Контроль плотности оснований насыпных грунтов

ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ПЛОТНОСТИ И ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ
                                                           ЗОНДИРОВАНИЕМ.
Степень уплотнения земляного сооружения оценивается величиной коэффициента уплотнения из условия
Kу≥Kсот, (1)
где Kу − коэффициент уплотнения грунта земляного сооружения;
Kсот – наименьший коэффициент уплотнения грунта, определяемый по СНиП 2.05.02-85[1] (прил.7) для земляного полотна автомобиль-ных дорог и по СНиП 3.02.01-87[2] (прил.8) для земляных сооруже-ний промышленного и гражданского строительства.
Коэффициент уплотнения грунта Ку – отношение плотности сухого грунта земляного сооружения ρd к максимальной плотности того же сухого грунта ρdmax при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-2002[7].
Ку=ρd /ρdmax . (2)
Плотность грунта ρ − отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, г/см3.
Плотность сухого грунта ρd − отношение массы грунта за выче-том массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см3.
Оптимальная влажность Wopt – влажность, при которой дости-гается максимальная плотность сухого грунта ρdmax , уплотненного стандартной работой.
Стандартный метод оценки степени уплотнения по ГОСТ 22733 предусматривает обязательный отбор образца грунта с помощью кольца‚ его взвешивание‚ определение влажности путем высушива-ния при 105 °С в термостате в течение 6–8 часов. Затем в лаборатории необходимо выполнить процедуру стандартного уплотнения предва-рительно высушенного и измельченного грунта с определением оп-тимальной влажности Wopt и максимальной плотности ρdmax сухого грунта.
В итоге значения коэффициента уплотнения грунта и его влаж-ность могут быть получены минимум через сутки. Поэтому для опе-ративного контроля степени уплотнения земляных сооружений широ-ко применяются ускоренные методы динамического и статического зондирования грунта (табл.1).
В методических указаниях рассмотрены методы динамическо-го зондирования грунта с помощью динамического плотномера Д-51 и забивного зонда Л33, статического зондирования грунта с помощью статического плотномера ПСГ-1.
Таблица 1
Область применения оперативного контроля
Виды контроля
Виды грунтов
Методы
контроля
плотности
Применяемые
приборы
Текущий контроль за послойным
уплотнением
Контроль уплотнения верхней
части сооружения
на глубину 1-3 м
Контроль уплотнения высоких насыпей (при высоте более 3 м)
Песчаные за
исключением
гравелистых песков
Пески гравелистые
Глинистые
Статическое
зондирование
Статический
плотномер
+
+
+
Динамическое зондирование
Динамический
плотномер,
забивной зонд
+
+
+
+
+
+
Примечание. (+) - рекомендуемый метод и приборы контроля уплотнения грунта.
Динамическое зондирование − процесс погружения зонда в грунт под действием ударной нагрузки с измерением показателей со-противления грунта внедрению зонда.
Статическое зондирование − процесс погружения зонда в грунт под действием статической вдавливающей нагрузки с измере-нием показателей сопротивления грунта внедрению зонда.
Удельное сопротивление грунта под наконечником (кону-сом) зонда, qd − сопротивление грунта наконечнику (конусу) зонда при статическом зондировании, отнесенное к площади основания на-конечника (конуса) зонда.
Условное динамическое сопротивление грунта, Рq − сопро-тивление грунта погружению зонда при забивке его падающим моло-том (вибромолотом).
Залог − число ударов молота, после которых производят изме-рение глубины погружения зонда.
При работе с лабораторным практикумом для определения сту-дентами Kсот – наименьший коэффициент уплотнения грунта – вари-анты параметров его определения приведены в прил.9 (АДМ) и в прил.10 (ИСИ).
4
1. МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ
1.1. Сущность метода [10]
Метод основан на определении сопротивления грунта погруже-нию зонда с коническим наконечником под действием последова-тельно возрастающего количества ударов груза постоянной массы, свободно падающего с заданной высоты.
Определение степени уплотнения грунтов методом динамического зонди-рования следует производить с помощью динамического плотномера (рис.1) при глубине контроля до 30 см и забивного зонда при глубине контроля более 30 см от поверхности земляного сооружения.
Рис.2. Схема сил динамиче-ского плотномера
Рис.1. Динамический
плотномер
Груз 1 прибора (см.рис.1) массы 2,5 кг имеет возможность перемещаться отно-сительно стержня 2 и наносить удар по буртику при свободном падении с высоты H = 400 мм.
По числу ударов, необходимых для заглубления в грунт нижней части стерж-ня, имеющего диаметр Ø 11,4 мм и длину Sz = 100 мм, оценивают прочность испы-туемого грунта.
На рис.2 показана схема сил динами-ческого плотномера.
Для решения задачи о вычислении напряжений в контакте плоского торца стержня с грунтом примем гипотезу о возникновении под плоским торцом стержня грунтового конусообразного те-ла, угол ϕ у которого при вершине кону-са равен углу трения грунта по грунту. В этом случае коэффициент трения сколь-жения грунта по грунту равен тангенсу угла трения
tg=fϕ.
5
Сначала определим среднее напряжение σ1 на наклонных пло-щадках грунтового конусообразного тела.
На боковую поверхность грунтового конусообразного тела дей-ствует равнодействующая нормальная сила
,5,011dlANKπσσ== (3)
где АК – площадь боковой поверхности грунтового конуса; d – диа-метр стержня; l – образующая грунтового конуса:
.sin2ϕdl= (4)
Учитывая (4), из (3) получим
.sin421ϕπσdN= (5)
Сила трения, обусловливающая появление на боковой поверхно-сти грунтового конуса касательных напряжений τ, рассчитывается по формуле
.fNF= (6)
Силами трения на боковой поверхности стержня ввиду малости пренебрегаем. При погружении стержня в грунт работу совершают силы тяжести стержня, падающего груза, нормальная сила N и сила трения F. Силой тяжести грунтового конусообразного тела ввиду ма-лости пренебрегаем.
Определим работу сил интегрированием, используя рис.2:
(7) ∫∫∫∫−−−=−KZKZKZKZБdzFdzFdzNdzmgA000021,cossinϕϕ
где m = m1 + m2 – соответственно массы падающего груза 1 и стержня 2 (m1 = 2,5 кг, m2 = 1,12 кг); FБ – сила трения на цилиндриче-ской поверхности тела 2.
.2zdfFБπσ=
По числу ударов СУД, необходимых для заглубления стержня на глубину SZ = 100 мм, определяют среднюю величину перемещения стержня в грунте за один удар:
.УДZKСSz= (8)
В результате интегрирования выражения (7), учитывая (5) и (6), получим
(9) .5,05,0222121KKKdfzzdmgzAπσπσ−−=−
Для определения величины среднего нормального напряжения на боковой поверхности конусообразного тела в процессе последова-
6
тельных ударов применим теорему об изменении кинетической энер-гии
,21−=−ATTП (10)
где Т – кинетическая энергия системы в конце процесса погружения, Т = 0; ТП – полезная кинетическая энергия, затрачиваемая на погру-жение стержня в грунт.
Полная кинетическая энергия, приобретаемая свободно падаю-щим грузом массой m1 перед ударом о неподвижный стержень, рас-считывается по формуле
,22111VmT= (11)
где V1 – скорость груза в конце свободного падения, .21gHV=
При абсолютно неупругом соударении масс возникает потеря ки-нетической энергии и скорости. Согласно теореме Карно
.21212121VmmmmT+=Δ (12)
Учитывая формулы (11) и (12), получим
.212121211VmmmTTTП+=−=Δ (13)
Подставляя в теорему об изменении кинетической энергии (10) полученные выражения (11), (13), (9), найдём .05,05,0221=+−−KПKzTzfddmgπσπσ
Для решения этого уравнения зададим соотношение напряжений ,12σσμ=Б тогда
.5,05,021УДzБУДzПСSfddСSTmgπμπσ++= (14)
Если в (14) пренебречь силами бокового трения, т.е. принять ,0=Бμ то получим
3317811739601+=σ СУД. (15)
По формуле (15) составлена табл.2 нормальных напряжений σ1 на наклонных площадках грунтового конусообразного тела, которые по-казаны в круглых скобках для случая .0=Бμ Установим связь нор-мальных напряжений σ1 на наклонных площадках с нормальными вертикальными напряжениями σz в плоскости контакта торца стержня с грунтом.
Составляя уравнения равновесия сил (см. рис.3), действующих на грунтовое конусообразное тело, и выражая силы через напряже-ния, окончательно найдём σz = 2σ1.
Рис.3. Равновесие грунтового конусообразного тела (а);
диаграмма зависимости нормальных напряжений σz от
перемещения стержня zi за один удар
Контактные напряжения σz под плоским торцем стержня рав-ны удвоенным нормальным напряжениям σ1 на наклонных площадках поверхности грунтового конусообразного тела.
В табл.2 приведены также значения коэффициента динамичности Kд, представляющего собой отношение динамической силы к статиче-ской силе, равной весу ударной части
.1gmAКzдσ=
На рис. 3,б показана диаграмма зависимости нормальных напря-жений σz от перемещения стержня zi за один удар, которая показыва-ет, что напряжения σz = σz max под плоским донышком стержня в табл. 2 являются напряжениями, характеризующими прочность грун-та по пределу текучести. Диаграмма напряжений свидетельствует о том, после достижения состояния предела текучести грунт течёт пе-ред конусообразным телом в радиальном направлении от оси стерж-ня, освобождая пространство для его погружения.
8
Таблица 2
Классификация грунтов по категориям прочности,
дополненная значениями нормальных напряжений
на горизонтальных площадках при положительных температурах
(категории 1 – 4), для мёрзлых грунтов (5-я категория)
Категория грунта
Число ударов
СУД
Нормальные напряжения на наклонных площадках
σ1, МПа
Средние нор-мальные на-пряжения на горизонтальных площадках
σz, МПа
Средний коэф-фициент дина-мичности
Кд
1
1−4
(0,5−1,5)
(2,00) 1,85
(8,3)
2
5−8
(1,83−2,83)
(4,66) 4,50
(19,4)
3
9−16
(3,16−5,48)
(8,64) 8,5
(36,0)
4
16−34
(5,48−11,46)
(16,94) 16,8
(70,5)
5
35−70
(11,79−23,40)
(35,20) 35,2
(146,5)
Согласно диаграмме напряжений для грунтов при забивке стерж-ня упругая деформация Δzi имеет малую величину по сравнению с пе-ремещением zi за один удар, которой можно пренебречь.
Теперь покажем влияние на напряжения σz боковых сил трения на цилиндрической поверхности стержня 2. Зададим 05,0=Бμ, тогда .05,012σσ=
По выражению (14) вычислены значения напряжений σ1 и σz , ко-торые в табл. 2 показаны без круглых скобок. Выполненные расчёты показывают, что силы бокового трения влияют на σz только для рых-лых грунтов.
Динамический плотномер при заглублении в грунт совершает по-ступательное движение. Это даёт основание применить для расчёта процесса заглубления стержня в грунт основное уравнение динамики материальной точки
Σ=,zkFzm&& (16)
где Σ− проекции сил ударника на ось Z. zkF
Подставляя в правую часть основного уравнения динамики (14) выражения для сил N, F и силы тяжести, после преобразования полу-чаем дифференциальное уравнение движения стержня в грунте
.221gdmz+−=πσ&& (17)
9
Выполним анализ полученного уравнения. Первое слагаемое пер-вой части уравнения (17) обозначим − отрицательное ускорение, которое по физической сущности является замедлением при ударе, создаваемом силами сопротивления. Модуль ускорения по закону Ньютона определяется выражением Tz&&,mRzzT=&& где Rz − равнодейст-вующая сил, действующих на стержень.
Принимая во внимание (17), найдём
,21ARzσ=
где А − площадь сечения стержня.
В свою очередь, используя рис. 3, можно записать
.ARzzσ=
Таким образом, лобовое сопротивление стержня Rz можно опре-делять как произведение контактных напряжений σz на площадь се-чения стержня.
Дифференциальное уравнение (17) удовлетворяет следующим на-чальным условиям: при t = 0 z0 = 0; ż0 = U, здесь U − скорость стержня в момент начала движения в грунте, определяемая по формуле .2111mmmVU+=
Первый интеграл дифференциального уравнения (17) имеет вид
.221Utgdmz+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=πσ& (18)
Из (18) определим время t1 движения стержня в грунте, учиты-вая, что в конце удара скорость стержня равна нулю:
.2211gdmUt−=πσ (19)
Интегрируя уравнение (18), получим формулу для определения величины заглубления стержня в грунт за один удар
.2)2(1121Uttgdmzk++−=πσ (20)
Уравнение (20) позволяет дополнительно подтвердить результаты табл. 2. Для первой строки имеем σ1 = σср = 1МПа; U = 1,934 м/с; zk = 0,04 м, что совпадает с результатами, полученными по теореме об изменении кинетической энергии. Для четвёртой строки σ1 = σср = 8,47 МПа; t1 = 0,004 с; zk = 0,004 м, что также совпадает с результата-ми приведённой таблицы.
10
Существующая классификация грунтов по категориям прочно-сти, основанная на числе ударов динамического плотномера, может быть дополнена значениями напряжений в грунте на наклонных пло-щадках грунтового конусообразного тела, возникающего под плоским торцем стержня, при этом нормальные напряжения в грунте на гори-зонтальных площадках равны удвоенным нормальным напряжениям на наклонных площадках. Представленные в табл.2 нормальные на-пряжения σz определяют прочность грунта по пределу текучести.
Напряжения σz характеризуют такое предельное состояние грунта, при котором он течёт под плоским донышком стержня в направлении, перпендикулярном оси ударника, освобождая простран-ство в грунте для погружения стержня.
1.2. Область применения динамического плотномера Д-51
Динамический плотномер Д-51 (табл.3) предназначен для текуще-го контроля плотности песчаных и глинистых грунтов при оператив-ном контроле качества уплотнения земляного полотна без отбора проб грунта, а также при определении плотности грунтов земляных сооружений. Плотность грунта оценивается по величине удельного сопротивления грунта забивке конусного наконечника на глубину до 30 см от поверхностного слоя.
Плотномер неприменим для зондирования грунтов, содержащих более 25 % твердых частиц крупнее 2 мм, а также мерзлых и переув-лажненных грунтов.
1.3. Выполнение контроля плотности
1.3.1. Контроль плотности грунта
Испытания с помощью динамического плотномера производят в следующем порядке. Определяется разновидность грунта по ГОСТ 25100 [6] на основании определения полного зернового и микроагре-гатного состава по ГОСТ 12536 [8] для несвязных грунтов и число пластичности по ГОСТ 5180 [9] для связных разновидностей грунтов.
В местах определения степени уплотнения грунта поверхность контролируемого слоя земляного сооружения зачищают и выравни-вают на площадке размером 50x50 см. На выровненное место строго вертикально устанавливают прибор и последовательными ударами свободно падающего молота погружают стержень с наконечником на глубину 20 см, число ударов при этом не учитывается.
Таблица 3
Общий вид и технические характеристики динамического плотномера Д-51
Технические характеристики
Глубина
Количество ударов фиксируется при погружении наконечника на 10 см в интервале глубины от 20 до 30 см. Результаты испытаний записывают в журнал (табл.4).
После окончания замера прибор с помощью ручки извлекают из грунта и приступают к испытанию на другой точке. На одном месте проводится не менее трех замеров. Расстояние между точками зонди-рования должно составлять не менее 30 см.
зондирования, мм
До 300
масса гири, кг
2,5
высота падения
гири, мм
300
диаметр
основания
конуса, мм
16
угол при вершине конуса, град
60
Параметры рабочей части
диаметр штампа, мм
100
1 − штанга с
коническим наконечником;
2 – направляющая;
3 − гиря;
4 − рукоятки;
5 − наковальня
Пределы измерения ко-эффициента уплотнения Ку
0,85−1,0
Масса плотномера в
4,0
сборе, кг
Обслуживающий
персонал, чел.
1
Время, необходимое на проведение одного
измерения (включая
получение результата), мин
1−2
800
300
4
5
3
2
1
12
При оценке степени уплотнения глинистых грунтов параллельно определяют влажность грунта на глубине от 20 до 30 см по ГОСТ 5180 или с помощью влагомера ВИМС-2 (прил.6).
Коэффициент уплотнения грунта Kу устанавливается по графикам по осредненному значению количества ударов – для песка (прил.1) без определения влажности, для глинистых грунтов (рис.П.2.1,П.2.2) после определения относительной влажности грунта.
Таблица 4
Журнал испытаний
Кол-во ударов, n
Ксот (по СНиПу[1])
Степень
уплот-нения
достиг.
не дост.
Ку (по графикам)
п/п
Разновид-ность
грунта по
ГОСТ 25100
Элемент
земляного
сооруже-ния
Среднееn
1-й опыт
2-й опыт
3-й опыт
1.3.2. Контроль плотности связных грунтов
методом двойного зондирования
При контроле уплотнения глинистых грунтов без проведения парал-лельного измерения влажности применяют метод двойного зондирования. В этом случае глинистый грунт испытывают в двух состояниях: исходном и после дополнительного уплотнения. Первое зондирование выполняют для исходного состояния уложенного грунта на глубину 30 см, фиксируя при этом число ударов, необходимое для погружения конуса на глубину от 20 до 30 см (n1). После этого рядом с точкой зондирования в теле насыпи с помощью бура или пробоотборника устраивают скважину диаметром 10 см и глубиной 25 см. Затем на направляющую штангу вместо стержня с конусом навинчивают штамп диаметром 100 мм (рис.4).
На дно скважины устанавливают штамп трамбовки и производят доу-плотнение нижележащего грунта 40 ударами груза.
Вынутый из скважины грунт укладывают обратно слоями тол-щиной 5 см и уплотняют 40 ударами груза на каждый слой до тех пор,
13
пока скважина не будет заполнена грунтом. После выравнивания грунта над скважиной штамп заменяют на стержень c конусом и про-изводят зондирование грунта по оси скважины на глубину 30 см и фиксируют число ударов, необходимое для погружения конуса на глубину от 20 до 30 см (n2).
Рис.4.Схема динамического плотномера Д-51
со штампом:
1 – штамп;
2 – стопорный винт;
3 – наковальня;
4 – гиря;
5 – направляющая;
6 – рукоятки
2
По результатам двух зондирований вычисляют отношение n1/n2 и по графику (прил.3) устанавливают коэффициент уплотнения грун-та.
1.4. Легкий забивной зонд Л 33
Легкий забивной зонд (табл.5) предназначен для определения ме-ханических свойств грунтов, а также позволяет обеспечить оператив-ный полевой контроль качества возведения грунтовых сооружений, экспресс-оценку свойств естественного основания, исследовать изме-нения свойств основания под действующими объектами в процессе их эксплуатации. Его преимуществом является возможность испытания 14 песчаных и других структурно-неустойчивых грунтов, отобрать мо-нолиты из которых практически невозможно.
Таблица 5
Общий вид и технические характеристики легкого
динамического зонда Л 33
1.4.1. Необходимое оборудование
Легкий динамический зонд Л33, конус, лом, измерительная ли-нейка, отвес, уровень.
1.4.2. Выполнение
Динамическое зондирование следует выполнять последовательной забивкой зонда в грунт свободно падающим молотом (h-50 см) с фиксаци-ей числа ударов при погружении зонда на глубину 10 см при обеспечении необходимой точности измерения глубины зондирования (± 0,5 см).
Зондирование следует производить непрерывно до достижения задан-ной глубины или до резкого уменьшения величины скорости погружения зонда (менее 2−3 см за 10 ударов). Перерывы в забивке допускаются толь-ко для наращивания штанг. Зондирование следует выполнять, применяя постоянную частоту ударов (в среднем 1 удар за 2 с).
Масса молота, кг
10 ± 0,1
Высота падения молота, мм
500 ± 5
Диаметр основания конуса, мм
28,8 ± 0,1
Угол при вершине конуса, град
60 ± 1
Глубина контроля
от поверхности сооруже-ния, мм
6000
Масса зонда с набором штанг, кг
30
Обслуживающий персо-нал, чел.
2
Длительность одного за-мера при глубине контроля до 2 м, мин
15
15
При глубине зондирования более 1 м следует применять теряемый ко-нический наконечник, который крепится к штанге с помощью шплинта из мягкой проволоки диаметром 2−3 мм.
Сборку, установку зонда и зондирование выполняют два студента. В вы
бранной точке зондирования на поверхности грунта намечается ломом лунка.
После присоединения к штанге теряющегося конуса зонд устанавливает-ся в точке зондирования, вертикальность установки проверяется отвесом.
На поверхность грунта, рядом с зондом (10−20 см), устанавливается под-ставка с линейкой. Отсчеты снимаются по линейке и по одной из меток на штанге зонда, нанесенные с интервалом 10 см. В журнал испытаний (табл.6) записываются отметка устья скважины и заглубление конуса до начала зон-дирования. За нулевую отметку принимают поверхность грунта.
Таблица 6
Журнал испытаний
Отсчет
Общая глубина погруже-ния кону-са, см
Число ударов в
Глубина погружения за залог, см
Рq,
по из-мери-тельной линейке
Примечание
АКФ
п/п
МПа
залоге n
При зондировании зонд удерживается в вертикальном положении одним студентом, другой поднимает молот по направляющей на высоту 50 см и опускает в верхней точке, позволяя молоту свободно падать и наносить удар по станине.
При проведении работ первый студент фиксирует перемещение меток на штангах относительно линейки, второй считает удары.
При достижении величины погружения зонда, равном принятому залогу – 10 см, зондирование прекращается и данные записываются в журнал (коли-чество ударов за залог).
В случае интенсивного погружения зонда в слабых грунтах (менее 4-х ударов на 10 см) после первых пробных ударов высоту поднятия молота можно уменьшить в два раза, т.е. до 25 см, что должно быть зафиксировано в журнале и учтено при обработке результатов.
В процессе зондирования необходимо постоянно контролировать и кор-ректировать вертикальность погружения набора штанг, для чего при нара-щивании очередной штанги на погружаемый зонд необходимо повернуть с 16
помощью штангового ключа всю колонку штанг вокруг своей оси по часо-вой стрелке. Затруднения при повороте, возникающие вследствие трения штанг о грунт, необходимо учитывать при обработке результатов.
При значительном сопротивлении повороту штанг, вызванных искривле-нием скважины, зонд надлежит извлечь из грунта и попытаться повторить заново, при необходимости выполнить рихтовку штанг.
При попадании под конус зонда природных или техногенных включений сначала можно сделать попытку преодолеть их сопротивление за счет уве-личения энергии ударов, сбрасывая молот с приложением усилий на него. Если это не дает результата, то на малых глубинах делается попытка про-бивки включения ломом, а на больших – разбуривание ручным буром. Во всех случаях после преодоления включения заново фиксируется глубина нахождения конуса зонда. В случае, если указанные меры не принесли ре-зультатов, выбирается новая точка зондирования.
При извлечении зонда штанги выбиваются вверх, при этом срезается фиксатор конуса. Конус теряется, и набор штанг легко извлекается из грун-та.
После окончания испытаний, а также до выезда на площадку необходимо произвести проверку установки на прямолинейность и степень износа штанг.
Проверка выполняется путем сборки звеньев зонда в отрезки длиной не менее 3 м. При этом отклонение от прямой линии в любой плоскости не должно превышать 5 мм на 3 м по всей длине проверяемого отрезка зонда.
Уменьшение высоты конуса наконечника зонда при максимальном его износе не должно превышать 5 мм, а диаметр 0,3 мм.
Результаты зондирования, отношение количества ударов в залоге n к глубине погружения конуса за залог h (n/h) фиксируются в журнале дина-мического зондирования.
По результатам испытаний определяют условное динамическое сопро-тивление грунта Рq ,МПа:
Рq=АКФhn, (21)
где А – удельная энергия зондирования, Н/см (кгс/см), определяе-мая в зависимости от типа применяемой установки;
К – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о нако вальню и на упругие деформации штанг, определяемый в за-висимости от типа установки и глубины зондирования;
17
Ф – коэффициент для учета потерь энергии на трение штанг (при их повороте) о грунт;
n – количество ударов молота в залоге;
h – глубина погружения зонда за залог, см.
Значения АКФ – принимаются по табл. 7.
Таблица 7
Значения АКФ, МПа
Интервалы глубины зондирования, м
Разновидность
грунтов
0–1
1–2
2–3
3–4
4–5
5–6
Песчаные
3,40
3,25
3,00
2,75
2,40
2,15
Глинистые
2,75
2,70
2,62
2,50
2,25
1,90
Результаты зондирования оформляют в виде непрерывного ступен-чатого графика изменения по глубине значения условного динамического сопротивления грунтов Рq с последующим осреднением графика и вычис-лением средневзвешенных показателей зондирования для каждого слоя земляного сооружения. Пример оформления графика показан на рис. 5.
Песок мелкий Песок среднейкрупности6.55.310,04,93,66,504812ЗондированиеОбъект: а/д
Минск-Гродно ПК 343+20Место испытания: осьДата испытания: 05.06.07 г.675561110965454,4ОписаниегрунтаземляногосооруженияОсредненноезначениепоказательзондирова-ния, МПаПоказательзондированияРд, МПаГлубина, м
Рд, МПа
Pq,МПа Pq,МПа
Рис. 5. Результаты динамического зондирования земляного полотна
18
Границы грунтовых зон находят по физико-механическим характери-стикам грунтов, определяемых по номограммам (прил.5) по значению со-противления динамическому зондированию Рq .
2. МЕТОД СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ
2.1. Сущность метода [10]
В основе метода лежит сопротивление грунта при внедрении ко-нического наконечника под действием статической нагрузки.
Применяются различные приборы для измерения прочности грунтов. Принцип работы одного из таких приборов основан на изме-рении силы и глубины внедрения конуса в грунт (рис.6).
Для статического зондирования грунтов применяют конус с уг-лом образующей при вершине ϕ = 300 и диаметром основания d=36 мм.
Задачу о погружении конуса можно отнести к контактной задаче, в которой при внедрении конуса зависимость внешней силы от пере-мещения называется нелинейной вследствие увеличения площадки контакта по мере возрастания силы.
Рис.6. Идеализированные расчетные схемы: а) общая схема
сил; б) силы и напряжения, действующие на заглубленную
часть конуса
На поверхности конуса (см. рис.6) показана эпюра равномерно определенных нормативных напряжений σ1, которая является идеали-зацией задачи, позволяющей установить зависимость напряжений σ1 от силы Р и величины внедрения конуса z. В данном и во всех других 19 аналогичных случаях σ1 является средним нормальным напряжением на рассматриваемой поверхности.
В левой части рисунка условно показаны половина равнодейст-вующей нормальной силы на поверхности конуса 0,5N и соответст-вующая сила трения 0,5F.
Равнодействующая нормальных сил
RlANKπσσ11==, (22)
где АК – боковая поверхность заглубленной части конуса;
l – образующая боковой поверхности заглубленной
части конуса:
ϕcoszl= .
Радиус основания заглубленной части конуса
ϕtgzR=.
Выражение (22) для нормальной силы можно записать следую-щим образом:
ϕϕπσ221cossinzN=. (23)
Сила трения на боковой поверхности конуса
fNF=.
Запишем уравнение равновесия сил, действующих на конус:
Σ=−−=0cossinϕϕFNPZi. (24)
Используя выражения для сил, из (24) найдем
)tgtg(1ϕϕπσfzP22+=. (25)
Установим связь напряжений σ1 на наклонных площадках с вер-тикальными напряжениями σz (рис.6,б).
Из условия равновесия напряжения σz создают силу Р , эквива-лентную силе, создаваемой напряжениями σ1 на боковой поверхности конуса.
Выразим силу Р через напряжения σz:
. ϕπσπσ22z2zzRPtg==
Из уравнения (24) находим 12σσ=z.
20
Это означает, что нормальные напряжения σz на горизонтальных площадках равны удвоенным напряжениям σ1 на наклонных площад-ках.
Можно установить следующие предельные случаи формулы (6).
Для суглинков коэффициент трения скольжения стали о грунт со-ставляет f = 0,5−0,6.
Аналогичные данные для других грунтов содержатся в табл.8.
Принимая угол конуса ϕ равным углу трения стали о грунт (f=tgϕ), из (25) получим для суглинка
2221z2Pz2P≈≈ϕπσtg. (26)
Или, учитывая, что 12σσ=z, получим 2zPz=σ . (27)
Если с помощью конуса определять максимальную силу Р=Рmax , соответствующую максимальному заглублению конуса z=zmax =0,0312 м, то можно получить приближенную формулу для суглинка.
max1027Pz=σ. (28)
Таблица 8
Коэффициент трения скольжения стали о грунт
(по данным А.Н. Зеленина)
Разновидность грунтов
f=tgδ
Песок, супесь
0,45−0,50
Суглинок
0,50−0,60
Глина (включая сухую)
0,60−0,70
Следует отметить, что по сравнению с приближенными формула-ми (26),(27) для суглинка общая формула (25) является точной и по-зволяет установить зависимость нормальных напряжений σ на на-клонных площадках от глубины погружения конуса z и геометриче-ских параметров для любых деформируемых сред.
2.2. Статический плотномер СПГ-1
Статический плотномер СПГ-1 (табл.9) предназначен для опера-тивного контроля уплотнения грунтов земляного полотна и дополни-
21
тельных слоев оснований автомобильных дорог, аэродромов и прочих земляных сооружений, согласно [2] и п.4.79 [3].
Таблица 9
Общий вид и технические характеристики статического плотномера СПГ-1
Тип прибора − плотномер статического дейст-вия с силоизмерительным устройством в виде плоскопараллельного динамометра ДК 100
Габаритные размеры, мм
580х140х30
Параметры рабочих наконечников:
конуса, мм: угол при вершине диаметр основания высота конуса длина рабочего стержня
60 °С 16 15 150
усеченного конуса, мм: диаметр основания высота
10 80
Диапазон глубины зондирования, мм
0-150
Диапазон измерения нагрузки, daN
10-100
Цена деления шкалы, daN
2
Пределы допускаемой абсолют-ной погрешности, daN
±3
1−силоизмерительное
устройство
2−крепежная гайка
3−стержень
4−ограничительная
муфта
5−рабочий стержень
6−конус
7−усеченный конус
8−запасная шайба
Масса прибора, кг
Не более 3
Плотномер допускается к применению на любых грунтах, содер-жащих не более 15 % твердых включений крупностью свыше 2 мм.
При использовании плотномера для текущего и приемочного контроля плотности грунта не менее 1/3 измерений из общего количе-ства необходимо проводить стандартным весовым методом с отбора проб грунта кольцами по [9].
2.3. Выполнение контроля плотности
2.3.1. Контроль уплотнения грунта
Испытания с помощью статического плотномера производят в следующем порядке. Определяется разновидность грунта по [6] на основании определения полного зернового и микроагрегатного соста-ва по [8] для несвязных грунтов и число пластичности по [9] для связных разновидностей грунтов.
22
В зависимости от установленного вида грунта при сборке плотно-мера используется конус (для несвязных грунтов) или усеченный ко-нус (для связных грунтов) с ограничительной шайбой, установленной на него при завинчивании в рабочий стержень (см.табл.9).
На месте измерения выбирается площадка размером не менее 20х20 см. Верхний переуплотненный или разрыхленный слой на глу-бину 3−5 см снимается, основание зачищают и выравнивают.
Фиксирующую кнопку, расположенную на тыльной части дина-мометра, сдвигают налево от «0». Рабочий стержень ставят верти-кально к измеряемой поверхности и, нажимая на рукоять динамомет-ра плавно с постоянной скоростью, погружают наконечник в грунт до упора ограничительной муфты (или шайбы – при усеченном конусе) в поверхность грунта. Время его заглубления на всю длину должно со-ставлять примерно 10−12 с. После чего плотномер извлекают из грун-та, а показания на шкале динамометра записывают в журнал.
Пенетрацию повторяют на каждом месте 3−5 раз, при этом рас-стояние между точками измерения должно составлять не менее 12−15 см. За расчетную величину усилия принимают их среднеарифметиче-ское значение Pq. Показатели, отличающиеся от среднего более чем на 30 %, не учитываются.
Перед каждым последующим замером показание стрелки сбрасы-вается перемещением фиксирующей кнопки на «0».
По полученному значению силы пенетрации Pq по графику соот-ветствующего вида грунта определяется достигнутый коэффициент уплотнения Ку для несвязных и слабосвязных разновидностей грун-тов (рис.П.4.1−П.4.5), а для суглинка по рис.П.4.6.
В последнем случае для установления коэффициента уплотнения Ку необходимо определить влажность грунта по [9] или с помощью влагомера ВИМС-2 (прил.6).
В случае, когда наконечник плотномера упирается при измерении в какое-либо препятствие, что хорошо чувствуется при нажиме на ру-коять, пенетрометр извлекают из грунта и зондирование повторяют на новом месте.
Если наблюдается резкое расхождение между значениями коэф-фициента уплотнения Ку , полученными плотномером СПГ-1 и мето-дом режущего кольца по [9], следует провести дополнительную тари-ровку прибора на данном виде грунта с составлением нового графика зависимости Ку от Pq.
23
2.3.2. Тарировка зонда
Отбирается проба грунта массой 15−20 кг. Определяются вид грунта [6], оптимальная влажность и максимальная плотность мето-дом стандартного уплотнения по [7].
Тарировку производят при оптимальной влажности грунта в фор-мах диаметром 20 см и высотой 30 см по 3−4 точкам. Плотность дос-тигается уплотнением грунта под прессом в три слоя до степеней 0,90, 0,95, 098 и 1,00 Ку. В каждом случае делается 4−5 проколов пе-нетрометром и вычисляется среднее значение Pq. По окончании рабо-ты строится график зависимости Ку от Pq. Полученный график при-меняется при контроле степени уплотнения данного вида грунта в со-оружении.
3. ГРАДУИРОВКА ПРИБОРОВ
Для оценки степени уплотнения земляного сооружения по резуль-татам измерений методами статического и динамического зондирова-ния необходимо установить зависимости выходных характеристик приборов от характеристик уплотнения (ρd, Ку).
В качестве этих зависимостей используют: градуировочные гра-фики для конкретного вида грунта, применяемого при устройстве земляного сооружения; обобщенные корреляционные зависимости, связывающие плотность сухого грунта или коэффициент уплотнения с выходными характеристиками приборов.
Градуировку приборов следует производить для каждой разно-видности грунта, применяемого при возведении земляного сооруже-ния.
Отбор грунта следует производить перед началом или в процессе проведения работ. Масса средней пробы грунта, отбираемого для ис-пытаний, должна составлять не менее 10 кг при градуировке пенетро-метра и не менее 65−70 кг при градуировке динамического плотноме-ра и забивного зонда.
Перед градуировкой приборов необходимо определить оптималь-ную влажность и максимальную плотность грунтов методом стан-дартного уплотнения [7].
Подготовку образцов для градуировки или выбор участков следу-ет производить исходя из условия однородности по плотности, влаж-
24 ности и составу грунта. Допускается использовать для градуировки образцы грунта с коэффициентом вариации средних значений: коэф-фициента уплотнения − не более 0,025; весовой влажности − не более 0,1 для песчаных грунтов и 0,05 − для пылевато-глинистых грунтов.
До начала испытаний грунты в воздушно-сухом состоянии из-мельчают (только связные грунты), тщательно перемешивают и гото-вят образцы для испытаний при трех-четырех различных значениях влажности:
• для песчаных грунтов (табл.10);
• для глинистых грунтов
W1 = Wо – 8 %; W2 = Wо – 4 %; W3 = Wo; W4 = Wo + 2 %, где Wo− оп-тимальная влажность грунта при стандартном уплотнении [7].
Таблица 10
Значения влажностей для песка
Влажность грунта, %
Разновидность песка
W1
W2
W3
Гравелистый
2
4
6
Крупный
2
6
8
Средней крупности
4
6
9
Мелкий
4
7
10
Пылеватый
6
9
12
При указанных влажностях готовят образцы различной плотности с таким расчетом, чтобы при градуировке охватить диапазон измене-ния коэффициента уплотнения Ку в пределах 0,90−1,02.
Для получения указанного диапазона плотностей песчаные грунты для каждой из указанных в табл.10 влажностей уплотняют при трех различных нагрузках, глинистые − при четырех. Толщина уплотняе-мого слоя, количество ударов и параметры трамбовки приведены в табл. 11.
Образцы грунта должны иметь размеры, исключающие влияние на результаты измерений границ раздела «грунт-стенка» формы, в ко-торой приготавливается образец.
Для приготовления образцов грунта необходимо следующее обо-рудование: металлическая форма диаметром 30 и высотой 15 см (при градуировке пенетрометра) и диаметром 30 и высотой 40 см (при гра-дуировке динамического плотномера и забивного зонда).
25
Конструктивно металлические формы выполняются по схеме прибора для стандартного уплотнения.
Таблица 11
Толщина уплотняемого слоя, количество ударов и параметры трамбовки
Градуируемые приборы
Основные параметры
Пенетрометр
Динамический плотномер
и забивной зонд
Диаметр трамбовки, мм
150
150
Масса груза, кг
5
5
Высота падения груза, мм
500
500
Толщина уплотняемого слоя, мм
50
50
Количество ударов по одному следу на каждый слой при уплот-нении: песчаных грунтов
глинистых грунтов
2-4-10
2-4-10
3-5-8-12
3-5-8-12
Для изготовления образцов грунт при влажности W1 насыпают в форму и послойно уплотняют минимально требуемым числом ударов по одному следу. В приборе стандартного уплотнения и в форме для градуировки пенетрометра грунт следует уплотнять в три слоя, в форме для градуировки динамического плотномера и забивного зонда − в восемь слоев. При уплотнении последнего (верхнего) слоя на форму сверху необходимо надевать насадку. После окончания уплот-нения насадку снимают и выступающий грунт осторожно срезают ножом по верхней кромке формы.
При уплотнении грунтов в форме диаметром 30 см после каждо-го удара трамбовки меняют ее местоположение по слою в шахматном порядке. При этом для выполнения "одного удара по одному следу" необходимо сделать 4 удара трамбовкой.
Для определения плотности сухого грунта форму с грунтом взвешивают и с нижней и верхней частей образца отбирают пробы грунта на влажность. Плотность сухого грунта определяют по ГОСТ 5180.
Далее при влажности W1 приготавливают остальные образцы грунта путем уплотнения нагрузками, указанными в табл.3. Анало-гичным образом готовят образцы при влажностях W2, W3, W4. Общее число испытаний при градуировке приборов должно составлять не 26
менее 18 для песчаных и не менее 32 для глинистых грунтов.
3.1. Градуировка динамического плотномера Д-51
и забивного зонда Л 33 в лабораторных условиях
Динамический плотномер устанавливают строго вертикально на зачищенную поверхность грунта в центре формы. Конический нако-нечник плотномера забивают в грунт и фиксируют количество уда-ров, необходимых для погружения наконечника на участке зондиро-вания от 20 до 30 см.
По данным испытаний определяют условное динамическое со-противление грунта Pq по формуле
,1,03020hNaPq−⋅⋅= (29)
где постоянная для данного прибора величина а (кг/см) равна
()(),314,0SqQQHqQa++= (30)
где Q − масса груза, кг;
q − масса плотномера без груза, кг;
H − высота падения груза, см;
S − площадь поперечного сечения конуса, см2;
N20-30 − количество ударов, необходимое для погружения конуса
на участке зондирования от 20 до 30 см;
h− глубина погружения конуса, соответствующая числу ударов
N20-30, см (для рассматриваемого случая h = 10 см).
По результатам испытаний строят градуировочные графики за-висимости условного динамического сопротивления грунта от харак-теристик уплотнения и влажности. Для песчаных грунтов строят гра-фик вида ρd = f (Pq) или k = f (Pq), для глинистых − график вида Pq = f (ρd. W) или Pq = f (К , W).
Графики, построенные по результатам градуировки динамиче-ского плотномера, используют также для расшифровки результатов динамического зондирования, выполняемого с помощью забивного зонда.
27
3.2. Градуировка динамического плотномера
и забивного зонда в полевых условиях
Градуировку приборов необходимо совмещать с пробным (опытным) уплотнением грунтов, выполняемым для уточнения тол-щины уплотняемого слоя, количества проходов уплотняющих средств по одному следу и оптимальной влажности грунта.
Градуировку приборов следует производить для каждого вида грунта, используемого при влажности строительства земляного со-оружения. Перед градуировкой надлежит определить оптимальную и максимальную плотности грунтов методом стандартного уплотнения [7].
Пробное уплотнение грунта производят по методике, приве-денной в Руководстве [4].
Отбор проб уплотненного грунта следует осуществить в зоне однородного уплотнения в соответствии с диаграммой проходов уп-лотняющей машины по ширине опытной площадки из средней части уплотняемого слоя. Рядом с этими точками проводят испытания гра-дуируемых приборов.
Отбор проб и испытание приборами производят перед началом работы основной уплотняющей машины, а затем через каждые 4 про-хода по одному следу.
По результатам проведенных испытаний строят зависимости плотности сухого грунта или коэффициента уплотнения грунта от выходных характеристик градуируемых приборов и влажности. Ха-рактер этих зависимостей аналогичен зависимостям, получаемым при градуировке в лабораторных условиях (см.п. 3.1).
3.3. Методика построения градуировочных графиков
Для песчаных грунтов, содержащих менее 3−5 % глинистых час-тиц, влажность в пределах значений, указанных в табл. 10, практиче-ски не влияет на характер зависимости плотности сухого грунта ρd или коэффициента уплотнения Ку от выходных характеристик П при-боров, с помощью которых производят контроль качества уплотнения земляного сооружения. Поэтому через точки на графике ρd (К) = f (П) можно провести одну осредняющую прямую (рис.7,а). При большем содержании глинистых частиц влияние влажности на характер зави-симости ρd = f (П) будет значительнее. В этом случае на графике можно провести несколько осредняющих прямых (или кривых) для 28
каждого значения влажности. Градуировочные графики для таких грунтов строят так же, как и для глинистых грунтов.
Для глинистых грунтов градуировочные графики строят в виде зависимости П = f (ρd , W) или П = f (к , W). На горизонтальной оси откладывают значения плотности ρd, на вертикальной − соответст-вующие значения выходных характеристик П при данном значении влажности W (рис.7,б). Для каждого значения влажности (W1 – W4) получают отдельную кривую.
Примеры построения градуировочных графиков и оценка их по-грешности приведены в п. 3.4.
а) б)
d L,ρ
1 8, 1,71,61,5 1 6,1 7,1 8,1 9, ППd Lρ , г/см3W1W2 W3 W4
Рис. 7. Градуировочные графики: а – для песчаных;
б – глинистых грунтов
3.4. Правила и примеры определения погрешности
градуировочной зависимости
Относительную погрешность ε определения коэффициента уп-лотнения грунта по экспериментально установленной градуировоч-ной зависимости находят по формуле
,остNКStуp⋅⋅=ε (31)
где уК– среднее арифметическое значение коэффициента уплот-нения для всех серий испытаний (всей выборки); 29
N – количество серий испытаний;
Sост– остаточная дисперсия, характеризующая разброс данных испытаний относительно аппроксимирующей линии градуи-ровочной зависимости:
(),т2ост2iуiуiККn2N1SΣ−−= (32)
здесь iуК– измеренные средние арифметические значения коэффи-циента уплотнения градуировочной грунтовой среды для дан-ной серии;
– коэффициенты уплотнения, определяемые по градуиро-iуКтвочной зависимости;
ni – количество измерений в одной серии;
tp – коэффициент, определяемый по табл. 12 в зависимости от числа степеней свободы f = N-1.
Таблица 12
Значение коэффициента tp
f
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
tp
1,89
1,64
1,53
1,48
1,44
1,41
1,40
1, 38
1,37
1,36
1,36
3.4.1. Построение градуировочной зависимости
и определение ее погрешности
Для построения градуировочной зависимости между условным динамическим сопротивлением грунта Рq и коэффициентом уплотне-ния К мелкого песка испытано 10 серий образцов (N = 10) по три об-уразца в каждой серии (n = 3) соответственно методом динамического iзондирования и объемно-весовым методом [9]. Средние результаты по каждой серии приведены в табл. 13.
По данным табл. 13 (графы 3 и 4) строят градуировочную зависи-мость "К – Руq" (рис. 8), по которой определяют значения коэффици-ента уплотнения Кт для соответствующих значений Рq.
Средние результаты испытаний 0,990,950,910,87Ку1,03,05,07,09,0Pq, МПа
Данные градуировки
Серия
Количество измерений
в серии ni
Рq, МПа
Коэффициент
уплотнения по iуiКnградуировочной по объ-зависимости емно-весовому методу
1
3
2,0
0,91
0,92
3 · 10-4
2,73
2
3
2,8
0,92
0,93
-45,07 · 10
2,76
3
3
4,2
0,97
0,96
3,0 · 10-4
2,91
4
3
5,1
0,96
0,97
3,0 · 10-4
2,88
5
3
6,4
0,99
0,99
0
2,97
6
3
8,7
1,01
1,01
0
3,03
7
3
3,0
0,96
0,94
1,2 · 10-3
2,88
8
3
5,6
0,97
0,98
3 · 10-4
2,91
9
3
1,7
0,89
0,90
3 · 10-4
2,67
10
3
11,0
1,03
1,02
3 · 10-4
3,09
Рис.8. Градуировочная зависимость коэффициента
уплотнения Ку от условного динамического
сопротивления грунта Рq
Погрешность градуировочной зависимости определена по фор-мулам (31) и (32): 31
96,03083,28==ΣΣ⋅=iiуiуnКnK;()Σ⋅=⋅=−=−⋅−=−−432210384,410507,3210121iтуiуiтосККnNS; 2т1009,2−⋅=осS; %,1105,91096,01009,238,132≈⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅=−−NКstутосpε
где tp = 1,38 для числа степеней свободы f = N - 1 = 10 – 1 – 9 (см. табл. 12).
Градуировочная зависимость может быть использована для опре-деления коэффициента уплотнения грунтов земляных сооружений, если величина ее относительной погрешности не превышает 0,015[5].
В примере ε = 1 % < 1,5 %, следовательно, погрешность градуи-ровочной зависимости в пределах нормы.
3.4.2. Проверка градуировочной зависимости
Пригодность градуировочной зависимости, приведенной в п.3.4.1, для оценки степени уплотнения земляных сооружений, возводимых из песков мелких другого региона, определена следующим образом. На опытных площадках проводили параллельные испытания объем-но-весовым методом и методом динамического зондирования. Ре-зультаты измерений приведены в табл. 14.
Таблица 14
Результаты измерений
Коэффициенты уплотнения определенные
Серия
Количество
измерений в серии ni
объемно-весовым методом iуK
по градуировочной зависимости iуKт
1
2
0,93
0,92
2 · 10-4
1,86
2
3
0,95
0,96
3 · 10-4
2,85
3
2
0,97
0,96
2 · 10-4
1,94
4
3
0,96
0,96
0
2,88
5
3
0,94
0,93
3 · 10-4
2,82
6
2
0,99
1,01
8 · 10-4
1,98
32
Погрешность определения коэффициента уплотнения грунта по градуировочной зависимости определяется по формулам (31) и (32) п.3.4: 96,01533,14==уK;105,4108,1261432ост−−⋅=⋅⋅−=S,1012,22ост−⋅=S; %,33,11033,1696,01012,248,132≈⋅=⋅⋅⋅=−−ε
где tp = 1,48 для f = N – 1 = 6 – 1 = 5 по табл. 12.
ε = 1,33 % < 1,5 %, следовательно, поверяемая градуировочная зави-симость удовлетворяет требованиям норм, при которых величина от-носительной погрешности не превышает 0,015[5].
3.4.3. Допустимая разница Δ результатов параллельных
определений показателей
При контроле качества уплотнения земляного сооружения количе-ство и расположение мест (точек) измерений назначают в соответст-вии с требованиями нормативных документов или проекта. Количест-во параллельных измерений в месте (точке) испытаний принимают не менее двух. Разница между параллельными определениями не должна превышать значений, указанных в табл.15. Если разница превышает допустимую, количество определений следует увеличить.
Таблица 15
Допустимая разница Δ результатов параллельных определений показателей
Условное динамическое сопротивление грунта Рq, МПа
Песчаные грунты
Глинистые грунты
1–5
5–8
8–10
> 10
1–3
3–5
5–7
> 7
Δ,
0,8
1,0
1,3
1,7
0,3
0,5
0,8
1,0 МПа
Степень уплотнения грунта определяют по среднему значению измеренного показателя в данном месте, пользуясь установленной градуировочной зависимостью. Окончательный результат для коэф-фициента уплотнения следует выражать с точностью 0,01.
 

 

 
 
 

Остались вопросы? Хотите узнать цены или оставить заявку?  Задать вопрос