Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В процессе интеграции инженерных школ и общности решаемых геотехнических задач на территории разных стран возникает вопрос о правильности применения тех или иных характеристик грунтов, используемых в геотехнических расчетах, определяемых по различным методикам, а также о трактовке полученных результатов.

Основой для описания и классификации грунтов как в отечественных, так и в зарубежных нормах являются физические характеристики, которые в силу дисперсности грунтов и исторических геотехнических традиций могут по-разному трактоваться в различных странах.

Поскольку дисперсность грунта оказывает значительное влияние на его пластичность, то по показателю пластичности I_Р с определенной достоверностью можно характеризовать литологические разности глинистых грунтов. Это допущение и лежит в основе российской классификации. К супесям относятся грунты с I_Р от 1 до 7 включительно, к суглинкам - от 7 до 17, к глинам - более 17.

В германских же стандартах существует несколько иная классификация. Согласно DIN[7] глинистый грунт подразделяют на: суглинок, глину, суглинок с песком, глину с песком, т.е. нет выделения такой разновидности глинистого грунта, как супесь. Разновидность грунта определяется по графику пластичности (рис. 6). График представляет собой прямолинейную зависимость (А-линия), выраженную функцией I_Р=0,73·(W_L-20), где W_L - в %. Значения I_Р ≤ 4% или ниже А-линии характеризуют суглинок, значения I_Р ≥ 7% и выше А-линии - глину. При этом, если значение W_L менее 35% - слабопластичный грунт, если W_L лежит пределах от 35% до 50% - среднепластичный грунт, если W_L больше 50% - сильнопластичный грунт.

Для количественной оценки состояния консистенции грунта используется показатель текучести I_L. В германских стандартах существует еще и показатель консистенции Ic, который является обратным показателю I_L и используется как основной показатель для описания состояния консистенции грунта. Классификация грунтов по показателям текучести и консистенции представлена в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Значения I_L для различных состояний консистенции глинистого грунта согласно ГОСТ[2]

Таблица 2

Значения I_L и I_c для различных состояний консистенции глинистого грунта согласно DIN[5]

В немецких нормах текучепластичное состояние представлено большим интервалом по отношению к российским стандартам, что ведет к несоответствию остальных интервалов состояний консистенции. Для определения твердого состояния согласно DIN[6] существует еще одна граница переходного состояния - граница перехода из полутвердого состояния в твердое Ws. Твердое состояние принимается, если значение I_с больше, чем значение I_с, соответствующее Ws, на графике зависимости I_с/I_L от влажности (рис. 1). Ws определяется согласно DIN[6] по формуле:

(1)

где:

V_d - объем сухого грунта, см³;

m_d - масса сухого грунта, г;

ρ_s - плотность частиц грунта, г/см³;

ρ_w - плотность воды, г/см³.

Рис. 1. Графическое представление классификации состояний глинистого грунта согласно немецким нормам

Отличие в классификации и разность методик определения характеристик консистенции могут давать и разные значения классификационных показателей, а, следовательно, и иное представление о данном грунте.

Для определения параметров консистенции и сравнения результатов был проведен ряд опытов в лаборатории института Механики грунтов Брауншвейгского технического университета по российской и германской технологиям. Характеристики консистенции определялись для двух видов глинистого грунта: суглинка текучего и глины полутвердой согласно классификации в соответствии с ГОСТ[2].

По российской технологии граница текучести была определена в соответствии с ГОСТ[1] с помощью балансирного конуса (Васильева). Верхний предел пластичности соответствует такому состоянию грунта, при котором стандартный конус за 5 с погружается под действием собственного веса на глубину 1 см.

По германской методике для определения границы текучести использовались приборы Fließgrenzegerät согласно DIN[5] и Fallkegelgerät согласно DIN[8].

Основным методом определения границы текучести в Германии является метод, описанный в DIN[5], с использованием прибора Fließgrenzegerät, но, поскольку этот метод во многом зависит от человеческого фактора, от правильности тарировки прибора и, кроме того, обладает большой трудоемкостью, в другом стандарте DIN[8] предлагается заменить его на способ определения границы текучести с помощью прибора Fallkegelgerät.

Прибор Fließgrenzegerät представляет собой блок из твердой резины, на котором установлена чаша из медно-цинкового сплава с ударным устройством. Чаша заполняется грунтом, в котором нарезается борозда. Затем ударное устройство приводится в действие, и чаша быстро поднимается и опускается. Далее фиксируется число соударений, при которых борозда закрывается не менее чем на 1 см (рис. 2).

Рис. 2. Определение границы текучести в приборе Fließgrenzegerät:

а) до испытания, б) после испытания

Таких испытаний проводится минимум 4 с постепенным высушиванием или доувлаженением грунта, после каждого опыта отбирается проба грунта массой 15-20 г для определения влажности и строится график зависимости количества ударов от влажности (рис. 3). График представляет собой прямую, по которой и определяется значение влажности на границе текучести, соответствующее 25 ударам.

Рис. 3. График зависимости количества ударов от влажности:

а, б - соответственно, для суглинка и глины согласно российской классификации по [2]

При испытаниях с использованием прибора Fallkegelgerät, так же как и при испытаниях согласно ГОСТ[1], измеряется глубина, на которую конус погрузился за 5 с под действием собственного веса. Прибор представляет собой штатив, на котором установлены опускающийся конус, штангенциркуль для измерения осадки конуса, специальная чаша для проведения испытаний (рис. 4).

Рис. 4. Определение границы текучести в приборе Fallkegelgerät:

а) до испытания, б) после испытания

Проводится не менее 4 испытаний с постепенным высушиванием или доувлажнением грунта. Строится график зависимости глубины погружения конуса от влажности, по которому и определяется граница текучести, соответствующая глубине погружения 20 мм (рис. 5).

Рис. 5. График зависимости глубины погружения конуса от влажности:

а, б - соответственно для суглинка и глины согласно российской классификации по [2]

Влажность на границе раскатывания как по ГОСТ[1], так и по DIN[5] определяется одинаково. Нижний предел пластичности соответствует такому состоянию грунта, при котором он начнет распадаться на мелкие кусочки, если раскатать его в шнур диаметром 3 мм.

Влажность грунта определялась эталонным методом как в соответствии с ГОСТ[1], так и в соответствии с DIN[3] высушиванием до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С. Существующие в германских стандартах экспресс-методы определения влажности, описанные в DIN[4], не применялись.

График пластичности представлен на рисунке 6.

Рис. 6. График пластичности:

* разновидность грунта в зависимости от I_Р согласно российской классификации в соответствии с ГОСТ[2]

ST - смесь глины с песком, SU - смесь суглинка с песком,

TL - слабопластичная глина, UL - слабопластичный суглинок,

TM - среднепластичная глина, UM - среднепластичный суглинок,

TA - сильноспластичная глина, UA - сильнопластичный суглинок;

, - значения, полученные с использованием прибора Fallkegelgerät, соответственно, для суглинка и глины согласно российской классификации по [2],

, - значения, полученные при использовании прибора Fließgrenzegerät, соответственно, для суглинка и глины согласно российской классификации по [2].

Результаты и классификация сведены в таблицы 3 и 4.

Таблица 3

Полученные результаты испытаний для суглинка текучего согласно российской классификации по [2]

Таблица 4

Результаты испытаний для глины полутвердой согласно российской классификации по [2]

Для сопоставления классификационных показателей, определяемых различными методиками и имеющих разные значения, в ГОСТ[2] приведена корреляционная зависимость между границей текучести согласно международному стандарту [8] (LL) и границей текучести по ГОСТ[1] (W_L):

LL=1,48·W_L - 8,3 (2)

В результате проведенного анализа полученных данных функция зависимость между этими же стандартами имеет несколько другой вид:

LL=1,2·W_L - 4,21 (3)

Однако аналогично полученная зависимость между DIN[5] и ГОСТ[1] очень близка к функции (2):

LL=1,47·W_L -7,45 (4)

Следует учесть, что результаты получены на ограниченном количестве экспериментальных данных. Для более точных результатов необходимы дальнейшие расширенные исследования.

Основные выводы

1. График пластичности, используемый в немецких нормах для классификации глинистого грунта, зависит от двух показателей: W_L и I_p, что дает возможность определить не только разновидность грунта, но и его способность проявлять пластичные свойства. Это способствует более точной оценке и классификации грунта. При этом отсутствует такая разновидность грунта, как супесь. Вместо этого на графике пластичности соответствующая область обозначена как смесь глины с песком либо смесь суглинка с песком.
2. Влажность на границе текучести W_L имеет различные значения в зависимости от того, согласно какому нормативному стандарту она определяется. Так, например, W_L для глины согласно российской классификации по ГОСТ[2], определенная в соответствии с ГОСТ[1], меньше на 6,5 %, чем W_L того же грунта, определенная по DIN[8], и на 16,2 % меньше, чем W_L, определенная по DIN[5]. Для суглинка согласно российской классификации по ГОСТ[2] W_L меньше на 1,7 % и на 5,6 % соответственно.
3. Существенные отличия значений W_L говорят о разной пластичности грунта I_p, а следовательно, могут характеризовать один и тот же грунт по-разному. Кроме того, отличие показателя текучести I_L и несоответствие классификации дают иное представление о состоянии грунта и, как следствие, о его характеристиках прочности и деформируемости и работе под действием нагрузок и воздействий в целом.

Рецензенты:

Миронов В.В., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ, г. Тюмень;

Чекардовский М.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой теплогазоводоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ, г. Тюмень.