Архив профессионального контента: статья сохраняет исторический обзор геотехнических концепций, формул и лабораторных процедур. Это не геотехническое исследование, проектирование насыпи, спецификация уплотнения, план контроля качества или замена действующего стандарта. Параметры грунта, оборудование, энергия уплотнения, критерии приемки и безопасные методы работы определяются уполномоченным инженером-геологом и аккредитованной лабораторией с учетом конкретного грунта и объекта.
Саво Кусич сегодня специализируется на деревянных окнах, дерево-алюминиевых окнах, окнах на заказ, дверях и запросах цен. Эта статья остается в качестве технического архива и не представляет собой предложение геотехнического проектирования, испытаний или выполнения земляных работ.
Уплотнение рыхлой почвы
Уплотнение рыхлого грунта зависит от размера и формы твердых частиц, а также от его структуры. В случае несвязанного грунта существуют определенные пределы, в которых движутся значения пористости n и коэффициента пористости e для самой редкой и плотной структуры.
Если несвязанный материал высушить и медленно перелить в химический стакан, чтобы он не уплотнялся во время заливки, получается его редчайшая структура. Данная структура соответствует коэффициенту пористости emax, значение которого для песка в исходном тексте находится в пределах:
emax = 0,7–1,0.
Если один и тот же материал насыпать в стакан тонкими слоями и каждый слой утрамбовывать деревянным молотком до постоянного объема, т. е. до тех пор, пока он не перестанет оседать при утрамбовке, то получается его наиболее плотная структура. Он соответствует коэффициенту пористости emin, значение которого для песка составляет:
emin = 0,45–0,65.
Уплотнение несвязанного грунта выражается относительным уплотнением ID, коэффициентом, который показывает степень уплотнения грунта по отношению к самому высокому уплотнению:
где e — коэффициент пористости грунта в естественном состоянии уплотнения. Окончательные значения относительной плотности:
- для самой редкой структуры e = emax; ID = 0;
- для самой плотной структуры e = emin; ID = 1.
Критерий уплотнения песчаного грунта по Терзаги в оригинальном тексте гласит:
- редкоуплотненный песок: ID = 0–1/3;
- среднеуплотненный песок: ID = 1/3–2/3;
- плотно утрамбованный песок: ID = 2/3–1.
В случае насыпей на дорогах и насыпях в тексте требуется ID = 2/3–1.
Вместо предыдущей формы можно использовать соотношение объёмов:
где V - объем ненарушенного образца грунта, Vmax - объем того же количества грунта в наименее уплотненном состоянии, Vmin - объем того же количества грунта в наиболее уплотненном состоянии.
Ограничение применения: исторические классификации и выражения не могут быть перенесены непосредственно на проект или строительную площадку. Тип почвы, метод отбора проб, состояние проб, применимые стандарты и требования проекта могут изменить метод и критерии.
Уплотнение связанного грунта
В связанном грунте уплотнение зависит не только от размеров и формы твердых частиц и их структуры, но и от сцепления. За счет сцепления твердые частицы слипаются, поэтому выдавить воду из пор при уплотнении гораздо сложнее, чем из несвязанного грунта, частицы которого легче перемещаются под нагрузкой.
При уплотнении связанного грунта большое значение имеет количество воды. При трамбовании вода выталкивается из пор и толщина водной пленки уменьшается; пористость уменьшается, а прочность на сдвиг и объемная плотность увеличиваются. Чем выше плотность, тем больше твердых частиц и меньше пор в единице объема. Это соотношение было принято за основу для оценки уплотнения связанного грунта. Контроль уплотнения в тексте осуществляется с помощью сухой объемной массы:
γd = Wd / V [Н/см3]
где Wd - масса полностью высушенного образца грунта, Н, а V - объем того же образца в уплотненном состоянии до высыхания, см3.
Эксперимент Проктора
Проба Проктора служит для определения зависимости между количеством воды в почве и ее уплотнением. Он определяет оптимальную влажность, т.е. влажность, при которой уплотненный грунт дает максимальный объемный сухой вес при заданной энергии уплотнения.
Исторически описанный аппарат Проктора (рисунок 1) состоит из металлического цилиндра с внутренним диаметром Ø = 10 cm, высотой 12 cm (рисунок 1_a_), продолжения цилиндра того же диаметра и высоты 10 cm (рисунок 1_b_) и металлическую трамбовку диаметром 5 cm, массой 2,5 Н, в цилиндрической направляющей несколько большего диаметра. Направляющая открыта на нижнем конце и закрыта на верхнем конце, с немного более широким отверстием для прохождения ручки подъемника (рисунок 1_c_). Нижний конец цилиндра помещается на металлическую пластину большего размера и фиксируется во время трамбовки.
Проба высушивается по оригинальной методике и просеивается через сито 5 mm во избежание влияния крупных зерен. Затем его смешивают с количеством воды, которое не должно быть настолько большим, чтобы образец стал мягким, и не настолько маленьким, чтобы образец не мог быть обработан. Сначала слой высотой около 8 cm укладывают в цилиндр с расширением в неуплотнённом состоянии и уплотняют равномерно распределенными по поверхности ударами 25. Удар осуществляется свободным падением молотка с высоты 30 cm. Наносится новый слой толщиной 8 cm, трамбуется новыми пуансонами 25 и процедура повторяется с третьим слоем. После завершения наращивание снимают, поверхность образца выравнивают по краю нижнего цилиндра и удаляют излишки грунта. Затем извлекается образец уплотненного грунта и определяются его объемная плотность в сухом состоянии γd и содержание влаги w.
Картинка 1 — Эксперимент Проктора
Эксперимент повторяется от 5 до 6 раз, всегда со свежим, необработанным материалом из одного и того же образца, но с разным количеством воды, чтобы получить разные значения γd и w. Влажность почвы w нанесена по оси абсцисс диаграммы, а вес сухого объема γd по ординате (рисунок 2). Соединенные точки образуют кривую, показывающую, что с увеличением влажности объемная плотность в сухом виде сначала увеличивается до максимума, а затем уменьшается. Влажность wopt, соответствующая максимальной объемной плотности сухого материала max γd, называется оптимальной влажностью. В тексте принято, что при этой влажности достигается наибольшее уплотнение при заданной энергии уплотнения. Тест, проводимый таким образом, называется «стандартным тестом Проктора».
Рисунок 2 — Диаграмма Проктора.
Лабораторная безопасность и стандарты: Размеры аппарата, масса и падение трамбовки, количество слоев и ударов, а также подготовка проб представляют собой исторические данные, передаваемые здесь, а не отдельную инструкцию. Действительная процедура должна определять соответствующий стандарт и план лаборатории. Сушка, просеивание и утрамбовывание сопряжены с рисками, связанными с пылью, летящими частицами, защемлением и ударными травмами; требуется соответствующее оборудование, защита и обученный оператор.
Влияние размера зерна на 5 mm
В исходном тексте указано, что зерна крупнее 5 mm не оказывают существенного влияния, если составляют до 25% от общей массы. Если их больше 25%, их влияние следует учитывать путем расчета сухой объемной массы смеси методом пропорциональности или модифицированным критерием Проктора.
Расчет методом пропорциональности
В соответствии с этим методом сухой объемный вес почвенной смеси γdm рассчитывается на основе пропорционального соотношения зерен сверху и снизу 5 mm:
где находится:
- γd — сухой объемный вес материала, прошедшего через открывающееся сито 5 mm;
- γsc — объёмная масса твердых частиц, оставшихся на ситовом отверстии 5 mm;
- m — процент по массе материала, оставшегося на отверстии сита 5 mm по отношению ко всей массе.
Модифицированный тест Проктора
Согласно опыту Бюро мелиорации США, приведенному в исходном тексте, если зерна размером более 5 mm составляют более 1/3 до 2/3 общей массы почвы, испытание следует проводить с общей массой. Поскольку успешно сделать это в цилиндре диаметром 10 cm невозможно, в так называемом «модифицированном тесте Проктора» используется цилиндр большего диаметра. В тексте описан цилиндр диаметром 15,2 cm и высотой 23,2 cm, в котором образец 5,5 kp уплотняется в три примерно равных слоя с меньшими ударами 50 каждый с массой 4,53 kp и высотой падения 45,7 cm. Если образец содержит зерна до 20 mm, испытание проводят с ненарушенным материалом. Если он содержит зерна крупнее 20 mm, количество 5,5 kp пробы просеивается через сито 20 mm, а остаток на сите заменяется материалом размером 5–20 mm.
Помимо описанной таким образом процедуры, в тексте любой метод выполнения, отличающийся от стандартного, также называется модифицированным тестом Проктора.
Энергия уплотнения
Энергия уплотнения образца в цилиндре Проктора может быть выражена уравнением, где N — количество ударов молотка, h высота молота в м, W вес молота в Мп (мегапрунд) и V объём образца в м3.
С увеличением энергии уплотнения достигается большее уплотнение образца, уменьшается его пористость, т.е. количество воды в грунте, и увеличивается сухой объемный вес. Для энергий уплотнения E1, E2, E3 и E4 соответствующие диаграммы Проктора получены на рисунке 3. Все диаграммы асимптотически аппроксимируют диаграмму насыщения, которую также называют диаграммой воздушных пор 0%, когда все поры заполнены водой, или диаграммой воздушных пор 5%, когда поры 95% заполнены водой.
Рисунок 3 — Диаграммы Проктора для различных энергий уплотнения.
Диаграмму насыщения можно построить, если по оси абсцисс нанести w = wz = n / γs(1-n), а по оси ординат γd = γs(1-n), где n — пористость почвы, а γs — объемный вес твердых частиц данного грунта. Отсюда следует, что энергию уплотнения можно регулировать для получения желаемого уплотнения. Для контроля уплотнения естественного грунта или уплотненной насыпи в тексте часто принимают показатель уплотнения Iz, отношение сухого объемного веса данного грунта или насыпи γd к объемному весу, полученному по Проктору γp:
Iz = γd / γp.
Проектирование и контроль в полевых условиях: одна только лабораторная кривая не подтверждает качество полученного слоя. В план проектирования и контроля должны быть включены отбор проб, толщина слоя, тип и количество проходов машины, влажность, полевые измерения, несущая способность, дренаж, прилегающие конструкции и подземные сооружения. Не приближайтесь к рабочей зоне катка или другой техники без организованной сигнализации и контроля доступа.