Вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство для испытаний слоев крупнообломочного грунтового и негрунтового строительного материала
VERTICAL FILTRATION-SUFFUSION DEVICE FOR TESTING LAYERS OF MACROFRAGMENTAL SOIL AND NON-SOIL CONSTRUCTION MATERIAL

Изобретение относится к области гидротехнического, дорожного, гражданского и промышленного строительства и может быть использовано при проектном обосновании устойчивости слоев конструкции и грунтовых материалов обратных фильтров дренажных систем и др. конструкций, включающих последовательно уложенные слои крупнообломочного материала.
Известен горизонтальный лоток для испытаний водопроницаемости несвязного грунта, как в напорных условиях фильтрации, так и безнапорной фильтрации воды в грунте, состоящий из рабочей камеры в виде открытой сверху прямоугольной коробки, выполненной из прозрачного материала, к торцевым решетчатым стенкам которой присоединены: с одной стороны - камера верхнего бьефа, а с другой - камера нижнего бьефа с отстойником и водосливом, в противоположной стенке которого имеются отверстия с присоединенными к ним пьезометрами (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. Π 49-90, ВНИИГ, Ленинград, 1991, С. 41-42).
Недостатками аналога являются: определение водопроницаемости возможно только при горизонтальном направлении фильтрационного потока; невозможно проведение испытаний при нисходящем и восходящем фильтрационном потоке.
Известен вертикальный фильтрационно-суффозионный прибор, предназначенный для испытаний на водопроницаемость и фильтрационную прочность несвязных грунтов с нарушенной структурой, состоящий из рабочей (фильтрационной) камеры цилиндрической формы; неподвижной опорной решетки, расположенной в нижней части рабочей камеры, уложенной на опорную решетку латунной сетки; конического отстойника; пескосборника, присоединенного к отстойнику; патрубка для выпуска профильтровавшейся через грунт воды (при нисходящей фильтрации) или для ее впуска (при восходящей фильтрации); приспособления для поддержания на постоянной отметке уровня вытекающей из прибора воды; подвижной нагрузочной решетки; штока, передающего нагрузку от силового домкрата; устройства для измерения деформаций сжатия образца несвязного грунта (индикатор часового типа); датчика давления; расходомера; емкости для воды; насоса; бачка верхнего бьефа и бачка нижнего бьефа; трубы для наполнения водой емкости; приспособления для выпуска воздуха из верхнего отсека рабочей камеры; крышки рабочей камеры; приспособления для создания и измерения напора воды, подаваемой в рабочую камеру; тройниковых краников для регулирования поступления воды в пьезометры и выпуска из них воздуха; трубчатых пьезометров (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: Π 49-90/ВНИИГ. 1991, С. 38-40).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются: малый диаметр рабочей камеры, не позволяющий проведение испытаний крупнообломочных грунтов фракций более 50 мм (размер наиболее крупных частиц в грунте (образце) не должен превышать одной четверти диаметра рабочей камеры прибора), невозможность извлечения для дальнейших исследований ненарушенных образцов из каждого слоя испытываемого крупнообломочного грунта после проведения испытаний по определению водопроницаемости, суффозионности и непросыпаемости последовательно уложенных в рабочую камеру слоев грунта, моделирующих слои обратного фильтра дренажа или другую конструкцию, включающую последовательно уложенные слои крупнообломочного материала.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности, точности и результативности лабораторных исследований.
Для достижения указанного технического результата в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве для испытаний слоев крупнообломочного грунтового и негрунтового строительного материала, состоящем из фильтрационной камеры цилиндрической формы, соединенной с отстойником и скрепленной со стационарной опорной рамой, верхнего и нижнего патрубков для выпуска профильтровавшейся через грунт воды при нисходящей фильтрации или для ее впуска при восходящей фильтрации, расположенных в верхней и нижней части фильтрационной камеры, подвижной нагрузочной решетки, штока, передающего нагрузку от силового домкрата, соединенного со стационарной опорной рамой, индикатора часового типа для измерения деформации сжатия образца грунта, скрепленного со штоком, датчика давления, приспособления для выпуска воздуха, крышки фильтрационной камеры, тройниковых краников для регулирования поступления воды в трубчатые пьезометры и выпуска из них воздуха, подвижная опорная решетка снабжена, по крайней мере, двумя подъемными тросами, выполненными из металла гибкой многожильной структуры, за которые с помощью поперечного коромысла, ее извлекают из фильтрационной камеры вместе с уложенными на нее слоями образцами крупнообломочного грунта при помощи лебедки, скрепленной со стационарной опорной рамой, при этом подвижная опорная решетка скреплена с секционной телескопической полой цилиндрической опорой, ограничивающей объем испытываемых образцов крупнообломочного грунта, секции секционной телескопической полой цилиндрической опоры скреплены между собой металлическими шпильками.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше прототипа являются:
наличие подвижной опорной решетки,
наличие двух подъемных тросов, выполненных из металла гибкой многожильной структуры и скрепленных с подвижной опорной решеткой,
наличие поперечного коромысла, для равномерного распределения нагрузки на подъемные тросы,
наличие полой секционной телескопической цилиндрической опоры,
наличие стационарной опорной рамы для закрепления нагрузочного домкрата и лебедки.
Благодаря наличию этих признаков, возможно выполнение моделирования устойчивости слоев обратного фильтра дренажа или др. аналогичных конструкций, включающих последовательно уложенные слои крупнообломочного материала, с возможностью определения фильтрационно-суффозионной устойчивости слоев принятой в проекте конструкции и грунтовых материалов (коэффициента фильтрации, суффозионной устойчивости, соблюдения условия непросыпаемости грунта). После проведения испытаний в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве образцы грунта извлекают из устройства послойно, таким образом, чтобы обеспечить возможность отбора пробы грунта из средней части каждого слоя для определения гранулометрического состава.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет испытывать слои грунта разной высоты и извлекать образцы испытанных слоев грунта, соблюдая нормы подъема груза на одного человека, не перемешивая, таким образом, чтобы обеспечить возможность отбора пробы крупнообломочного фунта из средней части каждого слоя для определения гранулометрического состава с целью оценки соблюдения условия непросыпаемости грунта испытываемых слоев. Полученные гранулометрические составы испытанных грунтов сравнивают с гранулометрическими составами исходных грунтов и оценивают характер их изменения с целью прогнозирования развития суффозионных процессов в слоях обратного фильтра или других конструкций, включающих последовательно уложенные слои крупнообломочного материала.
Вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство позволяет учесть действующие величины нагрузок и воздействий в конструкциях элементов грунтовых гидротехнических сооружений при вертикальной схеме движения фильтрационного потока - восходящий и нисходящий поток.
Предлагаемое фильтрационно-суффозионное устройство для испытаний слоев крупнообломочного грунтового и негрунтового строительного материала иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4 и фотографией на фиг. 5.
На фиг. 1 показана схема вертикального фильтрационно-суффозионного устройства.
На фиг. 2 - схема начала подъема подвижной опорной решетки, скрепленной с секционной телескопической полой цилиндрической опорой, ограничивающей объем испытываемых образцов крупнообломочного грунта.
На фиг. 3 - схема окончания подъема подвижной опорной решетки, скрепленной с секционной телескопической полой цилиндрической опорой.
На фиг. 4 - схема секционной телескопической полой цилиндрической опоры.
На фиг. 5 - вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство для испытаний слоев крупнообломочного грунтового и негрунтового строительного материала в ходе проведения испытаний.
Вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство состоит из отстойника 1, присоединенного к фильтрационной камере 2, имеющей цилиндрическую форму, подвижной опорной решетки 3, латунных сеток 4, образцов крупнообломочного грунта 5, уложенных слоями, подвижной нагрузочной решетки 6, крышки 7 фильтрационной камеры 2, приспособления для выпуска воздуха 8, индикатора часового типа 9, для измерения деформации сжатия образца крупнообломочного грунта 5, датчика давления 10, например, динамометра, силового домкрата 11, лебедки 12, штока 13, скрепленного с индикатором часового типа 9 и передающего нагрузку от силового домкрата 11, верхнего патрубка 14, подвижной опорной решетки 3, снабженной двумя подъемными тросами 15 из металла гибкой многожильной структуры, трубчатых пьезометров 16, тройниковых краников 17 для регулирования поступления воды в трубчатые пьезометры 16 и выпуска из них воздуха, стационарной опорной рамы 18, с которой скреплены фильтрационная камера 2, датчик давления 10 и лебедка 12, секционной телескопической полой цилиндрической опоры 19, поперечного коромысла 20, через верхний 14 и нижний 21 патрубки выпускают воду, профильтровавшуюся сквозь слои образцов крупнообломочного грунта 5, секции секционной телескопической полой цилиндрической опоры 19 скреплены между собой металлическими шпильками 22.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Проводят загрузку исследуемых образцов крупнообломочного грунта 5. Для этого отстойник 1 соединяют с фильтрационной камерой 2, скрепленной со стационарной опорной рамой 18, образцы крупнообломочного грунта 5, помещают в фильтрационную камеру 2, укладывая их слоями на латунную сетку 4, размещенную на подвижной опорной решетке 3, снабженной двумя подъемными тросами 15 и скрепленной с секционной телескопической полой цилиндрической опорой 19, секции которой соединены между собой металлическими шпильками 22, на поверхность испытываемых образцов крупнообломочного грунта 5 укладывают еще одну латунную сетку 4 и устанавливают подвижную нагрузочную решетку 6, закрывают крышкой 7 фильтрационную камеру 2.
Грунт 5 до испытаний на водопроницаемость подвергают уплотнению расчетным давлением, регистрируемым датчиком давления (динамометром) 10, при помощи силового домкрата 11, соединенного со стационарной опорной рамой 18 и установленного на штоке 13, фиксируя при этом деформацию грунта 5 (осадку подвижной нагрузочной решетки 6) при помощи индикатора часового типа 9, скрепленного со штоком. Выполняют водонасыщение образцов крупнообломочного грунта 5 дистиллированной или кипяченой водой, которую для этого подают с капельным расходом в фильтрационную камеру 2 через нижний патрубок 21. Во время замачивания образцов крупнообломочного грунта 5 открывают выпускные отверстия тройниковых краников 17, облегчая тем самым выдавливание воздуха из грунта 5.
Затем в фильтрационную камеру 2 подают воду с напором, соответствующим минимальному для данного вида испытаний. При проведении испытания при нисходящем направлении фильтрации воду подают через верхний патрубок 14, расположенный в верхней части фильтрационной камеры 2, вода, профильтровавшаяся через размещенные в устройстве уложенные слоями образцы крупнообломочного грунта 5, отводится через нижний патрубок 21. При проведении испытания при восходящем направлении фильтрации воду подают через нижний патрубок 21, расположенный в нижней части фильтрационной камеры 2, вода, профильтровавшаяся через размещенные в устройстве уложенные слоями образцы крупнообломочного грунта 5, отводится через верхний патрубок 14.
Расход воды, профильтровавшейся при некотором ее напоре, через размещенные в устройстве уложенные слоями образцы крупнообломочного грунта 5, измеряют тем или иным стандартным способом, измерение напора в опыте проводят по трубчатым пьезометрам 16. Воздух из устройства выпускают через специально устроенное приспособление 8. Вынесенные фильтрационным потоком и просыпавшиеся из образцов крупнообломочного грунта 5 частицы задерживаются в отстойнике 1. После проведения испытаний крупнообломочный грунт 5 послойно извлекают из фильтрационной камеры 2. Для этого два подъемных троса 15, скрепленных с подвижной опорной решеткой 3, закрепляют на поперечном коромысле 20 и извлекают ее из фильтрационной камеры 2 вместе с уложенными на нее слоями образцами крупнообломочного грунта 5 при помощи лебедки 12, установленной на стационарной опорной раме 18.
Поперечное коромысло 20 служит для равномерного распределения нагрузки на подъемные тросы 15 во избежание перекоса при их натяжении в ходе подъема подвижной опорной решетки 3 с уложенными слоями образцами крупнообломочного грунта 5. Образцы грунта 5 извлекают из устройства послойно, таким образом, чтобы обеспечить возможность отбора пробы крупнообломочного грунта 5 из средней части каждого слоя для определения гранулометрического состава с целью оценки соблюдения условия непросыпаемости грунта испытываемых слоев. Полученные гранулометрические составы испытанных грунтов сравнивают с гранулометрическими составами исходных грунтов и оценивают характер их изменения с целью прогнозирования развития суффозионных процессов в слоях обратного фильтра или других конструкций, включающих последовательно уложенные слои крупнообломочного материала. При окончании испытаний получают значение коэффициента фильтрации, оценку суффозионной устойчивости и оценку соблюдения условия непросыпаемости слоев грунта с учетом действующих величин нагрузок и воздействий в конструкциях элементов грунтовых, например, гидротехнических сооружений.