Способ исследования водопроницаемости и суффозионной устойчивости модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, состоящей из несвязного грунта и фильтрующего геосинтетического материала
METHOD OF STUDYING WATER PERMEABILITY AND SUFFUSION RESISTANCE OF STRUCTURAL UNIT MODEL OF GROUND HYDRAULIC STRUCTURE, WHICH CONSISTS OF UNBOUND EARTH AND FILTERING GEOSYNTHETIC MATERIAL

Изобретение относится к области строительства, в частности гидротехнического, гражданского и промышленного и может быть использовано при проектном обосновании дренажных, защитных (разделение крупно- и мелкофракционных грунтов, крепление откосов) и др. комбинированных конструкций, включающих несвязный грунт и геотекстиль.
Известен способ определения водопроницаемости и коэффициента фильтрации геотекстиля (ГОСТ Р 52608-2006. Материалы геотекстильные. Методы определения водопроницаемости. Geotextile materials. Methods of water permeability determination. OКC 59.080.70. Дата введения 2008-01-01. M.: Стандартинформ, 2007, С. 6, 7), путем определения коэффициента фильтрации геотекстиля в направлении перпендикулярном к плоскости образца при давлениях на пробу 2, 20, 100, 200 кПа или при давлении, соответствующем воздействующему на геотекстиль в конкретной строительной конструкции, при каждом уровне давления на пробу коэффициент фильтрации в направлении движения потока перпендикулярном к плоскости полотна оценивают при значениях напора воды 300, 100, 70, 50 мм или при значении напора, возникающего в конкретной строительной конструкции, испытания геотекстиля выполняют согласно руководству по эксплуатации прибора МТ 162, в автоматическом режиме, при установленных значениях высоты/напора и температуры воды, а также толщины пробы фильтрующего геотекстиля, с фиксацией времени фильтрации заданного объема воды и определением величины коэффициента фильтрации и водопроницаемости пробы.
Недостатками аналога являются: определение водопроницаемости геотекстиля в направлении перпендикулярном к плоскости образца возможно только в нисходящем фильтрационном потоке и невозможно в восходящем фильтрационном потоке; невозможность проведения испытаний моделей элементов гидротехнических сооружений, включающих кроме геотекстиля несвязные грунты; невозможность оценки суффозионной устойчивости геотекстиля (заиляемости геотекстиля) мелкими частицами грунта; невозможность оценки суффозионного выноса мелких частиц грунта через поры геотекстиля.
Известен способ исследования водопроницаемости и фильтрационной прочности несвязных грунтов с нарушенной структурой в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве, в которое на нижнюю сетку, лежащую на неподвижной опорной решетке, расположенной в нижней части рабочей (фильтрационной) камеры, укладывают отдельными слоями образец грунта (модель элемента конструкции), подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок фильтрационной камеры штыкованию с целью устранения крупных пристенных пор, сверху сформированного образца укладывают грунтовую пригрузку для более равномерного распределения расхода воды, поступающей в фильтрационную камеру, затем укладывают подвижную нагрузочную решетку, на которую при помощи силового домкрата, передается заданная нагрузка, водонасыщают образец грунта кипяченой или дистиллированной водой при восходящем направлении потока, создают напор бачками верхнего и нижнего бьефов, путем подачи воды в бачок верхнего бьефа насосом из емкости для воды, определяют величину градиента напора по показаниям трубчатых пьезометров, подсоединенных к бачкам верхнего и нижнего бьефов, величину нагружения грунта фиксируют датчиком нагрузки, осадку подвижной нагрузочной решетки фиксируют датчиком линейных перемещений, проводят определение водопроницаемости образца грунта, характеризуемое средней скоростью потока при постоянном заданном или переменном градиенте напора, при восходящем или нисходящем направлении потока воды, в соответствии с требованиями ГОСТ 25584-2016 «Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации» (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: П 49-90/ВНИИГ. 1991, С. 38-40).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данный способ лабораторных исследований выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что способ не предполагает проведение испытаний модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, включающего геотекстиль.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении достоверности, точности и результативности исследований.
Для достижения указанного технического результата в способе исследования водопроницаемости и суффозионной устойчивости модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, состоящей из несвязного грунта и фильтрующего геосинтетического материала (геотекстиля), включающем размещение модели элемента конструкции на нижней сетке, лежащей на неподвижной опорной решетке, расположенной в нижней части фильтрационной камеры, укладку образца несвязного грунта выполняемую отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок фильтрационной камеры штыкованию, установку поверх образца несвязного грунта верхней сетки, затем подвижной нагрузочной решетки, на которую при помощи устройства для передачи нагрузки, передается заданная нагрузка, водонасыщение образца несвязного грунта кипяченой или дистиллированной водой при восходящем направлении потока, создание напора бачками верхнего и нижнего бьефов, путем подачи воды в бачок верхнего бьефа насосом из емкости для воды, поступающей по трубе, определение градиента напора по показаниям трубчатых пьезометров, подсоединенных к бачкам верхнего и нижнего бьефов, определение нагрузки на грунт по датчику нагрузки, фиксацию осадки подвижной нагрузочной решетки датчиком линейных перемещений, расчет величины коэффициента фильтрации образца грунта при восходящем или нисходящем направлении потока воды, предварительно выдержанный не менее трех часов в дистиллированной воде образец геотекстиля модели элемента конструкции размещают в фильтрационной камере и распределяют равномерно по поверхности нижней сетки, соединение конического отстойника и фильтрационной камеры герметизируют путем стяжки фланцевого соединения при помощи болтов, обеспечивающих равномерный зажим образца геотекстиля по периметру, затем помещают на образец геотекстиля образец несвязного грунта с послойным уплотнением трамбованием, таким образом, чтобы толщина слоя несвязного грунта составляла не менее половины внутреннего диаметра фильтрационной камеры, после исследования из фильтрационной камеры извлекают образец геотекстиля, высушивают до воздушно-сухого состояния, взвешивают и определяют количество грунта, закольматировавшего образец геотекстиля, путем сравнения его веса с весом образца геотекстиля, установленным до проведения исследований, и определяют остаточную водопроницаемость и коэффициент фильтрации образца геотекстиля.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются: размещение внутри фильтрационной камеры модели элемента конструкции, содержащей геотекстиль путем укладки образца геотекстиля, предварительно выдержанного не менее трех часов в дистиллированной воде, на нижнюю сетку, размещенную на неподвижной опорной решетке, равномерное распределение образца геотекстиля по поверхности нижней сетки, укладка образца несвязного грунта с послойным уплотнением трамбованием непосредственно на поверхность образца геотекстиля, таким образом, чтобы толщина слоя несвязного грунта составляла не менее половины внутреннего диаметра фильтрационной камеры, извлечение из фильтрационной камеры образца геотекстиля, его высушивание до воздушно-сухого состояния, взвешивание и определение количества грунта, закольматировавшего образец геотекстиля, путем сравнения его веса с весом образца геотекстиля, установленным до проведения исследований, определение остаточной водопроницаемости и коэффициента фильтрации геотекстиля.
Благодаря наличию этих признаков, в лаборатории можно моделировать и оценивать количественно фильтрационно-суффозионные процессы, протекающие в моделях элементов конструкций грунтовых гидротехнических сооружений, для двух основных вариантов вертикального направления фильтрационного потока: первый имеет место, когда направление скорости фильтрации и силы тяжести совпадают или достаточно близки (нисходящий поток); второй вариант - когда они противоположны (восходящий поток).
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2 и фотографиями на фиг. 3-4.
На фиг. 1 показана схема подключения вертикального фильтрационно-суффозионного устройства при нисходящем направлении потока воды.
На фиг. 2 - схема подключения вертикального фильтрационно-суффозионного устройства при восходящем направлении потока воды.
На фиг. 3 - фильтрационная камера, с уложенной в нее моделью элемента конструкции.
На фиг. 4 - проведение фильтрационно-суффозионных исследований модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, включающего несвязный грунт и образец геотекстиля.
На схеме показаны: насос 1, датчик измерения температуры воды 2, емкость для воды 3, труба 4, расходомер 5, бачок верхнего бьефа 6, бачок нижнего бьефа 7, приспособление для выпуска воздуха 8, датчик нагрузки 9, устройство для передачи нагрузки 10, датчик линейных перемещений 11, подвижная нагрузочная решетка 12, фильтрационная камера 13, верхняя сетка 14, нижняя сетка 15, фланцевое соединение 16, неподвижная опорная решетка 17, трубчатый пьезометр 18, пескосборник 19, нижний патрубок 20, образец геотекстиля 21, образец несвязного грунта 22, верхний патрубок 23.
Способ осуществляется следующим образом.
Исследуемую модель элемента конструкции загружают в устройство. Для этого модель элемента конструкции, содержащей геотекстиль, размещают в фильтрационной камере 13, при этом, предварительно выдержанный не менее трех часов в дистиллированной воде образец геотекстиля 21 укладывают на нижнюю сетку 15, размещенную на неподвижной опорной решетке 17, равномерно распределяют образец геотекстиля 21 по поверхности нижней сетки 15, герметизируют соединение конического отстойника и фильтрационной камеры 13 путем стяжки фланцевого соединения 16 при помощи болтов, болты фланцевого соединения 16 обеспечивают равномерный зажим образца геотекстиля 21 по периметру. Непосредственно на поверхность образца геотекстиля 21 помещают образец несвязного грунта 22 с послойным уплотнением трамбованием, таким образом, чтобы толщина слоя несвязного грунта 22 составляла не менее половины внутреннего диаметра фильтрационной камеры, поверх образца несвязного грунта укладывают верхнюю сетку 14 и устанавливают подвижную нагрузочную решетку 12.
Исследование фильтрационно-суффозионных свойств модели элемента конструкции проводят следующим образом: воду в бачок верхнего бьефа 6 подают насосом 1 из емкости для воды 3, куда она поступает по трубе 4. В фильтрационную камеру 13 подают воду из бачка верхнего бьефа 6 с напором, соответствующим минимальному из применяемых в испытаниях. Выполняют нагружение модели элемента конструкции устройством для передачи нагрузки 10, фиксируя нагрузку датчиком нагрузки 9. Перемещение подвижной нагрузочной решетки 12 фиксируется датчиком линейных перемещений 11. Фильтрационная камера 13 соединена с бачками 6 и 7 верхнего и нижнего бьефов через верхний 23 и нижний 20 патрубки. При проведении испытания при нисходящем направлении фильтрации бачок верхнего бьефа 6 подключают к верхнему патрубку 23, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 13, а бачок нижнего бьефа 7 подключают к нижнему патрубку 23, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 13. Частицы грунта, профильтровавшиеся через образец геотекстиля 21 при нисходящем направлении фильтрации, падают в пескосборник 19.
При опытах с восходящим направлением фильтрации: бачок верхнего бьефа 6 подключают к нижнему патрубку 20, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 13, а бачок нижнего бьефа 7 подключают к верхнему патрубку 23, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 13. Вода, профильтровавшаяся через размещенную в устройстве модель элемента конструкции, состоящей из образца несвязного грунта 22 и образца геотекстиля 21, отводится через расходомер 5 в емкость для воды 3.
Температуру воды в емкости 3 определяют по датчику измерения температуры воды 2, расход воды, профильтровавшейся через модель элемента конструкции, определяют по расходомеру 5, измерение напора в опыте проводят по трубчатым пьезометрам 18, подсоединенным к бачкам 6 и 7 верхнего и нижнего бьефов, нагрузку на грунт определяют по датчику 9. Воздух из устройства выпускают через специально устроенное приспособление 8.
После окончания исследования из фильтрационной камеры 13 извлекают образец геотекстиля 21, высушивают его до воздушно-сухого состояния, взвешивают и определяют количество грунта, закольматировавшего образец геотекстиля 21, путем сравнения его веса с весом образца геотекстиля, установленным до проведения исследований, затем определяют остаточную водопроницаемость и коэффициент фильтрации образца геотекстиля 21.
Благодаря наличию этих признаков в лабораторных условиях возможно проведение фильтрационно-суффозионных исследований модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, включающей несвязный грунт и фильтрующий геосинтетический материал (геотекстиль), используемый в качестве элемента обратного фильтра гидротехнического сооружения, при действующих величинах нагрузок и воздействий в конструкциях различных элементов грунтовых гидротехнических сооружений в зависимости от их назначения и планово-высотного расположения, при вертикальной схеме движения фильтрационного потока - восходящий и нисходящий поток.