Опытно-полевые исследования. 
Штамповый метод

геологический изыскание грунт буровой Штамповые исследования, или испытания грунтов статической нагрузкой — один из наиболее достоверных методов определения деформационных свойств дисперсных (песчано-глинистых) отложений. Сущность метода заключается в приложении к исследуемой толще грунтов ступенчатых статических нагрузок через жесткие штампы заданной формы и размера с последующим замером динамики осадок.

Основным преимуществом испытаний грунтов штампом является то, что испытания проводятся в горных выработках, непосредственно в природном залегании грунтов, что позволяет определить характеристики деформируемости грунтов, сохраняя природное сложение и природную влажность грунтов.

Метод позволяет очень точно определять характеристики деформируемости грунтов. Поэтому испытания штампом являются основным методом испытаний при выполнении инженерногеологических изысканий под строительство высотных зданий и подземных сооружений.

Характеристики определяются по результатам постепенного нагружения грунта вертикальной нагрузкой в забое горной выработки с помощью штампа.

Испытания штампом проводятся в соответствии с ГОСТ 20 276–99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости» .

В соответствии с представлениями Н. М. Герсеванова (1930) процесс осадки, протекающий в грунте под жестким фундаментом и моделируемый с помощью нагрузок на штамп, характеризуется несколькими стадиями (рис. 1).

Стадия уплотнения (участок 1) характеризуется деформациями сжатия скелета грунта, выражающимися в уменьшении пористости. Эту стадию характеризует прямолинейная (либо близкая к ней) зависимость S =f (P).

Стадия сдвигов (участок 2) соответствует предельному равновесию грунта. Кривая S =f (Р) приобретает криволинейный характер, что свидетельствует о возникновении местных сдвигов, развивающихся в первую очередь по краям подошвы фундамента.

Стадия разрушения (участок 3) характеризуется полным разрушением боковых стенок грунта, т. е. отвечает деформациям, сопутствующим образованию поверхностей скольжения. Конусообразный уплотненный объем грунта перемещается со штампом вниз, почти не встречая сопротивления, а боковой выпор пород из-под штампа происходит свободно. Этот процесс сопровождается резким возрастанием деформаций при незначительном увеличении нагрузок либо незатухающими деформациями при постоянном значении нагрузок.

Схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа:

1 — нагружающий гидравлический домкрат; 2 — упорная траверса; 3 — винтовые распоры упорной траверсы; 4 — вертикальные стойки; 5 — распорные гидравлические домкраты; 6 — горизонтальные распоры; 7 — штамп.

Испытаниям подвергают все основные несущие слои грунтов. Если зона уплотнения сферы взаимодействия представлена одним достаточно однородным слоем грунта, то испытания проводят на одной глубине, соответствующей отметке заложения основных фундаментов. Минимальное число частных испытаний для определения значения модуля деформации, в соответствии со СНиП 2.02.01−83, должно составлять 3.

Нагрузка на штамп передается ступенями давлений в зависимости от показателей физических свойств пород. Удельное давление штампа на грунт (Р) определяют по формуле:

.

Pндавление на манометре, МПа (кгс/см2); Fн — площадь поршня домкрата, см2; Fшт — площадь штампа, см2.

Общее число ступеней давлений Р после давления, соответствующего природному давлению на грунт на отметке испытания, должно быть не менее 4. В первую ступень давления следует включать вес деталей установки, влияющих на нагрузку штампа.

Осадку следует определять как среднее арифметическое показаний двух прогибомеров, фиксирующих осадку противоположных сторон штампа. Измерение осадок необходимо производить с точностью 0,1 мм. Отсчеты по прогибомерам на каждой ступени давления необходимо производить при испытаниях глинистых грунтов через каждые 15 мин. в течение первого часа, 30 мин — в течение второго часа и далее через 1 ч до условной стабилизации осадки.

Данные и результаты испытаний грунтов статическими нагрузками заносятся в журнал, который является основным документом производства испытаний.

По результатам испытания грунтов статическими нагрузками оценивают их сжимаемость, количественной характеристикой которой служит модуль деформации К. Для вычисления модуля деформации строят график зависимости осадки от давления, откладывая по оси абсцисс значения Р (в масштабе 1 см — 0,025 МПа) и по оси ординат соответствующие им условно стабилизированные значения S (в масштабе 1 см — 1 мм осадки).

Графики S = f (Р) :

1 — отсутствие осадки на первых ступенях, нагрузки; 2 — преувеличение осадки на первых ступенях нагрузки;3 — неравномерный прирост осадок по ступеням нагрузок.

Зондирование. При проведении инженерно-геологических исследований специалисты прибегают к методу статического зондирования грунтов, т. к. он по праву считается наиболее эффективным из всех используемых методов.

Самым быстрым, экономным был определен метод статического зондирования. Он помог специалистам решить вопрос целесообразности использования таких фундаментов, а также позволил получить наиболее полные и объективные данные для составления чертежей свайных фундаментов.

Применение метода статического зондирования сводится к непрерывному вдавливанию в почву с помощью статической нагрузки специального зонда. При проведении испытательных работ применяют различные конструкции установок. Работы методом статического зондирования производят специальной установкой, которая осуществляет непрерывное вдавливание зонда в грунт со скоростью 1,2 м/мин. Регистрируют данные о сопротивлении зонда погружению непрерывно либо с шагом менее 0,2 м.

Заканчиваются инженерные изыскания по достижении зондом заданной глубины или при достижении максимально возможного для данного типа оборудования усилия.

Динамическое зондирование выполняют с помощью установок динамического зондирования, которые подразделяются на три типа по величине динамического сопротивления грунта — Р_Д.

Динамическое зондирование выполняют последовательно забивая свободно падающим молотом зонд в грунт, одновременно ведётся замер осадок зонда после нанесения нескольких ударов. Число таких ударов (n) называемых залогом, зависит от грунта и выбирается в диапазоне 1ё20. Для рыхлых песчано-глинистых пород оно не превышает 5.

Динамическое зондирование прекращают когда достигнута заданная глубина или когда погружение зонда незначительно (меньшее 2ё3 см за десять ударов). Перерывы в зондировании допускаются только для добавления штанг. По окончании зондирования либо извлекают из грунта весь инструмент (комплект ударных штанг с зондом), либо только комплект штанг в зависимости от применяемой конструкции зонда.

В процессе зондирования необходимо контролировать вертикальное положение зонда. Наращивание штанг выполняется с помощью штангового ключа посредством поворота погруженного зонда по часовой стрелке. Усилия при повороте штанг описываются в журнале, как и другие наблюдения, и учитываются при расчётах.

Результаты динамического зондирования оформляют в виде непрерывного ступенчатого графика. На графике видны изменения значений условного динамического сопротивления РД по глубине. По результатам расчетов средних значений условного динамического сопротивления зондированию по таблицам определяют плотность сложения песков.

Для зданий и сооружений III класса согласно СНиП 2.02.01−83 допускается определять модуль деформации Е песчаных грунтов при глубине их залегания до 6 м только по данным динамического зондирования в зависимости от Р_д.

Опытно-фильтрационные работы. К основным фильтрационным параметрам относится коэффициент фильтрации.

Коэффициент фильтрации. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при напорном градиенте I= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т. е. их размер и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральной состав грунтов, степень засоленности и др. Вязкость воды, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому нередко вводится поправочный температурный коэффициент (0,7—0,03) для приведения водопроницаемости к единой температуре 10 °C.

Методы определения. Приближенная оценка коэффициента фильтрации возможна по табличным данным.

Для получения более обоснованных значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования.

Коэффициент фильтрации некоторых горных пород.

Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и так далее. Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора.

Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение (приборы Тима, Тима-Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков.

Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П₁ и П₂ помещают испытуемый грунт (рис. 52). Через него фильтруют воду под напором.

Зная диаметр цилиндра Г, напорный градиент (I = ?H/L) и измерив расход профильтровавшейся воды Q, находят коэффициент фильтрации по формуле:

Q = k_фIF; k_ф = Q/FJ = QL/F (h₁-h₂).

где h₁, и h₂ —показания пьезометров; L —расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (рис. 53), позволяющие определять k_ф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение k_ф в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок. Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов — методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Глава V. Характеристики грунтов.

• 1) Физико-механические свойства грунтов
• 2) Классификация грунтов по ГОСТу

Основные свойства грунта зависят от его вида и состава. Полнота свойств (перечень) определяется согласно СНиПу «Инженерные изыскания для строительства» и зависят от характера площадки строительства и вида проектируемого и обследуемого объекта.

К основным свойствам, определяющимся в лабораторных или полевых условиях, относятся:

• · Плотность частиц грунта
• · Природная влажность
• · Плотность грунта
• · Плотность сухого грунта
• · Пористость грунта
• · Коэффициент пористости
• · Коэффициент водонасыщения
• · Число пластичности

I. Плотность частиц грунта (плотность скелета грунта) Плотность частиц грунта — это отношение массы твердых частиц грунта к их объему.

Зависит от минерального состава частиц. [сs] = 1.

Использующийся прибор — пикнометр.

m? — масса сухого грунта.

m? — масса пикнометра с Н₂О и грунтом.

m? — масса пикнометра с Н₂О.

св — плотность воды.

II. Природная влажность грунта Природная влажность — это отношение массы воды, содержащейся в грунте к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

g — масса грунта с крышечкой до высушивания.

g? — масса грунта после высушивания.

g? — масс пустого бюкса с крышкой.

III. Плотность грунта Плотность грунта — это отношение массы грунта к его объему. Определяют с помощью парафинирования, методом режущего кольца.

IV. Плотность сухого грунта.

Плотность сухого грунта — это отношение массы грунта за вычетом массы воды к его объему.

[сd] = 1 доля.

V. Пористость грунта Пористость грунта — это отношение объема пор к общему объему грунта.

VI. Коэффициент пористости.

Коэффициент пористости (е) — это отношение объема пор к объему твердой части скелета грунта.

VII. Коэффициент водонасыщения Коэффициент водонасыщения — степень заполнения объема пор водой.

W — влажность в долях d — плотность скелета грунта.

VIII. Число пластичности.

Число пластичности (I) позволяет идентифицировать грунт к глинам, пескам или промежуточным формам.

I? 17 — глина.

Wт — влажность на границе текучести 7? I < 17 — суглинок.

Wр — влажность на границе раскатывания 1? I < 7 — супесь.

I<1 — песок.

Wр Wт.

Твердый Пластичный Жидкий К механическим свойствам грунта относятся сжимаемость и прочность, которые используются в строительстве для оценки деформации сооружения. Эти свойства определяют в лабораторных или полевых условиях.

o Сжимаемость грунтов Сжимаемость — это способность под действием внешних нагрузок не подвергаться разрушению, а уменьшаться в объеме, давать осадку за счет уменьшения объема пор.

Сжимаемость зависит от:

• · Характера структурных связей
• · Физического состояния грунтов
• · Минерального состава грунтов

В лабораторных условиях сжимаемость определяется с помощью одомера.

Сжимаемость характеризуют компрессионной кривой, которая отражает зависимость между давлением на грунт и коэффициентом пористости.

е = f (р) ,.

где р — это давление, а е — коэффициент пористости.

По компрессным испытаниям можно охарактеризовать модель общей деформации и коэффициент сжимаемости. Коэффициент сжимаемости или коэффициент компрессии (уплотнения грунта) — величина, показывающая степень сжимаемости при невозможности бокового расширения грунта.

Коэффициент компрессии определяется по данным компрессионных испытаний по формуле:

где р₁ и р₂ — исходная и последующая нагрузки.

е₁ и е₂ — коэффициенты пористости.

Если, а < 0, 001 — грунт не сжимается.

0, 001 < а < 0, 05 — слабая степень сжимается.

0, 05 < а < 0,01 — средняя степень сжимаемости.

0, 01 < а < 0,1 — повышенная степень сжимаемости.

а > 0,1 — сильная степень сжимаемости.

Модуль общей деформации представляет собой коэффициент пропорциональности между приращением давления и деформацией.

где е₀ — начальный коэффициент пористости грунта.

а — коэффициент сжимаемости грунта.

в — коэффициент, учитывающий невозможность.

бокового расширения Если в = 0,74 — песок.

в = 0, 62 — супесь.

o Прочностные характеристики грунтов Прочность грунтов — это способность грунтов сопротивляться разрушению под действием механических напряжений.

Прочностные характеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач, возникающих при оценке оснований, проектировании, строительстве и эксплуатации фундаментов сооружений. Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других — грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде одной части грунтового массива или скалистой толщи относительно другой.

Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне давления может быть описано линейной зависимости Кулона :

где, ф — предельное сдвигающее напряжение, МПа.

р — нормальное давление. МПа.

tg? — коэффициент внутреннего трения.

? — угол внутреннего трения, град.

С — сцепление, МПа.