Устройство для определения водопроницаемости бентонитового мата, имеющего геотекстильные подложки

Полезная модель относится к области гидротехнического, гражданского и промышленного строительства и позволяет в лабораторных условиях определить водопроницаемость бентонитовых матов, и может быть использована для контроля качества их изготовления и соответствия техническим условиям, а также применима при проектном обосновании использования бентонитовых матов в качестве противофильтрационного элемента.
Известна испытательная установка для измерения показателя интенсивности потока, проходящего через образцы геосинтетического бентонитового изоляционного ковра (бентонитового мата), методика испытаний в которой описана в стандарте ASTM D5887 (Standard Test Method for Measurement of Index Flux Through Saturated Geosynthetic Clay Liner Specimens Using a Flexible Wall Permeameter), состоящая из водонапорного резервуара, соединенного трубкой с ячейкой пермеаметра, в которой образец бентонитового мата и пористые наконечники, заключенные в гибкую мембрану, изолированную от непроницаемой жесткой крышки и основания, подвергают воздействию контролируемого давления жидкости, созданного гидравлической системой с постоянным или убывающим напором, или с постоянной скоростью потока; гидравлическая система, в свою очередь, соединена с трубками притока и оттока.
Недостатки аналога: в испытательной установке на образец бентонитового мата действует неестественная для реальных условий строительства боковая сила в 550 кПа, установка может быть использована для контроля качества материала, а именно, для проверки соответствия техническим условиям, но не обеспечивает определение значения интенсивности потока для непосредственного использования данного значения в проектных расчетах, установка требует расходных материалов (гибкая резиновая мембрана).
Известен фильтрационно-компрессионный прибор конструкции ВНИИГ (Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. - Л.: П 49-90/ВНИИГ. 1991, с. 50-52) для оценки водонепроницаемости глинистых грунтов с ненарушенной структурой, состоящий из рабочей камеры цилиндрической формы, неподвижной опорной решетки, расположенной в нижней части рабочей камеры (нижней части фильтрационно-компрессионного прибора), пробоотборного кольца с помещенной в него пробой грунта (корпус формы для закрепления образца), двух слоев фильтровальной бумаги, которые рекомендуется укладывать снизу и сверху образца, верхней прижимной решетки, верхней части рабочей камеры (верхней части фильтрационно-компрессионного прибора), соединенных между собой откидными тягами, с помощью которых осуществляется плотная стыковка обеих частей рабочей камеры с кольцом (корпусом формы для закрепления образца), благодаря чему имеется возможность подавать через имеющиеся краны воду под напором по трубкам для подачи и отвода воды (напорной или сбросной магистрали) в одну из частей рабочей камеры фильтрационно-компрессионного прибора, откуда она поступает в испытываемый грунт, нагрузочного рычага, опоры нагрузочного рычага, гири, шарика перераспределения давления (нагрузки), регулировочного винта, штока, зажимных шпилек и манжеты для герметизации стыков, индикатора часового типа, измерительной линейки, принимающей измерительной бюретки, пластикового бачка с расходной водой (или стеклянной трубки), приспособлений для создания напора воды (компрессора) и для измерения напора воды (пьезометра или манометра), подаваемой в рабочую камеру, крана выпуска воздуха, при этом создаваемое в рабочей камере прибора давление соответствует проектным напорам в сооружении, нагрузка подается ступенями.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа по наибольшему количеству сходных признаков, а именно: возможности ступенчатой восходящей и нисходящей подачи воды в прибор/установку, жестких стенок рабочей камеры, способу подачи нагрузки и измерению заданной нагрузки.
Недостатками прототипа являются: несоответствие конструкции рабочей камеры прибора размеру (толщине) образца бентонитового мата, вследствие того, что прибор разработан для лабораторных испытаний проб глинистого грунта представительного объема, нет возможности исключить эффект развития пристенной фильтрации при исследовании водопроницаемости бентонитовых матов.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении достоверности, точности и результативности лабораторных исследований при определении водопроницаемости бентонитового мата.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для определения водопроницаемости бентонитового мата, имеющего геотекстильные подложки, состоящем из нижней и верхней частей, прижимной решетки, устройство снабжено гирей, рычагом, краном выпуска воздуха, шариком перераспределения нагрузки, регулировочным винтом, опорой нагрузочного рычага, штоком, индикатором часового типа, зажимными шпильками для стягивания нижней и верхней частей устройства и манжетой для герметизации стыков, при этом устройство выполнено с возможностью подключения нижней части к напорной магистрали для воды, а верхней части – к сбросной магистрали для воды, в средней части устройства вдоль вертикальной оси размещен корпус формы, на дно которой уложен нижний слой фильтровальной бумаги с расположенным на ней исследуемым образцом бентонитового мата, закрытым верхним слоем фильтровальной бумаги, и удерживаемым прижимным кольцом.
Отличительными признаками предлагаемого устройства, от указанного выше прототипа являются: размещение в средней части устройства вдоль вертикальной оси корпуса формы, на дно которой уложен нижний слой фильтровальной бумаги с расположенным на ней исследуемым образцом бентонитового мата, закрытым верхним слоем фильтровальной бумаги, закрепление исследуемого образца бентонитового мата прижимным кольцом.
Благодаря наличию этих признаков в лабораторных условиях становится возможным определение водопроницаемости бентонитовых матов, имеющих геотекстильные подложки, контроль качества и соответствия техническим условиям бентонитовых матов, моделирование проектных нагрузок на противофильтрационный элемент, в составе которого используются подобные бентонитовые маты.
В устройстве для определения водопроницаемости бентонитового мата, имеющего геотекстильные подложки, исключается эффект пристенной фильтрации, корпус формы адаптирован для закрепления образца бентонитового мата, возможен контроль давления гидравлической системы.
Предлагаемое устройство для определения водопроницаемости, иллюстрируется чертежом и фотографиями.
На фиг. 1 показан чертеж устройства;
на фиг. 2 - корпус формы для закрепления образца бентонитового мата, прижимная решетка и прижимное кольцо, верхняя часть устройства;
на фиг. 3 - внешний вид устройства.
Устройство для определения водопроницаемости бентонитового мата, имеющего геотекстильные подложки состоит из нижней части 1, корпуса формы 2, нижнего слоя фильтровальной бумаги 3, образца бентонитового мата 4 (исследуемый образец) - геосинтетического материала, состоящего из двух слоев геотекстиля и заключенного между ними слоя набухающего минерального наполнителя на основе бентонитовой глины, верхнего слоя фильтровальной бумаги 5, прижимного кольца 6, прижимной решетки 7, верхней части 8 устройства, гири 9, рычага 10, крана выпуска воздуха 11, шарика перераспределения нагрузки 12, регулировочного винта 13, опоры нагрузочного рычага 14, штока 15, индикатора часового типа 16, задающего манометра 17, байпасного крана для воздуха 18, принимающего манометра 19, запорного крана 20, фильтра-влагоуловителя 21, регулятора давления «до себя» 22; стеклянной трубки 23 с расходной дистиллированной водой, запорного крана 24, крана выпуска воздуха и заполнения водой 25, принимающей измерительной бюретки 26, измерительной линейки 27, байпасного крана для воды 28, задающей измерительной бюретки 29, крана выпуска воздуха и заполнения водой 30, запорного крана 31, регулятора давления «после себя» 32, запорного крана 33, стеклянной трубки 34 с расходной дистиллированной водой, напорной магистрали 35 для воды, сбросной магистрали 36 для воды, зажимных шпилек 37, манжеты 38 для герметизации стыков.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Для подготовки установки к циклу замачивания: в корпус формы 2 закладывают нижний слой фильтровальной бумаги 3, помещают образец бентонитового мата 4, внимательно следя за заполнением глинистой составляющей щели между образцом бентонитового мата 4 и стенкой корпуса формы 2 (глина должна плотно прилегать к стенке корпуса формы 2, без воздушных пузырьков), смазывают резьбу корпуса формы 2 графитовой или силиконовой смазкой, закрепляют образец бентонитового мата 4 в корпусе формы 2 прижимным кольцом 6, которое должно равномерно касаться образца бентонитового мата 4 по всему периметру, закладывают верхний слой фильтровальной бумаги 5, заполняют нижнюю часть 1 водой до уровня верхних бортиков, подсоединяют нижнюю часть 1 к напорной магистрали 35; помещают в корпус формы 2 для закрепления образца бентонитового мата 4 прижимную решетку 7.
Далее помещают корпус формы 2 с образцом бентонитового мата 4 в заполненную водой нижнюю часть 1, контролируя отсутствие посторонних частиц на манжетах 38 для герметизации стыков и поддавливая прижимную решетку 7 к образцу бентонитового мата 4, доливают воду в корпус формы 2 до уровня верхних бортиков, размещают верхнюю часть 8 на собранную нижнюю часть 1, стягивают верхнюю часть 8 и нижнюю часть 1 устройства зажимными шпильками 37, открывают кран выпуска воздуха 11, заполняют верхнюю часть 8 через отверстие для штока 15 водой до заполнения всего объема верхней части 8, контролируя выход воздуха из крана выпуска воздуха 11, подсоединяют верхнюю часть 8 к сбросной магистрали 36 для воды, помещают шток 15 в отверстие в верхней части 8, закрывают кран выпуска воздуха 11 из верхней части 8, закрепляют на верхней части штока 15 индикатор часового типа 16, помещают на шток 15 шарик перераспределения нагрузки 12, размещают собранную конструкцию из верхней 8 и нижней 1 частей устройства и под рычагом 10, закрепленным на опоре нагрузочного рычага 14, размещают гирю 9 расчетного веса на рычаг 10, регулировочным винтом 13 устанавливают рычаг 10 в горизонтальное положение, выставляют стрелку индикатора часового типа 16 на середину шкалы индикатора, доливают воду в систему через краны выпуска воздуха и заполнения водой 25 (или 30); при этом: байпасный кран для воздуха 18, запорные краны 20, 24, 31, байпасный кран для воды 28 должны быть открыты, кран выпуска воздуха 11 и запорный кран 33 должны быть закрыты; далее закрывают кран выпуска воздуха и заполнения водой 25 (или 30), через который доливали воду, закрыв запорный кран 20, плавно отрывают запорный кран 33 и регулятором давления «после себя» 32 выставляют давление воздуха в системе равное 530 кПа.
Вышеперечисленные действия выполняют один раз за весь цикл испытания для обеспечения заданного давления в системе. После настройки давления регулятор давления «после себя» 32 не используют, регулятор давления «до себя» 22 всегда находится в открытом состоянии, закрывают запорный кран 33, стравливают давление воздуха через запорный кран 20 до нуля, закрывают запорный кран 20, проверяют уровень воды в системе, при необходимости воду доливают до верха шкалы измерительной линейки 27, закрывают байпасный кран для воздуха 18, байпасный кран для воды 28, запорные краны 24 и 31, отключая воду от стеклянных трубок 23 и 34 с расходной дистиллированной водой. Фильтр-влагоуловитель 21 работает постоянно при открывании запорного крана 20, защищая регулятор давления «до себя» 22 от попадания в него воды и частиц грунта.
Цикл замачивания проводят по следующей методике: проверяют, чтобы кран выпуска воздуха 11, запорные краны 20 и 33, краны выпуска воздуха и заполнения водой 25 и 30 находились в закрытом состоянии, регулятор давления «до себя» 22 и байпасный кран для воздуха 18, запорные краны 24 и 31, байпасный кран для воды 28 открывают. Далее открывают запорный кран 33 и задают давление в напорной и сбросной магистралях 35 и 36, равное 35 кПа по показаниям задающего манометра 17, закрывают запорный кран 33; выдерживают заданный режим на 1 ступени в течение 1 часа; повторяют действия по ступеням 2, 3, 4 в соответствии с таблицей набора давления ступенями, на 7-8 ступени набора давления проводят пробное испытание в течение 5 минут на каждой ступени, для чего закрывают байпасный кран для воздуха 18, запорные краны 24 и 31, байпасный кран для воды 28. Фиксируют показания принимающей измерительной бюретки 26 и задающей измерительной бюретки 29. Путем открытия запорного крана 20 инициируют начало фильтрации воды через образец бентонитового мата 4 за счет понижения давления в сбросной камере устройства (верхней части 8) на 7 ступени с 455 кПа до 440 кПа, а на 8 ступени с 530 кПа до 515 кПа, создавая разницу давления между нижней 1 и верхней 8 частями устройства, составляющую 15 кПа по принимающему манометру 19; закрывают запорный кран 20, фиксируют время пробного испытания.
Если в течение 1 минуты разница показаний в принимающей измерительной бюретке 26 и задающей измерительной бюретке 29 составит больше 60-70 мм, значит, возникла пристенная фильтрация, проведение испытания останавливают (в дальнейшем необходимо начать испытание заново), если в течение 1 минуты разница показаний в принимающей измерительной бюретке 26 и задающей измерительной бюретке 29 составит меньше 60 мм, значит образец бентонитового мата 4 установлен правильно, и можно продолжать цикл замачивания. После пробных испытаний в предлагаемом устройстве выравнивают давление, открыв байпасный кран для воздуха 18, выравнивают уровни в бюретках - принимающей измерительной 26 и задающей измерительной 29, открыв краны байпасный кран для воды 28, запорные краны 24 и 31, добавляют давление в систему, открыв запорный кран 33 на 7 ступени до отметки 455 кПа, на 8 ступени - 530 кПа; закрывают запорный кран 33, продолжают замачивание в соответствии с таблицей.
* - Расчет нагрузки на шток 15
2
2
2
2
По стандарту ASTM D5887 (Приложение 2) давление пригрузки на испытываемый образец 4 составляет разницу между давлением в ячейке пермеаметра, равным 550 кПа и противодавлением в линии оттока пермеаметра, равным 515 кПа, которая составляет 35 кПа. Величина 35 кПа соответствует 0,35 кгс/см. Площадь испытываемого образца 4 составляет π*r=3,14*5=78,5 см. Отсюда следует, что нагрузка на образец, рассчитанная по формуле: S*F=78,5 * 0,35=27,47 кг. Округляем полученную величину нагрузки до 28 кг.
** - цена одного деления используемого манометра составляет 5 кПа.
Испытания проводят по схеме «Убывающий напор - Понижение давления напорной воды / Повышение давления сбросной воды», при этом закрывают байпасный кран для воды 28, закрывают запорные краны 24 и 31. На манометрах задающем 17 и принимающем 19 выставляют давление, равное 530 кПа путем открытия запорного крана 33 или сброса давления путем открытия запорного крана 20. Перекрывают байпасный кран для воздуха 18, записывают показания задающей 29 и принимающей 26 измерительных бюреток, записывают показания индикатора часового типа 16 Nn (м), плавно открывая запорный кран 20, выставляют на принимающем манометре 19 давление 515 кПа, закрывают запорный кран 20. Запускают секундомер на 5 минут, через 5 минут фиксируют показания принимающей и задающей измерительных бюреток 26 и 29.
Если показания любой из измерительных бюреток, принимающей 26 или задающей 29 меньше или равно 7 мм, продолжают испытание еще 5 минут, если показания больше 7 мм, то цикл испытания завершают, открывают байпасные краны для воздуха 18 и для воды 28, открывают запорные краны 24, 31, добавляют давление в системе до 530 кПа с помощью запорного крана 33, закрывают запорный кран 33, продолжают циклы испытания с интервалом в 1 час до достижения критерия завершения испытания:
как минимум три значения скорости потока должны быть определены в течение минимального периода времени 8 часов;
отношение скорости притока к скорости оттока должно составлять от 0,75 до 1,25 для последних трех последовательных измерений потока;
должны отсутствовать любые заметные тенденции к повышению или понижению скорости потока для последних трех последовательных показаний;
ни одно из последних трех значений скорости потока не должно быть меньше среднего значения скорости потока, умноженного на 0,75, и больше среднего значения, умноженного на 1,25;
указываемое в отчете значение скорости потока вычисляется путем усреднения последних трех последовательных вычисленных значений.
По окончании опыта расчетным путем вычисляют коэффициент фильтрации бентонитового мата и значение интенсивности потока через образец бентонитового мата.