Способ исследования водопроницаемости и суффозионной устойчивости модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, состоящей из грунта и противофильтрационного геосинтетического материала (геомембраны)
METHOD FOR STUDYING WATER PERMEABILITY AND SUFFUSION RESISTANCE OF A MODEL OF A STRUCTURAL UNIT OF A GROUND HYDRAULIC STRUCTURE, CONSISTING OF SOIL AND AN ANTI-FILTRATION GEOSYNTHETIC MATERIAL (GEOMEMBRANE)

Изобретение относится к области строительства, в частности гидротехнического, гражданского и промышленного, и может быть использовано при проектном обосновании противофильтрационных элементов: экрана, понура, диафрагмы и др. комбинированных конструкций, включающих контакт грунтов, как связных, так и несвязных, и геосинтетического материала (геомембраны).
Известен способ испытания грунта на суффозионную устойчивость - размыв грунта потоком воды в трещине или щели. Для проведения испытаний образец грунта в виде бруска с выровненной верхней гранью укладывают в кассету суффозионного щелевого лотка, фиксируя положение образца в кассете с помощью твердеющего раствора, закрывают лоток крышкой, устанавливая между образцом и крышкой заданное начальное раскрытие щели. Увеличивают напор потока в щели до прогнозируемых значений этого параметра в конструкции, наблюдают через прозрачную крышку лотка за состоянием поверхности образца, контролируя щелемерами раскрытие щели, а также ее проницаемость, характеризуемую средней скоростью потока при данном градиенте напора, который определяют по показаниям пьезометров. (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: П 49-90/ВНИИГ. 1991, стр. 72)
Недостатками аналога являются: определение суффозионной устойчивости к контактному размыву возможно только при горизонтальном направлении фильтрационного потока; начальная ширина раскрытия щели задается искусственно, а не формируется воздействием фильтрационного потока; невозможность проведения испытаний моделей элементов гидротехнических сооружений, включающих кроме грунтовых материалов геомембрану; испытываемый грунт должен быть полускальным или обладать хотя бы низкой связностью (индекс пластичности более 0,03).
Известен способ проведения испытаний грунта на контактный размыв в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве, в который на нижнюю сетку, лежащую на неподвижной опорной решетке, расположенной в нижней части рабочей (фильтрационной) камеры, укладывают подстилающий слой грунта, подобранного по крупности частиц (слой гравия крупностью 5-7 мм), поверх грунта укладывают образец (модель элемента конструкции), включающий мелкозернистый и крупнозернистый грунт, при укладке формируют четкое вертикальное сопряжение грунтов путем укладки между ними тонкой пластинки, которую после формирования образца извлекают, сверху сформированного образца укладывают грунтовую пригрузку, которая должна быть менее проницаема, чем крупнозернистый грунт исследуемого образца, затем укладывают верхнюю сетку и подвижную нагрузочную решетку, на которую при помощи силового домкрата, передается заданная нагрузка, 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, оценивают изменение проницаемости элемента конструкции, характеризуемое средней скоростью потока при данном градиенте напора, кроме того визуально оценивают состояние вертикальной границы между исследуемыми грунтами различной крупности. (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: П 49-90/ВНИИГ. 1991, стр. 66).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данный способ исследований выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что исследованию подвергаются только несвязные грунты, способ не предполагает проведение испытаний модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, включающей геосинтетический материал (геомембрану).
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 грунта и противофильтрационного геосинтетического материала (геомембраны), включающем размещение модели элемента конструкции, уложенной на нижнюю сетку, лежащую на неподвижной опорной решетке, расположенной в нижней части фильтрационной камеры, установку поверх модели элемента конструкции верхней сетки, затем подвижной нагрузочной решетки, на которую при помощи устройства для передачи нагрузки, передается заданная нагрузка, 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, визуальную фиксацию наличия суффозионных процессов на границе раздела исследуемых материалов, внутри фильтрационной камеры, размещают модель элемента конструкции, содержащей образец геомембраны прямоугольной формы, имеющий размер, соответствующий по ширине диаметру фильтрационной камеры, обеспечивая плотное прилегание боковых торцов образца геомембраны к стенкам фильтрационной камеры, нижний торец образца геомембраны размещают на прослой исследуемого грунта, как связного, так и несвязного, толщиной не менее 2 см, уложенного на нижнюю сетку, образец геомембраны размещают вертикально в средней части по оси фильтрационной камеры, затем укладывают грунт с уплотнением с двух сторон от образца геомембраны до верхнего ее торца и верхний прослой грунта таким образом, чтобы толщина слоя грунта между верхним торцом образца геомембраны и верхней сеткой составляла не менее 2 см, и устанавливают подвижную нагрузочную решетку.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются: размещение внутри фильтрационной камеры модели элемента конструкции, содержащей образец геомембраны прямоугольной формы с размером соответствующим по ширине диаметру фильтрационной камеры, обеспечение плотного прилегание боковых торцов образца геомембраны к стенкам фильтрационной камеры, размещение нижнего торца образца геомембраны на прослой исследуемого грунта, как связного, так и несвязного, толщиной не менее 2 см, уложенного на нижнюю сетку, размещение образца геомембраны вертикально в средней части по оси фильтрационной камеры, укладка грунта с уплотнением с двух сторон от образца геомембраны до верхнего ее торца и верхнего прослоя грунта таким образом, чтобы толщина слоя грунта между верхним торцом образца геомембраны и верхней сеткой составляла не менее 2 см, установка подвижной нагрузочной решетки.
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), а также возможно исследование на водопроницаемость и суффозионную устойчивость модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, включающего кроме грунта, как связного, так и несвязного, геосинтетический материал (геомембрану).
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2 и фотографиями на фиг. 3-5.
На фиг. 1 показана схема подключения вертикального фильтрационно-суффозионного устройства при нисходящем направлении воды.
На фиг. 2 - схема подключения вертикального фильтрационно-суффозионного устройства при восходящем направлении воды.
На фиг. 3 - процесс укладки модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения, состоящей из грунта и противофильтрационного геосинтетического материала (геомембраны) в фильтрационную камеру.
На фиг. 4 - фильтрационная камера, с уложенной в нее моделью элемента конструкции.
На фиг. 5 - проведение фильтрационно-суффозионных исследований модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения включающего грунт, и геосинтетический материал (геомембрану).
На схеме показаны: образец геомембраны 1, фильтрационная камера 2, нижняя сетка 3, неподвижная опорная решетка 4, прослой исследуемого грунта 5, верхняя сетка 6, подвижная нагрузочная решетка 7, фланцевое соединение 8, бачок верхнего бьефа 9, насос 10, емкость для воды 11, труба 12, устройство для передачи нагрузки 13, датчик нагрузки 14, бачок 15 нижнего бьефа, верхний патрубок 16, нижний патрубок 17, расходомер 18, пескосборник 19, датчик измерения температуры воды 20, трубчатый пьезометр 21, приспособление для выпуска воздуха 22, датчик линейных перемещений 23.
Способ осуществляется следующим образом.
Проводят загрузку исследуемой модели элемента конструкции в прибор. Для этого в фильтрационную камеру 2, герметично соединенную с коническим отстойником путем стяжки фланцевого соединения 8 по периметру при помощи болтов, на нижнюю сетку 3, размещенную на неподвижной опорной решетке 4, насыпают слой грунта 5, толщиной не менее 2 см. Образец геомембраны 1 прямоугольной формы, имеющий размер, строго соответствующий по ширине диаметру фильтрационной камеры 2, размещают внутри фильтрационной камеры 2, обеспечивая плотное прилегание боковых торцов образца геомембраны 1 к стенкам фильтрационной камеры 2. При этом нижний торец образца геомембраны 1 размещают на прослой исследуемого грунта 5, уложенного ранее на нижнюю сетку 3, а сам образец геомембраны 1 размещают вертикально в средней части по оси фильтрационной камеры 2, затем укладывают грунт 5 с уплотнением с двух сторон от образца геомембраны 1 до верхнего ее торца. После этого укладывают верхний прослой грунта 5 таким образом, чтобы толщина слоя грунта 5 между верхним торцом образца геомембраны 1 и верхней сеткой 6 составляла не менее 2 см, и устанавливают подвижную нагрузочную решетку 7.
Исследование фильтрационно-суффозионных свойств модели элемента конструкции проводят следующим образом. Воду в бачок верхнего бьефа 9 подают насосом 10 из емкости для воды 11, куда она поступает по трубе 12. В фильтрационную камеру 2 подают из бачка верхнего бьефа 9 воду с напором, соответствующим минимальному из применяемых в испытаниях. Выполняют нагружение комбинированного образца устройством для передачи нагрузки 13, фиксируя нагрузку датчиком нагрузки 14. Перемещение подвижной (нагрузочной) решетки 6 фиксируют датчиком линейных перемещений 23. Фильтрационная камера 2 соединена с бачками 9 и 15 верхнего и нижнего бьефов через верхний 16 и нижний 17 патрубки. При проведении испытания при нисходящем направлении фильтрационного потока бачок верхнего бьефа 9 подключается к верхнему патрубку 16, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 2, а бачок нижнего бьефа 15 подключается к нижнему патрубку 17, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 2. Частицы грунта, профильтровавшиеся через модель элемента конструкции при нисходящем направлении фильтрационного потока, падают в пескосборник 19.
При проведении опытов с восходящим направлением фильтрационного потока: бачок верхнего бьефа 9 подключают к нижнему патрубку 17, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 2, а бачок нижнего бьефа 15 подключают к верхнему патрубку 16, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 2. Вода, профильтровавшаяся через размещенную в устройстве модель элемента конструкции, состоящей из образца грунта 5 и образца геомембраны 1, отводится через расходомер 18 в емкость для воды 11.
Температуру воды в емкости 11 определяют по датчику измерения температуры воды 20, расход профильтровавшейся через модель элемента конструкции воды, определяют по расходомеру 18, измерение напора в опыте проводят по трубчатым пьезометрам 21, подсоединенным к бачкам 9 и 15 верхнего и нижнего бьефов, нагрузку на грунт определяют по датчику нагрузки 14. Воздух из устройства выпускают через приспособление для выпуска воздуха 22.
Благодаря наличию этих признаков в лабораторных условиях возможно проведение фильтрационно-суффозионных исследований модели элемента конструкции грунтового гидротехнического сооружения включающего как связный, так и несвязный грунт, и геосинтетический материал (геомембрану), используемый в качестве противофильтрационного элемента, 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.