П 49-90 (ВНИИГ) Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость

Рис.1

1 - график суммарного относительного содержания (обеспеченности) частиц в грунте (кривая зернового
состава грунта); 2 - вспомогательный график для определения расчетных
размеров частиц по В.Н.Кондратьеву.

Широкое распространение получила классификация грунтов по крупности частиц, предложенная Аттербергом в начале века, основанная на законе геометрической прогрессии со знаменателем 0,1. Например, гравий - 20-2 мм, крупный песок - 2-0,2 мм и т.д.

Неоднородность зернового состава грунта принято характеризовать отношением , которое называют коэффициентом разнозернистости. Эта, широко употребляемая в настоящее время морфологическая характеристика грунтов, впервые была предложена А.Хазеном [1].

Зерновой состав грунта следует считать неоднородным, если коэффициент превышает 10. Хазен также показал, что водопроницаемость несвязного грунта в первом приближении зависит от величины этого коэффициента и размера , получившего название эффективного размера частиц.

Позднее для оценки водопроницаемости грунтов И.И.Зауербрей [2] предложил использовать размер частиц , так как корреляции между коэффициентом фильтрации и структурными параметрами грунта при этом получаются более устойчивыми.

Водопроницаемость зернистых грунтов (исключая глинистые) также зависит от формы их частиц. Хотя влияние формы относительно невелико, его учитывают, вводя в расчетные зависимости коэффициент формы сечений поровых каналов . Так, коэффициент фильтрации грунта с неокатанными частицами

,                                                                     (3)

где - коэффициент фильтрации грунта с хорошо окатанными, по форме приближающимися к шару, частицами.

Установлено [3], что

,                                                              (4)

где - балл окатанности по шкале А.В.Хабакова [4]. Согласно этой шкале, частицы угловатой формы, характерной для щебнистого грунта, имеют нулевой балл, частицы с равномерно и хорошо окатанной поверхностью - четыре балла.

Как видно, влияние формы частиц на водопроницаемость грунта относительно невелико: коэффициенты фильтрации грунтов с хорошо окатанными и угловатыми частицами (при одинаковых их размерах и плотности упаковки) отличаются примерно в два раза.

Поскольку частицы различной дисперсности могут образовывать неодинаковые по своей пространственной форме каркасы, пористость или коэффициент пористости (определения которых приведены выше) дают лишь первоначальное представление о структуре грунта. Если бы частицы представляли собой одинаковые шары, то устойчивая равновесная структура грунта, состоящего из таких частиц, характеризовалась бы пористостью 0,395 и близкой к средней из граничных ее значений 0,26 и 0,48, соответствующих предельно плотной и рыхлой упаковкам равных по размерам шаров.

Поскольку пористость зернистого грунта в объеме равна пористости в любом его сечении, средний диаметр пор грунта

,                                                                    (5)

где - средний по обеспеченности размер частиц грунта.

Пористость грунта заметно убывает по мере увеличения его разнозернистости. Зависимости (), полученные опытным путем, можно аппроксимировать уравнением вида

,                                                                     (6)

где - пористость монофракционного грунта.

Соответственно, коэффициент пористости

.                                                                   (7)

Так, при нормальном уплотнении разнозернистого грунта с частицами средней окатанности 0,43 и 0,135.

Влияние разнозернистости и плотности грунта на размер поперечников его пор В.Н.Кондратьев [5] предложил учитывать, вводя в виде множителя в выражение (5) параметр неоднородности

,                                                                    (8)

где и - размеры частиц, определяемые по вспомогательному графику (линия 2 на рис.1) зернового состава фиктивного грунта с логнормальным распределением частиц.

Представляя фильтрационную модель зернистого грунта в виде пучка извилистых четочных капилляров (капилляров Жамена), нетрудно понять, что водопроницаемость грунта должна определяться не средним диаметром, а размером поперечников поровых каналов в местах их сужений. Поэтому размер называют гидравлически эквивалентным диаметром поровых каналов грунта, который примерно в три раза меньше среднего .

Гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов в зернистом грунте рекомендуется определять по формулам:

                                                             (9)

или

.                                                       (10)

Для монозернистых грунтов (с одинаковыми по крупности частицами) при наиболее вероятной их пористости, близкой к 0,4, величина поперечника .

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в несвязных зернистых грунтах

Рис.2. Графики изменения в зависимости от диаметра поровых каналов зернистой среды:

• 1 - коэффициента ламинарной фильтрации; 2 - коэффициента турбулентной фильтрации;
  3 - критической скорости фильтрации.

При отсутствии определенности в оценке режима фильтрационного потока следует использовать в расчетах двучленную зависимость Прони-Форхгеймера

.                                                  (23)

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в мелкодисперсном
связном материале (глинистом грунте)

Рис.3. Графики зависимостей между коэффициентами пористости и фильтрации глинистых грунтов.

Из этой зависимости следует, что наибольшей интенсивностью снижения водопроницаемости при уплотнении обладают низкопластичные супесчаные грунты (0,7), а наименьшей - тяжелые глины и разложившийся торф (1,5).

Для определения по формуле (24) коэффициента фильтрации грунта, в составе которого имеются плавающие в мелкоземе крупные частицы (гравий, щебень), надо вначале выяснить, какова плотность или удельный вес сухого мелкозема с частицами меньше 0,1 см. Коэффициент пористости мелкозема (по величине которого определяют водопроницаемость грунта) равен

,                                                 (27)

где и - относительные величины массосодержания мелких и крупных частиц в грунте (в долях единицы); - плотность сухого грунта; и - плотность самих частиц крупнозема и мелкозема.

Коэффициент фильтрации такого грунта (разнозернистой грунтовой смеси) равен

,                                                                  (28)

где - расчетное значение коэффициента фильтрации мелкозема грунта, вычисленного по формуле (24).

Следует учитывать, что при 0,35 крупные частицы грунта, как правило, образуют скелет, при наличии которого могут появиться поры, совершенно не характерные для мелкозернистого заполнителя, и в таком случае нельзя оценивать проницаемость грунта расчетными методами.

Характер изменения водопроницаемости уплотняющегося под действием нагрузки связного грунта следует прогнозировать на основе результатов его компрессионных испытаний. Вместе с тем допускается использование известных соотношений между коэффициентами пористости грунта и величиной сжимающего давления, например соотношений вида

.

Оценивая водопроницаемость глинистых грунтов, надо также иметь в виду наличие строгой пропорциональности между скоростью фильтрации и градиентом напора, что, как известно, является выражением закона Дарси. Этот закон сохраняется практически при любых градиентах напора.

Рис.4. Градиент-скоростные характеристики потока воды в трещинах с шероховатыми стенками
(образец из бетона на гранитном щебне крупностью 15-20 мм), при 1,1 см и 8,5 см.
Температура воды 20 °С

Как видно, влияние шероховатости стенок трещин на сопротивление движению в них воды учитывается введением симплексов и в расчетные зависимости (30) и (31).

Важнейшей особенностью процесса фильтрации воды в трещинах является то, что при возрастании градиента напора сверх так называемого критического его значения ламинарный режим сравнительно быстро сменяется турбулентным. Выражения критических градиента напора и скорости течения воды в трещине:

;                                                         (32)

     
.                                                         (33)

Из (32) следует, что при увеличении раскрытия очень тонких трещин, для которых и , критический градиент быстро уменьшается, практически обратно пропорционально четвертой степени раскрытия трещины. Соответственно, критическое число Рейнольдса

.                                            (34)

Характер изменения в зависимости от гидравлического параметра шероховатости отражен в виде графиков на рис.5.

Рис.5. Графики изменения критического числа Рейнольдса потока воды в трещине
в зависимости от гидравлического параметра шероховатости ее стенок (при 20 °С)

Гидравлические параметры и шероховатости стенок трещины с известным ее раскрытием можно определить по двум точкам на градиент-скоростной характеристике:

в области ламинарного режима

.                                             (35)

и в области турбулентного режима

.                                          (36)

Рис.6. Схемы, поясняющие проявления внешней суффозии нескальных грунтов

Первые четыре схемы (а , б , в и г ) отражают близкие по физической сути процессы контактного размыва мелкого-связного или несвязного грунта фильтрационным потоком в крупнозернистом коллекторе (схемы а и б ), в трещинном коллекторе (схема в ) и в щели, например, под флютбетом (схема г ).

Схема ж поясняет довольно редкий, но весьма опасный вид суффозии, когда мелкий, имеющий текучую консистенцию грунт (например, разжиженный мел или супесь) проникает под влиянием гравитации и фильтрационных сил в трещинно-кавернозное пространство подстилающего пласта.

И, наконец, схема з поясняет явление сосредоточенной разгрузки в виде "грифонов" фильтрационного потока в основании, который прорывается отдельными каналами через близко расположенные к поверхности слабопроницаемые пропластки.

В связи с этим, суффозию данного вида можно назвать канальной.

Рис.7. Схемы, поясняющие проявления внутренней суффозии нескальных грунтов

Вследствие внутренней суффозии может существенно измениться проницаемость грунта и его деформативность (несущая способность), особенно в тех случаях, когда под действием фильтрационных сил начинает разрушаться каркас грунта. Если учитывать данное обстоятельство, приводящее к полной деструкции грунта, то разновидностью внутренней суффозии следует считать выпор и разжижение целых объемов грунтовой толщи под воздействием направленного вверх фильтрационного потока (схема в ), а также гидроразрыв грунтовой толщи вследствие расклинивающего действия воды, быстро проникающей в глубь толщи по относительно проницаемому слою (пропластку), что поясняется схемой г на рис.7.

Разновидностью внутренней суффозии также является выщелачивание содержащихся в грунте водорастворимых минералов.

Скальные грунты

Рис.8. Схемы проявления шести видов механической суффозии в скальных массивах (грунтах)

Схема в поясняет случай внешней суффозии мелкозернистого материала-заполнителя трещины в виде поверхностного его размыва фильтрационным потоком в открытой щели между пластом заполнителя и стенкой, вмещающей трещины. Характерным, например, является случай размыва терригенного заполнителя трещины бортового отпора.

Схема г поясняет боковой размыв мелкозернистого, например, глинистого пропластка фильтрационным потоком в трещинах, оперяющих пропласток. Наиболее характерными проявлениями данного вида суффозии следует рассматривать случаи размыва глинистых прослоек в трещиноватых массивных осадочных породах (известняках, песчаниках).

Схема д поясняет случай эрозионного размыва стенок полых трещин в массиве слабоцементированных полускальных пород. Имеется принципиальное сходство первого, второго и четвертого видов суффозии в скальных грунтах с аналогичными ее проявлениями в нескальных грунтах. И, наконец, схема е поясняет выдавливание из крупной трещины находящегося в текучепластичном состоянии заполнителя, например, заполнителя трещин в меловой толще.

Сразу можно заметить принципиальное сходство первого, второго и четвертого видов суффозии с аналогичным ее проявлением в нескальных грунтах. При этом надо иметь в виду некоторую условность схематизации процесса суффозии и ограниченность исходных геоструктурных характеристик как самого материала заполнителя, так и трещиноватости скального массива. И если существует возможность испытаний образцов заполнителя в лабораторных условиях, надо всегда стремиться к реализации такой возможности, следуя приведенным ниже методическим рекомендациям.

Рис.9. Графики зависимостей, характеризующих сопротивляемость несвязных мелкозернистых
грунтов контактному размыву фильтрационным потоком. Штриховые линии - по формуле (38)

На рис.10 представлены графики изменения размывающих градиентов напора фильтрационного потока в крупнозернистых коллекторах. При >0,2 см и <0,45 изменение размывающего градиента происходит по экспоненте

,                                                    (40)

которую в большинстве случаев рекомендуется использовать в качестве расчетной при оценке суффозионной устойчивости мелкозернистых прослоек, линз и т.п. в толще более крупного грунта основания. При оценке сопротивляемости контактной суффозии разнозернистого грунта следует учитывать появление в процессе размыва на поверхности грунта "отмостки" из содержащихся в нем крупных частиц, не смываемых фильтрационным потоком, в связи с чем "отмостка" надежно защищает грунт от дальнейшего размыва. Глубину размыва русла , соответствующую моменту окончания формирования "отмостки", можно определять по формуле:

,                                                          (41)

где - пористость материала "отмостки"; - пористость размываемого грунта (песка); - диаметр частиц грунта, которые задерживаются в порах коллектора или не вымываются фильтрационным потоком; - обеспеченность частиц диаметром в размываемом грунте.

Рис.10. Графики изменения размывающих градиентов напора фильтрационного потока
в крупнозернистых коллекторах

1 и 2 - графики "нормативных" зависимостей; 3 - график зависимости ,
рекомендуемой для оценки сопротивляемости несвязных грунтов контактному размыву.

Нетрудно представить, что даже при самом незначительном (порядка нескольких процентов) содержании "невымываемых" крупных частиц в грунте обеспечивается его суффозионная устойчивость.

Фильтрационная прочность глинистых грунтов при контактном размыве потоком
в зернистом коллекторе

Рис.11. Изменение минимального градиента напора фильтрационного потока, размывающего
глинистый грунт, в зависимости от диаметра поровых каналов зернистого коллектора
и приведенного коэффициента пористости грунта (при 5 °С и 0,3).

Фильтрационная прочность глинистых грунтов при контактном размыве потоком
в трещинном коллекторе

Рис.12. Изменение градиентов напора восходящего фильтрационного потока,
вызывающего контактный выпор однородного по крупности песчаного грунта

1 - при затухающей суффозии; 2 - при незатухающей суффозии.

Наличие в грунте крупных частиц существенно не меняет начальную сопротивляемость грунта контактному выпору (если оценивать ее по среднему размеру частиц), поскольку при разжижении грунта в зоне его контакта с дренажом наиболее крупные частицы погружаются в разжиженный слой и в связи с чем не возникает суффозионно-устойчивая отмостка, какая образуется при нисходящем фильтрационном потоке или при контактном размыве разнозернистого грунта и, тем не менее, в этом случае (при достаточном содержании в грунте крупных частиц) контактный выпор не может быть катастрофическим.

Контактный выпор связного грунта

Рис.13. Вспомогательные графики для определения численных значений
функции , входящей в выражение критического
градиента при контактном выпоре глинистого грунта

Рис.14. Изменение в зависимости от раскрытия трещины критического градиента
напора, соответствующего переходу ламинарного режима
фильтрации в турбулентный (при 0,5 см и 1,7 см):

.

В свою очередь, размывающий градиент напора потока воды в трещине, соответствующий скорости , надлежит вычислять по формуле:

.                                             (48)

Следует также иметь в виду, что эрозионная устойчивость заполнителя повышается с возрастанием количества содержащихся в нем относительно крупных (>0,1 см) частиц, из которых в некоторых случаях может образоваться "отмостка" на размываемой поверхности.

Оценка эрозионной устойчивости стенок трещин в массиве полускальных пород

Этот вид суффозии скального грунта поясняется схемой д на рис.8, где показан эрозионный размыв стенок трещин фильтрационным потоком.

Для возникновения и развития поверхностного размыва (эрозии) необходимы три условия:

1. 1) динамическое воздействие (интенсивность пульсаций и скоростей) фильтрационного потока должно быть достаточно большим, чтобы расшатать и затем разрушить структурные связи в породе (преодолеть сцепление между ее частицами);

2. 2) фильтрационный поток должен при этом обладать достаточной взвесенесущей способностью, чтобы перемещать по трещинам отдельные частицы и обломки породы;

3. 3) поперечные размеры трещин в массиве вдоль направления фильтрационного потока должны быть больше (как минимум, в два раза) размеров суффозирующих частиц и обломков породы.

Поскольку, например, песчаники в подавляющем большинстве случаев более чем наполовину состоят из частиц и их агрегатов с размерами 0,15-0,3 мм, все три условия выполняются при наличии в массиве песчаника трещин с миллиметровыми раскрытиями.

Ограничив раскрытия полых трещин в массиве максимальной величиной, равной трем миллиметрам, а скорость течения воды в трещинах - тремя метрами в секунду (расчетный градиент напора в этом случае будет близким к десяти), эрозионную устойчивость стенок трещин можно считать обеспеченной, если прочность на сжатие водонасыщенной полускальной породы будет превышать 1 МПа.

С другой стороны, по формуле

кПа                                                            (49)

можно оценить минимальную прочность породы на разрыв, при которой стенки трещин не подвергнутся эрозии, если скорость течения .

В иных случаях, в том числе, когда возможно частичное выщелачивание цементирующего вещества в породе, эрозионную ее устойчивость надо определять экспериментальными исследованиями по специально разработанной методике. В связи с этим надо иметь в виду, что нарушение местной фильтрационной прочности скального грунта также может произойти вследствие химической суффозии, т.е. вымыва (выщелачивания) водорастворимых веществ, содержащихся в грунте в виде отдельных прослоек (гипс, кальций, галит) или связующей его основы - цемента.

Любой вариант защиты основания сооружения от химической суффозии должен быть аргументированным, для чего необходимо располагать соответствующими исходными данными, позволяющими составить имитационную модель основания, в которой были бы отражены реальные гидрогеологические и гидрохимические условия формирования фильтрационного потока. Вместе с тем надо понимать, как и при каких обстоятельствах возникает и развивается в конкретном грунте химическая суффозия.

Рис.15. График относительного изменения проницаемости мелкозернистых несвязных грунтов

1 - по воде; 2 - по воздуху.

Растворенный воздух выделяется из воды после резкого снижения давления при поступлении ее из городского водопровода в систему водоснабжения лаборатории, а также при ее нагревании. Выделение воздуха в обоих случаях происходит из-за уменьшения его растворимости в воде и, как правило, в наибольшей мере это проявляется зимой и весной. Поэтому для качественного проведения эксперимента необходимо осуществлять мероприятия, частично или полностью предотвращающие пневмокольматаж испытываемого грунта.

К таким мероприятиям относятся:

- предварительный подогрев воды до температуры воздуха в помещении лаборатории (или на 2-3° выше), после чего подогретая вода должна в течение одних-двух суток отстояться в водонапорном резервуаре (баке), из которого ее подают к установкам;

- использование кипяченой или дистиллированной воды (если потребление ее в эксперименте сравнительно невелико);

- предварительное вакуумирование используемой в эксперименте воды.

Эти способы борьбы с пневмокольматажем относятся к активным способам, поскольку их общим признаком является деаэрация воды, используемой в качестве флюида, перетекающего через поровое пространство грунта.

Существуют также пассивные способы, к которым относятся:

- испытание грунта в случае, когда с низовой стороны образца создают достаточно высокое противодавление, препятствующее выделению из воды растворенного в ней воздуха;

- очень быстрое испытание грунта при малых градиентах напора и расходах фильтрации, вследствие чего пневмокольматаж за время опыта проявляется незначительно.

В некоторых случаях (при испытании несуффозионных грунтов) выделившийся воздух можно удалять из грунта "продувкой", резко и на короткое время повышая напор воды и затем вновь возвращаясь к исходному его значению. Таким образом не только выясняют наличие пневмокольматажа, но и определяют, в какой мере он повлиял на водопроницаемость грунта в данный момент испытаний.

В наибольшей мере влияние пневмокольматажа проявляется при испытаниях песчано-гравийных грунтов с коэффициентами фильтрации от 1 до 1000 м/сут. В пылеватых и тем более глинистых грунтах с поперечником пор меньше 0,1 мм пневмокольматаж практически отсутствует, поскольку выделившийся в столь тонких порах воздух оказывается сжатым достаточно большим капиллярным давлением, превышающем 7 кПа, в связи с чем не может долго находиться в свободном состоянии. Вычисленный по полученной (рис.16) зависимости средний поперечник поровых каналов в монозернистом грунте

 (при косинусе угла смачивания 0,86 и поверхностном натяжении воды 7,5·10 Н/м).

Рис.16. График изменения пассивного капиллярного поднятия воды в монозернистых
песчаных и гравийных грунтах. График получен по данным опытов Жиленкова и Гильгарда

В крупнозернистом грунте (при 3 мм) пузырьки выделившегося воздуха всплывают вверх под действием архимедовой силы или же легко продавливаются в направлении движения фильтрационного потока.

Рис.17. Типовая схема технологической оснастки помещения для лабораторных испытаний грунтов

1 - водонапорный бак с запасом подогретой воды; 2 - ответвление городского водопровода; 3 - трубопровод
для подачи воды от насосной установки; 4 - трубопровод для подачи воды из бака; 5 - приборы
для испытаний грунтов; 6 - воздушно-масляные установки, к которым подключены гидравлические
домкраты приборов; 7 - электрический водоподогреватель; 8 - воздушный компрессор;
9 - аккумулятор сжатого воздуха; 10 - насосная установка; 11 - бак для воды;
12 - канализационный коллектор.

Методика испытаний

Рис.18. Вертикальный фильтрационно-суффозионный прибор

Подготавливая грунт к испытаниям на водопроницаемость, необходимо сначала отобрать представительную его пробу (навеску), руководствуясь следующими правилами:

1. а) толщина образца грунта, уложенного в рабочую камеру прибора, не должна быть меньше половины диаметра камеры;

2. б) по зерновому составу грунт в приборе (образце) практически не должен отличаться от исходной пробы или грунта с определенными расчетными характеристиками;

3. в) размер наиболее крупных частиц в грунте (образце) не должен превышать одной четверти диаметра рабочей камеры прибора, в связи с чем надо заранее выбирать для испытаний прибор соответствующего калибра;

4. г) сильно раэнозернистый грунт с 15 перед укладкой в прибор надо хорошо перемешать и увлажнить до 23%, чтобы уменьшить сегрегацию (фракционирование);

5. д) перед самой укладкой грунта в прибор надо взять контрольную пробу на влажность, а оставшуюся его часть взвесить.

Подготовленный таким образом грунт можно затем укладывать в прибор, но так, чтобы при этом не допустить просыпания его частиц через крупные отверстия решетки, надо ее прикрыть либо мелкой сеткой, либо подстилающим слоем 15 из зернистого материала, подобранного по принципу обратного фильтра. Тут же следует определить по трем-четырем точкам отметку (заглубление) сетки или подстилающего слоя, принимая за ноль отсчета верхнюю торцевую плоскость камеры прибора.

Грунт надо укладывать в прибор отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок камеры - штыкованием (чтобы здесь не осталось крупных, так называемых пристенных пор).

Затем на поверхности уложенного грунта 16 делают пригрузочный слой (подсыпку) 17 для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек рабочей камеры. При необходимости грунт до испытаний на водопроницаемость подвергают уплотнению расчетным давлением, фиксируя при этом его деформацию (осадку верхней решетки).

Последним этапом подготовки к испытаниям является водонасыщение дистиллированной или кипяченой водой, которую для этого подают с капельным расходом в нижний отсек рабочей камеры через сливной бачок 6 . Во время замачивания открывают выпускные отверстия пьезометрических краников, облегчая тем самым выдавливание воздуха из грунта.

После замачивания грунта верхний отсек камеры заливают водой и после присоединяют пьезометры. Затем приступают непосредственно к определению водопроницаемости грунта, для чего измеряют тем или иным способом стабильный расход воды, профильтровавшейся при некотором ее напоре через грунт. Деля этот расход на площадь сечения камеры прибора, находят скорость фильтрации , и одновременно по показаниям пьезометров вычисляют градиенты напора на каждом из контролируемых участков испытываемого образца. И, наконец, по формуле Дарси (если фильтрация воды в образце происходит при ламинарном режиме) определяют коэффициенты фильтрации соответственно для любого из этих участков:

.

Надо иметь в виду, что рабочую камеру прибора, предназначенного для испытаний на водопроницаемость глинистых грунтов, следует делать из материала, имеющего одинаковый с грунтом коэффициент температурных деформаций. Подходящими в этом отношении являются металлы (бронза, алюминий, сталь). Органическое стекло (плексиглас), обладающее слишком высоким температурным коэффициентом, использовать для этого нежелательно, поскольку при отсутствии термостатирования прибора всякое случайное повышение температуры воздуха в помещении может привести к отслаиванию стенки рабочей камеры от грунта.

Методика испытаний на водопроницаемость несвязного грунта в горизонтальном лотке

Рис.19. Испытания грунта на водопроницаемость в безнапорном фильтрационном лотке

1 - испытываемый грунт; 2 - депрессионная поверхность; 3 - капиллярная кайма.

Это вызывает существенное усложнение конструкции лотка. Но сама методика испытаний грунта в напорном лотке практически ничем не отличается от методики экспериментов по определению проницаемости грунтов с помощью вертикального фильтрационно-суффозионного прибора.

Не столь существенны отличия испытаний грунта в безнапорном лотке.

Прежде всего, необходимо убедиться в том, что капиллярная кайма в грунте особенно не повлияет на величину площади живого сечения фильтрационного потока.

В данном случае необходимо подбирать высоту засыпки грунта в зависимости от его крупности (точнее, высоты капиллярного поднятия в нем воды). Такими грунтами могут быть крупнозернистые пески или песчано-гравийные грунты.

Понижая ступенями в процессе испытаний грунта уровень нижнего бьефа в лотке и измеряя при этом стабильные расходы воды и одновременно пьезометрические уровни на границах отдельных участков, определяют средние значения коэффициента фильтрации грунта в пределах каждого из этих участков:

,                                                (50)

где - ширина рабочей камеры лотка; - средняя длина участка (отсека); - средняя высота отсека, ограниченная депрессионной поверхностью потока; - изменение напора по длине отсека.

Коэффициент фильтрации всей испытываемой засыпки (образца) грунта можно вычислить, используя формулу Дюпюи:

,

где - общая длина засыпки грунта в лотке; и - уровни воды в верхнем и нижнем бьефах лотка.

Рис.20. Рабочая схема фильтрационных испытаний грунта в вертикальном приборе - пермеаметре

В этом приборе образец грунта, помещенный в цилиндрическую рабочую камеру, подвергается сжатию при действии усилия, передаваемого от гидравлического пресса через шток на верхнюю подвижную решетку. Одновременно осуществляется фильтрация воды, подаваемой из поплавкового бачка-дозатора, автоматически поддерживающего заданную величину напора. Деформацию (сжатие) образца грунта в процессе его испытания определяют по показаниям мессуры, закрепленной на штоке. Напор воды, действующий на весь образец, определяют по показаниям пьезометров, соединенных с верхним и нижним бьефами. В тех случаях, когда необходимо выяснить распределение пьезометрического напора по толщине образца грунта, используют для этого электрические преобразователи давления (датчики) индуктивного типа, присоединенные непосредственно к штуцерам пьезометров на стенке рабочей камеры прибора. С внутренней стороны стенки каждый из этих штуцеров должен быть снабжен водоприемником из пористой керамики в виде диска диаметром около 1 см.

Следует иметь в виду, что уплотнять грунт до заданной начальной плотности допустимо лишь путем предварительного его сжатия, но не трамбованием, так как при трамбовании возникают отдельные сильно уплотненные слои, наличие которых является причиной неравномерного распределения напора по толщине образца и вследствие этого возможна ошибка в определении проницаемости грунта.

Сразу после начального уплотнения грунта его замачивают дистиллированной водой или химически равновесным раствором содержащихся в нем солей в направлении снизу вверх до тех пор, пока вода не проникнет через всю толщу образца, после чего камеру прибора заполняют водой до уровня слива, расположенного на постоянной отметке. Поднимая бачок дозатора или расходомерную трубку, создают напор, достаточный для точного измерения объема фильтрата.

Во время испытаний грунтов в фильтрационно-компрессионных приборах особое внимание необходимо уделять полному удалению воздуха из подстилающего слоя, на который укладывается образец, так как скопившийся под нижней поверхностью образца воздух препятствует протеканию воды при малых ее напорах, что затем ошибочно интерпретируется как отклонение от закона Дарси. Удаление воздуха обычно осуществляют через кран, расположенный чуть ниже образца, наклоняя при этом прибор, установленный в обойме, которую можно поворачивать в вертикальной плоскости (рис.21).

Рис.21. Схема фильтрационно-суффозионного прибора с поворотным нагрузочным устройством

1 - цилиндрическая рабочая камера; 2 - испытываемый грунт (заполнитель); 3 - отстойник; 4 - грунтосборник;
 5 - сливной бачок; 6 - патрубок; 7 - обойма; 8 - червячный механизм; 9 - ось; 10 - вилка; 11 - хвостовик;
 12 - трубчатая стойка; 13 - опорная крестовина; 14 - пьезометрический щит; 15 - гидравлический домкрат;
 16 - чашка; 17 - седиментометр.

В соответствии с основной целью исследований, которая обычно заключается в выяснении характера изменения проницаемости грунта по мере его уплотнения, в каждом опыте постепенно увеличивают (отдельными ступенями) сжимающее давление. Таким образом, весь опыт в данном случае подразделяется на ряд этапов (периодов), продолжительность которых зависит в основном от времени полного затухания осадок и выравнивания расходов фильтрации.

Используя полученные в опыте данные, вычисляют затем значения коэффициентов фильтрации и пористости грунта, изменение которых во времени (вместе с другими характерными параметрами) можно наглядно представить в виде графиков, как это показано на рис.22.

Рис.22. Пример графической интерпретации результатов фильтрационных испытаний
глинистого грунта

Не следует при этом забывать, что вычисленный по расходу и градиенту напора коэффициент фильтрации грунта надо привести для последующих сравнений к определенной температуре (лучше - к 20 °С). Изменение коэффициента кинематической вязкости воды в зависимости от температуры показано графически на рис.23.

Рис.23. График температурной поправки для приведения коэффициента фильтрации грунта
к температуре воды 20 °С

Все экспериментальные и полученные расчетом данные рекомендуем во время испытаний записывать в таблицу, наиболее удобная форма которой показана (табл.4).

Таблица 4

Рис.24. Схема приспособления для стабилизации напора с помощью сосуда Мариотта
 и измерения расхода воды при испытании слабопроницаемого грунта

Естественно, во время контрольных определений расхода фильтрующейся через грунт воды необходимо обеспечить надежную термоизоляцию всей системы, чтобы избежать погрешности вследствие температурного изменения объема находящейся в форкамере воды.

Испытания образцов с ненарушенной структурой

Рис.25. Фильтрационно-компрессионный прибор (обозначения в тексте)

До начала испытаний прибор помещают в нагрузочное устройство, позволяющее переворачивать прибор перед водонасыщением грунта и создавать усилие, необходимое для его уплотнения. Стенд фильтрационно-компрессионных приборов, снабженных такими нагрузочными устройствами, показан на рис.26.

Рис.26. Стенд фильтрационно-компрессионных приборов с поворотными
нагрузочными устройствами

После окончания испытаний образца грунта надо обязательно (и по возможности точнее) определить его конечную влажность , чтобы по ней вычислить коэффициент пористости , и таким образом дополнительно проконтролировать величину плотности грунта, вычисленную по осадке верхней решетки, передающей на грунт усилие от домкрата.

Методика испытаний на водопроницаемость низкопластичных глинистых грунтов

Рис.27. Устройство для фильтрационных испытаний образцов-кернов глинистого грунта

Особенность испытаний по данной схеме состоит в том, что в цилиндрическом образце-керне, выделенном из грунта или монолита без нарушения структуры, создают осесимметричный поток воды, фильтрующийся наружу из центральной полости, предварительно пробуренной обычным сверлом вдоль оси образца (для чего можно использовать любой шпиндельный станок).

Само устройство состоит из следующих частей: нижнего поддона 1 , на котором размещают образец 2 испытываемого грунта, верхнего фланца 3 , выполненного из прозрачного материала, например, оргстекла, прижимного кольца 4 , с ввернутой в верхний фланец пробкой 5 , через которую проходят трубки 6 и 7 , служащие для подачи воды в центральную полость 8 образца и выпуска из нее воздуха, трех накидных тяг 9 , на каждой из которых имеется пружина 10 .

До того, как приступить к испытаниям, образец грунта с высверленной в нем полостью и выровненными торцами, плотно обматывают снаружи несколькими слоями марли 11 и затем прочной капроновой сеткой 12 , а во внутреннюю полость вставляют упругую перфорированную гильзу 13 , выполненную из той же капроновой сетки, которая должна быть достаточно плотно прижатой к стенкам полости, чтобы предотвратить деструкцию грунта при его замачивании. Подготовленный таким образом образец 2 приклеивают с помощью расплавленного пластилина к нижнему фланцу-поддону 1 , в связи с чем фланец предварительно подогревают, и точно также приклеивают к верхнему торцу образца прозрачный фланец 3 , внимательно следя, чтобы не образовалось в пластилиновой прослойке сквозных каверн.

После затвердевания пластилиновых прослоек 14 на верхний фланец надевают прижимное кольцо 4 , в его проушины вводят накидные тяги 9 и с помощью гаек на концах этих тяг создают требуемое начальное обжатие образца, частично компенсирующее усилие набухания, возникающее в грунте при его замачивании.

Фильтрационные испытания образца проводят по известной методике, имея в виду, что нельзя при этом допускать испарения профильтровавшейся наружу воды, вследствие чего может возникнуть капиллярный ее подсос. Коэффициент фильтрации грунта вычисляют по формуле:

,                                                    (52)

где и - измеренные в процессе испытаний расход и напор фильтрующейся через грунт воды; - высота образца грунта; и - радиус образца и радиус полости внутри образца.

Удобно при испытаниях образец (вместе с устройством) помещать в заполненный водой сосуд. Тогда целиком устраняется влияние отрицательного капиллярного давления внутри пор грунта.

Хранение и транспортировка образцов грунта, отобранных с помощью режущих колец

Рис.28. Контейнер для транспортировки и хранения образцов грунта, отобранных с помощью колец

Рис.29. Устройство типа "Керн" для испытаний на водопроницаемость образца скального грунта
при всестороннем его обжатии

1 - цилиндрический корпус прибора; 2 - образец (керн) скальной породы; 3 - осевая полость (скважина),
 выбуренная по оси образца; 4 - гибкая непроницаемая оболочка; 5 - дренажный слой зернистого
материала (песка); 6 - резиновая прокладка, приклеенная к торцевой поверхности образца; 7 - крышка;
8 - сливной бачок; 9 - мерный сосуд, из которого вода поступает во внутреннюю полость образца;
10 - сливная трубка, через которую вода выпускается из дренажного слоя; 11 - центральная трубка,
проходящая в осевую полость образца; 12 - ниппель для выпуска воздуха; 13 - гайка для герметизации
центрального отверстия в верхнем фланце; 14 - прижимное кольцо, с помощью которого крепится
гибкая оболочка к верхнему фланцу; 15 - верхний фланец; 16 - кран, через который подается
жидкость в рабочую камеру; 17 - резервуар с жидкостью, находящейся
под избыточным давлением.

В первом случае вода из мерного сосуда 9 поступает во внутреннюю полость 3 испытываемого образца 2 и растекается по трещинам или порам к наружной его поверхности, где попадает в зернистую обсыпку (дренажный слой) 5 , а затем вытекает из этого слоя по трубке 10 в сливной бачок 8 . При дивергентной фильтрации движение воды осуществляется в обратной последовательности, в связи с чем мерный сосуд и сливной бачок надо поменять местами.

Во время фильтрации воды через образец его можно подвергнуть всестороннему обжатию давлением жидкости, поступающей в рабочую камеру прибора из резервуара 17 . Под действием этого давления, передаваемого на поверхность образца через гибкую непроницаемую оболочку 4 , раскрытие трещин в образце, следовательно, его проницаемость будет уменьшаться. В результате определений расходов фильтрации при постоянном напоре и различном давлении становится ясным характер изменения проницаемости образца в зависимости от величины всестороннего его обжатия.

В силу неоднородности строения скального грунта небезразличны направления фильтрации при испытании на проницаемость кернов, полученных при бурении. Преимущественно вертикальное направление скважин и горизонтальное направление движения подземных вод делают желательным определение радиальной проницаемости кернов.

Для выяснения расположения и числа водопроводящих трещин на поверхности керна его снаружи покрывают пористой пленкой, чувствительной к какому-либо газу, например, аммиаку и, пропуская этот газ через стенки керна, получают экспонированные участки на пленке против устьев трещин. В результате на развертке пленки (аммиачной бумаге) проявится топография трещин и качественно их проницаемость, от которой зависит толщина следов трещин на пленке.

Методика экспериментального изучения условий движения воды в трещинах

Рис.30. Схема установки "Фитрон"

1 - опорная стойка с крестовиной; 2 - пескосборник револьверного типа; 3 - водосливной бачок-отстойник;
4 - трещина; 5 - прокладка из губчатой резины между образцом и нащельником; 6 - струбцины для прижатия
нащельника; 7 - штуцеры пьезометрических каналов, входящих в трещину; 8 - съемный стол с герметизирующим
резиновым уплотнением; 9 - нагрузочные пружины; 10 - платформа; 11 - червячный механизм (редуктор)
с ручным приводом-штурвалом для поворота платформы; 12 - штурвал; 13 - бетонный образец с продольной
трещиной (щелью); 14 - бачок регулятор напора воды в верхнем бьефе; 15 - индикаторы перемещения
подвижной половины образца; 16 - пьезометры; 17 - водоподводящий бачок; 18 - кронштейн для крепления
неподвижной половины образца; 19 - планка-нащельник;
20 - анкерные тяги регулирования раскрытия трещины.

При этом нижнюю половину образца укрепляют на столе и делают неподвижной, а верхнюю оставляют свободной, и ее с помощью анкерных тяг можно отодвинуть от нижней половины, образуя трещину. Сверху трещину закрывают планкой-нащельником, снабженной, как и стол, уплотняющей резиновой прокладкой.

К торцевым открытым поверхностям образца, в месте расположения трещины, присоединяют с одной стороны водоподводящий бачок, а с другой - водосливной бачок-отстойник. После этого смещением верхней подвижной половины образца осуществляют требуемое раскрытие трещины, постоянно контролируемое с помощью двух, расположенных по краям образца, индикаторов (мессур).

Затем через трещину пропускают поток воды, постепенно увеличивая ее напор. Градиенты напора в процессе опыта определяют по показаниям пьезометров, присоединенных к отверстиям, выходящим в трещину, а скорость течения - по измеренной величине расхода.

Для различного ориентирования трещины в пространстве установка имеет механизм, вращающий стол вместе с закрепленным на нем образцом, который по желанию можно устанавливать вдоль или поперек оси вращения.

Рис.31. Схема устройства для изучения процесса контактного выпора глинистых грунтов

1 - испытываемый на выпор глинистый грунт; 2 - коаксиальная перфорированная трубка
с распределительной сеткой; 3 - стенка рабочей камеры с дренажной сеткой; 4 - отверстия (фильеры),
имитирующие поры крупнозернистого материала; 5 - индуктивный датчик перемещения для регистрации
выдавливания грунта в отверстие; 6 - многоканальный электрический мост; 7 - кольцевой поршень;
8 - индикатор перемещения поршня.

Прибор имеет цилиндрический корпус 3 , по оси которого расположена перфорированная трубка 2 . Сверху в корпус вставлен массивный поршень 7 , передающий внешнее давление на испытываемый грунт 1 , который помещен в кольцевое пространство между корпусом и перфорированной трубкой. В корпус прибора ввинчены штуцеры (фильеры) с отверстиями различного диаметра, моделирующими поры в грунте основания экрана или в обратном фильтре дренажа.

Во время проведения опыта вода (жидкость) через кран поступает внутрь перфорированной трубки 2 , откуда протекает в грунт и фильтрует к периферии под действием напора, величину которого определяют по показаниям манометра.

Для равномерного притока воды (жидкости) к грунту трубка 2 снаружи окружена металлической сеткой галунного плетения. Дренирование фильтрационного потока осуществляется такой же сеткой, расположенной на внутренней поверхности корпуса, в котором для лучшего оттока воды имеются дренажные отверстия. Профильтровавшаяся вода вытекает через эти отверстия и собирается в кювете, откуда она по сливной трубке поступает в мерный сосуд. Суммарную осадку грунта определяют по показаниям трех симметрично расположенных на поршне индикаторов, причем опорой для их штоков служат выдвижные подставки, закрепленные на корпусе прибора. Эти подставки позволяют легко устанавливать начальные нулевые показания индикаторов.

Фильтрационную прочность грунта определяют по величине выходного градиента напора, измеренного в то время, когда начинается разрушение грунта в фильере с отверстием данного диаметра. При этом, по мере завершения контактного выпора, фильеры последовательно закупоривают, ввинчивая в них пробки, что позволяет в одном опыте испытать грунт при его выпоре в несколько отверстий различного диаметра и установить таким образом зависимость между критическим градиентом и диаметром отверстий.

Величину градиента на контуре разгрузки потока определяют по формуле для осесимметричной фильтрации в напорном пласте:

,                                                             (53)

где - напор жидкости внутри перфорированной трубки; и - расстояния от оси прибора до распределительной и дренажной сеток.

Один из таких приборов с рабочей камерой диаметром 31 см и высотой 26 см показан на фотографии (рис.32). Вертикальная сжимающая нагрузка, постоянно передаваемая поршнем на грунт, может достигать в этом приборе 250 Н/см.

Рис.32. Установка для определения фильтрационной прочности грунтов при контактном выпоре

Испытания грунта на контактный размыв в фильтрационно-суффозионном лотке

Рис.33. Горизонтальный фильтрационно-суффозионный лоток

После заполнения рабочей камеры грунтом сверху в нее вставляют массивный поршень, с помощью которого передается на грунт сжимающее усилие, воспринимаемое от гидравлического домкрата или рычажного устройства.

В зависимости от заданных условий испытываемый грунт укладывают либо под коллектором - слоем крупнозернистого материала, либо над ним (случай так называемого потолочного размыва). Считается обязательным торцевые участки слоя грунта на длине около 10 защищать от размыва (экранировать) тонкой металлической фольгой, так как на этих участках возникает сбойность (перемежаемость) фильтрационного потока, не характерная для внутренней зоны коллектора.

К самим испытаниям приступают после водонасыщения грунта и полной его консолидации под нагрузкой, о чем судят по прекращению осадки поршня (или расширения гидравлической подушки), регистрируемой индикаторами, установленными на поршне.

В процессе испытаний следует обратить главное внимание на выяснение наименьших значений скорости и градиента напора фильтрационного потока в коллекторе, при которых возникают устойчивый размыв грунта (эти значения называют размывающими), интенсивности размыва (расхода выносимых потоком частиц грунта) по мере увеличения скорости потока и соответствующих смещений размываемой поверхности (о чем свидетельствует осадка поршня).

Рис.34. Рекомендуемый образец графической интерпретации результатов испытаний грунта на контактный размыв

1 - суглинисто-щебнистый грунт 1,972 г/см; 10,2 см; 10,9%;
2 - гравий крупностью 5-7 мм; 0,39.

Проведение испытаний грунта на контактный размыв в вертикальном
фильтрационно-суффозионном приборе

Рис.35. Схема и результаты испытаний грунта на контактный размыв в вертикальном фильтрационно-суффозионном приборе

1 - супесчано-щебнистый грунт Сафедобского месторождения 1,70 г/см, 0,7%, 1,76 г/см;
 2 - обратный фильтр (галечник) 2-40 мм, 1,90 г/см, 0,28; 3 - песколовка.

Примечания.

1. 1. Снижение коэффициента фильтрации галечника при градиентах 0,003-0,02 обусловлено влиянием закупорки пор воздухом.

2. 2. Скорость движения воды в порах обратного фильтра подсчитывалась по формуле .

Чтобы избежать деструкции грунта при замачивании (размокании), нижнюю поверхность образца надо защищать надлежаще подобранными по крупности частиц подстилающим слоем, как это показано на схеме опыта (рис.35). Данному требованию соответствует обычно слой гравия крупностью 5-7 мм.

Сверху укладывают пригрузку, которая должна быть менее проницаема, чем материал коллектора, иначе произойдет преждевременный и к тому же нехарактерный размыв входного фрагмента образца. Однако его можно защитить от размыва в этом месте с помощью тонкой фольги или пленки.

При наличии внешней силы, воспринимаемой верхней решеткой, можно в процессе испытаний фиксировать ее осадку, обусловленную контактным размывом грунта и тем самым получить дополнительное объективное свидетельство о характере протекания размыва (см. график осадок на рис.35). В остальном испытания проводятся также, как и в горизонтальном фильтрационно-суффозионном лотке.

Методика испытаний грунтов на суффозионную устойчивость при воздействии потока воды
со стороны устья оперяющей полой трещины (щели)

Рис.36. Установка Бора-2

Рис.37. Схема установки Бора-2

Эта установка позволяет воспроизвести условия размыва грунта потоком воды в одиночной трещине с регулируемым раскрытием, которая образуется при расстыковке двух частей бетонной призмы, предварительно расколотой в продольном направлении и являющейся своего рода трещинным коллектором. Для выявления особенностей процесса размыва как при потолочном, так и боковом его вариантах, установка снабжена поворотной платформой, на которой размещается бетонная призма. Кроме того, для стабилизации потока воды трещина имеет достаточно большой разгонный участок.*

________________

* Общая длина трещины в установке Бора-2 составляет 100 см, а разгонного участка - 50 см.

Методика испытаний грунта на установке Бора-2 заключается в следующем. Испытываемый грунт 1 помещают в рабочую камеру 2 , расположенную непосредственно на верхней грани бетонной призмы 3 над устьем продольной трещины 4 , разделяющей эту призму на две части, одна из которых неподвижно закреплена на платформе 5 , а другую можно с помощью тяг 6 перемещать в поперечном направлении, устанавливая тем самым заданное раскрытие трещины.

Величину раскрытия при этом контролируют по показаниям мессур 7 , укрепленных на платформе.

Уложенный грунт затем уплотняют до расчетного объемного веса с помощью поршня 8 , воспринимающего необходимое для уплотнения усилие от нагрузочного устройства 9 (гидравлического домкрата, пружин). После консолидации грунта через трещину пропускают поток воды, постепенно увеличивая его напор, пока не начнется размыв грунта. Градиенты напора определяют по пьезометрам 10 , присоединенным к штуцерам пьезометрических каналов (отверстий) 11 , выходящих в трещину.

Интенсивность размыва грунта определяют по нарастанию массы его частиц, выносимых в отстойник 12 , и по осадке поршня, регистрируемой мессурами 13 . По нарастанию интенсивности размыва и осадок поршня, по мере увеличения скорости течения воды в трещине можно определить ее размывающую величину, которая является характеристикой суффозионной устойчивости грунта при данном воздействии на него фильтрационного потока и данном раскрытии трещины.

Рис.38. Песколовка револьверного типа

В нижнем вращающемся диске 1 имеется несколько (два-три) отверстий 7 с уплотнительными шайбами из фторопласта 8 . Каждое из этих отверстий может быть совмещено с отверстием 4 в верхнем диске. В отверстия ввернуты трубки-капсулы 9 из прозрачного материала, в которых улавливаются выпавшие из отстойника частицы грунта 10 . Поворачивая по мере необходимости нижний диск, разобщают с отверстием 4 одну из трубок с находящимися в ней частицами грунта и совмещают с этим отверстием другую, предварительно заполненную водой, трубку (для чего в верхнем диске высверлено небольшое дополнительное отверстие 11 ).

Таким образом, в течение одного опыта можно многократно отбирать порции частиц, вынесенных из испытываемого грунта. Однако здесь надо иметь в виду, что подстилающий образец грунта зернистый материал должен быть подобран так, чтобы через него свободно проходили вымываемые из грунта частицы.

Рис.39. Схема электромеханического суффозиометра

1 - размываемый грунт; 2 - отстойник; 3 - соединительный патрубок; 4 - прозрачный сосуд;
 5 - чашка-пескосборник; 6 - капроновая нить; 7 - стеклянная трубка; 8 - пластинчатая пружина;
 9 - индуктивный датчик перемещения; 10 - электронный блок.

При проведении опыта надо учитывать, что по мере увеличения расходов фильтрации скорость протекания воды через отстойник прибора также возрастает, в связи с чем наиболее мелкие частицы могут не успеть седиментировать и попасть в суффозиометр, они уйдут транзитом на слив. В этом случае рекомендуется осуществлять осаждение таких частиц в дополнительном отстойнике достаточно больших размеров. Каждый отстойник должен иметь днище в виде перевернутой пирамиды или конуса с крутыми (более 50°) стенками, чтобы обеспечить сползание вниз осевших частиц.

Испытания грунта начинают, как правило, при заведомо неопасных для него градиентах напора, который постепенно увеличивают ступенями по 10-20% до тех пор, пока не обнаружатся признаки суффозии (появление очагов размыва, вынос частиц, деформация образца, изменение его проницаемости). При этом надо, не меняя напора, выяснить установившееся значение перечисленных показателей состояния грунта, после чего можно еще повысить напор и вновь повторить те же операции.

Рис.40. Схема суффозионного щелевого лотка с подвижной кассетой

На торцевых стенках камеры имеются патрубки 11 , через которые подается и отводится вода, а перед этими патрубками в камере установлены струераспределительные решетки 12 . Для уменьшения сбойности течения потока на концевых участках щели кассета снабжена открылками 13 . На крышке камеры лотка размещены штуцера 14 , к которым присоединяются пьезометры для измерения напора потока воды в щели.

Для проведения испытаний образец грунта 3 (в виде бруска с выровненной верхней гранью) укладывают по возможности без нарушения его естественной структуры в кассету 2 , которая находится в рабочей камере 1 лотка, и фиксируют положение образца в кассете с помощью твердеющего раствора.

Закрывают лоток крышкой 5 , присоединяют к штуцерам 14 пьезометры, а к патрубкам 11 - приспособления для создания напора и слива воды, после чего замачивают образец, заполняя камеру водой.

Если при впитывании воды происходит деструкция поверхностного слоя образца, его плотно прижимают к крышке, что легко осуществить при наличии подвижной кассеты.

Затем, вращая винты 8 , устанавливают и измеряют с помощью щелемеров 4 начальное раскрытие щели и постепенно увеличивая напор потока в щели до прогнозируемых значений этих параметров в натуре, одновременно наблюдают через прозрачную крышку лотка за состоянием поверхности образца, контролируя щелемерами раскрытие щели.

В случае размыва (эрозии) поверхности об интенсивности этого явления можно судить не только по увеличению раскрытия щели, но также по изменению ее проницаемости, характеризуемой средней скоростью потока при данном градиенте напора, который определяют по показаниям пьезометров.

Конструкция устройства (щелемера) для определения раскрытия щели и измерения глубины размыва грунта поясняется чертежом на рис.41. Глубину размыва определяют с помощью этого устройства следующим образом. Вращая подающую гайку, расположенную в прорези опорной планки 5 , перемещают выдвижной шток 6 вверх до упора, полностью утапливая тарелку 11 в выточке крышки лотка 2 . Вращением столика 9 устанавливают нулевой отсчет на шкале мессуры 8 , затем опускают шток вниз, пока тарелка не прижмется на поверхности грунта 1 , при этом по показаниям мессуры определяют величину раскрытия щели. Сопоставляя во времени величины раскрытия в данной точке, выясняют интенсивность размыва грунта, не снимая при этом крышки лотка.

Рис.41. Устройство для измерения раскрытия щели при испытании на размыв образцов породы
в суффозионном щелевом лотке

1 - испытываемая порода (заполнитель), находящийся в кассете; 2 - крышка лотка; 3 - сальниковая муфта;
 4 - стойки; 5 - опорная планка с подающей гайкой; 6 - выдвижной шток; 7 - верхняя планка; 8 - мессура;
9 - столик для установки нуля отсчета; 10 - кольцевой зазор с находящейся в ней вязкой жидкостью (тавотом);
 11 - опорная тарелка; 12 - губчатое уплотнение для герметизации камеры лотка.

Методика испытаний заполнителя трещины на устойчивость к внутренней суффозии
и выдавливание (выпор)

Рис.42. Схема установки "Тектрон"

1 - испытываемый образец заполнителя; 2 - пустотелый керн скальной породы; 3 - нагрузочное устройство
(домкрат или пружина); 4 - фланец; 5 - направляющие стойки; 6 - защитная сетка;
7 - внутренняя полость керна; 8 - кольцевой водосборник; 9 - мессуры, регистрирующие
перемещение верхней части керна.

Основным элементом установки является пустотелый разъемный цилиндрический керн, нижняя опорная часть которого отделена трещиной от верхней части, выполняющей роль прижимного штампа, уплотняющего заполнитель под действием усилия, передаваемого от нагрузочного устройства. Для более полного приближения условий испытаний к натурным желательно, чтобы керн был выполнен из материала, вмещающего заполнитель скальной породы (в других случаях - из цементно-песчаного камня, бетона и т.п.), получая таким путем естественную шероховатость стенок трещины.

Испытываемый образец заполнителя 1 укладывают, по возможности без нарушения его структуры, в трещину 2 , направленную поперек пустотелого керна 2 скальной породы, между нижней и верхней его частями. Затем образец уплотняют нажатием на него верхней подвижной части керна, воспринимающей необходимое усилие от нагрузочного устройства, например, пружины 3 , сжимаемой с помощью фланца 4 , перемещающегося по направляющим стойкам 5 . Чтобы предотвратить возможное оплывание образца и выдавливание его из трещины под действием уплотняющей нагрузки, он внутри и снаружи защищен крупной сеткой 6 , которая не должна являться препятствием для вымываемых фильтрационным потоком частиц заполнителя. После уплотнения через образец пропускают воду, подаваемую под напором во внутреннюю полость 7 керна. Постепенно увеличивая напор, наблюдают за расходом профильтровавшейся воды, количеством вымываемых частиц, попадающих в кольцевой водосборник 8 , а также за перемещением верхней части керна, регистрируемым мессурами 9 (это перемещение, кстати, также может характеризовать увеличение деформативности трещиноватого скального массива в результате суффозии заполнителя). По изменению всех этих характеристик судят о состоянии образца и, доводя его до разрушения при разных нагрузках, устанавливают зависимость критического градиента напора от интенсивности сжатия заполнителя. Вместе с тем, используя данные о напоре и расходе просочившейся через заполнитель воды, можно определить его коэффициент фильтрации, выполнив для этого несложный расчет по формуле (52).

Методика изучения суффозионного перетекания пластичного глинистого грунта или мела
в трещинное пространство скального массива

Рис.43. Устройство для испытания грунта на суффозионную устойчивость

Порядок испытаний грунта с помощью данного устройства заключается в следующем. Перед тем как поместить в рабочую камеру 1 испытываемый образец грунта 2 , в диафрагме 3 закрывают щель 4 , для чего перемещают с помощью штока 5 подвижную заслонку 6 и устанавливают нулевой отсчет на индикаторе ее перемещения 7 . Затем укладывают на диафрагму грунт с заданной начальной влажностью, отсыпают над ним (для более равномерного распределения поступающей сверху в грунт воды) пригрузочный слой 8 , укладывают решетку 9 и закрывают рабочую камеру с находящимся в ней грунтом крышкой 10 . При необходимости грунт до испытаний на суффозионную устойчивость подвергают уплотнению расчетным давлением, создаваемым гидравлическим домкратом 11 , фиксируя при этом с помощью индикатора 12 деформацию грунта (осадку решетки). И наконец производят водонасыщение грунта. После этой операции считают законченными формирование образца грунта и подготовку его к испытаниям, которые сводятся к тому, что при заданном градиенте напора (среднем по высоте образца или местном при входе в щель) фильтрующейся через образец воды постепенно увеличивают раскрытие щели до тех пор, пока не начнется суффозия грунта над щелью. Об интенсивности суффозии при этом судят по нарастанию веса частиц грунта, прошедших через щель и осевших затем в "песколовке" или чашке суффозиометра, присоединенного к патрубку конического отстойника устройства. Также можно испытывать грунт, постепенно увеличивая напор при фиксированном раскрытии щели. В любом случае в результате многократных испытаний получают общую зависимость разрушающего (критического) градиента напора от величины раскрытия щели и плотности грунта.

Рис.46. Блок-схема автоматизированной установки

Главной целью проведения таких экспериментов являлось выяснение критических скоростей и градиентов напора фильтрационного потока, которые затем использовались в качестве характеристики местной фильтрационной прочности основания или самого гидротехнического сооружения.

Конкретно, проверка работоспособности системы осуществлялась на базе лабораторной установки БОРА-2, предназначенной для испытания образцов грунта в условиях контактного размыва грунта фильтрационным потоком в трещинном коллекторе. С помощью данной установки воспроизводятся близкие к натурным условиям воздействия на грунт потока воды в полой "оперяющей" трещине с изменяемым в процессе испытаний ее раскрытием.

Параметры потока задавались по заранее составленной программе, которая вводилась в управляющую процессами микроЭВМ "Искра 1256". Само же изменение расхода воды осуществлялось при помощи дистанционно управляемого электромеханического устройства - регулятора давления, разработанного и изготовленного в Лаборатории, поскольку такие устройства промышленностью вообще не производятся.

При испытании грунта контролировались расход и напор протекающей в трещине воды, а также - интенсивность размыва (суффозии) грунта. Для этого использовался индуктивный расходомер типа "ИР", датчики давления "Сапфир 22" и изготовленный в Лаборатории суффозиометр (индуктивный преобразователь).

Параметры потока изменялись ступенями в соответствии с программой экспериментов (рис.47) и выдерживались на каждой ступени до полной стабилизации (затухания процесса размыва). Момент выхода на стационарный режим также определялся программой.

Рис.47. Блок-схема программ (1), (2)

Сигналы, управляющие параметрами потока, передавались от ЭВМ через интенфейсное устройство БИФ ЦАП "015-10" и усилитель постоянного тока на электромеханический регулятор расхода (рис.48). БИФ АЦП "015-11" вводит в ЭВМ преобразованные сигналы, поступающие с датчиков, - в режиме адресного опроса. Затем вся информация вводится на экран дисплея и печатающее устройство.

Рис.48. Электромеханический регулятор расхода воды с дистанционным управлением

Взаимодействие оператора с ЭВМ осуществлялось в диалоговом режиме и оператор определял по коэффициентам варианты показаний, возможность перехода от неустановившегося к установившемуся режиму, задавать ли максимальный расход и т.д.

Программа для созданного автоматизированного комплекса (400 операторов) состоит из основной программы, определяющей последовательность (общий ход) эксперимента и ряда подпрограмм для измерений в неустановившемся и установившемся режимах параметров потока и суффозии грунта, а также - установления связи с АЦП и ЦАП, управления электромеханическим регулятором (рис.49).

Рис.49. Блок-схема программы (3)

Одна из подпрограмм осуществляет отсеивание сигналов высоких частот (так называемый фильтр высоких частот).

Практическая проверка работоспособности комплекса показала высокую его эффективность и надежность, что открывает широкие перспективы для автоматизации большинства выполняемых в лаборатории экспериментов. Данный комплекс показан на фотографии (рис.50).

Рис.50. Автоматизированный комплекс для фильтрационных испытаний грунтов в лабораторных условиях