СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 1998 года по МПК E02D3/46 E02D3/10 

Изобретение относится к строительству, а именно к способам уплотнения грунта.

Известен способ уплотнения грунта путем передачи на него уплотняющего воздействия [1].

Однако этим нельзя достичь высокой степени уплотнения из-за того, что между частицами грунта имеет место значительное трение, препятствующее их взаимному перемещению при передаче на него уплотняющего воздействия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ уплотнения грунта [2], включающий определение его оптимальной и фактической влажности, изменение фактической влажности до оптимальной и передачу на грунт уплотняющего воздействия.

Известный способ имеет следующие недостатки. При его реализации нельзя достичь высокой степени уплотнения грунта и при этом - наименьших затрат энергии (работы) по следующим причинам. Если осуществляют уплотнение грунта, который, до передачи на него уплотняющего воздействия, имел фактическую влажность меньше оптимальной, то ее увеличивают до оптимальной и наоборот. При этом не учитывают продолжительность периода времени между окончанием процесса увлажнения грунта и передачей на него уплотняющего воздействия, если фактическая влажность грунта меньше оптимальной, и продолжительность процесса подсушивания грунта, если его фактическая влажность больше оптимальной. В первом случае невозможно получить высокую плотность грунта и минимум затрат энергии на его уплотнение из-за того, что после замачивания грунта для того, чтобы в наибольшей степени проявился смазывающий эффект аутогенной пленки и ад- и абсорбированной воды и, соответственно, в наибольшей степени снизилось сопротивление взаимному перемещению частиц грунта относительно друг друга, необходимо определенное время, зависящее от скорости диффузии воды в аутогенную пленку [4]. Именно это время выдерживания грунта при влажности, соответствующей оптимальной, и не учитывается в известном способе. При этом в наибольшей степени смазывающий эффект проявляется в том случае, когда глубина диффузии воды в пленку соответствует глубине взаимного проникания шероховатостей частиц грунта в зонах их контакта при передаче на грунт уплотняющего воздействия. Именно наличие воды в пленке, являющейся смазкой, и обеспечивает эффективное снижение трения между частицами грунта [5] и соответственно его уплотнение.

Во втором случае при продолжительном выдерживании грунта с влажностью превышающей оптимальную, негативное воздействие воды на грунт превосходит положительное влияние смазки - гидратированной пленки. Влияние состоит в том, что диффузия воды приводит к увеличению глубины гидратации пленки по сравнению с глубиной взаимного проникания шероховатостей контактирующих частиц грунта. При этом она увеличивается в объеме, что способствует снижению плотности грунта, и, кроме того, в контактных зонах пленка по мере выдерживания все в большей степени демпфирует уплотняющее воздействие. Последнее также приводит к снижению эффективности процесса уплотнения (уменьшению плотности грунта, повышению затрат энергии на осуществление уплотнения).

Цель изобретения - повышение плотности грунта и снижение затрат энергии на его уплотнение.

Цель достигается тем, что в известном способе уплотнения грунта, включающем определение его оптимальной и фактической влажности, изменение фактической влажности до оптимальной и передачу на грунт уплотняющего воздействия, после определения оптимальной и фактической влажности устанавливают время T_опт выдерживания грунта при оптимальной влажности, затем изменяют фактическую влажность до оптимальной и осуществляют при ней выдерживание грунта в течение времени T_опт, а потом передают на грунт уплотняющее воздействие.

При реализации этого способа наблюдаются следующие процессы. На поверхности частицы грунта имеется аутогенная пленка. При замачивании вода сорбируется на ней и диффундирует в ее толщу. По мере увеличения влажности (от соответствующей воздушно-сухому состоянию) до оптимальной улучшается качество смазки между зернами грунта в местах их контакта, при этом по мере выдерживания грунта пленка становится гидратированной все на большую глубину. До тех пор, пока глубина гидратированной части возрастает до значения, соответствующего высоте шероховатостей контактирующих зерен грунта, увеличение продолжительности выдерживания, при оптимальной влажности, положительно сказывается на характере его уплотнения (плотность грунта, затраты энергии). При дальнейшем выдерживании грунта имеет место гидратирование более глубоко расположенных слоев пленки и они становятся своеобразным демпфером, снижающим эффективность процесса уплотнения. Кроме того, гидратированная пленка имеет меньшую твердость. Это способствует тому, что при возрастании продолжительности выдерживания грунта сверх оптимальной, кристаллические выступы шероховатостей контактирующих частиц грунта все в большей степени непосредственно контактируют друг с другом, а не через пленку. Такой контакт характеризуется увеличением трения [5] по сравнению с трением через пленку. Следствием этого является также еще большее снижение уплотняемости (снижение плотности и повышение затрат энергии) грунта.

При фактической влажности грунта, соответствующей его воздушно-сухому состоянию, способ реализуют следующим образом.

Вначале отбирают две группы образцов грунта. Одну группу испытывают по методике [3] , определяя таким образом оптимальную влажность. После этого в образцы второй группы добавляют воду в количестве, соответствующем оптимальной влажности, тщательно перемешивают до равномерного увлажнения и помещают в емкости, предотвращая возможность потерь влаги. В них каждый образец выдерживают разное время. Во всяком случае, шаг варьирования продолжительности выдерживания образцов принимают (по возможности) минимальным на основании опыта уплотнения грунта с использованием предлагаемого способа, а если такой опыт отсутствует, то с использованием, например, рекомендаций [6], по истечении которого каждый образец грунта подвергают уплотнению на стандартном приборе, предусмотренном методикой [3], и определяют полученную плотность сухого грунта. Таким образом, каждому значению продолжительности выдерживания соответствует значение плотности сухого грунта. По результатам испытания образцов второй группы устанавливают зависимость плотности сухого грунта (после уплотнения) от продолжительности его выдерживания при оптимальной влажности. По ней находят оптимальную продолжительность выдерживания грунта при оптимальной влажности. Затем грунт, из которого были отобраны образцы, и подлежащий уплотнению доводят до влажности, равной оптимальной, и при ней выдерживают (например, помещают его в герметичные емкости, закрывают гидроизоляционным материалом и периодически, проверяя влажность, компенсируют потери воды путем ее добавления и т.п.) при оптимальной продолжительности. Затем грунт подают к месту использования, укладывают и подвергают уплотняющему воздействию, например путем укатки.

Эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным оценивали путем сравнения результатов уплотнения песчаного грунта, при этом использовали песок, имеющий гранулометрический состав (модуль крупности 2,3), приведенный в табл. 1, плотность его частиц 2,58 г/см³, насыпная плотность 1,47 г/см³.

Сначала, как предусматривается по известному способу, отвешивали пробу воздушно-сухого грунта в количестве 3,5 кг, затем с использованием прибора стандартного уплотнения Союздорнии по методике [3] получали дискретные значения влажности грунта и соответствующие им плотности сухого грунта. При этом общее количество ударов для уплотнения грунта принимали равным 75, по 25 на каждый из трех слоев, укладываемых в цилиндр прибора. Полученные результаты представлены в табл. 2.

На основании полученных результатов установлена корреляционная зависимость (коэффициент корреляции 0,99):
П = 10^-1 • (17,637 - 0,2475 • W + 0,0440 • W² - 0,0019 • W³) (1)
Из этой зависимости следует, что наибольшая плотность сухого грунта П = 1,772 г/см³ при оптимальной влажности W_опт = 11,8%. При этом продолжительность выдерживания грунта при такой влажности составляла 0,25 часа. Полученные результаты (наибольшая плотность сухого грунта и соответствующая ей оптимальная влажность) соответствуют условию уплотнения грунта по известному способу.

Затем отобрали 6 образцов (NN 1, 2, 3, 4, 5 и 6) такого грунта в воздушно-сухом состоянии, довели их фактическую влажность до оптимальной W_опт = 11,8%, поместили в емкости, предотвращающие потери влаги, и выдержали разное время T, после чего осуществили уплотнение образцов грунта на приборе Союздорнии. Полученные результаты представлены в табл. 3.

На основании полученных результатов установлена корреляционная зависимость плотности сухого грунта П_о от продолжительности выдерживания грунта при W_опт = 11,8% (коэффициент корреляции 0,98):
П_о = 10^-1• (17,919 + 0,1122 • lnT - 0,02479 • ln²T) (2)
Из приведенной зависимости следует, что максимальное значение П_о = 1,81 г/см³ (достигается при оптимальной продолжительности T_опт = 9,5 ч), т.е. полученная по предлагаемому способу плотность сухого грунта существенно превосходит соответствующий показатель для известного способа (1,772 г/см³).

Для сравнения затрат энергии (работы) на уплотнение грунта по известному и заявляемому способам проведены испытания по такой же методике стандартного уплотнения, что и при определении оптимальной продолжительности [табл. 2, зависимость (1)] , но количество ударов на каждый из трех слоев грунта, укладываемого в цилиндр, увеличили до 30 (общее их число 90), 35 (общее - 105) и 40 (общее - 120, для 25 ударов на каждый слой, при общем - 75; результаты приведены в табл. 2). Полученные результаты представлены в табл. 4.

На основании полученных результатов установлены корреляционные зависимости, характеризующие изменение плотности сухого грунта П от влажности, для соответствующего количества ударов, при уплотнении грунта по известному способу:
для количества ударов на один слой 30 (общее - 90) - коэффициент корреляции 0,99:
П = 10^-1 • (17,713 - 0,2982 • W + 0,0556 • W² - 0,00246 • W³); (3)
для количества ударов на один слой 35 (общее - 105) - коэффициент корреляции 1,00
П = 10^-1 • (17,790 - 0,2588 • W + 0,0482 • W² - 0,00205 • W³); (4)
для количества ударов на один слой 40 (общее - 120) - коэффициент корреляции 0,99
П = 10^-1 • (17,822 - 0,2508 • W + 0,0462 • W² - 0,00202 • W³). (5)
Из полученных зависимостей установлено, что наибольшая плотность сухого грунта П при количестве ударов на один слой 30 (общее 90) составляет 1,789 г/см³, при 35 (общее 105) - 1,808 и при 40 (общее 120) - 1,798. Оптимальная влажность W₀ соответственно составляет 11,58, 12,20 и 11,75 мас.%.

Из этих результатов, а также полученных из соотношения (1) значений W_опт и П установлена корреляционная зависимость (6) изменения максимальной плотности П_n от общего количества ударов n (коэффициент корреляции 0,93) для условий испытания грунта по известному способу:
П_n = 10^-1 • (14,520 + 0,0650 • n - 0,00030 • n²). (6)
Из этой зависимости следует, что максимальная плотность П_n = 1,804 г/см³, может быть достигнута при использовании известного способа лишь при общем количестве ударов n = 108. При применении же предлагаемого способа максимальная плотность 1,81 г/см³ достигается при n = 75, т.е. для достижения по существу одинаковой плотности по предлагаемому способу требуется затратить на 44,4% энергии (работы) меньше, чем при известном.

Выводы:
предлагаемый способ, по сравнению с известным, позволяет существенно повысить плотность грунта по сравнению с известным, при условии равных затрат энергии (работы) на уплотнение грунта;
предлагаемый способ обеспечивает возможность существенного снижения затрат энергии (работы), при условии достижения одинаковой плотности грунта при его уплотнении.

Источники информации.

1. Уплотнение грунтов обратных засыпок в стесненных условиях строительства. Центр. научно-исследоват. и проектно-эксперим. ин-т организации, механизации и техн. помощи стр-ву - М.: Стройиздат, 1981, 252 с.

2. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.И. Горбунов-Посадов, В. А. Ильичев, В.И. Крутов и др./Под общ. ред. Е. А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. - М.: Стройиздат, 1985, с. 298 - 310.

3. Справочник по дорожно-строительным материалам. Горелышев Н.В., Безрук В.М., Защепин А.Н. и др. - М.: Транспорт, 1972, с. 23 - 25.

4. Техническая мелиорация пород /Под ред. С.Д. Воронкевича. - М.: Изд-во МГУ, 1981, с. 3 - 78.

5. Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Осипов В. И., Трофимов В.Т. Грунтоведение. - М.: Изд-во МГУ, 1971, с. 252 - 254.

6. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. - М.: Высшая школа, 1985, 327 с.

Способ может быть использован для уплотнения грунта. После определения оптимальной и фактической влажности устанавливают время Топт выдерживания грунта при оптимальной влажности. Затем изменяют фактическую влажность до оптимальной и осуществляют при ней выдерживание грунта в течение времени Топт и передают на грунт уплотняющее воздействие. Технический результат от использования изобретения-повышение плотности грунта. 4 табл.

Способ уплотнения грунта, включающий определение его оптимальной и фактической влажности, изменение фактической влажности до оптимальной и передачу на грунт уплотняющего воздействия, отличающийся тем, что после определения оптимальной и фактической влажности устанавливают время Tопт выдерживания грунта при оптимальной влажности, затем изменяют фактическую влажность до оптимальной и осуществляют при ней выдерживание грунта в течение времени Tопт, а потом передают на грунт уплотняющее воздействие.