Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖИМАЕМОСТИ СМЕСЕЙ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

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 σ 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 σ и определяют его характеристики сжимаемости - коэффициент пористости е_м для разных давлений σ, коэффициент сжимаемости m_ом и модуль деформации Е_м в интервале давлений от σ_i до σ_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 σ, МПа;

- коэффициент пористости мелких фракций (мелкозема), в д.е., для давления σ, 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 σ_i до σ_i+1;

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

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

E_м - модуль деформации образца из мелкой фракции, МПа, в интервале давлений от σ_i до σ_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 σ, 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 σ. 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 ρ^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 σ 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 σ 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 ρ^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 σ, 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 ρ^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 σ, 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 ρ^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 σ, 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.