Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАСЫПНОГО ГРУНТА

Изобретение относится к строительному грунтоведению и может быть использовано при проектировании искусственных оснований фундаментов зданий и сооружений из насыпного глинистого грунта и в агрономии для качественной оценки агрономической ценности почвы по размерам почвенных агрегатов.

Известен способ уплотнения грунта, заключающийся в 10-тицикловом нагружении-разгружении нескольких образцов одного и того же фунта с различной влажностью в жесткой цилиндрической камере одной стандартной ступенью статического давления, начальное значение которого согласовано с давлением на строительной площадке от транспортных механизмов, а конечное значение согласовано с давлением уплотнения на строительной площадке, регистрации в каждом цикле нагружения-разгружения каждого образца грунта его вертикальной осадки после нагружения и вертикального расширения после разгружения с погрешностью 0,01 мм и расчете деформационных характеристик грунта. Для каждого образца грунта с различной влажностью производят 10 циклов нагружения-разгружения с интервалами 5 с между циклами [Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве. РД 34 15.073-91. - Л.: ВНИИГидротехники им. Б.Е. Веденеева, 1991. - 434 с, пп. 7.12.4-7.12.5] и определяют характеристики грунта: плотность и влажность грунта. Испытания образцов с различной влажностью заканчивают тогда, когда с повышением влажности грунта последующих двух-трех образцов грунта происходит последовательное уменьшение значений плотности грунта или когда грунт перестает уплотняться и начинает при нагружении выжиматься из жесткой цилиндрической камеры. По полученным при испытаниях образцов грунта значениям плотности и влажности определяют плотность сухого грунта и строят график зависимости плотности сухого грунта от влажности, на котором находят максимум полученной зависимости и соответствующие ему величины максимальной плотности сухого грунта и оптимальной влажности. Недостатками способа являются:

- необоснованно одинаковое 10-тицикловое нагружение-разгружение для каждого образца разных фунтов;

- окончание нагружения-разгружения каждого образца фунта производится без обоснования достаточности 10-ти циклов;

- низкая достоверность результатов испытаний вследствие разного состояния фунта при разной влажности и одинаковом числе циклов нагружения-разгружения;

- малое число определяемых характеристик фунта: позволяет определять только деформационные характеристики, максимальную плотность и оптимальную влажность;

- невозможность оценки структурности грунта.

Известен способ определения характеристик фунтов, заключающийся в многоцикловом нагружении-разгружении нескольких образцов фунта в жесткой цилиндрической камере одной постоянной ступенью статического давления, начальное значение которого согласовано с давлением на строительной площадке от транспортных механизмов, а конечное значение согласовано с давлением уплотнения на строительной площадке, регистрации в каждом цикле нагружения-разгружения каждого образца грунта его осевой деформации после нагружения и осевого расширения после разгружения, окончании многоциклового нагружения-разгружения образца фунта при достижении стабильного значения коэффициента упругой работы фунта с допускаемым коэффициентом вариации в 6-ти последних циклах и определении влажности, плотности и плотности минеральных частиц фунта, удельной работы уплотнения и расширения, объемного содержания в фунте упруго деформирующейся воды и воды, участвующей в неупругой части деформации грунта и объемного содержания минеральных частиц в грунте [Патент РФ на изобретение №2699554, G01N 3/32, E02D 1/02, G01N 33/24. Способ определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта / Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Коваленко B.C., Коломиец Н.С.// опубл. 06.09.2019 Бюл. №25 - (прототип)].

Недостатками способа являются:

- низкая достоверность результатов испытаний, обусловленная мгновенным, одной ступенью, приложением большого давления на образец грунта, что не соответствует условиям уплотнения катком на строительной площадке;

- недостаточная точность определения удельной работы уплотнения и расширения по конечным значениям деформаций при приложении давления одной ступенью, приводящая к завышению числа циклов нагружения-разгружения;

- невозможность точного разделения упругой и неупругой работы при уплотнении и расширении образца грунта;

- невозможность оценки структурности грунта.

Задача изобретения - повышение достоверности и точности результатов испытаний образца грунта при многоцикловом нагружении-разгружении и увеличение числа определяемых характеристик грунта.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе определения характеристик насыпного грунта, заключающийся в многоцикловом нагружении-разгружении образца грунта в жесткой цилиндрической камере статическим давлением, начальное значение которого согласовано с давлением на строительной площадке от транспортных механизмов, а конечное значение согласовано с давлением уплотнения на строительной площадке, регистрации в каждом цикле нагружения-разгружения образца грунта осевой деформации сжатия при нагружении и осевой деформации расширения при разгружении, окончании многоциклового нагружения-разгружения образца грунта при достижении стабильного значения коэффициента упругой работы грунта с допускаемым коэффициентом вариации в 6-ти последних циклах нагружения-разгружения и определении влажности, плотности и плотности минеральных частиц грунта, удельной работы уплотнения и расширения, объемного содержания в грунте упруго деформирующейся воды и воды, участвующей в неупругой части деформации грунта и объемного содержания минеральных частиц в грунте, согласно изобретения, многоцикловое нагружение-разгружение образца грунта производят постоянно возрастающим и постоянно убывающим давлением со скоростью не более 10 кПа/мин с регистрацией значений давления и осевых деформаций сжатия и расширения образца грунта с шагом деформации не более 0,005 мм и времени их проявления, определяют скорости осевой деформации сжатия и расширения образца грунта по формуле

где ƒ_I - скорость осевой деформации сжатия или расширения на I-м шаге регистрации осевых деформаций сжатия и расширения образца грунта, мм/кПа;

s_I и s_I-1 соответственно значения осевой деформации сжатия или расширения образца грунта, мм, при давлении p_I и p_I-1, кПа, причем р=B_pt, где t - длительность возрастания или убывания давления, мин, со скоростью В_р≤10, кПа/мин,

и по периодически повторяющимся значениям выделяют циклы изменения скорости осевой деформации сжатия и расширения образца, присущие данному грунту, а в числе характеристик грунта дополнительно определяют обобщенный размер структурных элементов уплотненного в заданном диапазоне давлений грунта по формуле

где d_S - обобщенный размер структурных элементов в последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки;

h_S - средняя высота образца грунта в последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки;

n_S - среднее число циклов осевой деформации сжатия и расширения в

последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки.

Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что многоцикловое нагружение-разгружение образца грунта постоянно возрастающим и постоянно убывающим давлением со скоростью не более 10 кПа/мин с регистрацией значений давления и осевых деформаций сжатия и расширения образца грунта с шагом деформации не более 0,005 мм и времени их проявления позволяет определять значения скорости осевой деформации сжатия и расширения образца грунта и с их помощью выделять циклы изменения скорости осевой деформации сжатия и расширения образца, присущие данному грунту и позволяющие определять обобщенный размер структурных элементов уплотненного в заданном диапазоне давлений грунта. Кроме того, такой режим нагружения-разгружения и регистрации результатов испытания образца грунта повышает достоверность и точность результатов испытаний,

позволяет дополнительно определять обобщенный размер структурных элементов, уплотненного в заданном диапазоне давлений грунта.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость.

Пояснения к заявляемому способу определения характеристик насыпного грунта изображены на:

фиг. 1 - график осевой деформаций образца грунта при многоцикловом нагружении-разгружении постоянно возрастающим и постоянно убывающим давлением с регистрацией давления и осевых деформаций сжатия и расширения с шагом деформации 0,005 мм;

фиг. 2 - график скорости осевой деформации сжатия образца грунта при постоянно возрастающем давлении;

фиг. 3 - график скорости осевой деформации расширения образца грунта при постоянно убывающем давлении.

Для реализации способа определения характеристик насыпного грунта может быть использован любой прибор, имеющий жесткую цилиндрическую камеру с подвижным жестким штампом, механизм постоянно возрастающего или постоянно убывающего давления, измеритель перемещения штампа и блок регистрации перемещения штампа с электронной памятью. В качестве такого прибора может быть использован, например, автоматический компрессионный прибор с постоянно возрастающей нагрузкой АКП-6Н [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].

Способ определения характеристик насыпного грунта осуществляют следующим образом.

Из подготовленного для испытания измельченного грунта с известной влажностью отбирают навеску грунта определенной массы, в зависимости от объема жесткой цилиндрической камеры, в которой будут производиться испытания. Отобранную навеску грунта загружают в жесткую цилиндрическую камеру, разравнивают, накрывают жестким подвижным штампом, устанавливают измеритель перемещения штампа, нагружают начальным статическим давлением, значение которого согласуют с давлением на строительной площадке от транспортных механизмов, выдерживают в течение 10 мин для формирования связного образца грунта и регистрируют показания измерителя перемещения штампа.

Подготовленный таким образом образец грунта нагружают постоянно возрастающим давлением со скоростью не более 10 кПа/мин до конечного значения, которое согласуют с давлением уплотнения на строительной площадке, при этом регистрируют значения давления и осевой деформации сжатия образца грунта (осевого перемещения штампа) с шагом деформации не более 0,005 мм в электронной памяти прибора. Конечное давление выдерживают в течение 1 мин, а затем образец грунта разгружают постоянно убывающим давлением с той же скоростью до начального значения давления и при этом регистрируют значения давления и осевой деформации расширения образца грунта с шагом деформации не более 0,005 мм в электронной памяти прибора.

После выдерживания образца грунта под начальным давлением в течение 1 мин вновь производят нагружение-разгружение образца грунта в описанном режиме.

Аналогичным образом производят многоцикловое нагружение-разгружение образца грунта до достижения стабильного значения коэффициента упругой работы грунта с допускаемым коэффициентом вариации в 6-ти последних циклах [Патент РФ на изобретение №2699554, G01N 3/32, E02D 1/02, G01N 33/24. Способ определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта / Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Коваленко B.C., Коломиец Н.С.// опубл. 06.09.2019 Бюл. №25].

Затем образец грунта полностью разгружают и определяют его стандартные характеристики: плотность, влажность, коэффициент пористости и плотность минеральных частиц грунта по общепринятой методике [ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - М.: Стандартинформ, 2016. - 24 с.], а также удельную работу уплотнения и расширения, объемное содержание в грунте упруго деформирующейся воды и объемное содержание воды, участвующей в неупругой части деформации грунта, и объемное содержание минеральных частиц в грунте [Патент РФ на изобретение №2699554, G01N 3/32, E02D 1/02, G01N 33/24. Способ определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта / Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Коваленко B.C., Коломиец Н.С.// опубл. 06.09.2019 Бюл. №25], строят зависимости осевой деформации образца грунта при многоцикловом нагружении-разгружении постоянно возрастающим и постоянно убывающим давлением, которые имеют вид кривых, в отличие от прямых в прототипе, ступенчатый характер изменения деформаций и, соответственно, циклический характер изменения скорости деформации, которые не могут быть выявлены в прототипе.

Рассчитывают значения скорости деформаций сжатия (уплотнения) и расширения образца грунта в каждом цикле нагружения-разгружения по формуле:

где ƒ_I - скорость осевой деформации сжатия или расширения на I-м шаге регистрации осевых деформаций сжатия и расширения образца грунта, мм/кПа;

s_I и s_I-1 - соответственно значения осевой деформации сжатия или расширения образца грунта, мм, при давлении p_I и p_I-1, кПа, причем

р=B_pt, где t - длительность возрастания или убывания давления, мин, со скоростью В_р≤10, кПа/мин,

По периодически повторяющимся значениям скорости деформаций сжатия и расширения образца грунта выделяют циклы изменения скорости осевой деформации сжатия и расширения образца, присущие данному грунту, и по формуле

где d_S - обобщенный размер структурных элементов в последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки;

h_S - средняя высота образца грунта в последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки;

n_S- среднее число циклов осевой деформации сжатия и расширения в последних 6-ти циклах нагружения-разгрузки,

определяют дополнительную характеристику грунта - обобщенный размер структурных элементов уплотненного грунта, с помощью которого можно:

- оценивать количественно развитие структурности грунтов при разной влажности и разных диапазонах статического давления на них для направленного регулирования состава и механических свойств уплотненного грунта, например, путем введения в грунт песчаных и пылеватых фракций можно снизить обобщенный размер структурных элементов, повысить их прочность и жесткость грунтового основания;

- оценивать количественно развитие структурности почв при разной влажности и разных диапазонах статического давления на них для выбора режима полевых работ в растениеводстве.

Структурные элементы (агрегаты) выделяются в образце грунта (или почвы) поверхностями скольжения, которые развиваются не равномерно, а скачкообразно, в соответствии с распределением неоднородностей. От размеров структурных элементов зависит прочность и сжимаемость грунтов. При компрессионном сжатии постоянно возрастающей нагрузкой скачкообразность развития поверхностей скольжения порождает, вследствие кооперативного эффекта, скачкообразность развития деформации и, соответственно, цикличность скорости деформации образца. Поэтому число структурных элементов агрегатов в направлении оси сжатия равно удвоенному числу циклов скорости деформации, так как образец грунта испытывает давление от двух штампов прибора одновременно, а поверхности скольжения развиваются от них вглубь образца [см. Ляшенко П.А. Сопротивление и деформации глинистого грунта: монография. - Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2014. - С. 81].

Таким образом, изобретение позволяет:

- получать расширенный комплекс характеристик грунта при испытании одного образца;

- повышает достоверность результатов за счет нагружения-разгружения образца грунта постоянно возрастающим и постоянно убывающим давлением, что более соответствует условиям уплотнения грунта катком на строительной площадке, и точность за счет частой регистрации значений давления и осевых деформаций сжатия и расширения;

- фиксировать присущий грунту циклический характер скорости деформации образца грунта при постоянно возрастающем и постоянно убывающем давлении, который при нагружении-разгружении образца грунта ступенью давления зафиксировать невозможно;

- определять соотношение упругой и неупругой деформации при уплотнении насыпного грунта, основанного на измерении присущего грунту циклического характера скорости деформации, что необходимо для контроля расчетов основания сооружения;

- оценивать количественно развитие структурности грунтов при разной влажности и разных диапазонах статического давления на них для направленного регулирования состава и механических свойств уплотненного грунта, например, путем введения в грунт песчаных и пылеватых фракций можно снизить обобщенный размер структурных элементов, повысить их прочность и жесткость грунтового основания;

- оценивать количественно развитие структурности почв при разной влажности и разных диапазонах статического давления на них для выбора режима полевых работ в растениеводстве;

определять обобщенный размер структурных элементов, взаимодействующих между собой (через поверхности скольжения) в образце при внешнем механическом воздействии на него, без разрушения образца на составляющие агрегаты.