Способ определения ветви увлажнения капиллярно-сорбционного потенциала почвогрунтов Советский патент 1992 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к способам определения водно-физических характеристик, в частности капиллярно-сорбционного потенциала, используемого в моделях вла- гопереноса для расчета скорости капиллярного потока воды.

Известен способ определения капиллярно-сорбционного потенциала, заключающийся в послойном определении влажности грунтов капиллярного увлажнения над зеркалом грунтовых вод в шурфе. По этому способу снимают ветвь увлажнения, п о кото рой о п редел я ют да н ну ю водно-физическую характеристику

Однако этот способ требует неизменного положения уровня грунтовых вод в течение длительного периода времени, что редко наблюдается в условиях их близкого залегания

Известен также способ определения капиллярно-сорбционного потенциала, по которому снимают ветвь иссушения Qp(P), где Р - газовое давление, Qp - влажность грунта.

Однако, несмотря на удобство и надежность этого способа, использование ветви иссушения для описания процесса капиллярного увлажнения вместо ветви увлажнения приводит к существенным ошибкам в определении влажности и засоленности почв и грунтов, особенно в диапазоне малых значений влажности, где роль капиллярного гистерезиса возрастает.

VI

сл ел

о

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения капиллярно-сорбционного потенциала, по которому снимают ветвь увлажнения. Согласно известному способу осуществляют увлажнение грунта в колонке до стабилизации скорости впитывания воды с последующим послоййым отбором проб грунта на влажность и построение по полученным данным равновесной эпюры Qp(H), где Н - высота точки зеркалом воды.

Недостатками известного способа являются его трудоемкость, связанная с необходимостью доставлять в лабораторию большое количество грунта, и длительность опытов.

Цель изобретения - повышение производительности за счет сокращения времени проведения опытов.

Цель достигается тем, что согласно способу, включающему увлажнение грунтов в колонке до стабилизации скорости впитывания воды с последующим послойным отбором проб грунта на влажность (Qp) и построение по полученным данным равновесной эпюры Qp(H), одновременно с увлаж- нением грунта в колонке производят определение равновесной эпюры влажности при иссушении Qp(P) методом капилля- риметра, при этом увлажнение грунта осуществляют в колонке высотой не менее половины высоты капиллярного поднятия и по полученным данным строят равновесную эпюру в измерением диапазоне влажности, а для построения равновесной эпюры во всем расчетном диапазоне влажности определяют значения отношения е Н/Р, затем строят график зависимости отношения Н/Р от влажности, экстраполируют ее до границы расчетного диапазона влажности и с уче- том этой зависимости достраивают верхнюю часть равновесной эпюры влажности при увлажнении.

На фиг. 1 представлены эпюры равновесной влажности (1А - ветвь увлажнения; 1Б - ветвь иссушения); на фиг 2 - зависимость Ј(Qp) для диапазона Окол Qp Qn (сплошная линия) и ее экстраполяция (пунктирная линия); на фиг. 3 - полностью построенные эпюры равновесной влажности (3 - предлагаемым способом; 3 - известным способом высоких колонок), на фиг. 4 - схема капилляриметра.

Способ осуществляют следующим образом.

Ветвь увлажнения представляет собой эпюру равновесной влажности Qp(H) в зоне капиллярного поднятия, где Н - высота точки над зеркалом воды в диапазоне 0 Н

SH ; Н предельная высота капиллярного поднятия Одновременно с определением равновесной эпюры влажности при увлажнении грунта осуществляют снятие

равновесной эпюры влажности при иссушении грунта Qp(P) методом капилляриметра, где Р - газовое давление. Опыты проводят на одних и тех же грунтах. Построение равновесной эпюры влажности Qp(H) при увлажнении осуществляют в диапазонах 0 Н Нкол, 0-кол Qp Qn, где Нкоя - высота колонки; Н - высота точки над зеркалом воды; Qn - полная влагоемкость; Окол - влажность на верхнем торце колонки, а снятие эпюры влажности при иссушении грунта Qp(P) проводят в диапазонах Q0 QP Qn и О Р О.батм, где Q0 - влажность на верхней границе зоны капиллярного увлажнения при высоте колонке, равной наибольшей высоте капиллярного поднятия (Нк). Увлажнение грунта для снятия равновесной эпюры влажности проводят в колонке высотой не менее половины наибольшей высоты капиллярного поднятия для обеспечения

достаточной точности построения зависимости Ј(Qp) во всем расчетном диапазоне влажности.

Кроме того, выбор указанных диапазонов измерения определяется тем, что при

влажности Qp, соответствующей Р - 0,6 атм, движение воды в виде жидкости под действием капиллярно-сорбционного потенциала прекращается.

Для построения равновесной эпюры

влажности во всем расчетном диапазоне влажности(Qo Qp Qn) для ряда значений равновесной влажности (Qp) в измеренном диапазоне рассчитывают значения отношения Ј Н/Р и строят зависимость f(QP). Как

показали исследования, график этой зависимости имеет вид прямой, что позволяет ее экстраполировать и использовать для определения значений Н в диапазоне НКол5 Н Нк.

Для этого ряд значений Qp в диапазоне Qo Qp Окол по графику зависимости Ј(Qp). определяют значение е. а по эпюре Qp{P) - соответствующие значения Р и рассчитывают значения высоты точки над зеркалом воды (Н), равные произведению Р. После этого по значениям Qp и Н достраивают верхнюю часть равновесной эпюры влажности Qp(H) для диапазона Q0 QPtЈ

0кол.

Пример. Определение ветви увлажнения капиллярно-сорбционного потенциала проведено для легкого суглинка нарушенного сложения из частиц дизмег- ром менее 1 мм. Воздушно-сухой грунт набивали в колонки № 1 и 2 сечением 6x6 см и высотой 60 см (№ 1) и 100 см (N 2), э также в кольца диаметром 5 см и высотой 5 см (6 образцов для капилляр,иметра) при объемной массе 1,30 г/см3.

Колонки № 1 и 2 были установлены в поддоны С водой, в которых в течение всего опыта поддерживали постоянный уровень воды. Опыт по увлажнению грунта продолжали до стабилизации скорости впитывания воды. Время опыта на колонке № 1 составило 5 сут, № 2 - 30 сут. На колонке № 2 к концу опыта высота капиллярного поднятия (Н ) составила 90 см. Затем проводили послойный отбор проб грунта на влажность и по полученным данным строили равновесные эпюры влажности для колонок № 1 и 2. Равновесная эпюра колонки № 1 (фиг. 1А) полностью совпадает с нижней частью эпюры влажности для колонки № 2 (фиг. 3А) в диапазоне Окол Qp Qn.

Для определения ветви иссушения использовали капилляриметр, представляющий собой лабораторную установку из воронок 1, бюреток Роммельсберга 2, вакуумметра 3, вакуум-насоса 4, вакуум-сосуда 5, вакуумных трубок 6, тройников 7, зажимов 8 и опорной рамы 9. В качестве фильтров использовали микропористые капроновые мембраны.

Ветвь иссушения определяли следующим образом.

Образцы грунта, отобранные в металлические кольца, насыщали на слое песка до постоянного веса, устанавливали их в воронки и насосом создавали разрежение (Р), которое поддерживали постоянным до полного стока воды из образцов. Значения Р составляли: Pi 0,05 атм; Ра 0,15 там; Рд 0,30 атм; РА 0,40 атм; PS 0,60 атм. На первой ступени разрежения (при Pi) определяли содержание крупных гравитационных пор, на второй (при Ра) - содержание всех гравитационных пор, на третьей (при Рз) - содержание активных капиллярных пор, при Р4 и PS - содержание мелких капил- лярных пор. После опыта образцы взвешивали высушивали до постоянного веса, определяли влажность грунта после опыта термостатно-весовым (w0) и объемную массу (б).

По объему стока, значениям w0 и д рассчитывали содержание пор разного размера, значения равновесной влажности (Qp) и строили зависимость QP(P).

Характерные объемны.е значения влажности составили; Q0 28%, Окол 33%, Оп 43%, для построения зависимости

приняты следующие значения равновесной влажности- 0,43-0,41-0,39-0,38-0,36-0,33. Этим значениям соответствуют значения Е, равные 0,30-0,30-0,27-0,25-0,230,22. Зависимость Ј(QP), построенная по приведенным данным, показана на фиг. 2 сплошной линией а экстраполяция прямой - пунктиром.

Для значений Qp 0,31++0,30-0,29-0,28

по прямой получены значения Ј, равные 0,18-0,17-0,16-0,15, а по зависимости QP(P) - значения Р, равные 350-450-500- 600 см.

Значения Н, рассчитанные по формуле

Н с Р, составили 63-72-79-90 см.

Построенная по полученным данным верхняя часть равновесной эпюры QP(H) хорошо совпадает с эпюрой, полученной известным методом высоких колонок.

Предлагаемый способ позволит существенно сократить затраты времени на опре- делениеветкиувлажнения

капиллярно-сорбциохного потенциала по сравнению с методом высоких колонок, а

также обеспечивает получение ветви иссушения.

Формула изобретения Способ определения ветви увлажнения капиллярно-сорбционного потенциала почвогрунтов, включающий увлажнение грунтов в колонке до стабилизации скорости впитывания с последующим послойным отбором грунта на влажность и построение по полученным данным равновесной эпюры

влажности, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет сокращения времени проведения опытов, одновременно с увлажнением грунта в колонке производят определение равновесной эпюры влажности при иссушении методом капилляриметра, при этом увлажнение грунта осуществляют в колонке высотой не менее половины высоты капиллярного поднятия и по полученным данным строят равновесную эпюру в измеренном диапазоне влажности, а для построения равновесной эпюры во всем расчетном диапазоне влажности определяют значения отношений Н/Р, где Н - высота точки отбора пробы

грунта на влажность над зеркалом воды в опыте по увлажнению, м; Р - газовое давление разрежение в опыте по иссушению, атм, затем строят график зависимости отношения Н/Р от влажности, экстраполируют ее

до границы расчетного диапазона влажности и с учетом этой зависимости достраивают верхнюю часть равновесной эпюры влажности при увлажнении.

R н,

см ЬОО

Использование для определения водно-физических характеристик почвогрун- тов, а именно капиллярно-сорбционного потенциала используемого для расчета скорости капиллярного потока воды Сущность изобретения- по способу для повышения производительности за счет сокращения периода проведения опытов одновременно осуществляют определение равновесной эпюры влажности (Qp) при увлажнении грунта Qp(H) и при его иссушении Qp(P), где Н - высота точки над зеркалом воды; Р - газовое давление При этом увлажнение грунта производят в колонке высотой не менее половины высоты капиллярного поднятия, а иссушение грунта --методом капилляримет- ра. После построения эпюры влажности QP(H) в измеренном диапазоне влажности определяют значение отношения Ј Н/Р, строят зависимость с (Qp) и экстраполируют ее до границы расчетного диапазона влажности. Рассчитывают ряд значений Н и достраивают верхнюю часть равновесной эпюры влажности при увлажнении, получая в результате ветвь увлажнения капиллярно- сорбционного потенциала для всего расчетного диапазона влажности. 4 ил.

2Ь 30 34 38 42

Фиг.1

Н,

см

30 34 3S 42 8р

Фиг.З

ДО fyt 6е 6 9„ 0Р

Фиг. 2