SU1693469A1 - Способ определени основной гидрофизической характеристики пористых материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технической физике, в частности к способам определени  последовательного р да пар соответствий между значени ми потенциала влажности и равновесного влагосодержа- ни , образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении фильтрации подземных вод. Цель изобретени  - обеспечение возможности определени  основной гидрофизической характеристики на образцах пористых материалов при давлени х воды выше атмосферного. С этой целью образец устанавливают в жесткую водонепроницаемую рабочую камеру, герметически закрывающуюс  крышкой, имеющей форму усеченного конуса, в вершину которого змоншрозан полый мерный цилиндр, сообщающийс  при помощи трубок с системой задани  избыточного давлени . После установки образца к герметизации рабочей камеры последн   заполн етс  дозированным объемом зоды до уровн  выше верхнего торца образца. При этом «асть воды поглощаетс  образцом и определ етс  по разности между известным объемом зоды и свободной частью внутреннего объема рабочей камеры. В последующем потенциал влажности регулируетс  заданием различных значений избыточного давлени  газа над уровнем воды , а изменени  влагосодержани  образца определ ютс  по изменени м объема воды, заполн ющей свободный объем рабочей камеры . 2 ил. О ю 00 Јь О Ю

Description

Изобретение относитс  к технической физике, в частности к способам определени  последовательного р да пар соответствий между значени ми потенциала влажности и равновесного влагосодержани , образующими зависимость, называемую основной гидрофизической характеристикой (ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии,

гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении фильтрации подземных вод.

Известен способ определени  ОГХ. основанный на принципе выравнивани  потенциалов влаги двух пористых тел, приведенных в контакт между собой. Данный способ реализуют с помощью капилл - риметра, водонасыщенна  тонкопориста  мембрана которого играет роль вспомогательного пористого тела с регулируемым потенциалом влаги.

Определени  провод т следующим образом . Образец устанавливают в рабочую камеру и привод т в контакт с водонасы- щенной тонкопористой мембраной, смачиваемой водой, заполн ющей подмем- бранную камеру, соединенной с вакуумной системой. В рабочей камере, снабженной геометрически закрывающейс  крышкой, сохран ют атмосферное давление, дл  чего в корпус или крышку рабочей камеры вмонтирован капилл р, а в вакуумной системе создают разрежение, определ ющее величину потенциала воды, насыщающей тонкопористую мембрану. Заданное разрежение поддерживают до окончани  перетекани  воды через мембрану, о чем суд т по изменению уровн -воды в измерительной емкости , а затем задают новую ступень разрежени . Установившеес  влагосодер- жание образца, пересчитанное на его единичный объем, став т в соответствие заданному на мембране значению потенциала и принимают в качестве точки,принад- лежзщей искомой ОГХ.

Повторением подобной процедуры при однонаправленных изменени х разрежени  газа з вакуумной системе капилл ри- метра определ ют ОГХ в интервале значений потенциала влажности от нул  {когда образец насыщен водой и находитс  при атмосферном давлеиии{ до минус 85 кПа. (В практике исследований движение подземных вод потенциал воды и его составл ющие прин то выражать через эквивалентное давление, отсчитываемое от атмосферного),

Данный способ непригоден дл  определени  ОГХ при значени х потенциала влажности больше нул .

Известен также способ определени  ОГХ, основанный на принципе приведени  потенциала влаги в образце исследуемого пористого материала до уровн  потенциала свободной воды, поко щейс  при атмосферном давлении, условно принимаемом равным нулю. Способ реализуют с помощью мембранного или пластинчатого пресса.

Определени  провод т следующим образом . Образец устанавливают в рабочую камеру и привод т в контакт с водонасы- щенной мембраной, смачиваемой водой, за- полн ющей подмембранную камеру, свободно вращающуюс  с атмосферой. В рабочей камере создают и поддерживают избыточное давление гаЭа, вызывающее перетекание воды через тонкопористую мембрану в направлении меньшего значени 

потенциала. Установившеес  влагосодер- жание образца, пересчитанное на его единичный объем, став т в соответствие заданному в рабочей камере избыточному

давлению газа и принимают в качестве точки , принадлежащей искомой ОГХ.

Затем давление газа в рабочей камере измен ют и определ ют новое равновесное влагосодержание образца. Повторением

0 подобной процедуры при однонаправленных изменени х избыточного давлени  газа в рабочей камере определ ют ОГХ в интервале от нул  до некоторого отрицательного значени  потенциала, ограниченного давле5 нием барботировани  используемой мембраны .

Данный способ также непригоден дл  определени  ОГХ при значени х потенциала влажности больше нул .

0 Целью изобретени   вл етс  создание способа определени  ОГХ дл  значений потенциалов влажности в области давлений, превышающих атмосферное.

Поставпенна  цель достигаетс  тем, что

5 при способе определени  ОГХ, заключающемс  в задании последовательного р да значений потенциала и определении соответствующих им значений равновесного влагосодеожани  в образце исследуемого

0 .пористого материала, образец устанавливают в рабочую камеру, изготовленную из жесткого водонепроницаемого материала, заполн ют ее водой до уровн  выше верхнего торца образца и герметизируют, а после

5 создание избыточного давлени  газа измер ют изменени  объема воды в рабочей камере .

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид, с помощью которого реализуетс 

0 предлагаемый способ определени  ОГХ; на фиг. 2 - результаты определени  ОГХ на конкретном образце природного пористого материала.

Способ осуществл ют следующим об5 разом.

Исследуемый образец 1 с известным начальным влагосодержанием устанавлииают на сетчатый поддон 2 рабочей камеры 3, выполненной в виде жесткого водонепроницаемого стакана, герметически закрываю0 щегос  жесткой водонепроницаемой крышкой 4, имеющей форму конуса, в вершину которого вмонтирован мерный цилиндр 5, соединенный через верхний торец при помощи трубок б с системой регулиро5 вани  потенциала влажности, включающей датчик 7 давлени , балластную емкость 8 и насос 9, отключаемый вентилем 10. Стакан с установленным в нем образцом, крышка и мерный сосуд образуют мерную емкость,

заполн емую водой до уровн  выше верхнего торца образца, дл  чего внутренний объем рабочей камеры соединен при помощи трубок и вентил  11 с питающей емкостью 12, имеющей фиксированный объем воды. При изучении неводопрочных пористых материалов образец заключают в предохранительное кольцо 13.

Дл  получени  первой точки, принадлежащей искомой ОГХ, мерна  емкость с установленным в ней образцом заполн етс  водой, подаваемой с малым расходом, обеспечивающим возможность свободного вытеснени  ею внутрипорового газа из образца. Величину потенциала воды, насыщающей образец, вычисл ют по формуле

V pgZ + (P-P0),

где pgZ - гидростатическое давление над центром образца;

Р - абсолютное давление газа над поверхностью воды измерительной емкости;

Ро - атмосферное давление; при определении первой точки Z Z0, а Р

-Ро.

Равновесное влагосодержание образца , соответствующее первому значению потенциала , определ ют по формуле

+ 00,

где в0 и в - соответственно начальное и искомое значени  влагосодержани , выраженные в дол х единичного объема образца;

V - объем воды, поданный из питающей емкости в мерную емкость;

Wo - объем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом.

Изменени  влагосодержани  образца при переходе на вторую и последующие ступени давлени  (i 1) рассчитываютс  по изменени м объема воды в измерительной емкости по формуле

А V + W -Wo

1w

а 01+ i 2 AWi,

где Д Wi - уменьшение объема воды в измерительной емкости на 1-й ступени давлени  газа в системе задани  потенциала.

Пример. Определение ОГХ в области давлений воды, превышающих атмосферное , выполн ют с помощью устройства, принципиальна  схема которого приведена на фиг. 1. Внутренний объем рабочей камеры с герметически закрытой крышкой и мерным цилиндром с ценой делени  0,1 мл составл ет 640 см . Исследован образец природного пористого материала объемом 150см (диаметр 80 мм, высота 30 мм), представленный суглинком ненарушенного сложени  с общей пористостью 47% и начальным влагосодержанием 0,16 г/см . Образец заключен в предохранительное кольцо с внешним диаметром 84 мм и высотой 30 мм. 5 Суммарный объем образца, предохранительного кольца и сетчатого поддона 190 см3.

В рабочую камеру с установленным в ней образцом из питающей мерной емкости

0 с малым расходом перелито 450 мм воды, т.е. в объеме, равном свободному внутреннему объему рабочей камеры, крышки и мерного цилиндра. При этом исследуемым образцом породы поглощено 40,1 мм воды,

5 в результате чего его влагосодержание увеличилось до 42,6% единичного объема (0,426 г/см ), а уровень воды установилс  на высоте 29,3 см над центром образца. Полученное значение влагосодержани  по0 ставлено в соответствие установившемус  гидростатическому давлению и эта пар.э соответствующих друг другу значений прин та в качестве первой точки, принадлежащей искомой ОГХ.

5Втора  и последующие точки искомой

ОГХ определены путем однонаправленных изменений давлени  газа над уровнем воды в рабочей камере. Результаты определений приведены на фиг. 2, причем крива  1 пред0 ставл ет ОГХ по вегви увеличени  значений потенциалов воажности, а крива  2 - в обратном направлении. При этом повышение потенциала влажности над центром образ-, ца до 65 кПа привело к уменьшению объема

5 воды и снижению ее уровн  в мерном цилиндре на 3,7 мл и 3,7 см соответственно.

Таким образом, изобретение позвол ет определить основную гидрофизическую характеристику пористых материалов в обла0 сти давлений воды выше атмосферного.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  основной гидрофизической характеристики пористых мате5 риалов, заключающийс  в задании последовательного р да значений избыточного давлени  газа в рабочей камере с установленным в ней образцом известного объема, измерении изменени  объема жид0 кости в образце и определении соответству- ющих значений равновесного , влагосодержани , отличающийс  тем, что, с целью обеспечени  возможности определени  основной гидрофизической ха5 рактеристики в области значений потенциала влажности, больших нул , определ ют начальное влагосодержание образца , рабочую камеру заполн ют фиксированным объемом жидкости до уров- н  выше верхнего торца образца, измер ют

   превышение установившегос  уровн  воды над центром образца и обьем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом, а значени  потенциала влажности и равновесного влагосодержани  образца дл  этой и последующих ступеней избыточного давлени  рассчитывают по формулам

   + (P-Po),

   AW,

   wi i

   где V значение потенциала влажности, соответствующее избыточному давлению газа (Р - Ро) и превышению уровн  воды Z в

   мерной емкости над центром образца на п-й ступени;

   Р - давление газа над уровнем воды в мерной емкости на n-й ступени; Ро - атмосферное давление;

   О - равновесное влагосодержание образца , соответствующее n-й ступени, ft V+w-W0+ft|

   где X - фиксированный объем воды, заливаемый в рабочую камеру;

   Wo - объем мерной емкости, заполнен- с ный водой с погруженным под ее уровень образцом;

   w - начальное влагосодержание воды в мерной емкости при переходе с (1-1 )-й на 1-ю ступень избыточного давлени , 1,2...п.

   Фип 1

   Р,нПа.

   60

   40200 ,400,430,,45

   Влагосодержание, г/смs

   Фиг. 2