СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА Российский патент 1994 года по МПК E02D1/00 G01N15/08 

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к определению в лабораторных условиях гидродинамического давления на грунт фильтрационного потока воды.

Известен расчетный способ определения гидродинамического давления D на грунт [1] по формуле
D = γ_ω˙n I, (1) где D - гидродинамическое давление, кН/м³;
γ_ω - удельный вес воды, кН/м³;
n - пористость грунта;
I = H/l - гидравлический градиент напора;
Н - напор воды, м;
l - длина пути фильтра, м.

Недостаток указанного теоретического способа заключается в его низкой достоверности. Гидродинамическое давление зависит не только от пористости грунта, но и от его вида. Так, фильтрационное сопротивление глинистых грунтов значительно больше, чем песчаных. Этот факт не учитывается формулой (1).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ определения коэффициента фильтрации грунта [2] , заключающийся в установке образца грунта в фильтрационно-компрессионный прибор, приложении к образцу грунта через нижнюю или верхнюю камеры корпуса одометра гидростатического давления с помощью столба воды, измерение в единицу времени расхода воды, профильтровавшейся через образец грунта, вычисление коэффициента фильтрации по формуле
K_ф= (2) где Q - объем профильтровавшейся через образец воды, см³;
A - площадь поперечного сечения образца, см²;
I - гидравлический градиент;
t - время фильтрации.

Недостатком указанного способа является недостаточная его информативность, заключающаяся в отсутствии измерения силы воздействия гидродинамического давления движущегося через образец водного потока на грунт.

Предложенный способ включает следующие операции: образец грунта устанавливают в специальный фильтрационно-компрессорный прибор, поршень которого имеет нулевой вес, за счет взвешивания поршня четырьмя поплавковыми камерами, а шток поршня снабжен измерителем усилия, выполненным в виде динамометрического кольца, жестко связанного с корпусом; фиксированное гидростатическое давление передают на образец с помощью столба воды через камеру одометра, при установившемся движении фильтрационного потока через образец грунта измеряют одновременно расход воды с помощью мерного сосуда и фильтрационное давление N_F водного потока на образец грунта с помощью динамометрического кольца, после испытания вынимают из одометра рабочее кольцо и измеряют усилие N_Tтрения грунта о стенки рабочего кольца, включая вес образца, с помощью проталкивания образца из рабочего кольца снизу вверх, а коэффициент фильтрационного сопротивления грунта K_F определяют по формуле
K_F= , (3) где K_F - коэффициент фильтрационного сопротивления грунта, кПа;
N_F - фильтрационное давление водного потока на образец, кН;
N_T - усиление осевого перемещения образца грунта в рабочем кольце без гидростатического давления, кН;
A - площадь поперечного сечения образца грунта, м²;
I - гидравлический градиент напора.

Отличительные признаки предлагаемого технического решения заключаются в следующем.

Первый отличительный признак связан с непосредственным измерением фильтрационного давления водного потока на образец грунта динамометрическим кольцом, в которое упирается шток поршня, что позволяет в одном и том же опыте получить дополнительную характеристику грунта K_F.

Второй отличительный признак связан с измерением силы трения грунта о стенку одометра, включая вес образца, которое необходимо для повышения достоверности определения K_F предлагаемым способом.

На фиг. 1 представлен компрессионный прибор, общий вид с разрезом; на фиг. 2 - график зависимости фильтрационного сопротивления грунта от гидравлического градиента напора. На фиг. 2 приняты обозначения: А - мелкий песок; В - супесь; С - ил; P_F - фильтрационное сопротивление грунта; I - гидравлический градиент напора.

Проверка способа производилась на судовом фильтрационно-компрессионном приборе конструкции В. Н. Бронина.

Прибор состоит из трех основных частей: одометра 1, устройства вертикального нагружения 2 и пьезометра 3, которые размещены на станине 4, установленной на виброамортизаторы 5. Одометр представляет собой корпус, включающий нижнюю камеру 6 с фильтром, рабочего кольца с грунтом 7, штока с перфорированным поршнем 8 и верхней камеры 9. В корпусе одометра установлены винт 10 и два штуцера 11.

Устройство вертикального нагружения 2 включает динамометрическое кольцо 12 с измерителем деформаций, индикатором часового типа, пружины и четыре гидроцилиндра 13 с поплавковыми камерами. Гидроцилиндры посредством ригеля соединены со штоком 8. Пружина устройства вертикального нагружения 2 выключалась из работы, а динамометрическое кольцо 12 с помощью упорного вкладыша 14 стопорилось от поступательного перемещения.

До начала испытаний была выполнена тарировка динаметрического кольца.

Испытывались 3 вида грунта: мелкий песок, супесь и ил, физические характеристики которых указаны в акте испытания.

Последовательность операции при испытании образца была следующей:
образцы грунта вырезались в рабочие кольца и устанавливались в прибор;
к верхней и нижней камерам одометра подсоединялись резиновые шланги;
с помощью столба воды в нижнюю камеру последовательно подавались ступени гидростатического давления Р _ω = 3,5; 4,5; 7,8; 8,8; 9,8; 14,7 кПа, соответствующие гидравлическим градиентам напора I = 17,5; 22,5; 39; 44; 49; 73,5;
индикатором часового типа фиксировалась максимальная деформация динамометрического кольца Δ , мм;
по величине деформации Δ , мм и тарировочному графику определялось непосредственно фильтрационное сопротивление грунта Р_F, кПа, график зависимости которого представлен на фиг. 2;
параллельно с трехкратной повторностью производилось измерение расхода воды и определение по известной формуле коэффициента фильтрации. Первичные материалы по определению коэффициента фильтрации приведены в акте испытания;
после гидростатического нагружения производилась разборка прибора, выемка рабочего кольца с грунтом и измерение усилия проталкивания грунта поршнем снизу вверх.

Обработка результатов испытания производилась по формулам (2) и (3). Полученные результаты сведены в таблицу.

Как следует из таблицы, согласно опытному определению фильтрационное сопротивление существенно зависит от вида грунта, изменяясь в 8 раз (сравни K_F мелкого песка и ила). В то же время определение гидродинамического давления по известной формуле (1) Н. А. Цытовича дает для этих же грунтов только двухкратное увеличение гидродинамического давления.

Использование: в инженерно-геологических изысканиях. Сущность: способ определения фильтрационных характеристик грунта включает установку образца грунта в фильтрационно-компрессорный прибор, имеющий поршень с нулевым весом и измеритель осевого усилия, ступенчатое приложение на образец гидростатического давления, измерение расхода воды за определенные промежутки времени и обработку результатов испытания. Дополнительно при установившемся режиме фильтрации измеряют гидродинамическое давление фильтрационного потока на образец грунта и силы перемещения грунта в рабочем кольце при отсутствии фильтрационного потока. По измеренным данным определяют коэффициент фильтрационного сопротивления грунта по формуле. 1 табл. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА, включающий установку рабочего кольца с грунтом в фильтрационно-компрессионный прибор, размещение на верхнем торце образца поршня, ступенчатое приложение гидростатического давления на образец путем изменения градиентов напора, измерение расхода воды, профильтровавшейся через образец за фиксированный промежуток времени при установившемся режиме фильтрации, и определение указанных характеристик по результатам испытаний, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона определяемых характеристик, используют поршень с нулевым весом, оснащают его измерителем осевого усилия, при установившемся режиме фильтрации измеряют давление водного потока на образец с помощью измерителя осевого усилия, а в конце испытания измеряют усилия осевого перемещения образца грунта в рабочем кольце без гидростатического давления и по результатам испытаний дополнительно определяют коэффициент фильтрационного сопротивления грунта по формуле
K_F= ,
где K_F - коэффициент фильтрационного сопротивления грунта, кПа;
N_F - фильтрационное давление водного потока на образец грунта, кН;
N_T - усилие осевого перемещения образца грунта в рабочем кольце без гидростатического давления, кН;
A - площадь поперечного сечения образца грунта, м²;
I - гидростатический градиент напора.