Функциональные зависимости максимальной плотности скелета грунтовой среды от влажности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Т.Р. Тедеев, А.Л. Рутковский, В.Н. Пустобриков, 2010

УДК 539.217

Т.Р. Тедеев, А.Л. Рутковский, В.Н. Пустобриков

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ МАКСИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ СКЕЛЕТА ГРУНТОВОЙ СРЕДЫ ОТ ВЛАЖНОСТИ

В замкнутом виде получены функциональные зависимости для определения максимальной плотности скелета грунтовой среды от влажности. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с экспериментальными данными. Ключевые слова: оптимальная влажность, грунтовая среда, уплотнения грунтов.

1Г^звестно[1-6], что при назначении требуемой плотности грунтовой среды, а также при контроле влажности уплотняемых грунтов и качества их уплотнения в грунтовых сооружениях и основаниях зданий и сооружений устанавливают максимальную плотность скелета грунта и оптимальную влажность грунтовой среды.

Определение оптимальной влажности и соответствующей максимальной плотности осуществляется в лабораторных условиях на специальных приборах (в отечественной практике - на приборах стандартного уплотнения Союздорнии, а в зарубежной - на приборах Проктора). В результате строится кривая стандартного уплотнения, на которой каждому значению влажности грунтовой среды соответствует определенное значение наибольшей плотности, до которой грунт может быть уплотнен, или каждому значению плотности грунта может соответствует предельно допустимое значение влажности [1, 2, 4]. Согласно [1] максимальная плотность уплотненного грунта - это наибольшее значение плотности сухого грунта, достигаемое при оптимальной влажности, принятых режимах, методах и энергии уплотнения.

Методику определения максимальной плотности скелета грунтовой среды рассмотрим на примере несвязного грунта (гравийно-песчаный грунт с площадки строительства МАПП «Нижний Зарамаг»). При этом результаты определения влажности по известной методике [5] показали, что в порах несвязного грунта содержится жидкость, величина которой колеблется в интервале от полислойной влаги (W р„=3 - 5%) до верхней границы слабосвязанной влаги^ рш=7 - 11%):

т + Пту + Пру + Псу + Па = Ь (1)

где т - объем минеральных частиц грунтовой среды; пту - объем монослойной влаги; пт1, - объем полислойной влаги; п, - объем слабосвязанной влаги; п -

7 ру 7 Су 7 а

объемное содержание воздуха в грунтовой среде.

Общее содержание составляющих компонентов несвязного грунта с учетом влажности среды для единицы объема можно представить в следующем виде:

Ра» г/см3

+ т£^ (Ж - ) = 1 - Па

Ру

где р,, - плотность частиц грунтовой среды; Рту -плотность монослойной влаги; рру - плотность по-

лислойной влаги; рсм, -

% плотность слабосвязанной влаги.

Рис. 1. Зависимость максимальной плотности скелета или с учетом известной за-гравийно-песчаного грунта от влажности по эксперименту висимости для определения

объема минеральных частиц грунта т = рй!рх равенство (2) принимает вид:

тР* иг

т + —^- Щ. +

Р т.

+ тР— (Щ - Щ ) +

V р. т. '

Р

р.

— [1 + — Щтм + — (Щ. - Щт. ) + (Щ - Щр. )] = 1 - «„■

(3)

Р5 Р ту Р ру Р су

Последнее равенство для определения максимальной плотности скелета можно преобразовать к виду:

Р, (1 - Па )

Ра =

1 + —жт

т

Р т.

+ (Щ - Щ ) + —*- (Щ - Щ )

V р. т. ' V р. '

Р р. Р с.

(4)

Следуя основным принципам методики определения функциональной зависимости плотности поровой жидкости от влажности на интервале слабосвязанной влаги, можно составить следующее равенство [3]:

Я

нт

Р( н. )

+нр - нт+н. - нр

Р т. Рр. Р с

или после элементарных преобразований можно получить

(5)

н

1

р( н.)

[н. - нт (1 -

Рр..) - нр (1 - —с. )]

(6)

- у/ Рсу Рру Р ту Р ру

Окончательно для слабосвязанного интервала изменения влажности зависимость плотности поровой жидкости от влажности имеет вид

Р(Ну ) =

НуРс

т ру (1 — Р Ру ) — НР (1 — Рс

(7)

Н,„ — н

Рр

Рт

Рр

)

ру г' ту г' ру

или с учетом исходной зависимости для оценки влагосодержания среды, имеем:

ЖРу

Р(Ж) =

Ж — Ж

Рсу (1 — Рру ) — ш (1 —

ту _ V _ / ру\А

Рс

(8)

)

Рр„ Р ту Р ру

Подставляя равенство (8), приведенное к виду р(Ш ) = ЖС1/(Ж — С2) в соотношение (4) для определения максимальной плотности скелета грунтовой среды мож-

но получить

Ра =■

Р, (1 — Па )

1 +—ш„„ + (Ш„ — Шт„) + (Ж — Жр,, )(Ж — С2)

(9)

Р т; Р ру

После элементарных преобразований зависимость для максимальной плотности скелета грунтовой среды окончательно принимает вид:

Р, (1 — Па )С1Ж

Ра =■

РЖ2 + [(1 + Р^_ Ж'ту +— (Жру — ))С1 — Р, (Жру + С2)]Ж + РЖС

р.

(10)

Рт

Р

ру 2

ру

Ра, г/см3.

По разработанной методике была решена задача определения функциональной зависимости плотности скелета грунта от влажности. При этом были приняты следующие расчетные значения параметров:

Ж = 0.02, Ж = 0.06,

ту ^ ру * ^

см

2

2

Р, = 2.68 г/

Рсу = 1.1 г1см Рру = 1.3 г/

Рту = 1.5 Результаты

2

па = 0.065.

определения плотности скелета грунта от влажности представлены на рис. 2. Следует заметить, что

Рис. 2. Зависимость максимальной плотности скелета максимальн°е расхождение с гравийно-песчаного грунта от влажности по разработанной методике

результатами эксперимента составляет 1.5-2 %.

Следуя результатам определения влажности по известной методике [5], в порах связного минерального грунта (суглинок с площадки строительства автомобильной дороги «Кавказ») содержится жидкость, величина которой выходит за пределы диффузионного интервала влажности (Ж** = 16 —18%). Для этого случая представим

зависимость для общего содержания составляющих компонентов связной минеральной среды в следующем виде

т + Пт* + Пр* + П** + Пс* + Па = 1, (11)

где п** - объем диффузионной влаги; пс* - объем слабосвязанной влаги.

Для определения зависимости плотности от влажности на интервале переходной рыхлосвязанной влаги можно составить следующее равенство [3]:

я нт нр — нт н* — нр и„—н*

' w w

(12)

Р(н*) Р т* Р р* Р ** Р с*

где Р** - плотность диффузионной влаги; Рс* - плотность переходной рыхлосвязанной влаги.

После преобразования исходной зависимости (12) для рыхлосвязанного интервала влажности можно получить:

Р(н*) =---------------------------------------------------------- (13)

н*—нт ^ (1—^)—нр ^ (1—^)—н* (1—^)

РР* Р т* Р ** Р р* Р **

Окончательно равенство (13) для оценки плотности от влагосодержания среды принимает следующий вид:

Р(Ж) =---------------------------------------------------------. (14)

ж — К* 4* (1 — ^) — Жр* ** (1 — **) — ж* (1 — ^)

Рр* Р т* Р ** Р р* Р **

Элементарные преобразования зависимости (11) для определения общего содержания составляющих компонентов связной минеральной среды дают следующее:

Р* (1 — Па ) _______________ , (15)

Рі =

1 +Р ^ ^ ^) + Р-(Ж - ^)(Ж - D2)

Ртм Рpw Рм ЖС>1

или окончательно с учетом явного выделения квадратного трехчлена в знаменателе равенства (15):

р =______________________________________Р. (1 - П) DlW____________________________________

і Р.Ж2 + [(1 + -^Жпт + ^^ -Жпт) + ^ ))D2 - Р,(Ж^ + D2)]W + РЖ^2

Ртм Р рм Рім

(16)

В заключение отметим, что для определения необходимой степени уплотнения многофазной грунтовой среды выполняется комплекс лабораторных исследований,

включающий изучение уплотняемости грунтов, а также прочностных и деформационных характеристик уплотненных до различной степени плотности грунтов. По результатам испытаний строятся кривые зависимости сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации от плотности или коэффициента уплотнения грунтовой среды и назначается требуемая степень уплотнения грунтов.

------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика/ Под ред. Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова. - М., 1985. -480с.

2. Кузахметова Э.К. Глинистые грунты повышенной влажности в дорожном строительстве. - М., 2008. -104 с.

3. Тедеев Т.Р., Арунянц Г.Г. Методология и алгоритмы расчета полей влажности в задачах проектирования грунтовых сооружений. Владикавказ: Терек, 2006 г. -203 с.

4. ГОСТ 22733-2002. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности. - М., 2003.

5. ГОСТ 5180 - 84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - М., 1985.

6. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. - М., 1997.ЕШ

Коротко об авторах

Тедеев Т.Р. - кандидат технических наук, ЮМИ ВНЦ РАН, г. Владикавказ, РСО-А, e-mail: trt0013@mail.ru

Рутковский А.Л. - доктор технических наук, профессор, СКГМИ (ГТУ), г. Владикавказ, РСО-А,

Пустобриков В.Н. - доктор технических наук, профессор, СКГМИ (ГТУ), г. Владикавказ, РСО-А._______________________________________________________________________________

--------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДУНАЕВ Андрей Владимирович Г еолого-структурная оценка карбона-титовых месторождений для прогнозирования в процессе их эксплуатации деформаций нерабочих уступов карьеров 25.00.16 к.т.н.

БЕЛЯК Валерий Леонидович Повышение эффективности систем подземного электроснабжения высокопроизводительных угольных шахт 05.09.03 к.т.н.

в связи с технологическим и энергомеханическим перевооружением отрасли_______________________________