Способ лабораторного определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта Советский патент 1992 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к способам оп-. ределения механических характеристик грунтов, преимущественно к лабораторным способам определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунтов.

Известен способ определения физико- механических свойств грунтов в полевых условиях, основанный на вдавливании зонда в грунт, а по давлению в камере зонда определяют лобовое сопротивление (плотность) грунта..

Наиболее близким техническим решением из известных является способ лабораторного определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта, включающий подготовку двух-трех проб увлажненного грунта, загрузку их в цилиндр прибора с уплотнением ударами стандартного груза, пяти- шестикратное повторение

уплотнения грунта при увеличении влажности каждый раз на два-три процента, построение графика зависимости плотности скелета грунта после уплотнения от влажности и нахождение максимального значения плотности скелета грунта и соответствующего значения оптимальной влажности.

Недостатком указанного способа является низкая производительность, так как в нем осуществляют обработку проб грунта большой массы (до 10 кг) в цилиндре стандартного прибора большого объема (до 1000 CMJ при увеличенном времени уплотнения грунта (120 ударов стандартного груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 0,3 м).

Цель изобретения - повышение точности и производительности путем использования для загрузки грунта в цилиндр

™s XJ

Ю

О

прибора в 6-10 раз меньшим объемом по сравнению со стандартным.

Указанная цель достигается тем. нто в способе лабораторного определения максимальной плотности и оптимальной влажности, включающем подготовку двух-трех проб увлажненного грунта, загрузку их в цилиндр прибора с уплотнением ударами стандартного груза, пяти- шестикратное повторение уплотнения грунта при увеличении влажности каждый раз на два-три процента, построение графика зависимости плотности скелета грунта после уплотнения от влажности и нахождение максимального значения плотности скелета грунта и соответствующего значения оптимальной влажности, производят подбор количества ударов стандартного груза, соответствующего стабилизации плотности образца грунта в цилиндре прибора с меньшим объемом, осуществляют многократные замеры значений максимальной плотности скелета грунта (у макс) и оптимальной влажности (W onr) в цилиндре прибора с меньшим объемом. Методом статистического анализа определяют эмпирические коэффициенты (А, В, С и D) перехода от замеренных у макс и W oni к стандартным значения максимальном плотности ( ) и соответствующей оптимальной влажности грунта (Л/ст0пт), а также погрешностей оценок у стмакс и Л/ст0пт (уи Iw), причем связь между значениями

У макс И W onr И Значениями у СТмакс И WCTonT

аппроксимируют соответственно функциями вида

/Тмакс А-у макс + В + ly ; Л/СТОпт

C W onT+ D + w;

а пробы грунта с объекта строительства обрабатывают в цилиндре прибора с меньшим объемом с определением значений максимальной плотности грунта и соответствующей ей оптимальной влажности, при этом стандартные значения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта с объекта строительства пересчитывают по указанным формулам.

На фиг. 1 изображен прибор для определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта с уменьшенным объемом цилиндра, общий вид; на фиг.2 - зависимость плотности скелета глинистого грунта от числа.ударов стандартного груза N, полученная в приборе с объемом цилиндра 100 см3; на фиг.З - зависимости плотности скелета от влажности для супесчаного (а) и суглинистого (б) грунтов; на фиг.4 - взаимосвязь характеристик максимальной плотности (а) и оптимальной влажности (б), полученных в приборах; стандартном и с

уменьшенным объёмом цилиндра для песков и супесков; на фиг.5 - взаимосвязь характеристик максимальной плотности (а) и оптимальной влажности (б), полученных в

приборах: стандартном и с уменьшенным объемом цилиндра для суглинков и глин.

Изобретение осуществляется в приборе для определения максимальной влажности грунта и соответствующей оптимальной

влажности с уменьшенным объемом цилиндра. Прибор состоит из подстаканника 1, в котором установлен разъемный цилиндр 2 объемом 100 см , образованный двумя продольными половинами, зафиксированными

друг относительно друга в. вертикальной плоскости при помощи шпилек (не показаны). На торцовой части разъемного цилиндра выполнены внешние цилиндрические проточки. В горизонтальной плоскости продольные половины разъемного цилиндра 2 зафиксированы в подстаканнике 1 при помощи винтов 3. На верхний торец разъемного цилиндра 2 одет насадной цилиндр 4, имеющий внутренние проточки. В насадной

цилиндр вставлен плунжер 5, имеющий на верхнем торце углубление для установки направляющего стержня 6, на который одета гиря 7 с возможностью вертикального перемещения. Образец грунта 8 формируют во

внутреннем объеме разъемного цилиндра 2. Каждую отобранную пробу грунта испытывают в приборе с малым объемом цилиндра и в стандартном приборе.

П р и м е р 1. Определяют количество

ударов стандартного груза (гири), необходимое для уплотнения суглинистого грунта в приборе с объемом цилиндра 100 см .

Грунт засыпают в разъемный цилиндр 2 до верхнего края насадного цилиндра 4. На

поверхность грунта устанавливают плунжер 5 и осуществляют уплотнение грунта 10-ю ударами гири 7, падающей по направляющему стержню 6 с высоты 30 см, с последующим замером плотности образца грунта.

Операции уплотнения и замера плотности повторяют неоднократно, причем каждый раз делают пять ударов гири.

Полученные результаты представлены на фиг.2.

Требуемое количество ударов гири N определяют из условия усш - уск (N - s)

Уск

0,01.

где усш - плотность грунта, достигну- тая после последней серии ударов; УСК(М-З) - плотность грунта, достигнутая после предыдущей серии ударов,

Так, при количестве ударов N 40 достигнута плотность скелета грунта УСК

1,745 г/см3, а при N 45 - у « 1,76 г/см3, что приводит к выполнению указанного условия.

Следовательно, требуемое количество ударов составляет 45.

П р и м е р 2, Для целей дорожного строительства в заданном районе определяют эмпирические коэффициенты перехода от значений максимальной плотности грунта умакс и оптимальной влажности Wom. измеренных в цилиндре прибора с меньшим объемом, к стандартным значениям максимальной плотности устмакс и оптимальной влажности WCT0nT, а также 90-процентные доверительные интервалы погрешностей стандартного значения максимальной плотности 1у и оптимальной влажности l.w для песчаных и супесчаных грунтов.

Для этого из 12 карьеров взяты пробы характерных песчаных и супесчаных грунтов различного гранулометрического состгк ва.

Их основные физические характеристики представлены в табл.1.

Испытание в приборе с малым объемом цилиндра производят в следующей последовательности (пример для грунта по п.4 табл.1).

1.Пробу грунта, имеющую исходную массу 1055 г, высушивают до воздушно-сухого состояния с последующим отбором из нее проб для определения влажности тер-: мовесовым способом.

Среднее значение влажности воздушно-сухого грунта составило: Л/и 2,5%,

2.Из исходной пробы методом квартования выделяют три частные пробы, массы которых составили:

тпр1 363 г, тпр2 380 г, тпрз 357 г.

3.Количество воды Q, которое необхо- димо добавить к указанным пробам, для обеспечения влажности WT (исходное значение для песчаного грунта принимают равным 4%), определяемой формулой

Qi

flnpl

1 + 0.001 -Wi

0,01 (WT-WM). (t)

где I - номер пробы, составит: Ql 5.24 г; Q2 5,48 г; Q3 5,15 г. 4. Увлажненный грунт засыпают в расчетный цилиндр прибора до верхнего края насадного цилиндра 4. На поверхность грунта устанавливается плунжер 5 и производится уплотнение 35-ю ударами гири, падающей с высоты 30 см. Затем плунжер и насадной цилиндр снимают, а грунт, выступающий из разъемного цилиндра, аккуратно срезают по уровню внешней кромки цилиндра. Полученный образец грунта взвешивают с точностью до 1 г и рассчитывают плотность yi/v влажного грунта,

m06w Vwу-

(2)

mo6w масса образца грунта во л состоянии, г; Уц ТОО см - внут(3)

где

влажном ренний объем цилиндра.

Так, при влажности WT 4% плотность влажного грунта после уплотнения составила:

yw 1,88 г/см3.

5 Полученный образец грунта разрых- ляют, из образовавшейся массы берут три пробы для определения истинного значения влажности грунта WH термовесовым способом:

WM 4,03%.

При этом плотность скелета грунта уск. определяемая по формуле

yw

уск - 1 +0,01-WM составит: yclc 1,81 г/см3.

6.Операции по пп.3-5 повторяют с увеличением влажности WT каждый раз на 2- 3% до тех пор, пока в двух-трех

последовательных опытах не будет зафик- сировано монотонное снижение величины yw. При этом испытание грунта каждой частной пробы производят не более 2-3 раз.

7.По полученным данным строят график зависимости уск f{Wii), представленный на фиг.2а.

На графике находят максимум величин плотности скелета грунта /макс и соответствующее значение влажности грунта Worn, которые составляют для данного грунта 2,01 г/см3 и 9,2% соответственно.

Результаты испытаний всех проб грунта представлены на фиг.4 в виде зависимостей

ОТ у макс И WCTom ОТ Worn Соответственно.

Полученные данные аппроксимируют методом наименьших квадратов линейными функциями вида

уСТмзкс А-у макс + В;(4)

WCTom:- OWonr + D(5)

с подсчетом эмпирических коэффициентов А, В, С и D по формулам

n-Tl -УСТ Л-ffr Л-Г/г т Л

f 1мо«с1 SnaKctJ A f iOHCi) -UMflKCV

- j

п1 а«с;} -(,}г(6)

П , f-j.п

(MQKci) (ГмОКС1 )/7}

-n Ј (Won-г. -WenT.i)-;T (VJ,,r.;).3E| (W0CnTT.i)

n-ZLfWonriHsL .02

f 1 t

Ј(w0cnTT,o- CE (WOPT.O

1 - Ч

t«)

w

n

где n - число испытанных проб грунта. Фактические значения коэффициентов составили: А 0,968; В 0,044 г/см3; С 0,95:0 0,23%.

Определение вероятных погрешностей предсказания значений у стМЗкс и Л/стОПт по зависимостям (4) и (5) производят следующим образом, Рассчитывают средние квад- ратические отклонения между фактическими стандартными значениями максимальной плотности и оптимальной влажности грунта (у стмакс.1, Л/ст0пт.|) и соответствующими величинами, вычисленными

ПО формулам (4) И (5) .К WCTonT.i

Iw t. (a. n-2) Swm.(15)

где t (a, n-2) - квантиль распределения Стьюдента с (n-2) степенями свободы, соответствующая доверительной вероятностиtz. при а 0,9 составляют: ly 0,03 г/см3- Iw- 1,5%.

П р и м е р 3. Определяют стандартные значения максимальной плотности и оптимальной влажности песчаного грунта. Проба грунта взята из произвольного карьера, находящегося в регионе распространения грунтов, для которых в примере 2 осуществлена оценка эмпирических коэффициентов А. В, С и D, а также погрешностей 1уи Iw. Для этого данный грунт испытан в приборе с меньшим объемом цилиндра, как это описано в примере 2, с определением значений У макс и W onr. Они составили 2,03 г/см3 и 9,7% соответственно.

Стандартные значения и Л/стОПт пересчитывают по формулам:

0,968-у макс + 0,044 Г/СМ3;

Изобретение може-т быть использовано при строительстве для определения свойств грунтов оснований. Максимальную плотность ( у макс) и оптимальную влажность грунта (Won) определяют в цилиндре прибора в 6-10 раз меньшим объемом по сравнению со стандартным, Предварительно осуществляют многократные замеры Wom и Умакс в стандартных приборах и приборах меньшего объема. Затем метод статистического анализа определяют переходные эмпирические коэффициенты, а также погрешности оценок стандартного значения у макс и Wont. С учетом выявленных зависимостей переспит ывают Значения Умакс и Worn, полученные в цилиндрах прибора с меньшим объемом, получая их стандартные значения. 2 табл., 5 ил.

V -- fe Ј, (™кс.г rtLftif.

Ј&

w

CTЛ ст .г WonW

Фактические значения Sy и Sw составляют;

Sy 0,012 г/см3; Sw 0,7%.

Определяют максимальные средние квадратические погрешности оценок значения у стмакс и WCToni по формулам (4) и (5);

ч /1 (.

ew«,

(.O- Tj j mOKC.i) (2) (W m-ffEW nT.

Јt(won,o2-l(f)w;nT.,f )

где (у макс)гп, (W onT)m - наибольшие значения соответственно максимальной плотности и оптимальной влажности, полученные в цилиндре прибора с меньшим объемом, при испытаниях отобранных проб грунта.

Фактические значения Sym и Swm составили:

S ym 0,014 г/см3,- Swm 0,85%.

Величины погрешностей ly и Iw, определяемые по формулам

ly t(a. n-2).S ym:(14)

WCTonT 0,95- Wont + 0,23%,

а их истинные значения находятся в следующих 90-процентных доверительных интервалах: ,

у°тмакс 2,01 ± 0,03 г/см3;

Л/СТопт 9,4; ±1,5%.

П р и м е р 4. Необходимо определить коэффициенты, В, С и D, а также значения погрешностей (у и Iw с 90-процентной дове- рительной вероятностью для глинистых и суглинистых грунтов заданного района строительства.

Физические характеристики грунтов (п 12), взятых из различных карьеров, пред- ставлены в табл.2.

Испытание каждой пробы грунта в приборе с меньшим объемом цилиндра производят в последовательности, приведенной в примере 2.

rrtnpi 390 г; тпр2 431 г; тпрз 408 г.

Q1 17,8 г; 0.22 19,7 г; Q3 18,6 г.

ющей гири, рассчитанная по формуле (2), составляет:

yw 2,05 г/см

Исходное значение влажности образца, полученное термовесовым способом, составляет

Л/И 7,98%.

Плотность скелета сухого грунта, вычисленная по формуле (3), составляет:

УСК 1.9 г/см3.

Результаты испытаний всех проб грунта представлены на фиг.5.

Расчет коэффициентов А, В, С и D, а также погрешностей ly и w выполняют по формулам (6)-(9) и (10)-(15) примера 1, Их конкретные значения составляют:.

А 1.104; В -0,091 г/см3; ly 0,03 г/см3; 1.19; 0 0,06%; ,5%.::

П р и м е р 5. Определяют стандартные максимальную плотность и оптимальную влажность суглинка, проба которого взята i в районе распространения грунтов, представленных в табл.2. В- результате испытания в приборе с меньшим объемом цилиндра по методике, изложенной в примере 4, получено:у макс 1,90 г/см , Л/ опт 11,5%.

Искомые значения устмакс и WCT0nT пересчитывают по формулам:

У 1,104-у макс - 0,091, Г/СМ3,

WCTonT 1,19; Wont + 0,06.%,

а их истинные значения будут находиться в следующих интервалах:

У стмакс -.2.01 ± 0,03 г/см3; Л/ст0пт 13,75 ± 1,5%.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ лабораторного определения максимальной плотности и оптимальной влажности грунта, включающий подготовку проб увлажненного грунта, загрузку их в цилиндр прибора с уплотнением ударами стандартного груза, пяти- шестикратное повторение уплотнения грунта при увеличении влажности каждый раз на два-три процента, построение графика зависимости скелета грунта после уплотнения от влажности и нахождение максимального значения плотности скелета грунта и соответствую

щего значения оптимальной влажности о - личающийс я-тем, что. с целью повышения точности и производительности путем использования для загрузки грунта с цп 5 линдр прибора в 6-10. раз меньшим объемом по сравнению со стандартным, производят подбор количества ударов стандартного груза, соответствующего стабилизации плотности образца грунта в цилиндру

10 прибора с меньшим объемом, осуществляют многократные замеры значений макси мальной плотности скелета грунта и оптимальной влажности в цилиндре прибора С меньшим объемом, одноразово мето15 дом статистического анализа определяют эмпирические коэффициенты перехода от значений максимальной плотности скелета грунта и соответствующего значения оптимальной влажности, замеренных в цилинд20 ре с меньшим объемом, к стандартным значениям плотности грунта и соответствующей оптимальной влажности, а также погрешности оценок стандартного значения максимальной плотности скелета грунта и

25 оптимальной влажности, причем связь между значениями максимальной плотности скелета грунта и соответствующей ей оптимальной влажности, замеренными в цилмк- дре прибора с меньшим объемом, и

30 стандартными значениями максимальной плотности скелета грунта и соответствующей ей оптимальной влажности, аппроксимируют функциями вида

У макс А у макс + В + I у;

35WCTom C-W om+ D± Iw,

где у макс -.значения максимальной плотности скелета грунта, замеренные в цилиндре прибора с меньшим объемом, г/см ; Won - значения оптимальной влажности

40 грунта, замеренные в цилиндре прибора с меньшим объемом, доли ед.; у°тмакс - знзче ния максимальной плотности скелета грунта, замеренные в цилиндре стандартного прибора, г/см3; Л/стопт-значения оптималь45 ной влажности грунта, замеренные е цилиндре стандартного прибора, доли ед.; А,В,С и D - эмпирические коэффициенты; у - погрешность оценки стандартного значения максимальной плотности скелета грунта;

50 Iw - погрешность оценки стандартного значения оптимальной влажности грунта, а пробы грунта с объекта строительства обрабатывают в цилиндре прибора с меньшим объемом с определением значений мак.си55 мальной плотности скелета грунта и соответствующей ей оптимальной влажности, при этом стандартные значения этих параметров рассчитывают по указанным формулам.

ff

0S &-#

0

0S

S & MJZЫ

6

9ZLQIU

f.B

вfQ fSА1 У/НУ.

&

Фиг.Ъ

S

3

r0

.

&

W 0ffrt /a

t

t3SffЈ0&f Г- г/ у

#j люх/