СПОСОБ ПОДГОТОВКИ МОНОЛИТА МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВОГРУНТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ
METHOD TO PREPARE MONOLITH OF MINERAL SOILS TO IDENTIFY FILTRATION COEFFICIENT

Изобретение относится к мелиорации земель и может быть применено при проведении инженерно-геологических и почвенно-мелиоративных исследований минеральных почвогрунтов для строительства и их осушения и использования мелиорированных почв.
В соответствии с ГОСТ 12071-84 (п.1.1) монолит - это образец грунта ненарушенного (природного) сложения. При этом отбор монолитов в вертикальном и горизонтальном направлениях осуществляют путем вдавливания кольца с заостренным нижним торцом в почвогрунт или только в вертикальном направлении по принципу опускного колодца с тем лишь отличием, что почвогрунт выбирают с внешней стороны кольца-цилиндра.
Известен способ определения коэффициента фильтрации грунта с помощью прибора Дарси, содержащего цилиндр с сеткой, на которую укладывают испытываемый грунт, пьезометры, измеряющие напор воды в фиксируемых сечениях цилиндра, приспособление для подачи воды в цилиндр под напором и для замера объема воды, профильтровавшейся через грунт (Чугаев P.P. Гидравлика / Изд.2. - Л.: Энергия, 1971. - С.442…444).
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 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 грунта защемленного воздуха (Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. - М.: Недра, 1975. - С.110, 137). Известен способ определения коэффициента фильтрации на образцах с нарушенной структурой и монолитах, реализованный на приборе для оценки водно-физических свойств грунтов с восходящим и нисходящим водным потоком (А.с. SU №1215024 А1, Кл. G01 33/24, 1986).
Общим недостатком известных способов определения коэффициента фильтрации грунтов является наличие погрешности, обусловленной пристенной фильтрацией и изменением водопроницаемости грунта на контакте с жесткими стенками прибора (цилиндра), вызванных способом отбора монолита - вдавливанием цилиндра с заостренным нижним концом в грунт в горизонтальном и вертикальном направлениях или только в вертикальном направлении по принципу опускного колодца.
Изучение качества монолитов, отбираемых методом вдавливания цилиндров в почвогрунт, выявило наличие в монолитах больших зон нарушения естественного (природного) сложения почвогрунтов - наличие как зон уплотнения, так и зон сдвигов. Отбор монолитов методом вдавливания цилиндра в почвогрунт снижает качество их отбора и не позволяет отбирать монолиты без искажения свойств почвогрунта в них в сравнении с почвогрунтом естественного (природного) сложения. Толщина периферийной зоны с нарушенными свойствами почвогрунта в монолитах в первом приближении в среднем составляет: при нормально увлажненных супесчаных и суглинистых почвогрунтах - около 3 мм, а при недостаточном увлажнении - до 5 и более мм; в пылеватых почвогрунтах соответственно - до 7 и 10 мм, в песчаных соответственно - до 8 и 12 мм.
Известен способ определения коэффициента фильтрации грунтов (А.с. СССР №1130772, Кл. G01N 15/08, 1983), включающий подачу восходящего потока фильтрующейся жидкости к двум равным по площади зонам поверхности образца - центральной и краевой (периферийной). При этом напор жидкости, подаваемой в краевую зону, поддерживают равным напору жидкости, подаваемой в центральную зону, и измеряют расход жидкости через центральную зону, определяя коэффициент фильтрации для этой зоны. Этот способ позволяет исключить влияние на величину искомого коэффициента фильтрации пристенной (контактной) фильтрации и нарушенных свойств почвогрунтов в периферийной зоне. Его недостатком является сложность практической реализации.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения коэффициента фильтрации грунтового противофильтрационного экрана (А.с. СССР №1625922 А1, Кл. E02B 03/16, 1989; прототип), в котором для устранения контактной фильтрации после отбора образца в вертикальном направлении по принципу опускного колодца осуществляют заливку суспензии из более мелкодисперсного грунта, чем грунт экрана, между внутренней стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью образца.
При отборе образца по принципу опускного колодца свойства почвогрунта в периферийной зоне нарушаются несколько меньше, чем при отборе монолита методом вдавливания, но ширина щели между внутренней стенкой цилиндра и внешней поверхностью почвогрунта получается неравномерной. Это затрудняет качественное использование суспензии из мелкодисперсного почвогрунта для устранения контактной фильтрации по всему периметру образца, особенно при очень узкой щели. В итоге контактная фильтрация, хотя и в меньшем объеме, но продолжает быть.
Рассматриваемый способ не учитывает изменение фильтрационных характеристик грунта в месте его сопряжения со стенками кольца (цилиндра) при отборе образца, а при расчете коэффициента фильтрации учитывают полный диаметр образца грунта, считая коэффициент фильтрации неизменным по всей площади поперечного сечения образца. Известно, что при отборе образца происходит нарушение структуры грунта в зоне его сопряжения с цилиндром. Причем возможно как разуплотнение, так и переуплотнение грунта в этой зоне, что приводит к изменению фильтрационных характеристик грунта.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности и точности определения коэффициента фильтрации на монолитах путем совершенствования способа подготовки монолита к фильтрационным испытаниям.
Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в исключении влияния на искомую величину коэффициента фильтрации пристенной (контактной) фильтрации и нарушенных свойств почвогрунта в периферийной зоне монолита при его отборе, в повышении точности установления параметров мелиоративных систем, в более обоснованном применении бестраншейного дренажа и в конечном итоге - в повышении эффективности использования мелиорированных почв.
o
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации, включающем отбор монолита режущим кольцом-пробоотборником с последующей заливкой наполнителя между внутренней стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью монолита, перед заливкой наполнителя диаметр монолита почвогрунта уменьшают на величину удвоенной ширины цилиндрической кольцевой щели, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при отборе монолита свойствами почвогрунта, но не меньшей 3 мм, путем вырезания в монолите цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью цилиндра и внешней вертикальной поверхностью монолита, а в качестве наполнителя используют расплавленный водонепроницаемый материал, имеющий низкую температуру плавления, например азакерит, кроме того, при определении коэффициента фильтрации минеральных почвогрунтов на монолитах площадь фильтрации принимают соответствующей диаметру монолита почвогрунта D, равному
o
ц
щ
г
D=D-2h-2h,
ц
Где D - внутренний диаметр кольца-пробоотборника;
щ
h - ширина цилиндрической кольцевой щели;
г
h - глубина проникновения наполнителя в почвогрунт монолита.
Ширину цилиндрической кольцевой щели и глубину проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт определяют после завершения фильтрационных работ в процессе демонтирования фильтрационного прибора и разрушения монолита почвогрунта. При этом водонепроницаемый материал не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.
Цилиндрическую кольцевую щель в почвогрунте вырезают скальпелем или мелкими пилками. Ее ширину между стенкой цилиндра и внешней вертикальной поверхностью образца принимают равной толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при его отборе свойствами почвогрунта, но не менее 3 мм. Заливают вырезанную щель расплавленной антифильтрационной смесью, имеющей низкую температуру плавления. Возможно использование азакерита - смеси парафина с гудроном в пропорции 3:1…2:1 по массе. Эта смесь, в отличие от суспензии из более мелкодисперсного почвогрунта, чем почвогрунт монолита, обеспечивает полное устранение возможности появления контактной фильтрации. Учет толщины цилиндрической кольцевой щели и глубины проникновения расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт обеспечивает достоверное определение площади и величины коэффициента фильтрации.
Заявленный способ подготовки монолита минеральных почвогрунтов для определения коэффициента фильтрации включает следующие операции.
1. Отбор монолита режущим кольцом-монолитоотборником в вертикальном и горизонтальном направлениях методом вдавливания его в почвогрунт или по принципу опускного колодца только в вертикальном направлении.
2. Доставку монолита в лабораторию.
3. Вырезание цилиндрической кольцевой щели между внутренней поверхностью кольца-пробоотборника и внешней вертикальной поверхностью монолита шириной, соответствующей толщине периферийной зоны монолита с нарушенными при его отборе свойствами почвогрунта, но не менее 3 мм.
4. Заполнение цилиндрической кольцевой щели расплавленным водонепроницаемым материалом, имеющим низкую температуру плавления, например, азакеритом. При этом хорошее качество заливки щели обеспечивается при ее ширине не менее 3 мм.
5. Монтирование прибора и проведение фильтрационных работ.
щ
г
6. После завершения работ фильтрационный прибор демонтируют, разрушают монолит почвогрунта, устанавливая в процессе этого по толщине водонепроницаемого материала, залитого между внутренней поверхностью цилиндра и монолитом почвогрунта, толщину цилиндрической кольцевой щели h, а по проникновению расплавленного водонепроницаемого материала в почвогрунт - величину h; водонепроницаемый материал наполнителя не выбрасывают, а оставляют для повторного использования.
o
7. Определение диаметра монолита D и соответствующей ему площади фильтрации жидкости через монолит почвогрунта.
8. Расчет значения коэффициентов фильтрации.
Заявленный способ промышленно осуществим. Он применен при определении коэффициента фильтрации более 2000 образцов, нуждающихся в осушении почвогрунтов Тверской области.
Подготовка образца минеральных почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения - монолита для определения коэффициента фильтрации заявленным способом позволила исключить влияние контактной фильтрации и нарушенных свойств почвогрунта в периферийной зоне на конечный результат. Значение коэффициента фильтрации для суглинистых нуждающихся в осушении почвогрунтов, установленное с применением заявленного способа подготовки монолита, как правило, до 2…3 раз ниже по сравнению со значением, определенным известными методами без подготовки образца заявленным способом. Это позволяет проектировать, строить и эксплуатировать осушительные системы на минеральных почвах и использовать осушаемые земли на более высоком технико-экономическом уровне.