьировать  темпом  по  любой,  задаваемой  оператором,  функциональной  зависимости.  Разработана  полнофункциональная  система  автоматизации  комплекса  с  функцией  дистанционного  управления  и  работы  по  заданной  программе  без  участия  оператора.

В  состав  разработанного  лабораторного  комплекса  (рис.  1)  входят:  криостат  1;  циркуляционный  блок  2;  аналого-цифровой  преобразователь  (АЦП)  3;  ПК  4;  подводящий  и  отводящий  трубопроводы  5;  термометры  сопротивления  (ТСП),  датчики  теплового  потока  (ДТП)  и  давления  6  (показаны  выводы);  регулирующий  клапан  с  электроприводом  7,  электронное  устройство  управления  электроприводом  8.

Рисунок  1.  Лабораторный  комплекс

Циркуляционный  блок,  объединен  с  криостатом  посредством  трубопроводов  в  единый  контур  для  подвода  и  отвода  холодоносителя.  В  рабочей  камере  циркуляционного  блока  располагается  бюкса  с  исследуемым  образцом  грунта.  Боковая  и  торцевые  стороны  бюксы  находятся  в  контакте  с  датчиками  теплового  потока.  Первый  платиновый  термометр  сопротивления  погружен  в  грунт,  второй  фиксирует  температуру  в  рабочей  камере.  В  зависимости  от  поставленной  задачи  в  образец  помещается  миниатюрный  тензодатчик,  который  замеряет  изменение  давления  при  замораживании.  Аналого-цифровой  преобразователь  преобразует  сигналы  от  ДТП,  ТСП  и  тензодатчика,  и  отображает  данные  на  ПК.  Регулирующий  клапан  позволяет  отбирать  часть  теплоносителя  от  нагнетающего  трубопровода,  чтобы  варьировать  темпом  замораживания  или  оттаивания.

Технические  характеристики  разработанного  комплекса  представлены  в  таблице  1:

Таблица   1.

В  настоящий  момент  на  представленный  лабораторный  комплекс  получено  положительное  решение  на  патент  на  полезную  модель:  Установка  для  определения  незамерзшей  воды  в  мерзлых  грунтах  :  заявка  2012149324  Рос.  Федерация  /  Б.В.  Григорьев,  А.Б.  Шабаров  ;  реш.  2013.05.17.  Составлены  и  находятся  на  рассмотрении  еще  2  заявки  на  патент  на  полезную  модель  по  описываемой  здесь  установке.

Разработанный  комплекс  способен  предоставить  количественные  данные  о  явлениях  равновесного  и  неравновесного  замерзания,  явления  гистерезиса  влажности  при  замерзании-оттаивании,  возникающих  в  замерзающем  грунте  напряжениях,  величине  снижения  температуры  кристаллизации  и  многие  другие  данные,  востребованные  в  задачах  связанных  со  строительством  и  эксплуатацией  объектов  расположенных  на  мерзлых  грунтах.

Список  литературы:

1.Григорьев  Б.В.  Особенности  процессов  замерзания  торфяных  грунтов  Тюменской  области  /  Б.В.  Григорьев,  А.Б.  Шабаров,  Н.Ф.  Чистякова  //  Известия  высш.  учеб.  заведений.  Нефть  и  газ.  —  2013.  —  №  3.  —  С.  95—100.

2.Даниэлян  Ю.С.  Исследование  фазового  состава  влаги  при  оттаивании  мерзлых  грунтов  /  Ю.С.  Даниэлян,  П.А.  Яницкий,  В.Н.  Галиева  //  Проектирование  обустройства  нефтяных  месторождений  Западной  Сибири  :  сб.  ст.  Тюмень  :  Гипротюменнефтегаз,  —  1980.  —  Вып.  48.  —  С.  100—104.

3.Основы  геокриологии  /  под  ред.  Э.Д.  Ершова.  –М.  :  МГУ,  —  1995.  —  Ч.  1.  —  368  с.

4.Руководство  по  определению  физических,  теплофизических  и  механических  характеристик  мерзлых  грунтов  /  ПНИИИС  Госстроя  СССР,  НИИОПС  Госстроя  СССР.  М.  :  Стройиздат,  1973.  —  191  с.