Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТБОРА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО МОНОЛИТА ПОЧВОГРУНТОВ И КОМПЛЕКТ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к сельскому хозяйству и мелиорации земель и может быть использовано при отборе горизонтального монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения с целью определения их водно-физических и фильтрационных свойств при проведении почвенно-мелиоративных изысканий и исследований для строительства, осушения и использования мелиорированных земель.

Известен способ отбора горизонтального монолита почвогрунтов, включающий вдавливание по генетическим горизонтам режущего цилиндра объемом 250 см³ из шурфа (Зайдельман Ф.Р. Мелиорация заболоченных почв Нечерноземной зоны РСФСР: Справочная книга. - М.: Колос, 1981. - С. 72). Способ предусматривает вдавливание цилиндра малого объема массой тела и руками рабочего, не учитывает необходимость применения цилиндра большего диаметра и влияние силы трения почвогрунта о внутреннюю поверхность цилиндра и скорости вдавливания цилиндра в почвогрунт на качество отбора монолита.

Известен способ отбора вертикального монолита почвогрунтов (Патент RU №2505792, кл. G01N 1/04, E02D 1/04, 2014), включающий вдавливание n-го тонкостенного металлического цилиндра-монолитоотборника i-го диаметра с заостренным нижним торцом треугольной формы посредством статического пригруза цилиндрической формы, причем отбор вертикального монолита почвогрунтов производят количеством цилиндров-монолитоотборников к, равным

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), после чего производят демонтаж комплекта применяемых устройств, снятие почвогрунта выше цилиндра, подрезание монолита по режущему краю цилиндра-монолитоотборника, подъем его на поверхность почвы, упаковку и доставку к месту испытаний.

Недостаток известного способа отбора вертикального монолита почвогрунтов заключается в невозможности обеспечить вдавливание режущего цилиндра-монолитоотборника статистическим пригрузом при отборе горизонтального монолита почвогрунтов. Кроме того, данный способ отбора вертикального монолита почвогрунтов, как и вышеописанный, не учитывает влияние силы трения почвогрунта о внутреннюю поверхность цилиндра и скорость вдавливания цилиндра в почвогрунт, нарушающие естественное сложение почвогрунта у стенки цилиндра, что сказывается на качестве отбора монолита.

Известен режущий цилиндр объемом 250 см³ для отбора горизонтального монолита почвогрунтов из шурфа (см. абзац 2 на с. 1 описания заявки), который вдавливают массой тела и руками рабочего по генетическим горизонтам. Но часто при отборе монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения с целью определения их водно-физических и фильтрационных свойств возникает необходимость применения цилиндра большего диаметра и, кроме того, осуществление отбора образца монолита почвогрунтов разным количеством цилиндров-монолитоотборников с разным либо одинаковым диаметром неоднократно для получения достоверных результатов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является комплект устройств для отбора вертикального монолита почвогрунта, включающий к-е количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, равное

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), металлическую цилиндрическую насадку на цилиндр-монолитоотборник, выполненную с выемкой цилиндрической формы в одном из ее торцов, диаметр которой равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоотборника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр, и осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлической цилиндрической насадки, и (n-1) шайбу с внешним диаметром, равным диаметру выемки, и толщиной, равной высоте выемки в торце металлической цилиндрической насадки, с возможностью установки каждой из них в выемку с последующей фиксацией в ней, причем внутренние диаметры шайб неодинаковы и равны внешнему диаметру каждого из (n-1) цилиндра-монолитоотборника, составляя пару: шайба - цилиндр-монолитоотборник (Патент RU 2505792 О, Кл. G01N 1/04 и E02D 1/04, 2014; прототип).

Недостаток заключается в невозможности использования его для отбора горизонтального монолита почвогрунта.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества отбора горизонтального монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения для определения их водно-физических и фильтрационных свойств по генетическим горизонтам почвенного профиля и создании комплекта устройств для реализации заявленного способа.

Технический результат заключается в повышении точности определения водно-физических и фильтрационных свойств почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля, а также в снижении времени на отбор монолита и трудоемкости работ при отборе качественного горизонтального образца почвогрунтов.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе отбора горизонтального монолита почвогрунтов, включающем вдавливание по генетическим горизонтам n-го тонкостенного металлического цилиндра-монолитоотборника i-го диаметра с заостренным нижним торцом треугольной формы, причем отбор горизонтального монолита почвогрунтов из шурфа производят количеством цилиндров-монолитоотборников к, равным

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), после чего производят демонтаж комплекта применяемых устройств, подрезание монолита по режущему краю цилиндра-монолитоотборника, подъем его из шурфа на поверхность почвы, упаковку и доставку к месту испытаний, каждый раз перед отбором горизонтального монолита почвогрунтов внутреннюю поверхность каждого используемого цилиндра-монолитоотборника смазывают техническим вазелином, а нагрузку на цилиндр-монолитоотборник осуществляют в направлении, перпендикулярном поверхности шурфа, ступенчато с фиксацией нагрузки каждой ступени.

Для осуществления заявленного способа предложен комплект устройств для отбора горизонтального монолита почвогрунтов, включающий к-е количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников с заостренным нижним торцом треугольной формы, равное

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), металлическую цилиндрическую насадку на цилиндр-монолитоотборник, выполненную с выемкой цилиндрической формы в одном из ее торцов, диаметр которой равен внешнему диаметру цилиндра-монолитоотборника, имеющего максимальный из n цилиндров-монолитоотборников диаметр, и осью симметрии, совпадающей с осью симметрии металлической цилиндрической насадки, и (n-1) шайбу с внешним диаметром, равным диаметру выемки, и толщиной, равной высоте выемки в торце металлической цилиндрической насадки, с возможностью установки каждой из них в выемку с последующей фиксацией в ней, причем внутренние диаметры шайб неодинаковы и равны внешнему диаметру каждого из (n-1) цилиндра-монолитоотборника, составляя пару: шайба - цилиндр-монолитоотборник. Комплект снабжен винтовым прессом с головкой и пяткой цилиндрической формы и щитом с выемкой по оси его симметрии с возможностью установки в ней посредством пятки винтового пресса, при этом в другом торце металлической цилиндрической насадки на цилиндр-монолитоотборник по оси ее симметрии выполнена выемка цилиндрической формы, диаметр и глубина которой соответствуют диаметру и толщине головки винтового пресса. В торце металлической цилиндрической насадки со стороны выемки для установки ее на цилиндр-монолитоотборник установлены на винтах и равномерно распределены по окружности с возможностью поворота вокруг винтов пластинки для фиксации шайбы в выемке.

Заявленный способ отбора горизонтального монолита почвогрунтов и комплект приведенных выше устройств, а также и их конструкция позволяют произвести отбор горизонтального монолита-образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения без трещин, тем самым обеспечивая отбор качественного образца почвогрунтов ненарушенного (природного) сложения для определения их водно-физических и фильтрационных свойств. В результате, наряду со снижением затрат времени и трудоемкости работ, значительно повышается точность определения водно-физических и фильтрационных свойств почвогрунтов.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На чертеже изображена схема вертикального разреза шурфа, в котором представлен процесс отбора горизонтального монолита: 1 - вертикальная стенка шурфа, 2 - границы генетического горизонта почвенного профиля, 3 - вдавливаемый в почвогрунт цилиндр-монолитоотборник, 4 - шайба, 5 - насадка на цилиндр, 6 - пластинки для фиксации шайбы в выемке, 7 - винтовой пресс, 8 - щит, 9 - почвогрунт генетического горизонта в цилиндре-монолитоотборнике.

Способ отбора горизонтального монолита почвогрунтов включает следующие операции:

- перед отбором горизонтального монолита почвогрунтов внутреннюю поверхность каждого используемого цилиндра-монолитоотборника смазывают техническим вазелином;

- вдавливание по генетическим горизонтам n-го тонкостенного металлического цилиндра-монолитоотборника i-го диаметра с заостренным нижним концом треугольной формы, причем отбор горизонтального монолита почвогрунтов из шурфа производят количеством цилиндров-монолитоотборников к, равным

где

i - номер диаметра цилиндра (n≥i≥1),

n - число цилиндров разного диаметра,

к_i - число повторностей цилиндра i-го диаметра (к_i≥3), при этом нагрузку на цилиндр-монолитоотборник осуществляют в направлении, перпендикулярном поверхности шурфа, ступенчато с фиксацией нагрузки каждой ступени;

- демонтаж комплекта применяемых устройств;

- снятие почвогрунта выше цилиндра;

- подрезание почвогрунта монолита по режущему краю цилиндра-монолитоотборника;

- подъем цилиндра-монолитоотборника на поверхность почвы;

- срезание почвогрунта вровень с режущей кромкой цилиндра-монолитоотборника;

- упаковку и доставку образца к месту испытаний.

Для реализации заявленного способа отбора горизонтального монолита почвогрунтов предложен комплект устройств, который включает также к-е количество тонкостенных металлических цилиндров-монолитоотборников 3 с заостренным нижним торцом треугольной формы, определяемое по формуле (1), и (n-1) количество шайб 4 с одинаковым внешним диаметром. При этом тонкостенные металлические цилиндры-монолитоотборники отличаются друг от друга внутренним диаметром D, высотой H, толщиной стенки h и углом заточки его наружного режущего края U°. Между насадкой 5 на цилиндр 3 и щитом 8, установленным у противоположной стенки шурфа, расположен винтовой пресс 7, с помощью которого осуществляют нагрузку на цилиндр ступенчато, с фиксацией нагрузки каждой ступени, что позволяет нарушение естественного сложения почвогрунта у стенки цилиндра свести к минимуму. При этом для снижения силы трения цилиндра о монолит внутреннюю поверхность цилиндра предварительно смазывают техническим вазелином.

Заявленный способ отбора горизонтального монолита почвогрунтов с помощью предложенного комплекта устройств реализуют следующим образом.

Пункты по изучению водно-физических и фильтрационных свойств выбирают после завершения почвенной съемки. Их приурочивают к каждому мелиоративному району - территории, образованной почвами на однородных по генезису и составу почвообразующих породах с одинаковыми причинами заболачивания. В мелиоративном районе с несколькими почвенными разновидностями пункты размещают на каждой из них.

По прибытии к месту назначения отбор монолитов минеральных почвогрунтов в выделенных пунктах производят следующим образом. Отрывают шурф в пункте, размечают границы генетических горизонтов, из которых намечено отобрать монолиты. В соответствии с выделенными генетическими горизонтами устанавливают оптимальный размер и количество режущих цилиндров-монолитоотборников и количество шайб из их количества. Отбор монолитов начинают с верхнего генетического горизонта, зачищая и выравнивая его вертикальную плоскость на стенке шурфа сначала лопатой, затем совком и ножом, устанавливают на нее режущим краем цилиндр-монолитоотборник 3, предварительно смазав его внутреннюю поверхность техническим вазелином, а на него - насадку 5 с шайбой 4, фиксируя ее посредством пластинок 6 в выемке насадки, а на противоположную стенку шурфа 1 - щит 8. Положение цилиндра 3 с насадкой 5 и щита 8 на стенках шурфа 1 закрепляют (зажимают) с помощью винтового пресса 7.

Винтовым прессом 7 осуществляют нагрузку на цилиндр 3 ступенчато, с фиксацией нагрузки каждой ступени, что позволяет нарушение естественного сложения почвогрунта у стенки цилиндра при его вдавливании, путем втягивания почвогрунта внутрь цилиндра за счет действия силы трения, свести к минимуму. При этом для снижения силы трения цилиндра о монолит внутреннюю поверхность цилиндра предварительно смазывают.

После полного заполнения цилиндра-монолитоотборника 3 почвогрунтом 9 (после завершения вдавливания цилиндра) производят демонтаж комплекта примененных устройств (винтового пресса 7, насадки 5 и щита 8) и снимают почвогрунт выше цилиндра 3 лопатой. Затем подрезают лопатой почвогрунт по всему периметру режущего края цилиндра-монолитоотборника 3, отступив на 15..25 мм от него, поднимают монолит на поверхность почвы, срезают почвогрунт ножом вровень с режущей кромкой цилиндра-монолитоотборника, устанавливая монолит на пластину, упаковывают его и доставляют к месту проведения испытаний.

Осуществление изобретения.

Заявленные способ и комплект устройств использованы для отбора более 1700 горизонтальных монолитов минеральных почвогрунтов. В качестве примера приводим опыт их применения на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой глеевой почве, сформировавшейся на тяжелосуглинистом покровном суглинке, подстилаемом ленточной глиной, представленной двумя генетическими горизонтами (C_1g и C_2g).

В горизонте C_1g прослои красной глины толщиной от 2…3 мм до 5 см (в основном 1,5…2,5 см) чередуются с прослоями супеси мощностью от долей мм до 10... 15 мм. Напластование прослоев - от горизонтального до волнистого. Прослои глины и супеси пронизаны вертикальными ожелезненными корневыми трубками растений. В вертикальном почвенном профиле горизонт расположен на глубине с 50…70 см до 120…140 см.

В горизонте C_2g прослои сизовато-серой глины мощностью в основном 5…6 мм, правильной формы, горизонтальные, чередуются с прослоями супеси мощностью в несколько долей мм. При вскрытии горизонта C_2g выявлен водоносный горизонт с напорными грунтовыми водами, уровень которых отличается относительной постоянностью в течение гидрологического года. При выпадении обильных осадков на горизонте C_2g формируется уровень почвенно-грунтовых вод.

Горизонтальные монолиты почвогрунтов по генетическим горизонтам почвенного профиля отобраны в соответствии с заявленными способом и комплектом устройств, результаты представлены в табл.

Кроме этого в соответствии с рекомендациями, приведенными выше, отбор образцов по генетическим горизонтам данного почвенного профиля проведен и режущим цилиндром малого объема (250 см). При этом вдавливание цилиндра осуществляли массой тела и руками рабочего (см. абзац 2 на с. 1 описания заявки). Отбор образцов по каждому генетическому горизонту осуществлен в 6-кратной повторности (к_i=6). Всего по 6 генетическим горизонтам было отобрано без видимых глазом трещин 36 образцов, т.е. к=36. Кроме этого были отобраны и выбракованы 15 образцов с трещинами, общее число отобранных образцов оказалось равным 51.

Сравнение применения 2-х указанных выше способов отбора образцов по генетическим горизонтам рассматриваемого почвенного профиля послужило основанием сделать следующие выводы.

1. Затраты труда при использовании заявленных способа и комплекта оказались ниже на 78%.

2. Заявленные способ и комплект устройств обеспечили высокое качество отбора монолитов - выбраковка некачественных монолитов места не имела.

3. Заявленные способ и комплект устройств обеспечили повышение точности определения водно-физических свойств почвогрунтов на 12%, а коэффициента фильтрации - на 94%.

Заявленные способ и комплект устройств обеспечивают достижение ожидаемого технического результата.