Методы ускоренного контроля качества уплотнения грунтов

Плотномер пенетрационного типа СП конструкции Союздорнии

Плотномер пенетрационный статического действия (СП) предназначен для ускоренного операционного контроля качеств уплотнения грунтов земляного полотна при строительстве автомобильных дорог. Плотномер СП пригоден для работы на померзлых мелких и мелких пылеватых песках, супесях, суглинках и глинах всех видов при наличии и них не более 15% включений крупнее 2 мм при плотности 0,8-1,02 максимальной величины g_max и влажности 0,85-1,2 оптимальной влажности W_опт, определяемых методом стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-77 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности». Плотность определяется в долях от требуемого коэффициента уплотнения. Плотномер СП позволяет также установить отклонения фактической влажности грунта W от оптимальной. В качестве контролируемого параметра измеряется удельное сопротивление грунта пенетрации (показатель пенетрации).

Для определения плотности и влажности грунтов земляного полотна плотномером СП необходима предварительная тарировка прибора. Тарировка проводится в полевой лаборатории для каждого вида грунта.

Плотномер - пенетрационный, статического действия СП (рис. 1), состоит из штока 4 с рабочим наконечником 5. Через жесткое динамометрическое кольцо 3 шток связан с рукоятками 1. Деформация динамометрического кольца, возникающая при вдавливании рабочего наконечника в процессе пенетрации в грунт, измеряется индикатором 2 часового типа ИЧ-001 (ГОСТ 577-68* «Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм»), размещенным внутри кольца. Динамометрическое кольцо и индикатор являются силоизмерительным устройством прибора СП. При изменении вертикального усилия сжатия от 100-600 Н величина упругой деформации кольца составляет примерно 0,01-1,0 мм и соответствует одному обороту стрелки индикатора. Детали прибора выполнены из цветных металлов или стали с антикоррозионным покрытием. Динамометрическое кольцо изготовлено из стали марки Ст.45 с последующей термообработкой.

Рис. 1. Плотномер пенетрационный статического действия СП

Техническая характеристика

Тип...................................................................................................	пенетрометр статического действия
Общая масса, кг..............................................................................	2,5
Габаритные размеры, мм:
длина................................................................................................
ширина.............................................................................................
Параметры рабочего наконечника:
форма...............................................................................................	цилиндрический плоский
длина, мм.........................................................................................
диаметр основания, мм..................................................................	8,0 (11,3)
площадь » , см2..................................................................	0,5 (1,0)
Продолжительность определения плотности в одном месте (по среднему из трех измерений), мин...............................................	5-8
Обслуживающий персонал, чел....................................................
Относительная погрешность измерения, %
коэффициента уплотнения Ку.......................................................	4,0
относительной влажности ..................................................	5,0

Для определения величины сопротивления пенетрации, соответствующей данному показателю индикатора, проводят предварительную градуировку динамометрического кольца. Нагрузку, имитирующую усилие, прикладываемое к рукояткам, создают на гидравлическом прессе или на рычажном приспособлении. Нагружение осуществляют ступенями через 98Н (10 кгс) от 0 до 588Н (60 кгс). На каждой ступени нагружения снимают показания индикатора. Затем проводят последовательно нагрузку и вновь фиксируют показания индикатора. Результаты градуировки записывают в следующей форме:

По данным измерений строят градуировочный график, прилагаемый к паспорту прибора СП. Градуировку силоизмерительного устройства проводят не реже 1 раза в год.

Тарировку плотномера СП проводят в полевой грунтовой лаборатории на образцах грунта, подлежащего контролю плотности-влажности. Отбор и подготовку проб грунта следует проводить в соответствии с требованиями, предъявляемыми при определении их максимальной плотности (ГОСТ 22733-77). Масса средней пробы грунта, отбираемого для испытаний, должна составлять 15-20 кг.

Тарировку осуществляют в два этапа. На первом этапе определяют максимальную плотность грунта в соответствии ГОСТ 22733-77. Плотномером СП последовательно фиксируют показатели пенетрации образцов при каждом уровне влажности и полной стандартной работе уплотнения. Отбор проб грунта для контроля влажности из стандартного образца проводят после его испытания на сопротивляемость пенетрации. Значение сопротивления пенетрации P определяют по градуировочному графику. Показатель пенетрации

, (1)

где P - прилагаемое усилие при погружении наконечника в грунт на заданную величину, Н (кгс); S - площадь основания наконечника, см².

Пенетрацию образцов грунта проводят в следующем порядке.

На открытую зачищенную поверхность готового образца вертикально устанавливают прибор. Вращением шкалы выводят на «0» стрелку индикатора и вручную с помощью рукояток плавно заглубляют рабочий наконечник прибора на всю длину с постоянной скоростью. Время заглубления должно составлять примерно 10-12 с. Прилагаемое вертикальное усилие P характеризуется величиной деформации кольцевой пружины и фиксируется по отклонению стрелки часового индикатора. На каждом образце испытание повторяется в трех точках. За расчетную принимают среднюю арифметическую величину показателя пенетрации C.

Рис. 2. Зависимость показателя пенетрации от влажности при стандартной работе уплотнения

Рис. 3. Изменение показателя пенетрации от коэффициента уплотнения при оптимальной влажности

По результатам испытаний строят график зависимости показателя пенетрации от влажности при полном стандартном уплотнении. Эта зависимость обычно близка к линейной (рис. 2, прямая а). Для наглядности график рекомендуется строить под кривой стандартного уплотнения (ГОСТ 22733-77), принимая масштабы относительной и абсолютной влажности на осях абсцисс одинаковыми.

На втором этапе тарировки проводят испытание образцов грунта с постоянной влажностью, равной или близкой к оптимальной. С этой целью влажность пробы грунта массой 10 кг доводят до общей постоянной влажности равной W_опт±1,0%. Из данной пробы готовят четыре образца различной плотности путем послойного (тремя слоями) трамбования грунта в кольце прибора Союздорнии. Количество ударов трамбовки при изготовлении первого образца составляет 45, второго - 60, третьего - 75, четвертого - 90. После трамбования определяют плотность (коэффициент уплотнения) каждого образца согласно п. 5.4 ГОСТ 22733-77.

Образцы испытывают плотномером СП и трех точках по методике, описанной для первого этапа тарировки. Результаты измерений записывают в таблицу. На их основе строят график зависимости показателя пенетрации С от величины коэффициента уплотнения К_y при постоянной влажности (рис. 3).

По данному графику определяют показатели пенетрации С₁ и С₂ для К_y=0,95 и К_y=0,98 соответственно. На график рис. 2 наносят точки О₁ и O₂, соответствующие найденным значениям C₁, C₂и величине относительной влажности , равной влажности испытываемых образцов на втором этапе тарировки. На прямой а (см. рис. 2) отмечают точки показателей пенетрации для значений К_y=0,95 и К_y=0,98 (А₁А₂, В₁В₂). Точки, которым соответствуют равные величины К_y, соединяют прямыми линиями. Области, ограниченные линиями б и в и отрезком прямой а, определяют зоны с заданными интервалами плотности и служат для определения К_y по величине С.

Полученный комплексный тарировочный график для данного грунта является рабочим и может быть использован непосредственно при полевом контроле.

При операционном контроле качеств уплотнения земляного полотна плотномером СП следует систематически проверять влажность грунта. Влажность рекомендуется определять в полевой лаборатории для грунтов каждого отсыпаемого слоя ежесменно.

С этой целью из данного слоя грунта на глубине около 10 см отбирают пробу грунта, из которой приготавливают образец в приборе стандартного уплотнения Союздорнии и соответственно с п. 5 ГОСТ 22733-77. Готовый образец испытывают плотномером СП по методике, изложенной в разд. 1.

Рис. 4. Пенетрометр:

1 - конус; 2 - кольца; 3 - опорная площадка; 4 - шкала; 5 - корпус; 6 - силоизмерительное устройство; 7 - рукоятка; 8 - движок

По результатам испытаний рассчитывают среднее значение показателя пенетрации С. По построенному для данного грунта графику зависимости показателя пенетрации от влажности при стандартном уплотнении (см. рис. 2, линия а) определяют относительную влажность грунта.

Проверку влажности грунта указанным методом следует проводить 3 раза с определением среднего арифметического значения.

Для операционного контроля качества уплотнения грунтов на обследуемом поперечнике в соответствии с нормативными требованиями подготавливают три-пять площадок размером 20´20 см. Перед измерениями снимают верхний слой грунта толщиной 5 см. Прибор устанавливают перпендикулярно к поверхности площадки и вращением шкалы выводят на «0» стрелку индикатора. Вручную с помощью рукояток плавно задавливают рабочий наконечник прибора в грунт с постоянной скоростью. Время его заглубления на всю длину должно составлять примерно 10-12 с. На одном месте данную операцию повторяют 3-5 раз, при этом расстояние между точками задавливания должно составлять 7-10 см. По результатам измерений подсчитывают среднюю арифметическую величину показателя пенетрации. Показатели, отличающиеся от среднего более чем на 30%, не учитывают.

По найденной величине сопротивления пенетрации и измеренной ранее влажности грунта по тарировочному графику (см. рис. 2) находит фактическое значение коэффициента уплотнения.

Показатели пенетрации, получаемые при обследовании земляного полотна и соответствующие им значения коэффициентов уплотнения и относительной влажности, регистрируют в журнале.

Портативный плотномер-пенетрометр

Портативный, плотномер-пенетрометр конструкции Белдорнии (рис. 4) для определения плотности песчаных и глинистых грунтов состоит из корпуса, опорной площадки, сменных конусных наконечников, набора колец для получения различных глубин погружения конуса, рукоятки, устройства для измерения усилия вдавливания конуса в грунт и глубины погружения конуса. Угол при вершине конуса 30°, глубина пенетрации до 10 см, масса прибора до 2 кг.

Испытания проводят при нескольких различных глубинах погружения конуса в грунт. С этой целью на выровненную и зачищенную поверхность грунта укладывают друг на друга два-три кольца общей высотой 40-60 мм. По центру колец устанавливают пенетрометр и постепенно в течение 15- 20 с вдавливают его в грунт до тех пор, пока опорная площадка не прижмется к верхнему кольцу. Второе и последующее вдавливания пенетрометра проводят в этой же точке, но при каждом испытании снимают по одному кольцу. Последнее испытание производят без колец. Таким образом получают три-четыре точки с различными значениями усилия вдавливания Р_i и глубины пенетрации h_i. Снятие отсчета при испытаниях песчаных грунтов производят через 5-10 с после вдавливания конуса при испытаниях глинистых грунтов через 20-30 с.

Глубина погружения конуса в грунт

h_i=h_шк+(h_кон- h_кол- h_нач), (1)

где h_шк - отсчет по шкале для данной ступени нагружения, см; h_кон - расстояние по вертикали от вершины конуса до низа опорной площадки, см; h_кол - высота колец для данной ступени нагружения, см; h_нач - начальный отсчет по шкале, см.

Величина усилия вдавливания P_i при погружении конуса на глубину h_i определяется величиной растяжения пружины, которая связана с показаниями шкалы прибора. По известному h_шк для данной пружины по тарировочному графику определяют P_i.

Для каждой глубины погружения конуса h_i вычисляют удельное сопротивление пенетрации

. (2)

Для глинистых грунтов в качестве показателя пенетрационных испытаний используют удельное сопротивление пенетрации R. В качестве расчетного значения удельного сопротивления пенетрации для полученных в данной точке частых значений R_i для каждой глубины погружения конуса принимают среднее арифметическое значение :

. (3)

Для песчаных грунтов в качестве показателя пенетрационных испытаний используют удельное сопротивление пенетрации (в кгс/см²), которое при четырех ступенях нагружения вычисляют по формуле

, (4)

где Р₁, P₂, P₃, P₄ - усилия вдавливания при глубине погружения конуса соответственно h₁, h₂, h₃, h₄.

Глинистые грунты испытывают в двух состояниях: в исходном и после дополнительного уплотнения. Испытания производят по методу двух пенетраций. Первую пенетрацию осуществляют для исходного состояния уложенного в насыпь грунта, вторую - после дополнительного уплотнения грунта нагрузкой, эквивалентной нагрузке стандартного уплотнения. Дополнительное уплотнение грунта производят 12 ударами трамбовки по одному следу. Параметры трамбовки: диаметр штампа 155 мм, масса груза 5 кг, высота падении груза 50 см. Допускается дополнительно уплотнять грунт трамбовкой прибора Союздорнии для стандартного уплотнения (ГОСТ 22733-77); количество ударов принимают равным 40.

По результатам двух пенетраций по формуле (3) вычисляют удельное сопротивление пенетрации для первой пенетрации и - для второй.

Коэффициент уплотнения и влажность глинистых грунтов по результатам пенетрационных испытаний методом двух пенетраций определяют по номограмме (рис. 5). Для этого сначала по известному значению (верхняя горизонтальная ось) определяют показатель консистенции I₂ (вертикальная ось справа) и далее по отношению R₂/R₁ (нижняя горизонтальная ось) и полученному значению I₂ находят коэффициент уплотнения К_y (вертикальная ось слева).

Рис. 5. Номограмма для определения коэффициента уплотнения и влажности глинистых грунтов по результатам пенетрационных испытаний методом двух пенетраций

Рис. 6. Номограмма для определении коэффициента уплотнения пылеватых (1) и мелких (2) песков по результатам пенетрационных испытаний (цифры на кривых - процентное содержание частиц, прошедших через сито диаметром 0,1 мм)

Рис. 7. Номограмма для определения коэффициента уплотнения песчаных грунтов средней крупности и крупных по результатам пенетрационных испытаний:

1-4 - пески средней крупности соответственно с i=4; 3,5; 3,0; 2,5; 5- пески крупные для любых значений i и пески средней крупности с i=2

Рис. 8. Динамический плотномер:

1 - рукоятка; 2 - гиря; 3 - направляющая; 4 - штанга с конусным наконечником; 5 - наковальня

Рис. 9. Графики для определения коэффициента уплотнения песчаных грунтов по результатам динамического зондирования:

а - для свежеотсыпанных насыпей; б - для насыпей, возраст которых от 1 мес. до 1 года

Погрешность определения К по номограмме не превышает 3%.

По результатам второй пенетрации с помощью номограммы (см. рис. 5) определяют область значений влажности грунта по отношению к оптимальной в зависимости от требуемых коэффициентов уплотнения.

Если полученное значение I₂ находится в зоне W=W_в - влажность грунта в пределах оптимальной, если W<W_o - влажность грунта меньше оптимальной и требуется его увлажнение, если W>W_o, - влажность грунта больше оптимальной то требуется его подсушивание.

Для определения коэффициента уплотнения песчаных грунтов используют графики (рис. 6 и 7) зависимости коэффициента уплотнения К от удельного сопротивления пенетрации и гранулометрического состава, характеризуемого коэффициентом неоднородности i=d₆₀/d₁₀ для песков средней крупности (d₁₀ и d₆₀ диаметры частиц, соответствующих ординатам 10 и 60% на кумулятивной кривой) и содержанием частиц диаметром менее 0,1 мм для пылеватых и мелких песков. Погрешность определения К - не более 0,015.

Динамический зонд-плотномер Белдорнии

Динамический плотномер (рис. 8) состоит из штанги с конусным наконечником, направляющей с ограничителем высоты подъема гири, наковальни и гири. Масса гири 2,5 кг, площадь основания конуса 2 см², глубина зондирования 30 см от поверхности слоя.

Испытания с помощью динамического плотномера производят следующим образом. На подготовленное для испытаний место устанавливают прибор и начинают забивать конусный наконечник. После забивки конуса на 20 см фиксируют количество ударов, необходимых для погружения конусного наконечника на последние 10 см глубины.

После забивки наконечника на 30 см прибор с помощью ручек извлекают и приступают к испытаниям в следующей точке. При необходимости проведения в одном месте нескольких параллельных испытаний расстояние между точками зондирования должно быть не менее 30 см.

Масса гири 2,5 кг, площадь основания конуса 2 см², глубина зондирования условное динамическое сопротивление грунта:

, (5)

где Q - масса гири, кг; q - масса плотномера без гири, кг; H - высота падения гири, см; S - площадь поперечного сечении конуса, см²; N_20-30 - количество ударов, необходимое для погружения конуса на участке зондирования от 20 до 30 см; h - глубина погружения зонда, соответствующая числу ударов N_20-30 см. Для данного случая h=10 см.

Для определения плотности грунта по результатам динамического зондирования используют предварительно построенные графики или корреляционные зависимости. Для песчаных грунтов коэффициент уплотнения можно определить по графикам (рис. 9) в зависимости от P_q. Погрешность определения K не превышает 0,02.

Определение плотности грунтов замещением объема
(метод лунки)

При наличии в грунте более 15% частиц крупнее 2 мм (обломочных или окатанных частиц, мерзлых комьев и т.п.), а также при возведении насыпей из каменных материалов контроль за уплотнением грунта целесообразно осуществлять методом замещения объема сухим песком.

Для этого заготовляют сухой песок, просеянный через сито с отверстиями 2 мм и не содержащий пылеватых и глинистых частиц (если такие частицы содержатся, их следует отмыть и песок высушить). Объем песка, подготовленного для измерения, должен быть замерен с точностью ±5 см³.

На уплотненном слое грунта выравнивают небольшую площадку и выкапывают совком лупку объемом примерно 3-5 см³. Диаметр лунки около 20 см, высота 10-15 см. Грунт из лунки собирают на поддоне и взвешивают на 10-20-килограммовых весах с точностью до 5 кг. При выкапывании лунки следует избегать смятия краев и боковых стенок лунки рабочим инструментом, что может привести к увеличению объема лунки и искажению получаемых результатов.

Объем лунки определяют следующим образом.

Над лункой устанавливают двойную жестяную воронку с диаметром основания 25 см (рис. 10). В лунку и нижнюю воронку через верхнюю воронку насыпают сухой песок. Объем засыпаемого песка измеряют мерными стеклянными цилиндрами вместимостью 0,1-1,0 л с точностью до 5 см³. Песок в мерный цилиндр насыпают через обычную воронку без встряхивания. Вычитая из общего объема засыпанного песка его объем, находящийся в воронке, получим объем песка в лунке, т.е. объем лунки. Разделив массу грунта, извлеченного из лунки, на его объем, определяют плотность влажного грунта. Аналогичный принцип используют в приборах, где вместо песка применяют жидкость, наливаемую в эластичный резиновый баллон.

Для определения влажности необходимо высушить весь образец грунта, взятый из лунки, или, если это невозможно, определить влажность частиц грунта с диаметром менее 5 мм и внести поправку на содержание частиц крупнее 5 мм по формуле

,

где W₀ - оптимальная влажность для отсеянного грунта менее 5 мм, %; Р - содержание крупных частиц, %

Рис. 10. Установка воронки над лункой

Вместо W₀ подставляют полученное значение влажности или же принимают поправку по таблице.

Таблица

Плотность сухого грунта γ_ск рассчитывают после определения влажности по формуле

,

где γ - плотность влажного грунта, г/см³; W-влажность грунта, %.