Способ определения границ пластичности грунтов
METHOD FOR DETERMINING THE RANGE OF SOIL PLASTICITY

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения границ пластичности (раскатывания и текучести) грунтов.
Известен способ определения границ пластичности (раскатывания и текучести) грунтов [ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик], предусматривающий определение границы раскатывания грунтов как влажности, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3-10 мм, а определение границы текучести грунтов - как влажности, при которой балансирный конус с углом 30° при вершине и массой 76 г погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм.
Недостатками этого известного способа являются:
- при определении границы раскатывания грунтов раскатывание грунтов в жгут производится вручную, требует стабильных навыков от исполнителей и значительных затрат времени и приводит к профзаболеваниям кожи рук исполнителей;
- при определении границы текучести грунтов влажность грунтов подбирается добавлением воды в грунт или уменьшением воды в грунте путем его подсушивания и также требует стабильных навыков от исполнителей и значительных затрат времени;
- низкие точность и достоверность, а также нестабильность результатов определения границ пластичности грунтов;
- невозможность оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения из-за получения при испытании конкретного грунта только одного значения удельного сопротивления его первого образца и одного значения удельного сопротивления его второго образца;
- для оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения необходимо проведение испытания нескольких образцов одного и того же грунта, что увеличивает длительность и стоимость испытаний;
- сложность механизации и автоматизации.
Известен способ определения границ пластичности грунтов [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Строиздат, 1980. - 248 с. (прототип)], заключающийся в определении удельного сопротивления двух образцов одного и того же грунта при разной влажности погружению конусного индентора с углом 30° при вершине, в построении графика зависимости удельного сопротивления грунта от влажности по двум точкам, полученным при испытании первого и второго образцов, и определении по этому графику влажности грунта на границе раскатывания при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 186,3 кПа, и на границе текучести при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 7,5 кПа.
Недостатками известного способа являются:
- построение графика зависимости удельного сопротивления грунта от влажности грунта производится всего лишь по двум точкам, полученным при испытании первого и второго образцов грунта. Это снижает достоверность результатов определения границ пластичности грунтов;
- графическое определение влажности грунтов на границе раскатывания и на границе текучести по удельному сопротивлению грунта погружению конусного индентора снижает точность результатов;
- невозможность оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения из-за получения только одного значения удельного сопротивления первого образца грунта и одного значения удельного сопротивления второго образца грунта;
- для оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения необходимо проведение испытания нескольких образцов одного и того же грунта, что увеличивает длительность и стоимость испытаний.
Задача изобретения - повышение точности и достоверности результатов определения границ пластичности грунтов при одном испытании двух образцов одного и того же грунта и повышение производительности определения границ пластичности грунтов.
Технический результат изобретения - упрощение и ускорение определения границ пластичности грунтов, исключение влияния на результаты определений субъективных факторов.
Технический результат достигается тем, что в способе определения границ пластичности грунтов, включающем определение удельного сопротивления двух образцов одного и того же грунта при разной влажности погружению конусного индентора с углом 30° при вершине и определение влажности грунта на границе раскатывания при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 186,3 кПа, и на границе текучести при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 7,5 кПа, первый образец увлажняют до влажности, равной влажности грунта при полном водонасыщении, а второй образец увлажняют до влажности в 1,2 раза больше влажности первого образца, каждый из образцов помещают в цилиндрическую камеру диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм и размещают соосно вершине конуса индентора, а погружение конусного индентора производят с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм и с регистрацией величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, при этом из каждого полученного массива значений сопротивления первого и второго образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора по условиям:
R1
R2
где V и V - коэффициенты вариации значений удельного сопротивления погружению конусного индентора соответственно для первого и второго образцов грунта;
и  - среднее арифметическое инвариантных значений удельного сопротивления погружению конусного индентора соответственно первого и второго образца грунта, кПа, определяемое по формулам:
1
2
где n и n - число инвариантных значений сопротивления погружению конусного индентора, образующих непрерывный ряд, соответственно первого и второго образцов грунта;
1.i
2.i
R и R - удельное сопротивление погружению конусного индентора на i-й глубине его погружения соответственно первого и второго образца грунта, кПа, определяемое по формуле:
i
i
где P и h - i-e значение величины сопротивления образца грунта погружению конусного индентора, Н, и соответствующее ему i-e значение глубины погружения конусного индентора, мм;
1
2
1.i
2.i
S и S - средние квадратичные отклонения значений R и R от средних значений  и , кПа, определяемые по формулам:
0,15 - допустимое значение коэффициента вариации для физических характеристик грунтов [ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний (п. 5.5)],
а определение влажности грунта на границе раскатывания и на границе текучести производят по формулам:
L
1
2
1
<mrow><mfrac><mrow><mi>lg</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mi>L</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>lg</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
W= W+ (W- W)∙,                                    (6)
P
L
где W и W - влажность грунта на границе соответственно раскатывания и текучести, %;
1
2
W и W - влажность соответственно первого и второго образца грунта, %;
P
L
P
L
R и R - удельное сопротивление грунта при погружении конусного индентора с углом 30° при вершине соответственно на границе раскатывания и на границе текучести. R=186,3 кПа и R=7,5 кПа [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с.].
В частности:
- увлажнение первого образца до влажности, равной влажности испытываемого грунта при полном водонасыщении, а второго образца до влажности в 1,2 раза больше влажности первого образца, обеспечивает достоверность результатов испытаний, т.к. в водонасыщенном состоянии сопротивление грунтов зависит только от их свойств, а отличие влажности второго образца от первого в 1,2 раза гарантирует получение результатов испытаний в двух состояниях грунта и испытаний различных грунтов в идентичных условиях;
- испытание образцов грунтов в цилиндрической камере диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм, размещенной соосно вершине конуса индентора, обеспечивает одинаковый кольцевой зазор между конусом индентора и цилиндрической камерой, равномерное распределение сопротивления испытываемого образца грунта по поверхности конуса индентора и исключает выдавливание грунта из цилиндрической камеры и контакт конусного индентора с цилиндрической камерой и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов;
- погружение конусного индентора в образец грунта с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, обеспечивает плавное постоянное погружение конусного индентора в испытываемый образец грунта без релаксации величины сопротивления грунта погружению конусного индентора и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов за счет объективного характера выполняемых операций;
- погружение конусного индентора в образец грунта на глубину до 35 мм исключает выдавливание грунта из цилиндрической камеры, сквозное проникновение конусного индентора через образец грунта и его разрушение;
- измерение и регистрация величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н обеспечивает получение большого массива значений сопротивления грунта погружению конусного индентора в одном испытании и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов;
- определение влажности грунта на границе раскатывания и на границе текучести по предложенным формулам исключает необходимость построения графика зависимости удельного сопротивления грунта от влажности и повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.
Пояснения к заявляемому способу определения границ пластичности грунтов и один из вариантов устройства для реализации этого способа схематично приведен на фиг. 1, на которой показана принципиальная блок-схема устройства для реализации способа определения границ пластичности грунтов.
Устройство для реализации способа определения границ пластичности грунтов состоит из цилиндрической камеры 1, размещенной на основании 2, конусного индентора 3, штока 4, размещенного в направляющей 5, привода 6, датчика 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора, датчика 8 глубины погружения конусного индентора и регистратора 9 величины сопротивления грунта погружению конусного индентора.
Конусный индентор 3 имеет при вершине конуса угол 30°.
Цилиндрическая камера 1 является рабочей камерой для испытываемых образцов грунтов и имеет диаметр не менее 60 мм и высоту не менее 45 мм.
Датчик 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора предназначен для измерения величины силы сопротивления грунта при погружении конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н и жестко связан с конусным индентором 3 и штоком 4. Датчик 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия.
Датчик 8 глубины погружения конусного индентора предназначен для измерения глубины погружения конусного индентора 3 в испытываемый образец грунта с дискретностью не более 0,01 мм и жестко связан с конусным индентором 3 и основанием 2. Датчик 8 глубины погружения конусного индентора может быть выполнен, например, в виде растрового фотоэлектронного преобразователя линейных перемещений.
Регистратор 9 величины сопротивления грунта погружению конусного индентора предназначен для регистрации величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н. Регистрация величины сопротивления грунта погружению конусного индентора 3 в регистраторе 9 может производиться, например, в электронной цифровой памяти устройства или на диаграммной ленте самописца.
Направляющая 5 штока 4 жестко связана с основанием 2.
Привод 6 предназначен для погружения конусного индентора 3 с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм, извлечения из образца грунта и ускоренного возвращения конусного индентора 3 в исходное положение после испытания образца грунта.
Привод 6 жестко связан с основанием 2 и может быть электромеханическим, гидравлическим или пневматическим.
Способ определения границ пластичности грунтов осуществляется следующим образом.
Определяют влажность испытываемого грунта и отбирают из него два образца.
1
Первый образец увлажняют до влажности W, равной влажности испытываемого грунта при полном водонасыщении, тщательно перемешивают до получения однородной массы, загружают в цилиндрическую камеру 1, выравнивают верхний торец заподлицо с краями камеры, устанавливают на основании 2 под конусным индентором 3 так, чтобы вершина конуса индентора находилась по центру образца и касалась его поверхности.
Включают устройство и приводом 6 производят погружение конусного индентора 3 в образец грунта с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм.
В процессе погружения конусного индентора 3 в образец грунта датчиком 7 измеряется сопротивление грунта погружению конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, а датчиком 8 измеряется глубина погружения конусного индентора в испытываемый образец грунта с дискретностью не более 0,01 мм. Сопротивление грунта погружению конусного индентора через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора 3 регистрируется регистратором 9 величины силы сопротивления грунта погружению конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н.
Затем привод 6 включают на обратных ход, извлекают конусный индентор 3 из образца грунта и производят обработку результатов.
1.i
Для каждого значения глубины погружения конусного индентора 3 определяют удельное сопротивление первого образца грунта R по формуле (3).
1
1.i
Из полученного массива значений удельного сопротивления первого образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора по условию (1). Для этого определяют среднее арифметическое инвариантных значений удельного сопротивления соответственно первого образца грунта погружению конусного индентора  при влажности W по формуле (2) и среднее квадратичное отклонение значений R от средних значений  по формуле (4).
2
Аналогичным образом готовят и испытывают второй образец этого же грунта, который увлажняют до влажности W в 1,2 раза больше влажности первого образца.
2.i
Для каждого значения глубины погружения конусного индентора 3 определяют удельное сопротивление второго образца грунта R по формуле (3).
2
2.i
Из полученного массива значений удельного сопротивления второго образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора по условию (1). Для этого определяют среднее арифметическое инвариантных значений удельного сопротивления соответственно второго образца грунта погружению конусного индентора  при влажности W по формуле (2) и среднее квадратичное отклонение значений R от средних значений  по формуле (4).
1
2
P
L
По полученным значениям W и  и W и  двух образцов одного и того же грунта определяют влажность грунта на границе раскатывания W по формуле (5) и на границе текучести W по формуле (6).
Погрешность определения границ пластичности (раскатывания и текучести) грунта определяют по формулам:
1
2
1.i
2.i
где S и S - средние квадратичные отклонения значений R и R от средних значений  и , кПа, определяемые по формулам (4).
Опытная проверка способа определения границ пластичности грунтов подтвердила его эффективность. Проверка способа производилась при определении границ пластичности различных грунтов Краснодарского края. В таблице 1 приведены результаты определении границ пластичности и погрешности их определения трех глин (грунты №№1-3), трех суглинков (грунты №№4-6) и трех супесей (грунты №№7-9) и пример определения границ пластичности грунта №1 и погрешности их определения.
Таким образом, изобретение повышает точность и достоверность результатов определения границ пластичности грунтов при одном испытании двух образцов одного и того же грунта, упрощает и ускоряет определение границ пластичности грунтов, исключает влияние субъективных факторов на результаты определения границ пластичности грунтов, позволяет оценивать погрешности определения границ пластичности при испытании одного грунта.