СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВ Российский патент 2023 года по МПК E02D1/02 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения коэффициента фильтрации грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий.

Известен способ определения коэффициента фильтрации с помощью фильтрационного прибора, включающий размещение образца испытуемого грунта в гильзе прибора, торцы которой покрыты сетками, пористыми или перфорированными дисками, и измерение расхода воды, профильтровавшейся через образец при заданных градиентах напора (ГОСТ 254584-2016. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. М.: Стандартинформ, 2016. 19 с. - аналог). Недостатком способа является погрешность измерений, вызванная пристенной фильтрацией, то есть фильтрацией воды вдоль стенок вмещающей образец гильзы (D.E. Daniel, D.C. Anderson, S.S. Boynton. Fixed-wall versus flexible-wall permeameters, Hydraulic barriers in soil and rock, ASTM STP 874/ American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp. 107-126; Q. Luo, M. Liu, T. Wang, P. Wu. Correction method for hydraulic conductivity measurements made using a fixed wall permeameter/ Mathematical Problems in Engineering. v. 2020, Article ID 1274728, 9 pages, https://doi.org/10.1155/2020/1274728). Указанный недостаток, обусловленный неплотным прилеганием образца ненарушенной структуры к стенкам гильзы, неровностями и сколами на его боковой поверхности, может оказать существенное влияние на результаты испытаний связных дисперсных и скальных грунтов.

Известен способ подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации, включающий отбор с помощью пробоотборника монолита, то есть образца ненарушенной структуры, срезку периферийной зоны с боковой поверхности образца, размещение образца в гильзе фильтрационного прибора и заливку расплавленного водонепроницаемого материала в зазор между образцом и гильзой (Патент РФ № 2459035 С1, 2011, МПК E02D 1/04 - аналог). Манипуляции, связанные со срезкой грунта с боковой поверхности, а также воздействие на эту поверхность расплавленного материала могут привести к изменению свойств и даже деформированию образца, что скажется на результатах определения водопроницаемости.

Известен способ отбора монолита почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, для фильтрационных испытаний, включающий отбор образца-монолита диаметром, меньшим диаметра гильзы, размещение в кольцевом зазоре между образцом и гильзой четырех Z-образных поддерживающих пластин и заливку в этот зазор расплавленного водонепроницаемого материала (Патент РФ № 2483163 С1, 2012, МПК E02B 11/00 - аналог). Способ позволяет сохранить форму образца и обеспечивает равномерную толщину слоя водонепроницаемого материала, однако не устраняет полностью недостатки предыдущего изобретения.

Известно применение порошка бентонитовой глины для заполнения пространства между образцом и стенками прибора при определении водопроницаемости бетона (G.F.B. Sandoval, I. Galobardes. R.S. Teixiera, B.M. Toralles. Comparison between the falling head and the constant head permeability tests to assess the permeability coefficient of sustainable Pervious Concretes/ Case Studies in Construction materials, №7, 2017. – p. 317-328 https://doi.org/10.1016/j.cscm.2017.09.001 - аналог). Высокодисперсная глина предотвращает пристенную фильтрацию, но из-за давления набухания, способного деформировать образец грунта, этот изолирующий материал можно применять лишь при испытании образцов скальных пород, а впитывание воды бентонитом вносит погрешности при определении объема профильтровавшейся через образец воды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения водопроницаемости грунтов с использованием фильтрационного прибора с комбинированной гильзой, состоящей из двух пористых полуколец и гибкой оболочки на их внутренней поверхности (US 2010/0089124 A1, 2010, МПК G01/N 15/08 - прототип). Способ включает размещение образца грунта в гильзе, а прибора - в заполненной жидкостью камере, и фильтрацию воды через образец. Благодаря тому, что давление жидкости в камере превышает давление фильтрующейся через образец воды, жидкость проникает через пористые стенки обоймы и прижимает гибкую оболочку к поверхности образца. Способ упрощает размещение образца в обойме, предотвращает его случайные повреждения, но не может полностью исключить пристенную фильтрацию, так для их блокировки необходимо создавать высокое давление на оболочку, а это ведет к сжатию образца и снижению его водопроницаемости. Кроме того, для реализации способа требуется прибор весьма сложной конструкции.

Задача изобретения состоит в повышении достоверности результатов определения коэффициента фильтрации грунтов за счет блокировки фильтрации воды вдоль стенок вмещающей образец гильзы.

Это достигается тем, что в способе определения коэффициента фильтрации грунтов, включающем размещение образца ненарушенной структуры в гильзе, составленной из двух полуколец, установку гильзы с образцом в полость фильтрационного прибора и измерение расхода воды при заданном напоре, перед установкой в полость прибора сканируют внешнюю поверхность гильзы, затем поочередно снимая полукольца сканируют боковую поверхность образца, по данным сканирования строят 3D-модели и изготовляют, например, на 3D-принтере, элементы, внешняя поверхность которых идентична поверхности полуколец, а внутренняя поверхность совпадает с поверхностью образца, и поочередно заменяют полукольца указанными элементами.

Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана гильза, собранная из двух полуколец, с размещенным внутри нее образцом грунта, на фиг. 2 – то же после удаления одного из полуколец, на фиг. 3 – продольный разрез гильзы с образцом перед установкой в фильтрационный прибор.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец грунта ненарушенной структуры 1 помещают в гильзу, состоящую из двух полуколец 2 и 3. Гильзу с образцом размещают на горизонтальной поверхности таким образом, чтобы стык колец находился примерно в горизонтальной плоскости, как показано на фиг. 1. Выполняют 3D-сканирование внешней поверхности верхнего полукольца 2 с помощью, например, лазерного, оптического или другого сканера, и получают координаты поверхности, называемые обычно 3D-моделью поверхности. Снимают верхнее полукольцо 2, как показано на фиг. 2, и выполняют 3D-сканирование верхней половины боковой поверхности образца 1 и оставшегося полукольца 3. По данным двух сканирований строят трехмерную модель элемента, ограниченного внешней поверхностью верхнего полукольца 2, контактной поверхностью нижнего полукольца 3 и боковой поверхностью образца 1. Изготовляют указанный элемент путем трехмерной печати с использованием аддитивной технологии, а именно, последовательного нанесения слоев материала с помощью 3D-принтера. Размещают изготовленный элемент 4 вместо снятого полукольца, при этом внешняя поверхность элемента повторяет внешнюю поверхность полукольца, а внутренняя поверхность плотно прилегает к боковой поверхности образца 1.

Разворачивают гильзу с образцом на 180 градусов вокруг оси, в результате чего оставшееся полукольцо 3 оказывается сверху. Образец, опирающийся на плотно прилегающий к нему элемент 4, не меняет своего положения относительно полукольца 3.

Выполняют сканирование внешней поверхности полукольца 3, а после его удаления - поверхности образца и ранее изготовленного элемента 4. Строят модель и печатают на 3D принтере элемент 5, заменяющий второе полукольцо прибора, внутренняя поверхность этого элемента повторяет поверхность соответствующей части образца. Размещают изготовленный элемент 5 вместо полукольца 3, соединяя его с ранее изготовленным элементом 4, например, клеем или с помощью обоймы 6, надеваемой на них сверху, как показано на фиг. 3. Возможно соединение элементов с помощью покрывающей поверхность термоусадочной пленки.

Соединенные вместе элементы 4 и 5 с размещенным внутри образцом 1 устанавливают в фильтрационный прибор и пропуская через образец воду определяют коэффициент фильтрации грунта. Благодаря тому, что внутренняя поверхность образующих гильзу элементов повторяет форму боковой поверхности образца, исключается пристенная фильтрация и повышается достоверность определения водопроницаемости.

Необходимую для расчета коэффициента фильтрации среднюю площадь поперечного сечения образца находят с использованием его цифровой модели, полученной по данным сканирования.

В случае необходимости определения коэффициента фильтрации дисперсного грунта после уплотнения при построении 3D-модели и изготовлении элементов 4 и 5 контактирующая с образцом поверхность смещается к оси гильзы на требуемую величину деформации, благодаря чему при соединении двух элементов образец сжимается.

Способ может применяться при определении водопроницаемости бетона.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения коэффициента фильтрации грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий. Способ определения коэффициента фильтрации грунтов включает размещение образца ненарушенной структуры в гильзе, составленной из двух полуколец, установку гильзы с образцом в полость фильтрационного прибора и измерение расхода воды при заданном напоре. Перед установкой в полость прибора сканируют внешнюю поверхность гильзы. Затем поочередно, снимая полукольца, сканируют боковую поверхность образца, по данным сканирования строят 3D-модели и изготавливают на 3D-принтере два элемента, внешняя поверхность которых идентична поверхности полуколец, а внутренняя поверхность совпадает с поверхностью образца, и поочередно заменяют полукольца указанными элементами. Технический результат состоит в повышении достоверности результатов определения коэффициента фильтрации грунтов за счет блокировки фильтрации воды вдоль стенок вмещающей образец гильзы. 3 ил.

Способ определения коэффициента фильтрации грунтов, включающий размещение образца ненарушенной структуры в гильзе, составленной из двух полуколец, установку гильзы с образцом в полость фильтрационного прибора и измерение расхода воды при заданном напоре, отличающийся тем, что перед установкой в полость прибора сканируют внешнюю поверхность гильзы, затем поочередно, снимая полукольца, сканируют боковую поверхность образца, по данным сканирования строят 3D-модели и изготавливают на 3D-принтере два элемента, внешняя поверхность которых идентична поверхности полуколец, а внутренняя поверхность совпадает с поверхностью образца, и поочередно заменяют полукольца указанными элементами.