Способ определения характеристик пластичности связных грунтов

 

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ, включакнций измерение интегральной природной радиоактивности грунта , определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов, отлич ающий ся тем, что, с целью повьшения точности и достоверности определения характеристик пластичности путем учета минералогического состава грунта, в грунте создают электрическое поле, измеряют вызванную поляризацию и содержание калия в грунте, а характеристики пластичности связных грунтов определяют по формуле 2(гр-.П V lf-o) где Э характеристика ппастичности связных грунтов, % влажности; К коэффициент зависимости характеристик пластичности от содержания глинистой фракции для грунта каолитового состава, % g влажности; Г содержание глинистой фракции , %; Г. содержание гли1шстой фракции коалитового состава,%; к, коэффициент зависимости, характеристики пластичности от удельной поверхности грунта, 5грудельная пове хность грун-. та, Sj, - удельная поверхность кaoэо линита, м/r

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

Ц

РЕСПУБЛИК

3QO Е 02 D 01/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ÉÉ1e (1Щ ) Г g 1

Г о

ВРР5 о (21) 3606525/29-33 (22) 12.05.83 (46) 30.08.84. Бюл. В 32 (72) И.В.Лавров и А.М.Стрижевский (71) Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова (53) 624.131.38(088.8) (56) 1. Сергеев E М. и др. Грунтоведение. M., изд-во ИГУ, 1971, с. 52.

2. Ферронский В.И. и Грязный Т.А.

Пенетрационный каротаж. M "Недра", 1979, с. 130 (прототип) . (54) (57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ, включающий измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фр акции и хар акт еристик IUIастнчности связных грунтов, отлич ающий ся тем, что, с целью повьпиения точности и достоверности определения характеристик пластичности путем учета минералогического состава грунта, в грунте создают электрическое поле, измеряют,.SU„„A вызванную поляризацию и содержание калия в грунте, а характеристики пластичности связных грунтов определяют по формуле э,=к,(г-г,1e "

I где ЭР— характеристика плас тичнос ти связных грунтов, Й влажности коэффициент зависимости характеристик пластичности от содержания глинистой фракции для грунта каолитового состава, Е влажности; содержание глинистой фракци р у содержание глинистой фракции коалитового состава,Х; коэффициент з ависимости. характеристики пластичности от удельной поверхности грунта, г/м

2. ! удельная поверхность грунта, м /г; удельная поверхность као»: линита, м /r

1110871

Изобретение относится к строительству, в частности к исследованию физико-механических характеристик грунтов.

Известен способ оценки характеристик пластичности связных грунтов по эмпирическим зависимостям (в виде таблиц или номограмм) между этими характеристиками и содержанием глинистой фракции в грунте, определяе-! мой посредством гранулометрического анализа в лабораторных условиях (! ).

Недостатками этого способа являются е го трудоемкость, связ анная с подготовкой и проведением анализов, необходимость отбора образцов и невозможность непосредственного определения минералогического состава грунта в полевых условиях.

Известен способ определения характеристик пластичности связных грунтов, включающий измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов 23.

Недостатком этого способа является низкая точность получаемых результатов из-эа невозможности учета минералогического состава грунта, влияющего на природную интегральную радиоактивность грунта, по которой оценивается содержание глинистых частиц.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения характеристик пластичности путем учета минералогического состава грунта.

Эта цепь достигается тем, что согласно способу определения характеристик пластичности связных грунтов, включающему измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов, в грунте создают электрическое поле, измеряют вызванную поляризацию и содержание калия в грунте, а характеристики пластичности связных грунтов определяют по формуле

3 = (Cr}e, (} где 3 — характеристика пластичносP ти связных грунтон, Т влажности; (2) I К (ГГ) P 0

Влияние минералогического состава грунта на характеристики пластичности обусловлено кристаллохимическим строением глинистых минералов, главным образом, величиной их удельной поверхности 5

К вЂ” коэффициент з ависимости

1 характеристик пластичности от содержания глинистой.

Фракции для грунта каоли5 тового состава; Х влажнос- . ти", à — содержание глинистой фракции, X

à — содержание глинистой фрако ции каолитового состава, 7;.

К вЂ” коэффициент зависимости ха2 рактеристик пластичности от удельной поверхности грунта, г/м т.

5 — удельная поверхность грунгр та, м /г;

5 — удельная поверхность каоо

2 линита, м /г;

На фиг. I изображен график зависимости характеристик пластичности связных грунтов 3 от содержания глинистой фракции Г; на фиг. 2 график зависимости характеристик пластичности связных грунтов Э от

25 удельной поверхности грунта 5„; на фиг. 3 — график зависимости содержания глинистой фракции Г от относиNrp Nn тельной радиоактивности --- — "-; на

Ия фиг. 4 — график зависимостей удельной поверхности грунта 5„ от величины произведения параметра вызванной поляризации на содержание калия в грунте gG<, на фиг. 5 — устройство

35 для реализации данного способа.

В табл. 1 приведены данные о среднем содержании радиоактивных элементов в глинах и песке.

На основании данных, приведенных

40 в табл. 1 установлено, что характеристики пластичности связного грунта Э, являющиеся линейными функциями от содержания глинистой фракции Г, существенно различны для грун45 тов разного минералогического состава (фиг. 11.

С учетом той зависимости значение для грунта любого минералогического состава может быть определено по фор50 муле!

110871 к (5 -5)

Ю .. (4) 45

3 =К где К

1 (8) 50

Г о

55

Р

Удельная поверхность связного грунта данного состава с переменным содержанием тонкодисперсной фракции вычисляется по соотношению

S =S Г+S (1 — Г) (3) где Sr и Sä — удельная поверхность мономинерального грунта данного минералогического состава и грубой песчаной фракции соответственно, м /r.

Практически 5 прямо пропорциональна глинистости грунта, так как 15 (<5р 5п = I 2 м2/г °

Наименьшими значениями 3 характеP риэуются грунты каолинитового состава (фиг. 11, для которых удельная поверхность мономинеральной фракции (чис- 20 того каолина )также низка и меняется в небольших пределах (10-30 м /r).

Максимальные значения Д присущи грунтам монтмориллонитового состава (фиг. 2), удельная поверхность 5 Ä 25 которых более чем на порядок превышает5 для каолинитовых грунтов

aaOh

Зависимость Г для каолинитового грунта с минимальной удельной поверхностью S p= 10. м /r является стабиль- 30 г ной, надежно определенной по многим данным и может быть принята в качестве опорной для определения Э, иного состава по измеренным значениям глинистои фракции и удельнои З5 поверхности.

Установлена связь между характе. ристиками пластичности 3р и удельной поверхности грунта 5р,, хорошо аппроксимируемая экспонцнальной

40 функцией вида (гг,) " (s) угловой коэффициент зависимости 3 от Г для грунP та каолннитового состава, при 5, =10 м /г К„=27,8; содержание глинистости, при которой Д =0; коэффициент зависимости

Эо от 5, рассчитываемый по соотношению з,/Э р монт Р кал ., (!

"5 монт кап

Э ° 3 ° с монт p каол MoHT " каол значения характеристик пластичности и удельной поверхности в возможных крайних точках диапазона изменения этих параметров, т.е. для монтмориллонита с S =700 м /r и каоли2 нита с S=10 м /г.

При измерении глинистости грунта по его интегральной природной радиоактивности недоучет минералогического состава приводит к значительным ошибкам, достигающим 507 измеряемой величины.

Влияние минералогического состава на интегральную природную радиоактивность грунта обусловлено, главным образом, содержанием калия, меняющимся при переходе от грунтов каолинитового состава к гидрослюдистым грунтам в 5-6 раз, в то время как содержание других радиоэлементов остаются примерно постоянными для всех видов грунтов (табл . 1 f.

Среднее содержание <алия в чистом каолине практически равно его содержанию в песке, поэтому лля этого грунта с любым содержанием глинистых частиц оно является постоянным

Для грунтов другого мицералогического состава содержание с уче,том содержания глинистой фракции рассчитывается по формуле

Окрр Q „„r +q п(-r) =O, 75+Г(q„„где Я и 9 — содержание калия в крл кп тонкодисперсной фракции и в песке соот-ветственно, 7.

С учетом содержаний радиоэлсментов интегральная природная радиоактивность грунта Йр в относительных единицах рассчитывается по формуле

N рр отн =Qy+Os36 Q +0,93 "

«10 -4 QK где 0, @ 1,- содержание урана и тория, 10 4 7;

Йк — содержание калия, 7.

Для исключения факторов, влияющих на величину измеряемой природной радиоактивности грунта объема детектора, объема исследуемого материала), радиоактивность грунта N, гр должна быть выражен." в безразмерныхх единицах М - 0 . где М и

1110871 радиоактивность песка имп/с, изме- ренная в тех же условиях, что и исследуемый грунт и рассматриваемая как фоновая следовательно.

N„N „„Г + N„(l-l), где Nra — природная интегральная радиоактивность глинистой фракции (имп/с ), которые могут рассматриваться как общие для всех условий измерений (фиг. 3) . Угловые коэффициенты этих зависимостей для грунтов различного минералогического состава равны

К =К +К

% 5 4 (к гидр каол) где К вЂ” угловой коэффициент для грунта каолинитового состава, равный

2,5 (график 1, фиг. 3).

К вЂ” коэффициент, равный 20

-N

Гидр kaoh

1 — 9 к гидр ккал

30, (— " .

Ь(кгр ) к каор) 40 а с учетом значений коэффициентов

К и К Я =0,75Х, 5

Neo Nn

«»

Nn

2,5 + 0,67

krp (12) 1 1 РРNII

50

2 + 0.67 Окгр

Х аракт еристики . пластичности могут быть определены при помощи мето. дов, одновременно отражающих удельную поверхность и состав глиниетых минералов, например метода вызванной поляризации и метода определения содержания калия в грунте.

1 1 гидр и Ng oh и 0 k, гидр H 25 значения интегральной npuk kCIOh родной радиоактивности грунта, графики(Ш и, (фиг. 3 ) содержания калия для гидрослюды и каолина соответственно (табл. I), К - 0,67.

Содержание глинистой фракции грунта N, измеряемой по его природной радиоактивности с учетом содержания калия Як, определяется

КI.P по формуле

Метод вызванной поляризации осно ван на изучении характеристик вторичного электрического поля, возникающего в грунте после выключения тока в источнике поля.

Вызванная поляризация в грунтах имеет электрохимическое происхождение и обусловлена процессами, происходящими на контактах минеральной части грунтов с внутрипоровой влагой. Параметры вызванной поляризации в процентах измеряют в течение короткого времени периода спада вторичного электрического поля (обычно не более 1 с ).

На параметры поляризации оказывают влияние минералогический состав грунта и в.меньшей степени глииостость грунта (табл. 2, фиг.4), а также его влажность.

В диапазоне влажности, где проявляются пластические свойства связных грунтов и грунты являются водонасыщенными, т.е. между пределом пластичности и пределом текучести, параметры вызванной поляризации зависят главным образом от первых двух факторов в совокупности от величины поверхности раздела между твердыми частицами грунта и порами, заполненными водой, т.е. от удельной поверхности грунта.

В табл. 2 на основании опытных данных отражены свойства глинистых минералов, влияющие на их поляризацию.

При учете фактора,дополнительно описывающего минералогический состав, становится возможным определение удельной поверхности грунта, а по ней и характеристик пластичности. Таким фактором является содержание калия в грунте. Величина произведения параметра вызванной поляризации на содержание калия в грунте является линейной функцией удельной поверхности (фиг.4) во всем диапазоне ее изменения с учетом содержания глинистой фракции и минералогического состава грунта.

Удельная поверхность грунта рассчитывается по формуле

S, =К )а„, (45) расчетное значение коэффициента

К по данным табл. 2 и фиг. 4 равно 1 56 10 мг/г при у и Q„выраженных в процентах.

1110871

При проведении испытаний установ- лено, что значение параметра вызванной поляризации через 10 мс ,после выключения тока равно

70 .IO X, природная радиоактив.ность грунта составляет 200 имп/с,а фоновая для песка 100 имп/с, содержание калия в грунте по гамма-спектометрии (линия 1,46 мэ В ) — 1, 3Х, р асчетное значение глинисто сти грунта

N-Nn 280 — 100 пп 100

Г - — — — —,— „- — — — —,— —.—,-2 + 0,670„2 + 0,67 1,3

0,627.

Величина удельной поверхности определенная по формуле (21, равна

- =1,56 . 10 70 -1,3 IO - 142 20

Число пластичности 3<, определенное по формуле (I 1, равно

3р =27,8 (0,627 — 0,065) 2,5 . 10 (1420 — 10 . 0,627 ) = 22,2. 25

Измерение интегральной природной радиоактивности и содержания калия производят при помощи спектрометрического гамма-радиометра, измерение

ЗО параметров вызванной поляризации— при помощи малогабаритной аппаратуры ВП, причем оба вида измерений могут быть выполнены на образцах или в полевых условиях, в варианте исследования пробуренных скважин и в пенетрационно-каротажном варианте. В последнем случае измерения природной радиоактивности и вызванной паляриз ации грунт а произ водят в процессе погружения в грунт зонда с измерительными преобразователями или его извлечения, осуществляемым любыми известными средствами зондирования.

Устройство для осуществления 45 описываемого способа в данном варианте состоит иэ зонда I, представляющего собой метаплическую трубу, снабженную в нижней части конусным наконечником, внутри которой помещен измерительный, преобразователь спектрометрического гамма-раднометра, состоящий из фотоэлектронного умножителя (ФЗУ) 2, спектрометри ческого монокристапла гамма-излучения 3 и электронной схемы 4. Измерительный преобразователь вызванной поляризации представляет собой систему из питающих (двух или од-, ного) и измерительных электродов, расположенных на внешней поверхнос-. ти кожуха зонда соосно с измерительным преобразователем гамма-радиометра, электроды 5 представляют собой кольца из меди или латуни, разделенные между собой слоями диэлектрического материала 6, например текстолита.

Пон погвнжении зонда в грунт измерительные электроды в виде колец на поверхности зонда обеспечивают надежный контакт с грунтом, и их е с те ственная поляриз ация не ок азывает влияния на результаты измерения вызванной поляризации вследствие того, что ВП измеряют в течение короткого времени (не более IO200 мс ).

Использование предлагаемого способа оценки характеристик пластичности связных грунтов обеспечивает по сравнению с известными возможность непосредственного учета минералогического состава грунта, от которого зависят характеристики пластичности; возможность учета по суммарной природной радиоактивности и содержанию калия содержания не только глинистой, но и других дисперсных фракций грунта, что повышает достоверность определения характеристик пластичности; высокую производительность измерений, снижение стоимости работ; повышение надежности определения вида грунта по результатам измерения природной радиоактивности и вызванной поляризации.

lll087I

Т а б л и ц а

Относительная

Содержание (), %

Интегральные природы радиоактивности, имп/с (ыгР), Грунт радиоактивность

Капий

Уран Торий

lO 10 + грунта

Nro -Nn

Каолинит ов ого состава

2,6

7,6

21135075

Монтмориллонитового со3,25

9,6

271402 става

Гидрослюдистого состава 2,2 13,4 4,5

5,1

Кварцевый песок

2,15

0,66 2,25 0,75

Табли ца 2

Емкость катионного обмена, М юке мэВ/100 г

Минер апогический состав средняя максинимапь1 05 025

600 850 700 80-150

lO 30 20 3-15

65 180 100 10-40

160 120

200

25 20

15 10

20

Монтмориллоиит

Каолинит

Гидрослюда дельная поверхность оиомииерапьного рунта, м /r

Параметр вызванной поляризации 1 I O при содержании глинистой фракции, доли единицы

lllO87l

7р % &пжиосл и

У

100

l! l08l l

jV Nn аоо

Л?О

200 й70 фиг. 5

ВНИИПО Закаэ 6279/25 Тирах 643 Яодпмсиое

Филиал ППП "Натввт", r.Óàãîðîä, ул.Проектная, 4 ир аа

Рие. 5

/00 NP 400 Ид ИО

Num.ф м г