Диссертация (Прогнозная оценка продолжительности восстановления загрязненного торфяного массива для строительно-хозяйственного освоения), страница 10

При уплотнении той же нагрузкой образцов, вырезанных ввертикальном направлении, их коэффициент пористости уменьшился в среднем с 15,4до 12,7, а коэффициент фильтрации снизился с 3,21 до 0,51 м/сут. Заметим, В.И. Косов иК.Л. Лундин получили близкие значения коэффициента фильтрации для верхового торфа низкой степени разложения [131, 145].Зависимость коэффициента фильтрации от давления может быть описана следующим уравнением с величиной достоверности аппроксимации R = 0,69:k k e ,bpfгде0(3.2)k0 – коэффициент фильтрации неуплотненного торфа;e – основание натурального логарифма;p – нагрузка на образец, кПа;b – коэффициент, равный 0,061 при вертикальной фильтрации и 0,058 - при движении воды в горизонтальном направлении вдоль слоев.Из приведенных данных следует зависимость степени фильтрационной анизотро-пии от давления:  k k  1,89 eГ0,003p ,(3.3)Вгдеe – основание натурального логарифма.Как видим, по мере уплотнения нагрузкой от 0 до 30 кПа степень анизотропииостается без существенных изменений (α = 1,89 - 2,07).Так как среднеразложившийся торф нижнего слоя болота имеет однородную текстуру и не обладает фильтрационной анизотропией, то испытания его водопроницаемости проводились в компрессионно-фильтрационном приборе с одностороннем вертикальным движением воды.

Всего было испытано 6 образцов торфа.Среднее значение коэффициента фильтрации неуплотненного торфа составило0,32 м/сут. При увеличении нагрузки с 0 до 30 кПа коэффициент фильтрации снизилсядо 0,10 м/сут.62Зависимости коэффициента фильтрации торфа от приложенного на образец давления приведены на рисунке 3.6. Графики зависимости коэффициента фильтрации отдавления также описываются уравнением (3.2) с показателем степени b = 0,041.а0,5kf, м/сут0,40,30,20,100б10p, кПа30200,5kf, м/сут0,40,30,20,1068101214еРисунок 3.6 – Зависимости коэффициента фильтрации среднеразложившегосяторфа от нагрузки на образец (а) и коэффициента пористости (б)Как показал обзор литературы (глава 1), для низинного торфа характерны меньшие значения коэффициента фильтрации и обратное соотношение между фильтрациейв горизонтальном и вертикальном направлениях.

Для проверки этого утверждения былипроведены исследования низинного торфа. Работа проводилась в ходе стажировки ввысшей технической школе г. Ольденбурга (Fachhochschule Oldenburg) (Германия).Образцы отбирались на площадке добычи низинного торфа (рисунок 3.7), недалеко от г. Аугустфен режущим кольцом из стенок траншей с глубины 0,3 - 0,6 м в горизонтальном и вертикальном направлениях (рисунок 3.8). Количество испытанных образцов составило 16 (по 8 в каждом направлении).63Физические свойства исследуемых образцов определялись стандартными методами. Их значения приведены в таблице 3.2.Рисунок 3.7 – Разработка торфяной залежиабРисунок 3.8 – Отбор образцов торфа:а – в горизонтальном направлении; б – в вертикальном направленииТаблица 3.2 – Физические свойства образцов низинного торфаХарактеристикаИнтервал значенийСреднее значениеПлотность, г/см30,81 - 0,940,88Влажность, доли единицы4,15 - 9,648,02Плотность частиц, г/см31,47 - 1,511,49Плотность скелета, г/см30,08 - 0,150,10Коэффициент пористости8,4 - 17,514,2Зольность, %6,2 - 8,67,8Степень разложения, %31 - 4941Определение водопроницаемости торфа производилось на фильтрационной установке с постоянным градиентом напора согласно DIN 18130-1 [314].

Общий вид прибора и лабораторной установки показан на рисунках 3.9 - 3.11.64Рисунок 3.9 – Схема фильтрационной установки:1 – манометр; 2 – компрессор; 3 – датчик уровня воды;4 – бак с водой; 5 – фильтр; 6 – уплотнитель; 7 – днище; 8 – образец;9 – стакан; 10 – гильза; 11 – крышкаРисунок 3.10 – ФильтрационнаяРисунок 3.11 – Фильтрационныйустановкаприбор65В качестве фильтра 5 использовался пористый камень толщиной 4 мм.

К днищуприбора подводилась вода по шлангу от бака 4, в котором с помощью датчика 3 поддерживался постоянный уровень. Вода, пройдя через образец, сливалась в стакан 9.Напор создавался и поддерживался компрессором 2.Испытания проводились только при исходных значениях пористости образца, таккак его уплотнение не предусмотрено конструкцией прибора.Коэффициенты фильтрации торфа имеют следующие значения: при фильтрации ввертикальномнаправлении14·10‐3 м/сут),приkГkВ2,1 – 30,4 ·10‐3 м/сутфильтрациив(присреднемгоризонтальномзначениинаправлении0,9 ‐ 9,3 ·10‐3 м/сут (при среднем значении 3,5·10‐3 м/сут). Вертикальная филь-трация превалирует над горизонтальной и степень фильтрационной анизотропиисреднем составляет  kГkв 0 ,25 .ВЗначения водопроницаемости исследуемого низинного торфа на два порядка ниже, чем у верхового торфа с болота Конинник при примерно равных величинах степениразложения и коэффициентов пористости. Такая большая разница объясняется разнымботаническим составом (верховой торф - сфагновый, низинный - шейхцериевый).Испытания торфа, отобранного на болоте Конинник, показали, что коэффициентфильтрации неуплотненного слаборазложившегося торфа верхнего слоя болота на порядок выше, чем среднеразложившегося торфа нижнего слоя.

Отличие водопроницаемости объясняется, во-первых, различной степенью разложения образцов, а, во-вторых,меньшим значением коэффициента пористости второго типа торфа.3.2.2. Испытания на специально сконструированной установкеМетод определения водопроницаемости, рекомендованный нормами и широкоприменяемый в практике лабораторных исследований минеральных грунтов, не в полной мере пригоден для испытаний торфа, отличающегося неоднородностью, высокимкоэффициентом пористости и слоистостью.

Это приводит к существенному разбросуданных при испытаниях образцов небольшого размера. Несмотря на то, что образцы отбираются в одном шурфе, они отличаются по свойствам из-за наличия неразложивших-66ся растительных остатков (корней, листьев, стеблей). Причем наибольшей вариабельностью свойств обладает именно верховой торф [131].При фильтрации воды через торфяную залежь вертикальная фильтрация происходит перпендикулярно направлению слоистости торфа, горизонтальная – вдоль слоев.При этом за счет нагрузки от вышележащих слоев при осушении или при отсыпке насыпей происходит одномерное сжатие торфа в вертикальном направлении, то есть перпендикулярно ориентации слоев (рисунок 3.12).МестоположениеНаправление фильтрацииВертикальноеГоризонтальноеТорфяная залежьКомпрессионнофильтрационныйприбор- слои торфа,- направление движения воды,- нагрузка на поверхностьРисунок 3.12 – Сопоставление особенностей фильтрации и деформированияторфа в залежи и в компрессионно-фильтрационном прибореВ компрессионно-фильтрационном приборе фильтрация воды и уплотнение образца происходят в одном направлении – перпендикулярно слоям для вертикально отобранных образцов и вдоль слоев для горизонтально отобранных образцов.

Изменениесхемы деформирования по сравнению с торфяной залежью повлечет за собой другой характер изменения активной пористости образца, и полученные значения коэффициентафильтрации будут отличаться от реальных значений водопроницаемости торфяногомассива.Для повышения качества и точности результатов исследования нами была сконструирована и изготовлена фильтрационная установка для определения фильтрацион-67ных характеристик, учитывающая вышеперечисленные недостатки стандартных фильтрационно-компрессионных приборов.На данной установке были определены коэффициенты фильтрации торфа придвижении воды в различных направлениях по мере одноосного уплотнения образца.Конструкция установкиУстановка состоит из фильтрационного прибора, стенда управления, устройствадля подачи воды и загрузочного приспособления (рисунок 3.13, 3.14).

На конструкциюприбора получен патент на полезную модель [199].Рисунок 3.13 – Схема установки:1 – корпус стенда; 2 – регулирующие краны; 3 – трубка для отвода воды;4 – мерный цилиндр; 5 – станина; 6 – фильтрационный прибор;7 – загрузочная рама; 8 – груз; 9 – входной штуцер; 10 – краны подачи воды;11 – соединительный шланг; 12 – напорный бак; 13 – штанга68Рисунок 3.14 – Общий вид установкиФильтрационный прибор 6 и стенд управления 1 устанавливаются на станину 5.Стенд представляет собой корпус размерами 70×100×25 см. К левой панели корпусаподходит соединительный шланг 11 от напорного бака 12.