СПОСОБ ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖИМАЕМОСТИ СМЕСЕЙ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
METHOD TO ASSESS CONTENT OF MACROFRAGMENTAL INCLUSIONS TO CHARACTERISTICS OF COMPRESSIBILITY OF MIXTURES OF CLAYEY SOILS

Изобретение относится к области строительства, в частности к оценке деформационных свойств смесей глинистых грунтов с крупнообломочными включениями при возведении противофильтрационных устройств, тела дамб, плотин, дорог и др., а также оснований сооружений.
Для оценки новизны и изобретательского уровня заявляемого решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
o
Известны способы лабораторного определения характеристик сжимаемости глинистых грунтов природного и нарушенного сложения [1, 2, 3]. Данные способы заключаются в определении относительной деформации глинистого грунта, полученной по результатам испытаний образцов в компрессионном приборе, допускающем размер включений в образце не более 4-5 мм и обеспечивают построение компрессионной кривой по коэффициенту пористости e для различных ступеней давления σ и получение показателей сжимаемости: коэффициента сжимаемости - m и модуля компрессионной деформации - E.
Основным недостатком известных решений является невозможность испытаний образцов с включениями крупных фракций больших размеров до 200-500 мм.
Известен способ лабораторного испытания крупнообломочных грунтов в больших компрессионных приборах диаметром 600 и 1500 мм, представляющих собой мощные прессовые установки и позволяющих испытывать образцы грунтов с крупными включениями размером 120 и 312 мм [4]. Однако на практике для строительства грунтовых сооружений допускается укладка грунтов со значительно более крупными включениями. Например, в ядро Колымской плотины, укладывался супесчано-дресвяный грунт с включениями до 200 мм.
Недостатком такого способа является ограниченный размер приборов и трудоемкость проведения исследований требующих переработки больших объемов грунта.
Известен способ контроля качества уплотнения грунтовой смеси, включающий отбор пробы грунтовой смеси, ее разделение на мелкие (мелкозем) и крупные фракции, определение содержания мелких и крупных фракций, определение влажности, плотности смеси
и плотности частиц мелкой
и крупной
фракций, определение критического содержания мелкозема
, при котором крупные фракции образуют жесткий скелет по формуле:
3
3
3
3
где
- критическое содержание мелкой фракции в грунтовой смеси, г/см;
- плотность сухого грунта мелкой фракции, г/см;
- плотность сухого грунта образца из крупной фракции, г/см;
- плотность частиц крупной фракции, г/см [5].
По числу сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Основным недостатком прототипа является, то что он не предусматривает определение характеристик сжимаемости смеси глинистых грунтов и оценку влияния на них содержания крупных включений.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в определении влияния содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов.
м
к
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе оценки содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов, включающем отбор пробы грунтовой смеси, определение ее плотности и влажности, плотности скелета смеси, разделение пробы на мелкие и крупные фракции, определение содержания мелких P и крупных P фракций, и плотности частиц мелких
и крупных
фракций, плотности скелета мелкой и крупной фракций в смеси, определение критического содержания мелкой фракции
, при котором крупные фракции образуют жесткий скелет, из соотношения
3
3
3
3
м
ом
м
i
i+1
где
- критическое содержание мелкой фракции в грунтовой смеси, г/см;
- плотность сухого грунта мелкой фракции, г/см;
- плотность сухого грунта образца из крупной фракции, г/см;
- плотность частиц крупной фракции, г/см, дополнительно проводят испытания в компрессионном приборе образца из мелкой фракции при разных давлениях σ и определяют его характеристики сжимаемости - коэффициент пористости е для разных давлений σ, коэффициент сжимаемости m и модуль деформации Е в интервале давлений от σ до σ, по полученным данным вычисляют характеристики сжимаемости смесей глинистого грунта и строят графики из соотношений
где
- коэффициент пористости смесей глинистого грунта, в д.е., для давления σ, МПа;
- коэффициент пористости мелких фракций (мелкозема), в д.е., для давления σ, МПа;
к
м
A - коэффициент равный
, в д.е., где P - содержание крупной фракции в смеси глинистого грунта, д.е., P - содержание мелкой фракции в смеси глинистого грунта, д.е.;
3
3
В - коэффициент, равный
, д.е.,
- плотность частиц мелкой фракции, г/см,
- плотность частиц крупной фракции, г/см;
осм
i
i+1
-1
m - коэффициент сжимаемости смеси, МПа, в интервале давлений от σ до σ;
ом
i
i+1
-1
m - коэффициент сжимаемости мелких фракций (мелкозема), МПа, в интервале давлений от σ до σ;
см
i
i+1
E - модуль деформации смеси, МПа, в интервале давлений от σ до σ;
м
i
i+1
E - модуль деформации образца из мелкой фракции, МПа, в интервале давлений от σ до σ,
а влияние содержания крупнообломочных включений оценивают коэффициентами:
E
при
и K>1 сжимаемость смеси уменьшается при наличии крупных включений в образцах.
Кроме того, заявленное техническое решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
можно дополнительно проводить компрессионное сжатие образца из крупных фракций и при содержании мелкой фракции меньше его критического значения
характеристики сжимаемости определяют из соотношений:
а влияние содержания крупнообломочных включений оценивается коэффициентами:
см
к
Е
при добавке мелкой фракции в образец из крупных фракций в количестве меньшем критического значения
коэффициент сжимаемости смесей глинистых грунтов уменьшается на величину содержания крупных фракций
, а модуль деформации смеси и образца из крупных фракций равны E=Eи E=1.
Е
Отличительными признаками предложенного способа являются: дополнительное испытание в компрессионном приборе образца глинистого грунта из мелкой фракции при разных давлениях σ, определение его характеристик сжимаемости с построением графиков и оценка коэффициентами
и Eсодержания крупнообломочных включений.
Благодаря этим признакам уменьшается трудоемкость определения характеристик сжимаемости смесей глинистых грунтов с крупнообломочными включениями за счет использования приборов с малыми габаритами, небольшого объема испытуемого материала и значительно меньших нагрузок для создания требуемого давления σ. Кроме того, сокращается продолжительность и количество испытаний в связи с малым объемом испытуемого образца. Путем испытания одного образца из мелкой фракции и одного образца из крупной фракции можно определить коэффициент пористости грунтовой смеси для всех вариантов содержания мелкой фракции (от 0 до 100%) в смеси, вместо непосредственного испытания образцов грунтовой смеси для каждого варианта.
Предлагаемый способ поясняется чертежами фиг.1 - фиг.3.
На фиг.1 показаны компрессионные кривые для примера 1.
На фиг.2 - компрессионные кривые для примера 2.
На фиг.3 - компрессионные кривые для примера 3.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.
см
см
м
к
м
Отбирают пробу смеси глинистого грунта, определяют плотность ρ, влажность W, плотность сухого грунта смеси
. Разделяют пробу на мелкие и крупные фракции и определяют содержание мелкой P и крупной P фракций. Далее определяют плотность частиц мелкой
и крупной
фракций. Затем определяют плотность сухого грунта мелкой фракции (мелкозема)
и коэффициент ее пористости e в смеси. По полученным результатам определяют критическое содержание мелкой фракции (мелкозема)
в смеси.
м
ом
м
осм
см
Е
При
в компрессионном приборе проводят сжатие образца мелкой фракции, определяют ее коэффициенты пористости e при разных давлениях σ и сжимаемости m, модуль деформации E. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси глинистых грунтов:
, m, Е и коэффициенты
и K и строят графики компрессионных кривых.
Е
Е
По значениям коэффициентов
и K судят о влиянии содержания крупных включений на сжимаемость смеси глинистого грунта. При
и K>1 сжимаемость смеси уменьшается при наличии крупных включений в образце глинистого грунта по сравнению с чистым мелкоземом.
к
ок
к
осм
см
Е
см
к
Е
Дополнительно можно проводить компрессионное сжатие образца из крупных фракций при содержании мелкой фракции меньше его критического значения
и определять его коэффициенты пористости e и сжимаемости m при разных давлениях σ и модуля деформации E. По формулам (6)-(8) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси глинистых грунтов:
, m, Е и коэффициенты
и K и строят графики компрессионных кривых. В этом случае при добавке мелкой фракции в образец из крупных фракций коэффициент сжимаемости уменьшается на величину содержания крупных фракций
, а модуль деформации смеси и образца из крупных фракций равны E=E и E=1.
Пример 1
см
3
м
к
м
В ядро плотины, например, Колымской, были уложены смеси связных грунтов (супеси с дресвяным грунтом). Отбирали пробу этих смесей с плотностью ρ=2,35 г/см и влажностью W=10,8%, определяли плотность сухого грунта
. Разделяли ее на мелкие (d<2 мм) и крупные (d>2 мм) фракции. Затем определяли содержание мелкой P=45% и крупной P=55% фракций, а также плотность частиц мелкой фракции
, крупной фракции
и плотность сухого грунта мелкозема
в смеси и коэффициент пористости мелкозема e=0,610. Критическое содержание мелкозема, при котором крупные фракции создают жесткий скелет составляло
.
м
ом
м
осм
см
Е
В компрессионном приборе проводят сжатие образца из мелкой фракции. В таблице 1 приведены значения коэффициентов пористости этой фракции (мелкозема) e при разных давлениях σ, коэффициента сжимаемости m и модуля деформации E. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси, содержащей 45% мелкой фракции (мелкозема):
, m, E и коэффициенты
и K. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.1).
к
см
Е
Полученные результаты свидетельствуют о том, что добавка в супесчаный грунт крупных фракций дресвы в количестве P=55% уменьшает сжимаемость смеси по сравнению с чистой мелкой фракцией (мелкоземом) - супесью более, чем в 2 раза
, и увеличивает модуль деформации E в 1,8 раза - K=1,8.
Пример 2
м
к
В основании энергетического объекта залегает супесь, содержащая P=84,8% мелких фракций d<2 мм и P=15,2% крупных фракций гравийно-галечникового грунта.
см
3
м
Отбирают пробу грунтовой смеси с плотностью ρ=2,39 г/см и влажностью W=7,6%, определяют плотность сухого грунта смеси
, разделяют на мелкие и крупные фракции. Затем определяют плотность частиц мелкой и крупной фракций, которые составили
. Далее определяют плотность сухого грунта мелкой фракции (мелкозема) в смеси
и коэффициент пористости мелкой фракции (мелкозема) e=0,241. Критическое содержание мелкой фракции (мелкозема), при котором крупные фракции создают жесткий скелет составляет
.
ом
м
осм
см
Е
В компрессионном приборе проводят сжатие образца из мелкой фракции. В таблице 2 приведены значения коэффициентов пористости мелкозема
при разных давлениях σ, сжимаемости m и модуля деформации E. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для грунтовой смеси, содержащей 84,8% мелкозема:
, m, E и коэффициенты
и K. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.2).
см
Е
Полученные результаты свидетельствуют о том, что содержание в супеси 15,2% гравийно-галечниковых включений уменьшает сжимаемости смеси по сравнению с чистым мелкоземом на 15% -
и увеличивает модуль деформации E на 10% - K=1,1.
Пример 3
В карьере глинистых грунтов, предназначенных для укладки в тело плотины, например Колымской, отбирали пробу, содержащую 90% крупных фракций дресвяного грунта и 10% мелкой фракции d<2 мм.
см
3
к
Отбирают пробу грунтовой смеси с плотностью ρ=1,72 г/см и влажностью W=7,8%, определяли плотность сухого грунта смеси
, разделяли на мелкие и крупные фракции. Затем определяли плотность частиц мелкой и крупной фракций, которые составили
. Далее определяли плотность сухого грунта крупной фракции
и коэффициент пористости крупной фракции в пробе e=0,906. Критическое содержание мелкозема, при котором крупные фракции образуют жесткий скелет составляло
. Таким образом, отобранная проба грунтовой смеси, содержащая 10% мелкой фракции характеризуется жестким скелетом из крупных фракций дресвяного грунта.
ок
к
осм
см
Е
В компрессионном приборе проводят сжатие образца из крупных фракций. В таблице 3 приведены значения коэффициентов пористости образца из крупных фракций
при разных давлениях σ, сжимаемости m и модуля деформации E. По формулам (6)-(8) вычисляют характеристики сжимаемости грунтовой смеси, содержащей 10% мелкозема:
, m, E и по формулам (9) и (10) коэффициенты
и K. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.3).
см
к
Полученные результаты свидетельствуют о том, что добавка 10% мелкозема в образец из крупных фракций, характеризуемый жестким скелетом, уменьшает коэффициент сжимаемости смеси на величину содержания крупных фракций
, а модуль деформации смеси и образца из крупнозема равны E=K и
.
Таким образом, можно определять влияние содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов по формулам (4) и (5) при
, а по формулам (9) и (10) при
.
Список использованной литературы
1. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
2. Патент РФ №2317372, МПК: E02D 1/02, опубл. 20.02.2008 г.
3. Патент РФ №2272101, МПК: E02D 1/00, опубл. 20.03.2006 г.
4. Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве. РД 3415.073-91, Ленинград, 1991, С.152-153, 198-201.
5. AC СССР №1415185, МПК: G01N 33/24, опубл. 07.08.1988 г.