ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПЕСКОВ ЛЕГКИМИ ЗАБИВНЫМИ ЗОНДАМИ (ЛЗЗ)

Метод полевых испытаний грунтов динамическим зондированием ЛЗЗ позволяет:

- оценить однородность песков по плотности в пределах контролируемой площади и мощности слоя;

- определить абсолютное значение плотности песков в сухом состоянии;

- оконтурить зоны рыхлых песков;

- проводить режимные наблюдения за уплотнением и упрочнением песков со временем;

- выбрать места расположения опытных площадок и отбора образцов песков для детального изучения их физико-механических свойств;

- тарировать приборы и установки других полевых методов исследования грунтов.

Основные положения испытания грунтов динамическим зондированием, порядок обработки, журнал испытаний приведены в ГОСТ 19912-81 для стандартного оборудования УБП-15 и справедливы для испытаний песков легкими забивными зондами.

Для испытания грунтов динамическим зондированием могут применяться ЛЗЗ конструкции МИСИ (рис. 12.1, табл. 12.1).

Примечание. Кроме приведенных в таблице модификаций ЛЗЗ существует ЛЗЗ-1 с массой молота 10,0 кг и диаметром конического наконечника 36 мм, применяемый при контроле гравелистых песков.

Зондирование следует выполнять путем последовательной забивки зонда в грунт свободнопадающим молотом. При этом фиксируется глубина погружения зонда h, см от определенного числа ударов молота (залога). Зондирование рекомендуется проводить при частоте ударов молота не более, чем 15-20 ударов в минуту. При определении плотности рыхлых (в частности свеженамытых и свежеотсыпанных) грунтов фиксирование глубины погружения зонда следует проводить после каждого удара молота. При контролировании плотных грунтов, в которых осадка зонда от каждого удара составляет менее 0,5 см, зондирование целесообразно вести залогами по 5-10 ударов.

Зондирование залогами ведется только после установления верхней границы "рабочей зоны" контроля плотности песка, соответствующей критической глубине зондирования.

Зондирование выполняется непрерывно до достижения заданной глубины или до резкого уменьшения (возрастания) показателя динамического зондирования, о чем говорит значительное возрастание (уменьшение) осадки зонда от каждого удара. В намывных песках увеличение осадок соответствует высоким значениям влажности, при которых проводить контроль их плотности укладки не рекомендуется, а уменьшение осадок - переходу зонда в ранее уложенный слой.

Расчет показателя динамического зондирования проводится для рабочей зоны контроля (рис. 12.2). За верхнюю границу рабочей зоны принимается "критическая глубина зондирования" (h_кр). В этой зоне отмечаются повышенные осадки зонда в связи с выпором грунта на поверхность. Величина h_кр зависит от особенностей состава, строения, состояния и свойств грунтов и составляет, например, при зондировании песков ЛЗЗ-2 и ЛЗЗ-3, соответственно, 15-20 и 5-10 см. Практически h_кр определяется как глубина, ниже которой регистрируют примерно одинаковые осадки зонда от каждого удара молота.

Рис. 12.2. Схема выбора рабочей зоны контроля

h_кр - критическая глубина зондирования; H_к - зона контроля (глубина забивки зонда до песков с повышенной влажностью (1) или плотностью за счет уплотнения ранее уложенного слоя (2); h_раб - величина рабочей зоны контроля.
За нижнюю границу рабочей зоны (H_к) при контролировании намывных песков можно принять:

а) при равномерном погружении зонда от каждого удара (залога) глубину зондирования в 30-40 см при мощности контролируемого слоя 0,5 м и до 50-70 см при мощности слоя 1,0 м;

б) при резком возрастании осадок глубину, с которой началось это возрастание.

Величину рабочей зоны контроля определяют по формуле:

Для достоверной оценки плотности песков ЛЗЗ рекомендуется выбирать величину h_раб не менее 15-20 см.

Показатель динамического зондирования грунта N в уд/дм надлежит вычислять по формуле:

N = (10 · n_раб) / h_раб, (2)

где n_раб - количество ударов молота, требуемое для погружения зонда в пределах рабочей зоны контроля; h_раб - мощность рабочей зоны контроля, см; N - значение показателя динамического зондирования, уд/дм, для рабочей зоны контроля плотности.

При необходимости перехода от показателя динамического зондирования N к условному динамическому сопротивлению грунтов р_д следует воспользоваться номограммой (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Номограмма перехода от показателя динамического зондирования N к показателю р_д для различных зондов
Тарирование ЛЗЗ выполняется с целью установления зависимости между плотностью в сухом состоянии _d, модулем деформации E, сцеплением c и другими параметрами песков и показателями сопротивления р_д их динамическому зондированию N. Тарирование зондов должно проводиться на каждом объекте для выявления специфических особенностей конкретной разновидности песков. Тарирование проводится путем сопоставления показателей сопротивления их динамическому зондированию со значениями величины плотности сухого песка, определенной стандартным методом режущего цилиндра (РЦ).

Рекомендуется следующая последовательность выполнения работ при тарировании ЛЗЗ:

1. В каждом намеченном пункте выбирать однородный по плотности участок путем выполнения зондирования грунтов в вершинах равностороннего треугольника со стороной 0,5 м. Однородным считается участок, если результаты зондирований совпадают или близки друг к другу (отличаются не более, чем на 0,5 уд/дм). В противном случае опробование повторяется (рис. 12.4) путем дополнительного зондирования рядом с данным треугольником или на новом участке.

Рис. 12.4. Схема тарирования легких забивных зондов

1 - точка зондирования со значением N, отличным от значений в точках 2, 3, 4, ограничивающих однородную зону песка; РЦ - места отбора проб ненарушенной структуры режущими цилиндрами.
2. По данным зондирования установить рабочую зону контроля плотности песка ЛЗЗ.

3. В средней части рабочей зоны, в центре треугольника зондирования, отобрать два образца песка режущим цилиндром. При этом фиксируется глубина отбора образцов.

4. Оформить журнал зондирования, а отобранные образцы отправить в лабораторию для определения гранулометрического состава, влажности, предельных плотностей сложения и плотности песка в сухом состоянии.

Для надежного выполнения тарировки ЛЗЗ количество сопоставляемых ("парных") значений показателей зондирования и плотности песка в сухом состоянии, определяемых методом режущего цилиндра, должно быть не менее 30-40.

Тарировочную зависимость _d = f(N) или _d = f(р_д) рекомендуется строить по методу "равных обеспеченностей". Для этого для всех полученных при тарировании значений _d и N рассчитывается их обеспеченность и строятся соответствующие графики (рис. 12.5, а, б). Для одинаковых значений обеспеченности p_i снимаются соответствующие значения и N_i. Операцию повторяют во всем диапазоне обеспеченности (от 0 до 100%).

Рис. 12.5. Схематическая иллюстрация построения тарировочной зависимости для ЛЗЗ методом "равных обеспеченностей"

а) и б) - графики обеспеченности показателей и N; в) - тарировочный график _ = f(N).
Полученные парные значения _d и N при одинаковых их обеспеченностях наносятся на координатное поле _d - N. По нанесенным таким образом точкам строят зависимость _d = f(N) (рис. 12.5, в). На полученные графики зависимости наносятся опытные точки и оценивается их отклонение от расчетных значений графика. Если отклонения не превышают ±0,03 г/см³, то результаты считаются удовлетворительными. В противном случае работы по тарированию продолжают.

Для уменьшения объема работ по прямому тарированию ЛЗЗ рекомендуется построение прогностических зависимостей на основании прямого тарирования ЛЗЗ-3 на ряде намывных объектов, возведенных в СССР с использованием принципа инвариантности показателя относительной уплотненности F_d.

Для составления прогностических тарировочных зависимостей коэффициент относительной уплотненности представляется в виде:

F_d = [_s (_d - _d,min)] / [_d,min (_s - _d)], (3)

где _s - плотность частиц песка, г/см³; _d,min - плотность сухого песка в предельно рыхлом сложении, г/см³; _d - плотность сухого песка, г/см³.

Рекомендуется следующий порядок составления зависимости _d = f(N).

1. Определяют предельные плотности сложения песка _d,min и _d,max.

2. Рассчитывают показатель уплотняемости песков F:

. (4)

По полученному значению F с помощью графика F_d = f(N) (рис. 12.6) устанавливают теоретическое предельное значение показателя динамического зондирования для данных свеженамытых песков.

4. Для интересующего значения N и соответствующего ему значения F_d по формуле (3) рассчитывают плотность сухого песка _d. Значения N и соответствующие им расчетные значения _d наносят на координатную сетку N - _d. Через нанесенные точки проводят кривую, которая и будет искомой прогностической тарировочной зависимостью между N и _d для ЛЗЗ-3.

Пример: Требуется построить график зависимости _d = f(N) для песков с _s = 2,66 г/см³; _d,min = 1,60 г/см³ и _d,max = 1,92 г/см³.

Рассчитывают показатель уплотняемости песков F:

С помощью графика F_d = f(N) (рис. 12.6) устанавливают предельное теоретическое значение показателя N для данного песка N = 15,5 уд/дм.

Меняя значения N от 0 до 15,5 уд/дм, с помощью графика F_d = f(N) (рис. 12.6) получают соответствующие значения F_d / N = 4 уд/дм, F_d = 0,173; N = 8 уд/дм; F_d = 0,386; N = 12,5 уд/дм, F_d = 0,567.

Для полученных значений F_d по формуле (3) рассчитывают значения плотности сухого песка:

По полученным данным строят график зависимости _d = f(N).

При применении ЛЗЗ для целей оперативного контроля плотности укладки грунтов места испытаний устанавливаются по сетке, регламентируемой нормативными документами на ведение контроля, а также ТУ на возведение сооружения. Каждый 0,5-1,0 м слой укладываемого грунта рекомендуется опробовать ЛЗЗ в 25-30 пунктах.

В случае получения сомнительных результатов (завышенных или заниженных значений N или р_д) проводят отбор проб грунта РЦ для лабораторного исследования, а обнаруженные зоны с рыхлым сложением грунта ограждаются. После установления причин, вызвавших отклонения величин показателей зондирования, принимаются соответствующие решения для дальнейшего выполнения работ по возведению сооружений.

Приложение 13
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ВЛАГОЕМКОСТИ
При надводном намыве максимальная стабилизированная плотность песков достигает к моменту снижения их влажности значений, равных максимальной молекулярной влагоемкости. Определение продолжительности снижения влажности намывных песков до значения, равного максимальной молекулярной влагоемкости, позволяет установить максимально целесообразный срок проведения предпостроечных изысканий на намывной территории.

Максимальная молекулярная влагоемкость (W_m) определяется одним из следующих методов: высоких колонн, центрифугированием или пленочным равновесием (метод влагоемких сред).

Все три метода разработаны А.Ф.Лебедевым и основаны на удалении свободной воды и определении остаточной влажности, принимаемой за сорбционную (связанную). Наибольшее распространение получил метод высоких колонн. Определяемая этим методом величина максимальной молекулярной влагоемкости четко отражает гранулометрические и морфологические особенности песков. Метод высоких колонн основан на пропускании через песок, засыпанный (обычно в рыхлом состоянии) в цилиндр из металла или оргстекла высотой 90-100 см и диаметром 4-5 см, избыточного количества воды, подаваемой сверху (рис. 13.1). После стекания воды в верхней части колонны остается влага (связанная), удерживаемая молекулярными силами, а в нижней - капиллярная, удерживаемая менисковыми силами. В МИСИ опробована и доказана возможность экспрессного определения величины максимальной молекулярной влагоемкости в колоннах с диаметром 2 см.

Рис. 13.1. Схема проведения опыта по определению максимальной молекулярной влагоемкости

1 - колонна со звеньями на фланцевых соединениях; 2 - уровень воды в колонне;

3 - подача песка при загрузке колонны; 4 - марлевый фильтр; 5 - емкость - подставка для стекающей воды и удержания колонны в вертикальном положении.
В процессе опыта следует не допускать нахождения в песке защемленного воздуха. Для этого загрузку колонны песком ведут таким образом, чтобы уровень воды в ней всегда был выше уровня песка, т.е. производят отсыпку песка под уровень воды. Для того, чтобы песок из колонны не высыпался, ее снизу обтягивают марлей в 2-3 слоя.

Время стекания воды зависит от крупности песка: от нескольких часов - для гравелистых и крупных песков; до 2-3 суток - для мелких и пылеватых песков. После стекания воды, о чем можно судить по изменению цвета песка, колонна разбирается на звенья. Затем по известной методике определяется влажность песка в каждом звене. По результатам испытаний строится график изменения влажности по всей высоте колонны (рис. 13.2).

Приложение 14