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 свободного набухания и давления набухания грунтов.
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 грунта 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:
- использование для испытания нескольких образцов одного и того же грунта (не менее 6), для получения которых 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, увеличивающая длительность и стоимость испытания;
- низкая точность и достоверность результатов определений ввиду получения при испытании каждого образца только одного значения стабилизированной деформации.
2
Известен способ определения давления набухания грунтов прямым методом, заключающийся в замачивании образца грунта с известными значениями числа пластичности, природной влажности, влажности на границе текучести и коэффициента пористости, размещенного в одометре, и выдержке до стабилизации деформации набухания грунта, приложении на образец грунта, через месдозу, протарированную на компрессионном приборе, давления до резкого увеличения электростатического сопротивления пленки масла в месдозе и выдержке приложенного давления до стабилизации деформации образца грунта, за которую принимают изменение давления не более чем на 0,1 кгс/см в течение 15 ч. По величине гидростатического давления в месдозе, возникающего при этом, определяют предварительное значение давления набухания грунта, а за расчетную величину давления набухания грунта принимают среднее арифметическое давлений, полученных при испытании не менее шести образцов одного и того же грунта [Рекомендации по лабораторным методам определения характеристик набухающих грунтов (п. 4, с. 11-12). - М.: Стройиздат, 1974. - 19 с. (прототип)].
Недостатками известного способа являются:
- использование для испытания нескольких образцов одного и того же грунта (не менее 6), для получения которых 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, увеличивающая длительность и стоимость испытания;
- низкая точность и достоверность результатов определений ввиду получения на каждом образце только одного значения стабилизированной деформации;
- давление набухание грунтов определяется косвенно, что снижает точность и достоверность результатов.
Задачей изобретения является усовершенствование способа определения характеристик набухания грунта, позволяющее повысить эффективность испытания.
Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности определения характеристик набухания грунта, сокращение времени испытаний и трудозатрат.
Технический результат достигается тем, что в способе определения характеристик набухания грунта, заключающемся в замачивании и выдержке до стабилизации деформации образца грунта с известными значениями числа пластичности, природной влажности, влажности на границе текучести и коэффициента пористости, нагружении образца грунта давлением и регистрации значений деформации образца грунта и действующего давления на всех этапах замачивания и нагружения, согласно изобретения, испытания проводят на одном образце грунта, а нагружение образца грунта производят с постоянной скоростью изменения давления, обеспечивающей завершение консолидации с заданным допуском и определяемой в зависимости от физических свойств грунта, по формуле
max
где V - максимальная скорость нагружения 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 образца грунта, принимаемая 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 нагружение образца грунта производят до давления, при котором значение деформации образца становится нулевым.
Нагружение образца грунта с постоянной скоростью, определяемой в зависимости от физических свойств грунта, до давления, при котором значение деформации образца становится нулевым, позволяет проводить испытания на одном образце грунта, повышает достоверность и точность результатов испытаний.
Регистрация значений деформации образца грунта и приложенного давления через каждые 0,005 мм деформации образца грунта повышает точность результатов испытаний и позволяет получать большой массив данных при испытании одного образца грунта, обеспечивающий возможность оценки погрешности определения характеристик набухания грунта и т.о. повышает достоверность и точность определения характеристик набухания грунта, сокращает до одного количество испытываемых образцов грунта и размеры монолитов, отбираемых из горных выработок для испытаний.
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», «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;
sw
фиг. 2 - график зависимости деформации набухания замоченного грунта от давления s(p) при разгрузке давления с постоянной скоростью до нулевого значения деформации образца грунта.
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 испытываемых образцов грунтов, неподвижного перфорированного штампа 11 и подвижного перфорированного штампа 12. В рабочей камере 1 размещают испытываемый образец грунта 13.
Датчик 3 деформации образца грунта предназначен для измерения знакопеременных линейных перемещений подвижного штампа 12 (деформации образца) с погрешностью не более 0,005 мм и 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 и может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия с растровым фотоэлектронным преобразователем линейных перемещений.
Нагрузочный механизм 5 предназначен для нагружения образца грунта до заданного давления с постоянной скоростью, задаваемой блоком управления 7 в зависимости от физических свойств грунта.
Замачиватель 6 образца грунта предназначен для подачи воды в рабочую камеру 1 и поддержания в ней уровня воды выше высоты образца грунта 13 в течение его испытания.
Блок управления 7 предназначен для задания программы испытаний и управлением работой устройства в процессе ее выполнения, в частности, для: включения замачивателя 6 для замачивания и выдержки образца грунта до стабилизации деформации; включения нагрузочного механизма 5 на нагружение образца грунта; контролирования заданной постоянной скорости нагружения образца грунта; контроля и регистрации в электронной памяти значений деформации образца (просадки и набухания) и действующего давления через каждые 0,005 мм при замачивании и нагружении образца грунта; выдачи результатов испытания на дисплей блока управления 7 и внешнее ЭВМ.
Способ определения характеристик набухания грунта осуществляется следующим образом.
Образец грунта 13 ненарушенного сложения с природной влажностью загружают 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 нагрузочный механизм 5, а к подводу 8 подсоединяют замачиватель 6, который заполняют водой. В блоке управления 7 задают постоянную скорость увеличения давления на образец грунта, обеспечивающую завершение консолидации с заданным допуском и определяемую в зависимости от физических свойств грунта по формуле (1), и включают устройство в работу.
sw
При включении устройства в работу датчик 3 деформации образца грунта и датчик 4 величины приложенного давления обнуляют, включают замачиватель 6 и производят замачивание образца грунта с выдержкой до стабилизации деформации образца грунта s (отрезок Оа фиг. 2). В процессе замачивания образца грунта производят контроль деформации образца грунта при постоянном давлении и ее регистрация через каждые 0,005 мм деформации образца грунта.
Затем включают нагрузочный механизм 5 и производят нагружение образца грунта 13 с заданной постоянной скоростью увеличения давления до момента, когда деформация образца грунта будет иметь нулевое значение (кривая ab фиг. 2). В процессе нагружения образца грунта производят контроль деформации образца грунта и регистрацию деформации образца грунта и действующего давления через каждые 0,005 мм деформации образца грунта.
После достижения деформации образца грунта равной нулю (точка b фиг. 2), нагрузочный механизм 5 отключают, а результаты испытания выводят на дисплей блока управления 7 и внешнее ЭВМ.
За давление набухания грунта принимают давление, при котором деформация образца грунта равна нулю (отрезок Ob фиг. 2).
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 грунтов постоянно возрастающей нагрузкой [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Автоматический компрессионный прибор АКП-6Н для испытания грунтов постоянно возрастающей нагрузкой // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2016, №6. - С. 156-169. - URL: http://ntk.kubstu.ru/file/1014], что подтверждает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Таким образом, изобретение сокращает количество испытываемых образцов до одного, уменьшает размеры монолитов, отбираемых из горных выработок для испытаний, повышает достоверность и точность определения давления набухания грунта, сокращает трудозатраты и время испытаний.