СОЗДАНИЕ ГРУНТОВЫХ СМЕСЕЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ С ПОМОЩЬЮ ТРЕУГОЛЬНЫХ ДИАГРАММ Чжан Шэнжун

СОЗДАНИЕ ГРУНТОВЫХ СМЕСЕЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ С
ПОМОЩЬЮ ТРЕУГОЛЬНЫХ ДИАГРАММ
Чжан Шэнжун
Магистрант кафедры инженерной и экологической геологии геологического
факультета МГУ им. М.В Ломоносова, e-mail: cash_040608@hotmail.com
Научный руководитель: В.А.Королев
В настоящее время для улучшения свойств создаваемых искусственных
дисперсных грунтов большинство работ направлено на изучение различных факторов,
влияющих на их свойства, а также создание оптимальных смесей [1]. Однако, до сих
пор вопрос о создании песчаного или крупнообломочного грунта с заданными
физическими свойствами остается не решенным [2]. При этом, условие задачи
формулируется следующим образом: имеется ряд исходных грунтов (или
гранулометрических фракций) с известными физическими или физико-механическими
свойствами (плотностью скелета, пористостью и углом внутреннего трения и т.п.);
требуется установить, в каких пропорциях необходимо смешать данные грунты (или
фракции), чтобы из них получить смесь с требуемой (например, максимальной или
иной) плотностью?
Эта задача решена нами с помощью графического метода – использования
треугольных диаграмм, представляющих собой модифицированные диаграммы Фере
(рис.1).
Рис. 1. Треугольник Фере с нанесенным значением плотности скелета (ρd =1,90 г/cм3)
смеси при определенном соотношении анализируемых фракций
Любой точке на диаграмме Фере, отражающей гранулометрический состав грунта,
может быть присвоено и значение каких-либо параметров физических свойств смеси
при данном массовом соотношении фракций и одинаковом сложении, например,
плотном. Этот графический способ моделирования может быть весьма полезным и
эффективным для дорожного строительства, а также для различных случаев создания
грунтов оснований сооружений с заданными свойствами.
Рис. 2. Треугольные диаграммы изменения плотности скелета (ρd, г/см3) смесей,
состоящих из трех фракций: а - 1-2 мм, 0,5-1 мм, <0,1 мм; б - 1-2 мм, 0,25-0.5 мм,
0,1-0,25 мм;
Рис. 3. Треугольные диаграммы изменения нормативных значений модуля общей
деформации (Еоб, МПа) смесей, состоящих из трех фракций: а - 1-2 мм, 0,5-1 мм, <0,1
мм; б - 1-2 мм, 0,25-0.5 мм, 0,1-0,25 мм
Для исследований нами были выбраны песчаные грунты различного
гранулометрического состава, из которых были выделены фракции размером 1-2, 0,5-1,
0,25-0,5, 0,1-0,25 и <0,1 мм. Определив экспериментально значения физических свойств
смесей из этих фракций и нанеся их на диаграмму Фере в точках, соответствующих
соотношению анализируемых фракций, затем на этом же треугольнике можно
построить изолинии, отражающие области изменения показателя того или иного
физического свойства при любом количественном соотношении анализируемых
фракций (рис.2, 3).
Нами установлено, что физические свойства смесей в основном определяются
отношением диаметров составляющих фракций (dmax/dmin) и их массовым отношением.
Чем больше величина dmax/dmin, тем можно добиться большей плотности смесей. При
условии, когда весовое содержание каждой последующей фракции относится к
предыдущей примерно 3:7, получаются максимальная плотность скелета и
минимальная пористость смесей (см. рис.2).
Деформационные свойства песчаных грунтов оцениваются их модулем общей
деформации (Е). Известно, что на деформируемость песчаных грунтов сильно влияет
их плотность сложения: чем выше плотность грунта, тем ниже его деформируемость
(выше значения Е) при прочих одинаковых условиях, и наоборот.
Вышеприведенные исследования показали, что плотность песчаных смесей
зависит от соотношения и размера фракций в этих смесях, а максимальные значения
плотности могут быть получены лишь при определенном соотношении фракций.
Поэтому следует ожидать, что значения модуля общей деформации смесей также будут
зависеть от соотношения фракций в смесях.
Как было показано выше для значений плотности скелета, нормативные значения
модуля общей деформации (Еоб), оцениваемые по [3], также очевидно обусловлены
отношением диаметров фракций (dmax/dmin). Чем больше величины отношения dmax/dmin,
тем больше величины модуля общей деформации Еоб. Критическая величина
нормативных значений модуля общей деформации (Еоб) также получается при условии,
если весовое содержание каждой последующей фракции относится к предыдущей
примерно 3:7.
Прочностные свойства смеси песков оцениваются в основном их углом
внутреннего трения (φ), поскольку величина сцепления у этих грунтов пренебрежимо
мала.
Наблюдение и опыт непосредственно показывают, что чем крупнее основной
скелет смеси, тем устойчивость смеси больше. С увеличением крупности зерен
пористость может быть меньше, а коэффициент внутреннего трения больше.
Кроме того, на величину угла внутреннего трения несвязных грунтов влияет
однородность их гранулометрического состава: монодисперсные грунты обладают
большим значением φ чем полидисперсные грунты такого же минерального состава.
Это объясняется тем, что в смеси мелкие частицы заполняют промежутки между
крупными, что облегчает их смещение по поверхности откоса.
Наши исследования подтверждают эти данные (рис.4). Установлено, что чем
больше содержание в смеси крупных фракций (1-2 мм), тем больше значение угла
внутреннего трения (φ) смесей. Это обусловлено тем, что более крупные частицы, как
правило, имеют более остроугольную форму и менее окатанны. Вследствие этого
возрастает зацепление соседних частиц друг за друга. Кроме того, при плотном
сложении на прочность смеси главным образом влияет содержание крупных фракций,
хотя слишком большое количество крупных фракций проводит к некоторому
уменьшению плотности скелета смесей.
Рис. 4. Треугольные диаграммы изменения угла внутреннего трения (φ) смесей,
состоящих из трех фракций: а - 1-2 мм, 0,5-1 мм, <0,1 мм; б - 1-2 мм, 0,25-0.5 мм,
0,1-0,25 мм
Добавление мелких фракций к крупным фракциям на начальном этапе позволяет
повысить плотность скелета, но одновременно приводит к некоторому уменьшению
прочности смесей – снижению величины φ. Причем, чем меньше величина угла
внутреннего трения добавляемых частиц, тем резче меняются величины угла
внутреннего трения созданных смесей.
Из полученных данных также следует, что в отличие от всех прочих
рассмотренных параметров (ρd, Еоб, n и т.д.), для угла внутреннего трения на
треугольных диаграммах не выявляется замкнутая область с максимальными
значениями φ (см. рис. 4). Это видимо, обусловлено тем, что при добавлении более
мелких частиц меняется не только плотность смеси (от которой зависит φ), но и сам
характер трения и зацепления частиц, определяющий область критических (или
максимальных) значений φ.
Смеси, находящие в замкнутой области с минимальной пористостью, обладают
полидисперсным составом. Их поры заполняются разными фракциями. Определив
морфологическую особенность исследуемых фракций, установлено, что фракции,
имеющие меньше размеры, имеют более округлую форму. Таким образом,
остроугольные частицы окружаются более круглыми и окатанными зернами. В этом
случае, хотя пористость смесей сильно уменьшается благодаря заполнению пор, однако
с другой стороны заполнители способствуют снижению трения между частицами и
одновременно повышению способности к сдвигу. В результате этого величины угла
внутреннего трения уменьшаются по сравнению с отдельной фракцией размером 1–2
мм.
Таким образом, с помощью предложенного метода можно подбирать грунтовые
смеси с требуемыми значениями параметров физических и физико-механических
свойств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов. - М.: Научный
мир, 2005. 504 с.
2. Грунтоведение / Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А.,
Голодковская Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. // Под ред. В.Т. Трофимова — 6-е
изд., переработ. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.
3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП
2.02.01-83) / НИИОСП им. Герсеванова. - М.: Стройиздат, 1986, 415 с.