Способ определения границ пластичности грунтов

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения границ пластичности (раскатывания и текучести) грунтов.

Известен способ определения границ пластичности (раскатывания и текучести) грунтов [ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик], предусматривающий определение границы раскатывания грунтов как влажности, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3-10 мм, а определение границы текучести грунтов - как влажности, при которой балансирный конус с углом 30° при вершине и массой 76 г погружается под действием собственного веса за 5 с на глубину 10 мм.

Недостатками этого известного способа являются:

- необходимость подготовки и испытания двух образцов одного и того же грунта;

- при определении границы раскатывания грунтов раскатывание грунтов в жгут производится вручную, требует стабильных навыков от исполнителей и значительных затрат времени и приводит к профзаболеваниям кожи рук исполнителей;

- при определении границы текучести грунтов влажность грунтов подбирается добавлением воды в грунт или уменьшением воды в грунте путем его подсушивания и также требует стабильных навыков от исполнителей и значительных затрат времени;

- низкие точность и достоверность, а также нестабильность результатов определения границ пластичности грунтов;

- невозможность оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения из-за получения при испытании конкретного грунта только одного значения удельного сопротивления его первого образца и одного значения удельного сопротивления его второго образца;

- для оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения необходимо проведение испытания нескольких образцов одного и того же грунта, что увеличивает длительность и стоимость испытаний;

- сложность механизации и автоматизации.

Известен способ определения границ пластичности грунтов [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с.], заключающийся в определении удельного сопротивления двух образцов одного и того же грунта при разной влажности погружению конусного индентора с углом 30° при вершине, в построении графика зависимости удельного сопротивления грунта от влажности по двум точкам, полученным при испытании первого и второго образцов, и определении по этому графику влажности грунта на границе раскатывания при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 186,3 кПа, и на границе текучести при удельном сопротивлении грунта погружению конусного индентора, равном 7,5 кПа.

Недостатками известного способа являются:

- необходимость подготовки и испытания двух образцов одного и того же грунта;

- построение графика зависимости удельного сопротивления грунта от влажности грунта производится всего лишь по двум точкам, полученным при испытании первого и второго образцов грунта. Это снижает достоверность результатов определения границ пластичности грунтов;

- графическое определение влажности грунтов на границе раскатывания и на границе текучести по удельному сопротивлению грунта погружению конусного индентора снижает точность результатов;

- невозможность оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения из-за получения только одного значения удельного сопротивления первого образца грунта и одного значения удельного сопротивления второго образца грунта;

- для оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения необходимо проведение испытания нескольких образцов одного и того же грунта, что увеличивает длительность и стоимость испытаний.

Известен способ определения границ пластичности грунтов [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с. (прототип)], заключающийся в определении удельного сопротивления одного образца грунта, имеющего известные значения показателей w_m и k_w линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности W_L=w_m+k_w⋅I_p, при влажности 0,97-0,98, погружению конусного индентора с углом 30° при вершине и определении по формулам влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания.

Недостатками известного способа являются:

- невозможность оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения из-за получения только одного значения удельного сопротивления образца грунта;

- для оценки погрешностей определения границ пластичности грунтов и подтверждения достоверности результатов определения необходимо проведение испытания нескольких образцов одного и того же грунта, что увеличивает длительность и стоимость испытаний.

Задача изобретения - повышение производительности определения границ пластичности грунтов, повышение точности и достоверности результатов определения границ пластичности грунтов при испытании одного образца грунта.

Технический результат изобретения - упрощение и ускорение определения границ пластичности грунтов, исключение влияния на результаты определений субъективных факторов, возможность оценки погрешности определения удельного сопротивления грунта пенетрации при испытании одного образца грунта.

Технический результат достигается тем, что в способе определения границ пластичности грунтов, заключающемся в определении удельного сопротивления одного образца грунта, имеющего известные значения показателей w_m и k_w линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности W_L=w_m+k_w⋅I_p, при степени влажности 0,97-0,98, погружению конусного индентора с углом 30° при вершине и определении по формулам влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания, образец грунта помещают в цилиндрическую камеру диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм и размещают соосно вершине конуса индентора, а погружение конусного индентора производят с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм и с регистрацией величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, при этом в полученном массиве значений сопротивления образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора по условию:

где V_R - коэффициент вариации значений удельного сопротивления погружению конусного индентора образца грунта;

0,15 - допустимое значение коэффициента вариации для физических характеристик грунтов [ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний (п.5.5)];

- среднее арифметическое инвариантных значений удельного сопротивления образца грунта погружению конусного индентора, кПа, определяемое по формуле:

где n - число инвариантных значений сопротивления образца грунта погружению конусного индентора, образующих непрерывный ряд;

R_i - удельное сопротивление образца грунта погружению конусного индентора на i-й глубине его погружения, кПа, определяемое по формуле

где P_i и h_i - i-e значение величины сопротивления образца грунта погружению конусного индентора, Н, и соответствующее ему i-e значение глубины погружения конусного индентора, мм;

S - среднее квадратичное отклонение значений R_i от средних значений , кПа, определяемое по формуле:

а определение влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания производят по формулам:

где W_L и W_P - влажность грунта на границе соответственно текучести и раскатывания, %;

W_S - влажность образца грунта при степени водонасыщения 0,97-0,98, %;

w_m и k_w - постоянные показатели линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности W_L=w_m+k_w⋅I_p, известные для испытываемого типа грунтов конкретного региона (площадки) на основе экспериментальных данных, например, по методике Разоренова В.Ф. [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с.].

В частности:

- испытание образца грунта в цилиндрической камере диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм, размещенной соосно вершине конуса индентора, обеспечивает одинаковый кольцевой зазор между конусом индентора и цилиндрической камерой, равномерное распределение сопротивления испытываемого образца грунта по поверхности конуса индентора и исключает выдавливание грунта из цилиндрической камеры и контакт конусного индентора с цилиндрической камерой и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов;

- погружение конусного индентора в образец грунта с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, обеспечивает плавное постоянное погружение конусного индентора в испытываемый образец грунта без релаксации величины сопротивления грунта погружению конусного индентора и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов за счет объективного характера выполняемых операций;

- погружение конусного индентора в образец грунта на глубину до 35 мм исключает выдавливание грунта из цилиндрической камеры, сквозное проникновение конусного индентора через образец грунта и его разрушение;

- измерение и регистрация величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н обеспечивает получение большого массива значений сопротивления грунта погружению конусного индентора в одном испытании и, соответственно, повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов;

- определение влажности грунта на границе раскатывания и на границе текучести по предложенным формулам повышает точность и достоверность определения границ пластичности грунтов.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.

Пояснения к заявляемому способу определения границ пластичности грунтов 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 границ пластичности грунтов.

Устройство для реализации способа определения границ пластичности грунтов состоит из цилиндрической камеры 1, размещенной на основании 2, конусного индентора 3, штока 4, размещенного в направляющей 5, привода 6, датчика 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора, датчика 8 глубины погружения конусного индентора и регистратора 9 величины сопротивления грунта погружению конусного индентора.

Конусный индентор 3 имеет при вершине конуса угол 30°.

Цилиндрическая камера 1 является рабочей камерой для испытываемых образцов грунтов и имеет диаметр не менее 60 мм и высоту не менее 45 мм.

Датчик 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора предназначен для измерения величины силы сопротивления грунта при погружении конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н и жестко связан с конусным индентором 3 и штоком 4. Датчик 7 сопротивления грунта погружению конусного индентора может быть выполнен, например, в виде динамометра сжатия.

Датчик 8 глубины погружения конусного индентора предназначен для измерения глубины погружения конусного индентора 3 в испытываемый образец грунта с дискретностью не более 0,01 мм и жестко связан с конусным индентором 3 и основанием 2. Датчик 8 глубины погружения конусного индентора может быть выполнен, например, в виде растрового фотоэлектронного преобразователя линейных перемещений.

Регистратор 9 величины сопротивления грунта погружению конусного индентора предназначен для регистрации величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н. Регистрация величины сопротивления грунта погружению конусного индентора 3 в регистраторе 9 может производиться, например, в электронной цифровой памяти устройства или на диаграммной ленте самописца.

Направляющая 5 штока 4 жестко связана с основанием 2.

Привод 6 предназначен для погружения конусного индентора 3 с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм, извлечения из образца грунта и ускоренного возвращения конусного индентора 3 в исходное положение после испытания образца грунта.

Привод 6 жестко связан с основанием 2 и может быть электромеханическим, гидравлическим или пневматическим.

Способ определения границ пластичности грунтов осуществляется следующим образом.

Определяют влажность испытываемого грунта, имеющего известные значения показателей w_m и k_w линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности W_L=w_m+k_w⋅I_p, ранее определенные для испытываемого типа грунтов конкретного региона (площадки) на основе экспериментальных данных по методике Разоренова В.Ф. [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с.] и отбирают из него один образец, который увлажняют до степени влажности 0,97-0,98, тщательно перемешивают до получения однородной массы, загружают в цилиндрическую камеру 1, выравнивают верхний торец заподлицо с краями камеры, устанавливают на основании 2 под конусным индентором 3 так, чтобы вершина конуса индентора находилась по центру образца и касалась его поверхности.

Включают устройство и приводом 6 производят погружение конусного индентора 3 в образец грунта с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм.

В процессе погружения конусного индентора 3 в образец грунта датчиком 7 измеряется сопротивление грунта погружению конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, а датчиком 8 измеряется глубина погружения конусного индентора в испытываемый образец. грунта с дискретностью не более 0,01 мм. Сопротивление грунта погружению конусного индентора через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора 3 регистрируется регистратором 9 величины силы сопротивления грунта погружению конусного индентора 3 с дискретностью не более 2,0 Н.

Затем привод 6 включают на обратный ход, извлекают конусный индентор 3 из образца грунта и производят обработку результатов.

Для каждого значения глубины погружения конусного индентора 3 определяют удельное сопротивление первого образца грунта R_i по формуле (3).

Из полученного массива значений удельного сопротивления образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора по условию (1). Для этого определяют среднее арифметическое инвариантных значение удельного сопротивления образца грунта погружению конусного индентора по формуле (2) и среднее квадратичное отклонение значений R_i от средних значений по формуле (4), а затем определяют влажность грунта на границе текучести W_L по формуле (5) и влажность грунта на границе раскатывания W_P по формуле (6).

Погрешность определения границ пластичности (влажности на границе текучести ΔW_L и влажности на границе раскатывания ΔW_P) грунта определяют по формулам:

где δ_W - относительная погрешность определения влажности грунта, δ_W=0,05 при доверительной вероятности α=0,95 [ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний];

W_S - влажность образца грунта при степени водонасыщения 0,97-0,98, %;

Н - коэффициент консистенции образца грунта, вычисляемый по его удельному сопротивлению пенетрации, Н=k_w(1,522+0,715lg) [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с. ];

δ_Н - относительная погрешность определения величины Н, которая вычисляется через погрешности величин k_w и , а эти последние определяются экспериментально как случайные погрешности;

- среднее арифметическое инвариантных значений удельного сопротивления образца грунта при влажности W_S погружению конусного индентора, кПа, определяемое по формуле (2);

δ_w - относительная погрешность определения величины w_m, δ_w=0,05 при α=0,95 [ГОСТ 20522-2012];

δ_k - относительная погрешность определения величины k_w, δ_k=0,05 при α=0,95 [ГОСТ 20522-2012];

w_m и k_w - постоянные показатели линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности W_L=w_m+k_w⋅I_p, известные для испытываемого типа грунтов конкретного региона (площадки) на основе экспериментальных данных по методике Разоренова В.Ф. [Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). - М.: Стройиздат, 1980. - 248 с.].

Таким образом, изобретение повышает точность и достоверность результатов определения границ пластичности грунтов при одном испытании одного образца грунта, упрощает и ускоряет определение границ пластичности грунтов, исключает влияние субъективных факторов на результаты определений границ пластичности грунтов, позволяет оценивать погрешности определения границ пластичности при испытании одного грунта.