СПОСОБ ОТБОРА МОНОЛИТА ПОЧВОГРУНТОВ, ОБОГАЩЕННЫХ КАМЕНИСТЫМ МАТЕРИАЛОМ, ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
METHOD TO PICK MONOLITH OF SOILS ENRICHED WITH STONY MATERIAL, FOR FILTRATION TESTS

Изобретение относится к мелиорации земель и может быть использовано в исследованиях водопроницаемости каменистых почвогрунтов, а также при проведении инженерно-геологических и почвенно-мелиоративных изысканий для строительства и осушения земель, при использовании мелиорированных земель, осуществлении природоохранных мероприятий, например при устройстве противофильтрационной одежды отстойников из глинобетона, и при определении коэффициента фильтрации дренирующего слоя дорог.
По ГОСТ 12071-84 (п.1.1) монолит - это образец грунта ненарушенного (природного) сложения.
В Нечерноземной зоне, в районах распространения моренных отложений и на элювии коренных пород широко представлены почвы, профиль которых обогащен каменистым материалом. В этих условиях даже при относительно небольшом содержании в почвогрунтах каменистых отдельностей (порядка 10…20%) и при их размере 30…50 мм применение традиционных методов определения водно-физических и фильтрационных свойств почвогрунтов оказывается невозможным. Для определения плотности сложения каменистых почвогрунтов в естественном состоянии и их влажности и расчета их пористости известны методы, разработанные Ф.Р. Зайдельманом (Зайдельман Ф.Р. Мелиорация заболоченных почв Нечерноземной зоны РСФСР: Справочная книга. - М.: Колос, 1981. - С.53…56).
Для определения коэффициента фильтрации грунта известны прибор Дарси (Чугаев P.P. Гидравлика / Изд.2. - Л.: Энергия, 1971. - С.442…444) и способ определения коэффициента фильтрации крупнообломочных грунтов на насыпаемых в этот прибор грунтах: исследуемый грунт засыпают в цилиндр слоями и уплотняют трамбовкой (Патент SU 1641942 А1, Кл. E02D 1/00 и G01N 15/08, 1991 г.). Недостатком известных лабораторного устройства и способа является то, что при исследовании нарушается естественная структура грунта, что приводит к существенному снижению точности определения коэффициента фильтрации, как правило, к завышению его величины.
Известен способ определения коэффициента фильтрации в образцах грунта, помещенного в кольцо (цилиндр) прибора, снабженного системой подачи и отвода жидкости и измерения фильтрационного расхода и напора, которые служат затем для расчета величины коэффициента фильтрации (Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. - М.: Высшая школа, 1968. - С.168…172). Известно также развитие этого способа, заключающееся в создании восходящего фильтрационного потока, снижающего возможность влияния на водопроницаемость почвогрунта защемленного воздуха (Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1975. - С.110, 137).
Известны способы отбора монолита в вертикальном и горизонтальном направлениях путем вдавливания кольца с заостренным нижним торцом треугольной формы в почвогрунт или только в вертикальном направлении по принципу опускного колодца с тем лишь отличием, что почвогрунт выбирают с внешней стороны кольца-цилиндра. В почвогрунтах, обогащенных каменистым материалом, эти способы не применимы: при их применении существенно нарушается естественное сложение почвогрунтов. Поэтому в соответствии с ГОСТ 12071-84 (п.3.2.3) монолиты крупнообломочного грунта допускается отбирать способом насаживания тары на образец (прототип). Для отбора монолитов, у которых сохраняется форма без жесткой тары, в качестве тары используют режущее кольцо (ГОСТ 5180-84, п.3.2.2). При этом, как правило, между внутренней поверхностью цилиндра и внешней поверхностью монолита образуется щель значительных размеров, что создает значительные сложности при использовании такого монолита для определения коэффициента фильтрации.
Известно устройство для определения коэффициента фильтрации поверхностного слоя донных отложений водоема в полевых условиях (Патент RU 2015505 C1, Кл. G01N 15/08 и E02D 1/00, 1994 г.), в котором используют цилиндр с заостренным нижним торцом. Для устранения контактной фильтрации на внутренней стенке цилиндра закреплена эластичная оболочка, поверхность которой, обращенная внутрь цилиндра, покрыта слоем консистентной смазки с образованием герметизированного зазора, сообщенного с источником давления.
Рассматриваемое устройство предназначено для определения коэффициента фильтрации мелких по гранулометрическому составу донных отложений. При использовании эластичной оболочки для устранения контактной фильтрации при определении коэффициента фильтрации почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, на монолитах (см. ниже) контактную фильтрацию между оболочкой и почвогрунтом в полной мере устранить не удается. Она продолжает иметь место, что приводит к получению завышенного значения коэффициента фильтрации почвогрунта, обогащенного каменистым материалом.
Известен способ определения коэффициента фильтрации грунтового противофильтрационного экрана (А.с. SU 1625922 А1, Кл. Е02В 3/16, 1991 г.), в котором при отборе образцов в вертикальном направлении по принципу опускного колодца, для устранения контактной фильтрации, используют суспензию из более мелкодисперсного грунта, чем грунт образца. В случае почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, использование водного концентрированного раствора из глинистого грунта для заливки пристенного пространства, как и применение пленки, отмеченное выше, не дало положительного результата. Контактная фильтрация в связи со значительными размерами щели продолжала иметь место. Кроме этого как при применении пленки, так и концентрированного раствора из глинистого грунта трудно удержать монолит в цилиндре при его переносе.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в совершенствовании способа отбора монолита почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, для фильтрационных испытаний, исключающего пристенную (контактную) фильтрацию.
Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в повышении точности определения коэффициента фильтрации почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, на монолитах путем устранения погрешности, возникающей за счет изменения при отборе монолита водопроницаемости почвогрунта на контакте с жесткими стенками цилиндра, и повышении точности установления параметров мелиоративных систем и эффективности использования мелиорированных почв, а также в расширении зоны применения монолитов для определения коэффициента фильтрации на почвогрунты, обогащенные каменистым материалом.
Поставленная в изобретении задача решена тем, что способ отбора монолита почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, для фильтрационных испытаний осуществляют путем насаживания тары, в качестве которой используют режущий цилиндр, на монолит. Предварительно осуществляют отбор образца почвогрунта, для чего выбирают площадку и в центре ее отрывают круговую траншейку глубиной не менее чем на 25 мм меньшей высоты режущего цилиндра, опоясывающую нетронутый почвогрунт, представляющий по форме усеченный конус, диаметр верхнего основания которого на 10…15 см больше внутреннего диаметра режущего цилиндра, а диаметр нижнего основания большее внутреннего диаметра режущего цилиндра на 15…25 см, после чего из оставленного нетронутым почвогрунта вырезают монолит диаметром не менее чем на 6 мм меньшим внутреннего диаметра режущего цилиндра и высотой не менее чем на 25 мм меньшей высоты цилиндра, при этом цилиндр периодически надевают на монолит, используя его как шаблон для контроля за диаметром вырезаемого монолита, а после вырезания монолита и насаживания на него режущего цилиндра цилиндр вдавливают в почвогрунт пока его верхний край не сравняется с поверхностью монолита, после чего в пространство между внутренней поверхностью режущего цилиндра и внешней поверхностью монолита вставляют четыре Z-образные поддерживающие монолит пластины высотой, равной 3/4 высоты режущего цилиндра, равномерно распределяют их по периметру цилиндра и надевают на его верхний край, затем щель между внутренней поверхностью режущего цилиндра, монолитом почвогрунта и поддерживающими его пластинами заливают расплавленным водонепроницаемым материалом, имеющим низкую температуру плавления, например азакеритом, после чего монолит подрезают снизу по нижнему краю цилиндра, устанавливают его на твердую поверхность, упаковывают и доставляют к месту проведения фильтрационных испытаний.
При определении коэффициента фильтрации площадь фильтрации принимают соответствующей диаметру монолита почвогрунта, равному внутреннему диаметру цилиндра за вычетом удвоенной ширины щели и удвоенной глубины проникновения водонепроницаемого материала в почвогрунт монолита. Ширину щели и глубину проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт определяют после завершения фильтрационных работ в процессе разрушения монолита. При разрушении монолита почвогрунта водонепроницаемый материал не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.
В почвогрунтах, обогащенных каменистым материалом, монолит отбирают путем его вырезания. Известные методы вдавливания (задавливания) цилиндра и отбора монолита по принципу опускного колодца в каменистых почвогрунтах не обеспечивают отбор качественного образца и требуемой точности определения коэффициента фильтрации. Поэтому предложена следующая технология вырезки, отбора и подготовки монолита к фильтрационным испытаниям.
Выбирают площадку и на ней отрывают круговую траншейку глубиной не менее чем на 25 мм меньшей высоты цилиндра. В центре траншеи оставляют нетронутым почвогрунт, представляющий по форме усеченный конус, диаметр верхнего основания которого на 10…15 см больше внутреннего диаметра цилиндра, а диаметр нижнего основания - больше на 15…25 см.
Почвогрунт в виде усеченного конуса позволяет вырезать монолит без его повреждения, а цилиндр, выполняющий роль шаблона, - размером, близким к размеру цилиндра. По мере вырезания образца диаметром не менее чем на 6 мм меньшим внутреннего диаметра цилиндра цилиндр периодически опускают на образец. Причем продолжается это до тех пор, пока нижний торец цилиндра не достигнет дна траншейки.
Следует подчеркнуть, что при вырезании монолита в почвогрунтах, обогащенных каменистым материалом, по границе нижней кромки цилиндра, как правило, часто попадает каменистый материал, усложняющий вырезание монолита почвогрунта. При удалении каменистого материала на внешней поверхности образца остаются раковины. В результате поверхность монолита получается крайне неровной, выравнивание же ее ведет к большой щели между внутренней поверхностью цилиндра и монолитом.
После завершения вырезания монолита с указанными размерами на него надевают цилиндр, вдавливают цилиндр в почвогрунт пока его верхний край не сравняется с поверхностью монолита, в пространство между внутренней поверхностью цилиндра и внешней поверхностью монолита вставляют четыре Z-образные поддерживающие монолит пластины высотой, равной 3/4 высоты цилиндра, равномерно распределяют их по периметру цилиндра и надевают на его верхний край, затем щель между внутренней поверхностью цилиндра, поддерживающими монолит пластинами и монолитом почвогрунта заливают расплавленным водонепроницаемым материалом, имеющим низкую температуру плавления, например азакеритом - парафином с добавкой 35…50% по массе гудрона, монолит подрезают снизу по нижнему краю цилиндра, устанавливают его на пластину, упаковывают и доставляют в лабораторию для проведения фильтрационных испытаний.
При высокой наружной температуре воздуха и большой ширине щели возможно размягчение водонепроницаемого материала и сползание монолита по стенке цилиндра при его неосторожном переносе. Для устранения этого предусмотрена установка по периметру цилиндра четырех Z-образных поддерживающих монолит пластин.
Изобретение иллюстрируется чертежами, поясняющими заявляемый способ. На фиг.1 приведен вертикальный разрез на стадии завершения работ по вырезанию монолита: 1 - почвогрунт, обогащенный каменистым материалом 2, 3 - цилиндр. На фиг.2 - то же на стадии завершения работ по задавливанию цилиндра 3 на полную глубину и установки поддерживающих монолит четырех Z-образных пластин 4, равномерно распределенных по периметру цилиндра 3. На фиг.3 - то же на стадии завершения работ по заливке водонепроницаемым материалом 5 щели между внутренней поверхностью цилиндра 3, монолитом почвогрунта и поддерживающими его пластинами 4.
Заявляемый способ отбора монолита почвогрунтов, обогащенных каменистым материалом, для фильтрационных испытаний включает следующие операции:
1. Выбор площадки и отрывку круговой траншейки глубиной не менее чем на 25 мм меньшей высоты цилиндра. В центре траншейки оставляют нетронутым почвогрунт, представляющий по форме усеченный конус, диаметр верхнего основания которого на 10…15 см больше внутреннего диаметра цилиндра, а диаметр нижнего основания - больше на 15…25 см.
2. Вырезание из оставленного нетронутым почвогрунта монолита диаметром не менее чем на 6 мм меньшим внутреннего диаметра цилиндра и высотой не менее чем на 25 мм меньшей высоты цилиндра (фиг.1). При этом цилиндр периодически надевают на монолит, используя его как шаблон для контроля за диаметром вырезаемого монолита.
3. Насаживание режущего цилиндра 3, после достижения нижней кромкой вырезаемого монолита дна круговой траншейки, на монолит.
4. Вдавливание цилиндра 3 в почвогрунт, чтобы верхний край цилиндра сравнялся с поверхностью монолита (фиг.2). Это исключает возможность утечки заливаемого расплавленного водонепроницаемого материала (см. ниже п.6) за пределы цилиндра.
5. Вставляют в пространство между внутренней поверхностью режущего цилиндра и внешней поверхностью монолита четыре Z-образные поддерживающие монолит пластины 4 высотой, равной 3/4 высоты режущего цилиндра, равномерно распределяют их по периметру цилиндра и надевают на его верхний край.
6. Щель между внутренней поверхностью цилиндра, монолитом почвогрунта и поддерживающими его пластинами, имеющую ширину не менее 3 мм, заливают расплавленным водонепроницаемым материалом 5 с низкой температурой плавления (фиг.3).
7. Подрезают монолит снизу по нижнему краю цилиндра, устанавливают его на твердую поверхность, упаковывают, доставляют к месту проведения фильтрационных испытаний.
Проводят фильтрационные работы, после их завершения демонтируют фильтрационный прибор, разрушают монолит почвогрунта, устанавливая при этом по толщине водонепроницаемого материала, залитого между внутренней поверхностью цилиндра и монолитом почвогрунта, ширину щели, а по проникновению водонепроницаемого материала в почвогрунт - его глубину; водонепроницаемый материал не выбрасывают, а оставляют для повторного использования; определяют площадь фильтрации жидкости через монолит почвогрунта и рассчитывают значения коэффициента фильтрации.
Заявляемый способ применен при определении коэффициента фильтрации более 500 монолитов нуждающихся в осушении почвогрунтов Тверской области, обогащенных каменистым материалом. Определение коэффициента фильтрации почвогрунта на монолитах, отобранных по предлагаемому способу и известному способу путем вдавливания цилиндра в почвогрунт, подтвердило исключение, при применении предлагаемого способа, влияния контактной фильтрации на конечный результат. Величина коэффициента фильтрации для суглинистых нуждающихся в осушении каменистых почвогрунтов, установленная на монолитах, отобранных предлагаемым способом, как правило, в 3 и более раз ниже, чем установленная на монолитах, отобранных способом вдавливания цилиндра в почвогрунт, что, безусловно, влияет на точность установления параметров осушительных систем и эффективность использования осушенных земель.