Способ определения основной гидрофизической характеристики пористых материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержания, образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии,

гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении фильтрации подземных вод.

Известен способ определения ОГХ. основанный на принципе выравнивания потенциалов влаги двух пористых тел, приведенных в контакт между собой. Данный способ реализуют с помощью капилля- риметра, водонасыщенная тонкопористая мембрана которого играет роль вспомогательного пористого тела с регулируемым потенциалом влаги.

Определения проводят следующим образом. Образец устанавливают в рабочую камеру и приводят в контакт с водонасы- щенной тонкопористой мембраной, смачиваемой водой, заполняющей подмем- бранную камеру, соединенной с вакуумной системой. В рабочей камере, снабженной геометрически закрывающейся крышкой, сохраняют атмосферное давление, для чего в корпус или крышку рабочей камеры вмонтирован капилляр, а в вакуумной системе создают разрежение, определяющее величину потенциала воды, насыщающей тонкопористую мембрану. Заданное разрежение поддерживают до окончания перетекания воды через мембрану, о чем судят по изменению уровня-воды в измерительной емкости, а затем задают новую ступень разрежения. Установившееся влагосодер- жание образца, пересчитанное на его единичный объем, ставят в соответствие заданному на мембране значению потенциала и принимают в качестве точки,принад- лежзщей искомой ОГХ.

Повторением подобной процедуры при однонаправленных изменениях разрежения газа з вакуумной системе капилляри- метра определяют ОГХ в интервале значений потенциала влажности от нуля {когда образец насыщен водой и находится при атмосферном давлеиии{ до минус 85 кПа. (В практике исследований движение подземных вод потенциал воды и его составляющие принято выражать через эквивалентное давление, отсчитываемое от атмосферного),

Данный способ непригоден для определения ОГХ при значениях потенциала влажности больше нуля.

Известен также способ определения ОГХ, основанный на принципе приведения потенциала влаги в образце исследуемого пористого материала до уровня потенциала свободной воды, покоящейся при атмосферном давлении, условно принимаемом равным нулю. Способ реализуют с помощью мембранного или пластинчатого пресса.

Определения проводят следующим образом. Образец устанавливают в рабочую камеру и приводят в контакт с водонасы- щенной мембраной, смачиваемой водой, за- полняющей подмембранную камеру, свободно вращающуюся с атмосферой. В рабочей камере создают и поддерживают избыточное давление гаЭа, вызывающее перетекание воды через тонкопористую мембрану в направлении меньшего значения

потенциала. Установившееся влагосодер- жание образца, пересчитанное на его единичный объем, ставят в соответствие заданному в рабочей камере избыточному

давлению газа и принимают в качестве точки, принадлежащей искомой ОГХ.

Затем давление газа в рабочей камере изменяют и определяют новое равновесное влагосодержание образца. Повторением

0 подобной процедуры при однонаправленных изменениях избыточного давления газа в рабочей камере определяют ОГХ в интервале от нуля до некоторого отрицательного значения потенциала, ограниченного давле5 нием барботирования используемой мембраны.

Данный способ также непригоден для определения ОГХ при значениях потенциала влажности больше нуля.

0 Целью изобретения является создание способа определения ОГХ для значений потенциалов влажности в области давлений, превышающих атмосферное.

Поставпенная цель достигается тем, что

5 при способе определения ОГХ, заключающемся в задании последовательного ряда значений потенциала и определении соответствующих им значений равновесного влагосодеожания в образце исследуемого

0 .пористого материала, образец устанавливают в рабочую камеру, изготовленную из жесткого водонепроницаемого материала, заполняют ее водой до уровня выше верхнего торца образца и герметизируют, а после

5 создание избыточного давления газа измеряют изменения объема воды в рабочей камере.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид, с помощью которого реализуется

0 предлагаемый способ определения ОГХ; на фиг. 2 - результаты определения ОГХ на конкретном образце природного пористого материала.

Способ осуществляют следующим об5 разом.

Исследуемый образец 1 с известным начальным влагосодержанием устанавлииают на сетчатый поддон 2 рабочей камеры 3, выполненной в виде жесткого водонепроницаемого стакана, герметически закрываю0 щегося жесткой водонепроницаемой крышкой 4, имеющей форму конуса, в вершину которого вмонтирован мерный цилиндр 5, соединенный через верхний торец при помощи трубок б с системой регулиро5 вания потенциала влажности, включающей датчик 7 давления, балластную емкость 8 и насос 9, отключаемый вентилем 10. Стакан с установленным в нем образцом, крышка и мерный сосуд образуют мерную емкость,

заполняемую водой до уровня выше верхнего торца образца, для чего внутренний объем рабочей камеры соединен при помощи трубок и вентиля 11 с питающей емкостью 12, имеющей фиксированный объем воды. При изучении неводопрочных пористых материалов образец заключают в предохранительное кольцо 13.

Для получения первой точки, принадлежащей искомой ОГХ, мерная емкость с установленным в ней образцом заполняется водой, подаваемой с малым расходом, обеспечивающим возможность свободного вытеснения ею внутрипорового газа из образца. Величину потенциала воды, насыщающей образец, вычисляют по формуле

V pgZ + (P-P0),

где pgZ - гидростатическое давление над центром образца;

Р - абсолютное давление газа над поверхностью воды измерительной емкости;

Ро - атмосферное давление; при определении первой точки Z Z0, а Р

-Ро.

Равновесное влагосодержание образца, соответствующее первому значению потенциала, определяют по формуле

+ 00,

где в0 и в - соответственно начальное и искомое значения влагосодержания, выраженные в долях единичного объема образца;

V - объем воды, поданный из питающей емкости в мерную емкость;

Wo - объем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом.

Изменения влагосодержания образца при переходе на вторую и последующие ступени давления (i 1) рассчитываются по изменениям объема воды в измерительной емкости по формуле

А V + W -Wo

1w

а 01+ i 2 AWi,

где Д Wi - уменьшение объема воды в измерительной емкости на 1-й ступени давления газа в системе задания потенциала.

Пример. Определение ОГХ в области давлений воды, превышающих атмосферное, выполняют с помощью устройства, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1. Внутренний объем рабочей камеры с герметически закрытой крышкой и мерным цилиндром с ценой деления 0,1 мл составляет 640 см . Исследован образец природного пористого материала объемом 150см (диаметр 80 мм, высота 30 мм), представленный суглинком ненарушенного сложения с общей пористостью 47% и начальным влагосодержанием 0,16 г/см . Образец заключен в предохранительное кольцо с внешним диаметром 84 мм и высотой 30 мм. 5 Суммарный объем образца, предохранительного кольца и сетчатого поддона 190 см3.

В рабочую камеру с установленным в ней образцом из питающей мерной емкости

0 с малым расходом перелито 450 мм воды, т.е. в объеме, равном свободному внутреннему объему рабочей камеры, крышки и мерного цилиндра. При этом исследуемым образцом породы поглощено 40,1 мм воды,

5 в результате чего его влагосодержание увеличилось до 42,6% единичного объема (0,426 г/см ), а уровень воды установился на высоте 29,3 см над центром образца. Полученное значение влагосодержания по0 ставлено в соответствие установившемуся гидростатическому давлению и эта пар.э соответствующих друг другу значений принята в качестве первой точки, принадлежащей искомой ОГХ.

5Вторая и последующие точки искомой

ОГХ определены путем однонаправленных изменений давления газа над уровнем воды в рабочей камере. Результаты определений приведены на фиг. 2, причем кривая 1 пред0 ставляет ОГХ по вегви увеличения значений потенциалов воажности, а кривая 2 - в обратном направлении. При этом повышение потенциала влажности над центром образ-, ца до 65 кПа привело к уменьшению объема

5 воды и снижению ее уровня в мерном цилиндре на 3,7 мл и 3,7 см соответственно.

Таким образом, изобретение позволяет определить основную гидрофизическую характеристику пористых материалов в обла0 сти давлений воды выше атмосферного.

Формула изобретения Способ определения основной гидрофизической характеристики пористых мате5 риалов, заключающийся в задании последовательного ряда значений избыточного давления газа в рабочей камере с установленным в ней образцом известного объема, измерении изменения объема жид0 кости в образце и определении соответству- ющих значений равновесного , влагосодержания, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения основной гидрофизической ха5 рактеристики в области значений потенциала влажности, больших нуля, определяют начальное влагосодержание образца, рабочую камеру заполняют фиксированным объемом жидкости до уров- ня выше верхнего торца образца, измеряют

превышение установившегося уровня воды над центром образца и обьем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом, а значения потенциала влажности и равновесного влагосодержания образца для этой и последующих ступеней избыточного давления рассчитывают по формулам

+ (P-Po),

AW,

wi i

где V значение потенциала влажности, соответствующее избыточному давлению газа (Р - Ро) и превышению уровня воды Z в

мерной емкости над центром образца на п-й ступени;

Р - давление газа над уровнем воды в мерной емкости на n-й ступени; Ро - атмосферное давление;

О - равновесное влагосодержание образца, соответствующее n-й ступени, ft V+w-W0+ft|

где X - фиксированный объем воды, заливаемый в рабочую камеру;

Wo - объем мерной емкости, заполнен- с ный водой с погруженным под ее уровень образцом;

w - начальное влагосодержание воды в мерной емкости при переходе с (1-1 )-й на 1-ю ступень избыточного давления, 1,2...п.

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержа- ния, образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении фильтрации подземных вод. Цель изобретения - обеспечение возможности определения основной гидрофизической характеристики на образцах пористых материалов при давлениях воды выше атмосферного. С этой целью образец устанавливают в жесткую водонепроницаемую рабочую камеру, герметически закрывающуюся крышкой, имеющей форму усеченного конуса, в вершину которого змоншрозан полый мерный цилиндр, сообщающийся при помощи трубок с системой задания избыточного давления. После установки образца к герметизации рабочей камеры последняя заполняется дозированным объемом зоды до уровня выше верхнего торца образца. При этом «асть воды поглощается образцом и определяется по разности между известным объемом зоды и свободной частью внутреннего объема рабочей камеры. В последующем потенциал влажности регулируется заданием различных значений избыточного давления газа над уровнем воды, а изменения влагосодержания образца определяются по изменениям объема воды, заполняющей свободный объем рабочей камеры. 2 ил. О ю 00 Јь О Ю

Фип 1

Р,нПа.

60

40200,400,430,,45

Влагосодержание, г/смs

Фиг. 2