СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАБУХАНИЯ ГРУНТА
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF SOIL SWELLING

Способ относится к строительному грунтоведению и применяется при инженерно-геологических изысканиях для строительства на набухающих грунтах, в частности, для определения давления набухания и деформации набухания грунтов при разных значениях давления.
Известен способ определения относительной деформации набухания и давления набухания грунтов методом одной кривой, заключающийся в том, что несколько образцов одного и того же грунта с известными значениями числа пластичности, природной влажности, влажности на границе текучести и коэффициента пористости нагружают в компрессионных приборах разным давлением с выдерживанием до стабилизации деформации: первый образец нагружают давлением 0,0025 МПа, второй - 0,025 МПа, третий - 0,05 МПа, четвертый - 0,1 МПа, пятый 0,2 МПа и т.д. до необходимого давления в соответствии с программой испытаний. Затем каждый из образцов фунта замачивают, выдерживают до стабилизации деформации и регистрируют полученные значения деформации набухания. По данным испытаний всех образцов грунта строят график зависимости деформации набухания от давления и определяют давление набухания, как давление, при котором деформация набухания образца грунта равна нулю [1. Рекомендации по лабораторным методам определения характеристик набухающих грунтов (п. 3, с. 10-11). - М.: Стройиздат, 1974. - 19 с.; 2. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости (п. 5.6, с. 25-28). - М.: Стандартинформ, 2011. - 82 с.].
Недостатками известного способа являются:
- для испытаний необходимо использовать несколько образцов одного и того же грунта (не менее 6), а для их получения необходимо из горных выработок производить отбор больших монолитов, что повышает трудовые и материальные затраты на подготовку образцов грунта для испытания;
- необходимость длительного одновременного или последовательного использования нескольких компрессионных приборов;
- несоответствие нагружения образцов грунта ступенью давления с выдержкой до стабилизации деформации образцов нагружению грунтовых оснований при строительстве, при котором нагрузка увеличивается во времени более плавно;
- низкая точность и достоверность результатов определений;
- большая длительность и стоимость испытаний.
Известен способ определения относительного набухания грунтов методом двух кривых, заключающийся в испытании в компрессионном приборе не менее двух образцов одного и того же грунта с известными значениями числа пластичности, природной влажности, влажности на границе текучести и коэффициента пористости. Первый образец грунта замачивают водой без нагрузки и выдерживают до стабилизации деформации набухания, затем нагружают ступенями давления по 0,1 МПа через 1 час до конечного значения, меньшего давления набухания, и выдерживают до стабилизации деформации. Второй образец грунта естественной влажности нагружают ступенями давления по 0,1 МПа через 1 час до того же конечного значения давления, что и первый, выдерживают до стабилизации деформации сжатия, а затем замачивают и выдерживают до стабилизации деформации набухания. Затем второй образец грунта разгружают аналогично нагружению до нулевого давления и выдерживают до стабилизации деформации. По данным испытаний двух образцов строят кривую зависимости деформации набухания от давления, расположенную между графиками сжатия первого и набухания второго образцов. Значение давления набухания определяют в отдельном опыте прямым методом на шести образцах [Рекомендации по лабораторным методам определения характеристик набухающих фунтов (п. 5, с. 12-13). - М.: Стройиздат, 1974. - 19 с. (прототип)].
Недостатками известного способа являются:
- несоответствие нафужения образцов грунта ступенями давления без выдержки до стабилизации деформации образцов нагружению фунтовых оснований при строительстве, при котором нагрузка увеличивается во времени более плавно и менее быстро, что снижает достоверность результатов определений;
- произвольное построение кривой зависимости деформации набухания от давления, что снижает достоверность результатов определений;
- необходимость определения давления набухания в отдельном опыте;
- использование большого числа образцов одного и того же грунта, что увеличивает трудозатраты на подготовку образцов грунта для испытания и снижает достоверность получаемых результатов;
- необходимость длительного одновременного или последовательного использования не менее двух компрессионных приборов.
Задача изобретения - повышение достоверности и точности результатов испытания образцов грунтов путем создания условий, моделирующих работу грунтовых оснований при строительстве, и учета физических свойств грунта, а также повышение эффективности испытания путем сокращения количества образцов и размеров монолитов, отбираемых из горных выработок для испытаний.
Технический результат изобретения - повышение достоверности и точности определения характеристик набухания грунта, сокращение времени испытаний и трудозатрат.
Технический результат достигается тем, что в способе определения характеристик набухания грунта, заключающемся в нагружении заданным давлением образца грунта с известными значениями числа пластичности, природной влажности, влажности на границе текучести и коэффициента пористости, замачивании с выдержкой до стабилизации деформации образца и разгрузке до нулевого давления с регистрацией значений деформации образца и действующего давления на всех этапах нагружения, замачивания и разгрузки и определении давления набухания грунта по графику зависимости деформации набухания грунта от давления, согласно изобретения, испытания проводят на одном образце грунта, а нагружение образца грунта до заданного давления и разгрузку до нулевого давления осуществляют с постоянной скоростью изменения давления, моделирующей скорость нагружения основания фундамента, но не выше предельной скорости, обеспечивающей завершение консолидации с заданным допуском и определяемой, в зависимости от физических свойств грунта, по формуле
lim
где V - предельная скорость нагружения и разгрузки образца грунта, кПа/ч [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. О стандарте на метод компрессионных испытаний грунтов постоянно возрастающей нагрузкой // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2017, №4. - С. 27-42. - URL: http://ntk.kubstu.ru/file/1594];
p
I - число пластичности грунта, %;
W- природная влажность грунта, %;
L
W - влажность грунта на границе текучести, %;
е - коэффициент пористости грунта, д.е.;
Q - допускаемая относительная деформация завершения консолидации, принятая равной 5% [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Обоснование критерия выбора скорости нагружения грунтов при компрессионных испытаниях постоянно возрастающей нагрузкой // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2016, №5. - С. 110-122. - URL: http://ntk.kubstu.ru/file/962],
при этом регистрацию значений деформации образца грунта и действующего давления производят через каждые 0,005 мм деформации образца грунта, а значения деформации набухания образца грунта при различном давлении определяют как разность показаний деформации набухания и осадки образца грунта при одном и том же значении давления.
Нагружение образца грунта до заданного давления и разгрузка до нулевого давления с постоянной скоростью увеличения давления позволяет проводить испытания на одном образце грунта в условиях, моделирующих работу грунтового основания при строительстве и т.о. повышает достоверность результатов испытаний.
Регистрация значений деформации образца грунта и приложенного давления через каждые 0,005 мм деформации образца повышает точность результатов испытаний. Способ позволяет:
- обеспечить плавность и заданную скорость нагружения образца, что соответствует условию нагружения грунта в основании фундамента;
- оценить погрешность определения характеристик грунта, создаваемую его неоднородностью, статистически, на основе большого массива экспериментальных данных по одному образцу, и повысить тем самым их достоверность;
- получить значения деформации набухания при любом значении давления и значение давления набухания в опыте с одним образцом;
- сделать опыт по определению деформаций сжатия и набухания предсказуемым по длительности испытания и уменьшить эту длительность.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.
Вышеизложенное позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Пояснения к заявляемому способу определения характеристик набухания грунта и один из вариантов устройства для реализации этого способа схематично приведены на чертеже, где на:
фиг. 1 - принципиальная блок-схема устройства для реализации способа определения характеристик набухания грунта;
sl.m
1
фиг. 2 - график определения давления набухания грунта, когда замачивание при постоянном конечном давлении вызывает деформацию просадки образца s (участок аа);
sw.a
1
фиг. 3 - график определения давления набухания грунта, когда замачивание при постоянном конечном давлении вызывает деформацию набухания s (участок аа).
Устройство для реализации способа определения характеристик набухания грунта состоит из рабочей камеры 1, размещенной на столе-основании 2, датчика 3 деформации образца грунта, датчика 4 величины приложенного давления, нагрузочного механизма 5, замачивателя 6 образца грунта и блока управления 7.
Рабочая камера 1 выполнена в виде одометра компрессионного прибора и состоит из разборного корпуса с подводом 8 воды и указателем 9 уровня воды, жесткого рабочего кольца 10, предотвращающего боковое расширение испытываемого образца грунта, неподвижного перфорированного штампа 11 и подвижного перфорированного штампа 12.
Датчик 3 деформации образца грунта предназначен для измерения знакопеременных линейных перемещений подвижного штампа 10 (деформации образца) с погрешностью не более 0,005 мм. Датчик 3 деформации образца грунта может быть выполнен, например, в виде растрового фотоэлектронного преобразователя линейных перемещений.
Датчик 4 величины приложенного давления предназначен для измерения приложенного давления при нагружении или разгрузке образца грунта. Датчик 4 величины приложенного давления может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия с упругим элементом и растровым фотоэлектронным преобразователем линейных перемещений.
Нагрузочный механизм 5 предназначен для нагружения образца грунта до заданного давления и разгрузки до нулевого значения с постоянной скоростью увеличения давления, задаваемой блоком управления 7.
Замачиватель 6 образца грунта предназначен для подачи воды в рабочую камеру 1 и поддержания в ней уровня воды выше верхнего торца образца грунта 13.
Блок управления 7 предназначен для задания программы испытаний и управления работой устройства в процессе ее выполнения, в частности, для: включения нагрузочного механизма 5 на нагружение образца грунта, включения замачивателя 6 для замачивания при заданном давлении и выдержки образца до стабилизации деформации, включения нагрузочного механизма 5 на разгрузку до нулевого давления, обеспечение заданной постоянной скорости нагружения и разгрузки образца грунта, регистрации в электронной памяти значений деформации образца (осадки, просадки и набухания) и действующего давления через каждые 0,005 мм при нагружении, замачивании и разгрузке образца, выдачи результатов испытания на дисплей блока управления 7 и внешнюю ЭВМ.
В качестве устройства для определения характеристик набухания грунта могут использоваться любые известные устройства, обеспечивающие проведение испытаний образца грунта в соответствии с описанным способом определения характеристик набухания, например, автоматический компрессионный прибор АКП-6Н для испытания фунтов постоянно возрастающей нафузкой [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Автоматический компрессионный прибор АКП-6Н для испытания фунтов постоянно возрастающей нагрузкой // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2016, №6. - С. 156-169. - URL: http://ntk.kubstu.ru/file/1014].
Способ определения характеристик набухания фунта осуществляется следующим образом.
Образец грунта естественной влажности зафужают в рабочее кольцо 10, помещают на неподвижный штамп 11 в рабочей камере 1, накрывают подвижным штампом 12 и устанавливают на столе-основании 2. К подвижному штампу 12 подводят датчик 3 деформации образца грунта, датчик 4 величины приложенного давления и нафузочный механизм 5, а к подводу 8 присоединяют замачиватель 6, который заполняют водой. В блоке управления 7 задают конечное давление на образец и постоянную скорость увеличения и уменьшения давления на него при нафужении и при разгрузке, моделирующей скорость нафужения основания фундамента, которая должна быть не выше предельной скорости, обеспечивающей завершение консолидации с заданным допуском и определяемой, в зависимости от физических свойств фунта, по формуле (1), и включают устройство в работу.
При включении устройства в работу датчик 3 деформации образца грунта и датчик 4 величины приложенного давления обнуляются, включается нагрузочный механизм 5 и производится приложение давления с заданной постоянной скоростью его увеличения до заданного значения. Одновременно производится регистрация деформации образца грунта и действующего давления через каждые 0,005 мм деформации образца грунта.
После достижения значения заданного конечного давления нагрузочный механизм 5 отключается, включается замачиватель 6 и производится замачивание грунта и выдержка его до стабилизации деформации образца. В процессе замачивания образца производится регистрация деформации образца при постоянном давлении через каждые 0,005 мм деформации образца.
Затем включается нагрузочный механизм 5 и производится разгрузка образца грунта до нулевого давления с той же постоянной скоростью уменьшения давления, что и увеличения при нагружении, и регистрация деформации образца и действующего давления через каждые 0,005 мм деформации образца.
После разгрузки образца фунта до нулевого давления, нагрузочный механизм 5 отключается, а результаты испытания выдаются на дисплей блока управления 7 и внешнюю ЭВМ.
sl.a
1
sw.a
1
1
1
sw
По полученным данным регистрации деформаций образца фунта строят графики зависимости осадки образца при естественной влажности при нафужении до конечного давления (кривая Оа на фиг. 2 и фиг. 3), деформации просадки образца s (участок аа на фиг. 2) или деформации набухания s (участок аа на фиг. 3) после замачивания фунта при постоянном конечном давлении, деформации набухания замоченного фунта при разфузке до нулевого давления (кривая ac на фиг. 2 и фиг. 3). По разности ординат кривых Оа и са строят расчетом график зависимости набухания грунта от давления s(p).
sw
sw
sl.a
1
sw.a
1
sw
sw
sw
sw
На пересечении фафика зависимости набухания фунта от давления s(p) с осью давления р получают давление набухания грунта p в случае, если после замачивании образца фунта при постоянном конечном давлении получена деформация просадки образца s (участок аа на фиг. 2). Если после замачивания образца грунта при постоянном конечном давлении получена деформация набухания s (участок аа на фиг. 3), то кривую зависимости набухания грунта от давления s(p) продолжают касательной в последней экспериментальной точке до оси давления р, в пересечении с которой получают давление набухания грунта p. В обоих случаях, точность определения значений s(p) и p выше, чем в прототипе.
Таким образом, изобретение обеспечивает испытания образцов грунтов в условиях, моделирующих работу грунта в основании фундамента при строительстве, сокращает количество испытываемых образцов до одного, уменьшает размеры монолитов, отбираемых из горных выработок для испытаний, повышает достоверность и точность определения характеристик набухания грунта, сокращает длительность испытаний и трудозатраты.