Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве (стр. 69 )

Для уменьшения погрешностей определения плотности и влажности, вызванных деформацией окружающего зонд концентрического слоя почво-грунта при вдавливании зонда или обсадных труб, необходимо по возможности уменьшать диаметр проходки скважин.

Учет почво-грунтовых факторов [115]

К почво-грунтовым факторам относятся химический состав, гранулометрический состав, плотность (при измерении влажности), влажность (при измерении плотности), вертикальный градиент влажности или плотности, граница раздела двух слоев грунта.

Химический состав. При определении плотности дисперсных грунтов, сложенных в основном легкими элементами (zэф = 11,5¸14,4), химический состав мало влияет на показания плотномеров, имеющих стальной корпус, или при определениях в скважинах, обсаженных стальными трубами. Погрешность при толщине стальной трубы более 3 мм не превышает 1%. Наличие тяжелых элементов (железо, кальций и др.) в минералах грунтов приводит к увеличению погрешности в определении их плотности. Если калибровочная зависимость плотномеров построена для грунтов со средним содержанием тяжелых элементов, то вариацию их содержания можно не учитывать.

Заметные ошибки определения плотности могут быть получены при изучении глинистых и других грунтов, в химический состав которых входит водород. Это связано с аномальными гамма-лучевыми свойствами водорода, у которого отношение "электронной" плотности к истинной близко к 2, в то время как для большинства остальных химических элементов это отношение близко к 1. В большинстве породообразующих минералов водород входит в состав химически связанной воды и гидроксильных групп. В глинистых минералах содержание химически связанной воды изменяется от 2 до 3 массовых % для лессовых пород и до 7-10 массовых % для каолинитовых глин. Поправка на водород твердой фазы грунтов вводится в виде эквивалентного содержания химически связанной воды. Еще большим содержанием водорода характеризуется органическое вещество, для которого эквивалентная влажность составляет примерно 45%. При высоком содержании в грунтах органического вещества следует вводить поправку, соответствующую примерно 4,5 массовых % эквивалентного содержания химически связанной воды на каждые 10 массовых % гумуса [115]. Для уменьшения влияния водородосодержания на показания плотномера его калибровку следует проводить на эталонах с эквивалентной влажностью 20-30%. В этом случае погрешность определения плотности большинства грунтов не будет превышать 1%.

Влияние химического состава на показания влагомеров сильнее, чем на показания плотномеров. Кроме различий в водородосодержании породообразующих минералов существенную роль играют различия в их способности замедлять быстрые нейтроны и поглощать тепловые нейтроны. На показания влагомеров влияют такие элементы, как бор, литий, марганец, хлор, кадмий, железо и др. Содержание этих элементов оказывает различное влияние на влагомеры разных конструкций.

Следует отметить, что содержание в грунтах химически связанной воды и большинства аномальных поглотителей нейтронов связано с глинистой фракцией. Концентрация бора, лития и других редких элементов в глинах обусловлена, главным образом, явлениями сорбции и тем выше, чем дисперснее грунт. Поэтому при измерении влажности песчаных грунтов часто возможно использование одной калибровочной кривой для всех генетических и петрографических разновидностей песков. При измерениях влажности глинистых грунтов необходимо уточнять калибровочную зависимость для глин с различными минералогическим составом и содержанием органического вещества.

Гранулометрический состав почво-грунтов сказывается на показаниях плотномеров и влагомеров: при наличии пустот, образовавшихся при проходке или армировании скважин, а также при подготовке поверхности (для поверхностных измерений), при наличии крупных гранул (щебень и т. п.) в составе почво-грунта и наличии межгранулярных пустот.

Для уменьшения влияния пустот, возникающих при проходке скважин в песчано-глинистых грунтах, содержащих сравнительно крупные твердые включения, необходимо производить дополнительные замеры выше и ниже заданной глубины для оценки степени расхождения и выбраковки аномальных значений.

Межзерновые пустоты начинают сказываться при крупности гранул более 1 мм. Погрешности измерений плотности резко возрастают при крупности гранул более 50 мм. Учет крупности гранул необходим начиная с 5-10 мм [115].

Влияние влажности и плотности. При измерениях влажности грунтов влагомерами определенное влияние оказывает плотность их твердой фазы. Степень влияния различна при различной влажности: по мере увеличения влажности почво-грунта относительное влияние плотности твердой фазы на показания влагомеров уменьшается. Данные разных авторов указывают, что увеличение плотности твердой фазы на 0,1 г/см3 приводит к завышению оценки влажности на 0,5-1 объемных %, что необходимо учитывать при изучении неоднородных грунтов.

Учет влияния влажности грунтов на показания плотномеров аналогичен учету водородосодержания.

Вертикальные градиенты влажности и плотности. Градиентные погрешности возникают при измерениях в почво-грунтах с резко выраженной вертикальной неоднородностью плотности или влажности, когда вертикальные размеры квазиоднородных блоков соизмеримы с разрешающей способностью плотномеров и влагомеров, составляющей несколько дециметров (например, над зеркалом грунтовых вод, вблизи дневной поверхности, при наличии прослоев иного гранулометрического состава). В этих случаях показания плотномеров и влагомеров не являются средними для измеряемой толщи. При интерпретации данных, полученных с помощью плотномеров и особенно влагомеров в градиентных средах, следует учитывать, что наблюдаемые аномалии имеют большую, чем в действительности, протяженность и сглаженную форму.

Граница раздела двух сред. В этом случае возникают наибольшие погрешности в определении плотности и влажности грунта, особенно при частом переслаивании маломощных пропластков с резко различающимися показателями плотности и влажности. Точный учет всех возникающих погрешностей невозможен из-за недостаточно разработанной теории процессов распространения нейтронов и гамма-квантов в таких средах. Результаты экспериментальных исследований показывают следующее [115]:

- при измерениях вблизи самих плоскостей раздела могут наблюдаться небольшие скачкообразные изменения скоростей счета (альбедо-эффект) в направлении, обратном тому, которое ожидается в связи с изменением плотности или влажности;

- тонкие слои (менее 10 см) с различием показателей влажности в 2-3 раза и плотности в 1,5 раза практически не выделяются по показаниям выпускаемых промышленностью влагомеров и плотномеров;

- в слоях 10-50 см наблюдаемые значения плотности и влажности отклоняются от истинных в сторону значений, характерных для вмещающей среды;

- в простых случаях (одна граница раздела, слои мощностью более 50 см) измерения через небольшие равные интервалы (5-10 см) позволяют провести качественную и количественную интерпретацию. Используя приемы, описанные в [115], в этом случае по функции показаний плотномера или влагомера по глубине, можно получить функцию истинных значений плотности и влажности почво-грунта.

Следует отметить, что в естественных условиях границы между слоями различной плотности (влажности) часто размыты, поэтому найденные границы пластов, мощности их в некоторой степени условны. Для более точного, надежного решения необходимо использовать дополнительную информацию о литологии исследуемого разреза или данные гамма-каротажа, обладающего большей детальностью.

Приложение 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ Id

Коэффициент относительной плотности Id определяется при известных значениях коэффициентов пористости грунта рыхлого сложения emax, плотного сложения emin и коэффициента пористости изучаемого грунта ex по формуле:

Id = (emax - ex) / (emax - emin). (1)

Значения emax, emin и ex, согласно формуле (159), можно представить в следующем виде:

, (2)

; (3)

, (4)

где e0,max, e0,min и e0,x - приведенные значения коэффициентов пористости анализируемого грунта; K60,10 - коэффициент разнозернистости анализируемого грунта; ex - коэффициент пористости изучаемого грунта.

Из выражений (2), (3) и (4) можно написать следующие уравнения:

e0,max / emax = e0,min / emin = e0,x / ex; (5)

e0,max / e0,min = emax / emin; (6)

e0,x / e0,min = ex / emin; (7)

e0,x / e0,max = ex / emax. (8)

Подставляя в формулу (1) выражения (2), (3) и (4), получаем:

Id = (e0,max - e0,x) / (e0,max - e0,min). (9)

Решая выражение (9) относительно e0,x, получим:

e0,x £ e0,max - Id (e0,max - e0,min). (10)

Из выражений (2), (3) и (4) следует, что при различных значениях коэффициента разнозернистости грунта K60,10 и при одинаковой форме частиц, входящих в его состав, значения emax, emin и ex будут различными по величине, но при этом значения e0,max, e0,min и e0,x будут постоянными.

Из сказанного выше следует, что значение e0,max и e0,min можно определить только один раз по формулам при любом значении коэффициента разнозернистости укладываемого грунта. Подставляя полученные значения e0,max и e0,min в выражение (9) и задаваясь значением Id, получим расчетное приведенное значение коэффициента пористости.

В любой точке грунта, уложенного в сооружение, при различных значениях коэффициента разнозернистости K60,10, но при одинаковой форме частиц, должны соблюдаться следующие условия: