СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КОНСОЛИДАЦИИ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА Российский патент 1994 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для инженерно-строительных изысканий. Оно предназначено для определения коэффициента консолидации грунта непосредственно в процессе испытания образцов грунта в лабораторных условиях.

Известен способ определения коэффициента консолидации глинистых грунтов с нарушенной и ненарушенной структурой [1,2] , включающий загрузку образца в компрессорный прибор, уплотнение его природной нагрузкой при закрытой дренажной системе до стабилизации начального давления в поровой воде, уплотнение дополнительной нагрузкой от возводимого здания или сооружения при закрытой дренажной системе, а после стабилизации порового давления открывают дренажную систему и замеряют изменение порового давления во времени до начального давления в поровой воде, коэффициент консолидации грунта определяют по формуле
C_v= , (I) где К_ф - коэффициент фильтрации грунта;
m_v - коэффициент относительной сжимаемости грунта;
γ _w - удельный вес воды.

Недостатком данного способа является погрешность в определении коэффициента консолидации, которая обусловлена тем, что коэффициенты, входящие в расчетную формулу (1), определяются без учета создания начального природного напряженного состояния в образце грунта.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения коэффициента консолидации глинистого грунта, включающий загрузку образца в компрессорный прибор, полное насыщение его водой при закрытой дренажной системе и приложение к нему ступени уплотняющей нагрузки, которую выдерживают до полной стабилизации порового давления Р_wmax, а при открытой дренажной системе измеряют падение порового давления во времени, строят график изменения порового давления во времени на участке кривой падения порового давления, соответствующего процессу фильтрационной консолидации грунта, отмечают две произвольные точки и по их координатам определяют величину порового давления Р_w1 и Р_w2 и соответствующий интервал времени Δ t, на котором происходит падение порового давления от Р_w1 до Р_w2, а коэффициент консолидации С_v находят по формуле:
C_v= 0,3 , (2) где 0,3 - эмпирический коэффициент;
Н - высота кольца однометра с образцом грунта, м (3).

Недостатком данного способа является погрешность в определении коэффициента консолидации, которая обусловлена тем, что при загрузке образца в компрессионный прибор его сначала уплотняют природной нагрузкой и после этого полностью насыщают водой, что не позволяет создать в образце напряженное состояние, близкое к исходному природному напряженному состоянию грунта в массиве. В результате этого при приложении ступени уплотняющей нагрузки при закрытой дренажной системе и выдерживании ее до полной стабилизации порового давления Р_wmax, в определении Р_wmax возникает погрешность, которая будет влиять на весь характер изменения порового давления во времени при открытой дренажной системе, т. е. значения Р_w1 и Р_w2, входящие в формуле (2) и взятые с кривой падения порового давления, будут искажать результаты расчета коэффициента консолидации глинистого грунта. Использование коэффициента консолидации, определенного данным способом, при решении задач консолидации глинистых грунтов может привести к неправильной оценке напряженно-деформированного состояния массива грунта, находящегося в основании здания или сооружения, а следовательно, вызвать аварийную ситуацию.

Целью изобретения является повышение точности определения путем создания природного напряженного состояния грунта.

Цель достигается тем, что в способе определения коэффициента консолидации глинистого грунта, включающем размещение образца грунта в компрессионном приборе, насыщение его водой, последующее приложение ступени нагрузки при закрытой дренажной системе до стабилизации порового давления в образце, измерение изменения во времени порового давления под приложенной нагрузкой при открытом дренаже и расчет коэффициента консолидации по измеренным данным, согласно изобретению насыщение образца грунта производят путем создания в поровой воде начального гидростатического давления, равного весу столба воды над точкой отбора образца, и одновременно дополнительно уплотняют образец грунта природной нагрузкой, причем природную нагрузку и гидростатическое давление прикладывают ступенчато с определением на каждой ступени давления коэффициента фильтрации грунта, при этом измерение падения величины порового давления во времени осуществляют при сохранении постоянным начального гидростатического давления, а коэффициент консолидации рассчитывают по формуле:
C_v= , (3) где С_v - коэффициент консолидации грунта;
K - начальный коэффициент фильтрации грунта, см/с;
А и m - коэффициенты, полученные при обработке данных по определению К_ф при ступенчатом приложении природного и гидростатического давлений;
Р - уплотняющее давление, МПа;
Р_w - поровое давление в рассматриваемый момент времени, МПа;
γ_w - удельный вес грунта, г/см³;
n - пористость грунта;
S - начальная степень влажности грунта;
α - коэффициент растворимости Генри для смеси газов.

На фиг. 1,2 приведены схемы отбора образца грунта соответственно из континентальных отложений ниже уровня грунтовых вод (у. г. в) и из донных отложений водных акваторий; на фиг. 3 - графики развития давления Δ Р_w в поровой воде образца во времени t; на фиг. 4 - графики изменения начального гидростатического давления P_wo во времени t при уплотнении образца грунта ступеням (от I до V) давления Δσ ; на фиг. 5 - график зависимости коэффициента фильтрации К_ф давления в поровой воде Р_w.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец грунта нарушенной или ненарушенной структуры загружают в компрессионный прибор между верхним неперфорированным штампом и нижним перфорированным штампом, через который в центре образца до середины его высоты вводится тонкая перфорированная игла, соединенная с датчиком порового давления. В нижней части прибора под перфорированным штампом предусмотрена гидравлическая камера, которая заполнена дегазированной водой и соединена посредством трубопровода и кранов с напорным бачком. Тонкая перфорированная игла, соединенная с датчиком порового давления, проходя через гидравлическую камеру и нижний перфорированный штамп, изолирована от гидравлической камеры. Напорный бачок наполнен дегазированной водой и соединен посредством трубопроводов и кранов с компрессором. Образец грунта уплотняют природной нагрузкой σ , равной весу грунта над рассматриваемой точкой в массиве
σ= γ˙H (фиг. 1)
и
σ= Hγ+(H_w-H)γ_w (фиг 2. ), где γ - удельный вес грунта в массиве;
Н - глубина отбора образца;
Н_w - высота столба воды над точкой отбора образца грунта;
γ _w - удельный вес воды.

Одновременно с приложением давления на поровую воду в образце создают начальное гидростатическое давление P, равное весу столба воды над рассматриваемой точкой в массиве.

Рw_o = H_w ˙ γ _w
Приложение давления σ и создание начального гидростатического давления P создают ступенчато. Ступень Δσ = 0,5-0,1 МПа, а ступень Δ P= 0,025 - 0,05 МПа. Ступень природной уплотняющей нагрузки прикладывают к образцу через верхний неперфорированный штамп при помощи нагрузочного устройства компрессионного прибора путем набора гирь. А ступень начального гидростатического давления Δ P создают в гидравлической камере под нижним перфорированным штампом через напорный бачок, в котором заданное давление в воде создается сжатым воздухом от компрессора. При приложении ступени давления внутри образца возникает давление в поровой воде Δ P (фиг. 3), которое может быть или больше Δ P (ΔP_wH^l), тогда наблюдается фильтрация воды из образца, или меньше Δ P (ΔP_wп^ll), тогда наблюдается инфильтрация воды в образец.

Ступени давления Δσ и Δ P выдерживают во времени до установления в поровой воде образца, созданного в гидравлической камере начального гидростатического давления. Строятся на каждой ступени кривые развития этого давления во времени (фиг. 4) и по ним определяется коэффициент фильтрации грунта. Для определения коэффициента фильтрации решается уравнение
P_w-P sin e= 0, (4) где Р_w - давление в поровой воде в момент времени t;
P - начальное гидростатическое давление; Р_w - начальное давление в поровой воде в момент приложения уплотняющего давления σ ;
h - высота образца грунта;
z - координата точки определения давления в поровой воде по высоте образца;
N= π²c_vt/4h² ;
t - время замера давления Р_w; C_v= K_ф/ γ_w(m_vs+n˙ m_w) -коэффициент консолидации;
К_ф - коэффициент фильтрации грунта;
m_vs - коэффициент относительной сжимаемости скелета грунта;
m_w - коэффициент сжимаемости поровой воды.

Коэффициент относительной сжимаемости скелета грунта определяется по известной формуле из компрессионных испытаний.

Коэффициент сжимаемости поровой воды определяется по формуле
m_w= , (5) где S'_r - степень влажности при давлении Р^'_w;
S''_r - степень влажности при давлении Р''_w; Δ P_w= P''_w-P'_w - изменение давления в поровой воде.

Степень влажности образца грунта определяется по формуле
S= , (6) где Р''_w - текущее значение давления в поровой воде;
Р'_w - предыдущее значение давления в поровой воде.

Решение уравнения (4) позволяет получить значение коэффициента фильтрации в данный момент времени t. Уравнение (4) решается численно с применением разработанной программы для ЭВМ, что позволяет по кривой развития в поровой воде давления Δ Р_w на данной ступени нагрузки для большего количества значений времени t установить значения коэффициента фильтрации. Используя методы статистической обработки результатов определения К_ф можно установить окончательное значение коэффициента фильтрации для данной ступени нагрузки.

Коэффициент фильтрации грунта определяется таким образом на всех ступенях приложения уплотняющей природной нагрузки и одновременного создания начального гидростатического давления в поровой воде грунта. Это позволяет получить зависимость коэффициента фильтрации данного грунта от давления в поровой воде (фиг. 3). Апроксимация полученных результатов определения коэффициента фильтрации дает степенной вид этой зависимости. К_ф = K(1+АР_w^m) (7)
После уплотнения образца грунта природной нагрузкой с одновременным созданием в поровой воде начального гидростатического давления дренажную систему закрывают. Для этого гидравлическую камеру при помощи кранов отсекают от напорного бачка. К образцу прикладывают ступень уплотняющей нагрузки Р. Образец под этой нагрузкой выдерживают до стабилизации порового давления, что фиксируется по датчику порового давления. Затем дренажную систему открывают, но в процессе уплотнения грунта под действием приложенной ступени уплотняющей нагрузки в гидравлической камере начальное гидростатическое давление поддерживается постоянным. При открытой дренажной системе уплотнение образца под действием приложенной ступени уплотняющей нагрузки происходит за счет выдавливания воды из пор грунта через нижний перфорированный штамп в гидравлическую камеру и далее по трубопроводу в напорный бачок, что приводит к падению давления в поровой воде в образце до значения начального гидростатического давления. Изменение порового давления в воде фиксируется при помощи датчика порового давления во времени. Коэффициент консолидации глинистого грунта для каждого момента времени определяют по формуле (3).

Таким образом, данный способ определения коэффициента консолидации глинистого грунта обеспечивает повышение точности его определения за счет создания начального природного напряженного состояния, за счет учета переменности коэффициента фильтрации, сжимаемости поровой газосодержащей жидкости, что позволяет с большей достоверностью прогнозировать напряженно-деформированное состояние массивов многофазных глинистых грунтов в основании возводимых зданий и сооружений, правильно устанавливать темпы возведения и пуска их в эксплуатацию. (56) Терцаш К. Теория механики грунтов. М. : Госстройиздат, 1961, с. 276-307.

А. Бишоп и Д. Хенкель. Определение свойств грунта в 3-осных испытаниях. М. , Изд. Лит. по строительству, архитектуре и стройматериалов, 1961, с. 168, 169.

Авторское свидетельство СССР N 1320746, кл. G 01 N 33/24, 1985.

Использование: в области инженерно-строительных изысканий для определения свойств грунта при компрессионных испытаниях. Сущность: образец грунта помещают в компрессионный прибор, уплотняют природной нагрузкой σ и одновременно создают в нем начальное гидростатическое давление , равное весу столба воды над точкой отбора образца ступенями Δσ и . На каждой ступени давления определяют коэффициент фильтрации K_ф. Затем образец уплотняют нагрузкой Р при закрытом дренаже до стабилизации порогового давления P_W. После чего открывают дренажную систему и измеряют падение величины порогового давления во времени при поддержании постоянным начального гидростатического давления . Коэффициент консолидации грунта рассчитывают по измеренным данным с учетом физических свойств грунта и коэффициента растворимости Генри для смеси газов. 5 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КОНСОЛИДАЦИИ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА, включающий размещение образца грунта в компрессионном приборе, насыщение его водой, последующее приложение ступени нагрузки при закрытой дренажной системе до стабилизации порового давления в образце, измерение изменения во времени порового давления под приложенной нагрузкой при открытом дренаже и расчет коэффициента консолидации по измеренным данным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения путем создания природного напряженного состояния грунта, насыщение образца грунта производят путем создания в поровой воде начального гидростатического давления, равного весу столба воды над точкой отбора образца, и одновременно дополнительно уплотняют образец грунта природной нагрузкой, причем природную нагрузку и гидростатическое давление прикладывают ступенчато с определением на каждой ступени давления коэффициента фильтрации грунта, при этом измерение падения величины порового давления во времени осуществляют при сохранении постоянным начального гидростатического давления, а коэффициент C_v консолидации расчитывают по формуле:
C_v=
где K_фo - начальный коэффициент фильтрации грунта;
A и m - коэффициенты, полученные при обработке данных по определению при ступенчатом приложении природного и гидростатического давлений;
P - уплотняющее давление;
P_w - поровое давление в рассматриваемый момент времени;
γ_w - удельный вес грунта;
n - пористость грунта;
S_ro - начальная степень влажности грунта;
α - коэффициент растворимости Генри для смеси газов.