СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНОГО НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА МЕТОДОМ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
METHOD OF CONTROLLING CHARACTERISTICS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF DISPERSED UNBOUND SOIL BY GRANULOMETRIC SYNTHESIS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для устройства оснований зданий и сооружений из дисперсного несвязного грунта с требуемыми характеристиками физических или механических свойств.
Из существующего уровня техники известены мероприятия мероприятия (СП 22.13330.2011 «СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений», п. 5.9 «Мероприятия по уменьшению деформаций оснований и влияния их на сооружения»), направленные на преобразование строительных свойств грунтов, которое достигается:
а) уплотнением грунтов (трамбованием тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых свай, вытрамбовыванием котлованов под фундаменты, предварительным замачиванием грунтов, использованием энергии взрыва, глубинным гидровиброуплотнением, вибрационными машинами, катками и т.п.);
б) полной или частичной заменой в основании (в плане и по глубине) грунтов с неудовлетворительными свойствами подушками из песка, гравия, щебня и т.п.;
в) устройством насыпей (отсыпкой или гидронамывом);
г) закреплением грунтов (инъекционным, электрохимическим, буросмесительным, термическим и другими способами);
д) введением в грунт специальных добавок (например, засолением грунта или пропиткой его нефтепродуктами для ликвидации пучинистых свойств);
е) армированием грунта (введением специальных пленок, сеток и т.п.).
Недостатками данных способов являются: нерациональное использование энергоемкого оборудования для уплотнения грунта; нерациональное использование имеющихся строительных материалов как при полной или частичной замене грунта в основании здания, сооружения, так и при устройстве насыпей; необходимость использования специализированного оборудования, специальных добавок, в том числе и экологически опасных, или армирующих элементов для закрепления грунтов.
Так же известен способ регулирования деформационных свойств дисперсного материала, включающий изменение доли остаточных деформаций, сцепления между частицами дисперсного материала и передачу на него деформирующего воздействия. При этом до передачи деформирующего воздействия устанавливают зависимость доли остаточных деформаций К от сцепления C и угла φ внутреннего трения, а затем в соответствии с установленной зависимостью изменяют долю остаточных деформаций К путем изменения любым известным способом сцепления C и угла φ внутреннего трения. (RU 2108570, МПК G01N33/24, E02D3/00, C1, опубл. 10.04.1998). Недостатком данного способа является необходимость использования дополнительных технологий (например, в натурных условиях осуществляют изменение C и φ, регулируя соотношение долей остаточных и упругих деформаций при приложении деформирующего воздействия на грунт), которые бы обеспечивали как изменение сцепления C и угла φ внутреннего трения дисперсного материала, так и неизменность вновь полученных характеристик сцепления C и угла φ внутреннего трения дисперсного материала в условиях реального строительного производства в сложных природно-климатических условиях.
i
i
i
Σ
Наиболее близким к заявляемому способу является способ регулирования деформационных свойств несвязного дисперсного грунта, в котором первоначально грунт разделяют на фракции с помощью сит, определяют деформационную характеристику χ каждой гранулометрической фракции грунта, выделенной на предыдущем этапе, затем на основе полученных деформационных характеристик χ каждой гранулометрической фракции грунта методом подбора определяют относительное содержание (долю) А каждой гранулометрической фракции в новом несвязном дисперсном грунте с требуемой деформационной характеристикой χ так, чтобы выполнялось условие:
,
Σ
i
i
i
где χ– требуемая деформационная характеристика нового несвязного дисперсного грунта; A – относительное содержание (доля) i-ой гранулометрической фракции в новом несвязном дисперсном грунте с требуемой деформационной характеристикой. Определяется подбором так, что бы выполнялось условие: ∑A=1 (сумма долей (относительное содержание) отдельных фракций в новом несвязном дисперсном грунте равна единице); χ – деформационная характеристика i-ой гранулометрической фракции грунта. (RU 2621799, МПК E02D1/02, C1, опубл. 07.06.2017).
i
Σ
Недостатком данного способа является невозможность учёта совместного влияния деформационных характеристик χ одновременно всех n фракций грунта на требуемую деформационную характеристику χ нового дисперсного несвязного грунта.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является регулирование характеристик физических и механических свойств (далее - характеристик) дисперсного несвязного грунта (далее - грунта) методом гранулометрического синтеза, учитывающее совместное влияние характеристик отдельных фракций грунта  на характеристику синтезированного грунта с новым гранулометрическим составом.
Данный технический результат достигается тем, что в способе регулирования характеристик грунта методом гранулометрического синтеза первоначально в лабораторных условиях отобранная проба грунта разделяется на k фракций с помощью набора сит (ГОСТ 12536-2014 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава»). Так же подготавливаются дополнительные образцы грунта, массовые доли выделенных выше фракций в которых были бы равны между собой.
u
123…k
Далее, согласно предлагаемому техническому решению, определяют коэффициенты регрессии b отдельно для каждой из k фракций грунта, выделенных на предыдущем этапе, и коэффициент регрессии b, учитывающий одновременное влияние характеристик всех k фракций грунта на характеристику вновь синтезированного грунта, по формулам:
,
где n – число параллельных (дублированных) лабораторных опытов для определения характеристики образца грунта. Минимальное число n определений характеристики должно быть шесть (ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний»).
ui
y – значение характеристики u-ой фракции грунта, полученное в i-ом лабораторном опыте (ГОСТ 30416-2012 «Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения», ГОСТ 12248-2010. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»);
k – количество выделенных фракций исследуемого грунта;
123…ki
y – значение характеристики пробы грунта, содержащей равные массовые доли всех k фракций грунта и полученное в i-ом лабораторном опыте.
u
123…k
Затем, на основе полученных коэффициентов регрессии b и b рассчитывают значение характеристики грунта ỹ для различных соотношений массовых долей фракций грунта по формуле:
,
u
где x – массовая доля u-ой фракции в пробе грунта, где u=1,2,3…k, причём:
.
u
Уравнение для расчёта значения характеристики грунта ỹ для различных соотношений массовых долей фракций грунта позволяет подобрать соотношение массовых долей x отдельных фракций в новом, синтезируемом грунте таким образом, чтобы получить грунт с заданным значением характеристики ỹ.
На заключительном этапе имеющийся грунт для устройства основания здания или сооружения разделяют на k фракций и затем, смешивая, например, с помощью механических смесителей, подобранные массовые доли отдельных фракций, синтезируют грунт с новым гранулометрическим составом, который обеспечивает требуемое значение характеристики грунта.
Предлагаемое изобретение позволит регулировать характеристики физических и механических свойств дисперсного несвязного грунта методом гранулометрического синтеза, учитывая совместное влияние характеристик физических и механических свойств отдельных фракций грунта на характеристику вновь синтезированного грунта. Кроме того, предлагаемое изобретение позволит полнее использовать местные материалы в районах удалённых от мест материального снабжения, а так же отказаться от использования негативно влияющих на экологию окружающей среды искусственных добавок. Так же изобретение предусматривает использование простых механизмов (механические сита и смесители) для реализации предлагаемого способа.
ui
Рассмотрим конкретный пример реализации предложенного способа. Необходимо определить гранулометрический состав несвязного дисперсного грунта, например, песчаного грунта, угол внутреннего трения которого был бы равен φ=47°, и затем синтезировать грунт с полученным гранулометрическим составом. Отобранный образец имеющегося песчаного грунта в лабораторных условиях с помощью сит разделяют, например, на три отдельные фракции с размерами частиц (мм): более 0,5; 0,25–0,5; менее 0,25. Кроме того подготавливается четвёртый образец песчаного грунта, массовые доли выделенных выше фракций в котором были равны между собой и равняются 1/3. Далее в лабораторных условиях определяют угол внутреннего трения φ каждой выделенной u-ой фракции (ГОСТ 12248-2010. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости»). Образец результатов лабораторных исследований угла внутреннего трения φ представлен в таблице 1:
Таблица 1
Лабораторный опыт
x<sub>1</sub>=1,x<sub>2</sub>=0,x<sub>3</sub>=0
x<sub>1</sub>=0,x<sub>2</sub>=1,x<sub>3</sub>=0
x<sub>1</sub>=0,x<sub>2</sub>=0,x<sub>3</sub>=1
x<sub>1</sub>=1/3, x<sub>2</sub>=1/3, x<sub>3</sub>=1/3
1
43
44
52
49
2
44
44
54
49
3
44
45
53
49
4
45
46
53
50
5
44
45
53
49
6
44
46
53
49
Среднее значение
44
45
53
49
u
123…k
С помощью полученных численных значений рассчитывают по формулам коэффициенты регрессии b и b. Образец результатов расчёта представлен в таблице 2:
Таблица 2
Коэффициент регрессии
Значение
b<sub>1</sub>
44
b<sub>2</sub>
45
b<sub>3</sub>
53
b<sub>123</sub>
45
u
С помощью уравнения для расчёта значения характеристики грунта ỹ для различных соотношений массовых долей фракций грунта подбирают соотношение массовых долей x отдельных фракций в новом, синтезируемом грунте таким образом, чтобы получить гранулометрический состав грунта, обеспечивающий заданное значение угла внутреннего трения φ. На Фиг. представлен пример определения области, где соотвествующий гранулометрический состав обеспечивает  величину угла внутреннего трения песчаного грунта равную φ=47.
В соответствии с Фиг. предъявленному требованию равенства угла внутреннего трения φ=47° соответствует песчаный грунт, например, со следующим гранулометрическим составом, приведённым в таблице 3:
Таблица 3
Фракция грунта
Массовая доля
менее 0,25 мм
0,3
от 0,25 до 0,5 мм
0,5
свыше 0,5 мм
0,2
На заключительном этапе имеющийся грунт для устройства основания здания или сооружения разделяют с помощью механических сит на три отдельные фракции с размерами частиц (мм): более 0,5; 0,25–0,5; менее 0,25. Затем, смешивая с помощью механических смесителей, подобранные массовые доли отдельных фракций, синтезируют грунт с новым гранулометрическим составом, который обеспечивает требуемое значение угла внутреннего трения φ=47°.