Составление корреляционного графика  = f (vp)

Делается это следующим образом. После отсыпки слоя грунта в процессе его укатки отбираются пробы методом режущего кольца и одновременно в том же месте производятся измерения скорости v_p. Исходным материалом для корреляционного соотношения служат пары значений (, v_p), полученные в ходе укатки. Для получения надежного соотношения необходимо иметь 10-12 парных значений, охватывающих по возможности широкий диапазон значений , v_p [127].

В качестве примера на рис. 40 приведен график  = f (v_p), полученный для намывных песков. Для повышения надежности исходных данных на каждой площадке измерений отбирается 4 образца грунта и производится 4 замера скорости. Примерная схема наблюдений дана на рис. 41. По каждой опорной площадке сравниваемые значения  и v_p получаются как среднее из 4-х замеров

, . (118)

Рис. 40. Зависимость скорости v_p от плотности сухого грунта для намывных песков (слой 1 м) по данным Е.В. Чебкасовой

Рис. 41. Примерная схема размещения линий сейсмических измерений и отбора проб грунта

1 - место отбора проб; 2 - пункт удара; 3 - сейсмоприемник.
После обработки требуемого числа опорных площадок, охватывающих достаточный диапазон изменения скорости v и плотности , данные измерений наносятся на координатную плоскость (, v). Полученная система точек аппроксимируется прямой или кривой линией (рис. 40).
Оценка эффективности уплотнения
8.3.4. При стандартной методике геотехконтроля критерием эффективности уплотнения служит величина плотности грунта. Выбираются определенные значения плотности, в пределах которых грунт считают оптимально уплотненным. По графику  = f (v_p) находят диапазон скорости, соответствующей оптимально уплотненному грунту. Если на каком-то участке насыпи скорость имеет меньшую величину, это значит, что грунт здесь недоуплотнен. Повышенные значения скорости будут говорить о переуплотнении грунта. В принципе, если измерительная аппаратура используется только для целей геотехконтроля, можно проградуировать ее прямо в значениях плотности. Пример карты скоростей, полученной на супесчаной плотине в процессе контроля уплотнения очередного слоя грунта, приведен на рис. 42 [143].

Рис. 42. Поля скоростей v_p в супесях Дангаринской насыпи при ее высоте 16 м.

Мощность изучаемого яруса 1,5 м (а) и 3,0 м (б)

Практикой установлено, что это условие на искусственных насыпях в большинстве случаев выполняется. Форма наблюдаемого в этом случае сейсмического годографа - криволинейного (градиентное строение среды), либо ломаного (пластовое строение) - дает возможность получить закон изменения скорости от дневной поверхности по глубине насыпи. Если для материала насыпи ранее было установлено корреляционное соотношение скорость-плотность, то тем самым может быть получен закон изменения плотности по глубине  = f (h).

Обработка годографов преломленных волн (пластовое строение) выполняется традиционными способами, описанными в любом пособии по инженерной сейсморазведке [126, 137].

Обработка годографов рефрагированных волн, получаемых в случае плавного возрастания скорости по глубине, производится следующим образом. На годографе произвольным образом выбирается несколько точек A₁, A₂, …, A_i, через которые проводятся касательные к выпуклому годографу. Скорости, определенные по наклону этих касательных, обозначим v₁, v₂, …, v_i. Пересечение каждой из прямых с осью времен дают времена t₀₁, t₀₂, …, t_0i. Кроме этого, для расчета графика v = f (h) нужны значения скоростей, определенных по наклону прямых из начала координат (точка 0), в каждую из точек на годографе A₁, A₂, …, A_n. В качестве примера определим скорости для точки A₃:

Для расчета глубины, на которую проник каждый из лучей в отмеченных точках A₁, …, A_i, используют величину скорости, определяемую из соотношения

Максимальная глубина, на которую проник луч, пришедший в точку A, определяется по формуле

Заключительный этап интерпретации годографа рефрагированной волны состоит в построении графика v = f (h) по точкам с координатами v_i, h_i (рис. 43).

При необходимости полученные величины скоростей v могут быть преобразованы в соответствующие значения плотности  по корреляционному графику связи  = f (h).

8.3.6. Контроль внутренних частей насыпи при любом изменении характеристик слагающего ее грунта может быть осуществлен с помощью наблюдений за проходящими волнами, которые можно регистрировать, используя конфигурацию поперечного сечения плотины (насыпи). Сущность методики заключается в расположении сейсмического профиля вкрест продольной оси плотины, через два ее противоположных склона и гребень (рис. 44). Имея время распространения упругих волн при нескольких положениях источника колебаний, можно восстановить скоростное строение внутренних частей насыпи для рассматриваемого сечения. Решение задачи производится путем расчетов на ЭВМ по специальным программам. Для наблюдений в данном случае предпочтительно использовать многоканальную сейсмическую аппаратуру, хотя в принципе можно работать и с одноканальной. В частности, для случая, показанного на рис. 44, была использована одноканальная сейсмическая установка с накоплением.

8.3.8. При изучении состояния внутренних частей готовой насыпи по материалам сейсмического просвечивания составляется разрез-сечение, на котором по материалам обработки результатов просвечивания на ЭВМ выделяются области с разными значениями скоростей. Предполагается, что проведением геотехконтроля с использованием сейсмического метода должен заниматься достаточно квалифицированный специалист-сейсморазведчик.

Сейсмический метод геотехконтроля может использоваться лишь при положительных температурах грунта. Скорость распространения продольных волн во льду более чем в два раза превышает эту скорость в воде, поэтому связь скорость-плотность, полученная в условиях положительных температур, не годится для отрицательных температур, когда вся часть или часть грунтовой влаги обратилась в лед.
8.4. Определение плотности грунта радиоизотопным методом
8.4.1. Применение радиоизотопного метода позволяет контролировать плотность укладываемого грунта без отбора проб с затратой 2-3 минут непосредственно на единичное определение, что дает возможность организовать оперативный контроль качества уплотнения грунта при возведении земляных сооружений.

8.4.2. Определение плотности грунта гамма-абсорбционным методом основано на измерении степени поглощения гамма-излучения слоем контролируемого грунта. Одним из приборов, применяемых для определения плотности грунта гамма-абсорбционным методом, является полевой радиоизотопный плотномер РПГ [84]. С помощью этого прибора можно без отбора проб определить плотность песчаных, глинистых и мелкозернистых грунтов с глинистым заполнителем при содержании крупных фракций 2-100 мм в количестве не более 50%.

Основные технические характеристики прибора следующие:

а) диапазон определения плотности грунта непосредственно по шкале прибора от 1,4 до 2,4 т/м³;

б) погрешность определения плотности грунта ±1,5%;

в) время единичного определения плотности грунта 3 мин;

г) работоспособность в интервале температур от -20 °С до +40 °С и при относительной влажности окружающей среды до 90% с температурой среды +25 °С;

д) питание прибора осуществляется двумя батареями типа П5ПМЦГ-У-1,3, срок работы одного комплекта батарей 65 часов;

е) прибор изготовлен в пылебрызгозащищенном исполнении;

ж) в качестве источника гамма-излучения в приборе используется изотоп ¹³⁷Cs активностью 0,5 мг экв. радия;

и) прибор позволяет определять плотность грунта в слое толщиной до 30 см; конструкция прибора позволяет изменять глубину погружения зонда с источником излучения для определения плотности грунта на отдельных участках слоя;

к) масса прибора с комплектом батарей 5,5 кг;

л) конструкция прибора обеспечивает при хранении, транспортировке и работе с ним радиационную безопасность обслуживающего персонала в соответствии с требованиями Санитарных правил № 333-60.

Гамма-излучение погруженного в грунт источника (радиоактивный изотоп ¹³⁷Cs) ослабляется слоем грунта и регистрируется сцинтилляционным детектором, расположенным на поверхности грунта. Число электрических импульсов на выходе сцинтилляционного детектора пропорционально плотности контролируемого слоя грунта.

Электрические импульсы детектора поступают на вход эмиттерного повторителя и затем усиливаются и нормализуются. Нормализованные по длительности и амплитуде импульсы поступают на измеритель средней скорости счета, построенный по принципу разностного интенсиметра. Шкала стрелочного измерителя средней скорости счета градуируется по результатам тарировки на образцах грунта непосредственно в единицах плотности.

8.4.3. Контроль плотности грунта гамма-абсорбционным методом должен производиться при соблюдении постоянных условий измерения, т.е. должно соблюдаться заданное расстояние между источником излучения и детектором, прибор должен погружаться в грунт на определенную глубину и т.п. Например, прибором РПГ единичное определение плотности грунта в укладываемом слое производится путем погружения в него зонда прибора на всю его глубину с таким расчетом, чтобы датчик прибора был плотно прижат к поверхности грунта. Затем по истечении трех минут непосредственно по шкале измерительного прибора определяется величина плотности грунта в т/м³.

Зонд радиоизотопного прибора позволяет контролировать плотность слоев грунта ограниченной толщины (например, для прибора РПГ толщина контролируемого слоя составляет 30 см). Для контроля плотности более мощных слоев грунта отрывается шурф, и в нем ведется измерение на необходимой глубине.

8.4.4. Для повышения представительности данных о величине плотности грунта в каждой точке производится два определения, для чего, например, прибор РПГ поворачивают на 180° относительно зонда, погруженного в грунт, и берется второй отсчет. Если два полученных значения плотности отличаются друг от друга более чем на 5%, то в точке, расположенной вблизи, делается повторное контрольное определение.

В очень плотных грунтах для погружения зонда прибора, во избежание его повреждения, стальным стержнем предварительно пробивается отверстие глубиной и диаметром, соответствующими размерам зонда прибора (например, для прибора РПГ диаметр отверстия равен 1 см при глубине его 30 см).

8.4.5. Величина плотности сухого грунта вычисляется по формуле:

_d = _c – W₀, (123)

где _d - плотность сухого грунта в контролируемом слое, т/м³; _c - средняя величина плотности грунта в том же контролируемом слое, определенная радиоизотопным методом, т/м³; W₀ - средняя величина объемной влажности грунта в том же контролируемом слое, определенная нейтронным методом или по результатам лабораторных анализов проб грунта, т/м³.

Статистическую обработку результатов измерений для определения средней величины плотности, погрешности определения значения плотности и однородности грунта по плотности в контролируемом слое производят в соответствии с рекомендациями, изложенными в п.10.5.
8.5. Определение влажности грунта радиоизотопным методом
8.5.1. Применение радиоизотопного (нейтронного) метода позволяет определять влажность грунта непосредственно в сооружении без отбора проб при затратах времени на одно измерение не более 2-3 мин. Кроме того, нейтронный метод дает возможность непосредственно контролировать объемную влажность грунта, величину которой необходимо вычитать из значения плотности для определения плотности сухого грунта (см. формулу 123).

8.5.2. Определение влажности грунта нейтронным методом основано на замедлении быстрых нейтронов ядрами водорода, содержащимися в воде, и измерении интенсивности образовавшихся при этом медленных нейтронов.

8.5.3. Для измерений могут применяться нейтронные влагомеры НИВ-1 (разработка ВНИГиМ) и РВГ (разработка Оргэнергостроя). Эти приборы удовлетворяют следующим требованиям:

а) дают возможность определить без отбора проб объемную влажность песчаных, глинистых и мелкозернистых грунтов с глинистым заполнителем при содержании крупных фракций с размером 2-100 мм в количестве не более 50%;

б) имеют диапазон измерения объемной влажности грунта в пределах от 0 до 0,5 г/см³;

в) обладают точностью измерения объемной влажности грунта со средней квадратичной погрешностью не более ±0,02 г/см³;

г) имеют автономное питание и могут непрерывно работать в течение не менее 50 часов;

д) на проведение единичного определения объемной влажности грунта требуют не более трех минут;

е) способны работать в интервале температур от -20 °С до +40 °С при относительной влажности окружающей среды до 90% при температуре +25 °С;

ж) могут переноситься одним оператором и выполнены в пылебрызгозащищенном исполнении;

з) обеспечивают в транспортном и рабочем положении радиоизотопную безопасность персонала в соответствии с действующими Санитарными правилами.

8.5.4. При оперативном контроле влажности грунта, послойно укладываемого в тело земляных сооружений, следует применять так называемую поверхностную схему измерений, при которой источник нейтронов и детектор радиометра располагаются на поверхности контролируемого слоя грунта (рис. 45). Конструкция датчика должна обеспечивать фиксацию расстояния от источника до детектора и плотное прилегание датчика к поверхности грунта.

8.5.6. Для контроля влажности более мощных слоев грунта при использовании поверхностной схемы измерений отрывается шурф, и в нем ведется измерение на необходимой глубине. При контроле влажности глубоколежащих слоев грунта может использоваться так называемая глубинная схема измерений (рис. 46). При этом источник и детектор нейтронов, конструктивно объединенные в нейтронный зонд, погружаются на необходимую глубину по стволу пробуренной скважины или задавливаются в грунт.

8.5.8. В каждой точке производятся два определения, что повышает представительность данных о величине влажности грунта. Если два полученных значения влажности грунта отличаются друг от друга более, чем на 5%, то в точке, расположенной вблизи, делается повторное контрольное определение.

Статистическую обработку результатов измерений для определения средней величины объемной влажности, а также погрешности определения значения объемной влажности контролируемого грунта производят в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе 10.

Влажность грунта определяется расчетом по формуле:

где W - влажность контролируемого грунта, %; W₀ - объемная влажность того же контролируемого грунта, определенная нейтронным влагомером, т/м³;  - плотность того же контролируемого грунта, определяемая радиоизотопным методом (п.8.4).

В приложении 3 дано подробное описание современных приборов, а также методики определения плотности и влажности грунта радиоизотопным методом (материалы Гидропроекта имени С.Я.Жука).
8.6. Определение коэффициента фильтрации грунтов
8.6.1. Общие положения
8.6.1.1. При проведении геотехнического контроля на строительстве земляных гидротехнических сооружений необходимо определять коэффициент фильтрации уложенных грунтов. Рекомендуются следующие пять методов определения коэффициента фильтрации:

1. Метод опытных откачек из скважин;

2. Метод налива воды в шурфы;

3. Метод опытных нагнетаний;

4. Метод индикаторов;

5. Метод напорной фильтрации.

8.6.1.2. Определение коэффициента фильтрации методами опытных откачек и нагнетаний должно проводиться специализированными организациями, имеющими соответствующее специальное оборудование и опыт работы.
8.6.2. Метод опытных откачек
8.6.2.1. Методом опытных откачек следует определять коэффициент фильтрации несвязных грунтов и связных грунтов моренного происхождения при значениях K 1·10^-3 см/с. Опытные откачки подразделяются на:

а) одиночные откачки без наблюдательных скважин;

б) кустовые откачки.

8.6.2.2. В состав куста (рис. 47) входят: центральная скважина, из которой производится откачка; наблюдательные скважины, по которым устанавливается распределение напоров при откачке. Кустовые откачки позволяют определять коэффициент фильтрации с большей точностью, чем одиночные. Этот метод применяется: для водонасыщенных несуффозионных грунтов основания; в грунтовых плотинах, находящихся под напором (при наличии установившегося режима фильтрации).

На рис. 47 приведена расчетная схема определения коэффициента фильтрации грунта методом откачек.

Расстояние между центральной и наблюдательной скважинами должно быть не менее 5d₉₀ (d₉₀ - диаметр частиц, соответствующий 90% обеспеченности по кривой гранулометрического состава).

8.6.2.4. Основным при опытных откачках является установление линейной зависимости понижения воды s в скважине от расхода q и от времени t (рис. 48, а). Кроме того, при опытных откачках устанавливается линейная зависимость q = f (s) (линия а-а на рис. 48, б). Откачка должна вестись до тех пор, пока при заданном понижении воды s₁, s₂, s₃ не будет достигнут установившийся фильтрационный режим. Если зависимость расхода q от понижения s в центральной скважине выражается кривой а-b (рис. 48, б), обращенной выпуклостью вверх, это указывает на то, что вследствие суффозии частиц исследуемого грунта (как в области контакта, так и в самом грунте) происходит кольматаж фильтра. Если q = f (s) выражается кривой а- (рис. 48, б), обращенной выпуклостью вниз, то это указывает на то, что в исследуемом грунте (в его массиве) происходит механическая суффозия с выносом частиц в скважину.

8.6.3.2. Метод Болдырева применим для грунтов с K  1·10^-3 см/с. Схема установки для определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом Болдырева приведена на рис. 49. В исследуемом грунте устраивается шурф. Дно шурфа должно находиться выше уровня грунтовых вод. Расстояние h от дна шурфа до уровня грунтовых вод должно быть

1,0 м  h  5 · d₉₀. (125)

Рис. 49. Схема установки для определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом Болдырева

1 - мерные баки с водой; 2 - регулировочный вентиль; 3 - трубка для подачи воды;

4 - рейка; 5 - водонепроницаемая опалубка; 6 - гравий d = 35 мм.
Шурф может иметь в плане форму квадрата или круга, линейные размеры которых должны быть:

1,0 м  D_к  5d₉₀, (126)

1,0 м  a_к  5d₉₀, (127)

где D_кр - диаметр круга; а_к - сторона квадрата; d₉₀ - диаметр частиц 90%-обеспеченности в исследуемом грунте.

Дно шурфа должно быть горизонтальным и при определении коэффициента фильтрации глинистых грунтов покрыто слоем гравия толщиной 3-5 см. Диаметр частиц гравия должен быть равным 3-5 мм. В шурф наливается вода. Глубина воды z в шурфе должна быть не более 10-15 см. Стенки нижней части шурфа на всю высоту столба воды с помощью специальной опалубки делаются водонепроницаемыми. Уровень воды в шурфе поддерживается все время постоянным. Контроль за уровнем ведется: по рейке (рис. 49), с помощью поплавка или электрическим методом. Фильтрационный расход измеряется с помощью бака, имеющего регулировочный вентиль.

8.6.3.3. Коэффициент фильтрации определяется исходя из условия, что I = 1, тогда K = v. В основу этого положения положена предпосылка, что до тех пор, пока инфильтрационные воды, поступающие из шурфа, не достигли уровня грунтовых вод, гидравлический градиент I  1.

По закону Дарси для случая вертикальной фильтрации имеем:

K = v / I = (v · h) / (z + h), см/с, (128)

где h - длина фильтрующей колонки; z - высота столба воды над фильтрующей колонкой.

Коэффициент фильтрации по Болдыреву определяется по формуле:

K = q / ( · t), см/с, (129)

где K - коэффициент фильтрации; t - продолжительность опыта, с; q - расход воды, см³/с;  - площадь дна шурфа, см².

8.6.3.4. Метод Нестерова применяется для определения коэффициента фильтрации различных грунтов. Этот метод приобретает важное значение в том случае, когда необходимо определить коэффициент фильтрации связных грунтов (другие методы в этом случае мало пригодны). Схема опыта и движение воды в грунте при определении коэффициента фильтрации методом Нестерова показаны на рис. 50.

Рис. 50. Схема опыта и движения воды при определении коэффициента фильтрации грунта в полевых условиях методом Нестерова

1 - внутреннее кольцо; 2 - наружное кольцо.
8.6.3.5. В исследуемом грунте вырывается шурф глубиной 50 см. В дно шурфа на глубину 3-5 см вдавливаются концентрично два цилиндра. Диаметр внешнего цилиндра D₂ должен быть не менее, чем в три раза больше диаметра внутреннего цилиндра D₁, т.е. диаметры цилиндров должны быть:

20 см  D₁  5d₉₀; (130)

60 см  D₂  15d₉₀; (131)

где d₉₀ - диаметр частиц 90%-обеспеченности в исследуемом грунте.

Высота цилиндров должна быть равна 15-20 см. Размеры шурфа определяются размерами внешнего цилиндра (D₁) с учетом необходимой площади, обеспечивающей подход к цилиндрам и подачу воды в них.

8.6.3.6. После установки цилиндров при определении коэффициента фильтрации глинистых грунтов вся площадь шурфа, в том числе и внутри цилиндров, покрывается слоем гравия толщиной 3-5 см. Крупность частиц гравия должна быть 3-5 мм.

8.6.3.7. В цилиндры наливается вода. Во внутренний цилиндр вода подается из мерного бака, а во внешний - из любой емкости. Нельзя допускать, чтобы вода из внутреннего цилиндра, переливаясь через кромку, попадала во внешний цилиндр.

В течение всего опыта уровень воды во внешнем и внутреннем цилиндрах должен поддерживаться постоянным.

8.6.3.8. В основу данного метода определения коэффициента фильтрации положено то обстоятельство, что вода из внешнего цилиндра должна двигаться вниз и в стороны, а из внутреннего цилиндра - только вниз (рис. 50).

Ввиду того, что вода из внутреннего цилиндра движется вертикально вниз, в пределах дна внутреннего цилиндра линии инфильтрационных токов взаимно параллельны. Таким образом, площадь поперечного сечения потока равна площади _L дна внутреннего цилиндра.

Измеряя количество воды (q см³/с), просочившейся в единицу времени через внутренний цилиндр, и деля этот расход на площадь _L дна цилиндра, определяют скорость фильтрации. При установившемся расходе в случае, когда градиент напора I = 1, эту скорость принимают равной коэффициенту фильтрации.

Подача воды в цилиндры должна производиться автоматически, обеспечивая постоянную отметку горизонта воды в обоих цилиндрах.

Расстояние между центрами опытных шурфов должно быть не менее 3-5 м.

8.6.3.9. Коэффициент фильтрации грунта определяется с учетом капиллярных сил по формуле:

где q - инфильтрационный расход через внутренний цилиндр, см³/с; _L - площадь сечения внутреннего цилиндра, см²; z - глубина воды в цилиндре, см; l - глубина просачивания воды от дна шурфа к моменту времени, при котором наблюдался расход воды (определяется бурением скважины в центре цилиндра немедленно после осушения шурфа); H_a - высота капиллярного поднятия, см.

8.6.3.10. Метод Семенова применяется для изучения фильтрационной анизотропии грунтов, т.е. для определения коэффициента фильтрации на контакте двух смежных слоев грунта, для исследования фильтрационных свойств и фильтрационной прочности уложенных грунтов на контакте со скалой основания или бортов, а также на контакте с бетоном. Этот метод применим для изучения вышеперечисленных свойств как связных, так и сыпучих грунтов, укладываемых в сооружение (с влажностью, требуемой по условиям укладки), кроме того, метод Семенова применяется для определения коэффициента фильтрации грунтов основания, расположенных выше уровня грунтовых вод.

8.6.3.11. Опытный участок оборудуется одним опытным шурфом и не менее, чем двумя наблюдательными. В случае изучения фильтрационных свойств и фильтрационной прочности грунта на контакте со скалой основания, бортами или бетоном опытный участок организуется одним опытным шурфом и двумя наблюдательными шурфами, расположенными непосредственно на контакте. Шурфы должны иметь форму квадрата. При этом размеры шурфов должны быть следующими:

1,0 м  a_к  5d₉₀, (133)

1,0 м   5d₉₀, (134)

2,0 м   10d₉₀, (135)

где a_к - сторона квадрата; - глубина опытного шурфа; - глубина наблюдательного шурфа.

Расстояние a между опытным и наблюдательным шурфами должно быть:

1,0 м  a_к  5d₉₀. (136)

8.6.3.12. В опытный шурф на всю его глубину наливается вода. Для того, чтобы стенки этого шурфа не обрушились, следует установить опалубку из досок с просветами. Пространство между стенками шурфа и опалубкой засыпают грунтом, крупность которого должна быть подобрана по принципу обратного фильтра. Коэффициент фильтрации грунта засыпки должен быть в 2-5 раз больше такового исследуемого грунта. Заполнение опытного шурфа водой должно производиться быстро, а уровень воды в нем должен поддерживаться постоянным.

8.6.3.13. Определение коэффициента фильтрации производится путем вычисления действительной скорости фильтрации v_d, применяя данные наблюдательного шурфа

где t - промежуток времени от начала опыта (т.е. от залива воды в опытный шурф до нужной отметки) до появления влажного пятна в наблюдательных шурфах; n - пористость исследуемого грунта в долях единицы. Остальные размеры (a, l, h) показаны на рис. 51.