СПОСОБ ПОДГОТОВКИ МОНОЛИТА МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВОГРУНТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК E02D1/04 G01N33/24 

Изобретение относится к мелиорации земель и может быть применено при проведении инженерно-геологических и почвенно-мелиоративных исследований минеральных почвогрунтов для строительства и их осушения и использования мелиорированных почв.

В соответствии с ГОСТ 12071-84 (п.1.1) монолит - это образец грунта ненарушенного (природного) сложения. При этом отбор монолитов в вертикальном и горизонтальном направлениях осуществляют путем вдавливания кольца с заостренным нижним торцом в почвогрунт или только в вертикальном направлении по принципу опускного колодца с тем лишь отличием, что почвогрунт выбирают с внешней стороны кольца-цилиндра.

Известен способ определения коэффициента фильтрации грунта с помощью прибора Дарси, содержащего цилиндр с сеткой, на которую укладывают испытываемый грунт, пьезометры, измеряющие напор воды в фиксируемых сечениях цилиндра, приспособление для подачи воды в цилиндр под напором и для замера объема воды, профильтровавшейся через грунт (Чугаев P.P. Гидравлика / Изд.2. - Л.: Энергия, 1971. - С.442…444).

Известен способ определения коэффициента фильтрации в образцах грунта, помещенного в кольцо (цилиндр) прибора, снабженного системой подачи и отвода жидкости и измерения фильтрационного расхода и напора, которые служат затем для расчета коэффициента фильтрации (Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. - М.: Высшая школа, 1968. - С.168…172). Известно также развитие этого способа, заключающееся в создании восходящего фильтрационного потока, снижающего возможность влияния на водопроницаемость грунта защемленного воздуха (Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1975. - С.110, 137). Известен способ определения коэффициента фильтрации на образцах с нарушенной структурой и монолитах, реализованный на приборе для оценки водно-физических свойств грунтов с восходящим и нисходящим водным потоком (А.с. SU №1215024 А1, Кл. G01 33/24, 1986).

Общим недостатком известных способов определения коэффициента фильтрации грунтов является наличие погрешности, обусловленной пристенной фильтрацией и изменением водопроницаемости грунта на контакте с жесткими стенками прибора (цилиндра), вызванных способом отбора монолита - вдавливанием цилиндра с заостренным нижним концом в грунт в горизонтальном и вертикальном направлениях или только в вертикальном направлении по принципу опускного колодца.

Изучение качества монолитов, отбираемых методом вдавливания цилиндров в почвогрунт, выявило наличие в монолитах больших зон нарушения естественного (природного) сложения почвогрунтов - наличие как зон уплотнения, так и зон сдвигов. Отбор монолитов методом вдавливания цилиндра в почвогрунт снижает качество их отбора и не позволяет отбирать монолиты без искажения свойств почвогрунта в них в сравнении с почвогрунтом естественного (природного) сложения. Толщина периферийной зоны с нарушенными свойствами почвогрунта в монолитах в первом приближении в среднем составляет: при нормально увлажненных супесчаных и суглинистых почвогрунтах - около 3 мм, а при недостаточном увлажнении - до 5 и более мм; в пылеватых почвогрунтах соответственно - до 7 и 10 мм, в песчаных соответственно - до 8 и 12 мм.

Известен способ определения коэффициента фильтрации грунтов (А.с. СССР №1130772, Кл. G01N 15/08, 1983), включающий подачу восходящего потока фильтрующейся жидкости к двум равным по площади зонам поверхности образца - центральной и краевой (периферийной). При этом напор жидкости, подаваемой в краевую зону, поддерживают равным напору жидкости, подаваемой в центральную зону, и измеряют расход жидкости через центральную зону, определяя коэффициент фильтрации для этой зоны. Этот способ позволяет исключить влияние на величину искомого коэффициента фильтрации пристенной (контактной) фильтрации и нарушенных свойств почвогрунтов в периферийной зоне. Его недостатком является сложность практической реализации.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения коэффициента фильтрации грунтового противофильтрационного экрана (А.с. СССР №1625922 А1, Кл. E02B 03/16, 1989; прототип), в котором для устранения контактной фильтрации после отбора образца в вертикальном направлении по принципу опускного колодца осуществляют заливку суспензии из более мелкодисперсного грунта, чем грунт экрана, между внутренней стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью образца.

При отборе образца по принципу опускного колодца свойства почвогрунта в периферийной зоне нарушаются несколько меньше, чем при отборе монолита методом вдавливания, но ширина щели между внутренней стенкой цилиндра и внешней поверхностью почвогрунта получается неравномерной. Это затрудняет качественное использование суспензии из мелкодисперсного почвогрунта для устранения контактной фильтрации по всему периметру образца, особенно при очень узкой щели. В итоге контактная фильтрация, хотя и в меньшем объеме, но продолжает быть.

Рассматриваемый способ не учитывает изменение фильтрационных характеристик грунта в месте его сопряжения со стенками кольца (цилиндра) при отборе образца, а при расчете коэффициента фильтрации учитывают полный диаметр образца грунта, считая коэффициент фильтрации неизменным по всей площади поперечного сечения образца. Известно, что при отборе образца происходит нарушение структуры грунта в зоне его сопряжения с цилиндром. Причем возможно как разуплотнение, так и переуплотнение грунта в этой зоне, что приводит к изменению фильтрационных характеристик грунта.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности и точности определения коэффициента фильтрации на монолитах путем совершенствования способа подготовки монолита к фильтрационным испытаниям.

Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в исключении влияния на искомую величину коэффициента фильтрации пристенной (контактной) фильтрации и нарушенных свойств почвогрунта в периферийной зоне монолита при его отборе, в повышении точности установления параметров мелиоративных систем, в более обоснованном применении бестраншейного дренажа и в конечном итоге - в повышении эффективности использования мелиорированных почв.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации, включающем отбор монолита режущим кольцом-пробоотборником с последующей заливкой наполнителя между внутренней стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью монолита, перед заливкой наполнителя диаметр монолита почвогрунта уменьшают на величину удвоенной ширины цилиндрической кольцевой щели, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при отборе монолита свойствами почвогрунта, но не меньшей 3 мм, путем вырезания в монолите цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью цилиндра и внешней вертикальной поверхностью монолита, а в качестве наполнителя используют расплавленный водонепроницаемый материал, имеющий низкую температуру плавления, например азакерит, кроме того, при определении коэффициента фильтрации минеральных почвогрунтов на монолитах площадь фильтрации принимают соответствующей диаметру монолита почвогрунта D_o, равному

D_o=D_ц-2h_щ-2h_г,

Где D_ц - внутренний диаметр кольца-пробоотборника;

h_щ - ширина цилиндрической кольцевой щели;

h_г - глубина проникновения наполнителя в почвогрунт монолита.

Ширину цилиндрической кольцевой щели и глубину проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт определяют после завершения фильтрационных работ в процессе демонтирования фильтрационного прибора и разрушения монолита почвогрунта. При этом водонепроницаемый материал не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.

Цилиндрическую кольцевую щель в почвогрунте вырезают скальпелем или мелкими пилками. Ее ширину между стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью образца принимают равной толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при его отборе свойствами почвогрунта, но не менее 3 мм. Заливают вырезанную щель расплавленной антифильтрационной смесью, имеющей низкую температуру плавления. Возможно использование азакерита - смеси парафина с гудроном в пропорции 3:1…2:1 по массе. Эта смесь, в отличие от суспензии из более мелкодисперсного почвогрунта, чем почвогрунт монолита, обеспечивает полное устранение возможности появления контактной фильтрации. Учет толщины цилиндрической кольцевой щели и глубины проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт обеспечивает достоверное определение площади и величины коэффициента фильтрации.

Заявленный способ подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации включает следующие операции.

1. Отбор монолита режущим кольцом-монолитоотборником в вертикальном и горизонтальном направлениях методом вдавливания его в почвогрунт или по принципу опускного колодца только в вертикальном направлении.

2. Доставку монолита в лабораторию.

3. Вырезание цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью кольца-пробоотборника и внешней вертикальной поверхностью монолита шириной, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при его отборе свойствами почвогрунта, но не менее 3 мм.

4. Заполнение цилиндрической кольцевой щели расплавленным водонепроницаемым материалом, имеющим низкую температуру плавления, например, азакеритом. При этом хорошее качество заливки щели обеспечивается при ее ширине не менее 3 мм.

5. Монтирование прибора и проведение фильтрационных работ.

6. После завершения работ фильтрационный прибор демонтируют, разрушают монолит почвогрунта, устанавливая в процессе этого по толщине водонепроницаемого материала, залитого между внутренней поверхностью цилиндра и монолитом почвогрунта, толщину цилиндрической кольцевой щели h_щ, а по проникновению расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт - величину h_г; водонепроницаемый материал наполнителя не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.

7. Определение диаметра монолита D_o и соответствующей ему площади фильтрации жидкости через монолит почвогрунта.

8. Расчет значения коэффициентов фильтрации.

Заявленный способ промышленно осуществим. Он применен при определении коэффициента фильтрации более 2000 образцов, нуждающихся в осушении почвогрунтов Тверской области.

Подготовка образца минеральных почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения - монолита для определения коэффициента фильтрации заявленным способом позволила исключить влияние контактной фильтрации и нарушенных свойств почвогрунта в периферийной зоне на конечный результат. Значение коэффициента фильтрации для суглинистых нуждающихся в осушении почвогрунтов, установленное с применением заявленного способа подготовки монолита, как правило, до 2…3 раз ниже по сравнению со значением, определенным известными методами без подготовки образца заявленным способом. Это позволяет проектировать, строить и эксплуатировать осушительные системы на минеральных почвах и использовать осушаемые земли на более высоком технико-экономическом уровне.

Изобретение относится к мелиорации земель и может быть применено при проведении инженерно-геологических и почвенно-мелиоративных исследований минеральных почвогрунтов для строительства и их осушения и использования мелиорированных почв. Способ подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации включает отбор монолита режущим кольцом-пробоотборником с последующей заливкой наполнителя между внутренней стенкой кольца и внешней вертикальной поверхностью монолита. Перед заливкой наполнителя диаметр монолита почвогрунта уменьшают на величину удвоенной ширины цилиндрической кольцевой щели, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при отборе монолита свойствами почвогрунта, но не меньшей 3 мм, путем вырезания в монолите цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью кольца и внешней вертикальной поверхностью монолита. В качестве наполнителя используют расплавленный водонепроницаемый материал, имеющий низкую температуру плавления, например азакерит, кроме того, при определении коэффициента фильтрации минеральных почвогрунтов на монолитах площадь фильтрации принимают соответствующей диаметру монолита почвогрунта D_o, определяемому по зависимости. Технический результат состоит в повышении достоверности и точности определения коэффициента фильтрации, обеспечении точности подготовки монолита к фильтрационным испытаниям 1 з.п. ф-лы.

1. Способ подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации, включающий отбор монолита режущим кольцом-пробоотборником с последующей заливкой наполнителя между внутренней стенкой кольца и внешней вертикальной поверхностью монолита, отличающийся тем, что перед заливкой наполнителя диаметр монолита почвогрунта уменьшают на величину удвоенной ширины цилиндрической кольцевой щели, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при отборе монолита свойствами почвогрунта, но не меньшей 3 мм, путем вырезания в монолите цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью кольца и внешней вертикальной поверхностью монолита, а в качестве наполнителя используют расплавленный водонепроницаемый материал, имеющий низкую температуру плавления, например азакерит, кроме того, при определении коэффициента фильтрации минеральных почвогрунтов на монолитах площадь фильтрации принимают соответствующей диаметру монолита почвогрунта D_o, равному
D_o=D_ц-2h_щ-2h_г,
где D_ц - внутренний диаметр кольца-пробоотборника;
h_щ - ширина цилиндрической кольцевой щели;
h_г - глубина проникновения наполнителя в почвогрунт монолита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ширину цилиндрической кольцевой щели и глубину проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт определяют после завершения фильтрационных работ в процессе разрушения монолита почвогрунта, при этом водонепроницаемый материал не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.