Способ определения параметров прочности грунта пенетрацией Советский патент 1992 года по МПК E02D1/02 

, Способ относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности - к- определению параметров прочности грунта (сцепления с и угла внутреннего- трения ci) при пёнетрации грунта ло- г пастным конусом.

. Цель изобретения повышение точ ности определения параметров проч- - «ости. /

Сущность предлагаемого способа ключается в следующем.

На поверхность грунта устанавли вают комбинированный наконечник, выполненный в виде конуса, на боковой поверхности которого осесимметрично расположены лопасти (крылки), к наконечнику прикладывают вертикальное усилие, измеряют глубину погружения конуса в грунт, не снимая вертикального

усилия выполняют вращение наконечника и одновременно фиксируют вертикальное перемещение и угол поворота наконечника, а также вращательный момент, вычисляют нормальные-, напряжения G к ( боковой поверхности конуса и сопротивление срезу грунта по образующей лопастей конуса. Вращение наконечника прекращают, увеличивают вертикальное усилие на наконечник и повторяют операции в вышеуказанной последовательности. Ступени вертикального усилия подбирают так, чтобы при приложении каждой ступени обеспечить погружение конуса на 1/3 или на 1/4 его высоты. Прикладывают 3 или 4 ступени верти - кальной нагрузки, достаточные для построения Кулоновского графика к наконечнику, и при каждой ступени опредеЈл

со оэ

31715961

ляют нормальные напряжения и сопротивления срезу грунта, по которым строят кулоновский график сопротивления грун та срезу и вычисляют параметры прочности грунта с и Ц.

На фиг. 1 изображена схема прибора вращательного среза (ГПУС-3); на фиг.2 - сечение А-А на Лиг.1; на фиг. 3 - Б-Б на Лиг. 2; на Лиг,4 - график сопротивления сдвигу песчаного грунта; нафиг. 5 - то же, глубоководного океанского ила.

Для проведения .испытаний йспользован прибор вращательного среза ПВС-3, jj пастным конусом до поверхности грун20

предназначенный для определения экспресс-методом прочностных и реологических характеристик слабых глубоководных отложений в судовых лабораториях.

Прибор состоит из станины 1, закрепленной на вибррамортизаторах 2. На станине размещены редуктор 3, связанный с электродвигателем 4 и поворотным столиком 5 с градуированным 25 лимбом 6, механизм 7 подъема, соединенный зубчатой передачей со стойкой 8. Стойка 8 в верхней части снабжена тензоэлементом 9, выполненным в виде тонкой пластины с тензодатчи- : ками, и кронштейном 10, на котор ом установлен вал 11. В верхней части вала 11 находится П-образный yiiop 12, одним концом жестко соединенный с валом 11, а другим соприкасающийся с тензоэлементом 9. В нижней части вала 11 на скользящей посадке в вертикальном направлении могут быть установлены различные наконечники. На

та в обойме 16. Ослабляется стопорный винт 23 и лопастной конус под собственным весом погружается в образец грунта. Для погружения конуса в грунт на требуемую глубину на наконечник устанавливают грузы 14. х

Для создания вращения поворотного столика 5 включают электродвигатель 4 Угол поворота столика измеряют лимбом 6. Поворот столика 5 вызывает вращение лопастного конуса 13, а . вместе с ним вала 11 и упора 12. Упор 1.2 давит на тензоэлемент 9, по величине изгиба которого чи тарировочным

30 графикам измеряют крутящий момент. Вертикальное перемещение лопастного конуса измеряют индикатором 15.

Испытывались два вида грунта: мел кий воздушно-сухой кварцевый песок

jr средней плотности, имеющий физические .рактерисТики р 1,59 г/см3; (,006; ,5 кН/мэ; ,68, и глубоководный глинистый ил нарушенной структуры, отобранный с полигона Р 4 конкрефиг. 1 - 3 показан лопастной конус 13.JQ циеносного участка района КларионВертикальную нагрузку прикладывают к наконечнику грузами 14, а вертикальное перемещение измеряют индикатором 15. , .

Лопастной конус размещен в грунте, 45 находящемся в обойме 16. Обойма 16 установлена на поворотном столике 5. Тензоэлемент 9 связан с регистрирующим комплексом 17, состоящим из тензо- усилителя Топаз-3 самописца Н-338 Для измерения прогиба динамометрической пластины 9 предусмотрено дополнительно использование индикатора часового типа (не показан). Тарировку

Клиппеотон Тихого океана с водяной глубины более 5000 м. Исследуемые образцы имели показатели физических свойств р И, 29 г/см3; ОЭ 2,49; ys 24 кН/м3; ,7 кН/м3. е-5,49.

В испытаниях использовался лопас ной конус следующих размеров: угол при вершине at -60 ; диаметр основани конуса мм; ширина лопасти толщина ребра лопасти 1 мм.

Последовательность выполнения оп рации следующая.

Вырезка образца в обойму 16, установка ее на рабочий столик 6 приб

Вырезка образца в обойму 16, установка ее на рабочий столик 6 прибодинамометрической пластины (тёнзоэле- ра ПВС-3, подведение острия лопастно

мента) 9 выполняют с помощью нагруже- ния шкива 18 тросиком 19, пропущенным через блок 20 и соединенным с подвеской 21 с грузами 22.

го конуса к поверхности образца.

Ослабление стопорного винта 23. Конус под действием собственного веса веса наконечника и площадки для

Прибор работает следующим образом.

Станину 1 на виброамортизаторах 2 устанавливают в горизонтальное положение. С помощью редуктора 3 устанавливают требуемую скорость вращения столика 5. Механизмом 7 подъема стойка 8 с элементами 9 - 12 конструкции прибора выводится в крайнее верхнее положение. На поворотный столик 5 устанавливают цилиндрическую обойму 16, а на вал 11 закрепляют в нижней части лопастной конус 13. Механизмом 7 производится опускание наконечника с ло0

5

та в обойме 16. Ослабляется стопорный винт 23 и лопастной конус под собственным весом погружается в образец грунта. Для погружения конуса в грунт на требуемую глубину на наконечник устанавливают грузы 14. х

Для создания вращения поворотного столика 5 включают электродвигатель 4. Угол поворота столика измеряют лимбом 6. Поворот столика 5 вызывает вращение лопастного конуса 13, а . вместе с ним вала 11 и упора 12. Упор 1.2 давит на тензоэлемент 9, по величине изгиба которого чи тарировочным

0 графикам измеряют крутящий момент. Вертикальное перемещение лопастного конуса измеряют индикатором 15.

Испытывались два вида грунта: мел кий воздушно-сухой кварцевый песок

r средней плотности, имеющий физические .рактерисТики р 1,59 г/см3; (,006; ,5 кН/мэ; ,68, и глубоководный глинистый ил нарушенной структуры, отобранный с полигона Р 4 конкреКлиппеотон Тихого океана с водяной глубины более 5000 м. Исследуемые образцы имели показатели физических свойств р И, 29 г/см3; ОЭ 2,49; ys 24 кН/м3; ,7 кН/м3. е-5,49.

В испытаниях использовался лопастной конус следующих размеров: угол при вершине at -60 ; диаметр основания конуса мм; ширина лопасти мм; толщина ребра лопасти 1 мм.

Последовательность выполнения операции следующая.

Вырезка образца в обойму 16, установка ее на рабочий столик 6 прибора ПВС-3, подведение острия лопастно

ра ПВС-3, подведение острия лопастно

го конуса к поверхности образца.

Ослабление стопорного винта 23. Конус под действием собственного веса веса наконечника и площадки для

-17

индикатора 15 погружается в образец грунта. При этом в образец песка глубина погружения составила в среднем 1,5-1,6 см, а в образец ила - 1,6- 1,7 см. Масса первой ступени нагрузки (от конуса, штока, площадки индикатора) равна 331 г.

Включение электродвигателя 4. Скорость вращения рабочего столика 5 COC тавляла 1/4 оборота в мин. Осущест/в- лялся быстрый сдвиг. В процессе вращения столика лимбом 6 фиксировали угол поворота и соответствующий этому углу Поворота крутящий момент М. Крутящий момент определяли по прогибу динамометрической пластины 9,.измеряемому индикатором часового типа. Максимальный угол поворота столика принимали равным 90е, после чего вращение СТРОЛИка прекращали. Максимальное значение крутящего момента в большинстве случаев реализовывалось цри угле поворота 20-40 . По глубине погружения конуса и величине крутящего момента, геоме,т- рическим характеристикам лопастного конуса (расчетные формулы приведены, в акте испытания) определяли нормальные напряжения Е. на поверхности среза и соответствующие им сопротивления срезу „.грунта Ј.

Увеличение вертикальной нагрузку на лопастной конус. На наконечник укладывают грузы 14. Для песчаного грун

Конечные результаты определения параметров прочности водонасыщенного . океанского ила предлагаемым способом, показаны на фиг. 5. Как видно из этой фигуры и как показала статистическая обработка сцепление ила оказалось равным , а угол внутреннего тре«н ния(,4й. Низкие значения угла внутреннего трения объясняются тем, что (испытания производились неконсолиДи-;.

в водонасыщенном состоянии.

Аналогичные результаты получены i

та приращение массы груза для второй 35 рованно-недренированные, а грунт был

ступени составило 1000 г, при общей. йассе 1331 г,; а ила общая ма.сса груэа при второй ступени нагружения составила 792 г. При этом средняя глубиЬ погружения лопастного конуса в не- 40 при выполнении быстрого плоского сдвисок оказалась равной 2,5 - 2,6 см, а га по неконсолидированно-недренированв йл - 2,2 - 2,3 см.

Остальные операции были аналогичны

операциям, приведенным в п.З. В р,ёг; «.

зультате определяли нормальные напря 45

жения (э /от второй ступени нагрузки я I(:ортветств.ующие им сопротивления ере- 1 зу грунта

ной схеме испытаний при нормальных давлениях в диапазоне 1,5-7 кПа. Испытания выполнялись на приборе Литвино-f ва и с помощью штампа крыльчатки. Из ; этих испытаний следует, что угол внутреннего трения ила находится в пре- . делах 3-4°, а сцепление существенно зависит от времени тиксотропного уп-, рочнения ила. Максимальное время yff- рочнения ила после полного нарушения структуры составляло 6 сут. При этом значение сцепления достигало 1- 1,5 кПа.

Затем, на том же образце грунта - производили третье испытание. После , остановки вращения столика при действии второй ступени нагрузки производили увеличение нагрузки до величины третьей ступени нагрузки, которая сое-.

тавляла для песка 2331 г, а для ила 1331 г. Средняя глубина погружения лопастного конуса в песок составила 2,9-3,0 см, а в ил - 2,9-3,2.

Определяли нормальные напряжения G от третьей ступени нагрузки и соответствующие им сопротивления срезу грунта Ј. Опыты выполнены с 5 - 6-ти кратной повторностью.

Конечные результаты определения параметров прочности песка представлены на фиг.4. Статистическая обработка результатов испытания дала значение угла внутреннего трения Ср 2 9° при коэффициенте корреляции г-0,9, ; свидетельствующем о высокой достоверности определения значенияCf.

По известным данным для мелкого песка даны следующие значения угла внутреннего трения в зависимости,от коэффициента пористости: при .75 Ср 28°, при ,65 . Получен- :ное предлагаемым способом значение .:: оказалось в промежутке, так как коэффициент пористости исследуемого песка 0,,,75.

Конечные результаты определения параметров прочности водонасыщенного . океанского ила предлагаемым способом, показаны на фиг. 5. Как видно из этой фигуры и как показала статистическая обработка сцепление ила оказалось равным , а угол внутреннего тре«н ния(,4й. Низкие значения угла внутреннего трения объясняются тем, что (испытания производились неконсолиДи-;.

рованно-недренированные, а грунт был

в водонасыщенном состоянии.

Аналогичные результаты получены i

га по неконсолидированно-недренирован

ной схеме испытаний при нормальных : давлениях в диапазоне 1,5-7 кПа. Испытания выполнялись на приборе Литвино-f ва и с помощью штампа крыльчатки. Из ; этих испытаний следует, что угол внутреннего трения ила находится в пре- . делах 3-4°, а сцепление существенно зависит от времени тиксотропного уп-, рочнения ила. Максимальное время yff- рочнения ила после полного нарушения структуры составляло 6 сут. При этом значение сцепления достигало 1- 1,5 кПа.

При испытании ила предлагаемым способом время тиксотропного упрочнения составляло несколько месяцев, чем и объясняется разница в сцеплениях.

Формула изобретения

Способ определения параметров прочности грунта пенетрапией, включаю щий последовательное ступенчатое погружение в образец грунта конуса, его вращение в грунте, измерение вертикальных усилий крутящего момента, глубины погружения и угла поворота и расчет параметров прочности,.определение параметров прочности по реI - .-..

зультатам испытаний, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения параметров прочности 5 используют конус с лопастями по всей боковой поверхности, погружают его в грунт ступенями 1/3 - 1/4 высоты конуса с. приложением крутящего момента на; каждой ступени погружения при сохранении приложенной вертикальной нагрузки.

Способ относится к области инженерно-геологических изысканий и, в частности, к определению параметров прочности грунта. Целью изобретения является повышение точности определения параметров прочности. Способ включает внедрение в грунт конуса снабженного лопастями по всей боковой, поверхности при нескольких ступенях вертикальной нагрузки на 1/3 - 1 /4 вьг- .со-ты конуса на каждой ступени, вращение лопастного конуса при каждой ступени нагрузки, определение нормальных напряжений и сопротивле ний срезу по боковой поверхности лопастного конуса, построение кулоновского трафика со- . противления грунта сдвигу и вычисление параметров прочности грунта. 5 ил.,|

10

«

.i

/-/

&

2

. Ж I

L - JLJL

##/ 3

10 2.Q 30 4.О Ј& &0 ф%/Яг

Ф#Г 4 .-. . : .:.-/ .

4

fcife xfa

;/-;::-/

Риге

j4 ejx/7