КОМПЛЕКТ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОТБОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО МОНОЛИТА ПОЧВОГРУНТОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N1/04 E02D1/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и мелиорации земель и может быть использовано при отборе вертикального монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения с целью определения их водно-физических и фильтрационных свойств при проведении почвенно-мелиоративных изысканий и исследований для строительства, осушения и использования мелиорированных земель.

Известно устройство для отбора вертикального монолита-образца ненарушенной структуры для определения коэффициента фильтрации грунтового противофильтрационного экрана (А.с. SU 1625922 А1, Кл. Е02В 3/16, 1991 г.): отбор образца грунта в вертикальном направлении проводят по принципу опускного колодца, но грунт выбирают со стороны внешней поверхности цилиндра, а для отбора монолита и срезания излишка грунта в качестве, как цилиндра, так и статического его пригруза используют тяжелую обсадную трубу-пьезометр, подвешиваемую на треногу с помощью троса.

Известен легкий режущий цилиндр-монолитоотборник для отбора образцов по генетическим горизонтам почвенного профиля для определения коэффициента фильтрации минеральных почвогрунтов на образцах ненарушенного (природного) сложения (Изучение физических свойств почв на объектах осушения: Пособие к ВСН-33-2.1.02-85 «Почвенные изыскания для мелиоративного строительства» / Ф.Р.Зайдельман. - М.: Главнечерноземводстрой - Ленгипроводхоз, 1988. - С.56…61). При этом отбор малых образцов объемом 250 см³ проводят с помощью цилиндра с заостренным нижним торцом. Пригруз применяемых малых цилиндров осуществляют массой тела и руками рабочего.

Известно (Патент RU №2460847 С1, кл. Е02В 11/00 и E02D 1/04, 2011 г.; прототип) использование при проведении почвенно-мелиоративных изысканий и исследований к-ого количества легких тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы и диаметром, принимаемым в зависимости от структуры сложения почвогрунтов, равного

,

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-ого диаметра (к_i≥3),

применить которые для отбора качественных образцов без дополнительного статического пригруза не удается. При динамической же пригрузке массой тела и руками рабочего в образце, как правило, появляются трещины.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества отбора образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения для определения их водно-физических и фильтрационных свойств по генетическим горизонтам почвенного профиля.

Технический результат заключается в повышении точности определения водно-физических и фильтрационных свойств почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля, а также в снижении времени на отбор монолита и трудоемкости работ при отборе качественного образца почвогрунтов.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов включает к-ое количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, равное

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-ого диаметра (к_i≥3),

и снабжен пригрузом. Пригруз выполнен в виде (m+1) количества металлических цилиндрических грузов одинакового диаметра с возможностью установки их друг на друга и на каждый цилиндр-монолитоотборник с образованием пригруза цилиндрической формы, при этом один из металлических цилиндрических грузов, непосредственно устанавливаемый на цилиндр-монолитоотборник, выполнен с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов, диаметр которой равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоот-борника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр, и осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлического цилиндрического груза. Кроме того, комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов снабжен (n-1) шайбой с внешним диаметром, равным диаметру выемки, и толщиной, равной высоте выемки в торце металлического цилиндрического груза, с возможностью установки каждой из них в выемку с последующей фиксацией в ней, причем внутренние диаметры шайб неодинаковы и равны внешнему диаметру каждого из (n-1) цилиндра-монолитоотборника, составляя пару: шайба - цилиндр-монолитоотборник. Для удобства пользования каждый металлический цилиндрический груз снабжен двумя ручками, расположенными на диаметрально противоположных сторонах боковой его поверхности. В торце металлического цилиндрического груза, выполненного с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов и предназначенного для установки непосредственно на цилиндр-монолитоотборник, со стороны выемки установлены на винтах и равномерно распределены по окружности с возможностью поворота вокруг винтов пластинки для фиксации шайбы в выемке.

Наличие статического пригруза, а также и его конструкция позволяют произвести отбор образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения без трещин, что невозможно было бы сделать при динамической нагрузке, тем самым обеспечивая отбор качественного образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения для определения их водно-физических и фильтрационных свойств. В результате значительно повышается точность определения водно-физических и фильтрационных свойств почвогрунтов, а также снижается время и трудоемкость работ при отборе образца почвогрунтов.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен статический пригруз, общий вид; на фиг.2 - металлический цилиндрический груз, выполненный с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов и предназначенный для установки на любой из к-ого количества тонкостенный металлический цилиндр-монолитоотборник; на фиг.3 - то же, вид по А на фиг.2; на фиг.4 - то же, разрез по Б-Б на фиг.3 с установленной в выемке металлического цилиндрического груза шайбой.

Комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов по методу опускного колодца включает к-ое количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, определяемое по формуле (1), а также статический пригруз и (n-1) количество шайб 1 с одинаковым внешним диаметром.

Тонкостенные металлические цилиндры-монолитоотборники (не показано) с заостренным нижним торцом треугольной формы отличаются друг от друга внутренним диаметром D, высотой Н, толщиной стенки h и углом заточки его наружного режущего края U°.

Статический пригруз выполнен в виде m-го количества металлических цилиндрических грузов 2 и одного металлического цилиндрического груза 3. Все грузы имеют одинаковый диаметр с возможностью установки грузов 2 друг на друга и грузов 2 на груз 3. При этом на любой тонкостенный металлический цилиндр-монолитоотборник из к-ого их количества может быть установлен только один металлический цилиндрический груз 3, выполненный с выемкой 4 цилиндрической формы в одном из его торцов 5 и установленной в ней одной из (n-1) шайб 1. Диаметр выемки 4 равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоотборника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр d_max, а ось ее симметрии совпадает с осью симметрии металлического цилиндрического груза 3. Для фиксации каждой из (n-1) шайб 1 в выемке 4 в торце 5 металлического цилиндрического груза 3 установлены на винтах 6 и равномерно распределены по окружности с возможностью поворота вокруг винтов 6 пластинки 7. Все (n-1) шайбы 1 выполнены с внешним диаметром, равным диаметру выемки 4, и толщиной, равной высоте выемки 4 в торце 5 металлического цилиндрического груза 3. Внутренние диаметры шайб 1 неодинаковы и равны внешнему диаметру d каждого из (n-1) цилиндра-монолитоотборника, составляя пару: шайба - цилиндр-монолитоотборник. Каждый металлический цилиндрический груз (массой около 25 кг) снабжен ручками 8 на диаметрально противоположных сторонах боковой его поверхности для удобства подъема груза и центровки каждого последующего груза 2, устанавливаемого на уже размещенный груз 2 или на груз 3, уже размещенный на цилиндре-монолитоотборнике.

Работу с заявленным комплектом устройств осуществляют следующим образом.

По прибытии к месту назначения комплект готовят к работе. В соответствии с выделенными зонами опытно-производственных участков устанавливают оптимальный размер и количество режущих цилиндров-монолито-отборников, статический пригруз и количество шайб 1 из (n-1) их количества.

Отбор монолитов минеральных почвогрунтов в выделенных зонах производят следующим образом. Верхнюю плоскость почвогрунта на глубине отбора образца зачищают лопатой. Затем, срезая излишки почвогрунта совком и ножом, ее выравнивают и устанавливают на нее режущим краем цилиндр-монолитоотборник, который пригружают грузом 3, предварительно вставив в выемку 4 съемную шайбу 1 и зафиксировав ее с помощью равномерно распределенных по окружности выемки винтов 6 и поворачивающихся вокруг них пластинок 7. Почвогрунт вокруг цилиндра-монолитоотборника вертикально подрезают лопатой и постепенно выбирают совком. Оставшийся после этого нетронутым у внешней поверхности цилиндра почвогрунт толщиной 15…25 мм подрезается под действием массы груза 3 режущей кромкой цилиндра-монолитоотборника. Заняты при этом обычно два исполнителя: один выбирает почвогрунт, второй (старший), поддерживая за ручки 8 груз 3, следит, чтобы цилиндр опускался плавно, строго вертикально, без перекосов. В случае почвогрунта очень плотного сложения и плохого его подрезания цилиндром-монолитоотборником на нижний груз 3 может быть добавлено необходимое число грузов 2. При этом центровка грузов 2 обеспечивается установкой верхнего груза 2 между ручками 8 нижнего. После заполнения цилиндра-монолитоотборника почвогрунтом грузы 2 и 3 снимают с цилиндра-монолитоотборника, а цилиндр-монолитоотборник покрывают пластиной (не показано). Затем подрезают лопатой почвогрунт по всему периметру нижнего режущего края цилиндра-монолитоотборника (на 15..25 мм ниже его), поднимают монолит на поверхность почвы, срезают почвогрунт ножом вровень с режущей кромкой цилиндра-монолитоотборника, устанавливая монолит на пластину, упаковывают его и доставляют к месту проведения испытаний.

Осуществление изобретения. Заявленный комплект устройств использован для отбора более 2000 монолитов минеральных почвогрунтов. В качестве примера приводим опыт его применения на типичном для рассматриваемой зоны объекте осушения «Алферове» в Оленинском районе Тверской области.

На объекте имеют место дерново-подзолистые легкосуглинистые на покровном суглинке глееватая и глеевая почвы. Для имеющих место почвогрунтов характерна трещинная пористость. Трещины - это вторичные образования. Причем в основном это трещины выветривания (морозобойные, морозные клинья), а затем уже возможно, хотя и с меньшей вероятностью, трещины набухания и усадки. Трещины, как правило, расходятся от макропор в радиальном направлении. На фиг.5 представлено расположение трещин в горизонтальной плоскости горизонта A₂B₁: 9 - трещина, 10 - макропора, 11 - почвогрунт. Ширина трещин достигает 20 мм, иногда, в очень редких случаях, - до 30 мм. Трещины в основном заполнены почвогрунтом, затекшим из подзолистого горизонта, но в других горизонтах почвенного профиля встречаются и трещины с разной степенью заполнения затекшим сверху почвогрунтом. С глубиной трещины затухают. В горизонте А2В1 и иллювиальных горизонтах B₁ и В₂ их наличие не учитывать недопустимо.

Результаты применения на данном объекте предлагаемого комплекта устройств приведены в табл. В зависимости от сопротивления почвогрунтов, которое зависит и от диаметра цилиндра, число применяемых пригрузов изменяется по генетическим горизонтам от 1 до 4.

При отборе монолитов без использования пригруза, при динамической нагрузке на цилиндр, плотность скелета почвогрунта по генетическим горизонтам в среднем занижалась на 12 процентов, что приводило к завышению общей пористости на 12 относительных процентов, значение коэффициента фильтрации, установленное при установившемся режиме фильтрации, также завышалось, но в среднем на 28%. Таким образом, предложенный комплект устройств обеспечил высокое качество отбора монолитов, что обеспечило повышение точности определения водно-физических свойств почвогрунтов в среднем на 12%, а фильтрационных свойств - на 28%. При этом затраты труда на отбор монолита сократились на 40%. Изложенное обеспечивает достижение ожидаемого технического результата.

Таблица Комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов Генетический горизонт Внешний диаметр цилиндра, мм i k_i Число грузов Диаметр шайбы, мм Плотность скелета, г/см³ Общая пористость, % по объему Коэффициент фильтрации, м/сут внешний внутренний А1 180 1 4 3 220 180 1,44±0,03 46,5 0,325±0,067 А2 100* 2 6 2 220 100 1,48±0,04 42,0 0,112±0,010 А2В1 200 3 4 4 220 200 1,50±0,04 40,3 0,035±0,006 B1g 220 4 4 4 - - 1,63±0,04 39,4 0,030±0,006 B2g 160 5 3 3 220 160 1,65±0,05 38,0 0,015±0,003 Cg 80 6 3 1 220 80 1,69±0,03 36,7 0,005±0,001     n=6 k-24 m+1-4 n-1=5       ∗ Принят с учетом мощности генетического горизонта.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и мелиорации земель и может быть использовано при отборе вертикального монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения с целью определения их водно-физических и фильтрационных свойств. Комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов включает к-е количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, равное , где i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1), n - число цилиндров разного диаметра, к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), и снабжен пригрузом. Пригруз выполнен в виде (m+1) количества металлических цилиндрических грузов одинакового диаметра с возможностью установки их друг на друга и на каждый цилиндр-монолитоотборник с образованием пригруза цилиндрической формы. При этом один из металлических цилиндрических грузов, непосредственно устанавливаемый на цилиндр-монолитоотборник, выполнен с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов, диаметр которой равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоотборника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр, и осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлического цилиндрического груза. Кроме того, комплект снабжен (n-1) шайбой с внешним диаметром, равным диаметру выемки, и толщиной, равной высоте выемки в торце металлического цилиндрического груза, с возможностью установки каждой из них в выемку с последующей фиксацией в ней. Причем внутренние диаметры шайб неодинаковы и равны внешнему диаметру каждого из (n-1) цилиндров-монолитоотборников, составляя пару: шайба-цилиндр-монолитоотборник. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении точности определения свойств почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля, а также в снижении времени на отбор монолита и трудоемкости работ при отборе качественного образца почвогрунтов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов, включающий к-е количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, равное

где i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),
n - число цилиндров разного диаметра,
к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3),
отличающийся тем, что он снабжен пригрузом, выполненным в виде (m+1) количества металлических цилиндрических грузов одинакового диаметра с возможностью установки их друг на друга и на каждый цилиндр-монолитоотборник с образованием пригруза цилиндрической формы, при этом один из металлических цилиндрических грузов, непосредственно устанавливаемый на цилиндр-монолитоотборник, выполнен с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов, диаметр которой равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоотборника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр, и осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлического цилиндрического груза, кроме того, комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунтов снабжен (n-1) шайбой с внешним диаметром, равным диаметру выемки, и толщиной, равной высоте выемки в торце металлического цилиндрического груза, с возможностью установки каждой из них в выемку с последующей фиксацией в ней, причем внутренние диаметры шайб неодинаковы и равны внешнему диаметру каждого из (n-1) цилиндра-монолитоотборника, составляя пару: шайба - цилиндр-монолитоотборник.

2. Комплект устройств по п.1, отличающийся тем, что каждый металлический цилиндрический груз снабжен двумя ручками, расположенными на диаметрально противоположных сторонах боковой его поверхности.

3. Комплект устройств по п.1, отличающийся тем, что в торце металлического цилиндрического груза, выполненного с выемкой цилиндрической формы в одном из его торцов и предназначенного для установки непосредственно на цилиндр-монолитоотборник, со стороны выемки установлены на винтах и равномерно распределены по окружности с возможностью поворота вокруг винтов пластинки для фиксации шайбы в выемке.