ФИЛЬТРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Полезная модель относится к области строительства, в частности для геотехнического контроля, и может использоваться при экспериментальных фильтрационно-суффозионных исследованиях и работах по определению статических прочностных и деформационных характеристик крупнообломочных грунтов.
Известна фильтрационная установка вертикального типа, предназначенная для проведения испытаний грунтов с крупностью частиц до 20 мм, состоящая из прозрачного цилиндра диаметром 150 мм и высотой 250 мм, закрытого крышкой, в которой установлен термометр и шток для создания давления в вертикальном направлении, из напорного бака, поднятого на требуемую высоту, для осуществления напора воды самотеком, из резервуара нижнего бьефа, установленного таким образом, что образец грунта всегда находится в затопленном состоянии, в нижней части установки находится конический отстойник с патрубком, на который надевается мензурка/песколовка (Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве, РД 34 15.073-9, 1991 г., - Л., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, рис. 36). Установка применяется для определения как местных коэффициентов фильтрации, так и средних по всему объему. Кроме того, в ней можно исследовать фильтрационно-суффозионную прочность грунтов.
Основным недостатком данной установки является то, что рабочая камера представляет собой цилиндр с жесткими стенками, что приводит к неконтролируемой пристенной фильтрации во время опытов и, следовательно, к ошибкам в определении коэффициента фильтрации. К недостаткам установки можно отнести и то, что ее конструкция не позволяет проводить фильтрационно-суффозионные испытания образцов в реальных напряженно деформированных условиях.
Известен автоматизированный комплекс для проведения трехосных испытаний с размерами рабочих камер для образцов ∅70, 100 и 150 мм, состоящий из прозрачных рабочих камер, имеющих высокопрочную конструкцию, с максимальным давлением всестороннего обжатия образца 2МПа, нагрузочной рамы для создания осевой нагрузки до 100 кН с постоянной скоростью деформации образца, панели распределения воды под давлением и устройства для автоматического измерения объемных деформаций, тензометрических датчиков нагрузки, перемещения, порового давления, сбор и обработка данных проводится с помощью GEODATOLOG- 16-канального блока сбора данных (производство Фирмы «Wykeham Farrance»; журнал Soil Mechanics Testing Systems, с. 32-34; электронный ресурс: www.wfi.co.uk).
Недостатками аналога являются отсутствие возможности проведения фильтрационно-суффозионных испытаний и ограничение крупности частиц исследуемого грунта только до 20 мм, что недостаточно для определения характеристик прочности и деформируемости крупнообломочных грунтов.
Известна установка трехосного сжатия для проведения крупномасштабных опытов, предназначенная для проведения трехосных испытаний с целью определения характеристик прочности и деформируемости крупнообломочных грунтов с крупностью обломков до 60 мм, состоящая из рабочей камеры, в основании которой расположен гидроцилиндр для создания вертикальных нагрузок как на этапе всестороннего обжатия образца, так и дальнейшего его разрушения, на шток гидроцилиндра установлен нижний штамп с образцом в резиновой оболочке, сверху рабочая камера закрыта крышкой с датчиком для контроля порового давления, боковое обжатие образца осуществляется путем передачи давления рабочей жидкости в боковой полости камеры установки через резиновую оболочку, в которую помещен образец (Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве, РД 34 15.073-9, 1991 г., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Приложение 9, рис. 9.6).
По числу сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Основными недостатками прототипа являются раздельное регулирование бокового и вертикального нагружения, что может привести к неравномерному всестороннему обжатию образца, а также то, что для предотвращения коррозии рабочей камеры и других составных частей установки в качестве рабочей жидкости используется масло. При повреждении резиновой оболочки масло из боковой полости рабочей камеры установки проникает в образец, что делает невозможным повторное дальнейшее использование данного грунта в опытах и приводит к увеличению затрат по транспортировке и подготовке необходимого для исследований объема грунта. К недостаткам данной установки можно отнести и то, что ее конструкция не позволяет проводить фильтрационно-суффозионные испытания.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, состоит в повышении точности определения фильтрационно-суффозионных, прочностных и деформационных характеристик крупнообломочных грунтов натурного гранулометрического состава.
Для достижения указанного технического результата в фильтрационной установке трехосного сжатия, включающей рабочую камеру с крышкой, в которую вмонтирован датчик контроля порового давления, гидроцилиндр, установленный в основании рабочей камеры для создания осевой нагрузки, оболочку, систему подачи давления в гидроцилиндр, датчик вертикальных перемещений, систему подачи давления бокового обжатия в рабочую камеру и измерения объемных деформаций образца, для создания осевой нагрузки на образец крупнообломочного грунта с крупностью частиц до 80 мм, гидроцилиндр вмонтирован в крышку рабочей камеры и опирается поршнем, площадь которого увеличена как минимум в 3-5 раз до поперечных размеров рабочей камеры, на верхний штамп через точечные опоры для создания зазора, в который проникает рабочая жидкость при всестороннем обжатии образца, в штоке гидроцилиндра выполнен канал для подачи воды на верхнюю поверхность образца от напорной системы с двумя напорными емкостями, работающими поочередно для длительного поддержания в непрерывном режиме фильтрационного потока, со стороны нижнего штампа оборудована песколовка с двумя заслонками, одна из которых перекрывает поступление фильтрационного потока в нее, а через вторую вынимают осадок, образовавшийся в результате проведения опыта, не прерывая при этом процесс фильтрации, система перелива со стороны нижнего штампа и датчик давления воды в верхнем штампе закреплены на штоке гидроцилиндра для отслеживания осевых деформаций образца и постоянно находятся на одном уровне с его верхней поверхностью.
Кроме того, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:
рабочая камера, гидроцилиндр и напорные емкости, имеющие контакт с водой, изготовлены из коррозионностойкой нержавеющей стали марки, например, 12Х18Н10Т или 40Х13 и других материалов, стойких к длительному воздействию агрессивных сред,
оболочка выполнена из полиуретана, например, QA945, QA950.
Отличительными признаками предлагаемой установки от указанной выше, наиболее близкой к ней, являются монтирование гидроцилиндра в крышку рабочей камеры и его опирание поршнем, с увеличением площади поршня гидроцилиндра как минимум в 3-5 раз до поперечных размеров рабочей камеры, на верхний штамп через точечные опоры для создания зазора, в который проникает рабочая жидкость при всестороннем обжатии образца крупнообломочного грунта с крупностью частиц до 80 мм, выполнение в штоке гидроцилиндра канала для подачи воды на верхнюю поверхность образца от напорной системы, выполнение напорной системы с двумя напорными емкостями, работающими поочередно, оборудование песколовки со стороны нижнего штампа двумя заслонками, одна из которых перекрывает поступление фильтрационного потока в нее, а через вторую вынимают осадок, образовавшийся в результате проведения опыта, не прерывая при этом процесс фильтрации, закрепление системы перелива со стороны нижнего штампа и датчика давления воды в верхнем штампе на штоке гидроцилиндра, постоянное нахождение системы перелива и датчика давления воды на одном уровне с нижней поверхностью верхнего штампа.
Благодаря наличию этих признаков возможно проведение крупномасштабных испытаний с целью определения фильтрационно-суффозионных, прочностных и деформационных характеристик крупнообломочных грунтов натурного гранулометрического состава для обеспечения повышения точности предсказания поведения увлажненных грунтов под нагрузкой в реальных условиях. Предлагаемая установка позволяет осуществлять равномерное всестороннее обжатие образцов путем передачи давления рабочей жидкости как в боковом направлении через оболочку, в которую помещен образец, так и в вертикальном направлении через верхний штамп. Дальнейшее увеличение вертикальной нагрузки на образец на этапе разрушения осуществляют путем передачи давления от гидроцилиндра, встроенного в крышку рабочей камеры, на верхний штамп образца.
Применение коррозионно-стойких материалов, таких как 12Х18Н10Т или 40Х13, и других материалов конструкции установки позволяет использовать в качестве рабочей жидкости воду, что делает возможным, в случае повреждения оболочки из полиуретана, повторное дальнейшее использование данного грунта в опытах путем высушивания, разделения на фракции и составления новых смесей для образцов необходимого гранулометрического состава.
Напорная система с двумя напорными емкостями, работающими поочередно, способна в непрерывном режиме длительно поддерживать фильтрационный поток практически во всем диапазоне возникающих на практике градиентов напора.
Для ликвидации растворенного в воде воздуха предусмотрена система вакуумирования воды, как в напорной системе для предотвращения воздушного кольматажа, так и в системах подачи давления в гидроцилиндр и рабочую камеру для повышения точности измерений объемных деформаций.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором показана схема фильтрационной установки (фиг. 1), и фотографией (фиг. 2).
Фильтрационная установка трехосного сжатия содержит датчик вертикального перемещения 1, гидроцилиндр 2 с крышкой, рабочую камеру 3, датчик давления воды 4 в верхнем штампе на уровне перелива, образец 5 крупнообломочного грунта, оболочку 6 из полиуретана, верхнюю заслонку 7, песколовку 8, нижнюю заслонку 9, напорную систему 10, систему подачи давления 11 в гидроцилиндр 2, систему перелива 12 воды, систему подачи 13 всестороннего давления и измерения объемных деформаций образца 5 в рабочей камере 3, систему сбора и измерения скорости 14 фильтрационного потока воды.
Работа фильтрационной установки трехосного сжатия осуществляется следующим образом.
Испытания проводят по методике лабораторного определения коэффициента фильтрации грунтов (ГОСТ 25584-90) и по методике лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости грунтов (ГОСТ 12248-2010).
Вертикальное ступенчатое нагружение образца 5 крупнообломочного грунта создается системой подачи давления 11 в гидроцилиндр 2, который вмонтирован в крышку рабочей камеры 3 и опирается штоком через точечные опоры на верхний штамп образца 5, создавая зазор, в который проникает рабочая жидкость.
При испытаниях для определения фильтрационно-суффозионных характеристик, после формирования образца 5 в оболочке 6 рабочую камеру 3 закрывают крышкой с гидроцилиндром 2 и проводят водонасыщение образца 5. Затем создают необходимое для реализации натурных условий всестороннее давление в рабочей камере 3 системой подачи всестороннего давления 13, при этом регистрируют осевые деформации образца 5 с помощью датчика вертикального перемещения 1 и объемные деформации образца 5 по изменению объема воды в системе подачи всестороннего давления 13. После стабилизации деформаций образца 5 включают фильтрационный поток сверху вниз и создают напор, который задается напорной системой 10 и контролируется по давлению воды датчиком 4 в верхнем штампе. Профильтрованная вода истекает через систему перелива 12 на уровне верхнего штампа, а вынесенные из образца 5 фильтрационным потоком частицы оседают в песколовке 8. Далее измеряют скорость фильтрационного потока, прошедшего через систему сбора 14, и вычисляют коэффициент фильтрации. После стабилизации фильтрационного процесса фильтрация останавливается (если это необходимо), песколовка 8 закрывается верхней заслонкой 7 и через нижнюю заслонку 9 вынесенный из образца 5 фильтрационным потоком грунт удаляют из песколовки 8 и определяют его гранулометрический состав и массу.
Затем нижняя заслонка 9 закрывается, песколовка 8 наполняется водой, открывается верхняя заслонка 7, и включается фильтрация при следующем необходимом напоре или при другом напряженно деформированном состоянии образца 5.
После проведения фильтрационно-суффозионных испытаний возможно определение характеристик прочности и деформируемости полученных после фильтрационных опытов образцов 5 крупнообломочного грунта.
Предлагаемая фильтрационная установка позволяет проводить исследования свойств грунтов с крупностью обломков до 80 мм, т.е. проводить испытания грунтовых материалов противофильтрационных элементов и переходных зон плотин натурного гранулометрического состава, при наряженно-деформированном состояние образцов 5 и фильтрационном режиме, близком к натурному.
Таким образом, достигается получение полного объема информации о фильтрационной устойчивости, характеристиках прочности и деформируемости грунтов натурного (или близкого к нему) гранулометрического состава в реальных условиях.