Способ оценки состояния связных грунтов основания и тела сооружения

Изобретение относится к области строительства, в частности к выбору методов улучшения естественного слабого основания из связных грунтов или для принятия решения об их замене более прочным материалом, а также при оценке состояния эксплуатируемых грунтовых сооружений. Техническим результатом является повышение точности определения равновесной плотности и влажности с учетом действующих нагрузок от собственного веса слоев грунта. Для этого способ включает отбор образца грунта, определение плотности и влажности в естественном состоянии, плотности частиц грунта, плотности и влажности на границе текучести, плотности и влажности при различных нагрузках по математическим формулам. При этом дополнительно по глубине делят основание и тело сооружения на слои с однородными характеристиками, вычисляют давление от собственного веса грунта каждого выделенного слоя, проводят компрессионное сжатие образца грунта при влажности, близкой к границе текучести, по полученным результатам устанавливают зависимость конечной плотности сухого грунта от давления для каждого слоя и определяют состояние грунтов основания и тела сооружения по соотношению естественных и равновесных значений плотности и влажности: при нормально уплотненном состоянии - естественные плотность и влажность достигают равновесного значения, что означает завершение процесса уплотнения грунтов, при недоуплотненном состоянии - естественная плотность меньше, а влажность больше равновесных значений, что свидетельствует о продолжении процесса уплотнения грунта, при переуплотненном состоянии - естественная плотность больше, а влажность меньше равновесных значений, т.е. возможны деформации набухания при контакте грунтов с водой. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, в частности к выбору методов улучшения естественного слабого основания из связных грунтов или для принятия решения об их замене более прочным материалом, а также при оценке состояния эксплуатируемых грунтовых сооружений, например плотин, дамб, насыпей и др.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известен способ оценки состояния связных грунтов по консистенции, характеризуемой показателем текучести I_L, который определяют отношением разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания W_p, к числу пластичности I_р по формуле:

где I_L - показатель текучести, д.ед; W - естественная влажность, д.ед; W_p - граница раскатывания, д.ед; I_p - число пластичности, д.ед. По показателю консистенции связные грунты подразделяются на твердые, полутвердые тугопластичные, мягкопластичные, текучепластичные и текучие, супеси - на твердые, пластичные и текучие (ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация - М.: МНТКС, 1996, с.22).

Основным недостатком способа-аналога является условный характер, позволяющий грубо приближенно характеризовать и оценивать физическое состояние глинистых грунтов, т.к. определение величин, входящих в формулу вычисления показателя текучести, производится по образцам глинистых грунтов нарушенного сложения. Кроме того, не учитывается величина действующей нагрузки от сооружения.

Известен полевой способ динамического и статического зондирования, основанный на определении сопротивления грунта внедрению в него зонда, который позволяет установить разрез рыхлых отложений, количественно или качественно оценивать инженерно-геологические свойства пород и их изменчивость в пространстве (Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Том 11. - М., МГТУ, 1968, с.330-346). Результаты зондирования используют для разработки классификаций по консистенции связных грунтов, определения несущей способности свай на основе полуколичественной характеристики физических свойств связных грунтов.

Недостатками способа-аналога являются недостаточная точность определения условного сопротивления грунта при динамическом зондировании из-за трения штанг о грунт, изгиба штанг при ударе, изменения соотношения веса зонда и наковальни, что служит причиной значительного разброса данных при сопоставлении их с показателями физико-механических свойств и установлении корреляционных связей, большие трудозатраты по установке вышки в строго вертикальном положении для исключения перекоса и заклинивания штанги в скважине.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является принятый нами за прототип способ определения технологических характеристик связных грунтов при уплотнении механизмами, включающий определение влажности на границе текучести и оптимальной влажности грунта, его гранулометрический состав и по результатам содержание и плотность частиц мелкой фракции размером менее 2 мм, плотность образца при влажности на границе текучести, технологические характеристики по формулам:

- максимальную плотность мелкой фракции

- оптимальную влажность

где ρ_dmax - максимальная плотность сухого грунта мелких фракций для выбранного механизма, г/см³;

ρ_s - плотность частиц мелких фракций, г/см³;

ρ_dL - плотность сухого грунта в образце из мелких фракций при влажности на границе текучести W_L, г/см³;

σ - удельное уплотняющее давление под рабочим органом механизма, МПа;

W_opt - оптимальная влажность мелких фракций для выбранного механизма, д.ед.;

S_r - степень влажности грунта, принимаемая равной при уплотнении катками S_r=0,85-0,90; для трамбующих плит и виброкатков виброударного действия S_r=0,90-0,95;

ρ_w - плотность воды, равная 1,0 г/см³

(патент РФ № 2186174, МПК E02D 1/02, опубл. 27.07.2002).

Основным недостатком способа-прототипа является ограниченность его применения для однородных грунтов, уплотняемых механизмами, когда грунт достигает однородного состава в процессе разработки естественных залежей в карьере и последующего перемешивания при отсыпке и разравнивании перед уплотнением механизмами.

Изобретением решается задача расширения области использования оценки состояния оснований и тела сооружения из связных грунтов слоистой текстуры, повышения точности определения равновесной плотности и влажности с учетом действующих нагрузок от собственного веса слоев грунта.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем отбор образца грунта, определение плотности и влажности в естественном состоянии, плотности частиц грунта, плотности и влажности на границе текучести, плотности и влажности при различных нагрузках по формулам:

- плотность

- для грунтов слоистой текстуры по зависимости при давлениях, равных вертикальному в основании слоя,

- влажность

где ρ_dmax - максимальная плотность сухого грунта для каждой ступени давлении σ, г/см³;

ρ_s - плотность частиц грунта, г/см³;

ρ_dL - плотность сухого грунта в образце при влажности на границе текучести W_L, г/см³;

σ - удельное давление в основании слоя, МПа;

W_opt - оптимальная влажность грунта для каждой ступени давления, д.ед.;

S_r - степень влажности грунта, принимаемая равной 1,0;

ρ_w - плотность воды, равная 1,0 г/см³.

Дополнительно по глубине делят основание и тело сооружения на слои с однородными характеристиками, вычисляют давление от собственного веса грунта каждого выделенного слоя, проводят компрессионное сжатие образца грунта при влажности, близкой к границе текучести, по полученным результатам устанавливают зависимость конечной плотности сухого грунта от давления для каждого слоя и определяют состояние грунтов основания и тела сооружения по соотношению естественных и равновесных значений плотности и влажности: при нормально уплотненном состоянии - естественные плотность и влажность достигают равновесного значения, что означает завершение процесса уплотнения грунтов, при недоуплотненном состоянии - естественная плотность меньше, а влажность больше равновесных значений, что свидетельствует о продолжении процесса уплотнения грунта, при переуплотненном состоянии - естественная плотность больше, а влажность меньше равновесных значений, т.е. возможны деформации набухания при контакте грунтов с водой, например при заполнении водохранилища, подъеме уровня грунтовых вод и др. Причем для однородных грунтов при определении равновесной плотности ρ_dσ=ρ_dmax при давлениях равных вертикальному в основании слоя, а при определении равновесной влажности W_σ=W_opt при S_r=1,0.

Кроме этого, предлагаемое техническое решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай: при определении равновесных плотности ρ_dσ и влажности W_σ учитывают дополнительное к весу вышележащих слоев грунта давление, передаваемое на основание и тело сооружения, например, от проезжающего по гребню дамбы автомобильного и/или железнодорожного транспорта, а также от существующих строений, складов материалов и др.

Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом складывается из возможности его использования при оценке состояния естественных оснований и тела сооружения из связных грунтов слоистой текстуры.

Отличительными признаками данного способа являются определение давления от собственного веса грунта каждого выделенного слоя, проведение компрессионного сжатия образца грунта при влажности, близкой к границе текучести, установление зависимости конечной плотности сухого грунта от давления для каждого слоя и определение состояния грунтов основания и тела сооружения по соотношению естественных и равновесных значений плотности и влажности.

Многочисленными опытами со связными грунтами различного гранулометрического и минералогического состава установлено, что равновесная плотность равна ρ_dσ=ρ_dmax и зависит от величины действующего давления σ и не зависит от способа его приложения циклического, динамического при уплотнении механизмами или статического при компрессионном сжатии. Оптимальная влажность, при которой достигается максимальная плотность, зависит от способа приложения давления и в формуле (2) определяется при уплотнении катками при S_r=0,85-0,90, для трамбующих плит при виброударном уплотнении S_r=0,90-0,95, а при компрессионном уплотнении в случае определения равновесной влажности S_r=1,0 (Рекомендации по лабораторному определению максимальной плотности связных грунтов применительно к уплотнению катками. П 50-90 / ВНИИГ. - Л.: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1974, т.105, с.102-115).

На этом основании формулы (1) и (2) используют для определения значений максимальных равновесных плотности и влажности грунтов при статическом компрессионном уплотнении под действием собственного веса слоев вышележащего грунта.

Предлагаемый способ поясняется графиками: на фиг.1а и б показано сопоставление средневзвешенных значений влажности W (а) и плотности ρ_d(б) грунтов основания в проране и равновесных значений для нагрузок от собственного веса; на фиг.2а и б - график изменения влажности W и плотности ρ_d суглинков по глубине в теле дамбы.

Способ осуществляется следующим образом.

Отбирают образцы грунта ненарушенного сложения, определяют плотность ρ_d и влажность W в естественном состоянии, плотность частиц грунта ρ_s, влажность грунта на границе текучести W_L. Затем проводят компрессионное сжатие образца при влажности, близкой к границе текучести, измеряя осадки образца для каждой ступени давления, и по полученным результатам устанавливают зависимость конечной равновесной плотности сухого грунта от давления для каждой ступени, а равновесную влажность определяют по формуле (2), принимая степень влажности S_r=1,0. Для однородных грунтов (не слоистой текстуры) равновесную плотность можно определить по формуле (1).

Основание и тело сооружения по глубине делят на слои с однородными характеристиками и определяют давление от собственного веса грунта в основании каждого выделенного слоя.

Состояние грунтов основания и тела сооружения определяют, сравнивая естественные и равновесные значения плотности и влажности, и выделяют следующие виды:

- нормально уплотненное - естественные плотность и влажность достигли равновесного значения, что означает завершение процесса уплотнения грунтов;

- недоуплотненное - естественная плотность меньше, а влажность больше равновесных значений, что свидетельствует о продолжении процесса уплотнения грунта;

- переуплотненное - естественная плотность больше, а влажность меньше равновесных значений, т.е. возможны деформации набухания при контакте грунтов с водой, например, при заполнении водохранилища, подъеме уровня грунтовых вод и др.

При необходимости учитывают дополнительное к весу вышележащих слоев грунта давление, передаваемое на основание и тело дамбы от проезжающего по гребню автомобильного и/или железнодорожного транспорта, строений, складов материалов и др.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата для всех случаев, на которые распространяется предлагаемое изобретение.

Пример 1. Необходимо определить состояние слабых грунтов основания в проране комплекса защиты г.Санкт-Петербурга от наводнений.

Из буровых скважин через 1 м по глубине отбирают образцы грунтов, определяют плотность частиц, плотность и влажность в естественном состоянии, по полученным результатам вычисляют средневзвешенные значения. На основании материалов инженерно-геологических изысканий на этом участке выделяют следующие характерные слои: насыпной песок мощностью слоя 2,7 м, ленточные пылеватые глины (слой 25 д), характеризующиеся чередованием горизонтальных тонких прослоев высокодисперсной глины и мелкого песка, мощность слоя 8,0 м и неяснослоистые суглинки (слой 26), разведанная мощность слоя 3,8 м. Определяют значения влажности на границе текучести W_L.

По СНиП 2.02.01-83^* «Основания зданий и сооружений» определяют давления в основании выделенных слоев грунтов основания. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Далее выполняют компрессионное сжатие образцов грунта выделенных слоев при следующих ступенях давлений σ: 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 и 0,25 МПа. Определяют равновесные значения плотности ρ_dσ для каждой ступени нагрузки после стабилизации деформаций. Равновесная влажность для каждой ступени нагрузки определена по формуле (2) при степени влажности грунта S_r=1,0. Полученные результаты приведены в таблице 2.

По графику на фиг.1, где приведены изменения естественных, средневзвешенных и равновесных значений плотности и влажности грунтов выделенных слоев по глубине с учетом действующих давлений от собственного веса грунта, установлено, что естественная плотность меньше, а влажность больше равновесных значений в грунтах основания, что позволяет определять их состояние как недоуплотненное. В связи с этим при достройке дамбы необходимо принять меры по укреплению основания либо удалить слабый слой или отсыпать дамбу способом отжатия слабого слоя грунта при строгой корректировке скорости производства работ в соответствии с ростом порового давления и осадки в грунтах основания, предусмотрев перерывы в отсыпке грунтов для снижения порового давления до безопасного уровня.

Пример 2. При строительстве дамбы из мореного суглинка (слой 38) его отсыпали в воду глубиной 5 м. Возникло опасение, что в нижнем слое дамбы образуется разжиженный слой. И через 18 лет после строительства с гребня дамбы были пробурены скважины с отбором образцов через 1 м и определены естественные значения плотности, влажности, плотности частиц грунта ρ_s=2,72 г/см³, влажности на границе текучести W_L=0,22, а также равновесные значения плотности по формуле (1) и влажности по формуле (2) при S_r=1,0 для мелкозема (фракций размером менее 2 мм) и при содержании в грунте 15% крупных фракций (крупнее 2 мм). Результаты испытаний приведены в таблице 3 и на графиках фиг.2.

В данном случае естественная плотность больше, а влажность меньше равновесных значений, что позволяет определить переуплотненное состояние грунтов тела отсыпанной дамбы. Учитывая отсутствие способности грунтов к набуханию, тело дамбы оценивают как стабильное, плотное и монолитное.

Таблица 3
Равновесные значения плотности ρdσ и влажности Wσ при различных ступенях давления, рассчитанные по формулам (1) и (2) для мелкозема и при содержании в грунте 15% крупных фракций
Содержание крупных фракций Р, %	σ, МПа	0	0,01	0,02	0,03	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0 (мелкозем d<2 мм)	ρdσ, г/см3	1,61	1,64	1,67	1,69	1,72	1,76	1,78	1,80	1,81	1,82
Wσ	0,253	0,242	0,231	0,224	0,214	0,201	0,194	0,188	0,185	0,182
15%	ρdσ, г/см3	1,71	1,74	1,77	1,79	1,82	1,86	1,88	1,90	1,91	1,92
Wσ	0,223	0,213	0,204	0,198	0,189	0,178	0,172	0,167	0,165	0,162

Предлагаемый способ оценки состояния связных грунтов основания и тела сооружения позволяет снизить трудоемкость процесса, расширить область применения для оснований из слоистых грунтов, повысить точность определения равновесных значений плотности и влажности с учетом действующих нагрузок от собственного веса слоев грунта.

1. Способ оценки состояния связных грунтов основания и тела сооружения, включающий отбор образца грунта, определение плотности и влажности в естественном состоянии, плотности частиц грунта, плотности и влажности на границе текучести, плотности и влажности при различных нагрузках по формулам

плотность

для грунтов слоистой текстуры по зависимости при давлениях, равных вертикальному в основании слоя,

влажность

где ρ_{d max} - максимальная плотность сухого грунта для каждой ступени давления σ, г/см³;

ρ_s - плотность частиц грунта, г/см³;

ρ_dL - плотность сухого грунта в образце при влажности на границе текучести W_L, г/см³;

σ - удельное давление в основании слоя, МПа;

W_opt - оптимальная влажность грунта для каждой ступени давления, д.е.;

S_r - степень влажности грунта, принимаемая равной 1,0;

ρ_w - плотность воды, равная 1,0 г/см³,

отличающийся тем, что дополнительно по глубине делят основание и тело сооружения на слои с однородными характеристиками, вычисляют давление от собственного веса грунта каждого выделенного слоя, проводят компрессионное сжатие образца грунта при влажности близкой к границе текучести, по полученным результатам устанавливают зависимость конечной плотности сухого грунта от давления для каждого слоя и определяют состояние грунтов основания и тела сооружения по соотношению естественных и равновесных значений плотности и влажности: при нормально уплотненном состоянии - естественные плотность и влажность достигают равновесного значения, что означает завершение процесса уплотнения грунтов, при недоуплотненном состоянии - естественная плотность меньше, а влажность больше равновесных значений, что свидетельствует о продолжении процесса уплотнения грунта, при переуплотненном состоянии - естественная плотность больше, а влажность меньше равновесных значений, т.е. возможны деформации набухания при контакте грунтов с водой, например, при заполнении водохранилища, подъеме уровня грунтовых вод, причем для однородных грунтов при определении равновесной плотности ρ_dmax=ρ_dσ при давлениях, равных вертикальному в основании слоя, а при определении равновесной влажности W_opt=W_σ при S_r=1,0.

2. Способ оценки состояния связных грунтов основания и тела сооружения по п.1, отличающийся тем, что при определении равновесных плотности ρ_dσ и влажности W_σ учитывают дополнительное к весу вышележащих слоев грунта давление, передаваемое на основание и тело сооружения, например, от проезжающих по гребню дамбы автомобильного и/или железнодорожного транспорта, а также от существующих строений, складов материалов.