способ оценки содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов

Формула изобретения

1. Способ оценки содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов, включает отбор пробы грунтовой смеси, определение ее плотности и влажности, плотности скелета смеси, разделение пробы на мелкие и крупные фракции, определение содержания мелких P_м и крупных P_к 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 ,

где - критическое содержание мелкой фракции в грунтовой смеси, г/см³; - плотность сухого грунта мелкой фракции, г/см³ ; - плотность сухого грунта образца из крупной фракции, г/см³; - плотность частиц крупной фракции, г/см³, отличающийся тем, что дополнительно проводят испытания в компрессионном приборе образца из мелкой фракции при разных давлениях и определяют его характеристики сжимаемости - коэффициент пористости e_м для разных давлений , коэффициент сжимаемости m_ом и модуль деформации E_м в интервале давлений от _i до _i+1, 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 , МПа;

- коэффициент пористости мелкозема, в д.е., для давления , МПа;

A - коэффициент, равный , в д.е., где P_к - содержание крупной фракции в смеси глинистого грунта, д.е., P_м - содержание мелкой фракции в смеси глинистого грунта, д.е.;

B - коэффициент, равный , д.е., - плотность частиц мелкой фракции, г/см³, - плотность частиц крупной фракции, г/см³;

m_осм - коэффициент сжимаемости смеси, МПа ^-1, в интервале давлений от _i до _i+1;

m_ом - коэффициент сжимаемости мелкозема, МПа^-1, в интервале давлений от _i до _i+1;

E_см - модуль деформации смеси, МПа, в интервале давлений от _i до _i+1;

E_м - модуль деформации образца из мелкой фракции, МПа, в интервале давлений от _i до _i+1,

а влияние содержания крупнообломочных включений оценивают коэффициентами:





при и K_Е>1 сжимаемость смеси уменьшается при наличии крупных включений в образцах.

2. Способ оценки содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно проводят 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:





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_см=E_к и E_Е=1.

Описание изобретения к патенту

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.

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 и получение показателей сжимаемости: коэффициента сжимаемости - m_o 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:

где - критическое содержание мелкой фракции в грунтовой смеси, г/см³; - плотность сухого грунта мелкой фракции, г/см³ ; - плотность сухого грунта образца из крупной фракции, г/см³; - плотность частиц крупной фракции, г/см³ [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.

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_м и крупных P_к 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

где - критическое содержание мелкой фракции в грунтовой смеси, г/см³; - плотность сухого грунта мелкой фракции, г/см³ ; - плотность сухого грунта образца из крупной фракции, г/см³; - плотность частиц крупной фракции, г/см³, дополнительно проводят испытания в компрессионном приборе образца из мелкой фракции при разных давлениях и определяют его характеристики сжимаемости - коэффициент пористости е_м для разных давлений , коэффициент сжимаемости m_ом и модуль деформации Е_м в интервале давлений от _i до _i+1, 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 , МПа;

- коэффициент пористости мелких фракций (мелкозема), в д.е., для давления , МПа;

A - коэффициент равный , в д.е., где P_к - содержание крупной фракции в смеси глинистого грунта, д.е., P_м - содержание мелкой фракции в смеси глинистого грунта, д.е.;

В - коэффициент, равный , д.е., - плотность частиц мелкой фракции, г/см³, - плотность частиц крупной фракции, г/см³;

m_осм - коэффициент сжимаемости смеси, МПа^-1, в интервале давлений от _i до _i+1;

m_ом - коэффициент сжимаемости мелких фракций (мелкозема), МПа^-1, в интервале давлений от _i до _i+1;

E_см - модуль деформации смеси, МПа, в интервале давлений от _i до _i+1;

E_м - модуль деформации образца из мелкой фракции, МПа, в интервале давлений от _i до _i+1,

а влияние содержания крупнообломочных включений оценивают коэффициентами:

при и K_E>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:

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_см=E_к и E_Е=1.

Отличительными признаками предложенного способа являются: дополнительное испытание в компрессионном приборе образца глинистого грунта из мелкой фракции при разных давлениях , определение его характеристик сжимаемости с построением графиков и оценка коэффициентами и E_Е содержания 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 . 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.

Отбирают пробу смеси глинистого грунта, определяют плотность ^см, влажность W_см, плотность сухого грунта смеси . Разделяют пробу на мелкие и крупные фракции и определяют содержание мелкой P_м и крупной P_к фракций. Далее определяют плотность частиц мелкой и крупной фракций. Затем определяют плотность сухого грунта мелкой фракции (мелкозема) и коэффициент ее пористости e_м в смеси. По полученным результатам определяют критическое содержание мелкой фракции (мелкозема) в смеси.

При в компрессионном приборе проводят сжатие образца мелкой фракции, определяют ее коэффициенты пористости e_м при разных давлениях и сжимаемости m_ом, модуль деформации E _м. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси глинистых грунтов: , m_осм, Е_см и коэффициенты и K_Е и строят графики компрессионных кривых.

По значениям коэффициентов и K_Е судят о влиянии содержания крупных включений на сжимаемость смеси глинистого грунта. При и K_Е>1 сжимаемость смеси уменьшается при наличии крупных включений в образце глинистого грунта по сравнению с чистым мелкоземом.

Дополнительно можно проводить компрессионное сжатие образца из крупных фракций при содержании мелкой фракции меньше его критического значения и определять его коэффициенты пористости e_к и сжимаемости m_ок при разных давлениях и модуля деформации E_к. По формулам (6)-(8) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси глинистых грунтов: , m_осм, Е_см и коэффициенты и K_Е 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_см=E_к и E_Е=1.

Пример 1

В ядро плотины, например, Колымской, были уложены смеси связных грунтов (супеси с дресвяным грунтом). Отбирали пробу этих смесей с плотностью ^см=2,35 г/см³ 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_м =45% и крупной P_к=55% фракций, а также плотность частиц мелкой фракции , крупной фракции и плотность сухого грунта мелкозема в смеси и коэффициент пористости мелкозема e_м =0,610. Критическое содержание мелкозема, при котором крупные фракции создают жесткий скелет составляло .

В компрессионном приборе проводят сжатие образца из мелкой фракции. В таблице 1 приведены значения коэффициентов пористости этой фракции (мелкозема) e_м при разных давлениях , коэффициента сжимаемости m_ом и модуля деформации E_м. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для смеси, содержащей 45% мелкой фракции (мелкозема): , m_осм, E_см и коэффициенты и K_Е. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.1).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что добавка в супесчаный грунт крупных фракций дресвы в количестве P_к=55% уменьшает сжимаемость смеси по сравнению с чистой мелкой фракцией (мелкоземом) - супесью более, чем в 2 раза , и увеличивает модуль деформации E_см в 1,8 раза - K_Е=1,8.

Пример 2

В основании энергетического объекта залегает супесь, содержащая P_м=84,8% мелких фракций d<2 мм и P_к=15,2% крупных фракций гравийно-галечникового грунта.

Отбирают пробу грунтовой смеси с плотностью ^см=2,39 г/см³ 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 _м=0,241. Критическое содержание мелкой фракции (мелкозема), при котором крупные фракции создают жесткий скелет составляет .

В компрессионном приборе проводят сжатие образца из мелкой фракции. В таблице 2 приведены значения коэффициентов пористости мелкозема при разных давлениях , сжимаемости m_ом и модуля деформации E _м. По формулам (1)-(3) вычисляют характеристики сжимаемости для грунтовой смеси, содержащей 84,8% мелкозема: , m_осм, E_см и коэффициенты и K_Е. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.2).

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_см на 10% - K_Е=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.

Отбирают пробу грунтовой смеси с плотностью ^см=1,72 г/см³ 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 _к=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.

В компрессионном приборе проводят сжатие образца из крупных фракций. В таблице 3 приведены значения коэффициентов пористости образца из крупных фракций при разных давлениях , сжимаемости m_ок и модуля деформации E _к. По формулам (6)-(8) вычисляют характеристики сжимаемости грунтовой смеси, содержащей 10% мелкозема: , m_осм, E_см и по формулам (9) и (10) коэффициенты и K_Е. После этого строят графики компрессионных кривых (фиг.3).

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_см=K_к 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.