1.3. Полевые методы оценки плотности и влажности грунтов в естественном залегании.

В разделе 1.2 изложены способы и методики определения физических характеристик грунтов на основе лабораторных испытаний образцов, отобранных из грунтового массива.

Отбор образцов грунта уверенно ненарушенной структуры, а также безопасная транспортировка и хранение их перед испытаниями сопряжены с большими техническими трудностями и затратами. К тому же получить, например, образцы несвязных грунтов ниже уровня грунтовых вод (УГВ), а также отобрать образцы илистых, глинистых грунтов текучей консистенции без нарушения их структуры практически невозможно. Поэтому естественно стремление к разработке эффективных полевых методов испытания грунтов непосредственно в натурном массиве (in situ) с целью получения необходимых характеристик.

В настоящее время для оценки плотности ρ и влажности w грунтов в массиве (основание, искусственная насыпь и т.п.) предлагается использовать методы радиоизотопных измерений, основанные на закономерностях взаимодействия гамма- и нейтронного излучений с электронами и ядрами атомов грунтовой среды (ГОСТ 23061-90. Грунты. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности). Рекомендуемые в ГОСТе методы распространяются на песчаные, глинистые, крупнообломочные и скальные грунты, исключая крупнообломочные валунные, а также грунты, в которых содержание фракции размером более 100 мм превышает 20%, и грунты с содержанием фосфоритов более 20%.

Метод радиоизотопного измерения плотности ρ основан на зависимости между плотностью исследуемого грунта и характеристиками ослабления и (или) рассеяния измеряемого потока энергии гамма-излучения. Величина плотности измеряется путем детектирования и регистрации плотности потока:

• рассеянного первичного гамма-излучения (метод альбедо),

• ослабленного первичного гамма-излучения (метод абсорбции),

• рассеянного и ослабленного первичного гамма-излучения (альбедно-абсорбционный метод).

На рис. 1.7, а представлена глубинная схема измерения плотности методом альбедо.

Рис. 1.7. Глубинная схема измерения плотности грунта

методом альбедо (а) и абсорбционным методом (б).

1 – измерительный преобразователь, 2 – детектор,

3 – защитный экран, 4 – радиоизотопный истолчник,

5 - измерительный прибор

В этой схеме измерительный преобразователь 1 и источник ионизирующего излучения 4, разделенные защитным экраном 3, помещаются в общую скважину по ее оси на глубину не менее 40 см. Измерение плотности грунта осуществляется в этом случае в радиусе до 25 см. В методе альбедо применяются также схемы: поверхностная – измерительный преобразователь и источник измерения помещают на поверхности грунта; поверхностно-глубинная – преобразователь и источник излучения прижимают к боковой стенке скважины.

При измерении плотности грунта абсорбционным методом применяется схема измерений с расположением источника ионизирующего излучения в одной скважине, а измерительного преобразователя – в другой. Скважины должны быть строго параллельными, а расстояние между ними должно фиксироваться с погрешностью не более ±5%. Для удовлетворения этим требованиям особенно при послойном измерении плотности грунта между скважинами источник излучения 3 и преобразователь 1, детектор 2 могут быть размещены в общей жесткой конструкции, погружаемой в грунт (рис. 1.7, б).

Метод нейтронного измерения влажности основан на зависимости между водосодержанием грунта и плотностью потока замедленных нейтронов в процессе их рассеяния на ядрах атомов водорода. Этим методом измеряется объемная влажность w_об грунта в исследуемом объеме грунта между источником нейтронов и измерительным преобразователем. В отличие от влажности w, определяемой зависимостью (1.3), под объемной влажностью понимают отношение объема воды V_в к объему образца грунта V_гр (рис. 1.6), т.е. w_об = V_в /V_гр (w_об в долях единицы). По измеренным значениям ρ и w_об используемая в практических расчетах влажность w (часто называемая весовой влажностью) находится по формуле

w = w_обּ ρ_в /(ρ - ρ_в ּw_об).

При измерениях объемной влажности w_об применяют те же схемы измерений, что и при измерениях плотности ρ. В частности, при использовании глубинной схемы измерительный преобразователь и источник нейтронов (вместо источника гамма-излучения при измерении ρ, рис. 1.7, а) помещают также в скважину по ее оси.

В качестве средств измерений плотности и влажности применяют: для измерения плотности ρ – радиоизотопные плотномеры (ППГР-1, УР-70 и др.), влажности w_об – нейтронные влагомеры (ВПГР-1, УР-70 и др.) и для одновременного измерения ρ и w_об – радиоизотопные влаго-плотномеры (МАК-80, ПИКА-14 и др.). Подробные данные о приборах при водятся в ГОСТ 23061-90 (прил. 3, 4, 5). Указанные приборы обеспечивают измерение плотности в диапазоне 0,8…2,5 г/см³ с погрешностью ~0,05 г/см³, влажности – в диапазоне 0,01…1,0 с погрешностью не более 0,04.

Подробные рекомендации по подготовке испытаний, включая градуировку приборов, по проведению измерений, обработке и представлению результатов даны в ГОСТ 23061-90.

В настоящее время для оценки состояния и характеристик грунтов оснований все шире привлекаются данные статического и динамического зондирования (см. главу 2). Привлекая результаты этих испытаний, состояние грунтов удается оценить лишь весьма приближенно: для песчаных грунтов оценка сводится к определению относительной плотности из трех возможных состояний: рыхлое, средней плотности, плотное; для глинистых устанавливается консистенция: твердая, полутвердая, тугопластичная, мягко или текучепластичная (см. раздел 1.2). При этом конкретные значения степени плотности I_D (пески) или показателя текучести I_L (глинистые грунты) не находятся.

Контрольные вопросы и задачи для самопроверки.

1. Сформулируйте современное понятие грунта. Назовите классы грунта. Чем могут служить грунты?

2. Какие компоненты (составляющие) могут входить в состав грунта?

3. Какова крупность частиц песчаной, пылеватой и глинистой фракций грунта?

4. Как определяется зерновой (гранулометрический) состав глинистых грунтов?

5. Что понимается под удельной поверхностью грунта, что она характеризует и для каких фракций грунта определяется?

6. Какие существуют виды воды и газообразных включений в грунте?

7. Какая вода, присутствующая в грунте, включается в состав скелета грунта?

8. Назовите основные физические характеристики грунта.

9. Какими способами измеряется объем образца грунта при определении его плотности, плотности частиц?

10. Существуют ли в природе грунты с влажностью более 1 (более 100%)?

11. Какие классификационные показатели используются для присвоения наименования грунту и определения его состояния?

12. Взят объем песка 1 м³ с характеристиками: плотность 1,87 т/м³, плотность частиц 2,65 т/м³, влажность 0,14. Определить массу твердых частиц и воды во взятом объеме. Чему равны пористость и коэффициент пористости данного грунта?

(Ответ: m_т =1,64 т, m_в = 0,23 т, n = 0,38, e = 0,61).

13. Для образца, отобранного методом режущего кольца объемом 59 см³, получено: масса грунта в кольце – 116,45 г, масса высушенного грунта – 102,11 г, плотность частиц грунта – 2,80 г/см³. Определить ρ, ρ_d, n, e, S_r.

(Ответ: 1,97 г/см³;1,73 г/см³; 0,38; 0,62; 0,63).

14. 1 м³ сухого песка имеет массу 1,6 т, плотность частиц песка – 2,65 т/м³. Определить массу песка при влажности 0,15, влажность и массу в состоянии полного водонасыщения.

(Ответ: при w = 0,15 – m_гр = 1,84 т; влажность водонасыщенного грунта 0,25, его масса 2,0 т).

15. Что называется относительной плотностью (индексом плотности) и к каким грунтам применяется это понятие?

16. На каких принципах основано измерение плотности и влажности грунтов в полевых условиях?

27