ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ЛОТОК ИСТИННОГО ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Полезная модель относится к области гидротехнического строительства, в частности для экспериментальных фильтрационно-суффозионных исследований и работ по определению статических прочностных и деформационных характеристик крупнообломочных грунтов в условиях истинного трехосного сжатия с целью повышения надежности и безопасности работы грунтовых гидротехнических сооружений.
Известен прибор для определения прочности и деформируемости грунтов в условиях трехосного сжатия, включающий корпус с помещенной внутри него эластичной оболочкой с испытуемым образцом грунта, гидропривод и измерительную аппаратуру, корпус выполнен из имеющих каналы блоков, образующих обращенными друг к другу частями полость, разделенную элементами эластичной оболочки на изолированное пространство в форме куба для образца грунта и отсеки для обжимающей со всех сторон образец грунта рабочей жидкости, подаваемой в них от гидропривода через каналы блока (АС СССР №211849, опубл. 19.02.1968 г., БИ №8).
Недостатками аналога являются небольшие размеры рабочей камеры, не позволяющие исследовать крупнообломочные грунты натурного гранулометрического состава, и отсутствие возможности исследования фильтрационно-суффозионных характеристик грунтов.
Известно устройство для испытания образцов на трехосное сжатие, содержащее нагрузочные приспособления, рабочую камеру, стенки которой образованы плоскими трехгранными элементами, размещенными в углах камеры с возможностью перемещения один относительно другого, и нажимными плитами, размещенными между нагрузочными приспособлениями и трехгранными элементами, и систему измерения деформаций, дополнительно снабженное нажимными плитами по количеству основных, жестко связанными с последними и размещенными с внутренней стороны стенок камеры, и плоскими промежуточными элементами, установленными по четыре на каждой стенке камеры между основными нажимными планками и трехгранными элементами с возможностью перемещения вместе с ними, соединенными по ребрам камеры между собой и сужающимися по направлению к центру каждой стенки (АС СССР №938084, опубл. 23.06.1982 г., БИ №23).
Недостатками аналога являются небольшие размеры рабочей камеры, не позволяющие исследовать крупнообломочные грунты натурного гранулометрического состава, и отсутствие возможности исследования фильтрационно-суффозионных характеристик грунтов.
Известна фильтрационная установка вертикального типа, предназначенная для проведения испытаний грунтов с крупностью частиц до 20 мм, состоящая из прозрачного цилиндра диаметром 150 и высотой 250 мм, крышки, в которой установлен термометр и шток для создания давления в вертикальном направлении, напор воды осуществляется самотеком из напорного бака, поднятого на требуемую высоту, резервуар нижнего бьефа установлен таким образом, что образец грунта всегда находится в затопленном состоянии, в нижней части прибора расположен конический отстойник с патрубком, на который надета мензурка (песколовка) (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, 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.
Недостатками аналога являются отсутствие возможности проведения фильтрационно-суффозионных испытаний образцов в реальных напряженно-деформированных состояниях, так как нагружение образца возможно только в вертикальном направлении и ограничение крупности частиц исследуемого грунта только до 20 мм, что недостаточно для определения фильтрационно-суффозионных характеристик крупнообломочных грунтов.
Известен горизонтальный фильтрационно-суффозионный лоток длиной 300 мм и высотой 250 мм, состоящий из прямоугольной рабочей камеры открытой сверху, к торцевым решетчатым стенкам которой присоединены с одной стороны - фор-камера, куда подают воду, а с другой - отстойник с водосливом, в прямоугольную рабочую камеру сверху вставлен массивный поршень, с помощью которого на грунт передается вертикальное сжимающее усилие, воспринимаемое от гидроцилиндра или рычажного устройства (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, П 12-83 «Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость, 1983, Рис. 28»). Иногда сжимающее давление создают при помощи «гидравлической подушки», в связи с чем, рабочую камеру лотка плотно закрывают крышкой, под которой укладывают «подушку».
По числу сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Недостатками прототипа являются относительно небольшие размеры рабочей камеры не позволяющие исследовать крупнообломочные грунты натурного гранулометрического состава и возможность нагружения образца только в одном вертикальном направлении.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, состоит в определении фильтрационно-суффозионных, прочностных и деформационных характеристик грунтов натурного гранулометрического состава при натурном напряженно деформированном состоянии, и повышении надежности и безопасности работы грунтовых гидротехнических сооружений.
Для достижения указанного технического результата в фильтрационном лотке истинного трехосного сжатия, содержащем открытую сверху прямоугольную рабочую камеру, к торцевым решетчатым стенкам которой присоединены с одной стороны фор-камера для подачи воды, а с другой - отстойник с водосливом, сверху прямоугольная рабочая камера закрыта массивным поршнем, с помощью которого на грунт передается вертикальное сжимающее усилие, воспринимаемое от гидроцилиндра, прямоугольная рабочая камера, для образца крупнообломочного грунта с крупностью частиц до 120 мм, с жесткими, подвижными стенками, размещена в меняющем угол наклона корпусе с системой возвратных гидроцилиндров подвижных стенок и силовым блоком, обеспечивающим независимое регулирование и длительное поддержание заданных усилий по всем трем осям сжатия образца грунта, к верхнему торцу которого, выполнен подвод воды от напорной системы с двумя емкостями работающими поочередно, со стороны нижнего торца оборудованы система перелива, с регулировкой высоты подъема и установленным на уровне перелива датчиком давления воды на входе фильтрационного потока в образец, а так же песколовка с тремя камерами, расположенными под разными углами к оси образца, для сбора и выемки осадка при наклоне фильтрационного лотка от 0 до 90° к горизонту, с двумя заслонками каждая, одна заслонка перекрывает поступление фильтрационного потока в нее, а через вторую вынимают осадок, без остановки процесса фильтрации.
Кроме того, заявленное решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
прямоугольная рабочая камера, песколовка и емкости напорной системы, имеющие контакт с водой, изготовлены из коррозионностойкой нержавеющей стали марки, например, 12Х18Н10Т или 40X13 и других материалов, стойких к длительному воздействию агрессивных сред.
Отличительными признаками предлагаемого фильтрационного лотка от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются размещение прямоугольной рабочей камеры для образца крупнообломочного грунта с крупностью частиц до 120 мм, с жесткими, подвижными стенками в меняющем угол наклона корпусе с системой возвратных гидроцилиндров подвижных стенок и силовым блоком независимого регулирования и длительного поддержания заданных усилий по всем трем осям сжатия образца грунта; выполнение подвода воды от напорной системы с двумя емкостями, работающими поочередно к верхнему торцу образца грунта; оборудование со стороны нижнего торца образца грунта системы перелива, с регулировкой высоты подъема и установленным на уровне перелива датчиком давления воды на входе фильтрационного потока в образец, а так же песколовки с тремя камерами, расположенными под разными углами к оси образца; выполнение каждой камеры песколовки с двумя заслонками, одна - перекрывает поступление фильтрационного потока в нее, через вторую вынимают осадок без остановки процесса фильтрации.
Благодаря наличию этих признаков возможно проведение крупномасштабных испытаний с целью определения фильтрационно-суффозионных, прочностных и деформационных характеристик крупнообломочных грунтов натурного гранулометрического состава для повышения точности прогноза поведения увлажненных грунтов под нагрузкой в реальных условиях; испытание грунтов с максимальным размером частиц до 120 мм дает возможность исследовать характеристики грунтовых материалов противофильтрационных элементов и переходных зон плотин натурного гранулометрического состава и модельных смесей материалов упорных призм с гранулометрическим составом наиболее близким к натурному; независимое регулирование усилия по всем трем осям сжатия образца и обеспечение длительного поддержания заданных значений усилий сжатия; изменение угла наклона фильтрационного лотка от 0 до 90° к горизонту позволяет исследовать различные варианты направления фильтрационного потока на границах сопряжения разных типов грунтов; реализация в опытах натурного напряженно-деформированного состояния образца возникающих на практике в основании и теле гидротехнических сооружений; напорная система с двумя емкостями, работающими поочередно, способна в непрерывном режиме длительно поддерживать фильтрационный поток практически во всем диапазоне возникающих на практике градиентов напора; конструкция прямоугольной рабочей камеры обеспечивает плоскопараллельное перемещение стенок независимо от неравномерности сопротивления сжатого грунта, что позволяет легко измерять осевую и боковые деформации образца по перемещениям стенок; конструкция песколовки с тремя камерами, имеющими по две заслонки каждая, обеспечивает сбор и выемку вынесенных фильтрационным потоком частиц грунта во всем диапазоне углов наклона фильтрационного лотка без остановки процесса фильтрации.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показана схема фильтрационного лотка истинного трехосного сжатия.
1
2
3
1
2
3
На фиг. 2 - схема плоскопараллельного перемещения подвижных стенок прямоугольной рабочей камеры для случая истинного трехосного сжатия образца крупнообломочного грунта (σ≠σ≠σ≠0, ε≠ε≠ε≠0).
1
2
1
2
3
3
Фильтрационный лоток истинного трехосного сжатия (фиг. 1) содержит датчик давления 1 фильтрационного потока на левой торцевой поверхности образца (верхний бьеф), гидроцилиндр 2 для создания осевой нагрузки (σ), напорную систему 3 для создания фильтрационного потока воды, датчик боковых перемещений (ε) 4, датчик осевых перемещений (ε) 5, корпус 6 с силовым блоком, гидроцилиндры для создания боковой нагрузки (σ) 7, гидроцилиндры для создания боковой нагрузки (σ) 8, датчик боковых перемещений (ε) 9, перелив 10 (нижний бьеф), песколовку 11 с тремя камерами, каждая из которых имеет по две заслонки верхнюю и нижнюю, систему сбора и измерения объема 12 профильтровавшейся воды, поворотные гидроцилиндры 13 для наклона лотка от 0 до 90° к горизонту, гидромонтажи 14 с трубами, рукавами и кабель-траком, гидростанцию 15, пульт управления и регистрации 16 параметров с электрооборудованием, раму с кронштейнами 17 для установки лотка, прямоугольную рабочую камеру 18 с подвижными в направляющих стенками, образец 19 крупнообломочного грунта, систему возвратных гидроцилиндров 20.
Работа фильтрационного лотка истинного 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).
Образец крупнообломочного грунта 19, заданной плотности, влажности и необходимым гранулометрическим составом, формируют непосредственно в прямоугольной рабочей камере 18 при горизонтальном положении корпуса 6 на раме с кронштейнами 17. Затем прямоугольную рабочую камеру 18 закрывают, фильтрационный лоток приводят поворотными гидроцилиндрами 13 в вертикальное положение и проводят водонасыщение образца 19 снизу вверх через песколовку11.
После водонасыщения образца, прямоугольную рабочую камеру 18 устанавливают под требуемым углом к горизонту поворотными гидроцилиндрами 13 и создают гидростанцией 15 через гидромонтажи 14 с трубами, рукавами и кабель-траком, предусмотренные программой испытаний осевое гидроцилиндром 2 и боковые гидроцилиндрами 7 и 8 давления, затем напорной системой 3 создают фильтрационный поток и проводят опыт с заданным градиентом напора, который контролируют датчиком давления 1 на входе фильтрационного потока в образец 19, установленным на уровне перелива 10, при этом регистрируют осевые 5 и боковые 4 и 9 деформации.
Сбор и обработку данных проводят с помощью пульта управления и регистрации 16. Профильтрованная вода истекает через перелив 10, который имеет возможность регулировки высоты таким образом, чтобы образец крупнообломочного грунта 19, при всех углах наклона фильтрационного лотка, находился в затопленном состоянии, а вынесенные из образца 19 фильтрационным потоком частицы грунта оседают в песколовке 11. Измеряют скорость фильтрационного потока, прошедшего через систему сбора и измерения объема 12, и вычисляют коэффициент фильтрации.
После стабилизации фильтрационного процесса, или перед изменением условий фильтрации (градиента напора, осевого и боковых давлений, угла наклона фильтрационного лотка к горизонту), камеры песколовки 11 закрывают верхними заслонками и через нижние заслонки, вынесенный из образца 19 фильтрационным потоком грунт удаляют из песколовки 11 и определяют его гранулометрический состав и массу. Затем нижние заслонки закрывают, песколовку 11 наполняют водой, открывают верхние заслонки и продолжают фильтрацию при следующем необходимом напоре или при другом угле наклона и другом напряженно деформированном состоянии образца 19.
По окончании эксперимента, подвижные стенки прямоугольной рабочей камеры 18, устанавливают в исходное, начальное положение с помощью системы возвратных гидроцилиндров 20.
После проведения фильтрационно-суффозионных испытаний возможно определение характеристик прочности и деформируемости полученных образцов 19 крупнообломочного грунта.
Таким образом, достигается получение полного объема информации о фильтрационной устойчивости, характеристиках прочности и деформируемости крупнообломочных грунтов натурного (или близкого к нему) гранулометрического состава в реальных условиях.