Компрессионно-фильтрационные испытания грунтов

7.19.1.2. В зависимости от целей исследования коэффициент фильтрации в компрессионно-фильтрационном приборе может определяться по образцам естественного и нарушенного сложения.

7.19.1.3. Основной частью компрессионно-фильтрационного прибора (рис. 34) является база 1, представляющая собой массивный полый стакан. Внутри стакана, в верхней его части, на кольцевом выступе помещается металлическая решетка 2 с большим количеством отверстий. С боковой стороны стакана закреплен штуцер 10. На решетку 2 устанавливают кольцо 4, в которое загружают исследуемый грунт. Кольцо к стакану притягивают болтами через фланцы 3, между которыми укладывают уплотнительную резиновую прокладку. На кольцо 4 навинчивают направляющий цилиндр 5, в верхней части снабженный сливной трубкой 6. Давление на исследуемый грунт передается дырчатым штампом 7, имеющим сверху углубление для стального шарика 8 - на него упирается шток пресса, под которым производят уплотнение грунта. Для замера деформации грунта при уплотнении на специальной стойке укреплен индикатор 9.

Рис. 34. Принципиальная схема конструкции компрессионно-фильтрационного прибора
К базе прибора 1 присоединяют стеклянную пьезометрическую трубку 11, служащую одновременно для питания прибора водой и для замера действующего напора. Пьезометрическая трубка укреплена на деревянной панели 12 с миллиметровой шкалой.
7.19.2. Исследования образцов грунта естественного и нарушенного сложения
7.19.2.1. Для определения коэффициента фильтрации грунта естественного сложения и влажности монолит вскрывают, определяют его сохранность и пригодность для испытания. Он не должен иметь следов нарушения сложения - трещин, смятий и др.

7.19.2.2. Из монолита вырезают образец размерами, точно соответствующими по высоте и диаметру кольцу 5. Вырезание образца выполняют режущим кольцом. После взятия образца его взвешивают на технических весах для определения плотности грунта с точностью до 0,01 г. Одновременно из монолита отбирают пробы для определения влажности грунта и плотности частиц.

7.19.2.3. Перед сборкой прибора база 1 заполняется водой через пьезометр до появления пленки воды на поверхности решетки 3. Решетку покрывают листом фильтровальной бумаги. Поверх фильтровальной бумаги на решетку осторожно устанавливают кольцо с грунтом, которое закрепляют на базе болтами через фланцы 4. Затем на кольцо навинчивают направляющий цилиндр, грунт покрывают листом фильтровальной бумаги и на него устанавливают штамп 8. На стойке закрепляют индикатор. В таком виде прибор, загруженный грунтом, подготовлен для испытания на фильтрацию.

7.19.2.4. Прибор устанавливают под пресс, рычаг которого с помощью уравнительного винта приводят в горизонтальное положение. Затем рычаг неподвижно закрепляют упорным винтом, а прибор заливают сверху водой без нагрузки на рычаг. Одновременно ножку индикатора ставят на штамп и производят запись показаний индикатора. Закрепление рычага предупреждает разбухание грунта в приборе. Грунт в приборе при закрепленном рычаге выдерживают до пяти суток для полного насыщения водой. При естественной степени насыщения грунта водой более 0,95 можно приступить к его испытаниям на фильтрацию без выдерживания после заливки водой.

7.19.2.5. При испытаниях грунта естественного сложения образцы должны загружаться в прибор ориентированными соответственно условиям естественного залегания.

7.19.2.6. При испытаниях грунта нарушенного сложения его размельчают и просеивают или протирают через сито с отверстиями 1 мм. За одни сутки до загрузки прибора из грунта с водой приготавливают тесто консистенции, соответствующей пределу текучести. Далее, также как и при подготовке приборов для испытания грунта естественного сложения, из приготовленного теста режущим кольцом вырезают образец. Затем прибор собирают, ставят под пресс и заливают водой. Одновременно производят запись показания индикатора.

7.19.2.7. Зарядив прибор испытуемым грунтом и выдержав его под прессом до полного насыщения водой, приступают к определению коэффициента фильтрации.

Сущность опыта состоит в определении скорости фильтрации воды через грунт, предварительно уплотненный нагрузкой. Число и размер ступеней нагрузки устанавливают до начала опыта в зависимости от предъявляемых требований. Обычно испытания производят при нагрузках в 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 МПа.

7.19.2.8. После насыщения грунта водой к нему прикладывают первую ступень нагрузки, равную 0,05 МПа. Под этой нагрузкой грунт выдерживают до стабилизации уплотнения. Наблюдения за уплотнением ведут по индикатору.

7.19.2.9. После стабилизации уплотнения грунта от первой, второй и последующих ступеней нагрузки в пьезометрическую трубку наливают воды на 50 см выше уровня сливной трубки прибора и создают тем самым напор, под действием которого вода начинает фильтроваться из пьезометрической трубки в прибор и в нем снизу вверх. Одновременно ведут наблюдения за скоростью понижения уровня воды в пьезометрической трубке, для чего отсчеты по пьезометру производят через определенные промежутки времени в зависимости от водопроницаемости грунта, но не реже двух раз в течение рабочего дня. Следует учитывать, что коэффициент фильтрации получается тем точнее, чем больше было сделано наблюдений за уровнем воды в пьезометрической трубке. Горизонт воды в приборе в процессе опыта необходимо поддерживать на уровне сливной трубки прибора. Если расход воды, фильтрующейся через грунт, меньше потерь на испарение, то воду в направляющий цилиндр прибора подливают сверху до уровня сливной трубки.

7.19.2.10. Коэффициент фильтрации грунта вычисляют по данным, полученным в процессе испытаний, исходя из условий, что уровень воды в пьезометрической трубке при первом отсчете через время t₁ (часов или секунд) от начала наблюдения понизился на S₁ (см) от первоначального уровня, через время t₂ на S₂ (см), через время t₃ на S₃ (см), через время t_i на S_i (см), откуда по формуле Дарси*

K₁ = m₁ / (f · I₁ · t₁); K₂ = m₂ / (f · I₂ · t₂);

(93)

где K₁, K₂, K₃, K_i - коэффициенты фильтрации, см/с; m₁, m₂, m₃, m_i - количества воды (см³), профильтровавшейся через слой грунта за время t₁, t₂, t₃, t_i, определенные пo-формулам:

где d - диаметр пьезометрической трубки, см; I₁, I₂, I₃, I_i - гидравлические градиенты в моменты t₁, t₂, t₃, t_i, равные:

(96)

______________

* Примечание: Здесь приведена методика приближенного определения коэффициента фильтрации при переменном напоре.
Средний коэффициент фильтрации за время опыта при первой ступени нагрузки составит:

K = (K₁ + K₂ + K₃ + … + K_i) / i, (97)

где i - число наблюдений.

В целях сокращения вычислений коэффициент фильтрации может быть определен с достаточной точностью по формуле:

K = [f₀ (S / h) : t] · (f / F) · l_f · 864, (98)

где K - коэффициент фильтрации, м/сут; f₀ (S / h) - функция, определенная по таблице 39; S - понижение уровня воды в пьезометрической трубке (см) за время t (с); h - начальный напор, см; f - площадь сечения пьезометрической трубки, см²; F - площадь поперечного сечения образца грунта, см²; l_f - длина пути фильтрации, равная толщине слоя грунта в кольце (см) после стабилизации ее уплотнения от той или иной ступени нагрузки; 864 - коэффициент пересчета размерности см/с на м/сут.

Для удобства вычислений формула (98) может быть записана в следующем виде:

K = A M, (99)

где A = f (S / h) : t, M = 864 (f / F) · l_f.

Для каждого прибора значения A и M могут быть подготовлены в виде соответствующих таблиц.

Всего рекомендуется делать не менее трех вычислений коэффициента фильтрации при различных напорах для каждой ступени нагрузки: в начале опыта, после падения уровня воды в пьезометрической трубке до половины первоначального напора и в конце опыта при самом малом напоре.

7.19.2.11. Вычислив значение коэффициента фильтрации при первой ступени нагрузки, опыт продолжают после стабилизации уплотнения породы от второй, третьей и последующих ступеней нагрузки.

7.19.2.12. При каждом замере уровня воды в пьезометрической трубке производят замер температуры фильтрующейся воды. Для приведения результатов к одной постоянной температуре и получения значения коэффициента фильтрации при этой постоянной температуре вводят температурную поправку (формула 87).

7.19.2.13. Для получения полной характеристики изменения водопроницаемости грунта в зависимости от его плотности после выполнения опытов на фильтрацию при разных напорах для каждой ступени нагрузки воду из прибора сливают, прибор разбирают, кольцо с грунтом с поверхности обтирают фильтровальной бумагой и взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. После этого кольцо с грунтом помещают в термостат и высушивают при температуре 105 °С до постоянной массы. Все эти данные позволяют определить влажность грунта, его плотность и плотность сухого грунта, а также пористость и коэффициент пористости.
7.19.3. Прибор ПФГ-1
7.19.3.1. Прибор предназначен для определения коэффициента фильтрации глинистых грунтов. Особенности прибора ПФГ-1:

- оригинальная герметизация образца грунта в рабочей камере, исключающая возможность возникновения пристеночной фильтрации между боковой поверхностью образца и внутренней стенкой обоймы;

- высокая и регулируемая точность измерения расходов, что достигается использованием тонких сменных пьезометрических трубок с внутренними диаметрами 1 и 3 мм.

7.19.3.2. Технические характеристики прибора ПФГ-1 приведены в табл. 40.

7.19.3.3. Прибор ПФГ-1 состоит из трех функциональных блоков:

- устройства для измерения фильтрационных расходов;

- рабочей камеры, в которой размещается и герметизируется испытываемый образец грунта;

- камеры питания и тонкой регулировки давления.

Прибор монтируется на плексигласовой плите, в которой размещаются подводящие воду и газ коммуникации.

Функциональные блоки образуют единую гидравлическую систему, в блоке питания создается избыточное давление, подающее рабочую жидкость (воду) в рабочую камеру к нижнему торцу цилиндрического образца грунта, которая фильтруется через него и вытесняется в блок измерения расходов. Блок измерения расходов через штуцер соединяется с рабочей камерой.

7.19.3.4. Общий вид прибора представлен на рис. 35,а. Устройство для создания избыточного давления является внешним (конструктивно не связанным с ПФГ-1). Оно должно соответствовать требованиям техники безопасности. Давление создается сжатым газом, отбираемым от баллона низкого давления (до 3 атм), периодически подзаряжаемого с помощью ножного насоса.

Пьезометрические трубки являются сменными, и их внутренний диаметр подбирается в зависимости от ожидаемого порядка величины коэффициента фильтрации.

7.19.3.6. Разборная рабочая камера состоит из:

рабочего кольца 5 с конической проточкой; верхней крышки 6 с центральным резьбовым отверстием под штуцер 3 и вентилем 4; нижней крышки 7 с отверстием для подачи воды под давлением через подводящую трубку 10; коротких стяжных болтов 8 с гайками для соединения верхней 6 и нижней 7 крышек; гаек 9; трубки 10 для подачи воды в рабочую камеру из камеры-резервуара 12 блока питания. Трубка 10 резьбовым соединением скрепляется с крышкой 7.

7.19.3.7. Блок питания включает:

- трубку 11 для подачи в камеру-резервуар 12 воздуха под заданным давлением;

- цилиндрическую (плексигласовую) камеру-резервуар 12 для воды 13, используемой в процессе фильтрации, и воздуха, необходимого для смягчения колебаний давления;

- запас рабочей жидкости 13;

- плиту 14 - основание с каналами для подачи воды и воздуха, на которую устанавливается камера 12, накрываемая крышкой 7;

- вентиль 15 для сброса воды из камеры-резервуара 12;

- манометр 16 образцовый (сменный);

- воздушный вентиль 17, используемый при подаче воздуха из баллона;

- штуцер-переходник 18 для присоединения баллона с сжатым воздухом при помощи толстостенного шланга;

- воздушный вентиль 19 для сброса избыточного давления в рабочей камере;

- стяжные болты 20 с гайками для скрепления и герметизации камеры-резервуара 12 с крышкой 7 и плитой 14.

7.19.3.8. На рис. 35,б представлено внутреннее устройство рабочей камеры, вкладными деталями которой являются верхний 21 и нижний 22 перфорированные диски.

Герметизация рабочей камеры осуществляется с помощью:

- кольцевых прокладок 23 из мягкой листовой маслостойкой резины толщиной 1 мм или круглого сечения диаметром 1 мм путем затяжки болтов 8 и 20;

- кольцевого конического зазора 24 между боковой поверхностью образца грунта и рабочим кольцом 5, заполняемого вязкой, нейтральной по отношению к грунту и металлу, консистентной мазью, не выливающейся из зазора при переворачивании образца во время сборки рабочей камеры.

7.19.3.9. Подготовку к испытанию глинистых грунтов следует производить в следующей последовательности:

а) с помощью шаблона образец грунта выдавливается из кольца-пробоотборника и размещается в рабочем кольце 5;

б) конусный зазор между боковой поверхностью образца и рабочим кольцом заполняется консистентной смазкой (эмульсией) заподлицо с торцом рабочего кольца;

в) торцевые поверхности образца накрываются смоченными водой бумажными фильтрами;

г) камеру-резервуар заполняют водой на треть высоты;

д) внутрь рабочей камеры в нижнюю крышку 7 устанавливают нижний перфорированный диск 22 с уплотнительным кольцом из маслобензостойкой резины 23;

е) через штуцер 18 и вентиль 17 в камере 12 создается избыточное давление воздуха, достаточное для подъема воды в нижнюю крышку 7 до уровня, немного превышающего нижний перфорированный диск, после чего перекрывается вентиль подачи воздуха 17;

ж) на нижний диск 22 устанавливают рабочее кольцо 5 с образцом грунта (по схеме рис. 35,б), вытесненный излишек воды удаляют;

з) сверху на рабочее кольцо устанавливают верхний перфорированный диск 21 с уплотнительным кольцом из маслобензостойкой резины 23 и всю конструкцию накрывают верхней крышкой рабочей камеры 6;

и) верхняя 6 и нижняя 7 крышки рабочей камеры скрепляются с помощью малых стяжных болтов 8 и гаек 9;

к) через центральное отверстие в верхней крышке при открытом вентиле 4 заливается вода до появления ее на выходе вентиля;

л) путем завинчивания штуцера 3 в центральное отверстие верхней крышки устанавливается пьезометрическая трубка 1 с металлической линейкой. Начальный уровень воды в трубке регулируется с помощью вентиля 4.

7.19.3.10. Проведение испытаний при определении коэффициента фильтрации глинистого грунта производят в следующем порядке:

- при создании давления сжатым воздухом от баллона при закрытых вентилях 15, 19, 4 к штуцеру 18 подсоединяется шланг от баллона и открывается вентиль 17. Открывают кран подачи воздуха на баллоне, в камере 12 поднимается давление до 0,04-0,05 МПа, соответствующее напорным градиентам в образце 200-250. Давление контролируется по манометру 16;

- после начала поднятия воды в пьезометрической трубке 1 в течение заданного промежутка времени, например t = 10 мин, наблюдают подъем мениска в пьезометрической трубке и в журнал наблюдений записываются начальный и конечный отсчеты. Затем с помощью вентиля 4 трубка может быть опорожнена, при этом каждый раз записываются начальные отсчеты. Интервал времени наблюдений зависит от фильтрационных свойств грунтов, подбирается эмпирически в ходе опыта и ограничивается величиной разности отсчетов по шкале 2, которая не должна быть слишком большой. Для заданного первого градиента наблюдения повторяют, пока процесс фильтрации не станет установившимся;

- фильтрация считается установившейся, если в течение трех последовательных равных промежутков времени подъем мениска в пьезометрической трубке один и тот же, или один из отсчетов отличается от двух других не более, чем на 10%, например: 10 мм, 9 мм, 10 мм;

- для построения графика зависимости скорости фильтрации от градиента напора в процессе испытания необходимо получить 3-4 экспериментальные точки при различных заданных градиентах, выбор которых производится в соответствии с проницаемостью исследуемого грунта;

- в процессе подъема мениска в трубке создается противодавление от массы столба жидкости в пьезометрической трубке. В любом случае необходимо в измеряемую манометром величину давления вносить поправку на противодавление столба жидкости в коммуникациях;

- переход на следующую ступень давления осуществляется после сброса столба жидкости в пьезометрической трубке с помощью вентиля 4 и опускания мениска в начало шкалы 2.

В рабочем журнале (приложение 1) регистрируются: дата проведения опыта, время начала опыта и снятия отсчетов положения мениска, время окончания опыта, отсчеты по пьезометрической трубке, ступени давления и соответствующие им напорные градиенты.

7.19.3.11. Коэффициент фильтрации глинистого грунта определяется в следующей последовательности:

- для каждой ступени измеренного манометром давления вычисляют скорость движения жидкости через образец по формуле

v = (S₁ / S) · (h / t), (100)

где S₁ - площадь пьезометрической трубки, см²; S = 40 - площадь поперечного сечения образца, см²; h - приращение перемещения мениска в пьезометрической трубке, см; t - интервал наблюдения.

При расчете в качестве h берется средний отсчет в интервале установившегося движения;

- находят напорный градиент I в образце грунта для интервала времени установившейся фильтрации по формуле

где p_man - отсчет по манометру, МПа;  - поправка на противодавление столба жидкости в коммуникациях прибора и пьезометрической трубке, МПа; H - длина пути фильтрации, равная высоте образца, м; _W - плотность воды, т/м³.

Поправку  находят как расстояние от уровня жидкости в камере-резервуаре 12 до уровня жидкости в пьезометрической трубке в см, умноженное на плотность воды;

- определяют значения K и I₀ одним из следующих способов:

- графически, для чего на миллиметровку наносят значения v(I) и I, через экспериментальные точки проводят спрямляющую прямую, уравнение которой

v = K (I – I₀); (102)

при этом отрезок, отсекаемый этой прямой на оси I, дает значение начального градиента I₀, а угловой коэффициент - значение коэффициента фильтрации:

- аналитически, по формулам

, (103)

, (104)

полученным по методу наименьших квадратов.

- нормативное значение коэффициента фильтрации берут для температуры окружающей среды T = 10 °С и находят по формуле

K₁₀ = K / (0,7 + 0,03 T), (105)

где K - величина коэффициента фильтрации, найденная при температуре T; T - температура воды в опыте, °С.

7.19.3.12. Пример обработки результатов испытаний глинистых грунтов. Грунт - глина полутвердая, с показателем водонасыщения S_r = 0,98. Площадь сечения пьезометрической трубки 0,008 см². Цена деления манометра 0,004 МПа, температура окружающей среды T = 23,5 °С, расстояние от уровня жидкости в камере-резервуаре до нуля шкалы пьезометра - 22 см.