Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве (стр. 51 )

8.6.6.4. Прежде чем приступить к установке прибора, определяется плотность грунта ненарушенной структуры и его гранулометрический состав. Берется не менее трех проб. Высота исследуемого образца грунта должна быть не менее его диаметра (или полутора диаметров). Сначала устраивается круговая траншея на требуемую глубину (ширина ее должна быть достаточной для работы). Стенки траншеи с наружной стороны могут быть наклонными.

Диаметр грунтового столба должен быть на 10-15 см меньше диаметра цилиндра.

Для этого необходимо изготовить шаблон по внутреннему диаметру столба грунта, чтобы в период отрывки траншеи можно было бы постоянно вести контроль. Необходимо также следить за тем, чтобы стенки столба грунта были вертикальными. После отрывки траншеи аккуратно устанавливается металлический цилиндр таким образом, чтобы зазор между столбом грунта и внутренней стенкой цилиндра получился приблизительно везде одинаковым. Сбоку цилиндра имеется шахта, в которой монтируется пьезометрический щит. Высота щита определяется величиной максимального напора.

До начала бетонирования пространства между цилиндром и столбом грунта гнезда пьезометрических оголовков на резьбе доводятся вплотную до исследуемого грунта. То же самое необходимо проделать и с монтажным винтом (рис. 54). Хорошее сцепление бетона с исследуемым грунтом обеспечит отсутствие контактной фильтрации.

Рис. 54. Конструкция пьезометрического оголовка

1 - гнездо пьезометрического оголовка; 2 - монтажный винт; 3 - корпус цилиндра; 4 - бетон;

5 - исследуемый образец грунта; 6 - штуцер; 7 - трехходовой кран; 8 - пьезометрический оголовок.

Расстояние между пьезометрами должно быть не менее 100 мм при исследовании мелких и среднезернистых грунтов и не менее 300-500 мм при исследовании крупнозернистых галечниковых грунтов. После затвердения бетона монтируются пьезометры и постепенно круговая траншея заливается водой до отметки верха испытуемого образца грунта, т. е. образец как бы исследуется в затопленном состоянии. Отметка уровня воды в траншее должна поддерживаться постоянной в течение всего опыта.

Напорный бачок устанавливается на требуемой высоте. Из бачка производится подача воды для замачивания образца грунта. При заданном напоре с течением времени должен наступить установившийся режим фильтрации.

8.6.6.5. Во время исследований при заданном напоре необходимо проводить следующие замеры и записи: показания пьезометров, температуры воды, давления по манометру, количества подаваемой воды в напорный бачок Wn и количество сливаемой воды Ws в сливной бак за время t. Количество профильтровавшейся воды Wf за время t определяется следующим образом:

Wf = Wn - Ws, см3; (142)

фильтрационный расход будет равен:

Q = Wf / t, см3/с. (143)

В пределах цилиндра (по его высоте) фильтрационные токи взаимно параллельны, поэтому площадь исследуемого образца грунта равна площади поперечного сечения потока. Делением фильтрационного расхода на площадь поперечного сечения потока (т. е. площадь исследуемого образца грунта) определяем среднюю скорость фильтрации, т. е.

vs = Q / wg, см/с, (144)

где wg - площадь исследуемого образца грунта, которая определяется следующим образом:

wg = wc - wb, см2, (145)

wc - площадь цилиндра; wb - площадь бетона.

8.6.6.6. На основании показаний пьезометров при заданном градиенте напора определяются потери напора на всю высоту исследуемого образца грунта DhВБ-П1, а также их местные величины DhВБ-П6, DhП6-П5, DhП5-П4, DhП4-П3, DhП3-П2 и DhП2-П1. Обозначим расстояние между пьезометрами ВБ-П1 через L, а расстояния между отдельными пьезометрами через l. Расстояния между пьезометрами лучше делать одинаковыми. Можно вычислить средний Is и местные Im градиенты напора по зависимостям:

Is = DhВБ-П1 / L; (146)

Im = DhВБ-П6 / l = Dhnx-ny / l. (147)

8.6.6.7. При известных значениях средней скорости фильтрации, средних градиентов напора и местных градиентов можно определить значение среднего коэффициента фильтрации Ks и местные величины Km по формулам:

Ks = vs / Is, см/с, (148)

Km = vs / Im, см/с. (149)

Исследование продолжается до тех пор и при таких градиентах, пока не произойдет механическая суффозия. О начале суффозии можно судить по изменению величин местных градиентов и местных значений коэффициентов фильтрации.

8.6.6.8. После окончания опыта определяется (известными способами) плотность исследуемого образца грунта и его гранулометрический состав. Сравнивая гранулометрические кривые исследуемого грунта до и после опыта, можно определить, какие частицы были вымыты фильтрационным потоком.

8.6.7. Определение коэффициентов фильтрации грунтов расчетным методом

8.6.7.1. Перед тем, как определять коэффициент фильтрации грунтов в натурных условиях, рекомендуется находить его расчетным методом по формуле:

, см/с (150)

где v - коэффициент кинематической вязкости воды, см2/с; g - ускорение силы тяжести, см/с2; K60,10 - коэффициент разнозернистости; n - пористость (см. формулу 112); d17 - диаметр частиц 17%-обеспеченности, содержащихся в грунте, см.

Для определения коэффициента кинематической вязкости воды v построен график на рис. 55, где по оси абсцисс отложено значение температуры воды, а по оси ординат значение v.

Рис. 55. График зависимости коэффициента кинематической вязкости воды от температуры

8.6.7.2. По формуле (150) можно, при известном гранулометрическом составе грунта и его пористости, определить значение коэффициента фильтрации мелкозернистых, крупнозернистых, песчано-гравелистых, гравелистых, щебенистых и галечниковых грунтов (т. е. всех несвязных грунтов), а также смеси грунтов с любым значением коэффициентов разнозернистости, т. е. при K60,10 ³ 1.

По этой же формуле можно с достаточной для практических целей точностью определить коэффициент фильтрации моренных грунтов, используемых для устройства противофильтрационных элементов плотин, возводимых на Крайнем Севере.

8.6.7.3. Было собрано большое количество данных по определению коэффициентов фильтрации грунтов методами, изложенными в пп.8.6.2-8.6.6. Эти данные нанесены на график рис. 56, где по оси абсцисс отложены величины коэффициента фильтрации, а по оси ординат диаметр частиц, содержащихся в грунте 17 % (d17 мм и меньше). На этом же графике нанесено большое количество точек, полученных при определении коэффициента фильтрации грунтов лабораторными методами на установках типа Дарси. Там же нанесены значения коэффициентов фильтрации щебенистых грунтов.

Рис. 56. Экспериментальная зависимость коэффициента фильтрации от величины d17 область рыхлой смеси грунта: K60,10 > 1; область плотной смеси грунта: K60,10 > 1;

1 - коэффициент фильтрации щебенистого грунта, полученный в лабораторных условиях;

2 - грунты, коэффициент фильтрации которых получен в натурных условиях;

3 - грунты, коэффициент фильтрации которых получен в лабораторных условиях.

8.6.7.4. Как видно из графика рис. 56, все точки значений коэффициента фильтрации, определенного в натурных условиях, а также лабораторными методами, лежат в области, границы которой представлены двумя линиями. Причем эти границы в двойных логарифмических координатах имеют линейную зависимость. Точки, нанесенные на график, охватывают большой диапазон значений коэффициента разнозернистости грунтов, который колебался в пределах 1 £ K60,10 £ 1200. На графике выделены две области:

область I: рыхлые смеси грунта;

область II: плотные смеси грунта.

Следовательно, по графику рис. 56 можно достаточно точно при известном гранулометрическом составе найти по средней линии значение коэффициента фильтрации. На основании вышеизложенного следует, что для определения коэффициента фильтрации нет необходимости всегда проводить дорогостоящие натурные опыты, а находить его следует расчетным методом или по графику рис. 56. Определение коэффициента фильтрации песчано-гравелистых, гравелистых и галечниковых грунтов, а также щебенистых и всех суффозионных грунтов производить только по зависимости (150).

8.7. Определение модуля деформации (сжимаемости) грунтов непосредственно на месте их залегания

8.7.1. Величину модуля деформации всех видов крупнообломочных, песчаных и глинистых (за исключением текучих с коэффициентом пористости e ³ 1,5, а также просадочных и набухающих) грунтов рекомендуется определять по результатам полевых испытаний статическими нагрузками в шурфах или скважинах (ГОСТ 12374-77).

8.7.2. Испытаниям подвергают все основные несущие слои грунтов. Мощность испытываемого слоя не должна быть менее полутора-двух диаметров (ширины) штампа. При неоднородных напластованиях испытания производятся послойно. Для каждого слоя грунта значение модуля деформации принимается равным среднему из результатов нескольких определений.

8.7.3. Испытание грунта статическими нагрузками производят в открытых или подземных горных выработках (шурфах, котлованах, буровых скважинах, штольнях, штреках и т. п.) путем загружения штампа. Испытания в шурфах, котлованах, штольнях, штреках и т. п. выполняют для грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод; в буровых скважинах - только для песчаных и глинистых грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод на глубинах не более 15 м, при отсутствии грунтовых вод на глубинах от 6 до 15 м, считая от отметки устья скважин.

8.7.4. Для испытаний в шурфах, котлованах, штольнях, штреках и т. п. применяют жесткий круглый плоский глухой штамп площадью F: