А. ОПЫТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ НАСЫПЕЙ ИЗ СВЯЗНОГО ГРУНТА

2. Опытные насыпи возводятся из всех видов связных грунтов, предназначенных для укладки в сооружения, и уплотняются любыми грунтоуплотняющими механизмами.

3. Для каждого типа механизма и вида грунта возводятся две насыпи (рис. 10.1). Насыпь № 1 возводится для определения значений оптимальной влажности W_opt и максимальной плотности сухого грунта _d,max. Насыпь № 2 предназначена для определения необходимого количества проходов механизма по одному следу n и эффективной толщины уплотняемого слоя грунта h_эф.

Рис. 10.1
4. Перед возведением насыпей производится подготовка основания, которая заключается в удалении растительного и почвенного слоев и уплотнении основания проходами грунтоуплотняющего механизма. Перед укладкой следующего слоя поверхность укатанного слоя поливается водой.

Работы по возведению опытных насыпей должны проводиться в 2 смены, для этого необходимо предусмотреть электроосвещение площадки и устройство рабочего помещения.

5. Насыпь № 1 имеет размеры в плане 15х15 м. Она возводится тремя слоями толщиной 10-15 см каждый. В поперечном направлении насыпь разбивается на 5 полос шириной по 3 м каждая. В полосы грунт укладывается с различными значениями влажности, ориентировочно равными:

а) для катков с гладкими вальцами на пневмошинах:

б) для виброкатков:

Различная влажность грунта достигается путем подсушки или дополнительного увлажнения. Подсушка производится при непрерывном перемешивании грунта бульдозером. Дополнительное увлажнение достигается заливкой расчетного количества воды в чеки, устраиваемые на соответствующих полосах. Увлажненный грунт в полосах выдерживается в течение смены (преимущественно ночной) для равномерного распределения влаги по всему объему грунта. До укладки в полосы контролируется влажность грунта путем отбора проб из расчета 3 пробы на каждую полосу для определения требуемого объема воды при дополнительном увлажнении.

После достижения требуемой влажности грунт укладывается слоями и укатывается 10 проходами. Из каждого слоя производится отбор проб для определения плотности и влажности грунта из шурфов. После отбора проб укладывается следующий слой насыпи и т.д.

6. Насыпь № 2 по одному следу и эффективной толщине уплотняемого слоя грунта имеет размеры в плане 15х15 м. Насыпь имеет 3 слоя. В поперечном направлении насыпь разбивается на 5 полос шириной по 3 м каждая. В первые 4 полосы грунт укладывается толщиной слоя, равной 10-15 см, толщина слоя в последней полосе составляет 1 м. Полосы укатываются различным количеством проходов, равным 2, 4, 6, 8 - для катков с гладким вальцем на пневмошинах и виброкатков. Полоса толщиной 1 м укатывается 10 проходами механизмов. В насыпь грунт укладывается при оптимальной влажности, определенной после возведения насыпи № 1. Если влажность грунта в карьере отличается от оптимальной, то на площадке он должен быть подсушен или дополнительно увлажнен и выдержан в течение одной смены для равномерного распределения влаги по всему объему. После укатки каждого слоя производится отбор проб из шурфов для определения плотности и влажности грунта.

При уплотнении связных грунтов, содержащих до 50% крупнообломочных включений, отбор проб для определения плотности грунта производится методом шурфа-лунки.

2. На каждой полосе с определенной влажностью насыпи № 1 проходится не менее 3 шурфов. Из каждого шурфа отбирается по 2 пробы, т.е. всего из первой насыпи отбирается 90 проб для определения плотности сухого грунта _d и влажности W.

По полученным результатам строится график зависимости плотности сухого грунта _d от влажности грунта W, находится максимум полученной зависимости и соответствующие ему величины максимальной плотности сухого грунта _d,max и оптимальной влажности W_opt (рис. 10.2). Пример построения графика приведен ниже.

2. Технология укладки связного грунта с уплотнением катками включает в себя следующие операции, последовательность которых для получения качественной насыпи должна строго соблюдаться:

- отсыпка слоя заданной толщины;

- разравнивание отсыпанного грунта с уклоном 0,005 в сторону верхнего бьефа для обеспечения стока атмосферных осадков;

- уплотнение уложенного грунта;

- контрольный отбор проб;

- подготовка уплотненного слоя грунта возводимой насыпи перед укладкой последующего путем разрыхления траками бульдозера.

3. Рабочая площадь напорного сооружения или его части (верховой клин, ядро, экран и т.п.) должна быть разделена на равновеликие по площади карты, на каждой из которых последовательно производятся операции: выгрузка, разравнивание, увлажнение или подсушивание и уплотнение грунта.

Размер карт и потребность в оборудовании назначаются из условия непрерывного выполнения всех необходимых операций.

4. В случае использования для возведения сооружения связного грунта, содержащего в виде включений крупнообломочный материал, проектом должен устанавливаться допустимый максимальный размер этих фракций, который не должен превышать 2/3 толщины отсыпаемого слоя грунта в уплотненном состоянии, но не более 30 см. Фракции крупнее допустимых должны быть удалены.

5. Связный грунт в сооружении должен быть уплотнен до требуемой плотности сухого грунта, заданной проектом. Отступления от заданных величин должны быть согласованы с проектной организацией.

6. Контроль за качеством уплотнения грунтов заключается в отборе проб грунта из уплотненной карты для определения влажности и достигнутой плотности грунта.

7. В каждом конкретном случае, в зависимости от конструкции плотины, должна быть составлена инструкция по отбору проб.

8. Места отбора проб грунта в плане и по высоте сооружения должны быть распределены равномерно с тем, чтобы была обеспечена проверка степени плотности всех слоев грунта в различных частях сооружения.

9. Контрольные пробы в уплотненном грунте в напорных насыпях гидротехнических сооружений должны отбираться в количестве, указанном в проекте или из расчета 1 проба на 300 м³ уложенного грунта:

- для связных грунтов без крупных включений пробы отбираются металлическими цилиндрами;

- для связных грунтов с включением крупных фракций пробы отбираются из шурфов.

10. Помимо послойного отбора проб для определения плотности и влажности грунта в процессе операционного контроля на плотинах I и II класса по указаниям проекта следует отбирать пробы для определения прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик грунтов.

11. Критерием, определяющим качество уплотнения связного грунта, является достижение проектной плотности уложенного грунта, выражаемой плотностью сухого грунта _d.

12. За расчетное значение плотности сухого грунта в теле плотины _d, определяемой при геотехконтроле, следует принимать значения плотности _d, соответствующие односторонней доверительной вероятности  = 0,95 (вычисляются по условиям разд.10).

Это значение должно быть не ниже принятых в проекте расчетных значений _d для соответствующих частей плотины.

Примечание. В случае, если значения _d грунтов плотины будут отличаться от проектных более, чем на ±3,0%, расчетные значения характеристик прочности, деформируемости и фильтрационных, а также соответствующие расчеты должны быть уточнены.

2. При обработке графика зависимости плотности сухого грунта от влажности частные значения плотности и влажности наносятся на совмещенный график рассеяния. Затем все значения влажности разбивают на интервалы и вычисляют средние арифметические значения влажности и плотности сухого грунта для каждого интервала. Эти значения наносят на совмещенный график рассеяния особым знаком. По этим обобщенным значениям строится усредненная кривая зависимости плотности сухого грунта от влажности. Кроме того, для каждого интервала плотности сухого грунта и влажности вычисляют среднее квадратическое отклонение  и коэффициент вариации V.

Как правило, при значениях влажности, меньших оптимальной величины, наблюдается большой разброс значений плотности сухого грунта, обусловленный комковатой структурой уплотненного грунта и несоответствием размеров пробоотборника и комьев грунта. При оптимальном значении влажности разброс величин плотности связных грунтов после уплотнения катком резко уменьшается в результате образования монолитной структуры, при которой грунт приобретает более однородную плотность в объеме.

В связи с этим в качестве оптимальной W_opt принимается минимальное среднее арифметическое значение влажности, при котором коэффициент вариации V значений плотности сухого грунта (_d) не превышает  0,02. При значениях влажности, превышающих оптимальную, разброс значений плотности также невелик (V  0,02). Это обусловлено образованием монолитной структуры, но при этом наблюдается волнообразование уплотняемого грунта и выдавливание его из-под вальца катка.

На рис. 10.2 показан пример совмещенного графика рассеяния значений плотности сухого грунта и влажности, полученных при уплотнении суглинка виброкатком А-12. Для построения усредненного графика необходимо весь диапазон значений влажности разбить на интервалы, например, по 0,01 каждый: 0,07-0,08; 0,08-0,09; 0,09-0,10; 0,10-0,11; 0,11-0,12. В каждом интервале определяются среднее арифметическое значение, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации для влажности и плотности сухого грунта.

Например, в интервале влажности, равном 0,08-0,09, получены следующие частные значения плотности-влажности:

1,81-0,082; 1,87-0,083; 1,84-0,087; 1,88-0,088; 1,91-0,082; 1,91-0,086; 1,94-0,082; 1,95-0,086; 1,95-0,089; 2,0-0,083; 2,01-0,088; 2,03-0,082; 2,02-0,085; 2,05-0,083; 2,04-0,088; 2,07-0,086; 2,09-0,081; 2,10-0,089.

В интервале влажности 0,09-0,10 значения плотности-влажности составили:

1,99-0,09; 2,00-0,092; 1,98-0,092; 1,97-0,092; 1,98-0,092; 1,97-0,092; 1,99-0,095; 1,96-0,095; 1,97-0,096; 1,98-0,096; 1,98-0,096; 1,97-0,098; 1,95-0,099; 1,95-0,095; 1,95-0,095; 1,95-0,096; 1,95-0,094; 1,95-0,095.

Для интервала влажности, равного 0,08-0,09, среднее арифметическое значение влажности составляет:

+0,083+0,088+0,082+0,085+0,083+0,088+0,086+0,081+0,089) = 1,53 / 18 = 0,085

Среднее квадратическое отклонение равно:

Коэффициент вариации:

Среднее арифметическое значение плотности сухого грунта

+2,00+2,01+2,03+2,02+2,05+2,04+2,07+2,09+2,10) = 35,47 / 18 = 1,97

Среднее квадратическое отклонение равно:

Коэффициент вариации:

.

Для интервала влажности, равного 0,09-0,10, среднее арифметическое значение влажности составляет:

+0,098+0,099+0,095+0,095+0,096+0,094+0,095) = 1,700/18 = 0,094

Среднее квадратическое отклонение равно:

Коэффициент вариации:

Среднее арифметическое значение плотности сухого грунта:

+1,97+1,95+1,95+1,95+1,95+1,95+1,95) = 35,44 / 18 = 1,97 т/м³.

Среднее квадратическое отклонение равно:

Коэффициент вариации:

Для определения среднего арифметического значения и могут быть использованы упрощенные способы вычисления, разработанные в математической статистике, например, способ сумм.

По полученным результатам в качестве оптимальной влажности принимается значение равное W_opt = 0,094, максимальная плотность сухого грунта равна _d,max = 1,97 т/м³, коэффициент вариации плотности сухого грунта в этом интервале влажности составляет 0,008.

3. При обработке графика зависимости плотности сухого грунта от количества проходов катка частные показатели плотности наносятся на совмещенный график рассеяния значений плотности для каждого количества проходов, при которых проводилось уплотнение. Затем вычисляются средние арифметические значения плотности для каждого количества проходов и эти значения наносятся на графики рассеяния особым знаком. По этим обобщенным значениям строится усредненная кривая зависимости плотности грунта от количества проходов виброкатка. По графику _d = f (n) находят необходимое количество проходов катка по одному следу, которое обеспечивает достижение максимальной плотности сухого грунта.

Например, при уплотнении суглинка двумя проходами виброкатка А-12 получены следующие значения плотности сухого грунта: 1,87; 1,87; 1,87; 1,89; 1,89; 1,89; 1,91; 1,91; 1,91; 1,96; 1,96; 1,96; 1,98; 1,98; 1,98; 2,0; 2,0; 2,0 т/м³.

Среднее арифметическое значение плотности сухого грунта после двух проходов виброкатка равно:

Среднее квадратическое отклонение:

Коэффициент вариации:

Такие вычисления среднего арифметического значения плотности сухого грунта проводятся также для 4-6 и т.д. проходов катка.

На рис. 10.3 приведен пример построения усредненного графика зависимости плотности сухого грунта суглинка от количества проходов катка А-12 по одному следу. Из приведенного графика следует, что достаточно 8-10 проходов катка по одному следу для достижения максимальной плотности сухого грунта, равной 1,93 т/м³.

4. При построении графика зависимости изменения плотности сухого грунта по глубине уплотненного слоя частные показатели плотности грунта по глубине слоя наносятся на совмещенный график рассеяния значений плотности для каждой глубины слоя, на которой проводился отбор проб грунта для определения плотности. Затем вычисляются обобщенные значения плотности для каждой глубины уплотненного слоя и эти значения наносятся на соответствующие графики рассеяния особым знаком. По этим обобщенным значениям строится усредненная зависимость изменения плотности по глубине уплотненного слоя. По графику находят эффективную толщину уплотненного слоя, которая обеспечивает достижение максимальной плотности грунта для данного механизма по всей высоте слоя.

Например, при уплотнении суглинка на глубине 40 см получены следующие значения плотности сухого грунта: 1,94; 1,94; 1,94; 1,95; 1,95; 1,95; 1,96; 1,96; 1,96; 1,97; 1,97; 1,97; 1,98; 1,98; 1,98; 2,00; 2,00; 2,00 т/м³.

Среднее арифметическое значение плотности сухого грунта на глубине 40 см равно:

т/м³.

Среднее квадратическое отклонение равно:

Коэффициент вариации:

На рис. 10.4 приведен пример построения усредненного графика зависимости изменения плотности сухого грунта от глубины уплотненного слоя. Из приведенного графика следует, что эффективная толщина слоя, при которой достигается максимальная плотность по всей глубине, равна 45 см.

Приложение 11
УСКОРЕННАЯ ОЦЕНКА МОРФОЛОГИИ ЗЕРЕН ПЕСКОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА
Морфологические особенности песков различного генезиса оказывают существенное влияние на свойства песков. Морфологические исследования выполняются для характеристики формы и характера поверхности зерен различных литолого-генетических и минералого-петрографических разновидностей песков. Ускоренная оценка морфологии зерен песчаных фракций размером 0,05-2,0 мм производится экспресс-методом "истечения навески фракций воздушно-сухого песка из стандартной стеклянной воронки". Условной характеристикой общих особенностей морфологии зерен песков является показатель морфологии зерен , определяемый как функция времени истечения навески изучаемой фракции воздушно-сухого песка из воронки.

Прибор для определения показателя морфологии зерен песков и необходимое оборудование показаны на рис. 11.1. В начале песок высушивается при температуре 105°, после чего рассеивается на фракции, причем масса каждой фракции должна составлять 150 г. Допускается изучение морфологии зерен песка при меньшей массе контролируемых фракций (до 50-30 г), однако уменьшение массы фракций приводит к снижению точности замера времени ее истечения, а также требует внесения коррективов в расчетные зависимости.

Навеску каждой фракции пропускают через воронку с замером времени ее истечения. Число параллельных опытов должно обеспечивать определение достоверного значения среднего времени истечения навески изучаемой фракции песка. Рекомендуется проводить не менее 10-15 параллельных опытов. По окончании опыта производится контрольное взвешивание навески изучаемой фракции песка.

Первичная обработка опытных данных проводится в процессе опыта и заключается в вычислении для каждой фракции песка среднего времени истечения навески изучаемой фракции () и соответствующего показателя морфологии зерен данной фракции (_d).

Среднее время истечения навески изучаемой фракции песка определяется как среднеарифметическое значение времени истечения из числа проведенных опытов:

где - время истечения навески изучаемой фракции песка в i-ом опыте, с; n - число параллельных опытов.

Для целей оперативного геотехнического контроля за возведением земляных сооружений из песчаных грунтов рекомендуется использовать следующую упрощенную формулу определения показателя морфологии:

, (2)

где - среднее время истечения навески изучаемой фракции песка, с; K₁ - коэффициент, зависящий от массы навески в опыте; a - коэффициент, равный 4,3 при диаметре воронки 1,0 см; A - коэффициент, зависящий в общем случае от размера, плотности твердых частиц и массы навески изучаемой фракции песка. Учитывая, что поправка на массу изучаемой фракции песка вводится коэффициентом K₁, следует принимать значения коэффициента A в зависимости от размера и плотности твердых частиц фракции по табл. 11.1.

Расчет среднего значения показателя морфологии зерен для всех или нескольких изучаемых песчаных фракций при условии равенства плотности их твердых частиц выполняется по формуле:

где - показатель морфологии зерен рассматриваемой фракции; - содержание рассматриваемой фракции в процентах по массе (устанавливается по данным гранулометрического анализа).

Расчет среднего значения показателя морфологии зерен для всех (или нескольких) изучаемых песчаных фракций при различной плотности их твердых частиц выполняется по следующей формуле:

, (4)

где - содержание рассматриваемой фракции в процентах по массе; _S(d) - плотность твердых частиц рассматриваемой фракции, г/см³; - среднее время истечения навески рассматриваемой фракции песка, с; K₁ - поправочный коэффициент, учитывающий массу навески рассматриваемой фракции песка; B_d - поправочный коэффициент, учитывающий размер (крупность) рассматриваемой фракции; a - коэффициент, равный 4,3 при диаметре воронки 1,0 см.

Ниже приведены значения коэффициента B_d:

Размер фракций, мм	0,05-0,1	0,1-0,25	0,25-0,5	0,5-1,0	1,0-2,0
Коэффициент Bd	8,8	11,0	13,7	17,3	25,9

Окончательная обработка опытных данных заключается в определении численных значений (стандартных) показателей формы зерен песков, классифицировании песков по морфологии зерен в графическом изображении полученных результатов. Определение численных значений традиционных показателей формы зерен , , K проводится на основании корреляционных зависимостей между ними и показателем морфологии зерен  (рис. 11.2). Значение коэффициента сферичности  определяется по формуле:

 = K / , (5)

где  и K - коэффициент округленности и коэффициент формы зерен, определенные по графикам (см. рис. 11.2) в зависимости от значения показателя морфологии зерен .

Приложение 12