Способ определения коэффициента фильтрации грунта Советский патент 1984 года по МПК G01N15/08 

11 Изобретение относится к фундаментостроению, в частности к способам определения физико-механических свойств грунта, и может быть использовано при строительстве дорог и аэро дромных покрытий. Известен способ определения коэффициента фильтрации при действии падающего напора, заключающийся в том. что образец грунта подвергается действию падакнцего напора за счет прило жения гидростатического давления сверху образца, который вызывает процесс фильтрации жидкости через об разец. Отфильтрованная жидкость отводится в мерный сосуд. Определеяетс момент начала установившегося процес са фильтрации, т.е. стабилизации ско рости фильтрации. Затем по величине действующего напора, скорости фильтрации, высоте и площади поперечного сечения образца определяется коэффициент фильтрации lj . Недостатки способа - его длительность, а также непостоянство напора. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения коэффициента фильтра ции грунта, заключающийся в приложении к образцу грунта гидростатичес ого давления. Перепад давления на образце поддерживают постоянным. Пос ле достижения стабилизации скорости фильтрации измеряют расход жидкости, на основании которого рассчитывают коэффициент фильтрации 2. Недостаток известного способа длительность измерений, обусловленная необходимостью достижения стацио нарного режима фильтрации. Длительная фильтрация может приводить также к испарению профильтровавшейся жидкости из мерного сосуда и к возможным механической и химической суффозиям грунта, что снижает точность определения. Целью изобретения является сокращение времени определения. Поставленная цель достигается тем что согласно способу определения коэффициента фильтрации грунта, заключающемуся в приложении к образцу грунта гидростатического давления, перед приложением гидростатического давления в образце грунта размещают иглу датчика порового давления и одновременно ,с приложением гидростатического давления регистрируют зависимость порового давления от времени 0 используя которую рассчитывают коэффициент фильтрации. При действии напора за счет приложения гидростатического давления возникает фильтрация и повышается давление в поровой воде, а следовательно, сжимается газ, обычно присутствующий в грунте. Сжатие газа происходит по закону Клапейрона-Менделеева. Полагая неизменяемость в процессе фильтрации за время ut объема поры грунта, получаем, что изменение объема газа ( &V|) равно изменению объема воды В данной поре ( uVg): Таким образом, исследуя скорость изменения порового давления во времени, можно определить скорость изменения объема воды. Из закона Клапейрона-Менделеева получаем: VfZ Рг2 где Vj. , Vj. , - начальньй и последующие объемы газа, , р. - начальное и последующие давления Т, Т, Tg - начальная и последующие температуры газа. ПринимаяТц Т -Т (процесс изотермический), получим, что объем газа Vf. при давлении в газе Р павен: V. Аналогично Следовательно, из feнeниe объема газа А V за время &t равно: rH fHvPrzPri С другой стороны, объем V. воды, рофильтровавшейся в элементарный лой (в котором производится измереие порового давления) за время д t авен, согласно закону Дарси: , де V. - объем воды, профильтровавшейся в рассматриваемый элементарный слой} ut - время, за которое произош ла фильтрация объема воды в рассматриваемый элемент ный слой, F - площадь поперечного сечения образца, через которы происходит процесс фильтр ции; Pi Peepx- -p, где.д - действующее гидростатическое давление сверху образца грунта, среднее значение порового давления в рассматриваемом элементарном слое грунта за промежуток времени &t; расстояние от верхней точк образца до входного отверстия иглы датчика порового давления J плотность ВОДЫ,ускорение свободного падения , коэффициент фильтрации. Наряду с фильтрацией воды в элементарньй исследуемый слой грунта происходит и инфильтрация воды из него. Объем воды, инфильтрованнрй из да ного слоя, равен: , РЗ время, за которое произошла инфильтрация воды объема /g/ И31 рассматриваемого сл гидростатическое давление нижней точке образцаj расстояние от низа образца грунта до входного отверсти иглы датчика порового давле ния . Таким образом, изменение объема воды равно: ftPi ЬР; / )6 Iz/ zjСопоставляя выражения (1), (2), (4), получим: ( а г l ЧиРги Ргг-РпУ )рь , Ргн и1Ргг-Рг,рь % Р .tt:lA. Pr,, Za) 00 Начальное давление газа вычисляется по уравнению Лапласа: 1 . ргР +Р „Р +. /НГ Н.ПЛ R ) где Рд - атмосферное давление; Р - давление насыщенного пара; Руу - избыточное давление в поровой воде; 2(Л -яповерхностное натяжение воды. Оценки показывают, что величина н п У пренебречь. Тогда изменение давления газа равно изменению давления в поровой воде (ЛР Ь Pg ). Обозначим отношение начального объема газа к начальному объему всего образца грунта через S (относительный начальньй объем газа в образце грунта), т.е. . И Обр Начальный объем образца грунта равен: - HospPS где Р - площадь поперечного сечения образца грунта; п - высота образца -грунта. Следовательно, bPhSPHpbQ. /А PI 1УРг Az/ %J Таким образом, по скорости измерения порового давления по формуле (6) определяют коэффициент фильтрации. В таблице представлены результа-: ты определения коэффициента фильтрации. На фиг. 1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ} на фиг. 2 - зависимость из14енения порового давления во времени. Пример. Проводилось определение коэффициента фильтрации водонасьщенного глинистого грунта, имеющего следующие характеристики: Влажность W0,34 Удельная вес v« , кН/м17,3 Коэффициент пористости с0,96 Степень водонасыщения G0,945 Начальный относительный объем газа S Высота образца h, см Площадь поперечного сечения образца F, см Плотность воды pjj , vr/r-M Игла внедрена так, что ее входное отверстие находится на расстоянии Z 2,1 см от верха образца и Zq 1,4 см от низа образца. Определение коэффициента фильтрации проводилось на гидрокомпрессионном приборе, изображенном на фиг. 1. Сразу после установки исследуемого образца грунта 1 в среднюю камеру 2 в него внедрялась игла 3 датчика порового давления 4 и производились ко jnpecHOHHbie испытания образца грзшта. После стабилизации деформации грунта от каждой ступени нагрузки производилось определение коэффициента филь рации как предлагаемым, так и извест ным способами. Для этого в верхнюю камеру 5, предварительно заполненную водой, подавалось гидростатическое давление. Одновременно с этим непре0,0011,0j.026.3;,5.10.0j,1 ;.6o o™o25:o:io;6(.

Аналогичным йбразом находятся остальные значения Кф. По полученным пяти значениям iJqj находится его среднеарифметическое значение.

Таким образом, для определения коэффициента фильтрации предложенным способом потребовалось 7,5 мин.

После стабилизации процесса фильтрации, что было зафиксировано через 12ч, aJли проведены контрольные замеры расходы воды и определен т способом-прототипом, значение которого i, I

соответствовало значению, полученн5та предлагаемым способом, однако время определения возросло более чем в 100 раз.

Необходимо отметить, что для применения предлагаемого способа не требуется изготовления специального оборудования . Способ можно применять при проведении испытаний в любом фильтрационном или гидрокомпрессионном приборе, имеющем датчик порового давления. рывно определялось поровре давление. Запись значений порового давления, определяемого с помощью датчика порового давления, осуществлялась самописцем. Одна из полученных кривых изменения порового давления Р во времени t после предварительного уплотнения образца грунта под поршневой нагрузкой 0,12 МПа и при приложении к образцу сверху гидростатического давления 0,02 МПа представлена на фиг. 2. По полученной кривой, используя формулу (6) было определено пять Значений коэффициента фильтрации для различных участков кривой. Значения порового давления и определенный по ним коэффициент фильтрации приведены в таблице. , За первый расчетный промежуток времени i t 1 мин произошло изменение порового давления с Р 0,1025 МПа до Pj 0,1036 МПа, т.е. йР 0,0011 МПа, Рд, 0,1031 МПа (см. табл. и фиг. 2). Таким образом, Кд, согласно формуле (6) равен: , я,,п-9 (м/сек) . олоз I«

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТА, заключающийся в приложении к образцу грунта гидростатического давления, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени определения, перед приложением гидростатического давления в образце грунта размещают иглу датчика порового давления и одновременно с приложением гидростатического давления регистрируют зависимость порового давления от времени, используя которую рассчитывают коэффициент фильтрации.

0,1025

1,0 0,1036 1,0 0,1046 1,0 0,1055 1,0

0,1031

2,8

3,3iO,5

0,1041 3,3

0,0009 0,1051 3,8 0,0006 0,1058 3,5

0,1070

8

1118900 Продолжение таблицы

0.0009 0,10663,2