СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ
METHOD OF DIAGNOSING SOIL LOAD BEARING CAPACITY

Изобретение относится к области диагностики состояния грунтов оснований технических систем в неблагоприятных природно-климатических и инженерно-геологических условиях при воздействии вибродинамических, техногенных и других факторов, в частности диагностики грунтов транспортных технических систем при их строительстве и эксплуатации в условиях вечной мерзлоты.
Диагностика состояния грунтов оснований фундаментов и земляного полотна грунтовых технических систем связана с выявлением несущей способности грунтов до и после воздействия неблагоприятных факторов. При воздействии природно-климатических или увеличении вибродинамических нагрузок и т.д. происходит потеря устойчивости эксплуатируемых технических систем. Это связано с изменением физико-механических характеристик грунтов в результате изменения температурно-влажностного режима в основании сооружения.
В условиях вечной мерзлоты на грунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности даже минимальное нарушение температуро-влажностного режима грунтов деятельного слоя вызывает дополнительные долговременные (до 2-х лет и более) осадки оснований грунтовых технических систем (ГТС). Это обусловлено наличием в них ледяных включений. От содержания ледяных включений, а также от величины и частоты воздействующей нагрузки зависит интенсивность протаивания вечномерзлых грунтов и величина деятельного слоя под сооружением.
В известных способах диагностики несущую способность определяют по состоянию грунтов, находящихся под воздействием разрушающих факторов, путем измерения физико-механических параметров, таких как плотность, пористость, относительная осадка, модуль сдвига, модуль деформации, влажность грунта, пластичность, угол внутреннего трения, сцепление, характеризующие состояние грунта, которое зависит от воздействия вибродинамических нагрузок. По изменению величин параметров судят о наличии деформаций. В зависимости от состояния грунта для обеспечения безопасности движения поездов проводят мероприятия по укреплению грунтов ГТС.
Проблема известных способов диагностики несущей способности грунтовых технических систем заключается в точности оценки состояния грунтов, которая зависит от выбранных параметров диагностики. Это обусловлено тем, что различные параметры изменяются под влиянием неблагоприятных факторов по-разному.
Известен способ диагностики несущей способности грунтов ГТС, позволяющий по разовому измерению физических параметров объективно оценить наличие деформаций от воздействия вибродинамической нагрузки [1].
Для диагностики выбирают физические параметры грунта: поровое давление U, сжимающее напряжение от действия динамической нагрузки δ, коэффициент сцепления грунта С, угол внутреннего трения φ и сопротивление сдвигу τ, которые характеризуют парожидкостную и твердую фазы грунта под воздействием вибродинамического фактора от одной подвижной единицы.
Вибродинамические нагрузки от подвижного состава изменяют температуру грунта за счет превращения механической энергии в тепловую. Увеличение температуры грунта повышает динамические напряжения и поровое давление в парожидкостной фазе, что приводит к горизонтальному смещению твердой фазы грунта в приподошвенные зоны. Чем больше поровое давление, тем меньше сопротивление сдвигу τ и больше величина смещения грунта. Фиксация величины порового давления и напряжений позволяет оценить наиболее опасный момент возникновения разжижения грунта, при котором величина τ становится выше нормативной.
Способ диагностики несущей способности ГТС заключается в следующем. По оси основания ГТС устанавливают датчики для измерения порового давления U и сжимающего напряжения δ. Затем в период воздействия вибродинамической нагрузки измеряют поровое давление парожидкостной фазы грунта и сжимающее напряжение твердой фазы грунта. С помощью сдвиговых приборов определяют коэффициент сцепления грунта и угол внутреннего трения φ на образцах грунта ненарушенной структуры. После этого расчетные значения сопротивления сдвигу τ определяют из соотношения:
τ=(δ-U)tgφ+C.
По величине сопротивления сдвигу судят о состоянии грунта.
Если сопротивление сдвигу τ<0.08 МПа, то говорят об устойчивости грунтов; при τ>0.08 МПа - о потере несущей способности грунтов ГТС.
Выбор противодеформационных мероприятий осуществляется в зависимости от полученных значений несущей способности ГТС.
Достоинством известного способа диагностики несущей способности грунтов ГТС является возможность оценки деформативности благодаря сведениям о состоянии парожидкостной фазы грунта и о наличии деформаций.
Однако известный способ не позволяет судить о величине деформаций грунта от многократного воздействия вибродинамической нагрузки.
Это обусловлено тем, что определение наличия деформаций осуществляют в конечном итоге по одному показателю, а именно по сопротивлению сдвига, что является недостаточным для оценки величины деформаций.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ диагностики несущей способности грунтов ГТС, заключающийся в измерении порового давления и температуры в период приложения вибродинамической нагрузки, по максимальному изменению которого судят о величине деформаций [2].
Известный способ осуществляют следующим образом.
В приподошвенной зоне основания ГТС устанавливают датчики для измерения порового давления и температуры парожидкостной фазы грунтов, одновременно измеряют оба параметра и по максимальному изменению обоих параметров судят о несущей способности грунтов: при изменении порового давления до 0,1 кПа и температуры до 0,015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0,1 кПа и температуры более 0,015°С - о нестабильности грунтов.
Величину горизонтальных перемещений определяют по формуле
где k=f(µ,R,T) - коэффициент приведения, полученный экспериментальным путем;
µ - молекулярный вес парожидкостной фазы;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура грунта до прохода поезда;
ΔU - максимальное изменение порового давления во время прохода поезда;
m - масса эквивалентной нагрузки;
с - теплоемкость грунтов ГТС;
ΔT - максимальное изменение температуры во время прохода поезда.
По величине горизонтальных перемещений судят о степени деформативности и в соответствии с ней осуществляют выбор противодеформационных мероприятий.
Таким образом, известный способ позволяет определить величину горизонтальных перемещений по величинам максимальной разности порового давления и температуры парожидкостной фазы грунта в приподошвенной зоне основания ГТС в период приложения вибродинамической нагрузки. При этом высокая степень точности определения величины горизонтальных перемещений достигается при диагностике состояния грунтов в обычных природно-климатических условиях. Это обусловлено тем, что парожидкостная фаза грунта чувствительна к малейшему вибрационному воздействию. При воздействии вибродинамической нагрузки в обычных природно-климатических условиях происходит практически мгновенное увеличение порового давления, измеряемого датчиком.
Однако точность оценки состояния грунта в суровых природно-климатических условиях и особенно в условиях вечной мерзлоты значительно снижается, что приводит к необоснованному выбору ПДМ. Это обусловлено тем, что в суровых природно-климатических условиях сразу после воздействия вибродинамической нагрузки поровое давление парожидкостной фазы грунта на глубине деятельного слоя становиться хаотичным из-за поглощения льдом жидкой фазы. Это обусловлено тем, что на границе протаивания вследствие сегрегационного льдообразования образуется «шуга», для образования которой расходуется большая часть влаги парожидкостной фазы грунта.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании способа диагностики несущей способности грунтов, позволяющего оценить состояние грунтов в суровых природно-климатических условиях и особенно в условиях вечной мерзлоты благодаря измерению термодинамических параметров грунта, которые наиболее достоверно отражают реакцию грунта на воздействие вибродинамической нагрузки.
1
2
2
1
1
2
2
1
Для решения поставленной задачи в способе диагностики несущей способности грунтов, заключающемся в установке датчика для измерения температуры парожидкостной фазы грунта в приподошвенной зоне основания, измерении температуры Т и Т порового давления до и после приложения динамической нагрузки и определении разности измеренных параметров δT=Т-Т, по которой судят о несущей способности грунтов, дополнительно в той же зоне основания устанавливают датчик для измерения относительной электропроводимости грунта, измеряют относительную электропроводимость грунта σ и σ до и после приложения динамической нагрузки, определяют разность измеренных параметров δσ=σ-σ, а о несущей способности грунта судят по величине разностей температуры δT и относительной электропроводимости δσ: при δσ≤|0,2|% и при δТ≤|0,02|°С делают вывод о стабильности грунта; при δσ>|0,2|% и при δT>|0,02|°С - о нестабильности грунта.
Кроме того, датчики для измерения температуры и относительной электропроводимости устанавливают на глубину деятельного слоя, измерение конечных параметров осуществляют через 0,91-1,1 часа после прекращения приложения динамической нагрузки и измерение параметров осуществляют непрерывно в режиме реального времени.
Заявляемое решение отличается от прототипа дополнительным измерением другого параметра парожидкостной фазы грунта, а именно измерением относительной электропроводности грунта, и, как следствие, оценкой состояния грунта по новой совокупности изменения измеряемых параметров, а именно по δT и δσ. Кроме того, заявляемое решение отличается от прототипа новыми режимами осуществления операций в способе. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Благодаря оценке состояния грунта в условиях вечной мерзлоты по изменениям температуры парожидкостной фазы грунта и относительной электропроводности значительно повышается достоверность оценки состояния ГТС.
Это обусловлено следующими причинами. В условиях вечной мерзлоты насыщенные пары парожидкостной фазы грунта передвигаются из верхней части ГТС (из слоя с более высокой температурой) в приподошвенные зоны (к слою с меньшей температурой). Увеличение количества воды в основании ГТС создает грунтово-водную среду на границе контакта талого и мерзлого грунта, которая при замерзании создает термически неоднородную структуру с ледяными включениями, количество которых периодически изменяется. Наличие ледяных включений определяет электросопротивление и относительную электропроводимость замерзающей грунтово-водной среды, которые реагируют даже на минимальное количественное изменение этих включений. Таким образом, использование в качестве измеряемого параметра относительной электропроводимости совместно с температурой для определения несущей способности грунта позволяет точно судить о состоянии грунта за достаточно короткий период, например один час после приложения нагрузки.
Причинно-следственная связь «Оценка состояния грунта в условиях вечной мерзлоты по изменениям температуры парожидкостной фазы грунта и относительной электропроводности грунта приводит к значительному повышению достоверности оценки состояния ГТС» является неизвестной в уровне техники и явным образом не следует из него. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлен график изменения температуры парожидкостной фазы грунта на стабильном участке (км 3063 пк 7 ДВЖД).
На фиг.2 представлен график изменения относительной электропроводности грунта на стабильном участке (км 3063 пк 7 ДВЖД).
На фиг.3 представлен график изменения температуры парожидкостной фазы грунта на нестабильном участке (км 3163 пк 3 ПЧ-27 ДВЖД).
На фиг.4 представлен график изменения относительной электропроводности грунта на нестабильном участке (км 3163 пк 3 ПЧ-27 ДВЖД).
Способ осуществляют следующим образом.
В приподошвенной зоне основания ГТС, например дорожного полотна, до воздействия вибродинамической нагрузки устанавливают известные датчики для измерения относительной электропроводимости грунта и температуры парожидкостной фазы грунта. Датчики устанавливают на глубину деятельного слоя.
1
2
1
2
2
2
2
1
2
1
Относительную электропроводимость σ и σ, температуру Т и Т измеряют до и после приложения вибродинамической нагрузки, например прохождения поезда. При этом конечные параметры σ и Т измеряют через 0,91-1,1 часа после прохода поезда, т.е. после прекращения действия вибродинамической нагрузки. Далее определяют изменение параметров σТ=Т-Т и δσ=σ-σ, по которым судят о состоянии грунта. Если δσ≤|0,2|% и δТ≤|0,02|°С, то делается вывод о стабильности грунта; если δσ>|0,2|% и δT>|0,02|°С - о нестабильности грунта.
При воздействии вибродинамической нагрузки на стабильном участке грунты ТС остаются в относительно устойчивом состоянии, т.е. в термодинамическом равновесии, так как грунтовая среда содержит незначительное количество ледяных включений на границе контакта талого и мерзлого грунта, оставаясь пространственно и термически однородной. Независимо от воздействия нагрузки такая среда характеризуется постоянной температурой и относительной электропроводимостью. Измеряемые датчиками флуктуации в пределах δσ≤|0,2|% и δТ≤|0,02|°С обусловлены длиннопериодными колебаниями ГТС при динамическом воздействии прошедшего поезда.
При воздействии вибродинамической нагрузки на нестабильном участке грунты ТС выходят из термодинамического равновесия. Энергия механических колебаний от воздействия динамической нагрузки превращается в тепловую энергию грунтово-водной среды и повышает температуру холодных слоев высокольдистых грунтов основания ГТС. В холодных слоях грунта начинается процесс термической конденсации пара в виде гигроскопической влаги, которая обладает высокой разжижающей способностью. Увеличение количества воды в основании ГТС и высокой ее разжижающей способности приводит к изменению параметров грунтово-водной среды на границе контакта талого и мерзлого грунтов. Твердые частицы мерзлого грунта «растепляются», возникает «шуга», создавая термически неоднородную среду. При этом частицы грунта испытывают напряжения, а удерживающие усилия ослабляется ледяными включениями. Протаивающий грунт под действием этих усилий «течет» в талой прослойке в менее уплотненные приподошвенные (полевые) зоны. Этот процесс продолжается 0,91 часа после прекращения воздействия динамической нагрузки с постоянным снижением температуры. В дальнейшем начинается лавинообразный процесс льдообразования (сегрегации), который продолжается в течение 0,91-1,1 часа после прекращения воздействия динамической нагрузки и сопровождается дальнейшим снижением температуры грунтово-водной среды и значительным повышением электросопротивления грунта [3], приводящим, в свою очередь, к повышению относительной электропроводимости. Постепенно ГТС возвращается в термодинамическое равновесие.
Показатели конечных параметров, измеренных в течение времени, меньшего 0,91 часа после прекращения воздействия динамической нагрузки, отражают процесс образования «шуги» и термодинамической нестабильности, что не позволяют сделать правильный вывод о состоянии несущей способности грунтов.
Измерение показателей конечных параметров после 1,1 часа ограничено графиком движения поездов.
Экспериментальные исследования проведены на ДВЖД (БАМ).
Пример 1. Визуально выбирают стабильный участок, например на км 3063 пк 7 ДВЖД, который характеризуется ровным профилем и планом. До прохода поезда в приподошвенной зоне основания ГТС в вертикальные отверстия диаметром 20-25 мм и глубиной 0,5-0,6 м (глубина деятельного слоя) устанавливают прибор для измерения относительной электропроводимости в виде датчика специальной конструкции на базе прибора переменного тока Р 577 (моста) точностью 0,02% и систему контроля температуры на базе цифрового измерителя температуры «МИТ» точностью 0,005°С. Оба прибора подключают к регистрирующему устройству - note-book. При проходе поезда весом 23 т/ось к исследуемому участку включают note-book, который в режиме «on-line» фиксирует изменение температуры парожидкостной фазы грунта в градусах Цельсия и относительной электропроводимости грунта в процентах. При этом за 0% принимается сопротивление замкнутых накоротко электродов, за 100% - сопротивление чистого сухого песка.
2
1
Из графика (фиг.1, 2) видно, что на участке до прохода поезда температура грунта составляла +1,87°С, относительная электропроводимость - 18,55%, через час после прохода поезда температура грунта снизилась до +1,86°С и проводимость увеличилась до 18,7%. Таким образом, δT=T-T=-0,01°C<|0,02|°C, а δσ=+0,15%<|0,2|%, что свидетельствует о стабильности грунта.
Пример 2. Визуально выбирают нестабильный участок, например ГТС на км 3163 пк 3 ПЧ-27 ДВЖД, который характеризуется перекосами в плане и просадками в профиле (пилообразной формой). До прохода поезда в приподошвенной зоне основания ГТС устанавливают прибор для измерения относительной электропроводимости и систему контроля температуры на базе цифрового измерителя температуры «МИТ», как описано в примере 1. Оба прибора подключают к регистрирующему устройству - note-book. При проходе поезда весом 23 т/ось к осадочному участку включают note-book, который в режиме «on-line» фиксирует в виде графиков изменение температуры парожидкостной фазы грунта в градусах Цельсия и относительную электропроводимость грунта в процентах (фиг.3, 4).
Из графика на фиг.3 видно, что значение температуры до прохода поезда на участке составляло -0,14°С, а относительной электропроводимости - 21,4%, через час после прохода поезда температура составляла - 0,173°С, а относительная электропроводность - 21%.
2
1
Таким образом, δТ=Т-Т=|-0,033|°С>0,02°С, а δσ=|-0,4|%>0,2%, что свидетельствует о нестабильности грунта.
2
1
2
1
Пример 3. Определение состояния грунта определяется способом, описанным в прототипе. На км 3063 пк 7 ДВЖД до прохода поезда в приподошвенной зоне основания устанавливают, как описано в примере 2, прибор для измерения порового давления парожидкостной фазы грунта конструкции ДИИТа точностью 0,01 кПа и систему контроля температуры на базе цифрового измерителя температуры «МИТ» [5] точностью 0,005°С. Оба прибора подключают к регистрирующему устройству - note-book. Измерения параметров осуществляют при проходе поезда весом 23 т/ось. Максимальное изменение порового давления парожидкостной фазы составляло δр=р-р=1,7 кПа>0,1 кПа, а температуры парожидкостной фазы составляло δT=Т-Т=0°С<0,015°С, что свидетельствует о нестабильности грунта. Вывод оказывается недостоверным, так как в соответствии с визуальными наблюдениями и результатами, полученными заявляемым способом, данный участок находится в стабильном состоянии.
Пример 4. Определение состояния грунта определяется способом, описанным в прототипе. На км 3163 пк 3 ПЧ-27 ДВЖД установку измерительных датчиков и измерение параметров осуществляют, как описано в примере 3.
2
1
2
1
Максимальное изменение порового давления парожидкостной фазы составляло δT=Т-Т=0,01 кПа<0,1 кПа, а температуры парожидкостной фазы составляло δp=р-р=0,02°С>0,015°С, что свидетельствует о стабильности грунта.
Вывод оказывается недостоверным, так как в соответствии с визуальными наблюдениями и результатами, полученными заявляемым способом, данный участок находится в нестабильном состоянии.
Таким образом, использование заявляемого способа для определения несущей способности грунта по сравнению с использованием для этих целей способа-прототипа дает более достоверный результат в условиях вечной мерзлоты.
Источники информации
1. Методические рекомендации по проектированию насыпей на болотах по условию допустимых упругих осадок. / ВНИИ ТС (ЦНИИС). - М.: Изд. ЦНИИСа, 1981. - 40 с.
2. Патент на изобретение №2271002, МПК G01N 33/24. Способ диагностики несущей способности грунтов. / С.М.Жданова, Катен-Ярцев А.С, Шулатов А.В., Однопозов Л.Ю. ДВГУПС.- №2004124853/03; Заявл. 2004.08.13; Опубл. 2006.02.27, Бюл. №6. - 10 С.
3. Ф.Фрич. Электроразведка при инженерно-геологических исследованиях в строительстве. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. С.124.