ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
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 [2]: ( ) ( ) , w w w w i w tot s i m tot s i − + − = ρ ρ ρ (3.7) где ρ s – плотность частиц грунта, г/см 3 ; ρ i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см 3 ; 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 . (3.8) Экспериментально льдистость определяется на основе совме- щенного метода Г.П. Мазурова непосредственным измерением суммарной толщины включений льда, приходящихся на единицу разреза. Для этого к мерзлому монолиту прикладывают масштабную линейку и непрерывно по всей высоте монолита грунта измеряют суммарную толщину прослоек льда, секущих поперечную линию. 22 Средний показатель льдистости мерзлого грунта за счет льда включений вычисляется на основе измерения суммарного содержания льда прослоек по трем линиям. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S r , д. е., определяется по формуле: , ) 1 , 1 ( w s w ic r e w w S ρ ρ + = (3.9) 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.; ρ s – плотность частиц грунта, г/см 3 ; е – коэффициент пористости мерзлого грунта; ρ w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см 3 Коэффициент пористости, е, д. е., определяется по формуле: , d d s e ρ ρ ρ − = (3.10) где ρ s – плотность частиц грунта, г/см 3 ; ρ d – плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), г/см 3 , определяемая по формуле: , 1 tot d w + = ρ ρ (3.11) где ρ – плотность грунта, г/см 3 ; w tot – суммарная влажность грунта, д. е. Плотность и пористость являются основными физическими показателями мерзлой породы, используемыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасышения и льдистости грунтов. Величина плотности необходима при расчете коэффициента теплопроводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерзлого грунта, сопротивления мерзлого и оттаивающего грунта сдвигу и др. Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасышения и коэффициента сжимаемости мерзлых грунтов. 23 Под плотностью мерзлого грунта понимают массу единицы его объема в ненарушенном сложении. Единицей измерения этого свойства в системе СИ является кг/м 3 , в системе СГС – г/см 3 , иногда используется т/м 3 . Плотность определяется на образцах ненарушенного сложения и при естественной влажности в единице объема грунта. Пористость может быть выражена коэффициентом пористости, равным отношению объема пор к объему минерального скелета грунта. В соответствии с различными типами пористости выделяют суммарный коэффициент пористости мерзлых грунтов, е, и коэффициент пористости минеральных агрегатов или минеральных прослоек, е г . В немерзлых грунтах коэффициент пористости, как правило, не превышает 2 д. е., в мерзлых грунтах он изменяется в широких пределах и в сильно льдонасыщенных грунтах может быть равен 3 и даже 5 д. е. С увеличением льдистости при постоянном значении e г коэффициент общей пористости возрастает в 2,7–5,0 раз при увеличении льдистости от 5 до 50 %. Методы определения общей плотности мерзлых пород. В зави- симости от типа криогенной текстуры для определений плотности мерзлого грунта применяются методы: 1 – режущих цилиндров (режущего кольца); 2 – обмера образцов правильной геометрической формы; 3 – взвешивания образцов в нейтральной жидкости; 4 – метод лунки; 5 – метод вытеснения нейтральной жидкости (метод Ведерникова); 6 – радиоизотопные и 7 – расчетные. При полевых исследованиях используются методы 1, 2, 4, 7, при работе в лабораторных и стационарных условиях – 3, 5, 6, 7. Различия между основными методами сводятся к способу опре- деления объема образца: по объему вытесненной жидкости или непосредственно обмером образца заданной формы. Для практических целей минимальный объем образца мерзлого грунта с массивной текстурой при определении плотности целесообразно принимать не менее 27 см 3 . Применительно к слоистой и сетчатой текстурам мерзлых тонкодисперсных или песчаных грунтов, отличающихся неоднородностью распределения льда и минерального скелета грунта в объеме, пробы грунта должны быть на порядок больше размеров ледяных и минеральных прослоек. Количество определений плотности мерзлого грунта по глубине мерзлой толщи обусловливается в первую очередь задачами исследования. Отбор пробы должен сопровождаться описанием криогенного строения грунта и характеристикой его состава и влажности. Взвешивание образца при определении общей плотности грунта производят с точностью до 0,01 г на технических и с 24 точностью до 1 г на чашечных весах. Определение плотности мерзлого грунта проводится трехкратно. Расхождение результатов параллельных определений мерзлого грунта не должно превышать 0,05 г/см 3 . За величину плотности грунта принимают среднее арифметическое значение результатов параллельных определений. Конечный результат выражают с точностью до 0,01 г/см 3 Для песчаных и тонкодисперсных грунтов с массивной крио- генной текстурой применимы все методы. Метод режущего кольца[3, 6] используется для определения плотности минеральных агрегатов грунтов с крупносетчатой или крупнослоистой криогенной текстурой, где размер минеральных агрегатов или минеральных прослоек составляет не менее 4,0 см, а также для определения плотности мерзлых грунтов с массивной криогенной текстурой. Методика определения сводится к отбору монолита грунта в стальное режущее кольцо объемом 50–100 см 3 . После отбора грунта в кольцо оно взвешивается. Зная объем мерзлого грунта и его массу, устанавливают плотность мерзлого грунта. Зная массу грунта после его высушивания, вычисляют плотность скелета грунта. Метод обмера образцов правильной геометрической формы применяется для определения плотности грунтов с различными типами и видами криогенных текстур. При отборе монолита ему придают определенную форму, позволяющую установить объем грунта в ненарушенном сложении. Отобранная проба грунта взвешивается и устанавливаются общая плотность грунта, а после его высушивания до постоянного веса – плотность скелета грунта. Обычнопри определении плотности мерзлого грунта монолитам придают форму куба или параллелепипеда. Для определения приближенного значения ρ по монолитам (объемом не менее 50 см 3 ), извлеченным из буровых скважин, измеряется их диаметр, высота (с точностью до 0,01 см) и масса. Этот же метод применяется для определения плотности скелета грунтов с массивной, крупнослоистой и крупносетчатой криогенными текстурами. Метод взвешивания образца в нейтральной жидкости [3, 6] применяется для определения плотности мерзлых тонкодисперсных грунтов с тонкослоистой, мелкосетчатой криогенными текстурами при толщине минеральных прослоек не более 0,5 см. Взвешивают образец в сосуде емкостью 1000 см 3 на две трети заполненном нейтральной жидкостью. В процессе работы измеряется температура жидкости и ее плотность, с коромысла технических весов снимают левую лужку с чашкой и уравновешивают весы мешочком с дробью, подвешенным на крючок левой дужки. Пробу мерзлого грунта объемом не менее 50 см 3 25 перевязывают капроновой ниткой, подвешивают к левой серьге весов и взвешивают. На подставку весов с левой стороны помешают сосуд с нейтральной жидкостью, пробу мерзлою грунта погружают в жидкость на глубину не менее 5–7 см и вновь взвешивают. Проба мерзлого грунта при взвешивании не должна соприкасаться с дном и стенками сосуда. После взвешивания мерзлого монолита в воздухе и затем в нейтральной жидкости определяют общую плотность мерзлого грунта. Точность измерения плотности этим методом составляет 0,02 г/см 3 Нейтральная жидкость, используемая для определения объема грунта, должна иметь температуру замерзания ниже температуры замерзания этого грунта, не реагировать с грунтом и не растворять лед. Обычно в качестве нейтральной жидкости применяются керосин, глицерин, толуол и лифоин. Плотность этих жидкостей устанавливается ареометром или определяется следующим образом. В стеклянную колбу объемом 50 см 3 насыпают дробь в таком количестве, чтобы колба тонула в воде. Затем колба взвешивается в воздухе и в дистиллированной воде. Объем колбы равен разности весов колбы в воздухе и в воде, деленной на плотность воды. Таким образом, если известны объем колбы, ее вес в воздухе и нейтральной жидкости, то плотность нейтральной жидкости (при данной температуре) равна разности масс колбы в воздухе и жидкости, деленной на объем колбы. Нередко для определения плотности методом гидростатического взвешивания образец мерзлого грунта предварительно покрывают парафиновой оболочкой, а его взвешивание проводят не в нейтральной жидкости, а в воде. Предварительно образец грунта зачищают ножом для удаления острых выступающих граней и взвешивают с точностью до 0,01 г в помещении с отрицательной температурой. После взвешивания образец несколько раз погружается в парафин. Остающиеся под парафи- новой оболочкой пузырьки воздуха удаляются нагретой иглой. Определив массу запарафинированного образца в воздухе и воде, устанавливают объем парафина, объем и плотность грунта. Зная общую плотность мерзлого грунта, рассчитывают плотность скелета грунта. Метод «лунки» применяют для определения общей плотности мерзлых дисперсных пород с массивной и шлировой криогенными текстурами. Этим же методом устанавливается плотность крупнообломочных пород (рис. 3.1). Метод используется при работе в открытых горных выработках. Дно выработки выравнивают и зачищают. В дне шурфа делают углубление – лунку – размером не менее 30 х 30 х 30 см. Весь грунт, выбранный из лунки, собирают и взвешивают на чашечных весах с точностью до 1,0 г. После отбора грунта дно лунки выстилается 26 синтетической пленкой (рис. 3.1, в). Затем лунку заполняют водой или засыпают сухим песком с размером зерен от 0,5 до 3,0 мм. Мерный песок должен быть не только однородным, но и чистым. Измеряют объем песка или объем воды, необходимый для заполнения лунки, и таким образом устанавливают объем грунта, извлеченного из лунки. Определив массу грунта и его объем, вычисляют общую плотность мерзлого грунта. Метод вытеснения нейтральной жидкости (метод Ведерникова) применяется для определения плотности мерзлого грунта при работе в полевых условиях. Для определения необходима емкость со сливным устройством. Керн мерзлого грунта из скважины или монолит мерзлого грунта произвольной формы, отобранный из стенки выработки, взвешивают и обвязывают капроновой ниткой. Затем монолит быстро опускают в емкость и замеряют объем вытесненной жидкости, предварительно охлажденной до 0°С. Определив массу грунта и объем вытесненной жидкости, рассчитывают общую плотность мерзлого грунта. Этот же метод используется для определения объема небольших монолитов мерзлого грунта в лабораторных условиях. Перед тем как 27 Рис. 3.1. Определение плотности грунтов методом замещения объема: а – с помощью пескозагрузочного аппарата, б – аппаратом с резиновым баллоном, в – с помощью полиэтилена, выстеленного в лунке. погрузить грунт в емкость со сливным устройством, его взвешивают, затем парафинируют и вновь взвешивают. Определив массу грунта без парафина и массу грунта в парафиновой оболочке, вычисляют массу парафина. Зная, что плотность чистого парафина равна 0,9 г/см 3 , устанавливают его объем и объем мерзлого грунта, а затем рассчитывают общую плотность. Радиоизотопные методы применяются, в основном, для измерения плотности мерзлых грунтов в условиях естественного залегания. Существует два метода измерения плотности с использованием гамма-излучения: 1 – гаммаскопический метод; 2 – метод рассеянного гамма-излучения. В качестве источников гамма- излучения используются главным образом изотопы цезий-137 и кобальт-60. Гаммаскопический метод основан на ослаблении интенсивности пучка гамма-квантов в зависимости от плотности вещества, через которое проходит пучок. На практике используются три варианта гаммаскопического метода: а – источник и детектор гам- ма-излучения размещаются в параллельных скважинах в грунте; б – детектор излучения находится на поверхности, а источник – в грунте; в – источник и детектор излучения находятся по обе стороны от исследуемого объекта (образца, монолита и т. п.). Измерения могут выполняться в геометрии узкого или широкого пучка. В геометрии узкого пучка регистрируются только те гамма- кванты, которые не взаимодействовали со средой, т. е. не теряли своей энергии при прохождении их от источника до детектора. Это достигается за счет применения свинцовых или вольфрамовых экранов-коллиматоров или соответствующим подбором параметров электронной схемы. Геометрия узкого пучка используется в вариантах а и в в тех случаях, когда требуется тщательная дифференциация получения характеристик криогенного строения мерзлой толщи. Этот метод позволяет практически выделять, например, прослойки льда мощностью не менее 0,5–1,0 см. В геометрии широкого пучка регистрируют не только первичные гамма-кванты, но и вторичные, пришедшие к детектору после одного или нескольких взаимодействий со средой. Достоинством геометрии широкого пучка является сравнительная простота и портативность измерительной аппаратуры. Однако в данном случае получают значения плотности, усредненные по значительно большему объему грунта, чем в геометрии узкого пучка, что затрудняет характеристику криогенного строения. При использовании гаммаскопического метода в полевых ус- ловиях целесообразно использовать градуировочный график, полу- 28 ченный на основе измерений в грунтах с известной плотностью. Для этого необходимо не менее 5 значений, перекрывавших весь необходимый диапазон. Гаммаскопический метод применим для измерения плотности грунтов до глубины 1,5–2,0 м. Метод рассеянного гамма-излучения [6] используется для измерений плотности грунтов в скважинах. Если в скважину поместить источник гамма-квантов и на некотором расстояния от него детектор, то часть гамма-квантов, попадающих из скважины в грунт за счет рассеяния на электронах атомов грунта, будет возвращаться в скважину и регистрироваться детектором. Интенсивность регистрации рассеянных гамма-квантов зависит от плотности рассеивающей среды. Функциональная зависимость интенсивности регистрируемых гамма-квантов от плотности имеет сложный характер. Для измерения значений плотности грунтов в диапазоне 1,1–2,4 г/см 3 в промышленных плотномерах используется нисходящая ветвь этой зависимости, т. е. показания приборов умень- шаются с увеличением плотности по экспоненциальному или близкому к линейному закону. Применяя метод рассеянного гамма-излучения, рассматриваются два вида эффективный радиусов регистрации: вертикальный и горизонтальный. Приблизительные значения вертикального радиуса соответствуют расстоянию между источником и детектором гамма- излучения, увеличенному на 4–6 см. Например, для влагоплотномера УР-70 вертикальный радиус составляет 40–50 см, а для плотномера РПР-36 – 25–28 см. Этими величинами и определяется разрешающая способность приборов по вертикали. Величина горизонтального радиуса зависит от многих факторов, однако можно сказать, что в среднем она не превышает 10 см при использовании источника цезий- 137 и 15 см – для источника кобальт-60. В связи с этим можно заключить, что метод рассеянного гамма-излучения позволяет получать значения плотности, усредненные (не обязательно линейно) по объему, составляющему более 0,2 м 3 , причем вертикальное разрешение плотномеров не позволяет решать задачи, связанные с выделением маломощных слоев различного состава или строения. Так как измерения плотности ведутся по некоторому объему, прилегающему к скважинному снаряду, показания плотномеров существенно зависят от наличия воздушных зазоров между обсадной трубой и стенкой скважины, конструкции самой скважины и технологии ее оборудования. Большое различие (более 8 мм) между внутренним диаметром обсадной трубы и диаметром зонда может приводить к изменениям показаний прибора, обусловленным 29 переменным положением снаряда относительно оси скважины. Влияние влажности на показания плотномеров связано с повы- шенной электронной плотностью воды. Считается, что каждые 10 % объема воды в грунте завышают измеренное значение плотности на 0,01 г/см 3 , в связи с чем необходимо вносить поправки. При исследовании литологического разреза по скважине основное значение имеет вертикальный радиус регистрации. Истинное значение плотности будет зарегистрировано в том случае, когда мощность однородного слоя превышает величину этого радиуса. При наличии прослоев меньшей мощности или при расположении плотномера на границе двух слоев результаты измерения искажаются в сторону завышения или занижения в зависимости от абсолютных значений плотности контактирующих слоев. Положение границ слоев при этом определяется приближенно по точкам перегиба графика распределения плотности вдоль скважины. Радиоизотопный плотномер, принцип действия которого основан на регистрации рассеянного и поглощенного гамма-излучения на электронах атомов вещества объекта измерения изображен схематично на рис. 3.2. Рис. 3.2. Схема радиоизотопных плотномеров для работ в скважинах и на поверхности грунта: 1 – измерительный преобразователь; 2 – детектор; 3 – защитный экран; 4 – радиоизотопный источник; 5 – измерительный прибор; 6 – прижимное устройство Для измерения плотности радиоизотопными методами отече- ственной промышленностью выпускались радиоизотопный влагоплотномер УР-70 и поверхностно-глубинный плотномер ППГР-1, предназначенные для скважинных измерений до глубины 30 м. Для измерения плотности верхнего слоя грунта до глубины 0,3 м используется плотномер типа ИОМР-2. Точность измерения плотности колеблется в пределах ±(0,02–0,04) г/см 3 в зависимости от типа прибора. Время измерения в одной точке не превышает 3 минут [6]. 30 |