1443

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПРОВОДНОСТИ

ГРУНТОВ

Омск • 2010

Введение

Влагопроводность – свойство неводонасыщенного грунта пропускать через свои поры несплошной поток воды под действием градиентов влажности, которые обеспечивают градиенты силы всасывания. Эти силы возникают вследствие взаимодействия воды с поверхностью минеральных частиц и воздухом. Это скорее процесс диффузии, чем процесс фильтрации.

Степень влагопроводности грунтов характеризуется коэффициентом влагопроводности, который определяется на приборе ПКВГ-Футурум (далее по тексту ПКВГ-Ф). Он необходим при прогнозировании расчетной влажности грунтов земляного полотна, расчете гидроизолирующих и теплоизоляционных слоев, проектирования дорожных одежд. Определение коэффициента влагопроводности регламентируется действующими нормативными документами [1].

Определение коэффициента влагопроводности грунтов на приборе ПКВГ-Ф

Прибор ПКВГ-Ф (рис. 1) служит для определения коэффициента влагопроводности грунта, предложенным профессором Н.А. Золотаревым. В ходе испытания получают значение коэффициента влагопроводности при начальных влажности и плотности грунта за время, необходимое для достижения фронтом увлажнения верхней поверхности образца при его увлажнении снизу.

В ходе испытания должны строго выполняться следующие граничные условия:

-начальная влажность и плотность грунтового образца должны быть равномерно распределены по его объему;

-образец грунта, увлажняемый через нижнюю поверхность, не должен изменять влажность на верхней поверхности, при проходе фронта увлажнения к ней опыт прекращается;

-увлажнение образца должно происходить в безнапорном режиме с постоянной интенсивностью.

Рис.1. Схема прибора ПКВГ-Ф для определения коэффициента влагопроводности грунта:

1 – регистрирующий блок со встроенными таймером и датчиком влажности; 2 – питающая камера с поводящей трубкой; 3 – питающий сосуд; 4 – цилиндр-грунтонос; 5

– форма для фильтра; 6 – панель таймера; 7 – сетевой шнур; 8 – вентиль питающий; 9 – заливной вентиль; 10 – водомерная шкала; 11 – вентиль сливной; 12 – воронка для залива воды; 13 – подъемные винты; 14 – круглый уровень; 15 – соединительные трубки; 16 – подвижный бегунок; 17 – основание; 18 – стержень питающей трубки

Прибор ПКВГ-Ф может применяться как при оценке свойств грунта, из которого планируют возведение земляного полотна, так и при контроле качества производства дорожно-строительных работ. При этом испытаниям подвергаются образцы грунта при влажности близкой к

оптимальной (на 1…2 % ниже) и коэффициенте уплотнения не ниже ky = 0,95. Испытуемый грунт должен иметь начальную влажность не выше W = 20 %. Продолжительность одного испытания (время увлажнения) в зависимости от вида, плотности и влажности грунта может составлять от

1,5 до 60 мин.

Прибор ПКВГ-Ф состоит (рис. 1) из регистрирующего блока с таймером и диэлькометрическим датчиком влажности (1); питающей камеры (2); питающего сосуда (3); цилиндра-грунтоноса (4); формы для фильтра (5).

Форма для фильтра (5) и питающая камера (2) образуют сообщающиеся сосуды. Питающий сосуд (3) соединен с питающей камерой трубкой с косым отверстием и при закрытом вентиле (9) работает как сосуд Мариотта. Верхняя грань косого отверстия трубки расположена на уровне поверхности фильтра в форме (5).

При впитывании какого-либо количества воды из формы для фильтра происходит понижение ее уровня в питающей камере, что немедленно компенсируется поступлением такого же количества воды из питающего сосуда. Таким образом, уровень воды в форме для фильтра поддерживается на постоянном уровне, а количество удаленной из формы воды равно ее уменьшению в питающем сосуде. Для обеспечения устойчивости работы питающего сосуда в подводящую трубку вставляется стержень (18).

Форма для фильтра (5) наполняется фильтрующим материалом. На поверхность грунта в цилиндре-грунтоносе (4) устанавливается регистрирующий блок (1). Питающий провод (7) регистрирующего блока включается в сеть переменного тока 220 В через адаптер.

При подходе фронта увлажнения к верхнему торцу образца датчик влажности вызывает остановку таймера, встроенного в регистрирующий блок (1).

Для определения коэффициента влагопроводности грунта подготавливают цилиндрические образцы грунта нарушенной структуры заданной плотности и влажности. Высота образца грунта должна быть равна высоте цилиндра-грунтоноса 7 см. Диаметр образца равен 7 см.

Плотность сухого грунта, испытуемого образца, связана с его массой зависимостью:

где ρc – плотность сухого грунта, г/см3 ; m – масса образца, г; V – объем образца, см3; W – влажность грунта, доли ед.

1. Подготовка прибора к работе

Прибор готовится к работе в следующей последовательности (см. рис.

1):

1) при помощи подъемных винтов (13) по круглому уровню (14) основание прибора приводятся в горизонтальное положение;

2)сливной вентиль (11) и питающий вентиль (8) приводятся в положение «закрыто»;

3)форма для фильтра (3) заполняется фильтром;

4)поверхность фильтра выравнивается по метке на внутренней поверхности формы для фильтра и заливается водой так, чтобы поверхность воды соответствовала верхнему обрезу формы;

5)питающий сосуд (3) заполняется водой через отверстие (12) до верхней отметки по шкале (10);

6)затем последовательно заливной вентиль (9) приводится в положение «закрыто», а питающий вентиль (8) в положение «открыто»;

7)открывается сливной вентиль (11) и производится слив воды до тех пор, пока в питающем сосуде (3) не появятся восходящие пузырьки воздуха;

8)после этого сливной вентиль (11) приводится в положение «закрыто»;

9)на поверхность фильтра укладывается фильтровальная бумага. Необходимо дождаться пока она полностью не пропитается водой и уровень воды в питающем сосуде (3) не стабилизируется;

10)после чего подвижным бегунком (16) отмечается ее исходный уровень НН на водомерной шкале (10);

11)регистрирующий блок (1) включают в сеть. При этом на панели управления загорается световой индикатор;

12)регистрирующий блок устанавливают на поверхность подготовленного в цилиндре-грунтоносе грунта, так чтобы обеспечить плотный контакт между соприкасающимися поверхностями. Затем, нажатием кнопки «СБРОС» (рис. 2, поз. 3), датчик влажности приводится

встартовое положение. При этом на индикаторе таймера ( см. рис. 2, поз. 3) появляются нулевые показатели. Прибор готов к работе.

2. Проведение испытания

Цилиндр-грунтонос с находящимся на поверхности образца грунта регистрирующим блоком, устанавливается противоположным открытым торцом на поверхность фильтра в форме для фильтра. Для обеспечения плотного контакта между фильтром и грунтом цилиндр-грунтонос рекомендуется повернуть с нажимом вокруг оси на 20…30 .

Нажимается кнопка «СБРОС». Затем, нажатием кнопки «ПУСК», необходимо включить таймер. Начинается увлажнение образца. Во время увлажнения образца запрещается касаться регистрирующего блока, передвигать прибор и т.п., чтобы не вызвать преждевременного срабатывания датчика влажности.

По мере изменения влажности грунтового образца на индикаторе таймера, помимо прошедшего времени, высвечивается индекс степени изменения влажности на уровне верхнего торца образца: - начальная степень; = промежуточная степень; ≡ завершающая.

Рис. 2. Схема и панель управления регистрирующего блока: 1 – разъем подключения сетевого шнура; 2 – индикатор таймера; 3 – кнопки управления

Появление последнего индекса свидетельствует о скором окончании испытания. При подходе фронта увлажнения к верхнему торцу образца датчик влажности вызывает остановку таймера. При этом подается звуковой сигнал, а на индикаторе таймера фиксируется время увлажнения образца τ, мин.

Одновременно с остановкой таймера необходимо закрыть питающий вентиль (см. рис. 1, поз. 8) и по водомерной шкале зафиксировать конечный уровень воды НК в питающем сосуде. Масса впитавшейся в образец грунта воды (m) будет равно разнице показателей: НК – НН. Испытание закончено.

Для повторения испытания со следующим грунтовым образцом необходимо заменить фильтровальную бумагу на поверхности фильтра в форме для фильтра, при необходимости добавить воду в питающий сосуд. Для этого необходимо (см. рис. 1) закрыть питающий вентиль (8), открыть заливной вентиль (9). Долить воду до верхней метки по шкале питающего сосуда. Закрыть вентиль (9) и открыть вентиль (8).

По определенным в ходе испытания значениям времени τ и массы mв впитавшейся воды производится вычисление коэффициента влагопроводности грунта КW:

где WПВ – полная влагоёмкость используемого грунта, вычисляемая по формуле

где ρd – плотность сухого грунта, г/см3; ρs – плотность частиц грунта, принимаемая: для супесей – 2,68, суглинков – 2,70, глин – 2,72, г/см3; τ

– время увлажнения, ч; mв – масса впитавшейся воды, г; WН – относительная влажность испытуемого грунта; d – диаметр грунтового образца, см.

Если время увлажнения образца равно 60 мин, а срабатывание датчика влажности не происходит, то на этом испытание прекращается, определяется количество впитавшейся воды и производится вычисление коэффициента влагопроводности по полученным значениям времени увлажнения τ > 1,0 ч и количества mв впитавшейся за это время воды.

3. Обработка полученных результатов

За расчетное значение коэффициента влагопроводности грунта КWР необходимо принимать результаты испытаний не менее чем двадцати образцов с доверительной вероятностью 0,95, при одностороннем (в большую сторону) ограничении доверительного интервала:

где KW – среднее значение коэффициента влагопроводности по n испытаниям; n – количество испытаний, по которым определяется действительное значение коэффициента влагопроводности; t – коэффициент Стьюдента, для уровня значимости 0,05 равный (табл. 1); σk

– среднеквадратичное отклонение результатов n испытаний, определяемое по формуле

KWi KW 2

где KWi – значение коэффициента влагопроводности в i-м испытании.

Таблица 1

В учебных целях достаточно испытать не менее пяти образцов. Пример. Определить коэффициент влагопроводности KW супеси

лёгкой, планируемой к использованию при возведении земляного полотна в насыпи. Установлены следующие характеристики грунта: оптимальная влажность Wопт=0,14; максимальная (стандартная) плотность сухого

грунта dmax=1,76, г/см3. Планируется при возведении насыпи обеспечить коэффициент уплотнения Ку=0,95, т.е. требуемая плотность сухого грунта должна быть не менее: