Способ определения основной гидрофизической характеристики пористых материалов

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержания, 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 изобретения - обеспечение возможности определения основной гидрофизической характеристики на образцах пористых материалов при давлениях воды выше атмосферного. С этой целью образец устанавливают в жесткую водонепроницаемую рабочую камеру, герметически закрывающуюся крышкой, имеющей форму усеченного конуса, в вершину которого змоншрозан полый мерный цилиндр, сообщающийся при помощи трубок с системой задания избыточного давления . После установки образца к герметизации рабочей камеры последняя заполняется дозированным объемом зоды до уровня выше верхнего торца образца. При этом «асть воды поглощается образцом и определяется по разности между известным объемом зоды и свободной частью внутреннего объема рабочей камеры. В последующем потенциал влажности регулируется заданием различных значений избыточного давления газа над уровнем воды , а изменения влагосодержания образца определяются по изменениям объема воды, заполняющей свободный объем рабочей камеры . 2 ил. О ю 00 Јь О Ю

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>я G 01 N 15/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изОБРетениям и ОткРытиям

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ы (21) 4425683/25 (22) 19.05.88 (46) 23.11.91. Бюл. N 43 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной reonorw (72) В.В.Бадов и А,А.Киселев (53) 535,217.1(088.8) (56) Глобус А.M. Экспериментальная гидрофизика почв. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969, с.144-158, Там же, 1969, с.152 — 178. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНОЙ

ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к технической физике, в частности к способам onðåäåëåния последовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержания, 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 фильтраИзобретение относится к технической физике, в частности к способам определения поеледовательного ряда пар соответствий между значениями потенциала влажности и равновесного влагосодержания, образующими зависимость; называемую основной гидрофизической характеристикой {ОГХ) исследуемого пористого материала, и может быть использовано в гидрогеологии, инженерной геологии, ции подземных вод. Цель изобретения— обеспечение возможности определения основной гидрофизической характеристики на образцах пористых материалов при давлениях воды выше атмосферного. С этой целью образец устанавливают в жесткую водонепроницаемую рабочую камеру, герметически закрывающуюся крышкой, имеющей форму усеченного конуса, в вершину которого амон ираввн полый мерный цилиндр, сообща,"ощийся прн помощи трубок с системой задания избыточного давления, После ус; a,oçки образцз v, герметизации раба«че 1 камеры последняя заполняетс» дози;. ованным объемом воды до уровня выше верхнего торца образца.

При этом часть воды поглощается образцом и определяется по разности между известным объемом воды и свободной частью внутреннего объема рабочей камеры. B последующем потенциал влажности регулируется заданием различных значений избыточного давления газа над уровнем воды, а изменения влагосодержания образца определяются по изменениям обьема воды, заполняющей свободный обьем рабочей камеры. 2 ил. гидрологии и мелиоративном почвоведении при количественном изучении фильтрации подземных вод, Известен способ определения ОГХ, основанный на принципе выравнивания потенциалов влаги двух пористых тел, приведенных в контакт между собой. Данный способ реализуют с помощью капилляриметра, водонасыщенная тонкопористая мембрана которого играет роль вспомога1693469 тельного пористо, 0 Репа с регул Рруемь1м Iioгенциалом влаги, Опре«18ления проводят следующим 05 разом, ЭСР13зец устаназл..1ваюг в рабочую камеру N приводят в к>нгакт с водонасыlце k ной тон кс пОриcтсrй меРлбранoй, смачиваемой водой, заполняющей под лембранную камеру, соедине IHGI, с вакуумной системой. В рабочеи кзмере снабженной геометрически закрьпзаюРцейся кры шкой, сохраняют aTvoc(1>eptto(; давление, дг1я чзго

В KOPtiVC ИЛИ KPblLUKV P350rtGI4 KBMBPbt ВМОН и рован капилляр, а в вакуумнои сис Геме соэда1от разрежение, определяющее величину потенциала воды, насыщающей тонкопористую мембрану. Заданное разрежение

Гr O t,p 8 p >KB! B 3 IO T до О К О Н Ч а Н И Я Г1 8 р 8 ТЕ К 3 и!И Я воды через мембрану, 0 чем с «дят пс изменени1о уровня воды в измери:ельной емкости, а затем эад310т нову:o ступень разрежения. Установивц1ееся влагосодериание ооразца, пересчитанное на 810 единичный объем, ставят в соответствие заданному на мембране значению потенциала и принимают в качеспве.точки,при."- адле>ка,цеи иском(й ОГХ. ! Овторение; подобной и; оцедуры при однонз1 правлен iqbty измененк1ях раэрее>KB.-.ия газа в ваку1мной системе капилляриметра опред8>tÿ;OT О . Х в интервале значений ГIGT81- циала влажнОсти ст -гуля

1«КОГД3 обРазеЦ насыЩен воДой и нахоДиrcB

i IpN 3тмосферном,.давлен111л(до минус !

««1> КГ13 (P npBKTIР1 Р«11" (" 18 (10в « «ий движение

iIOL38i4HbI>(ВОД ПОТВНЦИВЛ BCÄbt l1 8(0 CG" ставляющие принято выр-i>Ka.гь через зквиВаЛЕНТНОЕ ДаВЛЕНИ8, ОтСЧИТЫВЗЕМОЕ GT атмосферного), Данный способ,1епригоден для определения ОГХ п««71л 3 HBUBH!!BK 110T8HUM3«13 вла>кНОСТИ Oor!1bLLI8 НУЛЯ.

1«1звестен также способ определения

G! Х, OCHOBBHi-: Hr- Поинциг:Е П(«ИВЕ„«18РРИЯ потенциала влаги в образце исследуе«лог(з пористого материала во л>овн11 псгтенциала свободtt(>lit Bogbt, I7 >KaRLUBI«!CЯ ГРри Tl« (t(. 4?8РНОМ Д3ВЛЕНРЛИ, УС IDBHO ilUI>I«tHt:lt «136ÌÎI 4

РВВНЬРМ НУЛIО, rtr ос(7(>«P8c3:РИЗУ Ют :, Г! .1 " мощью мембранного /«ли пгастинч(>т(>го

ПPeCCB.

61прэд(:лен1ля II I>äèoÄII; с«18«1«жющим 06 разом. Образец угта(-:авливаюг в рабочую камеру и приводя:; а к(>нтак7 с, водонасыUt8I(Hot«I ме «I5PctHGI«l, смачиваемои ВОДОи, 311 полняющеЙ (1одмембранную камц.у, свободно врац;ающукэся с атмосферой, В рабочей KGir«18pr3 СОздаЮТ И to@jg8p>KMB31GT избытОчное давление Гаэз, вь .зыBBIOLtt(«(l пе" ратекание воды через тонкопористую мем67p311>« В напраВлении мень1118ГО зна Рения

r gr

13 сетчатый поддон 2 рабочей камеры 3, Выполненной в виде жесткого водонепроницаемого стакана, герметически закрывающего> я жесткой водоне роницаемой крышкой 4, имеющей форму конуса, в вершину которого Вмонтирован мерный ци.".:еРдр 5, соединенный через верхний торец

ГРри помощи трубок 6 с системой регулирования потенциала влажности, включающей датчик 7 давления, балластную емкость 8 и насос 9, отключаемый вентилем 10. Стакан с установленным в нем образцом, крышка и мерный сосуд образуют мерную емкость, потенциала, Установившееся влагосодержание образца. пересчитанное на его единичный обьем, ставят в соответствие заданноРлу в рабочей камере избыточному давлению газа и принимают в качестве точки, принадлежащей искомой ОГХ, Затем давление газа в рабочей камере изменяют и определяют новое равновесное влагосодержание О(разца. 11овторением подобной процедурь1 при однонаправленных изменениях избыточного давления газа в рабочей камере определяют ОГХ в интервале от нуля до некоторого отрицательного значения потенциала, огpаниченнoгo давлением барботирования используемой мембраны, Данный способ также непригоден для определения ОГХ при значениях потенциала влажности больше нуля.

Целью изобретения является создание способа определения ОГХ для значений потенциалов влажности в области давлений, превышающих атмосферное

Постав«>енная цепь достигается тем, что при способе определения ОГХ, заключаюцемся в задан1ли последовательного ряда значений ГРотенциала и определении соответствующих им значений равновесного влагосад :. .:Кания в (бразце исследуемого

ЗО гРористого материала, образец устанавливают в рабочую КЗРлеру, изготовленную из жесткого Во,„-:;:непроницаемого материала, заполняют ее водой до уровня выше верхнего торца образца и герметизируют, а после создания избыточного давления газа измеряют изменения объема воды в рабочей каМВРВ.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид, с помощью которого реализуется предлагаемый способ определения ОГХ; на фиг, 2 — результаты определения ОГХ на конкретном образце природного пористого мате риаг а.

Способ осуществляют следующим обраЗОМ, ««Рсследуе1иый образец 11 с известным начальным B«73f ocoä8pжанием устанавливак>т

1693469

50

55 заполняемую водой до уровня выше верхнего торца образца, для чего внутренний обьем рабочей камеры соединен при помощи трубок и вентиля 11 с питающей емкостью

12, имеющей фиксированный объем воды.

При изучении неводопрочных пористых материалов образец заключают в предохранительное кольцо 13.

Для получения первой точки, принадлежащей искомой ОГХ, мерная емкость с установленным в ней образцом заполняется водой, подаваемой с малым расходом, обеспечивающим возможность свободного вытеснения ею внутрипорового газа из образца. Величину потенциала воды, насыщающей образец, вычисляют по формуле ф= рgZ+(P - Ро), где p gZ — гидростатическое давление над центром образца;

Р— абсолютное давление газа над поверхностью воды измерительной емкости;

Ро — атмосферное давление; при определении первой точки Z = Zo, à P =

=Ро.

Равновесное влагосодержание образца, соответствующее первому значению потенциала, определяют по формуле

+ о . где Оо и 01 — соответственно начальное и искомое значения влагосодержания, выраженные в долях единичного объема образца;

V — объем воды, поданный иэ питающей емкости в мерную емкость;

М4 — объем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом.

Изменения влагосодержания образца при переходе на вторую и последующие ступени давления (i > 1) рассчитываются по изменениям объема воды в измерительной емкости по формуле

Я =01+ — g ЛЩ, 1

1=2 где ЛWi — уменьшение обьема воды в измерительной емкости íà i-й ступени давления газа в системе задания потенциала.

Пример, Определение ОГХ в области давлений воды, превышающих атмосферное, выполняют с помощью устройства, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1. Внутренний объем рабочей камеры с герметически закрытой крышкой и мерным цилиндром с ценой деления 0,1 мл составляет 640 см, Исследован образец з природного пористого материала объемом

150 см (диаметр 80 мм, высота 30 мм), представленный суглинком ненарушенного сложения 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, Суммарный объем образца, предохранительного кольца и сетчатого поддона

190 см .

В рабочую камеру с установленным в ней образцом из питающей мерной емкости 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, в результате чего его влагосодержание увеличилось go 42,6% единичного объема (0,426 г/см ), а уровень воды установился на высоте 29,3 см над центром образца. Полученное значение влагосодержания поставлено в соответствие установившемуся гидростатическому давлению и эта пара соответствующих друг другу значений принята в качестве первой точки, принадлежащей искомой ОГХ.

Вторая и последующие точки искомой

ОГХ определены путем однонаправленных изменений давления газа над уровнем воды в рабочей камере. Результаты определений приведены на фи . 2. причем кривая 1 представляет ОГХ по ветви увеличения значений потенциалов влажности, а кривая 2 — в обратном направлении. При этом повышение потенциала влажности над центром образ-, ца до 65 кПа привела к уменьшению объема воды и снижению ее уровня в мерном цилиндре на 3,7 мл и 3,7 см соответственно.

Таким образом, изобретение позволяет определить основную гидрофизическую характеристику пористых материалов в области давлений воды выше атмосферного.

Формула изобретения

Способ определения основной гидрофизической характеристики пористых материалов, заключающийся в задании последовательного ряда значений избыточного давления газа в рабочей камере с установленным в ней образцом известного объема, измерении изменения объема жидкости в образце и определении cooTBBT(:TBóющих значений равновесного влагосодержания, отличающийся тем, что. с целью обеспечения возможности определения основной гидрофизической характеристики в области значений потенциала влажности, больших нуля, определяют начальное влагосодержание образца, рабочую камеру заполняют фиксированным объемом жидкости до уровня выше верхнего торца образца, измеряют

1693469 превышение установившегося уровня воды над центром образца и объем мерной емкости, заполненный водой с погруженным под ее уровень образцом, а значения потенциала влажности и равновесного влагосодержания образца для этой и последующих ступеней избыточного давления рассчитывают по формулам

1p- pgz+(P Ро) и

8=81+ — Z Awl, lN) где ф — значение потенциала влажности, соответствующее избыточному давлению газа (Р - Po) и превышению уровня воды il в мерной емкости над центром образца на п-й ступени;

P — давление газа над уровнем воды в мерной емкости на и-й ступени;

5 Po — атмосферное давление;

0 — равновесное влагосодержание образца, соответствующее и-й ступени,.

g + o +g

10 где Х вЂ” фиксированный объем воды, заливаемый в рабочую камеру;

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

15 е — начальное влагосодержание воды в мерной емкости при переходе с(I-1)-й на 1-ю ступень избыточного давления, 1,2...п.

1693469 о ою

O4< 045

Влагосодержакие, я." г а

Составитель А. Петров

Техред М.Моргентал

Корректор Э, Лончакова

Редактор И, Шмакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4072 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауюская наб., 4/5