Определение коэффициента уплотнения грунта методом режущего кольца
При приемке земляных работ определение коэффициента уплотнения грунта методом режущего кольца начинают с проверки исходных данных. Сам пробоотборник позволяет установить фактическую плотность материала в конкретной точке. Для расчета итогового показателя дополнительно нужны влажность пробы и максимальная плотность сухого грунта, полученная для того же материала лабораторным стандартным уплотнением.
Плотность и расчет коэффициента
Испытание состоит из четырех связанных операций.
| Этап | Определяемый показатель | Назначение |
| Отбор пробы кольцом известного объема | плотность при фактической влажности | показывает массу материала в единице объема |
| Высушивание части образца | влажность | позволяет исключить влияние содержащейся воды |
| Стандартное уплотнение | максимальная плотность сухого материала | создает лабораторный эталон |
| Сопоставление результатов | коэффициент уплотнения | характеризует степень достижения эталонной плотности |
В действующей редакции ГОСТ 5180-2015 с Изменением № 1 описано определение плотности режущим кольцом. Максимальную плотность сухого материала и соответствующую ей оптимальную влажность устанавливают по ГОСТ 22733-2016. Поэтому выражение «измерить коэффициент кольцом» является условным: пробоотборник дает один из исходных показателей, а итог получают после лабораторных операций и расчета.
Особое значение имеет происхождение эталонной пробы. Если изменились карьер, партия, зерновой состав или количество примесей, ранее установленная максимальная плотность может оказаться неприменимой. Сравнение с показателем для другого материала создает систематическую ошибку даже при правильном отборе кольцом.
Что показывает коэффициент уплотнения
Коэффициент характеризует отношение фактической плотности сухого материала в конструкции к максимальной сухой плотности, определенной стандартным уплотнением:
Kу = ρd / ρd max
где:
- ρd — фактическая плотность сухого грунта
- ρd max — максимальная плотность сухого грунта
Показатель применяют при приемке:
- оснований под фундаменты и промышленные полы
- обратной засыпки пазух котлованов
- засыпки траншей после прокладки коммуникаций
- насыпей и земляного полотна
- оснований площадок и дорожных конструкций
Недостаточно уплотненный слой сохраняет повышенную пористость. После приложения нагрузки или замачивания материал способен дать осадку. Возможные последствия: просадка покрытия, раскрытие трещин, повреждение коммуникаций, нарушение уклонов и деформация отмостки.
Требуемое значение принимают по проектной и рабочей документации с учетом назначения слоя.
Когда режущее кольцо подходит для испытания
Метод применим, если образец полностью заполняет внутренний объем пробоотборника и сохраняется при извлечении, подрезке и взвешивании.
| Состояние материала | Возможность отбора | Основной риск |
| глина, суглинок, супесь | обычно подходит | смятие пробы при перекосе |
| влажный песок, сохраняющий форму | возможен корректный отбор | потеря частиц при извлечении |
| сухой рыхлый песок | применение затруднено | высыпание части образца |
| переувлажненный связный материал | требуется осторожность | выдавливание из кольца |
| смесь со щебнем и гравием | часто непригодна | крупная частица мешает заглублению |
| неоднородная засыпка | нужна расширенная выборка | одна точка не отражает состояние слоя |
ГОСТ 5180-2015 предусматривает разные размеры пробоотборников для глинистых и песчаных разновидностей. Внутренний диаметр кольца для немерзлых глинистых материалов должен превышать 50 мм, для песчаных — 70 мм. Фактические диаметр и высоту измеряют заранее, после чего вычисляют внутренний объем с точностью до 0,1 см³.
У метода есть еще одно ограничение. Даже если кольцо удалось корректно заполнить, стандартное уплотнение по ГОСТ 22733-2016 не распространяется на органические и органоминеральные разновидности, а также на составы, содержащие более 30% частиц крупнее 10 мм.
Для крупнообломочного материала чаще применяют замещение объема. Из слоя извлекают пробу, а объем образовавшейся выемки определяют с помощью однородной среды с известной плотностью.
Отбор без искусственного доуплотнения
Площадку очищают от рыхлых частиц и выравнивают, не нарушая контролируемый слой. Режущее кольцо устанавливают вертикально и плавно вдавливают. В плотном материале вокруг пробоотборника постепенно подрезают грунтовый столбик, после чего насаживают кольцо без перекоса.
Последовательность работ:
- зафиксировать участок, слой и отметку отбора
- подготовить ровную площадку
- установить кольцо режущей кромкой вниз
- плавно заглублять пробоотборник
- подрезать материал вокруг стенок
- извлечь кольцо с запасом по нижней грани
- срезать излишки вровень с торцами
- закрыть обе стороны пластинками
- отобрать часть материала для определения влажности
- промаркировать и упаковать образец
ГОСТ предусматривает вдавливание кольца с последовательной подрезкой материала снаружи. Грунт, выступающий за края, удаляют ножом, после чего торцы закрывают гладкими пластинками и взвешивают пробоотборник с образцом.
Удары, раскачивание и попытка продавить крупную частицу меняют структуру пробы. Перекос способен оставить пустоту возле стенки, а потеря песка при извлечении занижает массу. Налипший снаружи материал, напротив, завышает результат.
Расчет: от массы образца до Kу
Сначала вычисляют плотность при фактической влажности:
ρ = (m1 − m0 − m2) / V
где:
- m1 — масса кольца с образцом и пластинками
- m0 — масса пустого кольца
- m2 — масса пластинок
- V — внутренний объем кольца
Затем определяют влажность:
w = (mвл − mсух) / mсух × 100 %
Плотность сухого материала рассчитывают по формуле:
ρd = ρ / (1 + 0,01w)
После этого фактическое значение делят на лабораторный максимум.
Пример:
- плотность влажного образца — 1,92 г/см³
- влажность — 12 %
- максимальная сухая плотность — 1,80 г/см³
ρd = 1,92 / 1,12 = 1,71 г/см³
Kу = 1,71 / 1,80 = 0,95
Если проект требует не менее 0,98, проверенный слой не проходит приемку. Плотность 1,92 г/см³ без пересчета может казаться высокой, однако часть массы приходится на воду. Сравнивать следует сухие значения.
Почему влажность влияет на результат уплотнения
Уплотнение происходит за счет сближения частиц и уменьшения объема воздуха в порах. Вода облегчает перемещение частиц до определенного предела. Влажность, при которой достигается наибольшая сухая плотность, называют оптимальной.
При недостатке воды связный материал сохраняет жесткие комки и плохо перераспределяется под нагрузкой. При избытке вода занимает поры, слой становится подвижным, а следы техники заплывают. Дополнительные проходы по переувлажненной поверхности часто ухудшают ее состояние.
Поэтому низкий Kу не всегда означает недостаточное количество проходов катка или виброплиты. До назначения исправительных работ проверяют:
- влажность относительно оптимального значения
- толщину отсыпанного слоя
- соответствие техники составу материала
- число и схему проходов
- однородность засыпки
- состояние нижележащего основания
По ГОСТ 22733-2016 лабораторный максимум находят серией испытаний при последовательном изменении влажности. Требуется не менее пяти определений, достаточных для построения зависимости между влажностью и плотностью сухого материала. Результат оформляют в виде графика стандартного уплотнения.
Почему контроль проводят по слоям и зонам
Одна проба характеризует небольшой объем вокруг точки отбора. Среднее значение по площадке может скрыть слабую полосу возле стены, колодца или края насыпи.
Дополнительного внимания требуют:
- места разворота уплотняющей техники
- участки возле фундаментов
- пазухи котлованов
- зоны вокруг коммуникаций
- края и откосы насыпей
- места смены поставки
- локальные переувлажненные участки
Нижний горизонт проверяют до следующей отсыпки. Если слабый слой уже перекрыт, проходы техники по верхней поверхности не гарантируют устранения дефекта на глубине.
Сравнение с другими способами контроля
| Способ | Определяемая характеристика | Подходящие условия | Ограничение |
| режущее кольцо | прямая плотность небольшой пробы | связные материалы и удерживающие форму пески | локальность результата |
| замещение объема | плотность материала из лунки | крупнообломочные и неоднородные смеси | повышенная трудоемкость |
| стандартное уплотнение | максимальная сухая плотность и оптимальная влажность | получение лабораторного эталона | не показывает состояние слоя на объекте |
| динамический плотномер | косвенный оперативный показатель | быстрое обследование большого числа точек | требуется методика сопоставления |
| штамповое испытание | деформативность основания | оценка поведения под нагрузкой | не является прямым аналогом контроля плотности |
Подробнее о лабораторном эталоне — в материале «Методы определения максимальной плотности грунта». Связанные исследования представлены в разделе испытаний грунтов.
Что можно понять по характеру отклонений
| Результаты контроля | Возможная причина | Что проверить |
| низкие значения по всей захватке | неподходящая влажность, толстый слой, мало проходов | технологию уплотнения |
| нормальные точки чередуются с низкими | неравномерная отсыпка или движение техники | карту проходов и состав засыпки |
| недобор возле конструкции | ограниченный доступ для основной машины | применение малогабаритного оборудования |
| большой разброс соседних проб | неоднородность или ошибка отбора | включения, потери материала, перекос кольца |
| изменение после новой поставки | другие свойства материала | актуальность максимальной плотности |
| Kу соответствует проекту, но основание деформируется | слабый нижний слой или другая причина | послойные данные и модуль деформации |
Что делать при значении ниже проектного
Сначала результат подтверждают повторным отбором и определяют границы проблемного участка.
Корректирующие действия выбирают по причине несоответствия:
- выполнить дополнительные проходы при подходящей влажности
- увлажнить пересушенный материал и перемешать его
- просушить или заменить переувлажненную массу
- уменьшить толщину технологического слоя
- заменить состав с органикой, мусором или крупными включениями
- восстановить слабое нижележащее основание
После исправления проводят повторное определение в согласованных точках. Первичный протокол сохраняют вместе с новыми результатами. Такая последовательность подтверждает устранение дефекта.
Какие данные нужны в протоколе
Документ должен связывать результат с конкретной точкой, слоем и партией материала. Обычно фиксируют:
• объект и конструктивный элемент
• номер слоя, отметку и глубину
• схему расположения точек
• описание материала
• номер и объем кольца
• результаты взвешивания
• фактическую влажность
• плотность сухого образца
• источник значения ρd max
• расчетный Kу
• проектный критерий
• вывод о соответствии
Для стандартного уплотнения отдельно указывают место отбора исходной пробы, ее разновидность, максимальную сухую плотность, оптимальную влажность и график испытания.
Если эталон взят из ранее оформленного протокола, должна сохраняться однозначная связь с поставкой или однородным массивом. После смены материала прежнее значение нельзя применять автоматически.
Частые вопросы
Подходит ли способ для песка?
Да, если песок удерживается внутри кольца при извлечении и торцы удается зачистить без потери частиц. Для сухого сыпучего либо крупнозернистого состава надежнее может оказаться замещение объема.
Можно ли вычислить коэффициент без максимальной плотности?
Нет. Кольцо позволяет получить фактическую характеристику точки. Степень уплотнения появляется после сравнения с максимальной сухой плотностью соответствующего материала.
Почему соседние точки дают разные результаты?
Причиной может быть неоднородная отсыпка, разная влажность, неперекрывающиеся проходы техники, изменение мощности слоя, слабое основание или крупное включение. Сначала исключают ошибку отбора, затем анализируют технологию работ.
Как часто нужно выполнять проверку?
Частоту задают проект и программа контроля. Учитывают площадь, толщину слоя, вид земляного сооружения, однородность материала и сроки закрытия участка следующими работами.
Что делать с переувлажненным слоем?
Дальнейшую отсыпку приостанавливают. После определения влажности выбирают просушивание, перемешивание с подходящим сухим материалом или замену. Простое увеличение числа проходов редко устраняет избыток воды.
Можно ли заменить кольцо динамическим прибором?
Экспресс-прибор подходит для оперативных сравнительных проверок, однако его показание является косвенным. Замена допустима при наличии утвержденной методики, калибровочной зависимости и соответствующего решения в проекте или программе контроля.
Когда результат можно считать доказательным
Определение коэффициента уплотнения грунта методом режущего кольца достоверно, если образец отобран без потерь и искусственного доуплотнения, контроль выполнен послойно, эталон остается актуальным, а критерий соответствия установлен проектом.
