Способ определения характеристик пластичности связных грунтов Советский патент 1984 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к строителству, в частности к исследованию физико-механических характеристик грунтов.

Известен способ оценки характеристик пластичности связных грунтов по эмпирическим зависимостям (в виде таблиц или номограммJ между этим характеристиками и содержанием глинистой фракции в грунте,, определяемой посредством гранулометрического анализа в лабораторных условиях 1 3

Недостатками этого способа являются его трудоемкость, связанная с подготовкой и проведением анализов, необходимость отбора образцов и невозможность непосредственного определения минералогического состава грунта в полевых условиях.

Известен способ определения характеристик пластичности связных грунтов, включающий измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов L23.

Недостатком этого способа является низкая точность получаемых результатов из-за невозможности учета минерапогического состава грунта, влияющего на природную интегральную радиоактивность грунта, по которой оценивается содержание глинистых частиц.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения характеристик пластичности путем учета минералогического состава грунта.

Эта цель достигается тем, что согласно способу определения характеристик пластичности связных грунтов, включающему измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов, в грунте создают электрическое поле, измеряют вызванную поляризацию и содержание калия в грунте, а характеристики пластичности авизных рунтов определяют по формуле|,()

-: МГ-М« . ) где Dp - характеристика пластичности связных грунтов, % влажности;

К - коэффициент зависимости

характеристик пластичности от содержания глинистойфракции для грунта каолитового состава; % влажности

Г - содержание глинистой фракции , %;

РП - содержание глинистой фракции каолитового состава, % ; Ку - коэффициент зависимости характеристик пластичности от удельной поверхности грунта,

ЗГР - удельная поверхность грунта,

5д - удельная поверхность каолинита, м /г;

На фиг. I изображен график зависимости характеристик пластичности связных грунтов Up от содержания глинистой фракции Г; на фиг. 2 график зависимости характеристик пластичности связных грунтов Эр от удельной поверхности грунта5 05 на фиг. 3 - график зависимости содержания глинистой фракции Г от относительной радиоактивности на

фиг. - график зависимостей удельной поверхности грунта SppOT величины произведения параметра вызванной поляризации на содержание калия в грунте T,ft ; на фиг. 5 - устройство

5 для реализации данного способа,

В табл. 1 приведены данные о среднем содержании радиоактивных элементов в глинах и песке.

На основании данных, приведенных

в табл. i установлено, что характеристики пластичности связного грунта р являющиеся линейными функциями от содержания глинистой фракции Г, существенно различны для грун5 тов разного минералогического состава (фиг. 1) .

С учетом той зависимости значение дпя грунта любого минералогического состава может быть определено по формуле

К, (Г-Гр)

(2)

Влияние минералогического состава грунта на характеристики пластичнос55 ги обусловлено кристаллохимическим строением глинисгых минералов, главным образом, величиной их удельной поверхности . Удельная поверхность связного грунта данного состава с переменным содержанием тонкодисперсной фракции вычисляется по соотношению ЗгГ + SP (1 - Г) где 5 г и - удельная поверхност мономинерального гру та данного минерало гического состава и грубой песчаной фракции соответстве но, . Практически 5 прямо пропорциональна глинистости грунта, так как ; 5fj 1-2 м2/г. Наименьшими значениями Эр характ ризуются грунты каолинитового соста 1ФИГ. 1) , для которых удельная пове ность мономинеральной фракции (чистого каолина ) также низка и меняется в не0ольших пределах 110-30 Максимальные значения 3- присущи грунтам монтмориллонитового состава (.фиг.2) , удельная поверхность 5;„р„ которых более чем на порядок превышает5| для каолинитовых грунтов Зависимость Г для каолинитового грунта с минимальной удельной повер ностью 5гр 10 является стабил ной, надежно определенной по многим данным и может быть принята в качестве опорной для определения Зр иного состава по измеренным значениям глинистой фракции и удельной поверхности. Установлена связь между характеристиками пластичности Зр и удельной поверхности грунта , хорошо аппроксимируемая экспонциальной функцией вида .p-s/) )« где К. - угловой коэффициент зависимости Dp от Г для грунта каолинитового состава, при5гр 10 м2/г ,8; Г - содержание глинистости, при которой .Dp 0; К-- коэффициент зависимости JP от 5, рассчитываемый по соотношению П р МОИТ/ ItMA е - 5 МОНТ кс(Л где -рксюл-ионт коол . .с«с Ркаол ионт значения характеристик пластичности и удельной поверхности в возможных крайних точках диапазона изменения этих параметров, т.е. для монтмориллонита с 5 700 м /г и каолинита с 5 10 м /г. При измерении глинистости грунта по его интегральной природной радиоактивности недоучет минералогического состава приводит к значительным ошибкам, достигающим 50% измеряемой величины. Влияние минералогического состава на интегральную природную радиоактивность грунта обусловлено, главным образом, содержанием калия, меняющимся при переходе от грунтов каолинитового состава к гидрослюдистым грунтам в 5-6 раз, в то время как содержание других радиоэлементов остаются примерно постоянными для всех видов грунтов (табл. 1 ). Среднее содержание калия в чистом каолине практически равно его содержанию в песке, поэтому ;шя этого грунта с любым содержанием глинистых Частиц оно является постоянным. Для грунтов другого минералогического состава содержание с учетом содержания глинистой фракции рассчитывается по формуле ,,,(l-r)0,75+r(Q,- 0,75) гдеО| |, и содержание калия в тонкодисперсной фракции и в песке соответственно, %. С учетом содержаний радиоэлементов интегральная природная радиоактивность грунта Npp в относительных единицах рассчитывается по формулеNrp отм Qv«-0,36 Q,+0,93 10- QK , где Qy , jv- содержание урана и тория, 10 %; СЯц - содержание калия, %. Для исключения факторов, влияющих на величину измеряемой природной радиоактивности грунта объема детектора, объема исследуемого материала) , радиоактивность грунта N должна быть выраженг в безразмерных единицах , п радиоактивность песка имп/с , и ренная в тех же условиях, что и исследуеьый грунт и рассматривае как фоновая следовательно. N , Г + N (1-Г), где N р - природная интегральная диоактивность глинистой фракции (имп/с), которые могут рассматри ваться как общие для всех услови измерений (фиг.З). Угловые коэфф циенты этих зависимостей для гру тон различного минералогического состава равны «4 Kj -ь Kt(9,,,pQ,,, где Kj - угловой коэффициент для та каолинитового состава, равный 2,5 (график 1, фиг. З). К - коэффициент, равный N - N ЧнАр каол ц гмДр ккал где N р„др и и Q k. г«АР Q1, --. - значения интегральной Н vA родной радиоактивности грунта, фикиСш и ,(фиг. 3) содержания калия для- гидрослюды и каолина со ветственно (.табл.1), К,хО,67. Содержание глинистой фракции грунта N|-p , измеряемой по его пр родной радиоактивности с учетом с держания калия Q..,.,., определяется держания К1 к гр по формуле .( кгр-®кк«ол) а с учетом значений коэффициенто Q 0,75%, KS и К, N.r, п N п 2,5 + 0,67 (Q, -0,75) мр Nrp- Nn Nn 0.67 Q Характеристикипластичности мо гут быть определены при помощи ме дов, одновременно отражающих удел ную поверхность и состав глинисты минералов, лшпример метода вызван поляризации и метода определе1шя содержания калия в грунте. Метод вызванной поляризации осно ван на изучении характеристик вторичного электрического поля, возника1бщего в грунте после выю1ючения тока в источнике поля. Вызванная поляризация в трунтах имеет электрохимическое происхождение и обусловлена процессами, происходящими на контактах минеральной части грунтов с внутрипоровой влагой. Параметры вызванной поляризации в процентах измеряют в течение короткого времени периода спада вторичного электрического поля ( обычно не более 1 с). На параметры поляризации оказывают влияние минералогический состав грунта и в.меньшей степени глиностость грунта (табл. 2, фиг.4), а также его влажность. В диапазоне влажности, где проявляются пластические свойства связных грунтов и грунты являются водонасыщенными, т.е. между пределом пластичности и пределом текучести, параметры вызванной поляризации зависят главным образом от первых двух факторов в совокупности от величины поверхности раздела между твердыми частицами грунта и порами, заполненными водой, т.е. от удельной поверхности грунта. В табп. 2 на основании опытных данных отражены свойства глинистых минералов, влияющие на их поляризацию. При учете фактора,дополнительно описывающего минералогический состав, становится возможным определение удельной поверхности грунта, а по ней и характеристик пластичности. Таким фактором является содержание калия в грунте. Величина произведения параметра вызванной поляризации на содержание калия в грунте является линейной функцией удельной поверхности (фиг.4) во всем диапазоне ее изменения с учетом содержания глинистой фракции и минералогического состава грунта. Удельная поверхность грунта расчитывается по формуле .() асчетное значение коэффициента J по данным табл. 2 и фиг. 4 раво 1,56 10 мг/г при fj и QK аженных в процентах. При проведении испытаний установ лено, что значение параметра вызванной поляризации через 10 мс .после выключения тока равно 70 10 %, природная радиоактивность грунта составляет 200 имп/с,.а фоновая для песка 100 имп/с, содержание калия в грунте по гамма-спект метрии (линия 1,46 мэВ ) - 1,3%, ра четное значение глинистости грунта280 - 100 N - Nn рIliini 2 -« 0,670 0,627, Величина удельной поверхности 5 определенная по формуле (21, равналЬnrkI о t f т 70 -1,3 -10 5i 5 1,56 - JO Зл . определенно Число пластичности j по формуле (1 }, равно ,8 (0,627 - 0,065/ 2,5 - lO (1420 - 10 0,627) 22,2. Измерение интегральной природной радиоактивности и содержания калия производят при помощи спектрометри ческого гамма-радиометра, измерени параметров вызванной поляризации при помощи малогабаритной аппарату ры ВП, причем оба вида измерений могут быть выполнены на образцах или в полевых условиях, в варианте исследования пробуренных скважи и в пенетрационно-каротажном варианте. В последнем случае измерения природной радиоактивности и вызван ной попяризации грунта производят в процессе погружения в грунт зонда с измерительными преобразователями или его извлечения, осуществляе ф1м любыми известными сред ствами зондирования. Устройство для осуществления описываемого способа в данном вари анте состоит из зонда I, представляющего собой металлическую трубу. снабженную в нижней части конуснь1 1 наконечником, внутри кotopoй помещен измерительный, преобразователь спектрометрического гамма-радиометра, состоящий из фотоэлектронного умножителя (ФЗУ1 2, спектрометрического моиокристапла гамма-излучения 3 и электронной )I 4. Измерительный преобразователь вызванной поляризации представляет собой систему из питающих (двух или од-, ного) и измерительных электродов, расположенных на внешней поверхности кожуха зонда соосно с измерительным преобразователем гамма-радиометра, электроды 5 представляют собой кольца из меди или латуни, разделенные между собой слоями диэлектрического материала 6, например текстолита. Пои погпужрнии зонда в грунт измерительцые электроды в виде колец на поверхности зонда обеспечивают надежный контакт с грунтом, и их естественная поляризация не оказывает влияния на результаты измерения вызванной поляризации вследствие того, что ВП измеряют в течение короткого времени ( не более 10200 мс ). Использование предлагаемого способа оценки характеристик пластичности связных грунтов обеспечивает по сравнению с известными возможнос;гь непосредственного учета минералогического состава грунта, от которого зависят характеристики пластичности; возможность учета по суммарной природной радиоактивности и содержанию калия содержания не только глинистой, но и других дисперС ных фракций грунта, что повьщ|ает достоверность определения характеристик пластичности; высокую производительность измерений, снижение стоимости работ; повышение надежности определения вида грунта по результатам измерения природной радиоактивности и вызванной поляризации.

10

I 10871 Т a б л и ц -a 1

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ, включакнций измерение интегральной природной радиоактивности грунта, определение по ее значению содержания глинистой фракции и характеристик пластичности связных грунтов, отлич ающий ся тем, что, с целью повьшения точности и достоверности определения характеристик пластичности путем учета минералогического состава грунта, в грунте создают электрическое поле, измеряют вызванную поляризацию и содержание калия в грунте, а характеристики пластичности связных грунтов определяют по формуле 2(гр-.П V lf-o) где Э характеристика ппастичности связных грунтов, % влажности; К коэффициент зависимости характеристик пластичности от содержания глинистой фракции для грунта каолитового состава, % g влажности; Г содержание глинистой фракции , %; Г. содержание гли1шстой фракции коалитового состава,%; к, коэффициент зависимости, характеристики пластичности от удельной поверхности грунта, 5грудельная пове хность грун-. та, Sj, - удельная поверхность кaoэо линита, м/r

Каолинитового состава

Монтмориллонитового состава

Гидрослюдистого состава

.Кварцевый песок

состав

Монтмориллонит

Каолинит

Гидрослюда

13,5 0,75

7,6

2,6

9,6

3,25

4,5

13

5,1

2,15О 0,75

Таблица 2

J/7 % Влажности

$ 1

G

lOQ

ZQQ 200

100 SO

W

1IL

20 0 60 80 т. 120 Фиг.2

///

fl Q,b фие. /

:зр

/tf- Nn Qfff WO 200 00 Фиг.4 ff. 0.6 Фиг.З 600 800 фие. 5