Научная статья на тему 'Лабораторный комплекс для изучения мерзлых грунтов'

Лабораторный комплекс для изучения мерзлых грунтов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
113
47
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА / МЕРЗЛЫЙ ГРУНТ / НЕЗАМЕРЗШАЯ ВОДА / АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС / ТЕНЗОИЗМЕРЕНИЯ / EXPERIMENTAL DEVICE / FROZEN SOIL / UNFROZEN WATER / AUTOMATED COMPLEX / STRAIN-GAUGE MEASUREMENT

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Григорьев Борис Владимирович, Григорьев Николай Владимирович

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Григорьев Борис Владимирович, Григорьев Николай Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

LABORATORY COMPLEX FOR THE STUDY OF FROZEN SOILS

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.

Текст научной работы на тему «Лабораторный комплекс для изучения мерзлых грунтов»

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: grigor ew nikolai@mail.ru

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.

Технические характеристики

Диапазон регулирования температуры, °С -30...99

Разрешающая способность, °С 0,01

Дискретность задания температуры регулирования, °С 0,1

Холодопроизводительность, Вт

до t=-5°C 470

до t=-30 ^ 135

Мощность нагрева до 99°^ Вт 0...400

Объём ванны криостата с внешним контуром, л 8,2

Внешние интерфейсы RS-232, USB

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.