СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА ПРИ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Название	СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА ПРИ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Разработчик (Авторы)	Кузьмин Г.П., Вахрин И.С.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2569915
Дата регистрации	02.10.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное Учреждение науки - Институт мерзлотоведения им.П.И.Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических характеристик грунтов, и может быть использовано при испытании образцов грунта в условиях невозможности бокового расширения (компрессионных испытаниях).

Известен «СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» RU 2328718 [1], заключающийся в том, что для определения характеристик грунта путем воздействия на него ударами поочередно поднимаемого и сбрасываемого тарированного груза с заданной высоты собирают контейнер, устанавливают его на жесткое неподвижное основание, загружают в него слой подготовленного к испытанию увлажненного образца грунта и устанавливают на него наковальню, а затем устанавливают на наковальню стержень с подвижным тарированным грузом и путем попеременного поднятия груза на заданную высоту и сбрасывания груза на наковальню заданным количеством ударов уплотняют этот слой образца грунта, а после обработки данных по необходимому количеству образцов устанавливают зависимость плотности скелета грунта от влажности и по графику этой зависимости определяют максимальную плотность скелета грунта (Y макс) и оптимальную влажность (W опт), при которой достигнута максимальная плотность.

Недостатками известной конструкции является неточность определения характеристик грунта, определяемая импульсным характером воздействия на грунт.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ПЕСЧАНОГО ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ» RU 2098553 [2], включающий определение объема образца грунта, измерения производят на более чем двух ступенях давления (в одометре), причем при увеличении давления от ступени к ступени измеряют приращение деформации грунта (при измерении образцы выдерживают до стабилизации деформации).

Известный способ позволяет получить более точные и объективные измерения компрессионных параметров грунта по сравнению с [1].

Недостатком известного способа является невозможность определения взаимосвязи деформационных характеристик грунтов от показателей физических их свойств и, соответственно, узкая область применения способа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения благодаря возможности определения плотности сухого грунта на всех ступенях давления без дополнительных операций и измерений.

Технический результат достигается тем, что способ определения плотности сухого грунта при компрессионных испытаниях, включающий определение объема основного образца грунта, измерения производят на более чем двух ступенях давления (в одометре), причем при увеличении давления от ступени к ступени измеряют приращение деформации грунта (при измерении образцы выдерживают до стабилизации деформации), характеризуется тем, что дополнительно изготавливают идентичный основному дополнительный образец, производят высушивание дополнительного идентичного образца грунта до установления постоянной массы, измеряют массу и объем высушенного образца грунта, рассчитывают начальную плотность высушенного грунта, затем определяют путем вычислений плотность грунта на всех ступенях давления.

Высушивание образцов грунта можно производить при 105ºC до установления постоянной массы. Указанные параметры высушивания позволяют гарантированно удалить воду при малом разрушении исходной структуры образца.

Плотность грунта для всех значений давлений можно определять по формуле , где  - начальная плотность сухого грунта; h₀ - начальная высота образца грунта; Δh=h_i-h₀ - абсолютная деформация.

Указанная формула позволяет определить плотность на всех ступенях давления при минимальном наборе вычисляемых параметров.

Характеристики деформационных свойств грунтов определяют по результатам испытаний образцов в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового их расширения при действии вертикального давления. Обычно используют приборы с нагружением образцов ступенями с выдержкой на каждой ступени давления до условной стабилизации деформаций. В процессе экспериментов на каждой ступени давления фиксируют деформации образца.

Для определения коэффициента сжимаемости a₀ и модуля деформации E по результатам испытания на каждой ступени вычисляют:

- абсолютную вертикальную деформацию образца грунта Δh;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта 

- коэффициент пористости грунта e_i при давлении p_i по формуле

где e_o - начальный коэффициент пористости; p_i - давление на образец;

Начальные значения физических характеристик грунта определяют расчетным путем по измеренным значениям массы m и объема V образца, массы сухого образца m_d и объема твердых частиц V_d:

- плотность сухого грунта

- влажность грунта

- коэффициент пористости

- относительное содержание воздуха [1]

Из приведенных в (1 - 5) показателей физических характеристик грунтов на каждой ступени давления компрессионных испытаний определяется только коэффициент пористости по формуле (1). В процессе компрессионных испытаний образцов масса сухого грунта m_d остается постоянной.

Способ определения плотности сухого грунта ρ_d в процессе компрессионных испытаний заключается в том, что из исследуемого грунта изготавливают два идентичных образца. Один образец используют для определения физических характеристик грунта, в том числе начальной плотности сухого грунта ρ_d,0. Для этого определяют начальный объем образца V₀, высушивают его при температуре 105^ºC до установления постоянной массы, определяют массу высушенного образца m_d и вычисляют начальную плотность сухого грунта по формуле

Второй образец помещают в металлический цилиндр компрессионного прибора, испытывают его под ступенчато-возрастающим давлением с выдержкой на каждой ступени до условной стабилизации деформации и определением абсолютной деформации образца Δh. При испытаниях в условиях невозможности бокового расширения объем образца изменяется только за счет изменения его высоты и определяется по формуле

где S - площадь поперечного сечения образца, h₀ - начальная высота образца.

Так как масса сухого грунта m_d=ρ_d,0Sh₀ при этом остается неизменной, плотность его на всех ступенях давления на основании зависимостей (6) и (7) определяется по формуле

Пористость и коэффициент пористости определяются соответственно формулами

Подставляя в (9) и (10) найденное выражение (8), находим пористость и коэффициент пористости на всех ступенях давления

Таким образом, на всех ступенях давления при компрессионных испытаниях талых грунтов можно установить зависимости коэффициента сжимаемости a, пористости n и коэффициента пористости e от плотности сухого грунта ρ_d.

Технический результат - расширение области применения достигается применением сравнительного анализа образцов грунта, в том числе и талого для получения всего набора деформационных характеристик грунта.

Промышленное применение. Предлагаемый способ измерения деформационных характеристик грунтов при компрессионных испытаниях может с успехом применяться для исследования грунтов.

Формула изобретения

1. Способ определения плотности сухого грунта при компрессионных испытаниях, включающий определение объема основного образца грунта, измерения производят на более чем двух ступенях давления, причем при увеличении давления от ступени к ступени измеряют приращение деформации грунта, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают идентичный основному дополнительный образец, производят высушивание дополнительного идентичного образца грунта до установления постоянной массы, измеряют массу и объем высушенного образца грунта, рассчитывают начальную плотность высушенного грунта, затем определяют путем вычислений плотность грунта на всех ступенях давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют плотность грунта для всех значений давлений по формуле
,
где  - плотность сухого грунта,
h  - начальная высота образца,
 - абсолютная деформация образца.

Изобретение "СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГРУНТА ПРИ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ" (Кузьмин Г.П., Вахрин И.С.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога