СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ПОМОЩИ ПОСТРОЕНИЯ 3D МОДЕЛИ ЛУНКИ Российский патент 2023 года по МПК E02D1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относиться к области строительства, а именно к способам определения фактической плотности грунтов и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, при строительстве автомобильных дорог, проведении строительной экспертизы и в процессе инженерно-геологических изысканий.

Уровень техники

Известны методы определения фактической плотности грунта, которые можно разделить на косвенные и прямые методы.

К косвенным методам относиться применение плотномеров различного типа действия:

Пенетрометр ПСГ-МГ4 - В соответствии с руководством по эксплуатации КБСП.427333.037 РЭ п. 1.4.1. «Принцип действия пенетрометра заключается в преобразовании деформации упругого элемента тензометрического датчика силы, вызванной действием приложенной силы, в электрический сигнал. Электрический сигнал регистрируется электронным блоком, обрабатывается, и результаты измерений в единицах силы отображаются на дисплее. Удельное сопротивление пенетрации определяется как отношение силы действующей на наконечник к площади наконечника.

На основе корреляционной зависимости между удельным сопротивлением пенетрации и механическими свойствами грунта определяются характеристики грунтов: угол внутреннего трения; удельное сцепление; модуль упругости, а так же плотность для песчаных грунтов».

Плотномер SDG-200 - плотномер электромагнитного принципа действия, Электрическое поле передается через материал от контактной пластины прибора SDG 200, при этом измеряется полное сопротивление, которое используется при вычислении величины плотности для данного типа грунта.

SDG 200 крайне зависим от лабораторного определения характеристик зернового состава и значений влажности фактически измеряемого материала, которые должны быть занесены в компьютер прибора.

Так же к косвенным методам определения плотности грунта можно отнести плотномеры, определяющие коэффициент уплотнения грунта - единицы напрямую связанной с фактической плотностью грунта через значение максимальной плотности грунта и его влажности.

Коэффициент уплотнения грунта (compression ratio) Отношение фактической плотности сухого грунта в конструкции к максимальной плотности того же сухого грунта, определяемой в лаборатории при испытании методом стандартного уплотнения (портал Стройкомплекса России (stroi.gov.ru))

Плотномер пенетрационный статистического действия модель В-1 - в соответствии с паспортом и инструкцией по эксплуатации: «Плотномер предназначен для определения коэффициента уплотнения грунтов. Коэффициент уплотнения грунта оценивается по усилию, прилагаемому к рукояткам плотномера при заглублении наконечника на глубину его рабочей части. Коэффициент уплотнения грунта определяется максимальным отклонением стрелки индикатора, возникающим при деформации динамометрического кольца».

Коэффициент уплотнения определяется в соответствии с табличными значениями, приведенными в приложении 1 паспорта прибора.

Динамический плотномер Д-51 - в соответствии с паспортом прибора: «Динамическим зондированием определяют плотность грунта путем измерения сопротивления погружению зонда под действием возрастающего числа приложений ударной нагрузки. Плотность грунта устанавливается по графикам зависимости от числа ударов, затраченных на погружение стержня» (Исходя из графиков, приведенных в паспорте к прибору под термином «плотность» подразумевается термин «коэффициент уплотнения»).

Главными недостатками плотномеров пенетрационного принципа действия является их крайняя зависимость от значения влажности и содержания гравийных частиц в теле обследуемой грунтовой конструкции, а также высокие погрешности значений относительно прямых методов обследования.

Главным недостатком всех косвенных методов является невозможность использования их результатов при проведении мероприятий государственного строительного надзора.

К прямым методам определения фактической плотности грунта в массиве (строительной конструкции) относиться:

Определение плотности грунта (в т.ч. мерзлого) методом режущего кольца - в соответствии с ГОСТ 5180-2015 п. 9.3.: Кольцо-пробоотборник смазывают с внутренней стороны тонким слоем вазелина или консистентной смазки.

Верхнюю зачищенную плоскость образца грунта выравнивают, срезая излишки грунта ножом, устанавливают на ней режущий край кольца и винтовым прессом или вручную через насадку слегка вдавливают кольцо в грунт, фиксируя границу образца для испытаний. Затем грунт снаружи кольца обрезают на глубину 5-10 мм ниже режущего края кольца, формируя столбик диаметром на 1-2 мм больше наружного диаметра кольца. Периодически, по мере срезания грунта, легким нажимом пресса или насадки насаживают кольцо на столбик грунта, не допуская перекосов. После заполнения кольца грунт подрезают на 8-10 мм ниже режущего края кольца и отделяют его.

Грунт, выступающий за края кольца, срезают ножом, зачищают поверхность грунта вровень с краями кольца и закрывают торцы пластинками.

При пластичном или сыпучем грунте кольцо плавно, без перекосов вдавливают в него и удаляют грунт вокруг кольца. Затем зачищают поверхность грунта, накрывают кольцо пластинкой и подхватывают его снизу плоской лопаткой.

Кольцо с грунтом и пластинками взвешивают.

Плотность грунта, г/см, вычисляют по формуле

р=(m₁-m₀-m₂)/V

где

m₁ - масса грунта с кольцом и пластинками, г;

m₀ - масса кольца, г;

m₂ - масса пластинок, г;

V - внутренний объем кольца, см³»

Данный метод при проведении полевых обследований имеет следующие недостатки:

- недостоверность его использования при полевом обследовании промороженных конструкций либо пересушенного материала с большим содержанием глинистых частиц, поскольку в процессе погружения пробоотборника в тело конструкции возможно образование сетки трещин под режущим краем кольца, что приводит к разуплотнению отбираемого материала;

- недостоверность его использования в конструкциях, выполненных из материала с повышенным содержанием гравийных частиц - поскольку гравийная частица в случае попадания под режущий край пробоотборника в процессе его погружения начнет проворачиваться под действием погружающей кольцо сивы, тем самым разуплотняя зону обследования;

- относительно небольшой объем обследования - пробоотборники для метода режущего кольца выпускаются в основном объемами 200, 400 и 500 см³.

Определение плотности грунта методом взвешивания в воде - в соответствии с ГОСТ 5180-2015 п. 10.: «Вырезают образец грунта объемом не менее 50 см³ и придают ему округлую форму, срезая острые выступающие части.

Образец обвязывают тонкой прочной нитью со свободным концом длиной 15-20 см, имеющим петлю для подвешивания к серьге весов.

Парафин, не содержащий примесей, нагревают до температуры 57°С-60°С.

Обвязанный нитью образец грунта взвешивают.

Образец грунта покрывают парафиновой оболочкой, погружая его на 2-3 секунды в нагретый парафин. При этом пузырьки воздуха, обнаруженные в застывшей парафиновой оболочке, удаляют, прокалывая их и заглаживая места проколов нагретой иглой. Эту операцию повторяют до образования плотной парафиновой оболочки.

Охлажденный парафинированный образец взвешивают.

Затем парафинированный образец взвешивают в сосуде с водой. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес с чашей с серьги, уравновесив весы дополнительным грузом). К серьге коромысла подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда.

Взвешенный образец вынимают из воды, промокают фильтровальной бумагой и взвешивают для проверки герметичности оболочки. Если масса образца увеличилась более чем на 0,02 г по сравнению с первоначальной, образец следует забраковать и повторить испытание с другим образцом.

Плотность грунта, г/см, вычисляют по формуле:

где

m - масса образца грунта до парафинирования, г;

m₁ - масса парафинированного образца грунта, г;

m₂ - результат взвешивания образца в воде - разность масс парафинированного образца и вытесненной им воды, г;

р_р - плотность парафина, принимаемая равной 0,900 г/см³;

p_w - плотность воды при температуре испытаний, г/см³.»

Данный метод не применим для обследования сыпучих и мерзлых грунтов и крайне чувствителен к деформации образца, как в процессе его транспортировки, так и в процессе пробоподготовки образца к испытаниям.

Определение плотности мерзлого грунта методом взвешивания в нейтральной жидкости - в соответствии с ГОСТ 5180-2015 п. 11.: «Образец грунта отбирают округлой формы массой 100-150 г и обвязывают нитью. Для грунтов с немассивной криогенной текстурой масса образца может быть увеличена.

Определяют плотность нейтральной жидкости ареометром при температуре испытания.

Обвязанный нитью образец грунта взвешивают.

Затем образец взвешивают, погрузив его в нейтральную жидкость. Для этого над чашей весов устанавливают подставку для сосуда с водой так, чтобы исключить ее касание к чаше весов (или снимают подвес с чашей с серьги, уравновесив весы дополнительным грузом). К серьге коромысла подвешивают образец и опускают в сосуд с водой. Объем сосуда и длина нити должны обеспечить полное погружение образца в воду. При этом образец не должен касаться дна и стенок сосуда.

Плотность грунта, г/см, вычисляют по формуле

V=p_nlm/(m-m₁),

где

m - масса образца (до погружения), г;

m₁ - результат взвешивания образца в нейтральной жидкости -разность масс образца и вытесненной им жидкости, г;

p_nl - плотность нейтральной жидкости при температуре испытаний, г/см³.»

Данный метод не применим для обследования сыпучих грунтов и крайне чувствителен к деформации образца в процессе его транспортировки.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является метод замещения объема по ГОСТ 28514-90 «Метод заключается в установлении отношения массы пробы грунта к его объему при условии, что из слоя испытательного грунта отбирают пробу необходимого объема, которую замещают однородной средой с известной плотностью.»

ГОСТ 28514-90 устанавливает два способа замещения объема изымаемого грунта:

1. С помощью пескозагрузочного аппарата.

На поверхности подлежащего испытанию слоя разравнивают площадку, соответствующую размерам листа основания, и на эту поверхность помещают лист основания и закрепляют его, исключая возможность смещения. Под круглым отверстием листа выкапывают лунку с примерно вертикальными стенками таким образом, чтобы избежать нарушения естественного сложения.

Извлеченный из лунки грунт тщательно собирают и измеряют его массу (m).

Полностью наполненный песком пескозагрузочный аппарат массой m₁ (при закрытой задвижке) помещают на лист основания, расположенный над лункой, затем, открыв задвижку, высыпают песок в лунку. Как только визуальное движение песка прекращается, закрывают задвижку и, сняв аппарат, измеряют его массу (m₄).

Значение массы песка, наполняющего лунку (m₅), в граммах, определяют с округлением до 1 г по формуле

m₅=m₁-(m₂+m₄),

где

m₁ - масса пескозагрузочного аппарата, наполненного песком, г;

m₂ - масса песка, высыпанного из пескобака в загрузочную камеру конической формы, г;

m₄ - масса пескозагрузочного аппарата после наполнения лунки, г.

Значение плотности испытываемого грунта определяют в граммах на кубический сантиметр с округлением до 0,01 г/см по формуле

,

где

m - масса испытуемого грунта, удаленного из лунки, г;

m₅ - масса песка, наполняющего лунку, г;

- средняя плотность наполняющего песка.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- довольно сложный процесс подготовки к проведению испытания - подготовка песка, отвечающего требованиям ГОСТ и проведение испытаний по определению его насыпной плотности;

- на процесс заполнения лунки в полевых условиях влияет масса погодных факторов ветер, дождь и.т.д.;

- в процессе испытания в полевых условиях просто невозможно избежать потери заменяющего песка что приведет к увеличению значений объема лунки при расчетах.

2. С помощью аппарата с резиновым баллоном.

На поверхности подлежащего испытанию слоя разравнивают требуемую площадь, после чего устанавливают лист основания и закрепляют его, чтобы он не смещался.

Аппарат через полый стержень поршня заливают водой, затем, слегка вдавив поршень, вытесняют из цилиндра воздух. После этого перекрывают наполнительное отверстие.

Аппарат помещают на лист основания и, отжав цилиндр, поджимают баллон на выровненную грунтовую поверхность. По шкале определяют объем (V₀).

Оттягивают поршень и снимают аппарат с листа основания. Через круглое отверстие в листе основания выкапывают лунку с примерно вертикальными стенками.

Глубина лунки должна обеспечивать минимальный объем пробы В стенках и дне лунки следует удалить выступающие острые части крупных обломков таким образом, чтобы избежать нарушения естественного сложения грунта. Изъятый при этом грунт следует тщательно собрать в сосуд.

Аппарат вновь устанавливают на листе основания и закрепляют, после чего поршень вдавливают до тех пор, пока баллон не прижмется к стенке полости. После этого на шкале считывают значение объема (V₁). Без изменения положения прибора вытягиванием поршня воду из резинового баллона направляют в аппарат и повторно определяют объем V₁. Если два считанных значения отличаются друг от друга не более чем на 2%, то за основу следует брать их среднее значение. В противном случае следует повторить испытание.

Значение плотности грунта (р) определяют в граммах на кубический сантиметр с округлением до 0,01 г/см

по формуле

,

где

m - масса грунта, извлеченного из лунки, г;

V₀ - объем воды перед извлечением грунта, см³;

V₁ - объем воды после извлечения грунта, см³.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- в процессе заполнения лунки при помощи аппарата с резиновым баллоном на стены лунки оказывается давление, что приводит к доуплотнению материала стенок лунки и увеличению лунки в объеме;

- материал заполняющий баллон (в основном это вода) сильно зависит от температуры окружающей среды что в свою очередь влияет на проводимые измерения;

- высокие значения погрешности при проведении параллельных испытаний;

- так же стоит отметить, что отбор материала из конструкции производиться без определенной методики, что в свою очередь может приводить к доуплотнению стенок лунки инструментами отбора, что в свою очередь увеличивает определяемый объем.

Отличительными признаками предложенного способа от проталины (метод замещения объемов) является наличие методики отбора материала, определение объема лунки с повышенным классом точности и обследование тела лунки не механическим способом.

Раскрытие сущности изобретения

Задача данного изобретения состоит в разработке такого способа, который обеспечивал бы заявленный технический результат.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в значительном увеличении точности и достоверности получаемых результатов обследования, что крайне важно для оценки их соответствия требованиям проектной и нормативно технической документации в промышленном и гражданском строительстве, при строительстве автомобильных дорог, проведении строительной экспертизы и в процессе инженерно-геологических изысканий, а также в значительном снижении трудоемкости обследования на объекте.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предложен способ определения плотности грунтов путем установления отношения массы пробы грунта к его объему при условии, что из слоя испытательного грунта отбирают пробу необходимого объема, отличающийся тем, что определение объема отобранной пробы производят путем 3D сканирования участка обследования до и после отбора пробы, дальнейшим построением и наложением друг на друга 3D моделей участка обследования до и после отбора пробы, выделением с помощью метода отсечения лишних зон области отобранной пробы и вычислением с помощью специализированного программного комплекса объема отобранной пробы.

Согласно изобретению отбор пробы производят по методике, не допускающей доуплотнения стенок лунки в процессе отбора пробы, а также обрушения грунта стенок на дно лунки.

Согласно изобретению отбор пробы производят в предварительно взвешенную тару, позволяющую обеспечить транспортировку пробы без потери значений ее массы и влажности, а взвешивание пробы, совместно с транспортировочной тарой, позволит избежать потери массы пробы.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена примерная схема съемки площадки обследования с нанесенными на нее следующими элементами:

1 - 3D сканер;

2 - перемещение 3D сканера;

3 - направление сканирования;

4 - площадка обследования;

5 - грунтовый массив.

На фиг. 2 изображена примерная схема повторной съемки площадки обследования с образованным в ней телом лунки:

1 - 3D сканер;

2 - перемещение 3D сканера;

3 - направление сканирования;

4 - площадка обследования;

5 - грунтовый массив;

6 - стенки лунки;

7 - лунка;

8 - угол стенки лунки.

Осуществление изобретения

Предлагается способ определения фактической плотности грунтов при помощи построения 3D модели лунки, состоящий из следующей последовательности действий:

1. Подготовка на поверхности грунтового массива 5 площадки обследования 4 (квадратная площадка стороной L равной 1 м, глубиной Н равной 10 см с выровненной поверхностью). При углублении площадки и выравнивании поверхности грунт срезается и изымается без усилий на поверхность площадки, чтобы не допустить доуплотнения испытуемого материала.

2. При помощи портативного ручного 3D сканера 1 производиться съемка площадки обследования.

В данной методике используются 3D сканеры, отвечающие следующим требованиям:

- метрологический класс точности;

- разрешение построения сетки не более 0,05 мм;

- точность измерений ± 0,06 мм;

- возможность мобильного использования.

(ScanTech PRINCE775; RangeVision Pro (отечественного производства) - примеры 3D сканеров, отвечающих заявленным требованиям)

3. Производится выборка грунта из центра площадки обследования 4 с образованием лунки 7 в предварительно взвешенную емкость обеспечивающую транспортировку пробы с неизменной массой и влажностью до помещения лаборатории (в случае проведения дальнейших испытаний по определению плотности сухого грунта в конструкции тара должна быть выполнена из жаропрочного материала для помещения ее в сушильный шкаф), с применением следующей методики:

- отбор пробы производиться путем послойной выборки материала из лунки 7;

- инструмент, с помощью которого производиться отбор пробы (далее инструмент отбора) погружается в тело лунки 7 не более чем на 1 см;

- срезка грунта производиться строго от границ лунки 7 к ее центру без какого-либо давления на стенки лунки 6;

- стенки лунки 6 должны сужаться к ее основанию под углом 8, обеспечивающим устойчивость стенок от обрушения (угол определяется опытным путем в каждом конкретном случае);

- в случае нахождения на границе стенки лунки 6 крупного (относительно гранулометрического состава основной массы материала обследования) включения, данную стенку следует отодвинуть на расстояние за границы крупного включения, а весь материал, полученный в процессе передвижения стенки включить в пробу;

- объем лунки должен составлять не менее 1000 см²;

(Данная методика позволяет избежать деформации границ образующейся в процессе отбора пробы лунки, что напрямую влияет на точность проводимых измерений)

4. При помощи портативного ручного 3D сканера 1 производиться повторная съемка площадки обследования 4 с образованным в ней телом лунки 7.

5. В камеральных условиях с использованием соответствующих программных комплексов создаются две 3D модели площадки обследования 4: первая на момент начала обследования, вторая на момент сканирования площадки с лункой 7.

6. Путем совмещения двух полученных 3D моделей определяются границы лунки обследования.

7. Производится отсечение выступов на стенках лунки 6 диаметром менее чем диаметр наибольший фракции материала обследования.

8. При помощи соответствующего программного комплекса производиться вычисление объема получившейся после обработки 3D модели лунки.

9. В лабораторных условиях производится взвешивание отобранного из конструкции материала вместе с тарой на весах с точностью до второго знака после запятой.

В случае необходимости определения плотности сухого грунта в конструкции (необходима для определения качественной характеристики - коэффициента уплотнения грунта) материал вместе с тарой высушивают до постоянной массы и так же взвешивают с точностью до второго знака после запятой.

В случае большого объема грунта изъятого из тела лунки допускается нахождение значений массы сухого грунта через определение его влажности грунта по ГОСТ 5180-2015 п. 5 по формуле:

где

m_в - масса тары и грунта, отобранного из конструкции, г;

m_т - масса тары, г;

V_3D - объем 3D модели лунки см³;

w - влажность грунта, %.

10. Плотность грунта в конструкции определяется по формуле:

где

m_в - масса тары и грунта, отобранного из конструкции, г;

m_т - масса тары, г;

V_3D - объем 3D модели лунки см³;

Плотность сухого грунта в конструкции определяется по формуле:

где

m_с - масса тары и грунта, отобранного из конструкции высушенных в сушильном шкафу до постоянной массы, г;

m_т - масса тары, г;

V_3D - объем 3D модели лунки см³;

Актуальность

Актуальность предлагаемого метода обусловлена тем, что в процессе его реализации значительно повышается степень доверия к получаемым результатам за счет применения предложенной схемы отбора материала, использования методов определения объема лунки в своей основе не подразумевающих механический контакт с стенками лунки, применение измерительных приборов имеющих класс точности измерений значительно выше чем у приборов применяемых на данное время а также снижение влияния человеческого фактора на результаты проводимых измерений.

Изобретение относиться к области строительства, а именно к способам определения фактической плотности грунтов, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, при строительстве автомобильных дорог, проведении строительной экспертизы и в процессе инженерно-геологических изысканий. Сущность: определение объема отобранной пробы производят путем 3D сканирования участка обследования до и после отбора пробы, дальнейшим построением и наложением друг на друга 3D моделей участка обследования до и после отбора пробы, выделением с помощью метода отсечения лишних зон области отобранной пробы и вычислением с помощью программного комплекса объема отобранной пробы. Отбор пробы производят по методике, не допускающей доуплотнения стенок лунки в процессе отбора пробы, а также обрушения грунта стенок на дно лунки, путем послойной выборки материала из лунки, при которой срезка грунта производится строго от границ лунки к ее центру без какого-либо давления на стенки лунки, которые сужаются к основанию лунки под углом, обеспечивающим устойчивость стенок от обрушения. Отбор пробы производят в предварительно взвешенную тару, позволяющую обеспечить транспортировку пробы без потери значений ее массы и влажности, а взвешивание пробы, совместно с транспортировочной тарой, позволит избежать потери массы пробы. Технический результат: значительное увеличение точности и достоверности получаемых результатов обследования, а также значительное снижение трудоемкости обследования на объекте. 2 ил.

Способ определения фактической плотности грунтов при помощи построения 3D модели лунки путем установления отношения массы пробы грунта к его объему при условии, что из слоя испытательного грунта отбирают пробу, отличающийся тем, что определение объема отобранной пробы производят путем 3D сканирования участка обследования до и после отбора пробы, дальнейшим построением и наложением друг на друга 3D моделей участка обследования до и после отбора пробы, выделением с помощью метода отсечения лишних зон области отобранной пробы и вычислением с помощью программного комплекса объема отобранной пробы, отбор пробы производят по методике, не допускающей доуплотнения стенок лунки в процессе отбора пробы, а также обрушения грунта стенок на дно лунки, путем послойной выборки материала из лунки, при которой срезка грунта производится строго от границ лунки к ее центру без какого-либо давления на стенки лунки, которые сужаются к основанию лунки под углом, обеспечивающим устойчивость стенок от обрушения, отбор пробы производят в предварительно взвешенную тару, позволяющую обеспечить транспортировку пробы без потери значений ее массы и влажности, а взвешивание пробы, совместно с транспортировочной тарой, позволит избежать потери массы пробы.