ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОМЕРЗАНИИ-ОТТАИВАНИИ
DEVICE FOR DETERMINING FROST BOIL AND WATER PERMEABILITY OF SOIL DURING CYCLIC FROST HEAVE-THAWING

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и предназначено для измерения деформаций морозного пучения, сжимаемости при оттаивании и коэффициента фильтрации при нескольких циклах промерзания-оттаивания в лабораторных условиях.
В гребне и низовых откосах дамб наблюдается многократное сезонное промерзание грунта. Если дамба сложена пучинистым грунтом, в слое сезонного промерзания формируется слоистая текстура с линзами льда, ориентированными параллельно фронту промерзания. При оттаивании грунта пустоты, оставшиеся на месте ледяных включений, способствуют фильтрации воды. Как указано в нормативных документах, после нескольких циклов промерзания-оттаивания плотность грунта, его противофильтрационные свойства значительно снижаются (п. 4.2.19, Рекомендации по проведению визуальных наблюдений и обследований на грунтовых плотинах. П72-200, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, СПБ, 2000).
Испытание грунтов, предназначенных для размещения в зоне сезонного промерзания, проводят на нескольких образцах, подвергая их циклическому промерзанию-оттаиванию. После заданного числа циклов образцы испытывают в компрессионных и фильтрационных приборах. Заметим, что при определении коэффициента фильтрации поток воды через образец следует направить параллельно образовавшимся в нем линзам льда, в противном случае водопроницаемость будет значительно занижена. Выполнение этого условия в имеющихся приборах обычно затруднено.
Известны устройство и способ определения водопроницаемости грунта в полевых условиях ("In situ measurement apparatus and method of measuring soil permeability and fluid flow", Устройство и методика для определения проницаемости грунта в полевых условиях, US Patent, 09/061078, МПК G01N 15/08, 1998 - аналог). Устройство представляет собой трубчатый перфорированный зонд, вдоль которого размещены датчики давления. Подавая через зонд жидкость и измеряя с помощью датчиков давление, определяют коэффициент фильтрации грунта.
Недостатком данного устройства является сложная конструкция и потребность в специальном оборудовании для регистрации данных.
Известен также прибор для определения деформаций и сил морозного пучения грунта (RU №2011135148/15, МПК G01N 33/24, E02D 1/00, 2011 - аналог), включающий гильзу, собранную из колец, поддон, пористый вкладыш, поршень со штоком и установленной на нем морозильной камерой. Морозильная камера за счет вращательного движения вокруг штока перемещается вдоль образца вниз, обеспечивая нужную скорость перемещения фронта промерзания.
Недостатками прибора, имеющими существенное значение при проведении испытаний при нескольких циклах промерзания-оттаивания грунта, являются большая продолжительность оттаивания образца и отсутствие возможности испытания нескольких образцов в одном приборе. Кроме того, прибор не дает возможности моделировать процесс пучения грунта на гребне или откосе дамб при подтоке воды, направленном вдоль фронта промерзания.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является прибор для определения степени пучинистости грунта, включающий обойму для образца, штамп со штоком, поддон с водой, нагревательный элемент и теплоизоляционный кожух (ГОСТ 28622-2012 "Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости", МНТКС, 2012, с. 19 - прототип).
Недостатком прибора является сложность выполнения п. 6.2 ГОСТ 28622-2012, требующего обеспечивать "промораживание образца с требуемой скоростью". Заданная скорость перемещения фронта промерзания обеспечивается за счет градиента температуры. В этом случае температура на верхнем торце образца должна изменяться в ходе промерзания образца, что можно выполнить при наличии нескольких датчиков температуры в образце и лишь управляя прибором с помощью компьютера. Кроме того, как и в предыдущей конструкции, прибор не позволяет моделировать процесс пучения грунта на гребне и откосе дамб при подтоке воды вдоль фронта промерзания, а оттаивание образца для определения сжимаемости внутри теплоизоляционного кожуха занимает много времени, что существенно увеличивает продолжительность эксперимента при циклическом промерзании-оттаивании.
Задачей изобретения является повышение надежности и информативности результатов испытаний за счет обеспечения заданной скорости промораживания образца с подачей воды вдоль фронта промерзания и возможности определения деформаций при промерзании-оттаивании и водопроницаемости образцов в ходе опыта.
Это достигается тем, что в приборе, включающем обойму для образца, штамп со штоком, поддон с водой, нагревательный элемент и теплоизоляционный кожух, на поверхности воды между обоймой и стенками поддона размещена теплоизоляционная диафрагма, через отверстия в штампе пропущены пористые трубчатые зонды, а стенки обоймы выполнены перфорированными.
Прибор иллюстрируется разрезом, представленным на фиг. 1.
Прибор содержит обойму 1 для образца грунта, собранную из отдельных колец. Стенки обоймы выполнены перфорированными. Обойма с образцом установлена в основание прибора 2 с перфорированным днищем 3. Основание 2 через стойки 4 опирается на дно поддона 5 с водой. Для подачи воды в поддон и слива ее служит патрубок 6 с краном. Стенки и дно поддона защищены слоем теплоизоляции 7.
На поверхность образца установлен штамп 8 со штоком 9, служащие для передачи усилия на образец грунта от нагрузочной рамы (не показана на чертеже). Через отверстия в штампе пропущены трубчатые пористые зонды 10 с присоединенными к ним трубками для подачи воды 11.
На поверхности воды в поддоне размещена диафрагма 12, представляющая собой диск из теплоизоляционного материала, через отверстие в котором проходит обойма 1 с образцом. На дне поддона размещены нагревательный элемент 13 и циркуляционный насос 14.
Работает устройство следующим образом. Образец исследуемого грунта помещают в обойму 1. Гильзу с образцом устанавливают в основание прибора 2 и размещают в поддоне 5 с водой. На поверхность воды опускают диафрагму 12 и устанавливают на верхний торец образца штамп 8 со штоком 9. Уровень воды в поддоне поднимают до верхнего торца образца. Собранный прибор помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре +1…+3°С для выравнивания температуры деталей прибора, грунта и воды. Заметим, что в один поддон может быть установлено несколько обойм с образцами.
С помощью нагрузочной рамы передают на шток заданное усилие (рама на чертеже не показана) и выжидают достижения заданного условия стабилизации деформаций осадки.
В холодильной камере задают отрицательную температуру, поддерживая температуру воды в поддоне 5 положительной с помощью нагревательного элемента 13. Насос 14 обеспечивает равенство температуры воды во всем объеме за счет циркуляции.
Начинают постепенно сливать воду через патрубок 6. При понижении уровня свободноплавающая на поверхности воды диафрагма 12 перемещается вниз, а образец, оказавшийся над диафрагмой, начинает промерзать. Необходимую скорость перемещения фронта промерзания обеспечивают, регулируя расход воды краном на патрубке 6.
Согласно ГОСТ 28622-2012 условием завершения эксперимента является промораживание образца высотой 150 мм на глубину 100 мм. Достигнув указанной глубины промерзания и определив с помощью нагрузочной рамы величину морозного пучения образца при заданной нагрузке, морозильную камеру отключают. Поднимают уровень воды в поддоне до верхнего торца образца и для ускорения оттаивания образца повышают ее температуру.
После завершения оттаивания замеряют осадку образца и приступают к новому циклу его промораживания.
После заданного числа циклов промерзания-оттаивания в образец внедряют один из зондов 10. Через трубку 11 подают в него воду и замеряют ее расход. Определив коэффициент фильтрации образца, снова выполняют несколько циклов промерзания-оттаивания образца и определяют его водопроницаемость с помощью зонда.
Тарировка зондов производится заблаговременно на образцах грунтов с известным коэффициентом фильтрации. Для чего определяется установившийся расход воды, в различных образцах грунта, и строятся зависимости расхода от коэффициента фильтрации, которые и используются в дальнейшем.
Заданная скорость перемещения фронта промерзания обеспечивается в приборе благодаря использованию диафрагмы из теплоизоляционного материала, перемещающейся вниз по мере слива воды из поддона. Применение обоймы с перфорированными стенками обеспечивает условия подачи влаги к фронту промерзания, идентичные телу дамбы. Подача теплой воды к стенкам обоймы существенно сокращает время оттаивания образца. Тем самым повышается надежность и информативность получаемых результатов лабораторных испытаний.