СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR LABORATORY DETERMINATION OF RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF SOILS (VERSIONS)

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве при исследовании деформационных свойств грунтов до начала строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений, преимущественно лабораторными методами при определении сжимаемости грунта в компрессионном приборе в режиме релаксации напряжений.
Одной из проблем возведения промышленных и гражданских сооружений является наличие дополнительных, продолжительных во времени осадок этих сооружений, связанных с вязкими свойствами грунта. При этом такие осадки могут продолжаться десятилетия и достигать 30% и более от общей величины осадки сооружений. Для прогноза осадок во времени используют характеристики грунтов, определяемые лабораторными методами - коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации.
Деформирования до конечной величины используют коэффициент релаксации напряжений. Такой прогноз используют в расчетах изменения во времени несущей способности анкеров, при анализе напряженного состояния грунтового массива вокруг буроинъекционных свай и т.п.
Определение реологических характеристик является самой длительной частью лабораторных испытаний, значительно увеличивающей общую продолжительность инженерно-геологических изысканий в целом. Большие затраты времени, связанные с проведением таких испытаний, зачастую необоснованно служат причиной их исключения из состава работ. При этом отсутствие реологического прогноза осадок и напряжений во времени может привести к возникновению тяжелых аварийных ситуаций.
Сокращение сроков лабораторных испытаний по определению реологических характеристик грунтов является одной из наиболее важных проблем, стоящих перед современными инженерно-геологическими изысканиями.
Известен способ лабораторного определения консолидационных характеристик глинистых водонасыщенных грунтов природного и нарушенного сложения [1]. Способ заключается в вертикальном нагружении образца без возможности его бокового расширения ступенями заданной нагрузки с помощью силового механизма с измерением осадки образца с помощью прибора линейных перемещений с последующим построением зависимости деформации по времени. Далее путем графических построений в различных координатах: деформация - корень квадратный из времени (метод Тейлора), или деформация - логарифм времени (метод Терцаги) путем известных построений определяют коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации.
Основным недостатком известного решения является низкая производительность способа и используемого оборудования. Данный метод лабораторных испытаний относится к самым затратным как по трудоемкости, так, и по времени испытаний, так одно испытание может протекать до нескольких месяцев. Кроме того, чтобы получить параметры консолидации при различных напряжениях, требуется проведение новых испытаний.
Известен прессиометр для определения деформационных характеристик грунтов в скважине [2]. Устройство включает опускаемый на троссе в скважину на глубину испытаний прессиометр с эластичной раздуваемой оболочкой с размещенными внутри оболочки датчиками линейных перемещений оболочки, соединенные кабелем связи с дневной поверхностью. Прессиометр также соединен магистралью с резервной емкостью с воздухом, под давлением оснащенной управляемым вентилем для порционной подачи воздуха в прессиометр и измерителем давления (манометром). Испытания грунта с использованием известного устройства проходят в режиме релаксации напряжений.
Недостаток устройства заключается в том, что оно допускает значительное деформирование грунта в процессе падения напряжений в обжатом прессиометром грунте за счет значительной сжимаемости воздуха, находящегося под давлением в оболочке прессиометра, что приводит к потерям времени.
Известен способ (метод) определения коэффициента вторичной консолидации в компрессионном приборе в режиме релаксации напряжений [3]. Известное решение заключается в том, что образец грунта природного или нарушенного сложения нагружается ступенчато заданными перемещениями в условиях одноосного сжатия без возможности его бокового расширения в компрессионном приборе.
Недостатком этого метода является необходимость измерения порового давления в процессе испытания, а также использование одностороннего дренажа, что увеличивает продолжительность испытаний в 4 раза.
Ближайшим техническим решением (прототипом) изобретения по существу решаемой задачи и по общему количеству существенных признаков является способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов [4]. Способ включает одноосное сжатие грунта в компрессионном приборе без возможности бокового расширения. При этом образец грунта испытывают в режиме релаксации напряжений, а по конечным значениям напряжений и соответствующих им деформаций образца при завершении каждой из ступеней строят компрессионную кривую.
Недостатком прототипа является то, что в нем не использована информация, содержащаяся в ветвях релаксации при построении графика зависимости деформации от напряжения, в частности деформации от скорости деформирования и от времени, и напряжения от скорости падения напряжения, а также значение коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации.
Технической задачей изобретения является существенное сокращение сроков определения коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации по результатам компрессионных испытаний 1 грунтов в режиме релаксации напряжений.
Поставленная техническая задача решена тем, что способ лабораторного определения реологических характеристик грунтов, включающий испытание образцов грунта природного или нарушенного сложения в режиме релаксации напряжений, при одноосном сжатии образца грунта без возможности его бокового расширения, а по конечным значениям напряжений и соответствующих им деформаций образца при завершении каждой из ступеней строят компрессионную кривую, согласно изобретению, для каждой из ветвей релаксации строят графики зависимости деформации от скорости деформации, затем на данных графиках отмечают точки с выбранными значениями скоростей деформации образца, соответствующие им значения деформаций наносят на ветви релаксации и проводят через них пучок кривых, соответствующих выбранным значениям скоростей деформаций, по данным кривым определяют значения деформаций, соответствующих выбранному значению вертикальной нагрузки и на основе этих данных строят графики зависимости деформации от времени, по которым определяют коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации известными методами. Для упрощения графических построений пучки кривых строят в полулогарифмических координатах деформация - логарифм напряжения, при этом пучок кривых преобразуют в пучок прямых линий. Завершение фильтрационной консолидации и начало вторичной консолидации определяют по критериям условной стабилизации ГОСТ 12248-96 или по скорости деформации, соответствующей точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости деформация - скорость деформации. Критерием завершения ступени разгрузки при определении коэффициента вторичной консолидации является выход 3-х точек графика разгрузки деформация - время на прямую линию.
Прототипом варианта предлагаемого способа лабораторного определения реологических характеристик грунтов является способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов [4].
Недостатком известного способа в качестве прототипа варианта предлагаемого способа является то, что в нем не используется информация, содержащаяся в графиках релаксации (разгрузки образца) при построении графиков зависимости деформации от напряжений, напряжения от скорости изменения напряжений и от времени, а также значение коэффициента релаксации.
Поставленной технической задачей в части варианта предлагаемого способа является определение коэффициента релаксации грунтов по результатам компрессионных испытаний в режиме релаксации напряжений.
Поставленная техническая задача предлагаемого способа решена тем, что вариант способа лабораторного определения реологических характеристик грунтов, включающий испытание образцов грунта природного или нарушенного сложения в режиме релаксации напряжений при одноосном сжатии образца грунта без возможности его бокового расширения, а по конечным значениям напряжений и соответствующих им деформаций образца при завершении каждой из ступеней строят компрессионную кривую, согласно изобретению, для каждой из ветвей релаксации строят графики зависимости напряжения от скорости падения напряжения, затем на данных графиках отмечают точки с выбранными значениями скоростей падения напряжения, соответствующие им значения напряжений наносят на ветви релаксации и проводят через них пучок кривых, соответствующих выбранным значениям скоростей падения напряжений, по данным кривым определяют значения напряжений, соответствующих выбранному значению деформации и на основе этих данных строят графики зависимости напряжения от времени, по которым определяют коэффициент релаксации известными методами.
Преимущества предлагаемого способа и его варианта заключаются в следующем:
1. Определение реологических характеристик грунтов из компрессионных испытаний в режиме релаксации напряжений резко сокращает сроки получения результатов;
2. Отличительные признаки предлагаемого способа и его варианта от известных решений позволяют по результатам одного и того же испытания в режиме релаксации напряжений помимо модуля деформации получать значения коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации и коэффициента релаксации;
3. Предложенный способ позволяет получить параметры консолидации и релаксации для любой из выбранных нагрузок в диапазоне полученной компрессионной кривой. При этом нет необходимости в проведении дополнительных испытаний, что также резко сокращает затраты времени;
4. При решении поставленной технической задачи была в полной мере реализована существующая концепция, подтвержденная большим количеством лабораторных испытаний различных авторов, согласно которой падение общих (полных) напряжений во времени в процессе консолидации связано с соответствующим падением порового давления, а критерием завершения фильтрационной консолидации является рассеивание порового.
Указанные преимущества предлагаемого способа и его варианта перед известными решениями позволяют решить поставленную задачу по определению лабораторным методом в режиме релаксации напряжений реологических характеристик любых грунтов в сжатые сроки, что обеспечивает наличие новизны и гарантирует предлагаемому способу промышленную применимость.
На графиках фиг.1÷6 представлены результаты экспериментов, поясняющих суть предлагаемого способа и варианта.
На фиг.1 представлен график зависимости деформации ε  от напряжения σ, полученный на основе компрессионных испытаний в режиме релаксации напряжений.
На фиг.2 представлен график изменения скорости деформации Vε от деформации ε для одной из ветвей релаксации напряжений. На данном графике выделены точки с выбранными скоростями деформации, например: 0.01, 0.005, 0.002, 0.001, 0.0005, 0.0002, 0.0001, 0.00005, 0.00002 и 0.00001 мм/мин.
На фиг.3 соответствующие данным точкам значения деформаций, изображенные на графике фиг.2, откладывают на ветвях релаксации напряжений основного графика. Через данные точки проводятся плавные компрессионные кривые, соответствующие выбранным скоростям деформирования.
На фиг.4 изображен график испытаний по методу релаксации напряжений в полулогарифмических координатах деформация - скорость деформации, где компрессионные кривые преобразованы в прямые, что существенно упрощает задачу графических построений.
Для любого выбранного значения напряжения, для которого определяют параметры консолидации, проводят секущую линию - АВ (фиг.3, 4). По точкам пересечения данной линии с построенными компрессионными кривыми определяют значения соответствующих деформаций. Путем пересчета по данным значениям деформаций определяют соответствующие значения времени, по которым строят графики зависимости деформации от времени в координатах деформация - корень квадратный из времени (метод Тейлора) или деформация - логарифм времени (метод Терцаги), по которым известными способами [1] определяют значения коэффициентов фильтрационной (первичной) и вторичной консолидации. Аналогично определяют параметры консолидации для любого другого давления, выбранного в диапазоне нагрузок представленной компрессионной кривой.
На фиг.5 представлен график изменения скорости напряжения Vσ от напряжения σ для одной из ветвей релаксации напряжений. На данном графике выделяются точки с выбранными скоростями падения напряжений, например: 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01, 0.005, 0.002, 0.001, 0.0002, 0.00005 и 0.00002 МПа/мин.
На фиг.6 на ветвях релаксации напряжений основного графика отложены точками значения напряжений, соответствующие точкам, изображенным на фиг.5.
Через данные точки проводят плавные кривые, соответствующие выбранным скоростям деформирования (критериям стабилизации). Для любого выбранного значения деформации, для которого определяют коэффициенты релаксации напряжений, проводят секущую линию - CD. По точкам пересечения данной линии с построенным пучком кривых определяются значения соответствующих напряжений. Путем пересчета по данным значениям напряжений определяют соответствующие значения времени, по которым известными способами определяют значение коэффициента релаксации. Аналогично определяют коэффициенты релаксации для любой другой деформации, выбранной в диапазоне значений деформаций, представленных компрессионной кривой.
Для реализации предлагаемого способа используют механический пресс, испытательную компрессионную камеру, жесткий тензометрический динамометр и один или два индикатора часового типа (в зависимости от того, в какую точку они упираются) ИЧ-50 с точностью измерений 0,01 мм. В качестве механического пресса заявителем было использовано нагрузочное устройство для трехосных испытаний английской фирмы «FARNELL». Данное устройство обеспечивает автоматическую подачу вертикального перемещения со скоростью 1.4 мм/мин и работу в ручном режиме. Механическое вертикальное давление составляет 5 к.н.
2
В качестве критерия стабилизации на ступени нагружения в режиме релаксации напряжения может быть выбрана максимальная из выбранных скоростей затухания напряжения, равная 0,001 Н·см/мин.
Критерием завершения ступени разгрузки при определении коэффициента вторичной консолидации является выход 3-х точек графика разгрузки деформация-скорость деформации на прямую линию.
Если определение коэффициента вторичной консолидации не требуется, то критерием завершения ступени разгрузки является завершение фильтрационной консолидации и начало вторичной консолидации, что можно определить по величине скорости деформации, соответствующей точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости деформация - скорость деформации на одной ступени разгрузки.
Предложенный способ и его вариант опробованы на многих видах грунтов с сопоставлением результатов, полученных при параллельных испытаниях стандартным методом на образцах-близнецах.
Испытания грунтов по предлагаемому способу и его варианту с использованием метода релаксации напряжений решает поставленную задачу по определению реологических характеристик грунтов в ускоренном режиме, способ отвечает критерию новизны и промышленной применимости, поэтому, по мнению заявителя, может быть защищен патентом РФ.
Источники информации
1. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Метод компрессионного сжатия. Изд. Стандартов, 01.-01.1997.
2. Авторское свидететельство СССР. №1086066, м. кл. Е02Д 1/00, БИ №36, 1991.
3. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. Москва, Стройиздат, 1983, стр.23-32.
4. Патент №RU 2272101 С1, МПК Е02Д 1/00, 20.30.2006. Бюл. №8, 25.08.2004. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов. Труфанов А.Н. (прототип по способу и его варианту).