Практическая работа 4

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт «Сибирская школа геонаук»

Практическая работа №4

Определение основных характеристик физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов

по дисциплине

Инженерное мерзлотоведение

Выполнил студент группы РГ-21-1 Новикова К.М.

Шифр И.О. Фамилия

Проверил преподаватель Верхозин И.И.

И.О. Фамилия

Иркутск 2025 г

Теоретическая часть

В состав физических характеристик, определяемых для мерзлых грунтов, входят [9]:

• суммарная влажность мерзлого грунта w_tot;

• влажность мерзлого грунта между включениями льда w_m;

• влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды w_w;

• влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w_i);

• влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w_ic;

• суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot и льдистость мерзлого грунта за счет включений льда i_i;

• степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r;

Суммарной влажностью (w_tot) называется отношение массы всех видов воды к мерзлом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180–84.

Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется также в соответствии с ГОСТ 5180–84

Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, w_w, определяется опытным путем.

Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в широких пределах и может намного превышать их полную влагоемкость в талом состоянии.

Методы определения влажности мерзлой породы. Выбор мето­дики определения влажности при изучении мерзлых грунтов в полевых и лабораторных условиях обусловливается составом грунтов и их криогенной текстурой. Существуют различные методы определения влажности, которые в первом приближении могут быть подразделены на экспериментальные и расчетные. Среди экспериментальных методов наиболее широкое применение получили весовые (или прямые) методы, включающие непосредственное нахождение величины влажности мерзлого образца, извлеченного с определенной глубины, взвешиванием этого образца до и после удаления из него влаги.

В последнее время для оценки влажности мерзлых грунтов используются также радиоизотопные методы, в частности нейтрон-нейтронный. Этот метод наиболее перспективен, поскольку позволяет определить влажность мерзлого грунта не только в момент измерения, но и проследить за изменением ее во времени. Однако применительно к мерзлым грунтам со шлировыми криогенными текстурами радиоизотопные методы находятся в стадии разработки.

В состав теплофизических характеристик, определяемых для вечномерзлых грунтов, входят: теплоемкость С, теплопроводность l, температура начала замерзания грунта T_bf; теплота таяния (замерзания) грунта L_n; температуропроводность а.

Теплофизические характеристики грунта – теплопроводность , Вт/(м С), ккал/(мч С) и объемная теплоемкость С, Вт∙ч/(м³ С), Дж/(м³ С), ккал/(м³ С) определяются опытным путем в соответствии с ГОСТ 26263–84. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (_th и _f), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_th и C_f) песчаных и пылевато-глинистых грунтов, включая заторфованные и гравелистые, допускается принимать по таблице в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (_d).

Температура начала замерзания грунта T_bf, С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние.

Цель практической работы: научиться рассчитывать основные показатели физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов.

Задание: Вычислить и определить по таблицам для трех незасоленных грунтов своего варианта характеристики их физических и теплофизических свойств.

Исходные данные: Приведены в таблице 1

Ход работы:

1. Определяется величина w_w, предварительно берутся из табл. 3.1 методических указаний значения k_w при температуре грунта T, C и числе пластичности I_p.

2. Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента) w_ic, определяется по формуле 3, приняв w_m   w_p,

3. Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w_i, рассчитывается по формуле 4.

4. Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, определяется по формуле 6.

5. Льдистость грунта за счет ледяных включений i_i, опре­деляется по формуле 7, льдистость за счет льда-цемента i_iс, по формуле 8.

6. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле 9, предварительно определяется коэффициент пористости е, по формуле 10 и плотность скелета грунта _d, по формуле 11.

7. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (_th и _f, Вт/(мС)), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_th и C_f, Вт·ч) принимаются по табл. 3.2 методических указаний, в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (_d) и влажности w_tot.

8. Значение температуры начала замерзания грунта T_bf принимается по табл. 3.3 методических указаний с учетом концентрации порового раствора с_ps.

9. Значение удельной теплоты таяния (замерзания) грунта L_, Вт·ч/м³, определяется по формуле 13. Размерность плотности сухого грунта _d берется в кг/м³.

Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 1 – Исходные данные

№ грунта	Описание пород	Мощ-ность слоя, м	Температура грунта, °С	Плотность частиц грунта s, г/см3	Плотность мерзлого грунта , г/см3	Влажность, д. е.		Суммарная влажность wtot, д. е.
						на границе текучести wl	на границе раскатывания wp
1	Суглинки сетчатой текстуры	3,2	–1,3	2,76	1,6	0,43	0,31	0,34
3	Глины массивной текстуры	1,1	–2,6	2,6	1,85	0,28	0,1	0,28
6	Глины слоистой структуры	3,1	–2,5	2,78	1,63	0,41	0,21	0,35

Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, w_w, определяется опытным путем. Для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять по формуле:

w_w = k_ww_p, (1)

w_w = 0.57*0.31=0.18

w_w = 0.67*0.1=0.06

w_w = 0.62*0.21=0.13

k_w = 0.57

k_w = 0.638

k_w = 0.64

где k_w – коэффициент, принимаемый по табл. 3.1 методических указаний в зависимости от температуры грунта Т,  С и числа пластичности I_p:

I_p=w_l  – w_p, (2)

I_p=0.43–0.31=0.23

I_p=0.28-0.1=0.14

I_p=0.41-0.21=0.05

где w_l – влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести).

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), w_ic , вычисляется по зависимости:

w_ic= w_m – w_w (3)

w_ic= 0.31-0.18=0.13

w_ic= 0.1-0.06=0.04

w_ic= 0.21-0.13=0.08

Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w_i:

w_i = w_tot–w_m (4)

w_i = 0.34-0.31=0.03

w_i = 0.28-0.1=0.18

w_i = 0.35-0.21=0.14

Весовая льдистость – i, д. е., отношение веса воды к весу всего грунта, определяется по формуле:

(5)

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.

Суммарная льдистость мерзлого грунта i_tot, д. е., – отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле:

(6)

где _i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

 – плотность мерзлого грунта, г/см³,

i – весовая льдистость, д. е.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений i_i, д. е., – отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта. Определяется по формуле:

(7)

где _s – плотность частиц грунта, г/см³;

_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³;

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. Е.;

w_m – влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включения­ми, д. Е.,

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. Е.

Льдистость грунта за счет порового льда-цемента i_ic, д. Е., определяется также из разности:

I_iс=i_tot–i_i (8)

i_iс=0.22-0.061=0.155

i_iс=0.35-0.320=0.027

i_iс=0.29-0.260=0.030

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле:

(9)

где w_ic – влажность мерзлого грунта за счет порового льда, цементирующего мине­ральные частицы (лед-цемент), д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.;

_s – плотность частиц грунта, г/см³;

е – коэффициент пористости мерзлого грунта;

_w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Коэффициент пористости, е, д. е., определяется по формуле:

(10)

где _s – плотность частиц грунта, г/см³;

_d – плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), г/см³, определяемая по формуле:

(11)

где  – плотность грунта, г/см³;

w_tot – суммарная влажность грунта, д. Е.

Температура начала замерзания грунта T_bf, С, характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов T_bf следует устанавливать опытным путем. Для предварительных расчетов мерзлых оснований значение T_bf допускается принимать по табл. 3.3 методических указаний в зависимости от вида грунта и концентрации порового раствора с_ps, д. Е., определяемой по формуле:

, (12)

где D_s – степень засоленности грунта, д. Е., устанавливаемая по ГОСТ 25100–20;

w_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, доли единицы.

Теплота таяния (замерзания) грунта L_ , Вт·ч/м³, ккал/м³, Дж/м³, принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта и определяется по формуле:

L_ = L₀(w_tot – w_w)_d, (13)

L_ = 93(0.34– 0.18)1190=18072.41 Вт·ч/м³

L_ = 93(0.28– 0.06)1450=29154.57 Вт·ч/м³

L_ = 93(0.35– 0.13)1210=24261.47 Вт·ч/м³

где L_o = 93 Вт·ч/кг, 80 ккал/кг, Дж/кг – удельная теплота фазовых превращений вода–лед в расчете на единицу массы; _d – плотность сухого грунта (скелета грунта), кг/м³.

Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (_th и _f), Вт/(м С), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C_th и C_f), Дж/(м³ С)10^-6, приняты в соответствие плотности грунта в сухом состоянии (_d) по таблице 3.2 методических указаний:

_f =1,8;

_f =1,45;

_f =1,55;

_th = 1,57;

_th = 1,57;

_th = 1,35;

C_th = 3,11;

C_th = 3,02;

C_th = 3,35;

C_f = 2,12;

C_f = 2,18;

C_f = 2,35;

T_bf = -0,36;

T_bf = -0,29;

T_bf = -0,312.