Устройство для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов и способ его использования Российский патент 2023 года по МПК G01N15/00 

Заявленное техническое решение в целом относится к области исследования свойств частиц, а именно - определения проницаемости исследуемых грунтов, представленных в виде дисперсных связанных и несвязанных грунтов (включая крупнообломочные).

Заявленное техническое решение возможно использовать при исследованиях в инженерной геологии, в области инженерно-геологических изысканий, проектирования в строительстве, в частности - для количественной характеристики фильтрационно-суффозионных и деформационных свойств моделей исследуемых грунтов, изготовленных заявленным способом для определения водопроницаемости, суффозионной устойчивости, деформации грунта под нагрузкой на образцах моделей исследуемых грунтов, представленных в виде дисперсных связанных и несвязанных грунтов (включая крупнообломочные), включая их устойчивость к химической суффозии (выщелачиванию).

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Крупнообломочные грунты - это несвязанные породы, представляющие собой толщу камней (обломков скальных пород), большинство из которых крупнее 2 мм.

Песок - рыхлая мелкообломочная осадочная горная порода с крупностью зерен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений без использования или с использованием специального обогатительного оборудования.

Дисперсные грунты - грунт, в котором преобладают механические, физические и физико-химические структурные связи.

Связные грунты - дисперсный грунт с преобладанием физических и физико-химических структурных связей.

Несвязные грунты - дисперсный грунт с преобладанием механических структурных связей и сыпучий в сухом состоянии.

Механическая суффозия - процесс выноса мелких частиц из рыхлых обломочных пород фильтрующейся водой.

Химическая суффозия, или выщелачивание - вынос водорастворимых солей (гипс, карбонаты и др.) из нерастворимых осадочных пород, приводящий к разрушению структурных связей и уменьшению прочности, увеличению деформируемости и размываемости пород.

Водопроницаемость - это способность водонасыщенных грунтов пропускать сквозь себя воду за счет градиента напора.

Выветривание - совокупность физических, физико-химических и биохимических процессов разрушения горных пород верхней части земной коры под влиянием климата, подземных и поверхностных вод, деятельности организмов и техногенных факторов.

Геологическая неоднородность - изменчивость литологического состава массива по площади, характер и степень чередования по разрезу проницаемых и непроницаемых инженерно-геологических элементов, а также изменчивость физических свойств массива, обусловленная их вещественным составом, структурой и текстурой порового пространства.

Гранулометрический состав грунта - относительное содержание в почве, осадке, горной породе или антропогенных образованиях частиц различных размеров независимо от их химического или минералогического состава.

Грунт - любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека

Горная порода - устойчивая по составу и строению природная ассоциация одного или нескольких минералов или минеральных агрегатов

Деформационные свойства грунтов - свойства, характеризующие поведение грунта под воздействием докритических нагрузок, не приводящих к его разрушению.

Массив грунта (грунтовый массив) - объем грунта, находящийся в основании здания/сооружения или вмещающий его, размеры которого не меньше зоны влияния здания/сооружения, или выделяемый для решения специальных задач.

Неоднородный грунт - грунты состоят из фракций разной крупности, зная процентное содержание каждой фракции, для удобного графического представления зернового состава грунта строят кривые однородности, чем больше коэффициент неоднородности (степень неоднородности), тем неоднороднее грунт, при степени неоднородности, близкой к 1, грунт идеально однороден.

Насыпной грунт (техногенный грунт) - грунт, измененный, перемещенный или образованный в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Осадка грунта - понижение поверхности грунта под действием собственного веса или внешней нагрузки за счет уплотнения или усыхания материала, из которого построено сооружение, или уплотнения грунта основания.

Основание фундамента - подземная или заглубленная часть сооружения, предназначенная для передачи нагрузки от сооружения на основание массива грунта, на котором возводится сооружение, воспринимающий нагрузку от него и испытывающий в результате этого напряжения и деформации.

Деформационные свойства - определяют реакцию грунтов на нагрузки ниже критических (когда грунт под нагрузками не разрушается).

Коэффициент фильтрации - коэффициент пропорциональности между скоростью ламинарной фильтрации жидкости в данном пористом теле и градиентом ее напора.

Представительный элемент объема грунта - объем, содержащий некоторое минимальное количество всех характерных элементов структуры грунта, в виде агрегатов или пор, при котором репрезентативные физические свойства этого количества, например - пористость, будут вполне однозначно определены и значения этих свойств, измеренные для такого представительного объема грунта в любой точке исследуемого пространства неоднородного тела, будут одинаковы.

Суффозия - изменение гранулометрического состава и структуры грунта вследствие перемещения фильтрационным потоком внутри грунта мелких частиц или их выноса; или растворение содержащихся в грунте водорастворимых солей или их вымыва, в результате чего возможно нарушение его прочности и устойчивости.

Суффозионный грунт - грунт, в котором может происходить и развиваться механическая суффозия при скоростях фильтрации, превышающих критические.

Суффозионная устойчивость грунта - сохранение частицами грунта своего первоначального положения при воздействии на них фильтрационного потока.

Устойчивость грунта - способность грунтовых масс на протяжении относительно длительного времени сохранять форму и противостоять сдвигающим силам.

Раскрытие трещины - расстояние между ее стенками в данном сечении, перпендикулярном направлению простирания трещины.

Фотограмметрия - определение форм, размеров и положения объектов по их фотографическим изображениям.

Факторные эксперименты (см. https://scask.ru/n_book_ppe.php?id=30)

На дату подачи настоящей заявки в мире имеет место экспансия многоэтажного строительства, в частности, на неустойчивых грунтах, к которым относятся суффозионные грунты. Нагрузки от многоэтажных зданий на грунт составляют от нескольких десятков кН. Если такая нагрузка приходится на неустойчивые грунты, то она повышает требования к предварительным испытаниям грунтов перед строительством для минимизации рисков необратимых деформаций фундаментов. Отсутствие испытаний грунтов при максимально возможных нагрузках во многих случаях приводит к аварийным состояниям зданий и их обрушению, при этом следует обратить внимание на то, что на дату представления заявочных материалов не выявлено технических решений, обеспечивающих реализацию таких исследований.

Устойчивость грунтов снижается следующими факторами: выщелачиванием катионов и биохимическим выветриванием твердой части грунта, суффозией, геологической неоднородностью массива грунта. Факторы снижения устойчивости грунтов приводят к увеличению пористости грунтов, неравномерности осадки грунтов как оснований с последующей деформацией фундаментов. Прорывы коммуникаций, изменение водного, газового и температурного режимов в грунтах инициируют биохимическую активность, которая служит причиной до 20% деформаций фундаментов под уже существующими строениями.

Грунты зачастую характеризуются высокой геологической неоднородностью даже в пределах одной строительной площадки. Взаимодействие элементов структуры в пределах одного массива грунта нуждается в исследовании, а именно, факторные эксперименты, проводимые в представительном объеме грунта. Представительный объем грунта может быть рассчитан с опорой на линейные размеры, рекомендуемые в рамках механики сплошных сред и деформируемого твердого тела, которые составляют от 10 до 100 размеров неоднородности структуры, или в единицах объема - от 1000 до 1000000 объемов неоднородности структуры. Таким образом, при объеме неоднородности структуры 1 см³ представительный объем грунта, сложенного такими неоднородностями, для исследования деформационных характеристик должен составлять более 1000 см³ [Прилоус Б.И. О введении понятия представительного объемного элемента в теорию структурированного континуума //ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Т.2 (2). 2013. - с.115-120]. На дату представления настоящего технического решения, используемые лабораторные деформационные испытания проводятся на объемах грунта, как правило, максимум до 200 см³, что не обеспечивает возможность проведения достоверных испытаний надежности на обломочных и неоднородных грунтах.

Для оценки суффозионности грунта актуальным является ГОСТ 12248.5-2020. Согласно ГОСТ, «максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/5 высоты образца». На дату представления заявленного технического решения, в лабораторных стандартных компрессионных приборах высота изучаемого грунта составляет до 50 мм, с включениями не более 10 мм. В природе суффозионно неустойчивыми грунтами часто являются грунты с большим количеством включений, в том числе крупных.

Несущая способность грунтов зависит от консистенции грунта и сложения массива грунта и может изменяться в зависимости от условий обводненности, динамической нагрузки, эрозии твердых частиц. Устойчивость грунтов может изменяться в процессе строительства и эксплуатации сооружения, вплоть до потери устойчивости, например, при длительной суффозии частиц при разгерметизации инженерных коммуникаций. Несущая способность устойчивых грунтов варьирует от 0,2 МПа для пластичных глин и суглинков до 0,6 МПа для щебня и гальки [СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83»]. Давление, оказываемое фундаментом например 30-этажного дома на основание, может достигать 1,0 МПа, в зависимости от материала и конструкции фундамента, стен, перегородок, кровли, веса оборудования, располагаемого внутри помещений, снаружи на стенах и на крыше, сезонной снеговой и ветровой нагрузки. На дату представления заявленного технического решения, лабораторные деформационные испытания грунтов проводятся, как правило, под максимальной нагрузкой до 0,8 кПа.

Для сбора достоверной информации о прочностных и деформационных свойствах грунта и их изменениях под действием факторов суффозии и выветривания в лабораторных экспериментах, необходима разработка конструкции испытательных установок, позволяющих оперировать представительным объемом грунтов всего спектра сложения под максимально возможной нагрузкой, оказываемой потенциальным сооружением, обеспечивающую отслеживание изменения свойств грунта в режиме реального времени и получать достоверные данные испытаний в цифровом виде.

В строительстве и инженерной геологии нашли широкое применение устройства для определения суффозионной устойчивости, осуществляющие измерение деформаций грунта под действием фильтрационного потока. Из исследованного уровня техники выявлено, что для реализации известной процедуры испытаний повсеместно применяются устройства для определения суффозионной устойчивости по методике лабораторного определения коэффициента фильтрации грунтов (ГОСТ 25584-90) и по методике лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости грунтов (ГОСТ 12248.5-2020), в частности, например, известных фирм НПП «Геотек», «ПрогрессГео», «Геотестер».

Известные устройства для определения суффозионной устойчивости в целом представляют собой системы, состоящие из рабочей камеры, гидроцилиндров, напорных емкостей, песколовок, наружного устройства и контролируемых через процессоры датчиков нагрузок.

Известные устройства для определения суффозионной устойчивости в целом имеют по сравнению с заявленным техническим решением следующие недостатки общего характера:

1. Размер рабочей камеры менее 90 см³ с высотой заполнения рабочей камеры грунтом до 50 мм, что дает низкую репрезентативность измерений и низкую надежность получаемых данных по отношению к неоднородному массиву грунта, не позволяет проводить исследования крупнообломочных грунтов и не охватывает диапазон реально происходящих осадок грунта под сооружениями до нескольких десятков сантиметров;

2. Рабочая камера представляет собой цилиндр с жесткими не прозрачными стенками, что ограничивает визуализацию деформации грунта и тем самым ограничивает возможности верной интерпретации данных;

3. Отсутствие контроля количества вынесенных суффозионных частиц и состава фильтрата в режиме реального времени, тем самым ограничивая получаемую информацию о кинетиках процессов суффозии и выветривания;

4. Отсутствие съемного грунтосборника для контроля суффозионных частиц и состава фильтрата, тем самым ограничивая получаемую информацию о процессе суффозии;

5. Отсутствие возможности наклона нагружающего штампа к горизонту, что ограничивает область применения только нормальными нагрузками без возможности учитывать разные типы деформаций оснований фундамента;

6. Отсутствие возможности создания нагрузок до 1,6 МПа;

7. Отсутствие возможности плавного регулирования раскрытия щели суффозионного лотка, что увеличивает время проведения испытаний при изменении условий раскрытия щели;

8. Отсутствие возможности совмещения испытательной установки с биологическим реактором, что не позволяет учитывать биохимическое выветривание грунта и его изменение под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов.

В совокупности указанные недостатки известных устройств приводят к низкой надежности определения суффозионной устойчивости грунтов под большинством реально существующих сооружений.

Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по авторскому свидетельству SU 851201 «Установка для исследования суффозионной устойчивости грунтов». Сущностью известного устройства является установка для исследования суффозионной устойчивости грунтов, представляющая собой прямоугольный фильтрационный лоток, состоящий из рабочей камеры и двух боковых водоприемных камер, отделенных от рабочей двумя перфорированными перегородками и снабженных устройствами для поддержания в них определенных уровней воды, отличающаяся тем, что, с целью приближения условия к природным, она выполнена с дополнительно нижней водоприемной камерой, имеющей устройство для поддержания в ней определенного напора воды, причем между нижней водоприемной и рабочей камерами размещена водоупорная система. Установка по п.1, отличающаяся тем, что водоупорная система состоит из неподвижной водоупорной пластины и выдвижных опорных пластин, причем с дополнительными выдвижными водоупорными пластинами и вставками.

Недостатками известного технического решения в отношении устройства являются:

1. Небольшие размеры рабочей камеры, не позволяющие исследовать крупнообломочные грунты, вследствие чего известное изобретение имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

2. Установка не предназначена для определения деформационных характеристик грунтов, что не позволяет использовать известное устройство для полной характеристики деформационных свойств грунтов, вследствие известное устройство имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

3. Грунтосборник известного устройства не вынимается из установки, что создает неудобство при использовании известного устройства по назначению;

4. Раскрытие щели грунтосборника известного устройства не контролируется, а используется выдвижение ячейки поплавковым методом, что не позволяет влиять на ширину раскрытия щели грунтосборника и ограничивает возможности сбора достоверных данных о суффозии и деформации грунта;

5. Отсутствие возможности контроля количества вынесенных потоком твердых частиц, что ограничивает достоверность получаемых данных о суффозии;

6. Отсутствие возможности совмещения испытательной установки с биологическим реактором, что не позволяет учитывать биохимическое выветривание грунта и изменение свойств грунтов во временном интервале под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов.

Недостатками известного технического решения в отношении способа являются:

1. Невозможность использования способа подготовки, невозможность приложения нагрузок до 1.6 МПа, невозможность использования способа укладки грунта и порядка проведения эксперимента заявленным способом и использования метода фотограмметрии и цветных полосок Курдюмова, что не обеспечивает возможность получения полной характеристики деформационных свойств грунтов и ограничивает достоверность получаемых данных о суффозии заявленным способом и порядком проведения эксперимента.

2. Невозможность исследования сухих грунтов в силу изначальной работы устройства с влажными грунтами.

Известна полезная модель RU №168270 «Фильтрационная установка трехосного сжатия». Сущностью является фильтрационная установка трехосного сжатия, состоящая из рабочей камеры с крышкой из коррозионностойкой нержавеющей стали, в которую вмонтирован датчик контроля порового давления, гидроцилиндр, установленный в основании рабочей камеры для создания осевой нагрузки, оболочку, систему подачи давления в гидроцилиндр, датчик вертикальных перемещений, систему подачи давления бокового обжатия в рабочую камеру и измерения объемных деформаций образца, отличающаяся тем, что для создания осевой нагрузки на образец крупнообломочного грунта с крупностью частиц до 80 мм гидроцилиндр вмонтирован в крышку рабочей камеры и опирается поршнем, площадь которого увеличена как минимум в 3-5 раз до поперечных размеров рабочей камеры, на верхний штамп через точечные опоры для создания зазора, в который проникает рабочая жидкость при всестороннем обжатии образца, в штоке гидроцилиндра выполнен канал для подачи воды на верхнюю поверхность образца от напорной системы с двумя напорными емкостями, работающими поочередно для длительного поддержания в непрерывном режиме фильтрационного потока, со стороны нижнего штампа оборудована песколовка с двумя заслонками, одна из которых перекрывает поступление фильтрационного потока в нее, а через вторую вынимают осадок, система перелива со стороны нижнего штампа и датчик давления воды в верхнем штампе закреплены на штоке гидроцилиндра для отслеживания осевых деформаций образца и постоянно находятся на одном уровне с его верхней поверхностью.

Недостатками известного технического решения в отношении устройства являются:

1. Небольшие размеры рабочей камеры, не позволяющие исследовать крупнообломочные грунты, вследствие чего известное изобретение имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

2. Рабочая камера представляет собой цилиндр с жесткими не прозрачными стенками, что ограничивает визуализацию деформации грунта и тем самым ограничивает возможности верной интерпретации данных;

3. Раскрытие щели не контролируется, а создано перфорированным вкладышем в нижнем штампе, что не позволяет влиять на ширину раскрытия щели грунтосборника и ограничивает возможности сбора достоверных данных о суффозии и деформации грунта;

4. Отсутствие постоянного контроля количества вынесенных суффозионных частиц с модели, что ограничивает достоверность получаемых данных о суффозии;

5. Отсутствие возможности наклона штампа к горизонту от 0 до 45° в зависимости от поставленных задач, что ограничивает область применения только нормальными нагрузками без возможности учитывать разные типы деформаций оснований фундамента;

6. Отсутствие возможности смещения нагрузки на разные части установки, что ограничивает область применения поставленных задач;

7. Отсутствие возможности создавать большие вертикальные нагрузки до 1,6 МПа, что не позволяет использовать известное устройство для полной характеристики деформационных свойств грунтов, вследствие известное устройство имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

8. Отсутствие возможности совмещения испытательной установки с биологическим реактором, что не позволяет учитывать биохимическое выветривание грунта и изменение свойств грунта во временном интервале под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов.

Недостатком известного технического решения в отношении способа является невозможность исследования крупнообломочных грунтов вследствие малых размеров камеры, невозможность приложения нагрузок до 1.6 МПа, невозможность использования способа укладки грунта и порядка проведения эксперимента заявленным способом и использования метода фотограмметрии и цветных полосок Курдюмова, что не обеспечивает возможность получения полной характеристики деформационных свойств грунтов и ограничивает достоверность получаемых данных о суффозии заявленным способом.

Известно изобретение по авторскому свидетельству SU 1242773 «Устройство для определения суффозионной устойчивости нескального грунта», выбранное заявителем в качестве прототипа. Сущностью является устройство для определения суффозионной устойчивости нескального грунта, содержащее рабочую камеру для образца, снабженную двумя решетками-верхней и нижней и приспособлениями для уплотнения образца и соединенную с приспособлением для создания фильтрационного потока, отличающееся тем, что с целью повышения точности и достоверности определения путем приближения условий воздействия фильтрационного потока на нескальный грунт к натурным, с установкой диафрагмальной щели с регулируемым раскрытием, установленной над нижней решеткой.

Прототип имеет с заявленным техническим решением следующую совокупность совпадающих признаков:

- щель с регулируемым раскрытием;

- приспособления для изменения раскрытия щели;

- песколовку дня сбора выносимых из грунта частиц;

- контролируемый напор воды;

- система создания нагрузки на грунт;

- каналы для подачи воды на верхнюю поверхность образца от напорной системы.

Недостатками прототипа по отношению к устройству являются:

1. Отсутствие возможности исследования свойств крупнообломочных грунтов в широком диапазоне вследствие небольших размеры рабочей камеры, вследствие чего известное изобретение имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

2. Отсутствие возможности визуального контроля деформаций грунта и, вследствие этого, отсутствие возможности использования метода контроля деформации грунта по цветным полоскам Курдюмова, и тем самым ограничение возможности верной интерпретации данных вследствие того, что стенки рабочей камеры не прозрачные;

3. Отсутствие возможности непрерывного контроля количества вынесенных суффозионных частиц с модели в непрозрачный грунтосборник, вследствие отсутствия проточных датчиков мутности и цветности, что ограничивает достоверность получаемых данных о суффозии;

4. Отсутствие возможности наклона штампа к горизонту от 0 до 45° в зависимости от поставленных задач, что ограничивает область применения только нормальными нагрузками без возможности учитывать разные типы деформаций оснований фундамента;

5. Отсутствие возможности смещения нагрузки на разные части установки, вследствие отсутствия возможности установки перемещения штампа в горизонтальной плоскости, что ограничивает область применения поставленных задач;

6. Отсутствие возможности создавать большие вертикальные нагрузки до 1,6 МПа, что не позволяет использовать известное устройство для полной характеристики деформационных свойств грунтов, вследствие известное устройство имеет низкие эксплуатационные свойства при использовании по назначению;

7. Отсутствие возможности учитывать биохимическое выветривание грунта и изменение свойств грунта во временном интервале под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов вследствие отсутствия совмещения испытательной установки с биологическим реактором.

Недостатком прототипа по отношению к способу является:

1. Невозможность исследования крупнообломочных грунтов вследствие малых размеров камеры.

2. Невозможность приложения нагрузок до 1.6 МПа.

3. Невозможность проведения эксперимента заявленным способом и использования метода фотограмметрии и цветных полосок Курдюмова.

Техническим результатом заявленного технического решения является:

По отношению к заявленному устройству:

1. Обеспечение возможности исследования свойств различных типов грунтов, представленных в виде дисперсных связанных и несвязанных грунтов (в том числе крупнообломочных) в широком диапазоне за счет увеличения габаритов рабочей камеры;

2. Обеспечение возможности визуального контроля деформации грунта за счет установки прозрачных стенок в рабочей камере, например из полиметилметакрилата, с возможностью использования метода деформации грунта по цветным полоскам Курдюмова;

3. Обеспечение возможности непрерывного контроля количества вынесенных суффозионных частиц с модели в прозрачный грунтосборник, за счет использования проточных датчиков мутности и цветности;

4. Обеспечение возможности создавать уклон штампа к поверхности за счет возможности установки регулировать перемещения штампа под разными углами наклона к грунту от 0 до 45° в зависимости от поставленных задач;

5. Обеспечение возможности создавать возможность смещения нагрузки на разные части установки за счет возможности установки перемещения штампа в горизонтальной плоскости;

6. Обеспечение возможности создавать большие вертикальные нагрузки до 1,6 МПа за счет использования автоматизированного штампа с электромеханическим вертикальным нагружением до 100 кН;

7. Обеспечение возможности учитывать биохимическое выветривание грунта и изменение свойств грунта во временном интервале под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов, за счет установки в рабочую камеру биологического реактора.

По отношению к заявленному способу:

1. Обеспечение возможности получения полной характеристики деформационных свойств всех разновидностей дисперсных грунтов (в том числе крупнообломочных) за счет больших размеров установки, наличия прозрачных стенок.

2. Возможность проведения исследований под различными нагрузками.

3. Возможность использование метода фотограмметрии и цветных полосок Курдюмова.

Сущностью заявленного технического решения является устройство для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов, содержащее: рабочую прозрачную камеру, каркас, суффозионный лоток с исследуемый грунтом, прозрачный грунтосборник, мерные линейки, цифровые датчики температуры и влажности, раздвижную полую щель, винтовое устройство, регулятор раскрытия щели, трубку для отвода воды, проточный датчик мутности и цветности, цветные полоски Курдюмова, мерную емкость, поворотную накладку с отверстиями для наклона лотка от 0 до 45° к горизонту, электромеханическое вертикальное нагружающее устройство с возможностью вертикальной нагрузки до 1,6 МПа, блок управления и регистрации сигналов, компьютер, штамп, капельный полив, напорный бак, трубку для подачи воды, фотокамеру, биологический реактор, блок индикации углекислого газа; при этом рабочая прозрачная камера установлена в каркас, на верхнюю часть каркаса установлен напорный бак, к верхней части которого присоединен биологический реактор, соединенный воздуховодной трубкой с блоком индикации углекислого газа; напорный бак соединен с трубкой для подачи воды с возможностью обеспечения протока жидкости на капельный полив, установленный в штамп, который жестко связан с электромеханическим вертикальным нагружающим устройством, помещенным на поворотную накладку; электромеханическое вертикальное нагружающее устройство соединено с блоком управления и регистрации сигналов и далее с компьютером; в нижней части рабочей прозрачной камеры установлен суффозионный лоток с исследуемый грунтом, на котором уложены цветные полоски Курдюмова, суффозионный лоток содержит винтовое устройство с регулятором раскрытия щели, связанное с раздвижной моделируемой полой щелью над прозрачным грунтосборником, с трубкой для отвода воды в мерную емкость; при этом рабочая прозрачная камера оснащена мерными линейками с возможностью внешнего контроля деформаций грунта, цифровыми датчиками температуры и влажности, проточным датчиком мутности и цветности; при этом фотокамера установлена рядом с рабочей прозрачной камерой с возможностью визуальной фиксации процесса деформации грунта под воздействием нагрузки. Способ использования устройства по п. 1, заключающийся в том, что исследуемый грунт укладывают в суффозионный лоток отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок камеры - штыкованием, чтобы не осталось крупных пристенных пор; проводят замер влажности и температуры исследуемого грунта цифровыми датчиками температуры и влажности; затем на поверхность уложенного исследуемого грунта подсыпают пригрузочный слой для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек суффозионного лотка; затем для визуального наблюдения за процессом деформации грунта под воздействием нагрузки на исследуемый грунт укладывают цветные полоски Курдюмова; исследуемый грунт подвергают уплотнению штампом при помощи электромеханического вертикального нагружающего устройства, фиксируя при этом цифровыми датчиками температуры и влажности его деформацию - осадку верхней решетки при естественной влажности; затем проводят водонасыщение образца капельным поливом через штамп сверху вниз до полного водонасыщения; затем поворотной накладкой создают угол наклона штампа к горизонту от 0 до 45°, затем электромеханическим вертикальным нагружающим устройством создают требуемую нагрузку на исследуемый грунт; затем водой из напорного бака создают фильтрационный поток на поверхность штампа с капельным поливом, при этом опционально включают в поток биологический реактор с регулировкой блока индикации углекислого газа, при этом сбор и обработку данных по деформации грунта проводят с помощью блока управления и регистрации сигналов с выводом на компьютер; профильтрованная вода стекает в раздвижную моделируемую полую щель, оборудованную винтовым устройством и регулятором раскрытия щели, при этом регуляцию раскрытия трещины осуществляют без прерывания процесса фильтрации; частицы грунта выносятся из исследуемого грунта фильтрационным потоком в прозрачный грунтосборник и по трубке для отвода воды в мерную емкость; отслеживание количества вынесенных из суффозионного лотка суффозионных частиц осуществляют в режиме реального времени проточным датчиком мутности и цветности; измеряют скорость фильтрационного потока, прошедшего через исследуемый грунт, путем фиксации времени между измерениями объема в мерной емкости, затем вычисляют коэффициент фильтрации; при этом проводят фотограмметрию при помощи фотокамеры, контролируя деформацию грунта по цветным полоскам Курдюмова и мерным линейкам, при этом при деформации исследуемого грунта цветные полоски Курдюмова плавно изгибаются, что фиксируется на фотографиях; если стабилизации фильтрационного процесса не происходит, то в процессе эксперимента меняют ширину раскрытия в раздвижной моделируемой полой щели, фиксируя ширину регулятором раскрытия щели, при этом опционально регулируют осевую нагрузку на штамп; по окончании эксперимента проводят расчет характеристик водопроницаемости и деформируемости исследуемого грунта на компьютере; затем из суффозионного лотка отбирают образцы грунта для конечного определения влажности, температуры, плотности, а также содержания органического вещества; из прозрачного грунтосборника отбирают пробы воды для арбитражного гравиметрического определения количества вынесенных твердых частиц, а также контроля биомассы.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг. 1 и Фиг. 2.

На Фиг. 1 представлено устройство для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов.

На Фиг. 2 представлен увеличенный вид раздвижной моделируемой полой щели с перемещением подвижных стенок.

Позиции на Фиг. обозначают:

1 - рабочая прозрачная камера;

2 - каркас;

3 - суффозионный лоток;

4 - прозрачный грунтосборник;

5 - мерные линейки;

6 - цифровые датчики температуры и влажности;

7 - раздвижная моделируемая полая щель;

8 - винтовое устройство;

9 - регулятор раскрытия щель;

10 - трубка для отвода воды;

11 - проточный датчик мутности и цветности;

12 - цветные полоски Курдюмова;

13 - исследуемый грунт;

14 - мерная емкость;

15 - поворотная накладка;

16 - электромеханическое вертикальное нагружающее устройство;

17 - блок управления и регистрации сигналов;

18 - компьютер;

19 - штамп;

20 - капельный полив;

21 - напорный бак;

22 - трубка для подачи воды;

23 - фотокамера;

24 - биологический реактор;

25 - блок индикации углекислого газа;

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленное техническое решение состоит из устройства и способа его использования, которые далее описаны более подробно.

Заявленное техническое решение в целом предназначено для определения водопроницаемости, суффозионной устойчивости, деформации грунта под нагрузкой на образцах моделей исследуемых грунтов, представленных в виде дисперсных связанных и несвязанных грунтов (включая крупнообломочные), включая их устойчивость к химической суффозии (выщелачиванию).

Более детально заявленное техническое решение предназначено для получения надежных данных о фильтрационных, суффозионных, деформационных характеристиках грунтов с использованием представительных объемов до 90 см³ грунтов при подаче нагрузки до 1,6 МПа, соответствующей реальной нагрузке на основания под большинством строящихся сооружений.

Заявленное техническое решение позволяет повысить надежность получения результатов испытаний грунтов по сравнению с известными устройствами за счет создания реального давления до 1,6 МПа, увеличения допустимого размера элемента неоднородности грунта, увеличения представительного объема грунта, по сравнению с существующим уровнем техники, до 90 см³ против 0,15 см³ в известных устройствах, увеличения диапазона изучаемых осадок грунтов до нескольких сантиметров против нескольких миллиметров в известных устройствах, соединения рабочей камеры устройства с биологическим реактором для активизации биохимического выветривания грунта для изменение свойств грунта.

Заявленное техническое решение позволяет проводить фотограмметрию преимущественно в условиях лаборатории в процессе эксперимента с возможностью визуализации деформации грунта в режиме реального времени и получать достоверную документированную информацию о свойствах исследуемого грунта за счет наличия прозрачных стенок рабочей камеры и цветных полосок Курдюмова.

Общая цель изобретения - приближение условий работы модели к реальной природной обстановке, в том числе под уже существующими сооружениями, при протечках коммуникаций. Заявленное техническое решение поможет, помимо решения чисто гидрогеологических задач, наблюдать и моделировать суффозионную устойчивость оснований различных сооружений, тела земляных плотин и дамб, обводненных склонов и откосов, но лишь при наличии одного водоносного горизонта.

Далее заявителем приведено детальное описание конструкции заявленного устройства.

Заявленное устройство для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов содержит: рабочую прозрачную камеру 1, например, из полиметилметакрилата; каркас 2, например, из коррозионностойкой нержавеющей стали; суффозионный лоток 3, например, из пластика, с исследуемым грунтом 13; прозрачный грунтосборник 4, например, из пластика; мерные линейки 5, например, из нержавеющей стали; цифровые датчики температуры и влажности 6, например фирмы Silicon Labs типа Si7021; раздвижную моделируемую полую щель 7; винтовое устройство 8; регулятор раскрытия щели 9; трубку для отвода воды 10; проточный датчик мутности и цветности 11, например, фирмы Sigrist-Photometer AG (Швейцария) типа TurbiGuard; цветные полоски Курдюмова 12; мерную емкость 14; поворотную накладку 15, например, в виде стальной пластины, с отверстиями для наклона лотка от 0 до 45° к горизонту; электромеханическое вертикальное нагружающее устройство 16, например фирмы НПП «Геотек, с возможностью вертикальной нагрузки до 1,6 МПа, блок управления и регистрации сигналов 17; компьютер 18; штамп 19; капельный полив 20; напорный бак 21; трубку для подачи воды 22; фотокамеру 23; биологический реактор 24; блок индикации углекислого газа 25.

Все составные части заявленного устройства соединены между собой сборочными операциями, например, винтовым соединением.

При этом составные части заявленного устройства соединены между собой следующим образом.

Рабочая прозрачная камера 1 установлена в каркас 2, на верхнюю часть каркаса 2 установлен напорный бак 21, к верхней части которого присоединен биологический реактор 24, соединенный воздуховодной трубкой с блоком индикации углекислого газа 25; напорный бак 21 соединен с трубкой для подачи воды 22 с возможностью обеспечения протока жидкости на капельный полив 20, установленный в штамп 19; штамп 19 жестко связан, например, винтовым соединением, с электромеханическим вертикальным нагружающим устройством 16, помещенным на поворотную накладку 15; электромеханическое вертикальное нагружающее устройство 16 соединено с блоком управления и регистрации сигналов 17 и далее с компьютером 18; в нижней части рабочей прозрачной камеры 1 установлен суффозионный лоток 3 с исследуемый грунтом 13, на котором уложены цветные полоски Курдюмова 12, суффозионный лоток 3 содержит винтовое устройство 8 с регулятором раскрытия щели 9, связанное с раздвижной моделируемой полой щелью 7 над прозрачным грунтосборником 4, с трубкой для отвода воды 10 в мерную емкость 14. Рабочая прозрачная камера 1 оснащена мерными линейками 5 с возможностью внешнего контроля деформаций грунта, цифровыми датчиками температуры и влажности 6, проточным датчиком мутности и цветности 11. При этом фотокамера 23 установлена рядом с рабочей прозрачной камерой 1 с возможностью визуальной фиксации процесса деформации грунта под воздействием нагрузки.

Заявленное устройство собирают следующим образом.

Рабочую прозрачную камеру 1 устанавливают в каркас 2, на верхнюю часть каркаса 2 устанавливают напорный бак 21.

К верхней части напорного бака 21 присоединяют биологический реактор 24, который содержит активную микрофлору на неподвижной питательной среде, которая вместе с потоком воды из напорного бака 21 поступает в суффозионный лоток 3 с исследуемым грунтом 13. Биологический реактор 24 соединяют воздуховодной трубкой с блоком индикации углекислого газа 25, который содержит индикаторное устройство для определения содержания углекислого газа в газовой фазе, например, индикаторную жидкость на основе бромтимолового синего или, например, цифровой датчик углекислого газа (например, представленный в патентах на изобретения RU №2707818, RU №2144004).

С напорного бака 21 с помощью трубки для подачи воды 22 вода подается таким образом, чтобы обеспечить проток жидкости на капельный полив 20, установленный в штамп 19.

Нагрузка на исследуемый грунт 13 создается штампом 19, жестко связанным с электромеханическим вертикальным нагружающим устройством 16 с возможностью создания нагрузки до 1,6 МПа (например, фирмы НПП "Геотек", г.Пенза). Устройство обеспечивает возможность размещения штампа 19 под разными углами наклона к горизонту от 0 до 45° за счет поворотной накладки 15. Погрешность измерения вертикальной нагрузки 50 Н, погрешность измерения перемещения штампа - 0,1 мм. Штамп 19 представляет собой площадку на полную ширину суффозионного лотка 3, в которую вмонтирована инфильтрационная установка капельного полива 20, которая погружается в суффозионный лоток 3.

Вода поступает в исследуемый грунт 13 из напорного бака 21, поднятого на требуемую высоту, для осуществления подачи воды самотеком на капельный полив 20, оборудованный в штампе 19, на верхнюю поверхность исследуемого грунта 13.

Блок управления и регистрации сигналов 17 подключают к компьютеру 18, собирающему информацию с датчиков нагрузки, перемещения и осуществляющему управление погружением штампа 19 с задаваемой постоянной скоростью.

На стенках рабочей прозрачной камеры 1 устанавливают по периметру с четырех сторон мерные линейки 5 и цифровые датчики температуры, влажности 6 (например, Si7021 фирмы Silicon Labs).

Суффозионный лоток 3 оборудован винтовым устройством 8, соединенным с раздвижной моделируемой полой щелью 7, оснащенной регулятором раскрытия щели 9, что позволяет не прерывать процесс фильтрации при изменении размера раздвижной моделируемой полой щели 7.

Исследуемый грунт 13 укладывают в суффозионный лоток 3 при отсыпке, на исследуемый грунт 13 укладывают цветные полоски Курдюмова 12 для визуального наблюдения за процессом деформации грунта под воздействием нагрузки.

Прозрачный грунтосборник 4 представляет собой извлекаемую прозрачную прямоугольную ячейку, расположенную под суффозионным лотком 3, с трубкой для отвода воды 10 в мерную емкость 14 из прозрачного грунтосборника 4, оборудованной проточным датчиком мутности и цветности 11 (например, фирмы Sigrist-Photometer AG (Швейцария) типа TurbiGuard) для непрерывного контроля количества вынесенных суффозионных частиц из суффозионного лотка 3 в прозрачный грунтосборник 4. Весь процесс фиксируется с помощью фотокамеры 23.

Далее заявителем приведено описание заявленного способа использования заявленного устройства для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов.

Исследуемый грунт 13 укладывают в суффозионный лоток 3 отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок камеры - штыкованием, чтобы не осталось крупных пристенных пор. Проводят замер влажности и температуры исследуемого грунта цифровыми датчиками температуры и влажности 6.

Затем на поверхность уложенного исследуемого грунта 13 подсыпают пригрузочный слой для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек суффозионного лотка 3. Для визуального наблюдения за процессом деформации грунта под воздействием нагрузки на исследуемый грунт 13 укладывают цветные полоски Курдюмова 12.

Исследуемый грунт подвергают уплотнению штампом 19 при помощи электромеханического вертикального нагружающего устройства 16, фиксируя при этом цифровыми датчиками температуры и влажности 6 его деформацию - осадку верхней решетки при естественной влажности.

Затем проводят водонасыщение образца капельным поливом 20 через штамп 19 сверху вниз до полного водонасыщения.

Затем поворотной накладкой 15 создают угол наклона штампа к горизонту от 0 до 45° в зависимости от поставленных задач.

Затем электромеханическим вертикальным нагружающим устройством 16 создают требуемую нагрузку на исследуемый грунт 13.

Затем водой из напорного бака 21 создают фильтрационный поток на поверхность штампа с капельным поливом 20, при этом опционально включают в поток биологический реактор 24 с регулировкой блока индикации углекислого газа 25.

Сбор и обработку данных по деформации грунта проводят с помощью блока управления и регистрации сигналов 17 с выводом на компьютер 18.

Профильтрованная вода стекает в раздвижную моделируемую полую щель 7, оборудованную винтовым устройством 8 и регулятором раскрытия щели 9. Регуляцию раскрытия трещины осуществляют без прерывания процесса фильтрации. Частицы грунта выносятся из исследуемого грунта 13 фильтрационным потоком в прозрачный грунтосборник 4 и по трубке для отвода воды 10 в мерную емкость 14.

Отслеживание количества вынесенных из суффозионного лотка 3 суффозионных частиц осуществляют в режиме реального времени проточным датчиком мутности и цветности 11. Измеряют скорость фильтрационного потока, прошедшего через исследуемый грунт 13, путем фиксации времени между измерениями объема в мерной емкости 14, затем вычисляют коэффициент фильтрации. При этом проводят фотограмметрию при помощи фотокамеры 23, контролируя деформацию грунта по цветным полоскам Курдюмова 12 и мерным линейкам 5. При деформации исследуемого грунта 13 цветные полоски Курдюмова 12 плавно изгибаются, что фиксируется на фотографиях.

Если стабилизации фильтрационного процесса не происходит, то в процессе эксперимента меняют ширину раскрытия в раздвижной моделируемой полой щели 7, фиксируя ее (ширину) регулятором раскрытия щели 9. При этом опционально регулируют осевую нагрузку на штамп 19.

По окончании эксперимента проводят расчет характеристик водопроницаемости и деформируемости исследуемого грунта 13 на компьютере 18. Затем из суффозионного лотка 3 отбирают образцы грунта для конечного определения влажности, температуры, плотности, а также содержания органического вещества; из прозрачного грунтосборника 4 отбирают пробы воды для арбитражного гравиметрического определения количества вынесенных твердых частиц, а также контроля биомассы, например, по перманганатной окисляемости воды.

Таким образом, достигается получение полного объема информации о фильтрационной-суффозионной устойчивости, характеристиках деформируемости грунтов под реальными нагрузками.

Далее заявителем приведены примеры осуществления заявленного технического решения.

Пример 1. Определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств дисперсного несвязанного грунта с использованием заявленного устройства с углом наклона штампа к горизонту 0°.

Для испытаний взят образец исследуемого грунта в виде дисперсного несвязанного грунта подвида пылевато-песчаные грунты с размером частиц от 0,1-0,005 мм.

Вначале провели замер влажности и температуры исследуемого грунта цифровыми датчиками влажности и температуры 6, которые составили 15.6 % и 22,3°С соответственно.

Затем исследуемый грунт уложили в суффозионный лоток отдельными слоями с включением цветных полосок Курдюмова, подвергая его легкому уплотнению, затем на поверхность уложенного исследуемого грунта подсыпали пригрузочный слой для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек суффозионного лотка.

Далее исследуемый грунт подвергли уплотнению штампом при помощи электромеханического вертикального нагрузочного устройства, фиксируя при этом показания усилий и деформаций с помощью блока управления и регистрации сигналов. Время условной стабилизации составил 1 ч.

Затем провели водонасыщение образца капельным поливом через штамп сверху вниз до полного водонасыщения.

Угол наклона штампа к горизонту был принят 0°.

Электромеханическим вертикальным нагрузочным устройством создали требуемую нагрузку на исследуемый грунт, например, 50 кН.

Затем водой из напорного бака создали фильтрационный поток на поверхность штампа с капельным поливом, при этом включили в поток биологический реактор с регулировкой блока индикации углекислого газа.

Профильтрованная вода стекла в раздвижную моделируемую полую щель, оборудованную винтовым устройством и регулятором раскрытия щели, при этом в процессе эксперимента осуществлялась плавное увеличение раскрытия щели до появления устойчивого суффозионного выноса частиц грунта в прозрачный грунтосборник.

Отслеживание количества вынесенных из суффозионного лотка суффозионных частиц осуществляли в режиме реального времени проточным датчиком мутности и цветности. Значение мутности пробы определяли с использованием градуировочной характеристики прибора. Мутность выражается в формазиновых единицах (ЕМФ), полученное значение составило 320 ЕМФ.

Измерение скорости фильтрационного потока, прошедшего через исследуемый грунт, определили путем фиксации времени между измерениями объема в мерной емкости. Полученное значение составило 0.003 м/сут.

При этом провели фотограмметрию при помощи фотокамеры, контролируя деформацию грунта по цветным полоскам Курдюмова и мерным линейкам, при этом относительная вертикальная деформация исследуемого грунта составила 0.120.

Затем из суффозионного лотка отобрали образцы грунта для конечного определения влажности, температуры, плотности, а также содержания органического вещества. Получено: влажность 23.2%, температура 22.8°С, плотность скелета грунта 1.85 г/ куб.см, относительное содержание органического вещества 0,08%.

Из прозрачного грунтосборника отобрали пробы воды для арбитражного гравиметрического определения количества вынесенных твердых частиц, а также контроля биомассы.

Таким образом, заявителем достигнут заявленный технический результат - получен полный объем информации о фильтрационной-суффозионной устойчивости, характеристиках прочности и деформируемости грунтов под реальными нагрузками.

Пример 2. Определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств дисперсного несвязанного грунта с использованием заявленного устройства с углом наклона штампа к горизонту 45°.

Для испытаний взят образец исследуемого грунта в виде дисперсного несвязанного грунта подвида дресвяно-песчаный грунт с размером частиц от 2 до 10 мм с содержанием включений более 25%.

Вначале провели замер влажности и температуры исследуемого грунта цифровыми датчиками температуры и влажности 6, которые составили 15.3% и 21,3°С соответственно.

Затем исследуемый грунт уложили в суффозионный лоток отдельными слоями с включением цветных полосок Курдюмова, подвергая его легкому уплотнению, затем на поверхность уложенного исследуемого грунта подсыпали пригрузочный слой для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек суффозионного лотка.

Далее исследуемый грунт подвергают уплотнению штампом при помощи электромеханического вертикального нагрузочного устройства, фиксируя при этом показания усилий и деформаций с помощью блока управления и регистрации сигналов.

Затем провели водонасыщение образца капельным поливом через штамп сверху вниз до полного водонасыщения.

Угол наклона штампа к горизонту был принят 45°.

Электромеханическим вертикальным нагрузочным устройством создали требуемую нагрузку на исследуемый грунт 100 кН. Время условной стабилизации составило 1 ч.

Затем водой из напорного бака создали фильтрационный поток на поверхность штампа с капельным поливом, при этом включили в поток биологический реактор с регулировкой блока индикации углекислого газа.

Профильтрованная вода стекла в раздвижную моделируемую полую щель, оборудованную винтовым устройством и регулятором раскрытия щели, при этом в процессе эксперимента осуществлялась плавное увеличение раскрытия щели до появления устойчивого суффозионного выноса частиц грунта в прозрачный грунтосборник.

Отслеживание количества вынесенных из суффозионного лотка суффозионных частиц осуществляли в режиме реального времени проточным датчиком мутности и цветности. Значение мутности пробы определяли с использованием градуировочной характеристики прибора. Мутность выражается в формаэиновых единицах (ЕМФ) полученное значение составило 250 ЕМФ.

Измерение скорости фильтрационного потока, прошедшего через исследуемый грунт, определяли путем фиксации времени между измерениями объема в мерной емкости. Полученное значение составило 0,095 м/сут.

При этом проводили фотограмметрию при помощи фотокамеры, контролируя деформацию грунта по цветным полоскам Курдюмова и мерным линейкам, при этом относительная вертикальная деформация исследуемого грунта составила 0.135.

Затем из суффозионного лотка отобрали образцы грунта для конечного определения влажности, температуры, плотности, а также содержания органического вещества. Получено: влажность 37.2%, температура 22.8°С, плотность 2,4 г/ куб.см, относительное содержание органического вещества 0,08%

Из прозрачного грунтосборника отобрали пробы воды для арбитражного гравиметрического определения количества вынесенных твердых частиц, а также контроля биомассы.

Таким образом, заявителем достигнут заявленный технический результат - получен полный объем информации о фильтрационной-суффозионной устойчивости, характеристиках прочности и деформируемости грунтов под реальными нагрузками.

Из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнуты заявленные технические результаты, а именно (см. Примеры 1, 2):

По отношению к устройству:

1. Обеспечена возможность исследования свойств различных типов грунтов представленных в виде дисперсных связанных и несвязанных грунтов (в том числе крупнообломочных) в широком диапазоне за счет увеличения габаритов рабочей камеры.

2. Обеспечена возможность визуального контроля деформации грунта за счет установки прозрачных стенок в рабочей камере, например из полиметилметакрилата, с возможностью использования метода деформации грунта по цветным полоскам Курдюмова.

3. Обеспечена возможность непрерывного контроля количества вынесенных суффозионных частиц с модели в прозрачный грунтосборник, за счет использования проточных датчиков мутности и цветности.

4. Обеспечена возможность создавать уклон штампа к поверхности за счет возможности установки регулировать перемещения штампа под разными углами наклона к грунту от 0 до 45° в зависимости от поставленных задач.

5. Обеспечена возможность создавать возможность смещения нагрузки на разные части установки за счет возможности установки перемещения штампа в горизонтальной плоскости.

6. Обеспечена возможность создавать большие вертикальные нагрузки до 1,6 МПа за счет использования автоматизированного штампа с электромеханическим вертикальным нагружением до 100 кН.

7. Обеспечена возможность учитывать биохимическое выветривание грунта и изменение свойств грунта во временном интервале под существующими сооружениями при активизации биохимических процессов, за счет установки в рабочую камеру биологического реактора.

По отношению к способу

1. Обеспечена возможность получения полной характеристики деформационных свойств всех разновидностей дисперсных грунтов (в том числе крупнообломочных) за счет больших размеров установки, наличия прозрачных стенок.

2. Обеспечена возможность проведения исследований под различными нагрузками.

3. Обеспечена возможность использования метода фотограмметрии и цветных полосок Курдюмова.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного уровня техники заявителем не выявлены технические решения, обладающие заявленной совокупностью существенных признаков.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на заявленный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. может быть изготовлено на стандартном оборудовании с помощью стандартных материалов.

Группа изобретений относится к средствам для определения суффозионной устойчивости грунтов. Сущность: устройство содержит рабочую прозрачную камеру (1), каркас (2), суффозионный лоток (3) с исследуемый грунтом (13), прозрачный грунтосборник (4), мерные линейки (5), цифровые датчики (6) температуры и влажности, раздвижную моделируемую полую щель (7), винтовое устройство (8), регулятор (9) раскрытия щели, трубку (10) для отвода воды, проточный датчик (11) мутности и цветности, цветные полоски (12) Курдюмова, мерную емкость (14), поворотную накладку (15) с отверстиями для наклона лотка от 0 до 45° к горизонту, электромеханическое вертикальное нагружающее устройство (16) с возможностью вертикальной нагрузки до 1,6 МПа, блок (17) управления и регистрации сигналов, компьютер (18), штамп (19), капельный полив (20), напорный бак (21), трубку (22) для подачи воды, фотокамеру (23), биологический реактор (24), блок (25) индикации углекислого газа. Технический результат: определение суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения суффозионной устойчивости и деформационных свойств грунтов, содержащее рабочую прозрачную камеру, каркас, суффозионный лоток с исследуемый грунтом, прозрачный грунтосборник, мерные линейки, цифровые датчики температуры и влажности, раздвижную моделируемую полую щель, винтовое устройство, регулятор раскрытия щели, трубку для отвода воды, проточный датчик мутности и цветности, цветные полоски Курдюмова, мерную емкость, поворотную накладку с отверстиями для наклона лотка от 0 до 45° к горизонту, электромеханическое вертикальное нагружающее устройство с возможностью вертикальной нагрузки до 1,6 МПа, блок управления и регистрации сигналов, компьютер, штамп, капельный полив, напорный бак, трубку для подачи воды, фотокамеру, биологический реактор, блок индикации углекислого газа; при этом рабочая прозрачная камера установлена в каркас, на верхнюю часть каркаса установлен напорный бак, к верхней части которого присоединен биологический реактор, соединенный воздуховодной трубкой с блоком индикации углекислого газа; напорный бак соединён с трубкой для подачи воды с возможностью обеспечения протока жидкости на капельный полив, установленный в штамп, который жестко связан с электромеханическим вертикальным нагружающим устройством, помещенным на поворотную накладку; электромеханическое вертикальное нагружающее устройство соединено с блоком управления и регистрации сигналов и далее с компьютером; в нижней части рабочей прозрачной камеры установлен суффозионный лоток с исследуемый грунтом, на котором уложены цветные полоски Курдюмова, суффозионный лоток содержит винтовое устройство с регулятором раскрытия щели, связанное с раздвижной моделируемой полой щелью над прозрачным грунтосборником, с трубкой для отвода воды в мерную емкость; при этом рабочая прозрачная камера оснащена мерными линейками с возможностью внешнего контроля деформаций грунта, цифровыми датчиками температуры и влажности, проточным датчиком мутности и цветности; при этом фотокамера установлена рядом с рабочей прозрачной камерой с возможностью визуальной фиксации процесса деформации грунта под воздействием нагрузки.

2. Способ использования устройства по п.1, заключающийся в том, что исследуемый грунт укладывают в суффозионный лоток отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок камеры – штыкованием, чтобы не осталось крупных пристенных пор; проводят замер влажности и температуры исследуемого грунта цифровыми датчиками температуры и влажности; затем на поверхность уложенного исследуемого грунта подсыпают пригрузочный слой для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек суффозионного лотка; для визуального наблюдения за процессом деформации грунта под воздействием нагрузки на исследуемый грунт укладывают цветные полоски Курдюмова; исследуемый грунт подвергают уплотнению штампом при помощи электромеханического вертикального нагружающего устройства, фиксируя при этом цифровыми датчиками температуры и влажности его деформацию – осадку верхней решетки при естественной влажности; затем проводят водонасыщение образца капельным поливом через штамп сверху вниз до полного водонасыщения; затем поворотной накладкой создают угол наклона штампа к горизонту от 0 до 45°; затем электромеханическим вертикальным нагружающим устройством создают требуемую нагрузку на исследуемый грунт; затем водой из напорного бака создают фильтрационный поток на поверхность штампа с капельным поливом, при этом опционально включают в поток биологический реактор с регулировкой блока индикации углекислого газа, при этом сбор и обработку данных по деформации грунта проводят с помощью блока управления и регистрации сигналов с выводом на компьютер; профильтрованная вода стекает в раздвижную моделируемую полую щель, оборудованную винтовым устройством и регулятором раскрытия щели, при этом регуляцию раскрытия трещины осуществляют без прерывания процесса фильтрации; частицы грунта выносятся из исследуемого грунта фильтрационным потоком в прозрачный грунтосборник и по трубке для отвода воды в мерную емкость; отслеживание количества вынесенных из суффозионного лотка суффозионных частиц осуществляют в режиме реального времени проточным датчиком мутности и цветности; измеряют скорость фильтрационного потока, прошедшего через исследуемый грунт, путем фиксации времени между измерениями объема в мерной емкости, затем вычисляют коэффициент фильтрации; при этом проводят фотограмметрию при помощи фотокамеры, контролируя деформацию грунта по цветным полоскам Курдюмова и мерным линейкам, при этом при деформации исследуемого грунта цветные полоски Курдюмова плавно изгибаются, что фиксируется на фотографиях; если стабилизации фильтрационного процесса не происходит, то в процессе эксперимента меняют ширину раскрытия в раздвижной моделируемой полой щели, фиксируя ширину регулятором раскрытия щели, при этом опционально регулируют осевую нагрузку на штамп; по окончании эксперимента проводят расчет характеристик водопроницаемости и деформируемости исследуемого грунта на компьютере; затем из суффозионного лотка отбирают образцы грунта для конечного определения влажности, температуры, плотности, а также содержания органического вещества; из прозрачного грунтосборника отбирают пробы воды для арбитражного гравиметрического определения количества вынесенных твердых частиц, а также контроля биомассы.