THE RESULTS OF FIELD TESTS OF WEAK SOILS

Abstract


Organization of construction on sites built of weak soils is associated with certain problems, one of which is the construction of temporary roads and foundations for building mechanisms (pile drivers, cranes, etc.). Temporary roads necessary attributes of any construction, ensuring the availability of facilities and linear structures. One of the features of the temporary roads is their erection in accordance with the staged scheme of the organization of construction. Physico-mechanical characteristics of the soils are necessary for the design of such passages using which it is possible to perform calculations using approved soil models. During civil engineering processes on weak soils, it is also important to preserve geological diversity, which is possible with a comprehensive assessment of soil properties. Work on weak soils, even at the survey stage, is associated with accessibility problems due to their low bearing capacity. Usually travel by transport on such soils in warm season is impossible. Evaluation of the physico-mechanical properties of weak soils is possible using lightweight portable devices that can be delivered to the testing sites manually. This paper presents the results of the evaluation of the mechanical characteristics of weak soil using lightweight portable devices such as probe penetrometer, vane shear meter, and dynamic density meters. Soil properties obtained during field tests can be used as input parameters for design models, the use of which allows to perform immediate out calculations temporary road construction or the base for the construction mechanism. Works performed according to the proposed method are of low laboriousness, low cost and high efficiency, do not require the use of mechanisms and can be performed by one person.

Full Text

Введение Для определения исходных данных на проектирование модели грунтовых дорог в программных комплексах производились полевые испытания слабых грунтов в городе Перми тремя методами: 1. Статическое зондирование пенетрометром П-5А. 2. Динамическое зондирование плотномером Д-51. 3. Испытание грунта на вращательный срез сдвигометром-крыльчаткой СК-10а. Характеристики приборов, методика проведения испытаний, результаты испытаний и полученные результаты приведены в основной части статьи. Исследовалось основание из торфа с характеристиками: - удельный вес - 11,5 кН/м3; - удельный вес частиц грунта - 18,9 кН/м3; - влажность - 1,03 д.ед.; - коэффициент пористости - 2,42. Основная часть Испытания грунтов ручным зондовым пенетрометром П-5А Зондовый пенетрометр П-5А - портативный переносной прибор для статического зондирования слабых грунтов при ручном погружении зонда со стандартным конусным наконечником. Площадь поперечного сечения основания конуса - 10 см2. Угол при вершине конуса - 60º. По данным тарировки постоянная характеристика упругой пластины равна 0,254 кгс/дел. Масса прибора с одной штангой длиной 1 м - 3,8 кг. Масса одной штанги - 1 кг. Испытания пенетрометром проводились в соответствии с ГОСТ 19912-2012. Записи показаний производились через 0,2 м. Глубина погружения зонда составила 1-1,7 м. Зондирование производили 4 раза. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Обработка и интерпретация результатов испытаний выполнялись с учетом ГОСТ 19912-2012 [1]. (1) где F - площадь основания конуса, см2; n - характеристика упругой пластины пенетрометра, 0,254 кгс/дел.; l - показания индикатора, дел. Таблица 1 Результаты испытаний грунтов зондовым пенетрометром П-5А Table 1 Processing of soil test results by probe penetrometer Испытание 1 Испытание 2 Испытание 3 Испытание 4 Глубина погружения, м / показание индикатора, дел. Сопротивление грунта вдавливанию qc, МПа Глубина погружения, м / показание индикатора, дел. Сопротивление грунта вдавливанию qc, МПа Глубина погружения, м / показание индикатора, дел. Сопротивление грунта вдавливанию qc, МПа Глубина погружения, м / показание индикатора, дел. Сопротивление грунта вдавливанию qc, МПа 0,2/10 0,025 0,2/15 0,038 0,2/70 0,178 0,2/20 0,051 0,4/50 0,127 0,4/35 0,089 0,4/70 0,178 0,4/40 0,101 0,6/40 0,102 0,6/50 0,127 0,6/70 0,178 0,6/40 0,101 0,8/120 0,305 0,8/170 0,432 0,8/110 0,279 0,8/70 0,177 1/160 0,406 1/90 0,229 1/130 0,33 1/80 0,203 1,1/310 0,787 1,1/120 0,305 1,2/100 0,254 1,2/120 0,304 1,2/490 1,245 1,2/160 0,406 1,4/150 0,381 1,4/140 0,356 1,3180 0,457 1,6/180 0,457 1,6/165 0,419 На рис. 1-4 приведены графические зависимости сопротивления грунта вдавливанию от глубины погружения рис. 1-4. Рис. 1. График первого испытания Fig. 1. First test schedule Рис. 2. График второго испытания Fig. 2. Second test schedule Рис. 3. График третьего испытания Fig. 3. Third test schedule Рис. 4. График четвертого испытания Fig. 4. Fourth test schedule Для расчетов автодорожной насыпи необходим модуль деформации грунтового основания. В статье [2] приведены рекомендации по оценке модуля деформации торфа и органических грунтов по результатам статического зондирования с использованием зависимости (3) где Е - модуль деформации грунта, МПа; qc - сопротивление грунта вдавливанию, МПа. Результаты оценки модуля деформации приведены в табл. 2. Таблица 2 Оценка модуля деформации по результатам статического зондирования грунта легким пенетрометром П-5А Table 2 Evaluation of deformation modulus by results of static penetration of the soil by light-weight penetrometer P-5A Испытание 1 Испытание 2 h, м qc, МПа Е, МПа h, м qc, МПа Е, МПа -0,2 0,025 0,1 -0,2 0,038 0,2 -0,4 0,127 0,5 -0,4 0,089 0,4 -0,6 0,102 0,4 -0,6 0,127 0,5 -0,8 0,305 1,2 -0,8 0,432 1,7 -1 0,406 1,6 -1 0,229 0,9 -1,1 0,787 3,2 -1,1 0,305 1,2 -1,2 1,245 5,0 -1,2 0,406 1,6 -1,3 0,457 1,8 Испытание 3 Испытание 4 h, м qc, МПа Е, МПа h, м qc, МПа Е, МПа -0,2 0,178 0,7 -0,2 0,051 0,2 -0,4 0,178 0,7 -0,4 0,101 0,4 -0,6 0,178 0,7 -0,6 0,101 0,4 -0,8 0,279 1,1 -0,8 0,177 0,7 -1 0,33 1,3 -1 0,203 0,8 -1,2 0,254 1,0 -1,2 0,305 1,2 -1,4 0,381 1,5 -1,4 0,356 1,4 -1,6 0,457 1,8 -1,6 0,419 1,7 По результатам испытаний грунта легким пенетрометром модуль деформации исследованной толщи грунта составил менее 5 МПа. Испытания грунтов сдвигомером-крыльчаткой СК-10А Зондовый сдвигомер-крыльчатка СК-10А - это портативный переносной прибор для испытаний слабых грунтов на вращательный срез при ручном повороте четырехлопастной крыльчатки. Диаметр крыльчатки - 75 мм. Высота крыльчатки - 150 мм. По данным тарировки постоянная характеристика упругой пластины равна 2,34 кг·см/дел. Масса прибора с одной штангой длиной 1 м - 4 кг. Масса одной штанги - 1 кг. Испытания прибором производились в соответствии с пп. 9.3, 9.4 ГОСТ 20276-2012. Прибор погружали 6 раз. Глубина погружения прибора равнялась отметкам 0,4-0,8 м. Сопротивление недренированному сдвигу рассчитывается по формуле [1] (4) где n - характеристика упругой пластины сдвигомера, 2,34 кгс·см/дел.; l - показания индикатора, дел; K - постоянная крыльчатки, 1545 см3, рассчитывается по формуле [1] (5) где D - диаметр крыльчатки (7,5 см); h - высота крыльчатки (15 см); m - принимаем равным 3, поскольку крыльчатка имеет 2 торцевые поверхности [1]. Результаты испытаний приведены в табл. 3. Таблица 3 Результаты испытаний грунтов сдвигомером-крыльчаткой СК-10А Table 3 Soil test results with shear impeller Номер испытания Отметка испытания на глубине, м Показание прибора, дел. Сопротивление недренированному сдвигу сu, кПа Оценочное значение qc, кПа, по (6) 1 0,4 40 6,1 122 2 0,5 40 6,1 122 3 0,6 65 9,9 198 4 0,8 145 22 440 5 0,8 150 22,7 454 6 0,8 155 23,5 470 Испытания грунтов вращательным срезом с использованием легких приборов позволяют в кратчайшие сроки с минимальными трудовыми и финансовыми затратами определить недренированное сопротивление грунтов сдвигу в полевых условиях и выполнить инженерные расчеты земляных сооружений на слабых грунтах. По результатам определения недренированного сопротивления грунта сдвигу на основании (6) (формула (13), Приложение К, МГСН 2.07-01) можно оценить сопротивление под конусом зонда и в дальнейшем - модуль деформации грунта. Оценочные значения приведены в табл. 3. (6) Испытания грунтов динамическим плотномером Д-51 Динамическое зондирование слабого грунта выполнялось для сравнительной оценки механических свойств. Для динамического зондирования применялся динамический плотномер Д-51. Динамический плотномер грунта Д-51 - ручной переносной прибор для измерения сопротивления погружению зонда под действием возрастающего числа приложений ударной нагрузки. Площадь основания конуса - 8,04 см2. Угол при вершине конуса - 60º. Масса гири - 2,523 кг. Высота падения груза - 30 см. Прибор представляет собой легкий пенетрометр с коническим наконечником. Исследования прибором проводились в соответствии с пп. 6.3, 6.4 ГОСТ 19912-2012. Производили два испытания до отказа (в соответствии с пунктом 6.4.6). Отказ произошел на глубине 2 и 3 м. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Таблица 4 Результаты испытаний грунтов динамическим плотномером Д-51 Table 4 Soil test log dynamic density meter Глубина погружения, см Число ударов в залоге Глубина погружения зонда за залог, см Поправочные коэффициенты Исправленное число ударов в залоге Удельная энергия зондирования A, Н/см Условное динамическое сопротивление грунта pd, МПа K1 K2 1 2 3 4 5 6 7 8 Испытание 1 42 1 42 0,49 1 0,49 366,11 0,0427 50 2 8 0,49 1 0,98 366,11 0,4485 60 3 9 0,49 1 1,47 366,11 0,5980 70 2 10 0,49 1 0,98 366,11 0,3588 80 3 10 0,49 1 1,47 366,11 0,5382 90 18 10 0,49 1 8,82 366,11 3,2291 100 20 10 0,49 1 9,80 366,11 3,5879 110 20 10 0,49 1 9,80 366,11 3,5879 120 22 10 0,49 1 10,78 366,11 3,9467 130 27 10 0,49 1 13,23 366,11 4,8436 140 24 10 0,49 1 11,76 366,11 4,3055 150 23 10 0,49 1 11,27 366,11 4,1261 160 20 10 0,43 1 8,60 366,11 3,1485 170 34 10 0,43 1 14,62 366,11 5,3525 180 49 10 0,43 1 21,07 366,11 7,7139 190 50 10 0,43 1 21,50 366,11 7,8714 200 51 10 0,43 1 21,93 366,11 8,0288 Испытание 2 46 1 46 0,49 1 0,49 0,941 0,0390 53 1 7 0,49 1 0,49 0,941 0,2563 63 2 10 0,49 1 0,98 0,941 0,3588 70 3 7 0,49 1 1,47 0,941 0,7688 80 4 10 0,49 1 1,96 0,941 0,7176 90 5 10 0,49 1 2,45 0,941 0,8970 100 8 10 0,49 1 3,92 0,941 1,4352 110 13 10 0,49 1 6,37 0,941 2,3321 120 20 10 0,49 1 9,80 0,941 3,5879 130 25 10 0,49 1 12,25 0,941 4,4848 Окончание табл. 4 1 2 3 4 5 6 7 8 140 29 10 0,49 1 14,21 0,941 5,2024 150 26 10 0,49 1 12,74 0,941 4,6642 160 44 10 0,43 1 18,92 0,941 7,8933 170 46 10 0,43 1 19,78 0,941 8,2521 180 36 10 0,43 1 15,48 0,941 6,4582 190 35 10 0,43 1 15,05 0,941 6,2788 200 37 10 0,43 1 15,91 0,941 6,6376 210 59 10 0,43 1 25,37 0,941 10,5842 220 30 10 0,43 1 12,90 0,941 5,3818 230 30 10 0,43 1 12,90 0,941 5,3818 240 36 10 0,43 1 15,48 0,941 6,4582 250 40 10 0,43 1 17,20 0,941 7,1758 260 58 10 0,43 1 24,94 0,941 10,4048 270 54 10 0,43 1 23,22 0,941 9,6873 280 67 10 0,43 1 28,81 0,941 12,0194 290 63 10 0,43 1 27,09 0,941 11,3018 300 62 10 0,43 1 26,66 0,941 11,1224 Сопротивление грунта зондированию Rs определяется как работа Ws, необходимая для погружения конуса от начала его движения до остановки, деленная на глубину погружения конуса h [3]: (7) Работа, совершаемая при погружении конуса, равная кинетической энергии в случае падения на наковальню груза массой 2,5 кг с высоты 30 см, определяется из выражения [3] Удельная энергия зондирования A определяется путем деления кинетической энергии на площадь основания конуса (в нашем случае - конус диаметром 16 мм): Тогда условное динамическое сопротивление грунта без поправочных коэффициентов для первого участка (глубина погружения 42 см за один удар) составит: Условное динамическое сопротивление при испытании ударным способом определяется по формуле ГОСТ 19912-2012 [4]: (8) Графики зависимости условного динамического сопротивления грунта от глубины погружения зонда приведены на рис. 5, 6. Рис. 5. Условное динамическое сопротивление грунта (испытание 1) Fig. 5. Conditional dynamic resistance of the soil (test 1) Рис. 6. Условное динамическое сопротивление грунта (испытание 2) Fig. 6. Conditional dynamic resistance of the soil (test 2) Анализ полученных результатов и их сравнение с результатами испытаний зондовым пенетрометром и сдвигомером-крыльчаткой позволяет оценить величину модуля деформации торфа по результатам испытания динамическим зондом, равную условному динамическому сопротивлению грунта. (9) Заключение Применение легких портативных приборов позволяет оперативно и незатратно определить характеристики слабого грунта и выполнить расчеты конструкции временных автодорог. По результатам современных исследований предложено множество корреляционных зависимостей [5-15], применяя которые к результатам статического и динамического зондирования и испытаний на вращательный срез, возможно оценить физико-механические характеристики грунтов. Механические характеристики грунта, полученные в ходе испытаний, будут использованы в качестве исходных данных для расчета конструкции автодорог с улучшенным покрытием на слабом основании.

About the authors

A. A Zaitsev

Perm National Research Polytechnic University

V. G Ofrikhter

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. - М.: Недра, 1990. - 219 с.
  2. Мариупольский Л.Г. Исследования грунтов для проектирования и строительства свайных фундаментов. - М.: Стройиздат, 1989. - 195 с.
  3. Болдырев Г.Г. Методы динамического зондирования [Электронный ресурс]. - URL: http://npp-geotek.com/d/942856/d/glava2_metodydinamicheskogozondirovaniya.pdf (дата обращения: 01.12.2018).
  4. Болдырев Г.Г., Мельникова А.В., Новичков Г.А. Интерпретация результатов полевых испытаний с целью определения деформационных характеристик грунтов // Инженерные изыскания. - 2014. - № 5-6. - С. 86-97.
  5. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. - Пенза: ПГУАС, 2008. - 696 с.
  6. Цытович Н.А. Механика грунтов: учеб. пособие. - М.: Стройиздат, 1963. - 638 с.
  7. Robertson P. K. Soil classification using the cone penetration test // Canadian Geotechnical Journal. - 1990. - Vol. 27, iss. 1. - P. 151-158.
  8. Estimating coefficient of consolidation from piezocone tests / P.K. Robertson [et al.] // Canadian Geotechnical Journal. - 1992.- Vol. 29, iss. 4. - P. 539-550.
  9. Robertson P.K., Wride C.E. Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test // Canadian Geotechnical Journal. - 1998. - Vol. 35, iss. 3. - P. 442-459.
  10. Robertson P.K. CPT interpretation - a unified approach // Canadian Geotechnical Journal. - 2009. - Vol. 46, iss. 11. - P. 1337-1355.
  11. Robertson P.K., Cabal K.L. Estimating soil unit weight from CPT // Proceedings of the 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, 9-11 May 2010, Huntigton Beach, California, USA. - Session 2. - Paper 2-40. - URL: http://www. cpt10.com. (дата обращения: 02.12.2018).
  12. Robertson P.K. Estimating in-situ soil permeability from CPT & CPTu // Proceedings of the 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, 9-11 May 2010, Huntigton Beach, California, USA. - Session 2. - Paper 2-51. - URL: http://www. cpt10.com. (дата обращения: 02.12.2018).
  13. Robertson P.K. Soil behaviour type from CPT: an update // Proceedings of the 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, 9-11 May 2010, Huntigton Beach, California. - Session 2. - Paper 2-56. - URL: http://www. cpt10.com. (дата обращения: 02.12.2018).
  14. Robertson P.K., Cabal K.L. Guide to cone penetration testing for geotechnical engineering. - 5th ed. - Gregg Drilling & Testing Inc., 2012. - 131 p.
  15. Sanglerat G. The penetration and soil exploration. - Amsterdam: Elsevier, 1972. - 464 p.

Statistics

Views

Abstract - 59

PDF (Russian) - 111

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Zaitsev A.A., Ofrikhter V.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies