СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СЦЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
METHOD TO DETERMINE SPECIFIC ADHESION OF SOILS

Изобретение относится к способам определения прочностных свойств грунтов при проведении инженерных изысканий в строительстве и может быть использовано для определения удельного сцепления неразрушающим методом.
Удельное сцепление - параметр, характеризующий силу структурных связей между частицами, который препятствует перемещению частиц относительно друг друга. Наличие удельного сцепления частиц грунта и его значение зависит от многих факторов, например, от величины капиллярного давления в поровом пространстве грунта, от силы молекулярного притяжении частиц, состава анализируемого образца и т.д.
Существующие в настоящее время методы определения величины удельного сцепления являются трудоемкими и многозатратными, для которых требуется наличие специального оборудования, проведение большого количества экспериментов и значительный объем испытуемого материала (образцов грунта).
Одним из эффективных путей решения данной проблемы является определение значения удельного сцепления для грунтового материала экспресс-методами.
Известен способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления и устройство для его осуществления [заявка на выдачу патента РФ №2432572, МПК G01N 33/24, G01N 3/00, E02D 1/00]. Изобретение направлено на определение угла внутреннего трения и сцепления с одновременным определением порового давления при испытаниях грунта на срез.
Недостатками этого способа являются необходимость отбора, сохранности, транспортировки образцов грунта в исходном состоянии, длительность эксперимента.
6
Известно устройство ручной зонд глубокого зондирования - РЗГ [заявка на выдачу патента РФ №2133314, MПKE02D 1/00, G01N 3/42]. Принцип работы устройства заключается в передаче массы человека (испытателя) на специальные штанги для вдавливания зонда в грунт с одновременным фиксированием усилия вдавливания.
Недостатками этого устройства являются значительные погрешности определения вследствие наличия силы трения на боковой поверхности штанг, глубина вдавливания зависит от массы человека, работающего с устройством, сложность сборки и разборки прибора.
Известен метод одноплоскостного среза (ГОСТ 12248-96 «Грунты», МКС 13.080.20). Сущность метода заключается в испытании грунта методом одноплоскостного среза, который проводят для определения прочностных характеристик грунтов, в том числе удельного сцепления. Испытание проводят в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига одной части образца относительно другой его части касательной нагрузкой при одновременном нагружении образца нагрузкой, нормальной к плоскости среза.
Недостатками этого способа являются необходимость отбора, сохранности, транспортировки образцов грунта в исходном состоянии, длительность эксперимента, а также большое количество повторных экспериментов.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является способ испытания грунтов статическим зондированием [заявка на выдачу патента РФ №2301983, МПК G01N 3/42], где описано устройство и процессы, применяемые для испытания грунтов в полевых условиях без отбора проб. Сущность способа заключается в испытании грунтов статическим зондированием, включающий вдавливание в грунт с постоянной скоростью индентора, закрепленного на штанге, непрерывную регистрацию глубины вдавливания индентора и силы сопротивления грунта вдавливанию индентора и расчет показателей характеристик грунта на заданной глубине.
Недостатками данного способа является:
1. Способ может быть использован только непосредственно на месте изучаемого объекта.
2. Способ является трудоемким (транспортировка, сборка и разборка оборудования и др.).
3. Ограниченность применения. Достоверные данные получаются только в случае однородных грунтов.
4. Значительная погрешность определения для плотных грунтов вследствие сопротивления грунта вдавливанию по боковым стенкам зонда.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных выше недостатков, а именно повышение скорости определения, возможность проведения испытаний как с предварительно отобранными пробами, так и непосредственно на объекте, упрощение аппаратурного оснащения, возможность проведения анализа на любых грунтах, повышение точности определения за счет исключения влияния на результат сопротивления грунта вдавливанию по боковым стенкам зонда.
Это достигается измерением угла смачивания (θ) испытуемых образцов грунта специальными жидкостями с известным значением поверхностного натяжения (σ), расчетом величины косинуса этого угла (cosθ), построением прямолинейной зависимости в координатах cosθ-1=f(1/σ), расчетом величины тангенса угла наклона этой прямой (а) и определением значения удельного сцепления по предварительно построенной калибровочной зависимости.
Способ осуществляется следующим образом. На образец грунта (в нашем случае песок и глина или смесь) наносится 6 капель смачивающей жидкости с известным значением поверхностного натяжения. По форме капель на поверхности материала определяют угол смачивания поверхности θ и рассчитывают значения косинусов этого угла. По функциональной зависимости cosθ-1=f(1/σ) определяется тангенс угла наклона а и по предварительно построенной калибровочной зависимости определяется удельное сцепление грунта.
Осуществить способ можно следующим образом. Предварительно получают калибровочную зависимость между углом наклона прямой в координатах cosθ-1=f(1/σ) для образцов грунта с известным значением удельного сцепления. Поверхностное натяжение жидкости устанавливают любым известным способом: методом Ребиндера, сталагмометром, капиллярным поднятием, используя справочные данные. В нашем случае использовалась установка Easy Drop.Удельное сцепление образцов грунта устанавливают любым известным способом, в нашем случае с помощью прибора прямого плоскостного среза «Shear Trac-II».
В качестве смачивающей жидкости может использоваться раствор, обладающий поверхностным натяжением, не превышающим величину 35 мН/м. В нашем случае использовались водные растворы этилового спирта с объемной его концентрацией от 50 до 96%.
Результаты измерений поверхностного натяжения жидкости приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ п/п
Содержание воды, об.%
(σ<sub>ж</sub>±0,02)×10<sup>3</sup>, Н/м
1
4
24,74
2
10
26,61
3
20
27,34
4
30
28,11
5
40
28,42
6
50
31,31
Величина угла смачивания θ для образцов грунта определяется любым известным методом: цифровым фотографированием, измерением с помощью увеличительных приборов и пр. В нашем случае видеосъемкой на установке Easy Drop с непосредственным расчетом косинуса угла смачивания с помощью программного обеспечения DSA 20E. Кроме того, для повышения точности определения замеры угла смачивания проводит в продолжение 1-1,5 сек. По полученным данным строится калибровочная зависимость в координатах cosθ-1=f(1/σ).
После построения калибровочной зависимости cosθ-1=f(1/σ) берут образец грунта и наносят последовательно шесть капель водно-спиртового для определения угла смачивания на установке Easy Drop. Поверхностное натяжение водно-спиртовых растворов определяют методом висячей капли также на установке Easy Drop. В таблице 1 представлены полученные результаты значений поверхностного натяжения водно-этанольных растворов g. Все эксперименты проводились при постоянной температуре 22±1°С.
По полученным значениям θ и σ строится функциональная зависимость cosθ-1=f(1/σ), которую можно описать уравнением прямой линии: cosθ-1=a×(1/σ)+b. В таблице 2 приведены коэффициенты а и b, на фиг. 1 представлена корреляционная зависимость коэффициента а и удельного сцепления с.
Таблица 2
Удельное сцепление, кПа
Коэффициенты
a×l0<sup>2</sup>
b
7,8
4,35
-1,07
9,4
4,61
-2,08
10,8
5,78
-2,71
11,4
5,76
-2,95
16
6,37
-3,07
12
5,44
-1,93
14,7
6,25
-2,31
16,5
7,56
-3,38
17,6
7,51
-3,38
19,3
7,23
-3,21
4,2
3,15
-2,14
12,7
6,53
-2,89
18,6
7,56
-2,40
16,5
7,09
-3,22
16,9
6,83
-3,20
2
Функциональная зависимость тангенса угла наклона прямой cosθ-1=а×(1/σ)+b от удельного сцепления (с) имеет линейный характер с  удовлетворительным значением достоверности аппроксимации (R=0,92). Удельное сцепление можно определить по следующей зависимости: c=(a-0,022)/0,029,
где с - удельное сцепление, кПа;
ж
а - тангенс угла наклона зависимости cosθ-1=f(1/σ).
экс
Примеры реализации изобретения, подтверждающие возможность достижения указанного технического результата, представлены в таблице 3 (примеры 1-10). При этом используются грунты: песок и глина. Экспериментальное значение удельного сцепления с определялось на приборе прямого плоскостного среза «Shear Trac-II» методом одноплоскостного среза.
Таблица 3
Определение удельного сцепления
№ примера
Наименование грунта
Поверхностное натяжение жидкости, σ<sub>ж</sub>
Коэффициент а
Расчетное значение удельного сцепления с<sub>расч</sub>, кПa
Экспериментально определенное значение удельного сцепления с<sub>экс</sub>, кПа
1
Песок пылеватый
24,74
0,21
6,37
6,5
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
2
Песок пылеватый
24,74
0,19
5,70
5,8
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
3
Песок пылеватый
24,74
0,25
7,95
7,8
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
4
Песок пылеватый
24,74
0,2
6,23
6,1
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
5
Песок пылеватый
24,74
0,8
26,78
26,3
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
6
Глина
24,74
0,88
29,15
29,8
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
7
Глина
24,74
0,78
26,50
26,1
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
8
Глина
24,74
0,73
24,82
24,4
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
9
Глина
24,74
0,82
27,91
27,5
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
10
Глина
24,74
0,83
28,25
27,8
26,61
27,34
28,11
28,42
31,31
Приведенные примеры реализации изобретения 1-10 подтверждают возможность применения представленного экспресс-метода определения удельного сцепления грунтов.