Zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin

Oblast techniky

Řešení se týká zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin, které jsou vyjádřeny laboratorní nebo terénní zkouškou na neporušeném vzorku půdy.

Dosavadní stav techniky

V laboratořích se k zjišťování propustnosti zemin používá tzv. propustoměrů. Podle konstrukce a druhu použití rozeznáváme tři základní druhy propustoměrů: klasicky propustoměr s konstantním sklonem, klasický propustoměr s proměnným sklonem, univerzální propustoměr. V současnosti existuje několik typů prakticky používaných laboratorních propustoměrů (viz ČSN CEN ÍSO/TS 17892-11) nebo terénních (Guelfský permeameter), vyznačujících se nízkou produktivitou měření.

Nevýhodou stávajících typů propustoměrů je značná členitost soupravy a časová náročnost obsluhy, manipulace se vzorkem a s ní související vysoké riziko poškození vzorku testované zeminy, např. při přemisťování vzorku z odběrného válečku do zkušební manžety. Získaná data nelze automaticky ukládat a naměřené výsledky jsou negativně ovlivňovány přesným dodržováním složitých pracovních postupů.

Pro měření propustnosti zemin nelze současně využít stávající infiltrometr (patent CZ 300 463), přitom principy měření jsou stejné (měření objemu proteklé vody při nastaveném hydraulickém spádu).

Současný stav techniky v oblasti infiltrometrů je popsán v uděleném patentu CZ 300 463. Tento infiltrometr již odstranil nízkou produktivitu měření, ale není alternativně použitelný jak pro měření propustnosti, tak i infiltrace zemin a to jak v terénních, tak i v laboratorních podmínkách. Nevýhody současného patentovaného infiltrometrů spočívají v:

- riziku rozplavování povrchu vzorku přitékající vodou,

- jednoúčelovosti použití zařízení pouze pro přímé měření infiltrace.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin, zejména pro laboratorní stanovení propustnosti zemin a pro terénní stanovení vsakovací schopnosti zemin in šitu, skládající se z válcové zásobní nádrže typu Mariottovy láhve, odběrného válce s břitem, umístěného pod válcovou zásobní nádrží, z hladinového čidla a záznamové jednotky, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že k válcové zásobní nádrži s hladinovým čidlem je připevněna homí příruba, která je opatřena nalévacím otvorem se vzduchotěsným uzávěrem a kterou prochází nastavitelná zavzdušňovací trubička opatřená v místě prostupu těsnicím kroužkem. Dále v případě měření propustnosti zemin je u dna válcové nádrže připevněna dolní příruba tvořící na svém spodním povrchu kuželovité tvarovanou přepážku se středovým výtokovým otvorem uzavíratelným uzávěrem, pod kterým je uspořádána usměrňovači destička, přes kterou protéká voda na homí ochranné síto s přítlačnou pružinou a spojovacími úchyty pro spojení nádrže a pod ní uspořádaného odběrného válce, pro vzorek odebrané zeminy. Ten je uložen na fixační podložce, mezi vymezovacími výlisky s pryžovým těsněním na vnitřním povrchu po obvodu manžety tvořící obal odběrného válce, který má ve své homí části výtokový a odvzdušňovací otvor s hadičkou procházející manžetou. Odběrný válec je napojený na zásobní prostor odtokové nádrže a ve své spodní části je opatřen dolním ochranným sítem. V případě měření infiltrace zemin je pod válcovou zásobní nádrží uspořádán pouze odběrný válec s břitem zakončený dolním ochranným sítem pro vzorek odebrané zeminy in šitu. Celé zařízení jev obou případech spojeno se záznamovou jednotkou.

CZ 21268 Ul

Zařízení podle technického řešení pracuje takto:

Hladina vody ve válcové zásobní nádrži je pravidelně měřena hladinovým čidlem napojeným na záznamovou jednotku s tím, že na válcovou zásobní nádrž přisedá shora homí příruba, která je opatřena nalévacím otvorem se vzduchotěsným uzávěrem, dále homí přírubou prochází nastav i5 telná zavzdušftovací trubička, jejíž prostup válcovou zásobní nádrží typu Mariottovy láhve je opatřen těsnicím kroužkem. Přírubou homí dále prochází hladinové čidlo, načež dolní příruba s kuželovým vytvarováním přepážky zdola uzavírá nádrž. V dolní přírubě s kuželovým vytvarováním přepážky je výtokový otvor s výtokovým uzávěrem, s usměrňovači destičkou a homím ochranným sítem, které je přítlačnou pružinou tlačeno k povrchu vzorku zeminy. Mezi dolní přírubou s kuželovým vytvarováním přepážky a odběrným válcem s břitem pro zaražení do zeminy je umístěno pryžové těsnění. Spojení válcové zásobní nádrže typu Mariottovy láhve a odběrného válce s břitem je provedeno po obvodu této nádrže spojovacími úchyty.

Při měření propustnosti zemin je odběrný válec zasouván přes těsnění pryžové do manžety a vycentrován pomocí vymezovacích výlisků a doraz odběrného válce v manžetě je fixován fixační podložkou. Zásobní prostor odtokové nádrže dolní vody je v homí části manžety opatřen výtokovým a odvzduŠňovaeím otvorem s hadičkou.

Při měření infiltrace zemin je odběrný válec zarážen do rostlé zeminy (in šitu).

Při měření propustnosti nebo infiltrace zemin jsou naměřené údaje ukládány do záznamové jednotky.

Zařízení podle technického řešení vychází z původního infiltrometru (viz patent CZ 300 463) od stejných původců, který je nově doplněn konstrukčními úpravami zařízení pro měření propustnosti zemin, kdy je definován hydraulický spád pomocí dolní úrovně hladiny média.

Zařízení podle technického řešení je charakterizováno tím, že příruba homí přisedá shora na válcovou zásobní nádrž, přičemž v homí části je opatřena otvorem nalévacím se vzduchotěsným uzávěrem. Přírubou homí dále prochází nastavitelná zavzdušňovací trubička, jejíž prostup válcovou zásobní nádrží je opatřen kroužkem těsnicím a do příruby homí je dále osazeno hladinové čidlo pro měření hladiny vody uvnitř válcové zásobní nádrže. Příruba dolní s kuželovým vytvarováním přepážky zdola uzavírá nádrž, kdy v přírubě dolní s kuželovým vytvarováním přepážky je otvor výtokový s uzávěrem výtokovým a destičkou usměrňovači. K tomu je mezi přírubou dolní s kuželovým vytvarováním přepážky a odběrným válcem těsnění pryžové. Spojení válcové zásobní nádrže a odběrného válce je provedeno po vnějším obvodu válcové zásobní nádrže spojovacími úchyty.

Zařízení podle technického řešení je dále charakterizováno tím, že otvorem výtokovým je přes destičku usměrňovači nastaven rozstřik proudu vody do stran na homí ochranné síto povrchu vzorku.

Zařízení podle technického řešení je také charakterizováno tím, že je v něm vložena přítlačná pružina mezi přírubou dolní s kuželovým vytvarováním přepážky a homím ochranným sítem a je v něm zvýšen prostor mezi válcovou zásobní nádrží a povrchem zeminy pro umístění horního ochranného síta a jeho přitlačení k povrchu zeminy přítlačnou pružinou, přičemž je funkce to40 hoto zařízení vylepšena odběrným válcem s břitem o volitelném průměru vzhledem k průřezu válcové zásobní nádrže.

Zařízení podle technického řešení je opatřeno manžetou s fixační podložkou pro zasunutí odběrného válce se zeminou a je opatřeno výtokovým a odvzduŠňovaeím otvorem, přičemž je těsnění pryžové umístěno mezi manžetou s fixační podložkou a odběrným válcem. Hadička, která je připojena na výtokový a odvzdušňovací otvor, přičemž je respektováno proudění vody ve směru působení gravitace.

Podstata zařízení podle technického řešení spočívá v univerzálnosti zařízení jak pro terénní měření infiltrace zemin, tak i pro laboratorní měření propustnosti zemin. Oproti současným zaříze-2CZ 21268 Ul ním se vyznačuje možností měření propustnosti zemin v terénních podmínkách díky novým navrženým konstrukčním detailům.

Podstata zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin podle technického řešení vychází z patentu CZ 300 463, který spočívá v tom, že úbytek vody je okamžitě měřen hladinovým čid5 lem a pravidelně jsou tato naměřená data o poklesu hladiny ukládána záznamovou jednotkou, která může být později připojena na počítač. Oproti současným zařízením jsou v zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin podle technického řešení precizovány konstrukční detaily celého zařízení pro snadnější manipulaci v terénu a získání přesnějších výsledků.

Zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin podle technického řešení slouží ke konti10 nuálnímu měření průtoku vody nebo rychlosti infiltrace vody pórovitou zeminou. Provádí se to tak, že k povrchu vzorku zeminy 7, 71 je přiváděno takové množství vody, které buď odteklo nebo se právě vsáklo. Zjišťuje se okamžitá hodnota poklesu úrovně hladiny vody H. ve válcové zásobní nádrži L Voda odtéká z válcové zásobní nádrže 1 za konstantního hydraulického spádu neporušeným vzorkem zeminy válcovitého tvaru, vymezeného odběrným válcem 4 s břitem 4\

Zařízení podle technického řešení je charakterizováno kompaktním provedením s minimem vnějších součástí, výměnnými odběrnými válci 4 pro zatlačení do rostlé zeminy a s uplatněním konstrukčních materiálů, které zvyšují životnost tohoto zařízení a snižují riziko poškození při manipulaci. Zařízení podle technického řešení umožňuje připojení záznamové jednotky 13 k počítači s možností automatického vyhodnocení naměřených dat, což je velmi operativní.

U zařízení podle technického řešení je ve válcové zásobní nádrži i upevněno hladinové čidlo JO, otvor nalévací 12 se vzduchotěsným uzávěrem 12' a výškově nastavitelnou zavzdušňovací trubičkou 8 (pro zajištění funkce válcové zásobní nádrže I jako Mariottovy láhve) pro udržování nastaveného hydrostatického tlaku vody. Válcová zásobní nádrž i je pomocí úchytů spojovacích 6 spojena s odběrným válcem 4 opatřeným břitem 41, zaraženým do zeminy. Těsnění nastavitelné zavzdušovací trubičky 8 zajišťuje kroužek těsnicí 14. Voda z válcové zásobní nádrže i je otvorem výtokovým 9 přepouštěna na povrch zeminy v odběrném válci 4. Změna výšky hladiny vody 11, vyjadřuje množství vody, proteklé vzorkem zeminy 7, 71 v reálném čase a je registrována hladinovým čidlem JO. Data jsou ukládána v záznamové jednotce J3.

Pracovní postup jednotlivých měření zpřesňuje využití zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin podle technického řešení při laboratorních nebo terénních měřeních a vymezuje podmínky jeho použití (s ohledem na druh a strukturu půdy, propustnost zeminy či rychlost infiltrace, stav povrchu půdy a její momentální vlhkost). Výhodou zařízení podle technického řešení je, že provádí kontinuální měření průtoku nebo rychlosti infiltrace vody do zeminy pomocí měření změny úrovně hladiny vody hladinovým čidlem 10,

Přednosti zařízení podle technického řešení lze takto shrnout:

- kompaktnost, odolnost a stabilita pro využití v laboratorních i terénních podmínkách,

- dobrá manipulovatelnost (doprava, instalace, úspora vody),

- nenáročná obsluha, automatizace měření, možnost realizovat souběžně více měření soupravou několika zařízení podle technického řešení,

- volitelná velikost průtočné plochy daná světlostí odběrného válce i volitelná průřezová plocha válcové zásobní nádrže; to umožňuje optimalizovat podmínky měření podle předpokládané propustnosti nebo infiltrace zeminy,

- minimalizace operací se vzorkem, která snižuje riziko jeho poškození,

- vysoká přesnost měření propustnosti, rychlosti i objemu infiltrace.

Přehled obrázků na výkrese

Na přiloženém výkrese je na Obr. 1 schematicky znázorněno zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin podle technického řešení.

-3 CZ 21268 Ul

Příklady provedení

Příklad 1

Zařízení podle technického řešení bylo vyrobeno z nerezové oceli, válcová zásobní nádrž 1 byla vyrobena z plexiskla (tloušťka stěny 4 až 5 mm) v kombinaci s pryžovými těsnicími prvky, silikonovými a mosaznými díly, s připojením elektrické kapacitní sondy na měření úrovně hladiny li vody a s ukládáním naměřených dat do záznamové jednotky JJ.

Zařízení podle technického řešení je sestaveno z pěti základních dílů. Z válcové zásobní nádrže 1 (plní funkci Mariottovy láhve), odběrného válce 4 opatřeného břitem T pro zaražení do zeminy, z hladinového čidla 10, záznamové jednotky 13 a manžety 18 s fixační podložkou 24. Homí příruba 2 válcové zásobní nádrže 1 (kov) přisedá shora na válcovou zásobní nádrž 1 (plexisklo) a je v homí části opatřena nalévacím otvorem 12 se vzduchotěsným uzávěrem 12' a dále nastavitelnou zavzdušňovací trubičkou 8. Prostup nastavitelné zavzdušňovací trubičky 8 válcovou zásobní nádrži I je opatřen těsnicím kroužkem 14. V homí přírubě 2 válcové zásobní nádrže 1 je dále umístěno hladinové čidlo 10 měřící výšku hladiny JJ. vody. Dolní příruba s kuželovým vytvarováním přepážky 3 (kov) zdola uzavírá válcovou zásobní nádrž 1. V dolní přírubě s kuželovým vytvarováním přepážky 3 je výtokový otvor 9 s výtokovým uzávěrem 91 s dostatečnou průtočnou kapacitou a s usměrňovači destičkou 15 pro usměrnění proudu vody do stran. Dolní příruba s kuželovým vytvarováním přepážky 3 je zdola kuželově soustružena za účelem snadnějšího odvzdušnění prostoru nad vzorkem zeminy 7, T_. Mezi dolní přírubou s kuželovým vytvarováním přepážky 3 a odběrným válcem 4 je pryžové těsnění 5. Pro spojení válcové zásobní nádrže I a odběrného válce 4 slouží po vnějším obvodu umístěné spojovací úchyty 6. Pro ochranu povrchu vzorku 7, T_ zeminy proti rozplavování je vloženo homí ochranné síto 16. V prostora nad vzorkem 7, T zeminy je homí ochranné síto 16 přitlačováno k povrchu vzorku 7, T_ zeminy přítlačnou pružinou 23 (ocel). Při měření propustnosti zemin je vzorek T_ zeminy nesen dolním ochranným sítem 17. umístěným v manžetě 18 s fixační podložkou 24 vytvářející zásobní prostor odtokové nádrže. V homí části manžety 18 s fixační podložkou 24 je výtokový a odvzdušňovací otvor 19 v provedení nátrubku pro připojení hadičky 20 (pružný PVC), Hadička 20 slouží k odvzdušnění prostoru pod vzorkem T_ zeminy a pro nastavení hydraulického spádu. Pryžové těsnění 5 umístěné v homí části manžety 18 s fixační podložkou 24 těsně nad výtokovým a odvzdušňovacím otvorem 19 slouží k utěsnění prostupu při zasunutí odběrného válce 4 se vzorkem T zeminy. K symetrickému umístění odběrného válce 4 v manžetě J_8 s fixační podložkou 24 slouží vymezovací výlisky 22, rozmístěné po obvodu manžety 18.

Měření propustnosti zeminy zařízením podle technického řešení bylo provedeno původci na vzorcích pro výrobní halu fy. MSSL Advanced Polymers s.r.o., Dolní Ředíce, CZ.

Naměřená data slouží ke stanovení propustnosti zemin podle ČSN CEN ISO/TS 17892-11 (Geotechnický průzkum a zkoušení - Laboratorní zkoušky zemin. Část 11: Stanovení propustnosti zemin při konstantním a proměnném spádu).

Průmyslová využitelnost

Řešení se týká zařízení pro měření propustnosti nebo infiltrace zemin v laboratorních a terénních podmínkách, které je využitelné při měření propustnosti nebo infiltrace zemin ve stavebnictví, vodním hospodářství a životním prostředí pri hydropedologických a hydrogeologických zkouškách zemin, ve výzkumu (hydropedologie a hydrologie), zařízení lze průmyslově vyrábět.