СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА УПЛОТНЕНИЯ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТА Российский патент 2023 года по МПК G01N3/42 E02D1/02 

Изобретение относится к области исследований механических характеристик однородных материалов, в частности, к методам непрерывного контроля качества уплотнения грунтовых материалов, и может быть использовано при строительстве насыпных сооружений - плотин, насыпных автомобильных и железных дорог, аэродромного покрытия и др. для определения качества уплотнения и оперативного установления несущей способности грунтов (модуля упругости или коэффициента постели) после уплотнения, в том числе в процессе их укатки дорожными катками.

Известен способ непрерывного контроля качества уплотнения грунта дорожным катком путем измерения угловой скорости копирующего и измерительного органов катка и определения величины параметра, характеризующего процесс уплотнения (авторское свидетельство СССР № 1449618 на изобретение «УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ УКАТКИ», МПК E01C 23/07, опубл. 07.01.1989 г.) Недостатком известного технического решения является низкая точность контроля, ограниченная область применения и низкая надежность.

Известно устройство непрерывного контроля степени уплотнения грунта, содержащее два копирующих вальца, расположенных между нагрузочным рабочим вальцом и измерительное приспособление («Уплотнение грунтов обратных засыпок в стесненных условиях строительства», под ред. Бобылева Л.М., М.: Стройиздат, 1981, с. 235).

Известно также устройство непрерывного контроля степени уплотнения дорожно-строительных материалов, содержащее нагрузочный каток с валом, копирующий каток и регистрирующее приспособление (авторское свидетельство СССР № 746020 на изобретение «УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ», кл. E01C 23/07, опубл. 05.07.1980).

Упомянутые изобретения характеризуются низкими точностью и надежностью в работе, так как передача сигнала от копирующего катка к регистрирующему приспособлению передается через сложную систему рычагов, а измерение осуществляется в стороне от нагрузочного катка.

Известно устройство для непрерывного контроля качества уплотнения грунта, содержащее дорожный каток с рабочим органом, два тахометра, один из которых установлен на рабочем органе и блок определения контролируемого параметра, входы которого соединены с тахометрами, а выход со входом блока регистрации (авторское свидетельство СССР № 1747588 на изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ УКАТКИ», кл. E01C 23/07, опубл. 15.07.1992). Недостатком указанного технического решения является низкая точность контроля.

Известен способ непрерывного контроля качества уплотнения грунта, основанный на оценке изменения угловой скорости уплотняющего пневмоколеса катка по мере уплотнения грунта. По мере уплотнения грунта увеличивается обмятие пневмоколеса и уменьшается его радиус, вследствие чего увеличивается угловая скорость, постоянно сравниваемая специальной аппаратурой с угловой скоростью копирующего колеса (патент РФ № 2082850 на изобретение «СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», МПК E01D 1/00, E01C 23/07, опубликовано 27.06.1997). Известное решение также характеризуется низкой точностью измерения в силу воздействия внешних факторов, например, изменяющегося давления в пневматике уплотняющих колес. Кроме того, известный способ не позволяет определить степень уплотнения и достигнутые параметры прочности (несущей способности) грунта.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ определения степени уплотнения и несущей способности грунтов, включающий предварительные и основные штамповые экспресс-испытания идентором обследуемой площади, фотографирование отпечатков идентора, измерение на фотографии размера отпечатка идентора, расчет механических характеристик грунта на основании размеров отпечатка идентора на фотографии. В качестве идентора использован сферический индентор с радиусом R. Идентор вдавливают в поверхность образца с заданной силой N, определяют радиус пятна контакта а под нагрузкой спустя заданное время после начала ее действия. Предварительными опытами определяют нормальную силу вдавливания, которую можно считать предельной для данного вида деформации. В основных опытах прикладывают нагрузку, не выходящую за установленный предел. Спустя заданное время после начала действия нагрузки фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом, измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2а' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R⋅a'/R', по значениям а, R, N рассчитывают механические характеристики (патент РФ № 2333472 на изобретение «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАСЧЕТАХ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ», опубл. 2008.09.10, МПК G01N 3/42). Недостатком известного метода является его сложность и трудоемкость, а также ограниченная лабораторными условиями область применения и невозможность применения в полевых условиях строительства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка эффективного способа контроля качества уплотнения грунтов и оперативного определения их несущей способности.

Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в повышении скорости определения прочностных показателей и обеспечении возможности использования способа в полевых условиях строительства.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения качества уплотнения и несущей способности грунта включает предварительные и основные штамповые экспресс-испытания идентором обследуемой площади, фотографирование отпечатков идентора, измерение на фотографии размера отпечатка идентора, расчет механических характеристик грунта на основании размеров отпечатка идентора на фотографии. В качестве идентора используют полусферический жесткий штамп; размещенный на заднем гладком вальце легкого катка. Фотографирование выполняют после снятия нагрузки и перемещения идентора, вертикально по отношению к плоскости отпечатка в грунте. Предварительные испытания включают : - одновременные парные тарировочные испытания части обследуемой площади идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020, - сопоставительный анализ полученных при выполнении тарировочных парных испытаний размеров диаметров отпечатков идентора - полусферического жесткого штампа на фотографии с вертикальной осадкой жесткого штампа с круглой плоской подошвой и выявление корреляционной зависимости между ними; - определение параметров несущей способности грунта по вертикальной осадке жесткого штампа с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016. Основные испытания включают: - штамповые испытания идентором - полусферическим жестким штампом оставшегося участка обследуемой площади; - определение показателей несущей способности грунта обследуемой площади, исходя из выявленной корреляционной зависимости, на основании которой вычисленные по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016 параметры несущей способности грунта приближенно считают соответствующими диаметру отпечатка полусферического штампа.

Предпочтительно, чтобы жесткий штамп с круглой плоской подошвой нагружали со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020 посредством домкрата, упирающегося в верхней части в балку, соединенную с винтовыми грунтовыми анкерами, или в раму легкого катка.

Предпочтительно, чтобы предварительные испытания включали не менее девяти пар одновременных тарировочных испытаний идентором - полусферическим жестким штампом и жестким штампом с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020, с расположением на расстоянии 2 м ± 0,2 м в паре.

Предпочтительно также, чтобы штамповые испытания идентором выполняли с поперечным и продольным шагом точек испытания 3 м ± 0,3 м.

Предпочтительно также, чтобы тарировочные испытания выполняли при обследовании площади, отсыпанной грунтами из одного карьера при соблюдении одного и того же температурно-влажностного режима.

Предпочтительно, чтобы в качестве показателей несущей способности грунта обследуемого участка использовали коэффициент модуля упругости грунта или коэффициент постели контролируемой поверхности грунта.

Предпочтительно, чтобы коэффициент модуля упругости грунта по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 вычисляли по формуле: где ν - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп, МПа, соответствующее упругой стадии; ΔS - приращение осадки штампа в упругой стадии, м.

Предпочтительно, чтобы коэффициент постели по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016 вычисляли по формуле: С=P/s, где P - давление, приложенное к какой-либо точке поверхности основания, s - осадка в точке приложения давления в упругой стадии.

Справочно: ГОСТ 20276.1-2020 - Межгосударственный стандарт «ГРУНТЫ. Метод испытания штампом». Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 апреля 2020 г. N 129-П).

ОДМ 218.5.007-2016 - Отраслевой дорожный методический документ «Методические рекомендации по определению модуля упругости статическим штампом», утвержден и введен в действие распоряжением Федерального дорожного агентства № 1235-р от 13.07.2016 г.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- использованием в качестве идентора при проведении штамповых испытаний полусферического жесткого штампа, размещенного на заднем гладком вальце легкого катка;

- выполнением фотографирования после снятия нагрузки и перемещения идентора, вертикально по отношению к плоскости отпечатка в грунте;

- проведением предварительных испытаний, включающими: - одновременные парные тарировочные испытания части обследуемой площади идентором- полусферическим жестким штампом , размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016; - сопоставительный анализ полученных при выполнении тарировочных парных испытаний размеров диаметров отпечатков идентора - полусферического жесткого штампа на фотографии с вертикальной осадкой жесткого штампа с круглой плоской подошвой и выявление корреляционной зависимости между ними; - определение параметров несущей способности грунта по вертикальной осадке жесткого штампа с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016.

- проведением основных испытаний, включающими: - штамповые испытания идентором - полусферическим жестким штампом оставшегося участка обследуемой площади; - определение показателей несущей способности грунта обследуемой площади, исходя из выявленной корреляционной зависимости, на основании которой вычисленные по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016 параметры несущей способности грунта приближенно считают соответствующими диаметру отпечатка полусферического штампа.

В предпочтительных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- выполнением предварительных испытаний, включающими не менее девяти пар одновременных тарировочных испытаний идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой, с расположением на расстоянии 2 м ± 0,2 м в паре;

- нагружением жесткого штампа с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020 посредством домкрата, упирающегося в верхней части в балку, соединенную с винтовыми грунтовыми анкерами, или в раму легкого катка;

- выполнением штамповых испытаний идентором - полусферическим жестким штампом с поперечным и продольным шагом точек испытания 3 м ± 0,3 м;

- выполнением тарировочных испытания при обследовании площади, отсыпанной грунтами из одного карьера при соблюдении одного и того же температурно-влажностного режима;

- использованием коэффициента модуля упругости грунта или коэффициента постели контролируемой поверхности грунта в качестве показателей несущей способности грунта обследуемого участка;

- вычислением коэффициента модуля упругости грунта по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 по формуле: где ν - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп, МПа, соответствующее упругой стадии; ΔS - приращение осадки штампа в упругой стадии, м.

- вычислением коэффициента постели по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016 по формуле: С=P/s, где P - давление, приложенное к какой-либо точке поверхности основания, s - осадка в точке приложения давления в упругой стадии.

Использование в качестве идентора полусферического жесткого штампа, размещенного на заднем гладком вальце легкого катка; выполнение фотографирования после снятия нагрузки и перемещения идентора, вертикально по отношению к плоскости отпечатка в грунте; проведение предварительных испытаний, включающих: - одновременные парные тарировочные испытания части обследуемой площади идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016, предпочтительно нагружаемым посредством домкрата, упирающегося в верхней части в балку соединенную с винтовыми грунтовыми анкерами или в раму поименованного ранее катка; - сопоставительный анализ полученных при выполнении тарировочных парных испытаний размеров диаметров отпечатков идентора - полусферического жесткого штампа на фотографии с вертикальной осадкой штампа с круглой плоской подошвой и выявление корреляционной зависимости между ними; - определение параметров несущей способности грунта по вертикальной осадке жесткого штампа с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016; проведение основных испытаний, включающих: - штамповые испытания идентором оставшегося участка обследуемой площади; - определение показателей несущей способности грунта обследуемой площади, исходя из выявленной корреляционной зависимости, на основании которой вычисленные по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016 параметры несущей способности грунта приближенно считают соответствующими диаметру отпечатка полусферического жесткого штампа обеспечивают высокую скорость определения прочностных показателей обследуемого участка и возможность использования способа в полевых условиях строительства.

Проведение предварительных испытаний, включающих не менее девяти пар одновременных тарировочных испытаний идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой со штамповой нагрузкой по ГОСТ 20276.1-2020, с расположением на расстоянии 2 м ± 0,2 м в паре; выполнение штамповых испытаний идентором - полусферическим жестким штампом с поперечным и продольным шагом точек испытания 3 м ± 0,3 м; выполнение тарировочных испытаний при обследовании площади, отсыпанной грунтами из одного карьера при соблюдении одного и того же температурно-влажностного режима повышают точность результатов.

Использование в качестве показателей несущей способности грунта обследуемого участка модуля упругости грунта или коэффициента постели контролируемой поверхности грунта, вычисление показателей несущей способности грунта по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по методике ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016 : -для модуля упругости грунта по формуле: где ν - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп, МПа; ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее, м; - для коэффициента постели по формуле: С=P/s, где P - давления приложенное к поверхности грунта; s - осадка в точке приложения давления в упругой стадии; C - коэффициент постели, упрощают расчеты.

Способ иллюстрируется схемным чертежом, таблицей (см. в графической части) и графиками.

На фиг. 1 представлен схемный чертеж проведения штамповых испытаний.

На фиг. 2 представлен график определения модуля упругости по осредняющей прямой.

На фиг. 3 представлен график зависимости осадки от нагрузки.

Способ осуществляют следующим образом.

На контролируемой площади 1 уплотненного грунтового основания выполняется прокатка легкого катка с установленным на заднем вальце полусферическим штампом и фотоаппаратом, установленным на задней раме этого вальца; все отпечатки 2 полусферическим штампом фотографируются с фиксированной высоты и в фиксированном масштабе. По снимкам, выполненным по всей контролируемой площади 1, с учетом результатов предварительных парных испытаний, проведенных на участке 2, устанавливают диаметры отпечатка 3 полусферического жесткого штампа и соответствующие им показатели несущей способности уплотненного грунта основания - модуль упругости или коэффициент постели. Испытания выполняются в дневное время с хорошим солнечным освещением или в ночное время с применением фар, закрепленных на задней раме катка, дающих достаточное освещение и оттеняющих контур отпечатка. Экспресс-испытания по предлагаемому способу выполняются со скоростью движения катка 1-2 км/час, что позволяет выполнить порядка 300 замеров за час. Измеряемая по предлагаемому способу величина - диаметр отпечатка на порядок больше, чем осадка круглого плоского штампа при равной нагрузке.

Штамповые экспресс-испытания осуществляют полусферическим штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка с поперечным и продольным шагом 12 точек испытания 3 м ± 0,3 м. Экспресс-контроль выполняют при помощи черно-белого фотографирования, причем камеру размещают на задней раме катка. Затвор камеры синхронизирован с оборотами катка и срабатывает при появлении отпечатка полусферического штампа под камерой. По выполненным снимкам выявляются участки недоуплотнения с диаметрами отпечатков полусферического штампа, более нормативного, установленного для данного грунта по сравнительным испытаниям в ходе которых устанавливается модуль упругости грунта или коэффициент постели грунта по осадке круглого плоского штампа, нагружаемого расчетной нагрузкой по ГОСТ 20276 и соответствующий ему диаметр отпечатка полусферического индентора. При необходимости выполняют замеры диаметров отпечатков рулеткой. На основании полученных результатов принимается заключение о достижении искомых проектных параметров несущей способности грунтов: модуля упругости грунта или коэффициента постели, или о продолжении уплотнения, в том числе с увеличением нагрузки катка, или иных технических решений. Размеры отпечатков - диаметры отпечатка 3 полусферического штампа тарируются совместными испытаниями жестким штампом с круглой плоской подошвой по ГОСТ 20276.1-2020, ОДМ 218.007-2016 и полусферическим жестким штампом по предлагаемому способу. Предварительные испытания выполняют на участке 2 жестким штампом с круглой плоской подошвой (отпечатки 4) и полусферическим штампом (отпечатки 3) выполняются парами с расположением на расстоянии l 2 порядка 2 м ± 0,2 в паре, не менее 9 пар. Причем результаты испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.007-2016, определенные по осадке штампа с круглой плоской подошвой под ступенчатой нагрузкой, экстраполируются (условно принимаются соответствующими) результату нагружения полусферического штампа, например, радиусом 138 мм нагрузкой 1,5-2 тонны одного из гладких вальцов легкого катка с выключенным вибратором. По испытаниям плоским круглым штампом по ГОСТ 20276.1-2020 устанавливаются искомые показатели несущей способности грунта: модуль упругости для нежестких покрытий и коэффициент постели для жестких покрытий, их соответствие проектным показателям, эти показатели экстраполируют на диаметр отпечатка 3 полусферического штампа. Причем при тестовых парных испытаниях диаметр отпечатка 3 полусферического штампа измеряется линейкой и это измерение фиксируется фотокамерой, установленной на задней раме катка на фиксированной высоте, и снимки выполняются в фиксированном масштабе.

Примерные (ожидаемые) соответствия величины осадки плоского штампа площадью 600 см (радиус 13,8 см) и диаметров отпечатка полусферического штампа (радиус 13,8 см), вычисленные из равенства объемов осадки плоского и полусферического штампов под одинаковой нагрузкой, приведены в таблице 1. Необходимым условием является выполнение тестовых тарировочных испытаний для каждого участка, обследуемого одномоментно в течение одних суток. При изменении грансостава грунта, его влажности могут меняться соотношения величины осадки плоского штампа и диаметра отпечатка полусферического штампа. Соотношение объемов отпечатка плоского и полусферического штампов в каждой паре тестовых тарировочных испытаний составляет эмпирический переходный коэффициент, средний для 9 пар испытаний и учитываемый при последующих испытаниях.

Изобретение направлено на оперативное установление качества уплотнения, модуля упругости или коэффициента постели грунта основания дорожного или аэродромного покрытия (параметры, учитываемые в расчете несущей способности покрытия и включенные в проект). Обработку снимков и расчет показателей осуществляют в любом графическим редакторе с помощью средств вычислительной техники. Для подсчета объема отпечатка полусферического штампа может быть использована формула объема шарового сегмента:

V=πh²(R-1/3h), где

h - глубина отпечатка (высота шарового сегмента), h=R-√ (R² - r ²)

R - радиус полусферического штампа (принят 138 мм)

r - радиус отпечатка полусферического штампа в грунте.

Наиболее простым способом вычисления объема отпечатка полусферического штампа является следующий:

- задаются радиусами отпечатка от полусферического штампа от r=0,5 см до максимального радиуса R с шагом 0,5 см.

- для заданных радиусов отпечатков рассчитываются глубины отпечатка по формуле h=R-√ (R² - r ²);

- по рассчитанным глубинам отпечатков рассчитывают объемы отпечатков штампов при заданных ранее радиусах и, соответственно, диаметрах.

- по полученным данным строится график зависимости объемов отпечатка полусферического штампа от измеренного диаметра.

- при испытаниях оперативно определяется объем отпечатка полусферического штампа по построенному графику объемов и измеренному в ходе испытаний диаметру.

Согласно п..5.2.6 ГОСТ20276.1-2020, «нагружение штампа осуществляют домкратом или тарированным грузом. Домкраты должны быть предварительно оттарированы. Нагрузку определяют с погрешностью не более 5% ступени давления».

Согласно п.5.2.7 ГОСТ20276.1-2020, «прогибомеры для измерения осадки штампа должны быть закреплены на реперной системе, штамп должен быть закреплен с прогибомером нитью из стальной проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Измерительная система должна обеспечивать измерение осадок с погрешностью не более 0,1 мм. Осадку штампа следует определять как среднее арифметическое значение показаний трех прогибомеров фиксирующих осадку штампа в трех точках, расположенных в трех точках, расположенных под углом 120° от оси штампа в вертикальной плоскости. Для измерения осадки штампа допускается применять другие приборы, обеспечивающие измерение осадок с погрешностью не более 0,1 мм».

В настоящее время применяется два основных вида нагружения:

- монтаж винтовых анкеров, фиксация на них балки. Домкрат упирается в балку и формирует требуемые нагрузки на штамп;

- домкрат упирается в прочные элементы тяжелой техники, с весом значительно превышающим требуемые нагрузки и формирует требуемые нагрузки на штамп.

Измерения осадки штампа под нагрузкой выполняются индикаторами часового типа механическими или электронными относительно реперной системы струн или профилей или при помощи одноточечных прогибомеров фиксирующих величину деформации в центре штампа (при этом не требуется три замера под углом 120°). Также замеры осадки штампа выполняются прецезионными нивелирами Ni002, Н-05 или иными прецезионными нивелирами с точностью замера не менее 0,05мм по специальным маркам, установленным на штамп.

Методика проведения штамповых испытаний по ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007-2016 применительно к рассматриваемым тестовым штамповым испытаниям включает следующее.

В качества оборудования для тестовых штамповых испытаний используют:

1. штамп площадью 600 см² (или иной в соответствии с таблицей 1 ГОСТ20276-2020);

2. домкрат с манометром для создания фиксированного давления на штамп;

3. одноточечный прогибомер с опорной анкерной частью и специальной полой проставкой на штамп, обеспечивающей возможность измерения деформации в центре штампа или прецезионный нивелир с 3-мя специальными марками, установленными на штамп;

4. комплекс оборудования для нагружения и измерения деформаций статического штампа типа “Infratest” или HMP PDG. Комплексы оборудования для выполнения статических штамповых испытаний включают поименованные выше штамп, домкрат с манометром, рычажную систему измерения осадки с анкерным устройством.

При любом способе применения штамповых испытаний необходимо грузовое устройство - каток, применяемый при испытаниях или любое устройство типа грузовика с грузом, экскаватора, погрузчика обладающего массой не менее массы катка.

Подготовка к испытаниям включает следующее.

Подготовку основания, включающего тщательное выравнивание в горизонт. При необходимости выполняется подсыпка песком средней крупности выравнивающей подушки толщиной от 1 до 5 см.

На подготовленную площадку устанавливается штамп. Грузовое устройство подъезжает таким образом, чтобы штамп оказался под рамой или иным элементом грузового устройства, на которое можно передать усилие от домкрата (балласт экскаватора или погрузчика, рама катка или грузовика и т.д.).

На штамп монтируется домкрат или комплекс статического штампа типа “Infratest” или HMP PDG таким образом, чтобы посредством домкрата можно было нагружать штамп? передавая нагрузку от грузового средства.

При измерении деформации осадки штампа под нагрузкой прецезионным нивелиром на штампе устанавливаются домкрат и специальные марки, позволяющие снять осадку штампа микрометром нивелира с точностью не менее 0,05 мм.

Проведение испытаний

Испытания выполняются в соответствии с разделом 5.4 ГОСТ 20276-2020. Нагрузка прикладывается к штампу в соответствии с таблицами 2.3,4 ГОСТ 20267-2020 в соответствии с видом грунта, при этом грунт принимается в плотном состоянии, т.к. его предварительно уплотняли и выполняется контроль качества уплотнения.

Определение коэффициента постели грунта

Нагружение осуществляется равномерно без рывков и ударов ступенями по 0,05 - 0,1 МПа (в соответствии с табл. 2-4 ГОСТ20267-2020) до величины давления 0,4 МПа. При этом производится полная разгрузка с каждой ступени нагружения (с 0,1 МПа, 0,2 МПа, 0,3 МПа, 0,4 МПа). Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки штампа. За критерий условной стабилизации осадки штампа принимается скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за время, указанное в таблицах 2-4. Отчеты по приборам на каждой ступени нагружения снимаются через каждые 10 мин. в течение первого получаса, 15 минут в течение второго получаса и далее через 15 минут до условной стабилизации деформации.

Обработка материалов штамповых испытаний производится в соответствии с требованиями ГОСТ 20276.1-2020 и ОДМ 218.5.007.

Для каждого цикла нагружения-разгрузки определяются упругие (обратимые) и остаточные (необратимые пластические) деформации.

Эквивалентный коэффициент постели на поверхности основания по результатам испытаний определяется для каждой точки испытаний как отношение давления на искусственное основание к упругой составляющей перемещения штампа для каждого цикла нагружения-разгрузки:

С=P/S_у, где P - давления приложенное к поверхности грунта; C - коэффициент постели штампом для данного цикла нагружения-разгрузки; S_у - упругая составляющая суммарной осадки равная разнице величины общей деформации и остаточной деформации после разгрузки ступени (Sy=S общ. - Sостат.).

Для каждой точки испытаний определяется среднеарифметическая величина коэффициента постели по величинам, определенным для каждой из ступеней на данной точке.

Определение модуля упругости грунта

Метод с длительной выдержкой при нагружении и разгрузке. Нагружение осуществляется равномерно без рывков и ударов ступенями по 0,05-0,1 МПа (в соответствии с табл. 2-4 ГОСТ20267-2020) до величины давления 0,25-0,5 МПа. Минимальное число ступеней нагружения 5. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации осадки штампа. За критерий условной стабилизации осадки штампа принимается скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за время, указанное в таблицах 2-4 ГОСТ20267-2020. Отчеты по приборам на каждой ступени нагружения и разгрузки снимаются через каждые 10 мин. в течение первого получаса, 15 минут в течение второго получаса и далее через 15 минут до достижения условной стабилизации. По полученным результатам строится график зависимости осадки от нагрузки, по оси абсцисс откладываются значения давления, а по оси ординат соответствующие им условно стабилизированные значения осадки штампа. Через график проводится секущая прямая линия, вычисленная методом наименьших квадратов. Верхняя с наименьшими значениями точка сечения соответствует начальным значениям упругой стадии Р₀ и S₀ (условно), нижняя точка сечения прямой и кривой - конечным значениям упругой стадии Р_n и S_n (условно). Модуль упругости вычисляют по формуле: где Е - модуль упругости, ν - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого плоского штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп, МПа, равное Р_n -Р₀ ; ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее S_n - S₀ ,м (приложение Г, рис. Г1 ГОСТ 10267.1-2020). График определения модуля упругости по осредняющей прямой приведен на фиг. 2.

Метод с сокращенной выдержкой при нагружении и разгрузке. Перед началом испытаний выполняется предварительное нагружение нагрузкой 0,01 МН/м² с последующей разгрузкой, через 30с датчик перемещений устанавливают на «0».

Нагружение при проведении испытаний осуществляется равномерно без рывков и ударов ступенями по 0,05 - 0,1 МПа (в соответствии с табл. 2-4 ГОСТ20267-2020) до величины давления 0,25 - 0,5 МПа. После достижения заданной нагрузки производится разгрузка ступенями в 50%, 25% и 2% от максимальной нагрузки. Минимальное число ступеней нагружения 5. При приложении и снятии нагрузки следует начинать с изменения нагрузки до следующей ступени каждые 120с после достижения значения предыдущей ступени нагружения. Для несущих слоев в дорожном строительстве время ожидания может быть сокращено до 60 с.

После снятия нагрузки проводят повторное нагружение, при этом только до предпоследней ступени первичного нагружения. По полученным результатам строится график зависимости осадки от нагрузки (рис. 4), график имеет три ветви 1 - деформации под первичной нагрузкой, 2 - уменьшение деформации при разгрузке и 3 - деформация при повторной нагрузке. Модуль упругости Еупр. вычисляют по формуле: где ν - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого плоского штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп при повторном нагружении при 30% и 70% ее максимального значения, Мн/м² (МПа); ΔS - приращение осадки штампа, при вторичном нагружении, от 30% до 70% от максимальной нагрузки, м. График зависимости осадки от нагрузки приведен на фиг. 3.

Предлагаемый способ определения степени уплотнения и несущей способности грунта является дополнением к известным штамповым испытаниям по ГОСТ 20276-2020 значительно менее трудоемок и требователен в части точности измерений.

Изобретение относится к области исследований механических характеристик однородных материалов, в частности, к методам непрерывного контроля качества уплотнения грунтовых материалов. Сущность: осуществляют предварительные и основные штамповые экспресс-испытания идентором обследуемой площади, фотографирование отпечатков идентора, измерение на фотографии размера отпечатка идентора, расчет механических характеристик грунта на основании размеров отпечатка идентора на фотографии. В качестве идентора используют полусферический жесткий штамп, размещенный на заднем гладком вальце легкого катка. Фотографирование выполняют после снятия нагрузки и перемещения идентора, вертикально по отношению к плоскости отпечатка в грунте. Предварительные испытания включают одновременные парные тарировочные испытания части обследуемой площади идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой, сопоставительный анализ полученных при выполнении тарировочных парных испытаний размеров диаметров отпечатков идентора полусферического жесткого штампа на фотографии с вертикальной осадкой жесткого штампа с круглой плоской подошвой и выявление корреляционной зависимости между ними, определение параметров несущей способности грунта части обследуемой площади по вертикальной осадке жесткого штампа с круглой плоской подошвой. Основные испытания включают штамповые испытания идентором оставшегося участка обследуемой площади, определение показателей несущей способности грунта обследуемой площади, исходя из выявленной корреляционной зависимости, на основании которой вычисленные параметры несущей способности грунта приближенно считают соответствующими диаметру отпечатка полусферического жесткого штампа. Технический результат: повышение скорости определения прочностных показателей грунта и обеспечение возможности использования способа в полевых условиях строительства. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ определения качества уплотнения и несущей способности грунта, включающий предварительные и основные штамповые экспресс-испытания идентором обследуемой площади, фотографирование отпечатков идентора, измерение на фотографии размера отпечатка идентора, расчет механических характеристик грунта на основании размеров отпечатка идентора на фотографии, отличающийся тем, что:

a. в качестве идентора используют полусферический жесткий штамп; размещенный на заднем гладком вальце легкого катка;

b. фотографирование выполняют после снятия нагрузки и перемещения идентора, вертикально по отношению к плоскости отпечатка в грунте;

c. предварительные испытания включают: - одновременные парные тарировочные испытания части обследуемой площади идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка, и жестким штампом с круглой плоской подошвой; - сопоставительный анализ полученных при выполнении тарировочных парных испытаний размеров диаметров отпечатков идентора - полусферического жесткого штампа на фотографии с вертикальной осадкой жесткого штампа с круглой плоской подошвой и выявление корреляционной зависимости между ними; - определение параметров несущей способности грунта части обследуемой площади по вертикальной осадке жесткого штампа с круглой плоской подошвой;

d. основные испытания включают: - штамповые испытания идентором оставшегося участка обследуемой площади;

- определение показателей несущей способности грунта обследуемой площади, исходя из выявленной корреляционной зависимости, на основании которой вычисленные параметры несущей способности грунта приближенно считают соответствующими диаметру отпечатка полусферического жесткого штампа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительные испытания включают не менее девяти пар одновременных тарировочных испытаний идентором - полусферическим жестким штампом, размещенным на заднем гладком вальце легкого катка и жестким штампом с круглой плоской подошвой, с расположением штампов на расстоянии 2 м ±0,2 м в паре.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жесткий штамп с круглой плоской подошвой нагружают посредством домкрата, упирающегося в верхней части в балку, соединенную с винтовыми грунтовыми анкерами, или в раму легкого катка.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что штамповые испытания идентором - полусферическим жестким штампом выполняют с поперечным и продольным шагом точек испытания 3 м ± 0,3 м.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тарировочные испытания выполняют при обследовании площади, отсыпанной грунтами из одного карьера при соблюдении одного и того же температурно-влажностного режима.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве показателей несущей способности грунта обследуемого участка используют коэффициент модуля упругости грунта или коэффициент постели грунта контролируемой поверхности грунта.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что коэффициент модуля упругости грунта по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой вычисляют по формуле: где v - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого плоского штампа равным 0,79; D - диаметр штампа, м; Δр - приращение давления на штамп, МПа соответствующее упругой стадии; ΔS - приращение осадки штампа в упругой стадии, м.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что коэффициент постели по результатам тарировочных испытаний жестким штампом с круглой плоской подошвой вычисляют по формуле: С=P/s, где P - давление, приложенное к какой-либо точке поверхности основания, s - осадка в точке приложения давления в упругой стадии.