ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПОРОВОЙ ЖИДКОСТИ В ГРУНТАХ

Полезная модель относится к приборам диагностики состояния грунтов оснований и откосов земляных сооружений, а также склонов при воздействии неблагоприятных факторов: вибродинамических, собственных колебаний грунтовых технических систем (ГТС), природно-климатических, фильтрационных и т.д.
На изменение состояния грунтов ТС влияют различные разрушающие факторы: статические, вибродинамические, мерзлотно-грунтовые, природно-климатические и т.д. Наиболее разрушающее воздействие оказывают вибродинамические нагрузки, при которых частицы грунта подвергаются механическим колебаниям. При этом величина перемещений частиц грунта в глубину зависит от пористости, т.е. степени уплотнения грунтов ГТС и величины вибродинамической нагрузки. В свою очередь плотность грунтов ГТС зависит от несущей способности грунтов основания, которая связана с наличием в нем влаги. Большое содержание влаги вызывает потерю прочности глинистых грунтов основания и появление пластических деформаций, обусловленные текучестью слабых грунтов под нагрузками.
При приложении нагрузки слабые грунты под действием сдвигающих усилий выдавливаются из-под сооружения в горизонтальном направлении в приподошвенные зоны, вызывая осадку ГТС. По закону ламинарной фильтрации (второй закон механики грунтов) при выдавливании из пор грунта фильтруется вода, скорость которой равна отношению потери напора к длине пути фильтрации [1].
Для надежного выбора противодеформационных мероприятий (ПДМ) необходима достоверная диагностика состояния грунтов, учитывающая минимальное изменение давления жидкости слабого грунта от воздействия вибродинамической нагрузки, определение которого является проблемой в области диагностики слабых грунтов.
Известен прибор для измерения давления жидкости в грунтах (поропъезометр) [2], основанный на измерении физических характеристик грунтов. Поропъезометр содержит трубу, выполненную с наконечником и фильтром, датчик порового давления и манометр. Фильтр выполнен из пористого камня, расположен в наконечнике по диаметру. Датчик порового давления находится в нижней части трубы и представляет собой заполненный маслом сильфон, соединенный с маслопроводом.
Маслопровод соединен с манометром. Между фильтром и датчиком порового давления расположено приемное отделение.
Прибор работает следующим образом. На выбранном участке в приподошвенной зоне в грунт слабого основания земляного полотна забивается труба на необходимую глубину. До приложения внешней нагрузки система «пористый камень - слабый грунт» находится в термодинамическом равновесии.
После приложения вибродинамической нагрузки создается напор, который обусловливает выдавливание (фильтрацию) воды из пор грунта.
2
В результате в пористый камень фильтра прибора поступает дополнительная жидкость выдавливаемой воды. Жидкость грунта по порам фильтра из пористого камня поступает в приемное отделение, передает давление на сильфон и манометр, фиксирующий изменение порового давления. Точность измерения порового давления данного прибора составляет 0,1 кГ/см.
По величине порового давления определяется состояние прочных грунтов ГТС и выбираются противодеформационные мероприятия.
Известный поропъезометр обладает простотой получения измеряемых данных. Однако точность измерения этого прибора является недостаточной. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, высокой инерционностью, из-за которой прибор срабатывает только при значительных расходах воды. Во-вторых, прибор измеряет только среднее давление движения воды в порах грунта. Это обусловлено большой площадью контакта выдавливаемого грунта с поверхностью фильтра прибора. Контакт происходит по всей цилиндрической поверхности фильтра. При этом скорость фильтрации в разных точках фильтра, лежащих в одном горизонтальном сечении, будет различна, так как потеря напора зависит от длины пути фильтрации согласно второму закону механики грунтов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является прибор для измерения давления жидкости в грунтах (поропъезометр) [3], основанный на измерении физических характеристик грунта. Поропъезометр содержит трубу, выполненную с наконечником и фильтром, датчик порового давления и манометр. Датчик порового давления установлен в нижней части трубы и представляет собой приемное отделение, разделенное на две части диафрагмой с капилляром. Нижняя часть приемного отделения заполнена жидкостью, верхняя часть - маслом. Капилляр соединен с верхней частью приемного отделения и с манометром. Фильтр выполнен из карборундового камня и соединен с датчиком порового давления.
2
Прибор работает аналогично тому, как работает прибор-аналог. На выбранном участке в приподошвенной зоне в грунт слабого основания земляного полотна забивается труба на необходимую глубину. До приложения внешней нагрузки система «пористый камень - слабый грунт» находится в термодинамическом равновесии. После приложения вибродинамической нагрузки сдвигающие усилия увеличивают внешнее давление жидкости в грунте. При этом создается напор, который выдавливает (фильтрует) воду из пор грунта. В результате дополнительная жидкость выдавливаемой воды поступает в пористый камень фильтра и приемное отделение, давит на диафрагму датчика порового давления, вызывая перемещение ее верх и изменение давления в масле, что позволяет по манометру определить величину среднего порового давления. Точность измерения порового давления данного прибора составляет 0,02 кГ/см.
По величине порового давления определяется состояние прочных грунтов ГТС и выбираются противодеформационные мероприятия.
Известный поропъезометр обладает простотой получения измеряемых данных и имеет малую инерционность, что приводит к срабатыванию прибора при минимальных расходах воды и повышению точности измерения порового давления.
Однако, точность измерения порового давления остается недостаточной, что обусловлено измерением только среднего давления движения воды в порах грунта. Это обусловлено большой площадью контакта выдавливаемого грунта с поверхностью фильтра прибора. Контакт происходит по всей цилиндрической поверхности фильтра. При этом скорость фильтрации в разных точках фильтра, лежащих в одном горизонтальном сечении, будет различна, так как потеря напора зависит от длины пути фильтрации согласно второму закону механики грунтов.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке прибора для измерения давления поровой жидкости в грунтах, срабатывающего при минимальных расходах воды и имеющего высокую точность измерения фактического давления благодаря контакту выдавливаемого грунта в точках поверхности фильтра, в которых скорость фильтрации одинакова.
Для решения поставленной задачи в приборе для измерения давления поровой жидкости, содержащем трубу с наконечником и фильтром, внутри которой установлен капилляр, одним концом связанный с фильтром, а другим - с регистрирующим устройством, труба в нижней части выполнена герметичной с вертикальным щелевидным отверстием, фильтр установлен внутри трубы, перекрывая щелевидное отверстие, а капилляр контактирует непосредственно с фильтром.
На фиг. представлена схема прибора для измерения давления поровой жидкости в грунтах.
Прибор для измерения давления поровой жидкости в грунтах содержит герметичную трубу 1 с наконечником и вертикальным щелевидным отверстием 2, внутри которой установлены фильтр 3 и капилляр 4, одним концом соединенный с фильтром 2, а другим - с регистрирующим устройством 5.
Щелевидное отверстие 2 выполнено в нижней части трубы 1. Фильтр 3 выполнен из пористого камня и установлен в герметичной части трубы 1 так, что перекрывает щелевидное отверстие 2.
Опытный образец представляет собой трубу диаметром 25 мм и длиной 1 м. Вертикальное щелевидное отверстие имеет размеры 15×30 мм. Фильтр выполнен из кварцевого песка, склеенного на латунной сетке. Капилляр, контактирующий с фильтром, представляет собой трубку диаметром 2,5 мм. Измерения порового давления проводились на глубине 0,6 м на слабом участке основания насыпи при проходах железнодорожного подвижного состава.
Прибор работает следующим образом.
2
На выбранном участке в приподошвенной зоне в грунт слабого основания земляного полотна на необходимую глубину забивается труба 1. До приложения внешней нагрузки система «пористый камень фильтра 3 - слабый грунт» находится в термодинамическом равновесии. После приложения вибродинамической нагрузки сдвигающие усилия увеличивают внешнее давление жидкости в грунте. При этом создается напор, который выдавливает (фильтрует) воду из пор грунта. Через вертикальное щелевидное отверстие 2 на фильтр 3 передается напор, имеющий только одинаковую длину пути фильтрации. При этом напоры, лежащие в одном горизонтальном сечении, имеющие разную длину пути фильтрации, обтекают герметичную трубу 1 и не поступают в щелевидное отверстие 2. В результате дополнительная жидкость выдавливаемой воды поступает в пористый камень фильтра 3 и капилляр 4 с одинаковой скоростью фильтрации согласно второму закону механики грунтов. Одинаковая скорость фильтрации в поперечном сечении фильтра 3 обеспечивает измерение фактического порового давления от вибродинамической нагрузки. Изменение давления в пористом камне фиксируется регистрирующим устройством 5. Измерение фактического порового давления повышает точность измерения, что позволяет правильно выбрать противодеформационные мероприятия. Точность измерения порового давления данного прибора составляет 0,001 кГ/см.
Опытные испытания показали, что точность измерения порового давления на порядок выше, чем у прототипа.
Источники, принятые во внимание:
1. Механика грунтов. / Н.А.Цытович. Учебное пособие для вузов. - М.: Госстройиздат, 1963. С.147-149.
2. Оползни и противооползневые сооружения. Механические свойства грунтов. / Вопросы геотехники, №5. Под ред. М.Н.Гольдштейна. - Днепропетровск, 1962. С.10.
3. Полевые методы инженерно-геологических исследований. / Г.К.Бондарик, И.С.Комаров, В.И.Ферронский. - М.: Недра, 1967. С.179-182.