СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области диагностики состояния грунтов технических систем, в частности грунтовой технической системы (ГТС) «верхнее строение пути - земляное полотно - основание», при воздействии неблагоприятных факторов: вибродинамических, собственных колебаний ГТС, природно-климатических, техногенных статических и т.д.

Общеизвестно, что грунты представляют собой трехфазную пористую структуру, состоящую из частиц грунта, воды, воздуха и пара. На изменение состояния грунтов ГТС влияют различные негативные разрушающие факторы: статические, динамические, мерзлотно-грунтовые, природно-климатические и т.д. На слабые грунты оснований и откосов ГТС наиболее существенное негативное влияние оказывает вибродинамический фактор. Это обусловлено массивным регулярным и ритмичным его воздействием. При воздействии вибродинамической нагрузки в грунте происходит механическое разрушение связей между частицами, изменение порового пространства и изменение температуры всех фаз грунта, в том числе парожидкостной фазы. Это вызывает перераспределение частиц грунта, нарушает баланс влаги и пара, что приводит к увеличению порового давления в грунтах слабого основания ГТС и последующим их вязкопластическим деформациям в зоне контакта слабых и прочных грунтов. Длительное вибродинамическое воздействие приводит к ухудшению состояния грунтов и вызывает осадку ГТС, которая снижает ее несущую способность и, как следствие, создает угрозу безопасности движения поездов.

Для обеспечения безопасности движения поездов проводят мероприятия по укреплению грунтов ГТС с предварительным определением их состояния.

В известных способах диагностики несущую способность определяют по состоянию грунтов, находящихся под воздействием разрушающих факторов. При этом состояние грунтов определяют по их физико-механическим параметрам. Измеряемыми физико-механическими параметрами грунтов являются плотность, пористость, относительная осадка, модуль сдвига, модуль деформации, влажность грунта, пластичность, угол внутреннего трения, сцепление и т.д., которые зависят от воздействия негативных факторов и изменение величин которых влияет на механизм развития деформаций.

Проблема известных способов диагностики несущей способности грунтовых технических систем заключается в точности оценки состояния грунтов, которая зависит от выбранных параметров диагностики. Это обусловлено тем, что разные параметры по-разному учитывают влияние на грунт отдельных негативных факторов, по которым можно косвенно судить о превалирующем факторе, влияющем на изменение состояния грунта. Однако известные способы диагностики не позволяют выделить превалирующие факторы, максимально влияющие на изменение состояния грунта. Точное знание изменения параметра за счет доли превалирующего фактора позволяет объективно судить о механизме развития деформаций и об истинном состоянии грунта.

Известен способ диагностики несущей способности грунтов ГТС, позволяющий учитывать суммарное воздействие на состояние грунтов различных факторов путем измерения вертикальных перемещений грунта по оси ГТС /1/. В способе диагностики выбирают физический параметр - вертикальное перемещение грунта, который характеризует состояние пассивной твердой фазы грунта, т.е. его осадку за счет уплотнения под суммарным воздействием всех факторов.

При воздействии вибродинамической нагрузки, например при движении поездов, от вибрации частицы грунта подвергаются механическим колебаниям. При этом величина вертикальных перемещений частиц грунта в глубину зависит от пористости, т.е. степени уплотнения грунтов ГТС и величины вибродинамической нагрузки. Плотность грунтов ГТС зависит от прочности грунтов основания, которая связана с наличием в нем влаги. Большое содержание влаги вызывает потерю прочности глинистых грунтов основания и появление пластических деформаций. Слабые грунты при приложении нагрузки выдавливаются из-под сооружения в горизонтальном направлении в приподошвенные зоны, вызывая осадку ГТС.

Способ заключается в установке марок в основании ГТС и фиксации их положения за годовой цикл. По разнице отметок судят об остаточных вертикальных перемещениях грунтов ГТС, а по их величине определяют несущую способность грунтов ГТС.

При вертикальных перемещениях грунтов ГТС в годовом цикле в пределах до 20 мм говорят о несущей способности грунта системы; от 20 до 50 мм - о просадочности; от 50 до 100 - о сильной просадочности; от 100 до 150 - об опасной просадочности; более 150 мм - об аварийном состоянии.

Достоинством этого способа диагностики несущей способности грунтов ГТС является достаточная достоверность информации о ее стабильности, обусловленная длительным периодом измерения, в течение которого грунт приобретает относительно устойчивые значения вертикальных перемещений.

Однако точность оценки состояния грунта с помощью известного способа диагностики не соответствует действительному состоянию грунта, что является недостатком способа. Это обусловлено выбором физического параметра диагностики (вертикальных перемещений), характеризующего твердую фазу грунта и изменяющегося под воздействием всех факторов. Изменение параметра за счет превалирующего фактора остается не измеренным. Вертикальные перемещения характеризуют только осадку ГТС, т.е. уплотнение пассивной твердой фазы грунта, но не позволяют оценить остаточные горизонтальные перемещения, которые являются основным показателем развития деформаций.

Другой недостаток связан с длительностью диагностики. Величину вертикальных перемещений твердой фазы грунта можно получить, как минимум, за годовой цикл.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ диагностики несущей способности грунтов ГТС, который по разовому измерению физических параметров позволяет более объективно оценить механизм развития деформаций от воздействия превалирующего вибродинамического фактора /2/.

Для диагностики выбирают физические параметры грунта: поровое давление U, сжимающее напряжение от действия динамической нагрузки δ, коэффициент сцепления грунта С, угол внутреннего трения ϕ и сопротивление сдвигу τ, которые характеризуют парожидкостную и твердую фазы грунта под воздействием вибродинамического фактора от одной подвижной единицы.

Вибродинамические нагрузки от подвижного состава изменяют температуру грунта за счет превращения механической энергии в тепловую. Увеличение температуры грунта повышает динамические напряжения и поровое давление в парожидкостной фазе, что приводит к горизонтальному смещению твердой фазы грунта в приподошвенные зоны. Чем больше поровое давление, тем меньше сопротивление сдвигу τ и больше величина смещения грунта. Фиксация величины порового давления и напряжений позволяет оценить наиболее опасный момент возникновения разжижения грунта, при котором величина τ становится выше нормативной.

Способ диагностики несущей способности ГТС заключается в следующем. По оси основания ГТС устанавливают датчики для измерения порового давления U и сжимающего напряжения δ. Затем измеряют поровое давление парожидкостной фазы грунта и сжимающее напряжение твердой фазы грунта в период воздействия вибродинамической нагрузки. В качестве датчиков для измерения порового давления используют, например, поропьезометры, а в качестве датчиков для измерения сжимающего напряжения - месдозы. Далее с помощью сдвиговых приборов определяют коэффициент сцепления грунта С и угол внутреннего трения ϕ на образцах грунта ненарушенной структуры. После этого расчетные значения сопротивления сдвигу τ определяют из соотношения:

τ=(δ-U)tgϕ+C.

По величине сопротивления сдвигу судят о состоянии грунта.

Если сопротивление сдвигу τ<0.08 МПа, то говорят об устойчивости грунтов; при τ>0.08 МПа - о потере несущей способности грунтов ГТС.

Основным достоинством известного способа диагностики несущей способности грунтов ГТС является повышение точности оценки ее стабильности за счет получения сведений о состоянии парожидкостной фазы грунта и механизме развития деформаций. Это обусловлено тем, что с увеличением порового давления уменьшается сопротивление сдвигу τ и увеличиваются горизонтальные деформации.

Однако известный способ не позволяет судить о механизме горизонтальных перемещений от превалирующего вибродинамического фактора, что снижает точность оценки состояния грунта.

Это обусловлено тем, что в известном способе о механизме горизонтальных перемещений судят по сопротивлению сдвигу, который свидетельствует о наличии горизонтальных перемещений, но не позволяет судить об их величине. О величине горизонтальных перемещений можно судить по разности величин сдвигающих усилий и сопротивлению сдвигу. Отсутствие сведений о сдвигающих усилиях не позволяет определять величину остаточных горизонтальных деформаций от превалирующего вибродинамического фактора, что снижает точность оценки состояния грунта.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа диагностики несущей способности грунтов ГТС, который позволяет точно и достоверно судить о механизме развития деформаций путем определения величины горизонтальных перемещений твердой фазы грунта по параметрам парожидкостной фазы.

Для решения поставленной задачи в известном способе диагностики несущей способности грунтов, заключающемся в измерении порового давления в период приложения вибродинамической нагрузки, по максимальному изменению которого судят о состоянии грунтов, в приподошвенной зоне основания ГТС устанавливают датчики для измерения порового давления и температуры парожидкостной фазы грунтов, одновременно измеряют оба параметра и по максимальному изменению обоих параметров судят о несущей способности грунтов: при изменении порового давления до 0,1 кПа и температуры до 0,015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0,1 кПа и температуры более 0,015°С - о нестабильности грунтов.

Отличительными признаками заявляемого способа диагностики несущей способности грунтов от указанного выше известного прототипа является установка в приподошвенной зоне основания ГТС датчиков для измерения температуры и порового давления парожидкостной фазы грунтов, одновременное измерение обоих параметров, определение максимального изменения обоих параметров, по которым судят о состоянии грунтов: при изменении порового давления до 0,1 кПа и температуры до 0,015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0,1 кПа и температуры более 0,015°С - о нестабильности грунтов.

Благодаря одновременному измерению двух параметров: порового давления и температуры парожидкостной фазы грунта в приподошвенной зоне основания ГТС и определение величины их максимальной разности в период приложения вибродинамической нагрузки за один проход поезда позволяет точно и достоверно судить о механизме развития деформаций, который характеризуется изменением состояния грунта. Это обусловлено тем, что изменения температуры, порового давления парожидкостной фазы грунта и горизонтальных перемещений грунта связаны между собой зависимостью Δε=rf(T,U).

Горизонтальные подвижки слабых грунтов основания ГТС проявляются именно в приподошвенных, менее нагруженных зонах и зависят от изменения параметров парожидкостной фазы: порового давления и температуры.

Горизонтальные перемещения грунтов за период прохождения одного поезда очень малы (в силу инерционности грунтов) и традиционно их уловить сложно, причем эти перемещения сопоставимы с погрешностью их измерения горизонтальных перемещений.

Парожидкостная фаза грунта более чувствительна к малейшему вибрационному воздействию. Поэтому изменение температуры и порового давления парожидкостной фазы грунта значительно превышает погрешности измерения этих параметров. Высокая точность измерения температуры и порового давления позволяет заменить измерения горизонтальных перемещений измерением температуры и порового давления.

Замена измерения механического показателя (горизонтальных перемещений) с низкой точностью измерения измерениями термодинамических показателей (температурой и поровым давлением) с высокой точностью измерения приводит к повышению точности и достоверности суждения о состоянии грунта.

На фиг.1 представлен график изменения температуры парожидкостной фазы грунта во время движения грузового поезда на нестабильном, осадочном участке.

На фиг.2 представлен график изменения порового давления парожидкостной фазы грунта во время движения грузового поезда на нестабильном, осадочном участке.

На фиг.3 представлен график изменения температуры парожидкостной фазы грунта во время движения грузового поезда на стабильном участке.

На фиг.4 представлен график изменения порового давления парожидкостной фазы грунта во время движения грузового поезда на стабильном участке.

Способ осуществляют следующим образом.

В приподошвенной зоне основания ГТС, например дорожного полотна, в зоне контакта слабых и прочных грунтов до воздействия вибродинамической нагрузки устанавливают известные датчики для измерения порового давления и температуры парожидкостной фазы грунта. Поровое давление и температуру измеряют во время приложения вибродинамической нагрузки, т.е. при проходе поезда. По максимальному изменению температуры и порового давления судят о состоянии грунта. При изменении величины порового давления до 0.1 кПа и температуры до 0.015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0.1 кПа и температуры более 0.015°С - о нестабильности грунтов.

При термодинамическом равновесии грунты ГТС находятся в относительно устойчивом состоянии и характеризуются постоянной температурой и поровым давлением (1,а; 2,а; 3,а; 4,а). При этом датчики фиксируют колебания температуры в пределах до 0,015°С и порового давления - до 0,1 кПа. Эти флуктуации обусловлены длиннопериодными колебаниями ГТС при динамическом воздействии прошедшего поезда.

При воздействии вибродинамической нагрузки на нестабильном участке ГТС выходит из термодинамического равновесия, превращаясь в напряженно-деформированную систему. Вначале из-за механических колебаний ГТС происходит перемещение грунтовых частиц и пара. Это обусловлено увеличением температуры грунта (1,б) в верхних слоях системы, так как энергия колебаний превращается в тепловую энергию грунтово-водной среды, о чем свидетельствуют максимальные отклонения температуры на графике 1,б. В свою очередь, увеличение температуры парожидкостной фазы в верхних слоях системы увеличивает упругость пара, что заставляет пар передвигаться в более глубокие холодные слои грунтов ГТС. Там происходит термическая конденсация пара в виде гигроскопической влаги, обладающей высокой разжижающей способностью /3/. За счет увеличения количества воды в основании ГТС и высокой ее разжижающей способности происходит увеличение давления (2,б) в порах грунта и изменение характеристик параметров грунтово-водной среды. Твердые частицы грунта «растворяются», т.е. грунт меняет свою консистенцию, становится слабее. В зоне контакта слабых и прочных грунтов основания ГТС под воздействием нагрузки на ГТС возникают сдвигающие усилия. Частицы грунта испытывают напряжения, сопротивляясь сдвигу. Слабый вязкопластичный грунт под действием больших сдвигающих усилий начинает «течь» в зоне контакта в горизонтальном направлении в менее уплотненные приподошвенные (полевые) зоны.

Остаточные деформации слабых грунтов основания ГТС проявляются именно в приподошвенных зонах и связаны с изменением параметров паровоздушной фазы. «Течение» грунтов происходит из менее прогретой зоны основания в более прогретые приподошвенные зоны. При этом происходит понижение температуры парожидкостной фазы грунта, о чем свидетельствуют графики температуры (1,в) и давления (2,в).

Затем ГТС стремится к восстановлению своего обычного термодинамического равновесия за счет выравнивания температурно-влажностного режима. Это происходит за счет сил осмотического всасывания независимо от влияния воздействующей вибродинамической нагрузки. Возникает обратный процесс, который стремится вернуть обратно в основание ГТС выдавленную часть грунта. При этом за счет осмотических сил температура и давление начинают повышаться, о чем свидетельствуют графики температуры (1,г) и давления (2,г).

В нестабильных ГТС вернуться обратно может только часть парожидкостной фазы грунта. Другая часть парожидкостной фазы и твердые частицы грунта не могут вернуться в систему и остаются в приподошвенной зоне. Это обусловлено тем, что твердые частицы поменяли свое первоначальное положение, сместились, а их прежнее место заняли другие частицы, расположенные выше, т.е. система уплотнилась. При этом датчики фиксируют колебания температуры, превышающие 0,015°С и порового давления - 0,1 кПа. Величины изменения температуры и порового давления в нестабильных системах при воздействии вибродинамической нагрузки значительно превышают флуктуации температуры и порового давления до прохода поезда (фиг.1,а; 2,а).

Остаточные горизонтальные перемещения в зависимости от максимальной величины изменения температуры и порового давления парожидкостной фазы в грунтах в период приложения вибродинамической нагрузки оценивают по следующей зависимости:

где - k - коэффициент приведения, полученный экспериментальным путем, k=f(μ, R, Т);

μ - молекулярный вес парожидкостной фазы;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура грунта до прохода поезда;

ΔU - максимальное изменение порового давления во время прохода поезда;

m - масса эквивалентной нагрузки;

с - теплоемкость грунтов ГТС;

ΔT - максимальное изменение температуры во время прохода поезда.

Экстраполяцией горизонтальных перемещений Δε за проход одного поезда можно определить величину горизонтальных перемещений ε за определенный временной интервал от определенной грузонапряженности и судить о состоянии ГТС.

Остаточные горизонтальные перемещения от температуры и давления парожидкостной фазы позволяют заменить измерения горизонтальных перемещений измерением температуры и порового давления и о состоянии грунта судить по изменению именно этих параметров за время прохождения одного поезда.

При воздействии вибродинамической нагрузки на стабильном участке твердые частицы грунта практически не выдавливаются, поэтому почти вся парожидкостная фаза может вернуться в систему и занять свое место между твердыми частицами грунта. При этом датчики фиксируют флуктуационные колебания температуры и порового давления в пределах соответственно до 0,015°С и до 0,1 кПа. Эти величины флуктуации температуры и порового давления сопоставимы со значениями температуры и порового давления до прохода поезда (фиг.3,а; 4,а). Из этого следует, что изменения температуры и порового давления можно принять равными нулю и, соответственно, горизонтальные перемещения Δε=0.

Экспериментальные исследования проведены на ДВЖД.

Нестабильный участок ГТС на км 3569 пк 10 ДВЖД выбран визуально и характеризуется перекосами в плане и просадками в профиле (пилообразной формой). До прохода поезда в приподошвенной зоне основания ГТС в вертикальные отверстия диаметром 20-25 мм и глубиной 0,5-0,6 м устанавливают: прибор для измерения порового давления конструкции ДИИТа с точностью 0,01 кПа и систему контроля температуры на базе цифрового измерителя температуры «МИТ» с точностью 0,005°С. Оба прибора подключают к регистрирующему устройству - note-book. При проходе поезда весом 23 т/ось к осадочному участку включают note-book, который в режиме «on-line» фиксирует параметры температуры и порового давления парожидкостной фазы в виде графиков (фиг.1, 2). Из графика на фиг.1,а видно, что значение температуры до прохода поезда на участке составляло (+)2,93°С, порового давления - (-)0,3 кПа (фиг.2,а); в начале прохода поезда температура поднялась до (+)2,945°С (фиг.1,б), поровое давление - до (-)0,03 кПа (фиг.2,б); во время прохода поезда температура упала до (+)2,905°С (фиг.1в), поровое давление - до (-)0,5 кПа (фиг.2,в); в конце прохода поезда температура поднялась до (+)2,93°С, поровое давление - до (-)0.07 кПа. Таким образом, максимальное изменение температуры грунта составило 0,040°С, перового давления - (-)0.47 кПа. При таком изменении температуры и порового давления величина остаточных горизонтальных деформаций при проходе одного поезда Δε составила 0,033 мм, что подтверждает факт нестабильности ГТС.

Стабильный участок на км 8525 пк 7 ДВЖД (фиг.3 и 4) выбран визуально и характеризуется ровным профилем и планом. Измерения проводились, как на стабильном участке. Из графиков (фиг.3,а; 4,а) видно, что на участке до прохода поезда температура грунта составляла (+)11,32°С, поровое давление - (-)0,6 кПа, во время прохода и в конце прохода поезда температура грунта и поровое давление не изменились (фиг.3,б; 4,б). При неизмененной температуре и поровом давлении величина остаточных горизонтальных деформаций при проходе одного поезда составила Δε=0,0001 мм.

Таким образом, заявляемый способ позволяет измерять параметры, связанные с причинными явлениями. Точность измерений связана с измерением параметров наиболее чувствительной составляющей: парожидкостной фазы, которая мгновенно реагирует на внешнее воздействие, даже кратковременное, каким является интервал времени, за который проходит поезд.

Применение заявляемого способа диагностики несущей способности грунтов позволяет судить об их состоянии по изменению параметров грунта: температуры и порового давления парожидкостной фазы, которые легче измерять по сравнению с измерением механических параметров: горизонтальных и вертикальных перемещений грунта. При этом точность и достоверность возрастают в 30-50 раз, что позволяет еще до начала развития деформаций обнаружить потенциально опасные в будущем участки при дальнейшей эксплуатации ГТС в условиях увеличения грузонапряженности с целью проведения профилактических мероприятий по их стабилизации.

Источники информации

1. Инструкция по содержанию земляного полотна на вечномерзлых грунтах /МПС РФ. - Тында: 1993. - 82 с.

2. Г.К.Бондарик, И.С.Комаров, В. И.Ферронский. Полевые методы инженерно-геологических исследований. - М.: Недра, 1967. - 372 с.

3. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. - М: Высшая школа, 1973. - 375 с.

Изобретение относится к области диагностики состояния грунтов технических систем, в частности грунтовой технической системы (ГТС) «верхнее строение пути - земляное полотно - основание» при воздействии неблагоприятных факторов: вибродинамических, собственных колебаний ГТС, природно-климатических, техногенных статических и т.д. Способ диагностики несущей способности грунтов заключается в измерении порового давления в период приложения вибродинамической нагрузки, по которому судят о несущей способности грунтов. В приподошвенной зоне основания ГТС устанавливают датчики для измерения порового давления и температуры парожидкостной фазы грунтов, одновременно измеряют оба параметра и по максимальному изменению обоих параметров судят о несущей способности грунтов. При изменении порового давления до 0,1 кПа и температуры до 0,015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0,1 кПа и температуры более 0,015°С - о нестабильности грунтов. Технический результат состоит в повышении точности и достоверности суждения о несущей способности грунтов ГТС. 4 ил.

Способ диагностики несущей способности грунтов, заключающийся в измерении порового давления в период приложения вибродинамической нагрузки, по которому судят о несущей способности грунтов, отличающийся тем, что в приподошвенной зоне основания грунтовой технической системы устанавливают датчики для измерения порового давления и температуры парожидкостной фазы грунтов, одновременно измеряют оба параметра и по максимальному изменению обоих параметров судят о несущей способности грунтов: при изменении порового давления до 0,1 кПа и температуры до 0,015°С делают вывод о стабильности грунтов, а при изменении порового давления более 0,1 кПа и температуры более 0,015°С - о нестабильности грунтов.