Файл: Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов.pdf

скорости оттаивания мерзлых грунтов. Эта работа

выполнена

проф. Г. И. Покровским совместно с автором-*-).

При рассмотрении оттаивания грунтов с

количественной

точки зрения принимается ряд допущений.

Прежде

всего

для того чтобы исключить

статистические колебания свойств

грунта, необходимо проводить эксперименты над

достаточ­

ным количеством образцов

грунта. Температура

поверхности

Г. И. Покровским) представляют собой некоторое

видоизме­

нение и упрощение формул Стефана.

Вопрос

об оттаивании вечномерзлого грунта

представляет

интерес только в тех случаях, когда влажность грунта

зна­

чительна

и коэффициент влажности близок к 1.

Тогда

коли­

чество теплоты, идущей на оттаивание единицы объема

грун­

та при постоянной температуре, будет равно:

где

= п с ги Q,

(51)

П -

пористость

(объем пор в единице

объема

грунта);

СГ — коэффициент влажности;

U -

объемнаяскрытая

теплота плавления

льда,

равная примерно

8 0 кал;

^ -

коэффициент льдосодержания.

Количество теплоты

(Іь

,

необходимое для

нагревания

единицы объема грунта

на

1°С:

Ql =cGw ,

(52)

где

с - удельная теплоемкость грунта;

Gw—объемный вес грунта.

Нетрудно доказать, что

всегда намного больше

а

так как температура, на которую обычно нагревается

отта—

П о к р о в с к и й

Г. И.

и Б у л ы ч е в В. Г. Об

опре­

делении времени оттаивания грунтов. Журн. техн. физи­

ки,

т. УП, выл. 14,

1937.

иваемый грунт,

невелика (примерно

несколько градусов), то

и общая теплота

Q t

, идущая на это нагревание,

будет

мало по сравнению с

и в первом приближении ею можно

пренебречь.

Если это так,

то можно считать,

что вся теплота,

посту­

куда не растрачивается и всецело поглощается

на

границе

оттаивающей зоны.

Выделив в грунте некоторый вертикальный столб грунта

с

сечением, равным 1, можно, согласно формуле

Фурье-*-

,

на­

писать:

X t d t

где

ncruqdH = ~ Н

1

(53)

Н —общая глубина

оттаявшей зоны;

Я —коэффициент теплопроводности;

t —температура поверхностного слоя;

d t —время

оттаивания

на

глубину Н .

Интегрируя

уравнение

(53),

получаем

Сі —постоянная

-^лсгицН

+

,

(54)

где

интегрирования.

Если отсчет времени

t

ведется

с момента,

когда

//=0,

то

Су =0. Следовательно,

na-uq_

h l

(55)

ixt

Обозначая

nzru tl

.

получаем

Ы ~ ~ А ’

А

,.і

(56)

Х = ~ Г Н

■

Поскольку определение порознь всех величин,

составля­

ющих коэффициент

А

,

весьма

кропотливая

и сложная

рабо­

та (особенно для мерзлого

грунта

ненарушенной структуры),

то величину

А удобнее

определять

исходя

из

следующих

рассуждений:

допустим,

что

небольшой образец

грунта

поме­

Х в о л ь с о н О.

Курс физики, т. Ш; Т и м р о т Д.

Определение теплопроводности и теплоемкости

строи­

тельных материалов,

1932 .

температура становится

равной

t t .

Эта температура

под­

держивается на одном уровне в течение времени

Хг ;

за

это время

грунт

оттаивает на глубину

h

. По

формуле

(56) получаем

откуда находим

(57)

А

(58)

Это значение

мы

и можем подставить в

начальную

формулу (5 6 ).

Тогда

t t

Н

(59)

t y

h

l

А

Величина

, характеризующая, как было указано,

одно­

мерный процесс протаивания грунта, сохраняет свою

роль

также в двух- и трехмерных случаях.

Среднее

значение

определяется

непосредственным

из­

мерением температуры поверхностного слоя грунта. Что

же

касается высоты

подвергаемого

оттаиванию

мерзлого

образ­

ца грунта

h

,

времени

TL ,

необходимого для

оттаивания

(при подаче тепла с одной стороны), и температуры

t t

сре­

ды, сообщающей тепло мерзлому грунту, то

все эти входящие

в формулу

(59)

величины могут быть легко определены

сле­

дующим образом

(рис. 4 7 ): в дюаровский сосуд

А

,

име­

ющий форму колбы,

емкостью 0,5 л

засыпают "сухой лед" -

куски твердой углекислоты Б ; в узкую часть колбы

поме­

щают цилиндрический образец грунта В ; свободное

прост­

густым тавотом Г , что позволяет образцу грунта при

за­

мерзании расширяться, не разрушая

сосуда, а

собирающимся

в колбе газам углекислоты пробить

в тавоте

канал

и

сво­

бодно выходить наружу, не взрьюая сосуд.

Для того чтобы приблизиться к естественным

условиям

том) должна находиться свободная поверхность воды,

кото­

рую замерзающий грунт имеет возможность подтянуть в

не­

разец вынимают из сосуда, измеряют его высоту и

сейчас

же помещают для оттаивания в другой прибор,

конструкция

которого в разрезе показана на рис. 48, а.

А , но

Как и в первом случае, берется дюаровский сосуд

цилиндрической формы. Внутренний диаметр этого

сосуда

должен соответствовать внутреннему диаметру узкой

части

сосуда для замораживания. В сосуд вводят

приспособление

для автоматической сигнализации момента полного

оттаива—

пропущен эбонитовый стержень Д, . На нижнем конце стерж­

ня в месте перехода его на острие имеется латунный

наго­

ловник Е .

Верхний конец стержня снабжен пружиной

Ж .

Пружиной 3

снабжена также и вся установка. Каждая

из

примерно до 3 -5 °

и затем вводят в дюаровский сосуд.

В

нижнюю часть сосуда вставляют заключенный в

резиновую

оболочку образец

мерзлого грунта

И . Снизу на сосуд наде­

вают металлическую сетку, которая скрепляет образец

грун­

та с сосудом. Пружина

3

, упираясь одним концом в

верх­

нюю часть сосуда, другим концом прижимает прибор

его

нижним диском

Г

к верхней части образца.

Пружина Ж в

свою очередь, упираясь в верхнюю часть сосуда,

прижимает

эбонитовый стержень Д

к поверхности мерзлого образца.

К диску

Г ,

а

также

к латунному наголовнику Е

при­

паяны электропроводы, выведенные вдоль образца

наружу.

Пущенный в цепь электроток (от батареи

напряжением

4 ,3 5 W

)

замыкается

только

в том случае, когда

эбонито­

вый стержень погружается своим острием в грунт и

наго­

ловник накладывается на диск

Г

. В момент

замыкания

включенный в цепь

электрозвонок дает сигнал.

Естественно,

что замыкание цепи может произойти только при

оттаивании

верхней части образца. Тепло сообщается только с

одной

стороны

(снизу),

поэтому момент замыкания цепи

соответ­

ние тепла мерзлому образцу грунта происходит путем

соеди­

нения его нижней части с поверхностью большой массы

на­

гретой воды. На рис. 48, б

показана схема смонтированного

для опыта прибора.

Таким образом, к концу эксперимента имеется

возмож­

ность зафиксировать все необходимые величины:

/?, Т

и

t L .

Меняя высоту образцов, степень их увлажнения и

типы

грунта, нетрудно установить различные интересующие

экспе­

риментатора

зависимости.

. Ряд проведенных экспериментов с песком и глиной

.разной

влажности и разной высоты

образцов

h > 3 см

показал, что

значение А

как функции высоты h

остается

практически

постоянным для всех исследованных видов и состояний

грун­

тов. Некоторое увеличение

А при малых h следует

объ­