Способ определения набухания двухфазного глинистого грунта
METHOD FOR DETERMINING SWELLING OF TWO-PHASE CLAY SOIL

Изобретение относится к грунтоведению, а именно, к способам определения набухания глинистых грунтов при их увлажнении.
Известен способ определения набухания глинистых грунтов, включающий следующие процедуры: отбор образца глинистого грунта, определение массы и влажности образца грунта в исходном состоянии, размещение образца грунта в специальном приборе ПНЗ-2 (конструкция  Д.Н.Знаменского); замачивание образца глинистого грунта; определение времени стабилизации набухания грунта при помощи индикатора часового типа; определение массы и влажности образца глинистого грунта в набухшем состоянии;  определение его набухания  по  показаниям индикатора часового типа;  вычисление приращения объема цилиндрического образца, возникшего за счет увеличения высоты последнего [Чаковский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. М.: Недра. 1975. стр. 92-95-аналог].
Основными недостатками известного способа определения набухания глинистого грунта являются необходимость использования специального сложного прибора для определения объемного набухания глинистого грунта. Конструкция  прибора не позволяет в полной мере выявить способность грунта к  набуханию,  так как образец грунта помещается в кольцо, стесняющее увеличение его объема. Кроме того,  численные значения массы и влажности образца глинистого грунта, определенные в исходном и набухшем состоянии,  не используются непосредственно при определении степени набухания глинистого грунта, а являются сопровождающими параметрами образца.
Из известных технический решений, наиболее близким к заявляемому  является способ определения набухания глинистого грунта с нарушенной структурой, включающий отбор образца глинистого грунта, определение его массы и влажности в исходном состоянии; размещение образца грунта в специальном приборе ПНГ и его замачивание, выжидание времени стабилизации набухания грунта, контролируемое показаниями индикатора часового типа, определение массы и влажности образца глинистого грунта в набухшем состоянии, определение набухания образца глинистого грунта при помощи индикатора часового типа, вычисление (определение) величины относительно увеличения его объема [Руководство по изучению характеристик набухания и усадки глинистых грунтов, М, Стройиздат, 1980, стр. 4-6 - прототип].
Основными недостатками способа по прототипу являются необходимость использования специального сложного прибора для определения объемного набухания глинистого грунта, при этом масса и влажность образца глинистого грунта в исходном и набухшем состояниях не используются при определении набухания глинистого грунта, а являются сопровождающими параметрами образца.
Технический результат–упрощение способа определения набухания двухфазных глинистых грунтов.
Технической задачей изобретения является упрощение способа за счет создания возможности определения и контроля набухания двухфазного глинистого грунта по показателям изменяющейся влажности без использования специальных сложных приборов при одновременном снижении затрат на осуществление способа
Решение технической задачи
Способ определения величины набухания двухфазного глинистого грунта с нарушенной структурой, включающий отбор образца, определение его массы и влажности в исходном состоянии, замачивание грунта, выжидание времени стабилизации набухания грунта, определение массы и влажности образца грунта в набухшем состоянии, определение набухания образца грунта расчетным путем, для этого предварительно определяют плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии и определяют плотность воды, используемой для замачивания грунта, а набухание глинистого грунта определяют по формуле:
, где
3
3
1
2
- набухание двухфазного глинистого грунта (в долях единицы или процентах),  - плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии (г/см), W и W– влажности глинистого грунта в исходном и набухшем состояниях (в долях единицы),   - плотность воды (г/см).
Сущность изобретения
К двухфазным глинистым грунтам относят двухфазные глинистые пасты и плотные глины, в которых третья фаза (воздух) настолько мала, что ею можно пренебречь.
Сущность способа определения величины набухания двухфазных глинистых грунтов с нарушенной структурой включает отбор образца, определение его массы и влажности в исходном состоянии, замачивание грунта, определение времени стабилизации набухания грунта, определение массы и влажности образца грунта в набухшем состоянии, определение плотности скелета глинистого грунта в исходном состоянии, определение плотности воды, используемой при проведении исследования, а набухание двухфазного глинистого грунта определяют по формуле:
,  где
3
3
- набухание двухфазного глинистого грунта (в долях единицы или процентах),  - плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии (г/см),  и  - влажности грунта в исходном и набухшем состояниях (в долях единицы),  - плотность воды (г/см).
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что дополнительно определяют плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии и плотность воды, используемой для замачивания образца, а набухание двухфазного глинистого грунта определяют по формуле:
.
Первый новый признак предложенного технического решения состоит в том, что для определения набухания двухфазного глинистого грунта на основе общедоступных грунтоведческих анализов определяют обычные физические параметры глинистого грунта: плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии и плотность воды, что возможно без использования дорогостоящего и сложного оборудования.
Второй новый признак предложенного технического решения состоит в том, что набухание двухфазного глинистого грунта определяют по формуле:
.
Эта формула получена не на основе теоретических предположений, а на основе известных взаимосвязей межу физическими величинами, используемыми  при описании физико-механических свойств глинистых грунтов.
Проиллюстрируем это. Набухание двухфазного глинистого грунта (глинистые частицы + вода, заполняющая поры) можно представить следующим образом. Исходный объем образца глинистого двухфазного грунта представляет собой сумму объемов частиц грунта   и объема воды до набухания  :
.                                                  (1)
Объем грунта после набухания двухфазного глинистого грунта можно представить как сумму объемов частиц грунта  и воды после набухания  в виде:
.                                                (2)
Если набухание грунта определяется по формуле:
,                                                 (3)
то, подставляя формулы (1) и (2) в числитель формулы (3) и раскрывая скобки, получим
.                                                   (4)
Из выражения (4) видно, что в двухфазном глинистом грунте увеличение объема при набухании равно объему впитавшейся в грунт воды.
Зная, что масса исходного двухфазного глинистого образца равна произведению исходного объема образца на плотность глинистого грунта в исходном состоянии  :
,                                               (5)
а масса воды в исходном объеме двухфазного глинистого грунта равна
,                                           (6)
где  - влагосодержание двухфазного глинистого грунта в исходном состоянии, которое определяется формулой:
,                                                  (7)
где  - влажность  глинистого  грунта в исходном состоянии.
Массу сухой глины в исходном объеме образца можно представить так:
.                                   (8)
Проводя несложные преобразования, перепишем  формулу (3) в следующем виде:
(9)
3
где  - влажность глинистого грунта в набухшем состоянии;  - плотность воды, равная 1 г/см.
Используя в формуле (9) формулу (7), получим:
(10)
Зная, что
,                                                       (11)
3
где  - плотность скелета двухфазного глинистого грунта в исходном состоянии (г/см), и подставляя формулу (11) в формулу(10), получим окончательную формулу:
.                                                 (12)
Подставляя в формулу (12) численные значения соответствующих  параметров, получим безразмерную величину набухания.
Приведенные выше новые признаки заявляемого технического решения отсутствуют в известных  технических решениях и позволяют предложенному техническому решению проявить эффективность, заключающуюся в создании возможности определения и контроля набухания двухфазного глинистого грунта по показателям изменяющейся влажности без специальных сложных приборов.
Таким образом, предлагаемый способ определения набухания двухфазного глинистого грунта, в сравнении со способом по прототипу, заключающемся в создании возможности определения и контроля набухания двухфазного глинистого грунта по показателям изменяющейся влажности без специальных сложных приборов является новым техническим результатом заявляемого способа.
На основе всего вышеизложенного можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Осуществление способа
Способ определения набухания двухфазного глинистого грунта осуществляется следующим образом.
3
Отбирается образец глинистого грунта и определяется его масса в исходном состоянии. Производится замачивание образца глинистого грунта, осуществляется выжидание времени стабилизации набухания грунта. Определяется масса образца глинистого грунта в набухшем состоянии. Известными стандартными методами, используемыми в инженерной практике, определяются влажность глинистого грунта в исходном и набухшем состояниях. Определяют плотность скелета глинистого грунта в исходном состоянии и плотность воды, используемой для замачивания грунта (≈1г/см, так как плотность воды может быть и больше за счет растворенных в ней химических соединений). Набухание двухфазного глинистого грунта определяют по формуле (12).
В таблице приведены результаты испытаний определения набухания двухфазных глинистых грунтов (паст) способом по прототипу (при помощи прибора ПНГ) и по предложенному способу.
Таблица
Наименование глины
Влажность глины, в долях единицы
Плотность глины в исходном состоянии
<maths num="36"><img file="00000034.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, г/см<sup>3</sup>
Набухание глинистого грунта <maths num="37"><img file="00000035.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, в долях единицы
исходнаяW<sub>1</sub>
после набуханияW<sub>2</sub>
предложенный способ
Способ по прототипу
Na –каолинит
0,257
0,286
2,005
0,0474
0,0458
Са–монтмориллонит
0,573
0,882
1,668
0,340
0,328
Na –гидрослюда
0,234
0,326
2,043
0,166
0,152
Хвалынская глина
0,322
0,387
1,910
0,089
0,094
Сравнение численных значений величины набухания двухфазных глинистых грунтов, полученных указанными выше способами, показал, что их отличие для участвующих в сравнении глин составляет 3-6%,  что находится в пределах допустимых погрешностей при инженерных расчетах.
Преимущество предложенного способа определения набухания двухфазных глинистых грунтов заключается в том, что для определения величины набухания не требуется дорогостоящий  специальный прибор, а достаточно знать  влажность глиняного  образца в исходном и набухшем состоянии.