Обработка результатов эксперимента. Теплопроводность грунта , Вт/(м·°с) [ккал/(м·ч·°с)], определяют по формуле

_(6.14)

Значения k  тепломера Вт/(м²·мВ) [ккал/(м²·ч·× мВ)],где  - измеренная э.д.с., мВ (последнее показание тепломера); k_э - градуировочный коэффициент, определяемый согласно обязательному приложению 3, Вт/(м²·мВ) [ккал/(м²·ч·мВ)]; h - высота исследуемого образца грунта, м; t_в и t_н - средние значения температур соответственно верхней и нижней поверхностей образца при установившемся тепловом потоке, °С.

Значения   вычисляют с точностью до 0,01 т/(м·°С) [0,01 ккал/(м·ч·°С)], используя в эксперименте не менее двух образцов-близнецов грунта. Для теплотехнических расчетов значение теплопроводности принимают равным, среднему арифметическому значению двух образцов-близнецов грунта определяют по формуле

(6.26.)

где -   теплопроводность эталонного образца; t_н и t_в - средние температуры соответственно верхней и нижней поверхностей эталонного образца при установившемся тепловом потоке, °С;  - измеренная э.д.с. тепломера, мВ; h_э - высота эталонного образца, м.

Эталонный образец должен быть изготовлен из материала с известной величиной , находящейся в пределах от 0,2 до 1,0 Вт/(м·°С) [0,17 - 0,86 ккал/(м·ч·°С)] (например, органическое стекло). Размеры эталонного образца должны соответствовать размерам исследуемых образцов. Измерения  , t_н и t_в, проводят так же как и для образца грунта, вместо которого находится эталонный материал. За градуировочный коэффициент тепломера принимают среднее значение результатов двух испытаний эталонного образца при разных температурах (отличающихся не менее чем на 5 °С) в интервалетемператур исследования образцов грунта.

Изучение теплопроводных свойств крупнообломочных грунтов. Экспериментальные установки по определению коэффициен-тов теплопроводности скальных и крупнообломочных пород создавались нами на основе решения уравнения теплопроводности для установившегося потока тепла, проходящего через неограниченную плоскопараллельную пластину:

l? = J_q h/ D?t, (6.27)

где J_q - плотность теплового потока, h – толщина пластины (образца), D?t = t₁ - t₂, разность температур между «теплой» (нижней - t₁) и «холодной» (верхней - t₂) поверхностями образцов.

Конструкция экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности скальных пород (l?_ск) была следующей. Тепловой поток создавался плоским электронагревателем постоянной мощности, подключенным к источнику постоянного тока В5-48. Нагреватель помещался между­ двумя пластинами горной породы. Нагреватели были изготовлены в лаборатории геотермии Института мерзлотоведения СО РАН. Высота пластины был­а равной h_пл = 0.З-0,4 см, длина стороны квадрата L_пл = 5,0 см. Размеры пластины выбирались исходя из соотношения h_пл / L_{пл <?} 3-4. В этом случае, при реализации граничных условий первого рода и стоке тепла с боковых поверхностей по закону Ньютона, расхождение температурных полей в центре образца не превышает 2%. Измерение температур на поверхностях пластин осуществлялось медь-константиновыми термопарами ампервольтметром Р-386, Спаи термопар располагались на поверхностях нагревателя и на поверхностях образцов. Для предотвращения боковых теплопотерь, рабочая кассета заключа-лась в оболочку из пенопласта. В собранном виде она помещалась в холодильник «Gronland», где моделировался необходимый тепловой режим.

Методика определения коэффициентов теплопроводности крупнообломочных пород (l?_кп) разработана на базе специально сконструированного крупногабаритного лабораторного стенда рис. 6.5.

Основными узлами его являлись рабочая камера с образцом грунта, два термостатирующих контура с холодильными машинами, измерительная и контрольная аппаратура. Градиент температур задавался и фиксировался при помощи двух полых штампов, по которым прокачивалась незамерзающая жидкость с постоянной, но отличной друг от друга температурой. Тепловой поток измерялся с помощью плоских высокочувствительных тепломеров, изготовленных и вмонтированных в оргстекло батарей дифференциальных термопар.

Рис. 6.5. Лабораторный крупногабаритный стенд для изучения теплопроводных свойств мерзлых и талых крупообломочных грунтов [94]:

1. холодильные агрегаты (ФАК I-I); 2 – термостаты ТС-16; 3 - фреоновые коммуникации; 4 – терморегулирующий вентиль; 5 - термометры; 6 – контактные термометры; 7 – мешалка; 8 – резиновые трубки; 9 – компенсационые провода; 10 – самописец (КСП – 4); 11 - теплозащитный кожух; 12 – тепловые штампы; 13 – тепломер; 14 – образец грнта; 15 – термоизоляционая касета; 16 – резиновые прокладки с термопарами.

Одномерность температурного поля в опы-тах обеспечивалась при соблюдении линейных размеров образцов пород: h_об / d_об£Ј 0,3 при­­ h_к£Ј 0,3 Н и d_к£Ј 0,Зd_об , где h_об - высота образца, d_об - его диаметр, ­­h_к - толщина крупнообломочных частиц и d_к­ - их диаметр. Контрольные изме-рения теплопроводности эталонного образца из оргстекла, откалиброванного во ВНИИМ им. Менделеева, показали, что относительная погрешность измерения l?_кп не превышала 7%. Кроме этого, были проведены определения коэффициентов теплопроводности заполнителя на созданной установке и методом регулярного режима. Их значения не отличались больше чем на 10%.

Методы регулярного теплового режима. Теплопроводность грунта на образцах малого размера, например, типа керна буровой скважины определяют по упрощенной методике, основанной на закономерности регулярного теплового режима.

Прибор для определения коэффициента теплопроводности грунта по методу регулярного теплового режима основан на свободном охлаждении или нагревании образца в среде постоянной температуры. В опыте наблюдают за изменениями температуры во времени. Прибор состоит из а-калориметра, в который помещают исследуемый образец грунта, термоса, заполненного охладительной смесью, латунного или медного бачка теплоприемника с незамерзающей жидкостью, крышки из теплоизоляционного материала и мешалки с механическим или электрическим приводом. А-калориметр представляет собой латунный цилиндр диаметром 4-6 см и высотой 6-8 см с двумя герметически закрывающимися крышками. К верхней крышке припаяна латунная трубка для ввода в образец рабочего спая дифференциальной термопары (рис. 6.6.)

В комплект прибора входят: гальванометр чувствительностью не ниже 10^-6 а/дел шкалы; ртутные лабораторные термометры с ценой деления 0,1° на интервалы температур от 0 до +30° С и от 0 до -30° С, ультратермостат или криостаты, секундомер и технические весы. Подготовка образцов. Испытание образцов грунта по методу регулярного теплового режима производят в а-калориметре. Размеры образца определяются основными размерами а-калориметра.

Рис. 6.6. Схема прибора для определения коэффициента теплопроводности грунтов по методу регулярного теплового режима

1 - а-калориметр; 2 - образец грунта; 3 - дифференциальная термопара; 4 - термос; 5 - охладительная смесь; 5 - бачок теплоприемника; 7 - незамерзающая жидкость; 8 - крышка: 9 - мешалка; 10 - лабораторный ртутный термометр

Образец грунта приготовляют либо из керна разведочной скважины, либо вырезают из монолита, отобранного в горной выработке. В процессе обработки поверхность образца плотно притирают к стенкам и крышкам а-калориметра. Из буровой скважины образец отбирают с уровня зачищенного забоя с помощью обуривающего или забивного грунтоноса, обеспечивающего сохранность естественного сложения грунта. Для отбора керна мерзлых грунтов применяют специальные пробоотборники. При отборе, транспортировании и обработке образцов мерзлого грунта принимают меры для сохранения их в мерзлом состоянии.

При испытании грунта нарушенного сложения образец приготовляют из равномерно увлажненного и уплотненного под заданной нагрузкой грунта до достижения условной стабилизации осадки. Уплотнение образцов можно производить рычажным прессом непосредственно в а-калориметре. Для предотвращения деформации последнего его при этом помещают в толстостенную оправу.

Для измерения температуры образца закладывают в среднюю его часть спай дифференциальной термопары. Спай термопары должен плотно соприкасаться с грунтом,и а-калориметр, заполненный грунтом, герметически закрывают крышками. Крышки при этом должны плотно прилегать к торцовым поверхностям образца. Подготовленные таким образом образцы выдерживают при постоянной температуре:

образцы талых грунтов - в помещении при комнатной температуре (18-20° С) в течение 3-4 ч; образцы мерзлых грунтов - в холодильной камере или криостате при температуре не выше - 10° С в течение 6-8 ч (не считая времени замораживания).

Проведение испытания. При испытании образца мерзлого грунта термос прибора заполняют охладительной или криогидратной смесью с температурой плавления не выше -20° С. В бачок теплоприемника наливают незамерзающую жидкость (спирт, керосин) и доводят ее температуру до температуры охладительной смеси (с точностью до 0,1° С). При испытаниях образца талого грунта бачок теплоприемника удаляют, а термос прибора заполняют смесью воды с измельченным льдом. Прибор с работающей мешалкой выдерживают до установления постоянной температуры смеси, равной 0°. Для измерения а-калориметр погружают в бачок или термос прибора и наблюдают за изменением во времени разности температур между образцом и теплоотводящей жидкостью с помощью гальванометра, присоединенного к выводам дифференциальной термопары. Показания гальванометра отсчитывают в течение 8-12 мин с интервалом в 1мин. В процессе опыта интенсивным турбулентным перемешиванием жидкости поддерживают постоянство ее температуры с точностью до 0,1°. Данные наблюдений записывают в форму табл. 6.6.

Образцы анизотропных грунтов тонкослоистой текстуры подвергаются дополнительному испытанию при измененном условии теплообмена: с а-калориметра снимают нижнюю крышку и заменяют ее тонкостенным пластмассовым колпачком. Между колпачком и поверхностью образца оставляют воздушный зазор в 8-10 мм, исключающий непосредственный контакт образца с жидкостью и теплообмен между ними. После выдержки образца при постоянной температуре повторяют опыт  в указанной выше последовательности. . Испытание анизотропных образцов следует производить в а-калориметре высотой, примерно равной их диаметру. Слоистость образца должна совпадать с его торцовой поверхностью. Все опыты выполняют с двукратной повторностью. Если расхождение между двумя измерениями превышает 5%, то производят контрольный опыт. По окончании измерений определяют влажность исследованного образца грунта термостатновесовым методом.

Обработка результатов и определение характеристик. По данным опыта строят график изменения разности температуры образца и теплоотводящей жидкости  °С в зависимости от времени. График строят в полулогарифмическом масштабе. По оси ординат откладывают значения , а по оси абсцисс - время t в мин. На прямолинейном участке графика выбирают две точки, соответствующие моментам времени t₁ и t₂, и определяют значения температур   и  . По этим данным вычисляют темп охлаждения образца грунта ? по формуле

, мин^-1 (6,28)

Вычисляют коэффициент температуропроводности образца а по формуле

, м²/ч (6,29)

где k_ф - коэффициент формы a-калориметра, определяемый по формуле

, cм² (6,30)

где R и h - соответственно радиус и высота образца в см.

Определяют коэффициент теплопроводности исследованного образца грунта по формуле

 = а·с·  ,Вт/м·ч·град                                          (6.31)

где  ? - плотность образца грунта в кг/м³; С -удельная теплоемкость образца грунта, кДж/ м^3оС (вычисляется по эмпирическим формулам или определяется экспериментально)