eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #4/2024
Д. В. Григорьев, А. В. Кошурников
Методика определения электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания
Методика определения электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания
Просмотры: 595
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.4.332.338
В статье представлена оригинальная оптическая методика исследования характеристик образцов мерзлых грунтов. Методика определения количественного состава влаги в мерзлых геологических породах основана на принципах измерения характеристических спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двухволнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb. Дальнейшая разработка методики позволит выявить корреляционные зависимости между параметрами отраженного излучения и характеристиками электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания.
В статье представлена оригинальная оптическая методика исследования характеристик образцов мерзлых грунтов. Методика определения количественного состава влаги в мерзлых геологических породах основана на принципах измерения характеристических спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двухволнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb. Дальнейшая разработка методики позволит выявить корреляционные зависимости между параметрами отраженного излучения и характеристиками электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания.
Теги: acoustic emission properties (aep) attenuated total reflection (atr) electrical resistivity (er) frozen soils акустоэмиссионные свойства (аэ) мерзлые грунты нарушенное полное внутреннее отражение (нпво) удельное электрическое сопротивление (уэс)
Методика определения электрических и акустических
свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания
Д. В. Григорьев, А. В. Кошурников
МГУ им. М. В. Ломоносова, Геологический факультет, кафедра Геокриологии, Москва, Россия
В статье представлена оригинальная оптическая методика исследования характеристик образцов мерзлых грунтов. Методика определения количественного состава влаги в мерзлых геологических породах основана на принципах измерения характеристических спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двухволнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb. Дальнейшая разработка методики позволит выявить корреляционные зависимости между параметрами отраженного излучения и характеристиками электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания.
Ключевые слова: нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), мерзлые грунты, удельное электрическое сопротивление (УЭС), акустоэмиссионные свойства (АЭ)
Статья получена:28.03.2024
Статья принята:03.05.2024
ВВЕДЕНИЕ
Геофизические методы дают комплекс информативных данных о строении, состоянии и динамике развития мерзлых толщ, что важно для практической реализации при строительстве и эксплуатации объектов в криолитозоне. Наличие льда в составе многолетнемерзлых пород обуславливает контрастность характеристик геофизических полей, определяемых в талом и мерзлом состояниях. Параметры электрических и акустических характеристик мерзлых пород, определение фазового состава влаги являются необходимыми условиями при интерпретации полученных результатов.
В настоящей работе предлагается идея методики определения фазового состава влаги мерзлых грунтов, основанная на аналоге методики определения влажности продуктов сублимационной сушки. В основе лежит метод измерения показателя нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двух волнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb.
ТЕОРИЯ
Исследованиями зависимостей изменения электрических и акустических свойств мерзлых пород в различных температурных диапазонах занимались разные научные группы. Наиболее часто при исследовании характеристик электрического поля в лабораторных условиях акцентируют внимание на определении значений удельного электрического сопротивления пород (УЭС – ρ, [Ом · м]) [1–3]. Основным компонентом, обеспечивающим прохождение электрического тока через породу, является поровая жидкость. При промерзании грунта значительная ее часть переходит в лед, что оказывает определяющее влияние на значения сопротивлений.
Акустические свойства горных пород зависят от характера распространения упругих волн, что отражает структурные особенности среды, ее термодинамическое состояние, физические и механические свойства [2].
Для определения значений УЭС в лабораторных условиях используют метод вертикального электрического зондирования, реализованный в четырех-электродной установке [3]. Акустические свойства образцов пород определяют ультразвуковым методом просвечивания, который применяют, в том числе, для измерения скоростей упругих волн в образцах [4]. Для подтверждения достоверности получаемых результатов традиционные методики дополняют процедурой определения фазового состава влаги посредством измерения содержания влажности за счет незамерзшей воды контактным и криоскопическим методами [1, 5]. Эти измерения являются косвенными. Поэтому мы предлагаем рассмотреть методику определения фазового состава влаги, основанную на прямом методе измерений. Для этого мы использовали метод контроля спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с помощью техники фурье-спектроскопии [6]. Спектральный контроль является прямым методом измерения, поскольку фактически основан на привязке результатов к фундаментальным физическим константам.
Задачи определения влажности различных дисперсных компонентов широко распространены в спектроскопии ИК-области. При проведении подобных исследований определяют спектр поглощения воды в жидкой фазе, который имеет характеристическую полосу поглощения в диапазоне 3 мкм. Характеристические значения получаемого спектра интерпретируют, что дает возможность определить фазовый состав содержащейся влаги в исследуемом образце мерзлого грунта. Мерзлые грунты представляют собой сложную многофазную динамичную геологическую систему, всегда содержащую некоторое количество льда и воды в жидкой фазе. Изменение соотношения этих двух компонент вызывает изменение физических, механических, акустических и электрических свойств породы [7], а определяемые посредством применения методов НПВО параметры имеют разный характер спектральной зависимости отраженного сигнала.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ПО СИГНАЛАМ НПВО
В методе спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) свет проходит через оптический материал (датчик НПВО). Характеристики, которыми обладает оптический материал – оптическая прозрачность и показатель преломления, превышающий показатель преломления окружающей среды, – позволяют рассматривать образец оптического материала как волновод, внутренне отражающий световое излучение.
Создание неохлаждаемых полупроводниковых приемников и излучателей среднего ИК-диапазона на основе соединений InGaAsSb [8] способствовало созданию приборов, регистрирующих не только влажность продуктов, но и многие другие компоненты. В 1989–1992 годах в компании «Интеркомплекс» были созданы измерители для контроля влажности в процессе сублимационной сушки продуктов питания. Применение разработанной для тех целей методики при использовании в процессах регистрации сигналов НПВО для геологических исследований потенциально позволит значительно снизить стоимость оборудования за счет исключения регистрирующего фурье-спектрометра и создать мобильные приборы, приспособленные для использования в полевых условиях.
Измеритель влажности дисперсных сред в процессе их дегидратации, разработанный в 1992 году компанией «Интеркомплекс» содержал два светоизлучающих диода (СИД) с длинами волн 2,9 и 2,7 мкм и два фотодиода (ФД) с линейной чувствительностью в этих же диапазонах. Излучение СИД модулировались импульсным током 100 мА в соответствии с временной диаграммой (рис. 1а). СИД крепили на лейкосапфировой подложке с напыленными электрическими контактами (рис. 1b), там же располагался ФД, регистрирующий мощность излучения СИД. Эта подложка помещалась в фокус сферического отражателя (рис. 2) диаметром 18 мм и фокальным расстоянием 5 мм, изготовленного из кварцевого стекла с напылением алюминия на отражающую поверхность. Плоскопараллельный пучок излучения СИД освещал поверхность испытуемого продукта под углом 45 градусов, а измерительный ФД, регистрирующий рассеянное поверхностью излучение, располагался по нормали к исследуемому образцу.
В дальнейшем обработка сигналов производилась нормировкой сигналов измерительных каналов Pизм и Pоп на соответствующие мощности излучения P1 и P2 СИД. Логарифм отношения этих сигналов: ln являлся величиной, пропорциональной влажности исследуемого продукта. Данные вычисления основаны на принципах поглощения оптического излучения по закону Бугера-Ламберта-Бера.
Испытания проводились на образцах различной влажности. При просвечивании образцов испытуемого материала регистрировались сигналы отраженного от них излучения СИД. Определение влажности образцов осуществлялось весовым методом. На заключительном этапе производилось построение калибровочной кривой. По такой методике исследовалась влажность сахарного песка и поваренной соли. Методика позволяла определять влажности образцов с относительной погрешностью измерения влажности не более 0,1%. Динамический диапазон измерений составлял 0–2% влажности.
Опираясь на результаты этих исследований, предлагается следующая методика определения корреляционной связи электрических и акустических свойств мерзлых грунтов с содержанием в них влажности за счет незамерзшей воды. В исследуемый образец грунта вводятся элементы НПВО из оптически прозрачного материала, эквивалентного оптическому волноводу. В качестве материала зонда видится поликристаллический кремний n-типа, прозрачный в области 3 мкм и имеющий достаточно высокий коэффициент преломления (n = 3,456), что позволяет реализовать благоприятные условия для распространения излучения по волноводу. Материал хорошо освоен в электронной промышленности и имеет низкую стоимость. Предлагается выполнить волновод в виде цилиндрического стержня диаметром 8 мм длиной 50 мм. Один торец предполагается сделать светоотражающим за счет напыления золотого зеркала, а на противоположном торце изготовить сферическую линзу, обеспечивающую ввод излучения. Таким образом, мы получим НПВО-элемент двойного прохождения. В качестве источников света предлагается использовать светодиодные излучатели на основе InGaAsSb. В качестве фотоприемников – ФД, чувствительные к соответствующему спектральному диапазону. Устройства ввода и вывода излучения в зонды требует отдельного рассмотрения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Методики определения электрических и акустических свойств мерзлых пород, используемые в геологических исследованиях, имеют ряд неточностей и допущений. Исследования выполняются в морозильной камере при постепенном повышении температуры в ней, а определяемая в ходе эксперимента температура воздуха дает косвенные представления о температуре образца, что является не совсем корректным. В этой связи предлагается оттаивать образец, помещенный в теплоизолированный контейнер грунта, вне морозильной камеры в условиях регулируемого притока тепла (рис. 3). На крышке контейнера грунта установлены резистор-нагреватель (9) и датчик температуры (10). Наличие резистора-нагревателя позволяет задавать температуру, при которой будет происходить процесс оттаивания образца, а температурный датчик типа «термопара» осуществлять контроль температурных условий. Контейнер грунта оборудован четырьмя термопарами (7), наличие которых позволяет контролировать температуру образца в процессе его оттаивания.
Измерительная установка для определения значений УЭС оборудована четырьмя электродами, которые представляют собой латунные стержни (8) [9]. Питающие электроды (АВ) необходимы для пропускания электрического тока, а два других (MN) – для измерения разности потенциалов.
Для определения скоростей прохождения продольных волн через образец на торцевых гранях установки закреплены излучатель и приемник акустических волн в виде пьезоэлементов (4). Установку предлагается дополнить устройством для фотометрического спектрального измерения влагосодержания.
Излучение СИД, сформированное отражателем (11) поступает в цилиндрический волновод (5), выполняющий роль элемента НПВО и имеющий скошенную под углом к оси волновода грань. Для упрощения понимания сути происходящего процесса, будем считать, что излучение СИД распространяется в волноводе по спиральным траекториям (6), испытывая Френелевское отражение на границе раздела волновода и исследуемого грунта [6]. Другой торец волновода имеет сферическую форму и собирает прошедшее излучение на фотодиод (12). Элемент НПВО изготавливается из поликристаллического кремния или германия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изменение соотношения компонент кристаллической и жидкой фаз воды в мерзлых грунтах отражается на изменении их акустических и электрических свойств, а дополнительное измерение методом НПВО параметров оптического отражения тающих образцов обеспечивает достоверность полученных результатов путем использования в качестве эталонного измерителя длины волны излучателя.
Предложенная методика позволяет объективно контролировать изменение фазового состава влаги образцов в процессе их оттаивания, а также производить изменения температуры, электропроводности и акустических свойств. Планируется определить корреляционные зависимости электрических, акустических и оптических характеристик, что способно во многом упростить и ускорить процесс инженерно-геокриологических изысканий. Дальнейшая работа над созданием технологии использования методики пойдет по пути выбора оптимальной геометрии элемента НПВО, удобного для применения в геологических лбораторных установках, и разработки методики калибровки создаваемого измерителя влажности.
REFERENCES
Shuna Feng, Junru Chen, Scott B. Jones, Gerald Flerchinger, Miles Dyck, Vilim Filipovic, You Hu, Bingcheng Si, Jialong Lv, Qingbai Wu, Hailong He. Miscellaneous methods for determination of unfrozen water content in frozen soils. Journal of Hydrology. 2024; 631: 130802. DOI:10.1016/j.jhydrol.2024.130802.
Zhang Ji-wei, Murton Julian; Liu Shu-jie; Zhang Song; Wang Lei; Kong Ling-hui et al. Sensitivity and regression analysis of acoustic parameters for determining physical properties of frozen fine sand with ultrasonic test. University of Sussex. Journal contribution. 2020. URL: https://hdl.handle.net/10779/uos.23307314.v1.
Koshurnikov A. V., Kotov P. I., Agapkin I. A. Influence of salinity on the acoustic and electrical properties of frozen soils. Bulletin of the Moscow University. Series 4. Geology. 2019;(6):99–106.
Кошурников А. В., Котов П. И., Агапкин И. А. Влияние засоленности на акустические и электрические свойства мерзлых грунтов. Вестник московского университета. Серия 4. Геология. 2019;(6):99–106.
Liu Jianpeng & Yang, Ping & Yang, Zhaohui. Electrical properties of frozen saline clay and their relationship with unfrozen water content. Cold Regions Science and Technology. 2020;178: 103127. DOI:10.1016/j.coldregions.2020.103127.
Motenko R. G., Davletova R. R., Grechishcheva E. S., Alekseev A. G. Experimental assessment of the peat formation influence on the water phase composition in the frozen soils with various granulometric compositions. Bulletin of the moscow university. Series 4. Geology. 2024;1(1):116–122.
Мотенко Р. Г., Давлетова Р. Р., Гречищева Э. С., Алексеев А. Г. Экспериментальная оценка влияния заторфованности на фазовый состав воды в мерзлых грунтах различного гранулометрического состава. Вестник московского университета. Серия 4. Геология. 2024;1(1):116–122.
Harrick N. J., Carlson A. I. Internal Reflection Spectroscopy: Validity of Effective Thickness Equations. Applied Optics. 1971;10(1):19. DOI:10.1364/ao.10.000019.
Tsytovich N. A. Frozen soil mechanics. – Moscow: Higher School. 1973. 448 p.
Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высшая. Школа. 1973. 448 с.
Yakovlev Yu.P., Baranov A. N., Imenkov A. N., Sherstnev V. V. and Mikhailova M. P. Optoelectronic LED-photodiode Pairs for Moisture and Gas sensors in the spectral range 1.8–4.8 μm. Proc. SPIE. 1991;1510:128 p.
Khmelevskoi V. K., Kostitsyn V. I. Fundamentals of geophysical methods. – Perm: Perm University Publishing House. 2010. 400 p.
Хмелевской В. К., Костицын В. И. Основы геофизических методов. – Пермь: Изд-во Пермского ун-та. 2010. 400 с.
свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания
Д. В. Григорьев, А. В. Кошурников
МГУ им. М. В. Ломоносова, Геологический факультет, кафедра Геокриологии, Москва, Россия
В статье представлена оригинальная оптическая методика исследования характеристик образцов мерзлых грунтов. Методика определения количественного состава влаги в мерзлых геологических породах основана на принципах измерения характеристических спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двухволнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb. Дальнейшая разработка методики позволит выявить корреляционные зависимости между параметрами отраженного излучения и характеристиками электрических и акустических свойств мерзлых грунтов в цикле оттаивания.
Ключевые слова: нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), мерзлые грунты, удельное электрическое сопротивление (УЭС), акустоэмиссионные свойства (АЭ)
Статья получена:28.03.2024
Статья принята:03.05.2024
ВВЕДЕНИЕ
Геофизические методы дают комплекс информативных данных о строении, состоянии и динамике развития мерзлых толщ, что важно для практической реализации при строительстве и эксплуатации объектов в криолитозоне. Наличие льда в составе многолетнемерзлых пород обуславливает контрастность характеристик геофизических полей, определяемых в талом и мерзлом состояниях. Параметры электрических и акустических характеристик мерзлых пород, определение фазового состава влаги являются необходимыми условиями при интерпретации полученных результатов.
В настоящей работе предлагается идея методики определения фазового состава влаги мерзлых грунтов, основанная на аналоге методики определения влажности продуктов сублимационной сушки. В основе лежит метод измерения показателя нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с использованием двух волнового модуляционного метода регистрации оптического сигнала, излучаемого полупроводниковыми гетероструктурами на основе InGaAsSb.
ТЕОРИЯ
Исследованиями зависимостей изменения электрических и акустических свойств мерзлых пород в различных температурных диапазонах занимались разные научные группы. Наиболее часто при исследовании характеристик электрического поля в лабораторных условиях акцентируют внимание на определении значений удельного электрического сопротивления пород (УЭС – ρ, [Ом · м]) [1–3]. Основным компонентом, обеспечивающим прохождение электрического тока через породу, является поровая жидкость. При промерзании грунта значительная ее часть переходит в лед, что оказывает определяющее влияние на значения сопротивлений.
Акустические свойства горных пород зависят от характера распространения упругих волн, что отражает структурные особенности среды, ее термодинамическое состояние, физические и механические свойства [2].
Для определения значений УЭС в лабораторных условиях используют метод вертикального электрического зондирования, реализованный в четырех-электродной установке [3]. Акустические свойства образцов пород определяют ультразвуковым методом просвечивания, который применяют, в том числе, для измерения скоростей упругих волн в образцах [4]. Для подтверждения достоверности получаемых результатов традиционные методики дополняют процедурой определения фазового состава влаги посредством измерения содержания влажности за счет незамерзшей воды контактным и криоскопическим методами [1, 5]. Эти измерения являются косвенными. Поэтому мы предлагаем рассмотреть методику определения фазового состава влаги, основанную на прямом методе измерений. Для этого мы использовали метод контроля спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с помощью техники фурье-спектроскопии [6]. Спектральный контроль является прямым методом измерения, поскольку фактически основан на привязке результатов к фундаментальным физическим константам.
Задачи определения влажности различных дисперсных компонентов широко распространены в спектроскопии ИК-области. При проведении подобных исследований определяют спектр поглощения воды в жидкой фазе, который имеет характеристическую полосу поглощения в диапазоне 3 мкм. Характеристические значения получаемого спектра интерпретируют, что дает возможность определить фазовый состав содержащейся влаги в исследуемом образце мерзлого грунта. Мерзлые грунты представляют собой сложную многофазную динамичную геологическую систему, всегда содержащую некоторое количество льда и воды в жидкой фазе. Изменение соотношения этих двух компонент вызывает изменение физических, механических, акустических и электрических свойств породы [7], а определяемые посредством применения методов НПВО параметры имеют разный характер спектральной зависимости отраженного сигнала.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ПО СИГНАЛАМ НПВО
В методе спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) свет проходит через оптический материал (датчик НПВО). Характеристики, которыми обладает оптический материал – оптическая прозрачность и показатель преломления, превышающий показатель преломления окружающей среды, – позволяют рассматривать образец оптического материала как волновод, внутренне отражающий световое излучение.
Создание неохлаждаемых полупроводниковых приемников и излучателей среднего ИК-диапазона на основе соединений InGaAsSb [8] способствовало созданию приборов, регистрирующих не только влажность продуктов, но и многие другие компоненты. В 1989–1992 годах в компании «Интеркомплекс» были созданы измерители для контроля влажности в процессе сублимационной сушки продуктов питания. Применение разработанной для тех целей методики при использовании в процессах регистрации сигналов НПВО для геологических исследований потенциально позволит значительно снизить стоимость оборудования за счет исключения регистрирующего фурье-спектрометра и создать мобильные приборы, приспособленные для использования в полевых условиях.
Измеритель влажности дисперсных сред в процессе их дегидратации, разработанный в 1992 году компанией «Интеркомплекс» содержал два светоизлучающих диода (СИД) с длинами волн 2,9 и 2,7 мкм и два фотодиода (ФД) с линейной чувствительностью в этих же диапазонах. Излучение СИД модулировались импульсным током 100 мА в соответствии с временной диаграммой (рис. 1а). СИД крепили на лейкосапфировой подложке с напыленными электрическими контактами (рис. 1b), там же располагался ФД, регистрирующий мощность излучения СИД. Эта подложка помещалась в фокус сферического отражателя (рис. 2) диаметром 18 мм и фокальным расстоянием 5 мм, изготовленного из кварцевого стекла с напылением алюминия на отражающую поверхность. Плоскопараллельный пучок излучения СИД освещал поверхность испытуемого продукта под углом 45 градусов, а измерительный ФД, регистрирующий рассеянное поверхностью излучение, располагался по нормали к исследуемому образцу.
В дальнейшем обработка сигналов производилась нормировкой сигналов измерительных каналов Pизм и Pоп на соответствующие мощности излучения P1 и P2 СИД. Логарифм отношения этих сигналов: ln являлся величиной, пропорциональной влажности исследуемого продукта. Данные вычисления основаны на принципах поглощения оптического излучения по закону Бугера-Ламберта-Бера.
Испытания проводились на образцах различной влажности. При просвечивании образцов испытуемого материала регистрировались сигналы отраженного от них излучения СИД. Определение влажности образцов осуществлялось весовым методом. На заключительном этапе производилось построение калибровочной кривой. По такой методике исследовалась влажность сахарного песка и поваренной соли. Методика позволяла определять влажности образцов с относительной погрешностью измерения влажности не более 0,1%. Динамический диапазон измерений составлял 0–2% влажности.
Опираясь на результаты этих исследований, предлагается следующая методика определения корреляционной связи электрических и акустических свойств мерзлых грунтов с содержанием в них влажности за счет незамерзшей воды. В исследуемый образец грунта вводятся элементы НПВО из оптически прозрачного материала, эквивалентного оптическому волноводу. В качестве материала зонда видится поликристаллический кремний n-типа, прозрачный в области 3 мкм и имеющий достаточно высокий коэффициент преломления (n = 3,456), что позволяет реализовать благоприятные условия для распространения излучения по волноводу. Материал хорошо освоен в электронной промышленности и имеет низкую стоимость. Предлагается выполнить волновод в виде цилиндрического стержня диаметром 8 мм длиной 50 мм. Один торец предполагается сделать светоотражающим за счет напыления золотого зеркала, а на противоположном торце изготовить сферическую линзу, обеспечивающую ввод излучения. Таким образом, мы получим НПВО-элемент двойного прохождения. В качестве источников света предлагается использовать светодиодные излучатели на основе InGaAsSb. В качестве фотоприемников – ФД, чувствительные к соответствующему спектральному диапазону. Устройства ввода и вывода излучения в зонды требует отдельного рассмотрения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Методики определения электрических и акустических свойств мерзлых пород, используемые в геологических исследованиях, имеют ряд неточностей и допущений. Исследования выполняются в морозильной камере при постепенном повышении температуры в ней, а определяемая в ходе эксперимента температура воздуха дает косвенные представления о температуре образца, что является не совсем корректным. В этой связи предлагается оттаивать образец, помещенный в теплоизолированный контейнер грунта, вне морозильной камеры в условиях регулируемого притока тепла (рис. 3). На крышке контейнера грунта установлены резистор-нагреватель (9) и датчик температуры (10). Наличие резистора-нагревателя позволяет задавать температуру, при которой будет происходить процесс оттаивания образца, а температурный датчик типа «термопара» осуществлять контроль температурных условий. Контейнер грунта оборудован четырьмя термопарами (7), наличие которых позволяет контролировать температуру образца в процессе его оттаивания.
Измерительная установка для определения значений УЭС оборудована четырьмя электродами, которые представляют собой латунные стержни (8) [9]. Питающие электроды (АВ) необходимы для пропускания электрического тока, а два других (MN) – для измерения разности потенциалов.
Для определения скоростей прохождения продольных волн через образец на торцевых гранях установки закреплены излучатель и приемник акустических волн в виде пьезоэлементов (4). Установку предлагается дополнить устройством для фотометрического спектрального измерения влагосодержания.
Излучение СИД, сформированное отражателем (11) поступает в цилиндрический волновод (5), выполняющий роль элемента НПВО и имеющий скошенную под углом к оси волновода грань. Для упрощения понимания сути происходящего процесса, будем считать, что излучение СИД распространяется в волноводе по спиральным траекториям (6), испытывая Френелевское отражение на границе раздела волновода и исследуемого грунта [6]. Другой торец волновода имеет сферическую форму и собирает прошедшее излучение на фотодиод (12). Элемент НПВО изготавливается из поликристаллического кремния или германия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изменение соотношения компонент кристаллической и жидкой фаз воды в мерзлых грунтах отражается на изменении их акустических и электрических свойств, а дополнительное измерение методом НПВО параметров оптического отражения тающих образцов обеспечивает достоверность полученных результатов путем использования в качестве эталонного измерителя длины волны излучателя.
Предложенная методика позволяет объективно контролировать изменение фазового состава влаги образцов в процессе их оттаивания, а также производить изменения температуры, электропроводности и акустических свойств. Планируется определить корреляционные зависимости электрических, акустических и оптических характеристик, что способно во многом упростить и ускорить процесс инженерно-геокриологических изысканий. Дальнейшая работа над созданием технологии использования методики пойдет по пути выбора оптимальной геометрии элемента НПВО, удобного для применения в геологических лбораторных установках, и разработки методики калибровки создаваемого измерителя влажности.
REFERENCES
Shuna Feng, Junru Chen, Scott B. Jones, Gerald Flerchinger, Miles Dyck, Vilim Filipovic, You Hu, Bingcheng Si, Jialong Lv, Qingbai Wu, Hailong He. Miscellaneous methods for determination of unfrozen water content in frozen soils. Journal of Hydrology. 2024; 631: 130802. DOI:10.1016/j.jhydrol.2024.130802.
Zhang Ji-wei, Murton Julian; Liu Shu-jie; Zhang Song; Wang Lei; Kong Ling-hui et al. Sensitivity and regression analysis of acoustic parameters for determining physical properties of frozen fine sand with ultrasonic test. University of Sussex. Journal contribution. 2020. URL: https://hdl.handle.net/10779/uos.23307314.v1.
Koshurnikov A. V., Kotov P. I., Agapkin I. A. Influence of salinity on the acoustic and electrical properties of frozen soils. Bulletin of the Moscow University. Series 4. Geology. 2019;(6):99–106.
Кошурников А. В., Котов П. И., Агапкин И. А. Влияние засоленности на акустические и электрические свойства мерзлых грунтов. Вестник московского университета. Серия 4. Геология. 2019;(6):99–106.
Liu Jianpeng & Yang, Ping & Yang, Zhaohui. Electrical properties of frozen saline clay and their relationship with unfrozen water content. Cold Regions Science and Technology. 2020;178: 103127. DOI:10.1016/j.coldregions.2020.103127.
Motenko R. G., Davletova R. R., Grechishcheva E. S., Alekseev A. G. Experimental assessment of the peat formation influence on the water phase composition in the frozen soils with various granulometric compositions. Bulletin of the moscow university. Series 4. Geology. 2024;1(1):116–122.
Мотенко Р. Г., Давлетова Р. Р., Гречищева Э. С., Алексеев А. Г. Экспериментальная оценка влияния заторфованности на фазовый состав воды в мерзлых грунтах различного гранулометрического состава. Вестник московского университета. Серия 4. Геология. 2024;1(1):116–122.
Harrick N. J., Carlson A. I. Internal Reflection Spectroscopy: Validity of Effective Thickness Equations. Applied Optics. 1971;10(1):19. DOI:10.1364/ao.10.000019.
Tsytovich N. A. Frozen soil mechanics. – Moscow: Higher School. 1973. 448 p.
Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высшая. Школа. 1973. 448 с.
Yakovlev Yu.P., Baranov A. N., Imenkov A. N., Sherstnev V. V. and Mikhailova M. P. Optoelectronic LED-photodiode Pairs for Moisture and Gas sensors in the spectral range 1.8–4.8 μm. Proc. SPIE. 1991;1510:128 p.
Khmelevskoi V. K., Kostitsyn V. I. Fundamentals of geophysical methods. – Perm: Perm University Publishing House. 2010. 400 p.
Хмелевской В. К., Костицын В. И. Основы геофизических методов. – Пермь: Изд-во Пермского ун-та. 2010. 400 с.
Отзывы читателей
