Определение коэффициента фильтрации

Примечание ____________________________________________________________________________________

До настоящего времени при определении плотности грунта методом лунки не уделялось должного внимания точности определения. При отборе образцов грунта из лунки важно точно определить объем лунки, массу и влажность вынутого грунта. Большое распространение получил метод измерения объема отобранного грунта водой, наливаемой в лунку, поверхность которой покрывалась полиэтиленовой пленкой. При этом способе площадка, на которой производится закладка лунки, должна быть выровнена по уровню, с тем, чтобы вода при наливании в лунку полностью заполняла ее объем, не выливалась через край. Это довольно трудно. Кроме того, под пленкой могут оставаться пустоты, заполненные воздухом, что также исказит результат определения.

Замер объема лунки крупнозернистым однородным сухим песком, мелким гравием проще и дает большую точность определения по сравнению с водой, но при этом способе часто допускаются погрешности в определении объема лунки. Обычно при отборе образца грунта из лунки выравнивается площадка, на нее укладывается металлический или фанерный лист с окном по размеру лунки. Через окно осторожно выбирается грунт, взвешивается, а лунка вровень с краями засыпается сухим однородным песком или гравием в рыхлом сложении, масса которого определяется. По массе засыпанного в лунку песка или гравия и его плотности в рыхлом сложении определяется объем лунки. При этом способе трудно точно выровнять поверхность отсыпанного песка, да и к тому же при выравнивании он будет уплотняться, поэтому в методических указаниях по определению плотности грунта методом лунки рекомендуется на поверхность грунта устанавливать полый конус, через который с помощью воронки в лунку насыпается песок. При этом воронки опускают до дна лунки и следят, чтобы они не отрывались от образующегося песчаного конуса. Зная объем конуса и объем всего песка, отсыпанного в лунку, определяем объем лунки.

При этом способе определения плотности требуется много крупнозернистого однородного сухого песка, который может быть дефицитным материалом на строительстве плотины. При этом бывает трудно обеспечить однородность плотности укладываемого песка.

Разработанное новое устройство для определения плотности крупнообломочного материала методом лунки сокращает количество песка, отсыпаемого в лунку, повышает точность определения и упрощает его методику. Оно состоит из следующих основных частей (рис. 2.1, 2.2):

- плита 4 с окном 3 по размеру лунки;

- полый конус 1 плотно устанавливается в паз окна плиты так, чтобы при высыпании песка он не сдвинулся, и из-под него не мог высыпаться песок, насыпаемый в лунку;

- загрузочная воронка 2, через которую засыпается песок в лунку. Она плотно надевается на наружный конус, в тубусе воронки имеется вращающаяся заслонка 7, с помощью которой можно регулировать отверстие при засыпке песка и отсечь избыток песка в воронке по окончании засыпки;

- вкладыш 5, выполненный в виде соосносложенных оснований прямых конусов, фиксируется с помощью приваренных стерженьков 6 в прорези плиты соосно с полым конусом 1.

Рис. 2.1. Схема отбора проб грунта методом лунки

Рис. 2.2. Конусное устройство для определения плотности грунта методам лунки
Для того, чтобы при отборе грунта из лунки плита не сдвигалась, в ней предусмотрены отверстия для забивки костылей, которыми она крепится к грунту.

Размеры устройства для определения плотности крупнообломочного материала могут быть различными. Они зависят от размеров лунки, которые в свою очередь определяются крупностью материала и толщиной слоя отсыпаемого грунта.

Тарировка устройства для определения плотности крупнообломочного материала производится с помощью тарировочного бака цилиндрической или конической формы. Диаметр его верхнего основания совпадает с диаметром окна в плите, высота - несколько выше высоты нижнего конуса вкладыша.

Тарировка производится крупнозернистым однородным песком. Прежде всего определяется плотность сухого песка _d, применяемого для тарировки в рыхлом сложении. При этом песок тонкой струей из воронки высыпается в цилиндрический сосуд, объем и вес которого установлен заранее. В отличие от стандартной методики определения плотности песка в предельно-рыхлом сложении конец воронки нужно приподнять над дном цилиндрического сосуда с тем, чтобы смоделировать отсыпку грунта в лунку из воронки с помощью конусного устройства. При этом песок отсыпается в цилиндрический сосуд до тех пор, пока сверху образуется из песка конус, который срезается металлической линейкой, а сосуд с песком взвешивается на технических весах с точностью до 0,01 г, после чего путем деления массы на объем определяют плотность сухого песка в рыхлом сложении. Такие определения следует повторить 5-6 раз и из полученных данных взять среднее арифметическое.

При тарировке устройства для определения плотности крупнообломочного материала песком замеряются:

а) полный объем устройства вместе с тарировочным баком без вкладыша - V_а (рис. 2.3а);

б) объем устройства с тарировочным баком с помещенным внутри вкладышем - V_б (рис. 2.3б) и объем полого конуса V_к (рис. 2.3в).

На ровной поверхности размещается тарировочный бак, на него сверху устанавливается плита, на которую в паз вставляется полный конус с вложенной в него загрузочной воронкой; имеющаяся в тубусе воронки заслонка поворачивается на небольшой угол с тем, чтобы насыпаемый в воронку песок сыпался в тарировочный бак тонкой струйкой.

Песок, которым производится тарировка устройства, в объеме, несколько превышающем необходимый объем для заполнения устройства и тарировочного бака, взвешивается на технических весах с точностью до 10 г в отдельных емкостях, получается масса m₁, после чего песок высыпается через воронку до полного заполнения тарировочного бака и конуса. Тубус воронки перекрывается заслонкой, а оставшийся в воронке песок, высыпается в емкости и остаток песка вместе с ними взвешивается, получается масса m₂.

Масса песка в приборе равна

Полный объем прибора равен

Точно также производится тарировка устройства с вставленным вкладышем:

Объем вкладыша V_в равен разности объемов V_а и V_б, т.е. V_в = V_а - V_б.

Для определения объема полого конуса на стол или в поддон с ровным дном кладется плита, в которую вставляется полый конус с воронкой и таким же способом определяется его объем V_к.

Результаты тарировки записывают в форме табл. 2.1.

Таблица 2.1

Плотность песка в рыхлом сложении, г/см3	Масса песка, засыпанного в устройство без вкладыша, г	Объем устройства без вкладыша, см3	Масса песка, засыпанного в устройство с вкладышем, г	Объем песка, засыпанного в устройство с вкладышем, см3	Объем вкладыша, см3	Масса песка, засыпанного в конус, г	Объем конуса, см3	Коэффициент для определения объема конуса, см3
1,48	19,000	12837,84	13,700	9256,8	3681,04	5,560	3750,0	-
1,48	19,000	12837,84	13,800	9324,3	3681,04	5,500	3716,22	-
1,48	19,000	12300,54	13,700	9256,8	3643,74	5,400	3648,65	-
-	-	-	-	-	3668,6	-	3706,0	-37,4

Тарировку устройства повторяют три раза и по результатам тарировочных испытаний определяют среднее арифметическое значение объема вкладыша V_в и объема полого конуса V_к.

Тарировка устройства для определения плотности крупнообломочного материала методом лунки производилась крупнозернистым однородным вольским песком. Плотность этого песка в рыхлом сложении при отсыпке его в цилиндрический сосуд из воронки с высоты 13 см от дна цилиндра составляет 1,48 г/см³.

Целью тарировки устройства являлось получение параметров, необходимых для определения объема лунки. Такими параметрами являются объемы вкладыша и полого конуса. Для получения этих параметров песком замерялся полный объем прибора (цилиндрического тарировочного бака вместе с полым конусом без вкладыша, V_а), затем определялся объем прибора с вкладышем V_б. По разности этих объемов определялся объем вкладыша. Объем полого конуса V_к определялся непосредственным замером песком при установке его на ровную поверхность на плиту прибора без тарировочного бака. Тарировочный песок, отсыпаемый в прибор, взвешивался с точностью до 10 г. По массе песка и его плотности в рыхлом сложении определялся объем.

В результате тарировки устройства получен коэффициент, равный (-37,4 см³). Этот коэффициент является постоянной величиной для данного устройства. При определении объема лунки в полевых условиях необходимо от объема песка, отсыпаемого в лунку, вычесть 37,4 см³ и прибавить поправочный объем со знаком, полученный в результате нивелирования поверхности площадки, на которой закладывается лунка.

- технические весы площадочные (на 50-100 кг) для взвешивания грунта, отобранного из лунки и песка, высыпаемого в лунку;

- емкости (баки или ведра) с крышками для взвешивания грунта, вынутого из лунки, и песка, засыпаемого в лунку;

- устройство для замера лунки песком, изготовленное специально для данного грунта таких размеров, которые отвечали бы размеру лунки в данном грунте;

- костыли (железнодорожные или специально изготовленные) для крепления плиты при отборе грунта из лунки;

- лопаточки, совки, щетки, лопаты, лом и другие приспособления для отбора пробы грунта из лунок, зачистки поверхности грунта и заполнения лунки песком;

- специальный шаблон для контроля размеров лунки;

- устройство для нивелирования поверхности грунта перед отбором пробы из лунки;

- устройство для определения влажности грунта объемометрическим методом;

- технические весы с разновесами (на 5-10 кг) для взвешивания проб грунта, отобранных для определения влажности объемометрическим методом;

- оборудование для определения плотности песка в рыхлом сложении (цилиндрический сосуд емкостью 0,5 л, воронка, металлическая линейка, технические весы с разновесами);

- марля для выстилания поверхности лунки в крупнообломочном материале без мелкого заполнителя.

4.2. Перед тем, как приступить к определению плотности крупнообломочного материала методом лунки с применением конусного устройства, производится определение плотности песка в рыхлом сложении и тарировка устройства по методике, описанной выше, с целью определения объемов вкладыша и полого конуса устройства.

4.3. Место отбора должно иметь планово-высотную привязку (пикет, расстояние от оси плотины, абсолютная отметка).

4.4. На месте отбора пробы должна быть расчищена площадка по размеру плиты устройства, верхний слой грунта толщиной 5-10 см должен быть снят. В грунтах, имеющих включения крупнообломочного материала, выровнять поверхность невозможно. В таких случаях ее следует зачистить. Убрать весь рыхлый материал с помощью мягкой щетки с длинным ворсом или кисти так, чтобы остался только монолитный массив грунта с крупными обломками.

4.5. На расчищенную площадку устанавливают плиту устройства, закрепляют ее костылями и производят нивелирование поверхности специальным приспособлением. Оно состоит из рейки, устанавливаемой на плиту над окном. В рейке имеются отверстия, в которые вставляется мерный стержень. С его помощью замеряется положение поверхности грунта относительно основания плиты устройства. Замер положения поверхности грунта производится по двум взаимноперпендикулярным положениям в разных точках. Результаты замеров складываются, сумма делится на число замеров и получается осредненная высота объема, не заполненного грунтом. Чтобы получить этот объем, нужно высоту умножить на площадь окна в плите, которая равна (d²) / 4, где d - диаметр окна в плите.

Таким образом получается поправочный объем, который учитывается при определении объема грунта, вынутого из лунки.

4.6. После нивелирования поверхности грунт осторожно совком выбирают из лунки. Диаметр лунки должен совпадать с диаметром отверстия в плите, глубина лунки должна быть несколько больше высоты нижнего конуса вкладыша, уклоны откосов - не положе 60-45°. Для контроля размеров лунки применяется шаблон, устанавливаемый в окно плиты, шаблон поворачивается по кругу. Лунку выбирают до тех пор, пока при поворачивании шаблона он не будет касаться грунта, после чего производится зачистка поверхности лунки щеткой.

4.7. Отобранный из лунки грунт тщательно собирают в емкости, масса которых равна m₁, и взвешивают на весах с точностью до 100 г, получают массу m₂. Масса грунта, отобранного из лунки, равна m_г = m₂ – m₁.

4.8. После взвешивания отобранного грунта из него сразу же отбирают пробу на определение влажности. Влажность крупнообломочного грунта определяется объемометрическим методом по специальной инструкции, разработанной в НИСе Гидропроекта.

4.9. После проверки шаблоном размеров лунки и зачистки ее поверхности устанавливают на плиту вкладыши, полый конус с воронкой и приступают к заполнению лунки песком.

Песок для заполнения лунок готовится заранее (высушивается и просеивается через сито с размером отверстий 5х5 мм). Подготовленный песок подвозится в пронумерованных и взвешенных с песком специальных емкостях с крышками. Масса каждой емкости с песком должна быть не более 20-25 кг. Емкости снабжены ручками для переноса их двумя рабочими.

При отсыпке песка в лунку заслонкой в тубусе воронки регулируется скорость заполнения лунки песком, она должна быть примерно 1-2 л/мин. После того, как песок полностью заполнит лунку (он перестает сыпаться из воронки), оставшийся в воронке песок перекрывается заслонкой, высыпается в опорожненные емкости и взвешивается с ними на технических весах с точностью до 100 г.

Масса песка, засыпанного в лунку, определяется формулой:

где m_e1 - масса песка в емкостях до загрузки в лунку; m_e2 - масса емкостей с оставшимся песком после заполнения лунки.

Объем песка, засыпанного в лунку, определяется по массе и его плотности в рыхлом сложении

V_п = m_п / _d.

Объем лунки определяется по формуле

где V_п - объем песка, насыпанного в лунку и устройство; V_в - объем вкладыша; V_к - объем полого конуса; V_в - V_к - определяется при тарировке устройства. Это постоянная величина для данного устройства.

После определения объема лунки песок из нее осторожно выбирается совком в те же емкости; если необходимо, емкости пополняются таким же песком, взвешиваются и подносятся к следующей лунке. Лунка заделывается грунтом с трамбованием.

Примечание: При отборе образца крупнообломочного грунта без мелкого заполнителя для того, чтобы песок не просыпался в поры крупнообломочного материала, необходимо поверхность лунки перед установкой плиты покрыть марлей. При этом нужно следить за тем, чтобы марля лежала свободно, не натягивалась, фиксировала все неровности поверхности.

_г = m₂ / V_г,

где m₂ - масса влажного грунта, отобранного из лунки; V_г - объем грунта, отобранного из лунки.

Плотность сухого грунта, отобранного из лунки, определяется по формуле:

_d =  / (1 + W),

где  - плотность влажного грунта, отобранного из лунки; W - массовая влажность грунта в долях единицы, определенная объемометрическим методом.

Результаты определений и вычислений записываются в табличной форме в журнал (приложение 1, форма 12).

На рис. 2.4 приведены зависимости поправочных коэффициентов K от измеряемых объемов и содержания в галечнике мелкозема (диаметр фракций менее 5 мм).

На рис. 2.5 приведены зависимости плотности галечника от объемов отбираемых проб шурфов-лунок.

Приложение 3