Архівний професійний вміст: стаття зберігає історичний огляд геотехнічних термінів, формул і лабораторних процедур. Це не геотехнічне дослідження, проект насипу, специфікація ущільнення, план контролю якості чи заміна поточного стандарту. Параметри ґрунту, обладнання, енергія ущільнення, критерії прийнятності та безпечні методи роботи визначаються уповноваженим інженером-геотехніком та акредитованою лабораторією на основі конкретного ґрунту та об’єкта.
Savo Kusić сьогодні зосереджується на дерев’яних вікнах, дерево-алюмінієвих вікнах, вікнах на замовлення, дверях та запитах на пропозиції. Ця стаття залишається як технічний архів і не є пропозицією геотехнічного проектування, випробувань або виконання земляних робіт.
Ущільнення пухкого ґрунту
Ущільнення пухкого ґрунту залежить від розміру та форми твердих частинок, а також від його структури. У випадку незв’язаного ґрунту існують певні межі, в яких переміщуються значення пористості n та коефіцієнта пористості e для найрідкіснішої та найщільнішої структури.
Якщо незв’язаний матеріал висушити та повільно вилити в склянку, щоб він не ущільнився під час розливання, виходить його найрідкісніша структура. Ця структура відповідає коефіцієнту пористості emax, значення якого для піску в оригінальному тексті знаходиться в межах:
emax = 0,7–1,0.
Якщо той самий матеріал насипати в склянку тонкими шарами і кожен шар утрамбовувати дерев’яною киянкою до тих пір, поки об’єм не стане постійним, тобто поки він не перестане осідати при трамбуванні, отримаємо його найщільнішу структуру. Він відповідає коефіцієнту пористості emin, значення якого для піску становить:
emin = 0,45–0,65.
Ущільнення незв’язаного ґрунту виражається відносним ущільненням ID, коефіцієнтом, який показує ступінь ущільнення ґрунту по відношенню до найвищого ущільнення:
де e коефіцієнт пористості ґрунту в природному стані ущільнення. Кінцеві значення відносної щільності:
- для найрідкіснішої структури e = emax; ID = 0;
- для найщільнішої структури e = emin; ID = 1.
Критерій ущільнення піщаного ґрунту за Терзагі в оригінальному тексті читається:
- слабоущільнений пісок: ID = 0–1/3;
- середньоущільнений пісок: ID = 1/3–2/3;
- щільно ущільнений пісок: ID = 2/3–1.
У випадку насипів на дорогах і насипів текст вимагає ID = 2/3–1.
Замість попередньої форми можна використовувати об’ємне співвідношення:
, де V — об’єм непорушеного зразка ґрунту, Vmax — об’єм такої ж кількості ґрунту в стані найменшого ущільнення, а Vmin — об’єм такої ж кількості ґрунту в стані максимального ущільнення.
Обмеження застосування: історичні класифікації та терміни не можна безпосередньо переносити на проект або будівельний майданчик. Тип ґрунту, метод відбору проб, стан проби, відповідний стандарт і вимоги проекту можуть змінити метод і критерії.
Ущільнення зв’язаного ґрунту
Зі зв’язаним ґрунтом ущільнення залежить не лише від розміру та форми твердих інгредієнтів та їх структури, а й від когезії. Завдяки когезії тверді частинки злипаються разом, тому видавлювати воду з пір під час ущільнення набагато складніше, ніж із незв’язаного ґрунту, частинки якого легше рухаються під навантаженням.
При ущільненні зв’язаного ґрунту велике значення має кількість води. За допомогою трамбування вода витісняється з пор і зменшується товщина водяної плівки; пористість зменшується, а міцність на зсув і насипна щільність збільшуються. Чим вища щільність, тим більше твердих речовин і менше пор на одиницю об’єму. Цей коефіцієнт був прийнятий за основу для оцінки ущільнення зв’язаного ґрунту. Контроль ущільнення в тексті здійснюється за допомогою сухої об’ємної ваги:
γd = Wd / V [Н/см3]
, де Wd — вага повністю висушеного зразка ґрунту в Н, а V — об’єм того самого зразка в ущільненому стані перед висушуванням, у см3.
Прокторський суд
Тест Проктора служить для визначення залежності між кількістю води в ґрунті та його ущільненням. Він визначає оптимальну вологість, тобто вологість, при якій ущільнений ґрунт має максимальну суху об’ємну вагу для даної енергії ущільнення.
Історично описаний апарат Проктора (малюнок 1) складається з металевого циліндра з внутрішнім діаметром Ø = 10 cm, висотою 12 cm (малюнок 1_a_), продовження циліндра такого ж діаметру та висоти 10 cm (малюнок 1_b_) і металева трамбівка діаметром 5 cm, вагою 2,5 Н, у циліндричній напрямній трохи більшого діаметру. Направляюча відкрита з нижнього кінця та закрита з верхнього, з трохи ширшим отвором для проходу ручки штока (малюнок 1_c_). Нижній кінець циліндра встановлюється на більшу металеву пластину і фіксується під час трамбування.
Зразок висушується відповідно до оригінальної процедури та просівається через отвір сита 5 mm, щоб уникнути впливу великих зерен. Потім його змішують з такою кількістю води, яка не повинна бути настільки великою, щоб зразок став кашоподібним, або настільки малою, щоб зразок не міг бути оброблений. Спочатку шар висотою приблизно 8 cm поміщається в циліндр із розширенням у неущільненому стані та ущільнюється рівномірно розподіленими по поверхні ударами 25. Удар здійснюється вільним падінням молотка з висоти 30 cm. Наноситься новий шар товщиною 8 cm, утрамбовується новими пуансонами 25 і процедура повторюється з третім шаром. Після завершення надставку видаляють, поверхню зразка вирівнюють з краєм нижнього циліндра, а надлишки ґрунту видаляють. Потім виймають зразок ущільненого ґрунту та визначають його суху об’ємну щільність γd і вміст вологи w.
Зображення 1 — Експеримент Проктора
Експеримент повторюється від 5 до 6 разів, завжди зі свіжим, необробленим матеріалом з того самого зразка, але з іншою кількістю води, щоб отримати різні значення для γd і w. Вологість ґрунту w нанесена на осі абсцис діаграми, а суха об’ємна вага γd на осі ординат (малюнок 2). Сполучені точки дають криву, яка показує, що суха насипна щільність спочатку збільшується з вологістю до максимуму, а потім зменшується. Вологість wopt, що відповідає максимальній сухій насипній щільності max γd, називається оптимальною вологістю. У тексті прийнято, що при цій вологості досягається найвище ущільнення для даної енергії ущільнення. Тест, проведений таким чином, називається стандартним тестом Проктора.
Малюнок 2 — Діаграма Проктора.
Лабораторна безпека та стандарт: Розміри приладу, маса та падіння трамбовки, кількість шарів і ударів, а також підготовка зразка є історичними даними, що передаються тут, а не окремою інструкцією. Дійсна процедура повинна визначати відповідний стандарт і лабораторний план. Сушіння, просіювання та трамбування пов’язані з ризиком утворення пилу, частинок, що летять, защемлення та пошкодження від удару; необхідні належне обладнання, захист і навчений оператор.
Вплив розміру зерна на 5 mm
В оригінальному тексті зазначено, що зерна, більші за 5 mm, не мають значного впливу, якщо вони складають до 25% загальної маси. Якщо їх більше, ніж 25%, їх вплив слід врахувати шляхом розрахунку сухої об’ємної ваги суміші за допомогою методу пропорційності або модифікованого тесту Проктора.
Розрахунок методом пропорційності
Згідно з цим методом, суха об’ємна маса суміші ґрунтового матеріалу γdm розраховується на основі пропорційного представлення зерен над і під 5 mm:
де знаходиться:
- γd — суха об’ємна вага матеріалу, який пройшов через сито для відкриття 5 mm;
- γsc — об’ємна вага твердих частинок, що залишилися на отворі екрана 5 mm;
- m — відсоток маси матеріалу, що залишився на отворі сита 5 mm, по відношенню до всієї маси.
Модифікований тест Проктора
Згідно з досвідом Бюро меліорації США, наведеним в оригінальному тексті, якщо зерна, більші за 5 mm, складають більше ніж 1/3 до 2/3 загальної маси ґрунту, тестування має бути виконується загальною масою. Оскільки це неможливо успішно зробити в циліндрі з діаметром 10 cm, циліндр з більшим діаметром використовується в так званому модифікованому експерименті Проктора. У тексті описується циліндр діаметром 15,2 cm і висотою 23,2 cm, у якому зразок 5,5 kp ущільнюється в три приблизно рівні шари з 50 меншими ударами, кожен з вагою 4,53 kp і висотою падіння 45,7 cm. Якщо зразок містить зерна до 20 mm, тест виконується з непорушеним матеріалом. Якщо він містить зерна, більші за 20 mm, кількість 5,5 kp зразка просівається через сито 20 mm, а решта на ситі замінюється матеріалом розміру 5–20 mm.
На додаток до процедури, описаної таким чином, у тексті будь-який метод виконання, який відрізняється від стандартного, також називається модифікованим тестом Проктора.
Енергія ущільнення
Енергію ущільнення зразка в циліндрі Проктора можна виразити за допомогою рівняння, де N — кількість ударів молотка, h висота молотка в м, W вага молотка в Мп (мегапонд), а V об’єм зразка в м3.
Зі збільшенням енергії ущільнення досягається більше ущільнення зразка, зменшується його пористість, тобто кількість води в ґрунті, і збільшується суха об’ємна маса. Для енергій ущільнення E1, E2, E3 та E4 відповідні діаграми Проктора отримані на малюнку 3. Усі діаграми асимптотично апроксимують діаграму насичення, яку також називають діаграмою повітряних пор 0%, коли всі пори заповнені водою, або діаграмою повітряних пор 5%, коли пори 95% заповнені водою.
Малюнок 3 — Діаграми Проктора для різних енергій ущільнення.
Діаграму насичення можна побудувати, якщо w = wz = n / γs(1-n) нанести на абсцису, а γd = γs(1-n) на ординату, де n — грунт пористість і γs об’ємна маса твердих частинок даного ґрунту. З цього випливає, що енергію ущільнення можна регулювати для отримання бажаного ущільнення. Щоб контролювати ущільнення природного ґрунту або ущільненого насипу, у тексті часто приймається індекс ущільнення Iz, відношення сухої об’ємної ваги даного ґрунту або насипу γd до об’ємної ваги, отриманої за Проктором γp:
Iz = γd / γp.
Проектування та контроль у польових умовах: лише лабораторна крива не підтверджує якість отриманого шару. Відбір проб, товщина шару, тип і кількість проходів машини, вологість, польові вимірювання, несуча здатність, дренаж, прилеглі конструкції та підземні установки повинні бути включені в план проектування та контролю. Не наближайтеся до робочої зони котка чи іншої техніки без організованої сигналізації та контролю доступу.