Фильтрационный прибор Российский патент 2024 года по МПК G01N15/08 G01N33/24 E02D1/04 

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения водопроницаемости грунтов, подверженных механической кольматации, и может быть использовано при проведении инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий.

Механической кольматацией называют процесс проникновения и накопления в порах грунта мелких частиц, переносимых фильтрующейся жидкостью, её используют для сокращения потерь воды из каналов, водохранилищ и других гидротехнических сооружений, запуская в поток воды глинистые частицы. С другой стороны, механическая кольматация нарушает работу дренажных систем, например, на накопителях отходов, за счёт снижения водопроницаемости дренажных фильтров (Горная энциклопедия. Том 3/ Под ред. Е.А. Козловского. - М.: Изд-во «Советская энциклопедия». 1987. - с. 63).

Известен компрессионно-фильтрационный прибор, включающий рабочее кольцо для размещения образца грунта, основание, крышку, верхний и нижний фильтры, шток (ГОСТ 25584-2016. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации. М: Стандартинформ, 2019. - 19 с. - аналог). Подача и отвод воды осуществляются через оснащённые кранами отверстия в крышке и основании. Эффект кольматации оценивают по снижению водопроницаемости грунта после фильтрации через него жидкости заданного состава, например, глинистой суспензии или фильтрата со свалки.

Недостатком прибора является ошибка измерений за счёт кольматации пор не в грунте, а в фильтре. Это явление называют обычно заилением фильтра. Кроме того, для определения глубины кольматации требуется проведение гранулометрического анализа проб, отобранных из различных частей образца.

Известен прибор для определения водопроницаемости грунта в нескольких направлениях, включающий призматическую гильзу для образца, основание с нишей, заполненной крупнообломочным материалом, размещённую на верхнем торце образца перфорированную ребристую пластину, две тарельчатых пластины с фильтрами, перекрывающие отверстия в противоположных стенках гильзы, и крышку (Патент US 006055850, G01N 15/08, 2000 г. - аналог). Прибор позволяет после пропуска через образец сверху вниз жидкости, содержащей кольматант, измерить коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении и тем самым оценить эффект кольматации пор на той глубине, где расположены отверстия в боковых стенках и тарельчатые пластины.

Недостатком, как и в предыдущем приборе, является ошибка измерений за счёт заиления фильтров, как на торцах, так и на боковой поверхности образца, а также оценка эффекта кольматации лишь на одной глубине.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому изобретению является устройство для моделирования кольматации дренажного слоя при фильтрации загрязнённой жидкости, например, фильтрата из тела свалки, включающее собственно фильтрационный прибор и резервуар с водой (Патент CN 201673106 U, G01N 15/08, 2010 г. - прототип). Фильтрационный прибор состоит из гильзы для образца грунта или другого материала дренажного слоя, основания, пористых дисков и крышки. Он снабжен пьезометрическими трубками, заведенными в образец на различной высоте через отверстия в стенке гильзы. Прибор размещён в резервуаре с водой, температура которой поддерживается постоянной в ходе опыта. О снижении водопроницаемости образца вследствие кольматации пор судят по изменению напора, регистрируемого пьезометрическими трубками.

Устройство не позволяет разделить эффекты кольматации пор в образце и заиливания фильтров на его верхнем торце и на концах пьезометрических трубок.

Задача изобретения состоит в повышении достоверности определения эффекта кольматации пор грунта частицами, переносимыми фильтрующейся жидкостью, за счёт измерения коэффициента фильтрации дифференцированно по высоте образца.

Это достигается тем, что в фильтрационном приборе, включающем гильзу для образца, основание, корпус, крышку, перфорированные или сетчатые диски и шток, гильза состоит из обоймы и вложенных в нее разрезных колец из упругого материала, для последовательного размещения которых в крышке имеется полость, цилиндрический корпус выполнен гофрированным и его внутренний диаметр более чем в три раза превышает наружный диаметр обоймы, а в основании имеется кольцевая полость, предназначенная для погружения обоймы.

Прибор иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 дан его вертикальный разрез, на фиг. 2 - горизонтальный разрез, на фиг. 3 показан вертикальный разрез основания с установленной в него гильзой для образца, на фиг. 4 - вертикальный разрез крышки прибора, на фиг. 5 - горизонтальный разрез крышки прибора, на фиг. 6 приведён вертикальный разрез прибора после завершения первого этапа испытаний, на фиг. 7 - то же в ходе удаления верхнего слоя образца.

Прибор включает цилиндрическую гильзу для образца грунта, образованную обоймой 1 и расположенными внутри неё разрезными кольцами 2-6, основание 7, гофрированный цилиндрический корпус 8, обечайку 9 и крышку 10 (фиг. 1 и 2). Полость для размещения образца ограничена снизу перфорированным диском 11, а сверху - перфорированным или сетчатым диском 12, снабжённым штоком 13.

Разрезные кольца 2-6 изготовляются из упругого материала, например, пружинистой стали. Кольца могут отличаться друг от друга по высоте, может задаваться различным и их количество, при этом суммарная высота колец равна высоте обоймы (фиг. 3). При размере частиц, переносимых фильтрующейся жидкостью, близком к размеру пор в грунте, когда кольматация наблюдается преимущественно в верхней части образца, для достоверного определения глубины и эффекта кольматации высоту верхних колец следует задавать меньше остальных. В качестве примера на представленных чертежах показано, что кольца 2 и 3 имеют высоту меньше, чем кольца 4 и 5, а нижнее кольцо 6 по высоте больше колец 4 и 5. При размере частиц существенно меньшем размера пор, когда кольматация происходит равномерно по высоте образца или эффект кольматации невелик, используются равные по высоте кольца.

Гильза может быть снабжена уплотнительными кольцами 14, которые вкладываются в канавки на внутренней поверхности обоймы 1. Эти кольца предотвращают утечки жидкости между обоймой 1 и разрезными кольцами 2-6. В случае применения разрезных колец, отличающихся друг от друга по высоте, уплотнительные кольца 14 размещают в канавках обоймы с постоянным шагом, а высоту всех разрезных колец, кроме нижнего, задают кратной этому шагу.

Гофрированный корпус 8 имеет неразъемное соединение с основанием 7 и обечайкой 9, а обечайка - фланцевое разъемное соединение с крышкой прибора 10. Кроме того, обечайка и основание соединены несколькими гибкими связями 15, препятствующими недопустимому растяжению гофрированного корпуса 8. Внутренний диаметр корпуса D определяется из условия D > 3d, где d - наружный диаметр обоймы 1.

Трубка для подачи жидкости 16 в прибор пропущена через отверстие в крышке, а трубка для отвода профильтровавшейся жидкости 17 - через отверстие в основании. Отверстия в местах пропуска трубок герметизированы.

Видеокамеры 18 и 19 являются частью системы бесконтактного определения положения крышки прибора в плане и по высоте. Кроме видеокамер эта система включает контроллеры и компьютер (не показаны).

В основании прибора имеются две полости. Цилиндрическая полость 20 под перфорированным диском 11 предназначена для сбора жидкости, профильтровавшейся через образец, а полость кольцевой формы 21 служит для погружения обоймы 1 и имеет соответствующие размеры. Полость 21 может быть изолирована уплотнительным кольцом 22.

Крышка прибора изготовляется из немагнитного материала, например, пластмассы. Цилиндрическая полость 23 в крышке предназначена для размещения в ходе испытаний всех разрезных колец кроме нижнего кольца 6. Высота полости задается больше высоты каждого из колец кроме нижнего, а её радиус определяется из условия (фиг. 4 и 5):

где d₀ - диаметр входного отверстия 24 в полость, равный внутреннему диаметру обоймы 1;

δ - толщина стенки колец,

n - число размещаемых в полости колец.

По контуру полости 23 в его нижней стенке имеются прорези 25, предназначенные для сброса грунта внутрь корпуса прибора. Отверстие 26 в выступе 27 на крышке прибора служит для размещения штока 13, а для его удержания используется электромагнит 28.

Снабжённое краном отверстие 29 в крышке и отверстия 30 в её стенке предназначены для выпуска воздуха из прибора при подаче в него жидкости. Снабжённое краном отверстие 31 в основании 7 – для выпуска жидкости из полости 21 при погружении в неё обоймы 1. Основание может снабжаться перегородками 32, разделяющими нишу на его поверхности на несколько секторов и повышающими жёсткость стенок.

Прибор размещается на поверхности стола 33 с отверстием или на специальной подставке.

Работает устройство следующим образом.

До начала испытаний на основание 7 вместо гильзы для грунта устанавливают цилиндр, например, из металла, диаметр и высота которого равны наружному диаметру и высоте обоймы 1. По оси цилиндра на его верхнем торце закрепляют шток 13. Крышку 10 надевают на шток и опускают вниз до контакта с цилиндром, после чего с помощью видеокамер, являющихся составной частью системы бесконтактного определения положения, регистрируют координаты меток, заранее нанесённых на крышку. Указанная система может быть не задействована в случае подачи в прибор прозрачной жидкости, например, воды с незначительным содержанием кольматанта, и применении крышки 10 из прозрачного материала.

Сняв крышку 10, приступают к подготовке прибора к испытаниям.

Концы разрезных колец из упругого материала 2-6 сводят вместе и вкладывают в обойму 1. В гильзу помещают образец грунта и устанавливают её на основание прибора 7 таким образом, чтобы нижний торец образца опирался на перфорированный диск 11. На верхний торец образца устанавливают диск 12 со штоком 13. Растянув гофрированные стенки цилиндрического корпуса 8 и удерживая обечайку 9, устанавливают крышку 10 и соединяют фланцы крышки и обечайки винтами. Открыв кран на отверстии 29, через трубку 16 прибор заполняют жидкостью, например, фильтратом со свалки или водой из канала или водохранилища с внесёнными в неё частицами дисперсной глины.

Перекрыв кран на отверстии 29, с помощью насоса создают в жидкости давление согласно программе испытаний, при этом растяжение гофрированной стенки корпуса и подъём крышки ограничиваются связями 15. Под действием созданного напора жидкость фильтруется через образец сверху вниз, заполняет полость 20 и вытекает через трубку 17. Замеряя расход жидкости через заданные интервалы времени при различных градиентах напора, вычисляют исходное значение коэффициента фильтрации и его изменение за счёт кольматации пор грунта частицами, содержащимися в жидкости.

Пропустив через образец заданный объём жидкости, приступают к экспериментальному определению эффекта и глубины кольматации, послойно срезая образец и пропуская жидкость через оставшуюся его часть. Для этого, сбросив избыточное давление в полости прибора, через трубку 16 начинают откачивать из прибора жидкость. Под действием атмосферного давления крышка прибора 10 вместе с обечайкой 9 перемещаются вниз. За их положением по высоте и в плане следят по монитору компьютера, входящего в систему бесконтактного определения координат. По мере перемещения крышки вниз шток 13 входит в отверстие 26, и крышка 10 вовлекает в движение обойму 1, которая погружается в полость 21. Избыток жидкости в полости 21 удаляется через предварительно открытый кран на отверстии 31. Как только верхнее кольцо оказывается на всю высоту в полости 23, оно раскрывается и прижимается к ее стенкам. Верхний слой грунта в образце оказывается вне гильзы. Кран на отверстии 31 закрывают. С помощью электромагнита 28 втягивают шток 13 в отверстие 26 и удерживают его в верхнем положении. Приподнимают крышку за счёт подачи жидкости в полость насосом через трубку 16 таким образом, чтобы нижняя поверхность крышки совпадала с верхним торцом кольца 3. Крышку смещают в горизонтальной плоскости, при этом гофрированная стенка корпуса 8 не препятствует такому перемещению. Благодаря смещению на величину, превышающую диаметр обоймы, верхний слой грунта, в том числе через прорези 25, полностью сбрасывается в полость прибора и оседает на поверхности основания 7. В случае необходимости послойного определения гранулометрического или химического состава грунта каждый из слоев сбрасывается в отдельный сектор, образованный перегородками 32, размещёнными на основании.

Совместив оси гильзы и крышки, отключают электромагнит. Шток падает вниз, а сетчатый диск оказывается на верхнем торце образца. При движении диска жидкость смывает накопившиеся в его отверстиях частицы кольматанта. При необходимости перемещение диска вверх-вниз можно выполнить несколько раз.

Повторно в полости прибора создают заданное давление, определяют расход жидкости и вычисляют коэффициент фильтрации грунта. Последовательно снимая следующие кольца и срезая грунт слой за слоем, определяют коэффициент фильтрации оставшейся части образца.

В случае применения отличающихся по высоте разрезных колец, высота которых задается кратной шагу уплотнительных колец 14, при смещении обоймы вниз на высоту очередного разрезного кольца места их контактов оказываются изолированы уплотнительными кольцами.

Обработку результатов измерений ведут в следующем порядке.

Измерив расход жидкости через образец Q, вычисляют скорость фильтрации

где A - площадь поперечного сечения образца.

Проведя измерения при различных градиентах напора I, получают зависимость Дарси v = kI, где k - коэффициент фильтрации (ГОСТ 25584-2016. Грунты. Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации. М: Стандартинформ, 2019. - 19 с.).

Послойно срезая верхнюю часть образца и продолжая измерения, получают несколько значений коэффициента фильтрации:

- k _1-n - при фильтрации жидкости через исходный образец, когда в обойме находится n колец,

- k _2-n - при фильтрации жидкости через образец после удаления верхнего кольца и соответствующей части образца,

и так далее.

Последним определяется коэффициент фильтрации k_n, когда жидкость фильтруется через нижний слой n, ограниченный нижним разрезным кольцом.

Известно, что при движении жидкости через несколько слоев грунта различной толщины h_i и с различными коэффициентами фильтрации k_i в коэффициент фильтрации находят по формуле (П.В. Гордеев и др. Гидрогеология: учебное пособие/ П.В. Гордеев, В.А. Шемелина, О.К. Шулякова.- М.: Высш. школа, 1990.- с. 120):

Используя формулу (2) и экспериментальные значения коэффициентов фильтрации, последовательно снизу-вверх вычисляют коэффициенты фильтрации отдельных слоев грунта.

Пусть, как на представленных рисунках, n = 5. Тогда коэффициент фильтрации слоя предпоследнего четвертого слоя находят из уравнения:

где все величины кроме k₄ уже известны.

Коэффициент фильтрации третьего слоя находят из уравнения:

в котором все величины кроме k₃ известны и так далее.

Завершается расчет вычислением коэффициента фильтрации верхнего слоя грунта k₁ помощью уравнения (2).

Вычислив послойные значения коэффициента фильтрации, находят эффект кольматации по всей высоте образца и устраняют ошибку измерений, вызванную заилением фильтра на его верхнем торце.

При необходимости определения коэффициента фильтрации воды после кольматации образца выполняют замену в корпусе прибора содержащей кольматант жидкости водой.

Применение гильзы с двойными стенками, образованной обоймой и несколькими вложенными в нее разрезными кольцами, позволяет предотвратить уплотнение образца за счёт действия сил трения на его боковой поверхности, которые неизбежно действовали бы при смещении обычной цилиндрической гильзы вдоль образца, высота которого значительно больше диаметра.

Для срезки части образца в ходе испытаний не требуется сливать жидкость из прибора и открывать его крышку, что значительно сокращает затраты времени.

Прибор может применяться для определения наличия механической или химической суффозии в грунте и её влияния на водопроницаемость.

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения водопроницаемости грунтов, подверженных механической кольматации, и может быть использовано при проведении инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий. Фильтрационный прибор включает в себя гильзу для образца, основание, корпус, крышку, перфорированные или сетчатые диски и шток, гильза состоит из обоймы и вложенных в неё разрезных колец из упругого материала, для последовательного размещения которых в крышке имеется полость, цилиндрический корпус выполнен гофрированным и его внутренний диаметр более чем в три раза превышает наружный диаметр обоймы, а в основании имеется кольцевая полость, предназначенная для погружения обоймы. Эффект и глубину кольматации грунта определяют путем послойного измерения коэффициента фильтрации. Для этого с помощью крышки прибора перемещают обойму вниз. Кольца из упругого материала последовательно раскрываются. Грунт в верхней части образца срезают слой за слоем при смещении крышки прибора в горизонтальной плоскости. Технический результат - предотвращение уплотнения образца за счёт действия сил трения на его боковой поверхности, для удаления части образца в ходе испытаний не требуется сливать жидкость из прибора и открывать его крышку, что значительно сокращает затраты времени. 7 ил.

Фильтрационный прибор, включающий гильзу для образца, основание, корпус, крышку, перфорированные диски и шток, отличающийся тем, что гильза образована обоймой и вложенными в нее разрезными кольцами из упругого материала, для последовательного размещения которых в крышке имеется полость, цилиндрический корпус выполнен гофрированным и его внутренний диаметр более чем в три раза превышает наружный диаметр обоймы, а в основании имеется кольцевая полость, предназначенная для погружения обоймы.