СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ С ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫМ РАСТВОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PREPARING SAMPLES WITH A CEMENT AND SAND SOLUTION AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области строительства, а именно к лабораторным исследованиям грунтов, и может быть использовано для определения прочностных характеристик мерзлых грунтов и грунтовых растворов.
В настоящее время при строительстве на многолетнемерзлых грунтах широко применяют буроопускные сваи, которые погружают в предварительно пробуренные скважины. Пространство между стенкой скважины и поверхностью сваи заполняют раствором определенного состава. Несущая способность буроопускных свай обеспечивается, в основном, за счет прочности смерзания раствора с боковой поверхностью сваи.
Нагрузку на сваи передают только после их смерзания с многолетнемерзлыми грунтами и восстановления расчетного температурного режима грунтов.
Для заполнения пространства между стенками скважины и поверхностью сваи применяют песчаные, глинистые, песчано-глинистые, известково-песчаные, цементно-песчаные и другие растворы.
Расчетное сопротивление раствора сдвигу по поверхности смерзания со сваей и по мерзлому грунту определяют по данным испытаний грунтов методом одноплоскостного среза - ГОСТ 12248 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости».
Образцы для испытания изготавливают в специальных формах для смораживания грунта с материалом фундамента, грунтовым раствором и грунтом. Известный способ взят за прототип.
Согласно известному способу в формах подготавливают образцы вида «грунт (грунтовый раствор) - материал» для определения сопротивления грунта (грунтового раствора) сдвигу по поверхности смерзания Raf, и образцы вида «грунт (грунтовый раствор) - грунтовый раствор (грунт)» - для определения сопротивления грунта (грунтового раствора) сдвигу по грунтовому раствору (грунту) Rsh. Тестированный способ заключается в определении указанных характеристик по результатам испытаний образцов в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем приложения к образцу грунта или грунтового раствора, смороженного с образцом материала фундамента, грунтом, грунтовым раствором срезающей нагрузки при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.
Образец вида «грунт (грунтовый раствор) - материал» готовят в следующей последовательности: в опорное кольцо формы помещают материал, затем на него устанавливают рабочее кольцо срезного прибора, на которое помещают защитное кольцо формы. Рабочее кольцо заполняют заранее подготовленным грунтом или грунтовым раствором заданного состава и влажности. При заполнении рабочего кольца грунтом нарушенного сложения добиваются требуемой плотности грунта. Крышку формы устанавливают в положение в зависимости от заданных условий промораживания, а именно: при промораживании через грунт - снизу; при промораживании через материал - сверху. При отсутствии данных образец промораживают через материал.
Образец вида «грунт (грунтовый раствор) - грунтовый раствор (грунт)» подготавливают в зависимости от сдвига (раствор по грунту, грунт по грунту, раствор по раствору) и состояния грунта (ненарушенного, нарушенного) следующими способами. При сдвиге раствор по грунту ненарушенного сложения из монолита грунта вырезают образец по форме рабочего кольца срезного прибора и помещают его в рабочее кольцо; при сдвиге раствор по грунту нарушенного сложения рабочее кольцо прибора заполняют заранее подготовленным грунтом заданного состава и влажности, добиваясь требуемой плотности грунта, после чего грунт замораживают через верхний или нижний торец (определяется заданием). Затем мерзлый грунт в рабочем кольце срезного прибора устанавливают в опорное кольцо формы. На это рабочее кольцо устанавливают такое же рабочее кольцо и на него помещают защитное кольцо формы. Верхнее рабочее кольцо заполняют предварительно охлажденным до температуры замерзания грунтовым раствором или грунтом заданного состава и влажности и проводят смораживание образца через верхний или нижний торец. При сдвиге грунт по грунту ненарушенного сложения из монолита вырезают образец по форме рабочих колец срезного прибора, поставленных соосно одно на другое, и помещают его в рабочие кольца, после чего устанавливают в опорное и защитное кольца формы. При сдвигах грунт по грунту нарушенного сложения и раствор по раствору два рабочих кольца срезного прибора, установленных соосно одно на другое в опорном и защитном кольцах формы, заполняют заранее подготовленным грунтом или раствором заданного состава и влажности, добиваясь требуемой плотности грунта или раствора, после чего замораживают через верхний или нижний торец (определяется заданием).
Во время промораживания измеряют температуру контрольного образца, в который помещают термодатчик термоизмерительного устройства. Промораживание заканчивают, когда температура контрольного образца достигнет значения температуры воздуха в морозильной камере. Промораживание осуществляют при постоянной отрицательной температуре, заданной программой испытаний. После этого образец извлекают из формы, герметизируют и сохраняют до испытаний.
Однако, для цементно-песчаного раствора, который в основном применяют на современных строительных площадках, известный метод изготовления смерзшегося образца для проведения испытаний в срезном приборе неприменим. Это объясняется тем, что цементно-песчаный раствор, в отличие от песчаного и глинистого растворов, кроме замерзания может набирать прочность за счет гидратации цемента. Гидратация цемента в период схватывания характеризуется выделением теплоты. Скорость схватывания зависит от температуры окружающей среды. При низких температурах схватывание замедляется, при отрицательных прекращается. Схватывание цемента происходит только до замерзания раствора, поэтому в случае небольшого объема раствора, например, при погружении железобетонной сваи в скважины диаметром, ненамного превышающим диагональ сваи, а также при низких значениях температуры массива грунта раствор сравнительно быстро замерзает, и гидратация цемента не происходит. Совсем иная картина наблюдается при погружении полых трубчатых свай с открытым нижним концом в скважины большого диаметра в высокотемпературных многолетнемерзлых грунтах. В этом случае значительный объем раствора длительное время сохраняет положительную температуру, благодаря чему происходит гидратация цемента. Цементно-песчаный раствор успевает набрать прочность, прежде чем замерзнет. Тепловыделение цемента при гидратации поддерживает плюсовые значения температуры.
Характер теплового взаимодействия буроопускной сваи с окружающим массивом мерзлого грунта напрямую влияет на формирование прочностных связей по контактам грунт - раствор и раствор - материал сваи, что определяет несущую способность сваи.
3
Образцы, изготавливаемые для испытания в срезном приборе по известному методу, имеют сравнительно малые размеры (как правило, 140 см) и замораживаются при постоянной отрицательной температуре, из-за чего объем цементно-песчаного раствора всегда быстро замерзает, тем самым гидратация цемента не происходит, в отличие от реальных полевых условий. Очевидно, что прочностные связи при сдвиге раствора по грунту, раствора по раствору и раствора по материалу сваи, возникающие в полевых условиях, не соответствуют значениям, которые определяют в лабораторных условиях по известному способу. Для получения достоверных значений сопротивления сдвигу цементно-песчаного раствора по поверхности смерзания с фундаментом и по грунту необходимо при подготовке образцов создать изменяющиеся во времени температурные условия замерзания/твердения образца, соответствующие реальным условиям.
Технический результат, на который направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении достоверности результатов испытаний в срезном приборе, и, следовательно, повышении надежности расчета несущей способности буроопускной сваи за счет создания при подготовке образцов для испытания условий замерзания/твердения цементно-песчаного раствора идентичных условиям, возникающим при устройстве буроопускной сваи в многолетнемерзлых грунтах.
Технический результат достигается тем, что в способе приготовления образцов с цементно-песчаным раствором для определения сопротивления сдвигу по поверхности смерзания с фундаментом и по грунту, включающем заполнение формы для срезного прибора цементно-песчаным раствором, материалом фундамента или грунтом, охлаждение полученных образцов до заданной температуры, герметизацию и хранение их до начала испытаний, согласно изобретению, образцы охлаждают в изменяющихся во времени температурных условиях по заранее заданному температурному режиму, который определяют решением теплотехнической задачи или опытным путем, путем передачи образцам ограниченного до требуемого значения количества холода в разные временные периоды их замерзания/твердения. Ступенчатое охлаждение позволяет не допустить быстрого замерзания образца из-за его сравнительно малого размера и растянуть этот процесс на требуемый промежуток времени. Предлагаемый способ приготовления образца позволяет формироваться прочностным связям по контактам грунт - цементно-песчаный раствор и цементно-песчаный раствор - материал сваи в таких же условиях как при устройстве буроопускной сваи, при этом используя сравнительно небольшой объем раствора.
Технический результат достигается еще тем, что в устройстве для осуществления способа, выполненном в виде формы для срезного прибора, включающем установленные на крышку формы опорное кольцо, в которое помещают материал фундамента или дополнительное рабочее кольцо срезного прибора, заполняемое грунтом или цементно-песчаным раствором, и защитное кольцо, в которое помещают основное рабочее кольцо срезного прибора, заполняемое цементно-песчаным раствором, согласно изобретению, на верхнюю торцевую поверхность формы устанавливают теплоизолированный по периметру металлический штамп, оборудованный температурным датчиком и плоским нагревательным элементом, соединенными с терморегулятором, который управляет работой нагревательного элемента для обеспечения заданного температурного режима охлаждения цементно-песчаного раствора в образце.
При промораживании образца с цементно-песчаным раствором через материал фундамента, теплоизолированный по периметру металлический штамп, оборудованный температурным датчиком и плоским нагревательным элементом, соединенными с терморегулятором, который управляет работой нагревательного элемента для обеспечения заданного температурного режима охлаждения цементно-песчаного раствора в образце, устанавливают на материал фундамента, при этом на крышку формы устанавливают защитное кольцо формы для срезного прибора, в которое помещают основное рабочее кольцо срезного прибора, затем основное рабочее кольцо заполняют цементно-песчаным раствором и сверху на него устанавливают опорное кольцо формы, в которое помещают материал фундамента.
С помощью нагревательного элемента в любой момент времени на поверхности цементно-песчаного раствора или материала фундамента поддерживают требуемую температуру благодаря взаимной работе источников холода и тепла. С одной стороны, это холодный воздух морозильной камеры, который охлаждает образец до тех пор, пока он не примет температуру окружающего воздуха. С другой стороны, это нагревательный элемент, который ограничивает влияние холода до нужного значения температуры. Настройками терморегулятора задается зависимость температуры металлического штампа на поверхности образца во времени, которую обеспечивает своевременные включение/выключение нагревательного элемента. При отклонении температурных условий замерзания/твердения образца от заданных температурным режимом, по команде терморегулятора происходит включение нагревательного элемента для подогревания металлического штампа на поверхности цементно-песчаного раствора или материала фундамента до требуемой температуры, после чего происходит его выключение.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана форма для приготовления образцов при определении сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента при промораживании образца через цементно-песчаный раствор, на фиг. 2 - то же, при определении сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по грунту, на фиг. 3 - то же, при определении сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента при промораживании образца через материал фундамента.
1 - опорное кольцо формы
2 - материал
3 - основное рабочее кольцо срезного прибора
4 - цементно-песчаный раствор
5 - защитное кольцо формы
6 - крышка формы
7 - плоский нагревательный элемент
8 - металлический штамп
9 - температурный датчик
10 - теплоизоляционное кольцо
11 - терморегулятор
Реализуют предлагаемый способ с помощью предлагаемого устройства следующим образом. При приготовлении образца для определения сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента (фиг. 1) в опорное кольцо 1 формы помещают материал 2, как правило, металлическую или бетонную плашку, имитирующую поверхность фундамента. При испытании для определения сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по грунту (фиг. 2) в опорное кольцо 1 формы помещают дополнительное рабочее кольцо срезного прибора, которое заполняют заранее подготовленным грунтом (нарушенного или ненарушенного сложения) или цементно-песчаным раствором (на чертеже не показаны). Затем на материал 2 или дополнительное кольцо устанавливают основное рабочее кольцо 3 срезного прибора, на которое устанавливают защитное кольцо 5 формы. Рабочее кольцо 3 заполняют цементно-песчаным раствором 4 определенного состава и температуры. Крышку формы 6 устанавливают снизу. Сверху на рабочее кольцо 3, заполненное цементно-песчаным раствором 4, устанавливают металлический штамп 8 с температурным датчиком 9, на который в свою очередь устанавливают плоский нагревательный элемент 7. Металлический штамп 8 с плоским нагревательным элементом 7 огораживают по периметру теплоизоляционным кольцом 10. Работа плоского нагревательного элемента 7 осуществляется по показаниям температурного датчика 9 в металлическом штампе 8 с помощью терморегулятора 11, в котором настраивают температурный режим плоского нагревательного элемента 7, определяемый решением теплотехнической задачи или опытным путем. Металлический штамп 8, благодаря своей тепловой инертности, равномерно распределяет по своему телу тепло от плоского нагревательного элемента 7.
При промораживании образца через материал фундамента при определении сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента (фиг. 3) меняется последовательность установки опорного кольца 1 формы с материалом фундамента 2 и защитного кольца 5 формы с основным рабочим кольцом 3 срезного прибора. В этом случае сначала на крышку формы 6 ставят основное рабочее кольцо 3 срезного прибора, на которое устанавливают защитное кольцо 5 формы. Рабочее кольцо 3 заполняют цементно-песчаным раствором 4 определенного состава и температуры. Затем на рабочее кольцо 3 устанавливают материал фундамента 2, помещенный в опорное кольцо 1 формы. Металлический штамп 8 с температурным датчиком 9 и плоским нагревательным элементом 7, огороженный по периметру теплоизоляционным кольцом 10, устанавливают сверху на опорное кольцо 1 формы и материал фундамента 2.
Перед началом промораживания образца настройками терморегулятора задают температурный режим замерзания/твердения цементно-песчаного раствора, соответствующий полевым условиям восстановления расчетных температур при устройстве буроопускной сваи. Температурный режим определяют решением теплотехнической задачи с учетом температуры многолетнемерзлых грунтов, температуры цементно-песчаного раствора и его состава, объема цементно-песчаного раствора исходя из геометрических параметров лидерной скважины и сваи, времени года устройства свайных фундаментов. Также температурный режим возможно определять опытным путем при устройстве опытной буроопускной сваи.
Температурный режим представляет собой зависимость температуры металлического штампа, поддерживаемой плоским нагревательным элементом, во времени. При этом поддержание требуемой температуры осуществляется включением/выключением плоского нагревательного элемента с помощью терморегулятора по показаниям температурного датчика, установленного в металлическом штампе. Характеристики терморегулятора должны иметь возможность задавать температуру плоского нагревательного элемента с дискретностью 0,1°C с временным интервалом 1 минута.
Промораживание образца осуществляют в морозильной камере, при этом температуру воздуха в камере устанавливают с учетом температурного режима замерзания/твердения образца, а именно равной минимальному значению в интервале температур данного режима. Во время промораживания измеряют температуру контрольного образца, в который помещают термодатчик термоизмерительного устройства в приконтактном с материалом фундамента слое, а при приготовлении образцов вида раствор-грунт - в зоне потенциального сдвига рабочего кольца срезного прибора относительно дополнительного рабочего кольца. Промораживание заканчивают, когда температура контрольного образца достигнет значения температуры воздуха в морозильной камере, соответствующего минимальному значению в интервале температурного режима. После этого образец извлекают из формы, герметизируют и сохраняют до испытаний.