Вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство для испытаний комбинированного фрагмента, состоящего из несвязного грунта и геотекстильного материала

Полезная модель относится к области гидротехнического, дорожного, гражданского и промышленного строительства и может быть использована при проектном обосновании дренажных, защитных (разделение крупно- и мелкофракционных грунтов, крепление откосов) и др. комбинированных конструкций, включающих несвязный грунт и геотекстильный материал.
Известен прибор МТ 162, предназначенный для определения водопроницаемости и коэффициента фильтрации геотекстильных материалов и создаваемых на их основе геокомпозитов, состоящий из следующих основных частей: штатива; весов, емкости для сбора воды во время проведения испытания, насоса для подачи воды, фильтровальной камеры двух видов для разных типов испытаний: перпендикулярное/параллельное плоскости образца геотекстиля направление фильтрации (ГОСТ Р 52608-2006. Материалы геотекстильные. Методы определения водопроницаемости. Geotextile materials. Methods of water permeability determination. OKC 59.080.70. Дата введения 2008-01-01. - M.: Стандартинформ, 2007, стр. 4-6).
Недостатками аналога являются: определение водопроницаемости геотекстиля в направлении перпендикулярном к плоскости образца возможно только в нисходящем фильтрационном потоке и невозможно в восходящем фильтрационном потоке; невозможность проведения испытаний комбинированных конструкций, включающих кроме геотекстильных материалов несвязные грунты; невозможность оценки суффозионной устойчивости геотекстильного материала (заиляемость геотекстиля мелкими частицами грунта; суффозионный вынос мелких частиц грунта через поры геотекстиля).
Известен вертикальный фильтрационно-суффозионный прибор, предназначенный для испытаний на водопроницаемость и фильтрационную прочность несвязных грунтов с нарушенной структурой, состоящий из следующих основных элементов: рабочей (фильтрационной) камеры цилиндрической формы; неподвижной опорной решетки, расположенной в нижней части рабочей камеры, уложенной на опорную решетку латунной сетки; конического отстойника; пескосборника, присоединенного к отстойнику; патрубка для выпуска профильтровавшейся через грунт воды (при нисходящей фильтрации) или для ее впуска (при восходящей фильтрации); приспособления для поддержания на постоянной отметке уровня вытекающей из прибора воды; подвижной нагрузочной решетки; штока, передающего нагрузку от силового домкрата; устройства для измерения деформаций сжатия образца несвязного грунта (датчик давления и устройство для передачи давления); расходомера; емкости для воды; насоса; бачка верхнего бьефа и бачка нижнего бьефа; трубы для наполнения водой емкости; приспособления (вантуза) для выпуска воздуха из верхнего отсека рабочей камеры; крышки рабочей камеры; приспособления для создания и измерения напора воды, подаваемой в рабочую камеру; тройниковых краников для регулирования поступления воды в пьезометры и выпуска из них воздуха; трубчатых пьезометров (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: П 49-90/ВНИИГ. 1991, стр. 38-40).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются: невозможность проведения испытаний комбинированных конструкций, включающих кроме несвязных грунтов геотекстильные материалы.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении достоверности, точности и результативности лабораторных исследований, заключающееся в выполнении моделирования фильтрационных процессов, протекающих в комбинированной конструкции, включающей несвязный грунт и геотекстильный материал (геотекстиль), с возможностью определения фильтрационно-суффозионных характеристик комбинированного фрагмента (коэффициента фильтрации, водопроницаемости, суффозионной устойчивости).
Для достижения указанного технического результата в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве для испытаний комбинированного фрагмента, состоящего из несвязного грунта и геотекстильного материала, включающем фильтрационную камеру, конический отстойник, пескосборник, неподвижную опорную решетку, латунные сетки, подвижную нагрузочную решетку, устройство для передачи давления, емкость для воды, насос, бачок верхнего бьефа, бачок нижнего бьефа, трубу для наполнения водой емкости, патрубки, расположенные в верхней и нижней части фильтрационной камеры, приспособление для выпуска воздуха, расходомер, датчик давления, датчик измерения температуры, трубчатые пьезометры, фильтрационная камера, диаметр которой соответствует диаметру стандартного образца геотекстиля по ГОСТ Р 52608-2006, герметично соединена с коническим отстойником путем стяжки фланцевого соединения по периметру при помощи болтов, герметично зажимающих последовательно расположенные: неподвижную опорную решетку, латунную сетку и исследуемый образец геотекстиля, предотвращая пристенную фильтрацию в зоне его размещения, при этом комбинированный образец из несвязного грунта и геотекстиля плотно зафиксирован между двумя решетками - неподвижной опорной, устанавливаемой в разъемном фланцевом соединении, и подвижной нагрузочной, на которую устройством для передачи давления передается нагрузка.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше прототипа являются:
- герметичное соединение фильтрационной камеры с коническим отстойником стяжкой фланцевого соединения по периметру при помощи болтов зажимающих последовательно расположенные: неподвижную опорную решетку, латунную сетку и исследуемый образец геотекстиля, предотвращая пристенную фильтрацию в зоне размещения образца;
- плотная фиксация исследуемого комбинированного образца между двумя решетками: неподвижной опорной, устанавливаемой в разъемном фланцевом соединении, и подвижной нагрузочной, на которую устройством для передачи давления передается нагрузка.
Благодаря наличию этих признаков, возможно размещение в вертикальном фильтрационно-суффозионном устройстве фрагмента комбинированной конструкции, включающей несвязный грунт и геотекстиль, с возможностью определения фильтрационно-суффозионных характеристик комбинированного фрагмента (коэффициента фильтрации, водопроницаемости, суффозионной устойчивости). Предлагаемая конструкция устройства исключает при проведении испытаний недопустимую пристенную фильтрацию в зоне размещения образца геотекстиля, как при нисходящем, так и при восходящем направлениях фильтрационного потока. Плотная фиксация исследуемого комбинированного образца между двумя решетками: неподвижной и подвижной нагрузочной позволяет отказаться от пригрузки исследуемого комбинированного образца слоем крупнозернистого материала, требующейся в устройстве-прототипе.
Основными критериями обоснования возможности использования геотекстильных материалов в качестве элемента обратного фильтра гидротехнического сооружения являются фильтрационные и суффозионные характеристики комбинированной конструкции фильтра, состоящей из несвязного грунта и геотекстиля. Предлагаемое устройство для проведения фильтрационно-суффозионных исследований позволяет учесть действующие величины нагрузок и воздействий в конструкциях различных элементов грунтовых гидротехнических сооружений в зависимости от их назначения и планово-высотного расположения, при вертикальной схеме движения фильтрационного потока - восходящий и нисходящий поток.
Предлагаемое вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство для испытаний комбинированного фрагмента, состоящего из несвязного грунта и геотекстильного материала иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2 и фотографиями на фиг. 3,4.
На фиг. 1 показана схема фильтрационно-суффозионного устройства при проведении опыта при нисходящем направлении воды.
На фиг. 2 - схема фильтрационно-суффозионного устройства при проведении опыта при восходящем направлении воды.
На фиг. 3 - вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство, общий вид.
На фиг. 4 - фильтрационная камера, общий вид.
Вертикальное фильтрационно-суффозионное устройство содержит образец геотекстиля 1, фильтрационную камеру 2, латунную сетку 3, неподвижную опорную решетку 4, образец несвязного грунта 5, подвижную нагрузочную решетку 6, конический отстойник 7, фланцевое соединение 8 с болтами для герметизации образца геотекстиля 1, бачок верхнего бьефа 9, насос 10, емкость для воды 11, трубу 12 для наполнения водой емкости 11, устройство для передачи давления 13, датчик давления 14, бачок нижнего бьефа 15, верхний патрубок для подачи/выпуска воды 16, нижний патрубок для подачи/выпуска воды 17, расходомер 18, пескосборник 19, датчик измерения температуры воды в емкости 20, трубчатые пьезометры для измерения напора воды 21, приспособление для выпуска воздуха 22, например, вантуз. Н - напор. В фильтрационную камеру 2 подают из бочка верхнего бьефа 9 воду с напором (Н), определяемым как разница уровней в бачках верхнего 9 и нижнего 15 бьефов.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Проводят загрузку исследуемого комбинированного фрагмента в устройство: для этого образец геотекстиля 1 помещают в фильтрационную камеру 2, укладывая ее на латунную сетку 3, размещенную на неподвижной опорной решетке 4. Герметизируют соединение конического отстойника 7 и фильтрационной камеры 2 путем стяжки фланцевого соединения 8 при помощи болтов. Болты фланцевого соединения 8 обеспечивают равномерный зажим образца геотекстиля 1 по периметру. На поверхность образца геотекстиля 1 помещают образец несвязного грунта 5 с послойной его укладкой и трамбованием, на поверхность несвязного грунта 5 укладывают еще одну латунную сетку 3 и устанавливают подвижную нагрузочную решетку 6.
Проведение исследования фильтрационно-суффозионных свойств комбинированного образца проводится следующим образом:
Воду в бачок верхнего бьефа 9 подают насосом 10 из емкости для воды 11, куда она поступает по трубе 12. В фильтрационную камеру 2 подают из бочка верхнего бьефа 9 воду с напором (Н), соответствующим максимальному из применяемых в испытаниях и выполняют циклы разгружения - нагружения комбинированного образца устройством для передачи давления 13, фиксируя давление датчиком давления 14. Фильтрационная камера 2 соединена с бачками 9 и 15 верхнего и нижнего бьефов через верхний 16 и нижний 17 патрубки. При проведении испытания при нисходящем направлении фильтрации бачок верхнего бьефа 9 подключается к верхнему патрубку 16, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 2, а бачок нижнего бьефа 15 подключается к нижнему патрубку 17, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 2.
При опытах с восходящим направлением фильтрации фильтрационная камера 2 переворачивается на 180°, а подключение бачков 9 и 15 выполняется наоборот: бачок верхнего бьефа 9 подключается к нижнему патрубку 17, расположенному в нижней части фильтрационной камеры 2, а бачок нижнего бьефа 15 подключается к верхнему патрубку 16, расположенному в верхней части фильтрационной камеры 2. Вода, профильтровавшаяся через размещенный в приборе комбинированный образец, состоящий из образца несвязного грунта 5 и образца геотекстиля 1, отводится через расходомер 18 в емкость для воды 11. Частицы грунта, профильтровавшиеся через образец геотекстиля 1 при нисходящем направлении фильтрации, падают в пескосборник 19.
Температуру воды в емкости 11 определяют по датчику измерения температуры воды 20, расход профильтровавшейся через комбинированный образец воды определяют по расходомеру 18, измерение напора в опыте проводят по трубчатым пьезометрам 21, подсоединенным к бачкам 9 и 15 верхнего и нижнего бьефов, нагрузку на грунт определяют по датчику 14. Воздух из устройства выпускают через специально устроенное приспособление (вантуз) 22.
При окончании испытаний получаем оценку коэффициента фильтрации, водопроницаемости и суффозионной устойчивости комбинированного образца с учетом действующих величин нагрузок и воздействий в конструкциях различных элементов грунтовых гидротехнических сооружений.