Испытания грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения

В полевых условиях несущую способность и деформируемость оснований определяют по результатам испытания грунтов штампами в траншеях, шурфах и скважинах на уровне заложения фундаментов, а также по данным статического или динамического зондирования.

Испытание грунтов на глубине до 3-6 м производят в шурфах, а на большей глубине - в буровых скважинах. Для испытания в шурфах, как правило, используют железобетонные или металлические жесткие квадратные штампы с площадью подошвы от 2500 до 5000 см, а в буровых скважинах - круглые штампы с площадью подошвы не менее 600 см ².

Рисунок 1 - Виды штампов, применяемых для испытания грунтов: а - плоский штамп в шурфе или дудке; б - плоский штамп в забое буровой скважины; в - винтовой штамп ниже забоя буровой скважины; г - винтовой штампом в массиве

Испытание грунта штампом проводят для определения следующих характеристик деформируемости:

- модуля деформации грунта природной влажности Е и относительной просадочности _sl при заданном давлении р_з - при испытании по схеме "одной кривой";

- модуля деформации грунта природной влажности Е и в водонасыщенном состоянии Е_sat (после замачивания), начального просадочного давления р_sl и относительной просадочности _sl при различных давлениях - при испытании по схеме "двух кривых".

- начального просадочного давления р_sl.

Согласно п. 7.13 [3], испытания штампом следует выполнять при проектировании зданий и сооружений первого уровня ответственности, а также зданий и сооружений второго уровня ответственности, чувствительных к неравномерным осадкам в тех случаях, когда в сфере взаимодействия сооружения с геологической средой залегают неоднородные, тонкослойные, текучие глинистые, водонасыщенные песчаные, искусственные, крупнообломочные и т.п. грунты, из-за которых затруднен отбор монолитов.

Испытания штампом проводятся с целью оценки величины нормативного сопротивления грунтов всех видов, за исключением вечномерзлых, просадочных, набухающих и связных с показателем консистенции J_L не менее 0,5, в основаниях фундаментов мелкого и глубокого заложения.

При испытаниях грунтов штампом и оценке получаемых результатов необходимо учитывать следующее:

- полученные при этих испытаниях данные правильно характеризуют величины несущей способности и осадки основания из слоя однородного грунта, расположенного под штампом на глубину активной сжимаемой толщи, равной примерно удвоенной ширине подошвы штампа;

- использование результатов штамповых испытаний для определения несущей способности и осадок оснований фундаментов приводит к погрешностям тем большим, чем выше степень неоднородности механических свойств грунтов, расположенных по глубине активной толщи основания фундамента;

- в процессе подготовки и проведения испытаний должно обеспечиваться сохранение природного сложения грунтов под штампом, т.е. не допускаться его разуплотнения, изменение естественной влажности вследствие замачивания, высушивания или промерзания;

- должно обеспечиваться плотное прилегание штампа к поверхности грунта;

- подошва штампа должна располагаться на отметке заложения фундамента со сплошной подошвой или низа столба и оболочки.

В соответствии с представлениями Н.М. Герсеванова (1930 г.) процесс осадки, протекающий в грунте под жестким фундаментом и моделируемый с помощью нагрузок на штамп, характеризуется несколькими стадиями (рисунок 2).

Рисунок 2 - Стадии осадки грунтового основания

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). Прямолинейный участок графика S= f (Р) используют для вычисления модуля деформации E по формуле:

, (1.1)

где м - коэффициент Пуассона, принимаемый для скальных пород равным 0,15; для полускальных пород - 0,25; для крупнообломочных грунтов - 0,27; для песков и супесей - 0,30; для суглинков - 0,35; для глин - 0,42;

w - безразмерный коэффициент, зависящий от формы и жесткости штампа (для жесткого штампа круглой формы - w = 0,79);

d - диаметр штампа;

ДР - приращение среднего давления по подошве штампа в пределах интересующих нас изменений давления на участке приблизительно линейной зависимости между S и P;

ДS - приращение осадки штампа при изменении давления на ДР.

Поскольку модуль деформации является показателем cжимаемоcти грунтов, поведение которых описывается теорией линейно-деформируемых тел, определять величину Е можно только для начального прямолинейного участка S= f(Р).

Модуль деформации, являющийся при принятых ограничениях величиной постоянной для грунта данного состава и состояния, служит для вычисления осадок сооружений. Его принимают за эталон при оценке модуля деформации, полученного по данным зондирования и прессиометрических испытаний.

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.

Первая и вторая стадии практически не различаются, а прочность и устойчивость оснований не нарушаются даже при возникновении локальных сдвигов. деформируемость испытание штамп оборудование

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.

Н.А. Цытович, в отличие от своего коллеги, считал, что существует всего две стадии процесса осадки грунта и что никакого четкого разделения между ними нет. Он также утверждал, что прочность оснований не нарушается даже при наличии множественных локальных сдвигов [10]. Однако с тех пор, как было сделано это заявление, оборудование для геологических исследований усовершенствовалось настолько, что способно фиксировать даже малейшие изменения в структуре грунта.

Л.Н. Воробков и Ю.Г. Трофименко предполагают, что если основание состоит из нескальных грунтов, то его несущая способность должна рассчитываться исходя из того, что в нем будут образовываться поверхности скольжения. При этом допускается, что эти поверхности могут охватить всю подошву фундамента сооружения.

Испытания грунтов штампами дают наиболее достоверные значения модуля общей деформации. Однако продолжительность испытаний и их стоимость весьма велики. По графику осадка-нагрузка можно также ориентировочно определить предельную несущую способность грунтового основания, соответствующую резкому перелому на графике. Однако при этом необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что подошва натурного фундамента, как правило, в несколько раз превышает площадь штампа. Поскольку объем грунта, находящийся в пределах областей сдвигов, зависит от размеров площади опирания, опыты со штампами дают преуменьшенные значения характерных давлений по сравнению с действительными.

2. Оборудование и приборы

Основным оборудованием для испытания грунтов статическими нагрузками являются штамп, установка для нагружения и измерительная аппаратура.

Рисунок 3 - Схема установки для испытания грунта в шурфе: 1 - упорная балка; 2 - гидравлический домкрат; 3 - стойка; 4 - штамп; 5 - анкерная свая

Рисунок 4 - Схема установки для испытания грунта в буровой скважине: 1 - штамп; 2 - обсадная труба; 3 - штанга; 4 - платформа; 5 - грузы; 6 - тяги; 7 - хомут; 8 - направляющие брусья

Конструкция установки должна обеспечивать:

- возможность нагружения штампа ступенями давления по 0,01-0,1МПа;

- центрированную передачу нагрузки на штамп;

- постоянство давления на каждой ступени нагружения.

При испытаниях грунтов в скважинах штамп устанавливают в закрепленную обсадными трубами скважину диаметром 325мм. Нагрузка на штамп передается через штанги, выходящие на поверхность.

Накопленный к настоящему времени опыт исследований грунтов статическими нагрузками свидетельствует о значительном влиянии размеров штампа на деформацию изучаемых пород. Впервые такие опыты осуществил Пресс (1930 г.) на сухих мелкозернистых песках и влажных песчаных глинах с помощью квадратных штампов разной площади. Он показал, что для песков осадка не зависит от площади штампа с размерами от 18х 18см до 30х 30см, а при уменьшении или увеличении площади штампа осадка возрастает при одинаковых удельных давлениях, передаваемых на штамп. Для глин размеры такого штампа оказались значительно меньше 30x30 cм.

Аналогичная картина была получена институтом "Фундаментпроект" для влажных пылеватых суглинков Тайшета (Иркутская обл.), но минимальная осадка была зарегистрирована у штампа площадью 1200см ².

Наиболее достоверные данные могут быть получены при испытаниях опытных фундаментов с площадями, равными площадями проектируемых фундаментов, но такие испытания проводятся в исключительных случаях вследствие их высокой стоимости. Поэтому при массовых исследованиях грунтов применяются штампы со значительно меньшими, по сравнению с проектными, размерами.

В России стандартными для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях и других горных выработках считаются жесткие, круглые, плоские (толщиной 12-15мм) и глухие штампы площадью 2500, 5000, 10000см ², а также штампы площадью 1000см ² с жестким кольцом, дополняющим площадь штампа до 5000см ², а для испытаний в скважинах применяют круглые штампы площадью 600см ² (диаметр 27,7см).

В зависимости от типа и состояния грунтов рекомендуют использовать для испытания штампы размеров, определяемых по таблице 1 [1].

Таблица 1

Грунты	Положение штампа относительно уровня подземных вод	Глубина испытания, м	Место проведения испытания	Штамп
				Тип	Площадь, см 2
Крупнообломочные Пески плотные и средней плотности Глины и суглинки с IL 0,25; супеси с IL 0	На уровне подземных вод и выше	По всей толще	В котловане, шурфе, дудке	I I II	5000 2500 1000
Пески рыхлые; глины и суглинки с IL > 0,25; супеси с IL > 0 Органо-минеральные и органические	На уровне подземных вод и выше	По всей толще	В котловане, шурфе, дудке	I II	5000 1000
Просадочные при испытаниях с замачиванием	Выше уровня подземных вод	По всей толще	В котловане, шурфе, дудке	I	5000
Крупнообломочные Пески плотные Глины и суглинки с IL 0,5; супеси с IL 0	На уровне подземных вод и выше	Ниже 6	В забое скважины	III	600
Пески Глинистые при любых значениях показателя текучести Органо-минеральные и органические	На уровне подземных вод и выше	Ниже 6	В забое скважины	IV	600
	Ниже уровня подземных вод	По всей толще	Ниже забоя скважины	IV	600
Глины и суглинки с IL > 0,5; супеси с IL > 1 Органо-минеральные и органические	Выше и ниже уровня подземных вод	До 10	В массиве без бурения скважины	IV	600

Передача усилий на штамп в установках для испытания грунтов осуществляется, при помощи гидравлических домкратов, пневматических камер, тарированным грузом через платформу, установленную непосредственно на штампе либо через систему рычагов.

Для упора гидравлических или пневматических домкратов применяются устройства, смонтированные на винтовых анкерных сваях (рисунок 5), а также с упором в грузовую платформу или в стенки шурфа.

Рисунок 5 - Схема установки для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах: 1 - штамп; 2 - обсадная труба; 3 - упорная балка; 4 - анкерные сваи; 5 - шток домкрата; 6 - маслонасос

Установки для нагружения штампа с упором в стенки шурфа (рисунок 6) рассчитаны на применение их при испытаниях в шурфах на глубине 3-5м штампом площадью 5000см ² до предельного давления на грунт 0,5МПа (5кгс/см ²).

Установка для нагружения штампа с упором в стенки шурфа более сложна в монтаже и оборудовании, чем установка с винтовыми сваями, но ее применение в меньшей степени зависит от свойств слагающих верхнюю часть разреза грунтов.

Установка с упором в грузовую платформу громоздка и трудоемка в монтаже, но простота в техническом исполнении. Испытания такого типа могут быть проведены на строительной площадке.

Рисунок 6 - 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

Установки с нагружаемой платформой, передающей осевое усилие на штамп, для испытаний грунтов в шурфах не применяются, так как требуют монтажа громоздкой платформы и наличия удобно укладываемого тарированного груза, но они применяются при испытаниях пород штампами 600см ² в скважинах, требующих меньшего веса нагружающего устройства для создания удельного давления.

Более широко используются, особенно для испытаний пород в скважинах, канатно-рычажные установки Урал ТИЗИС: КРУ-600, КРУ-25ОО и КРУ-5000 для штампов площадью 600, 2500 и 5000см ² соответственно.

Таблица 2 - Техническая характеристика установки КРУ-600

Максимальное усилие на штамп, Н	5•104
Соотношение плеч рычажной установки	1:30
Площадь штампа, см 2	600
Размеры установки, м: высота длина ширина	1,2 0,4 3-4
Масса, кг: груза установки без груза и анкеров общая	170 90 474

В дополнение к изложенному, приведем техническую характеристику устройства для определения деформационных свойств грунтов УДПШ-60, разработанного и выпускаемого УралТИСИЗ, в котором в качестве нагружающего механизма на штамп 600см ² применяется пневмокамера.

Таблица 3 - Техническая характеристика УДПШ-60

Диаметр скважины, мм	350
Наименьшая удельная нагрузка на грунт, МПа	0,01-0,025
Наибольшая удельная нагрузка на грунт, МПа	0,6
Ход штока пневмоцилиндра, мм	50
Площадь штампа, см 2	600
Система создания давления	Пневматическая
Система замера замера деформаций	Механическая
Точность прогибомеров, мм	0,1
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	1500 435 1000
Масса, кг	140

Для измерения осадок применяются механические приборы. Наиболее удобными и широко распространенными являются прогибомеры типа ПМ-3 (рисунок 7) или 6ПАО-ЛИСИ (рисунок 8). Осадка штампа измеряется не менее чем двумя прогибомерами, проволоки от которых закрепляют на штампе симметрично относительно центра.

Точность измерения осадок, регламентированная [1], составляет 0,1 мм, что соответствует точности измерений прогибомерами. В практике испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп приходится измерять осадки с большей точностью, например, при изысканиях под уникальные сооружения или при испытаниях очень плотных и скальных грунтов. В этих случаях используется индикаторы часового типа ИС и ИП с точностью измерения деформаций 0,01 мм.

Рисунок 7 - Прогибомер Н.Н. Максимова ПМ-3: а - вид спереди; б - разрез; в - кинематическая схема; 1 - шкив; 2 - диск; 3 - барабанчик; 4 - струбцина; 5 - стержень

Рисунок 8 - Прогибомер Н.Н. Аистова 6ПАО: 1 - корпус; 2 - стрелка, отмечающая прогиб в 1см; 3 - стрелка, отмечающая прогиб в 1мм; 4 - стрелка, отмечающая прогиб в 0,01мм; 5 - ролик; 6 - проволока; 7 - груз

Недостаток этих приборов заключается в том, что они не приспособлены к работе в полевых условиях, быстро выходят из строя и требуют дополнительных устройств при измерении осадок более 10 мм.

Любые измерительные устройства, применяемые в процессе испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп, устанавливают по окончании монтажа оборудования.

Прогибомеры для измерения осадки штампа должны быть закреплены на реперной системе. Штамп соединяют с прогибомером нитью из стальной проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Измерительная система должна обеспечивать измерение осадок с погрешностью не более 0,1 мм.

Необходимо учитывать деформацию проволоки от температурных воздействий и вводить поправку в показания прогибомеров. Поправку определяют по показаниям контрольного прогибомера. Осадку штампа следует определять как среднеарифметическое значение показаний трех прогибомеров, фиксирующих осадку штампа в трех точках, расположенных под углом 120 от центра штампа.

При испытании грунтов в скважинах и измерении осадок штампа по перемещениям верха колонны труб, служащих для передачи нагрузки на штамп, учитывают деформацию сжатия труб от нагрузки и предусматривают мероприятия, исключающие их продольный изгиб.

Реперная система, на которой крепят прогибомеры, должна состоять из четырех свай, забиваемых или завинчиваемых попарно в грунт с противоположных сторон выработки на расстоянии 1,0-1,5м от краев, и прикрепляемых к ним параллельно металлических ригелей, на которых устанавливают прогибомеры. Глубина погружения свай в грунт должна обеспечивать неподвижность реперной системы в процессе испытания.

3. Проведение испытаний

3.1 Подготовка к испытанию

При испытаниях в котлованах, шурфах и дудках штамп с плоской подошвой устанавливают на дно выработки. Для достижения плотного контакта подошвы штампа с грунтом необходимо произвести не менее двух поворотов штампа вокруг его вертикальной оси, меняя направление поворота. После установки штампа проверяют горизонтальность его положения.

В глинистых грунтах с I_L>0,75 штамп следует устанавливать в выемку, устраиваемую на дне выработки. Глубина выемки составляет 40-60см, поперечный размер выемки не должен превышать диаметр штампа более чем на 10см. Стенки выемки при необходимости следует закрепить.

Поверхность грунта в пределах площади установки штампа должна быть тщательно спланирована. При затруднении в планировке грунта следует устраивать подушку из маловлажного песка мелкого или средней крупности толщиной 1-2 см для глинистых и не более 5 см - для крупнообломочных грунтов. При испытаниях штампами площадью 5000 см² просадочных грунтов с замачиванием толщина подушки должна составлять 2-3 см для обеспечения дренирования воды в грунт. Подушку следует укладывать по всей площади установки штампа и вокруг него на расстоянии не менее 10см.

При испытаниях в скважинах штампом типа III площадью 600 см² установку штампа производят после зачистки забоя скважины специальным буровым наконечником-зачистителем в несколько приемов с его извлечением на поверхность после каждой зачистки. Обычно с помощью зачисток выбирают защитный слой мощностью, 0,1-0,2 м до отметки испытания.

Бурение скважин следует вести вертикально с обсадкой трубами до отметки испытаний. При бурении скважин для испытания грунтов ниже уровня грунтовых вод не допускается понижение уровня вод в скважине.

Штамп, прикрепленный к колонне труб диаметром 219 мм, имеющей направляющие хомуты, опускают в скважину и добиваются плотного контакта штампа с грунтом не менее чем двумя поворотами колонны труб вокруг оси. Штамп должен быть установлен ниже обсадной трубы на глубину 2-3 см.

Погружение винтового штампа производят завинчиванием механически или вручную ниже забоя скважины или с поверхности в массив грунта без бурения скважины. При испытаниях в скважинах глубина завинчивания винтового штампа ниже забоя скважины должна составлять 50см - для глинистых грунтов текучепластичной и текучей консистенции и насыщенных водой песков и 30 см - для остальных грунтов. Допускается увеличивать указанную глубину в случаях, когда при измерениях осевой нагрузки на штамп исключается влияние трения грунта по боковой поверхности ствола.

В процессе завинчивания винтового штампа должен проводиться контроль за его погружением по отношению глубины погружения штампа за один оборот h к шагу винтовой лопасти а. Это отношение должно находиться в пределах:

(1.2)

Вслед зa установкой штампа и проверкой его горизонтальности, монтируются нагружающие, воспринимающие реактивные усилия и реперные устройства, закрепляется измерительная аппаратура.

Контрольный прогибомер устанавливают на реперной системе, его нить закрепляют к неподвижному реперу, устраиваемому в стене выработки; длина нити должна быть равна длине нити прогибомера, измеряющего осадку штампа.

После монтажа всех устройств и измерительной системы записывают начальные показания приборов.

3.2 Проведение испытания

Положение пунктов проведения испытаний зависит от глубины заложения фундаментов проектируемого сооружения, ориентировки и конфигурации фундамента, распределения нагрузок, степени однородности разреза пород, залегающих в основании сооружения. В плане точки проведения опытов желательно располагать непосредственно на оси фундамента либо на расстоянии не далее 3м от ранее пройденных разведочных выработок. При сложном геологическом строении выработка проходится непосредственно вблизи пункта испытания, при этом ее глубина должна на 2м превышать глубину установки штампа. Обычно выбор оборудования определяется положением уровня грунтовых вод. Если отметка проведения испытания находится выше уровня грунтовых вод, испытания проводятся в шурфах, если ниже, то для опытов целесообразно использовать скважины. Желательно, чтобы до проходки шурфа хотя бы в трех его углах было проведено статическое или динамическое зондирование с целью установления однородности механических свойств грунтов в выбранном пункте.

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. При неоднородном основании, сложенном несколькими слоями, состоящими из грунтов с различными свойствами, испытывают все встреченные слои. Расстояние между точками опробования по вертикали в одной выработке должно быть вдвое больше диаметра штампа, но не менее 0,6 м.

Минимальное число частных испытаний для определения значения модуля деформации, в соответствии с [4] - три. Однако допускается ограничиться двумя испытаниями, если значения модуля деформации, полученные в них, не отличаются более чем на 25 %. При наличии в разрезе пород слоев мощностью меньше 0,6 м или чередовании тонких слоев, получают только осредненные значения модуля деформации для комплекса слоев.

В соответствии с [1], минимальные размеры горных и буровых выработок ограничены следующими значениями: шурфы - 1,5х1,5м; дудки - диаметр 0,9 м; скважины - диаметр 325 мм.

Нагрузку на штамп следует увеличивать ступенями давлений Р, указанными в таблицах 4…6.

Удельное давление штампе на грунт (Р) определяют по формуле:

, (1.3)

где P_М - давление на манометре, МПа (кгс/см ²);

F_П - площадь поршня домкрата, см ²;

F_ШТ - площадь штампа, см ².

Общее число ступеней давления после достижения давления, соответствующего вертикальному нормальному напряжению от собственного веса грунта на отметке испытания, должно быть не менее четырех.

В первую ступень давления следует включить вес деталей установки, влияющих на нагрузку штампа.

При применении штампа типа II, кольцевая пригрузка должна соответствовать напряжению на отметке испытания.

Время выдержки каждой последующей ступени давления должно быть не менее времени выдержки предыдущей.

Таблица 4

Грунты	Коэффициент водонасыщения	Ступени давления Р, МПа, при плотности сложения грунтов	Время условной стабилизации деформации t, ч
		Плотные	Средней плотности	Рыхлые
Крупнообломочные	Sr 1,0	0,1	0,1	0,1	0,5
Пески крупные	Sr 1,0	0,1	0,05	0,025	0,5
Пески средней крупности	Sr 0,5 0,5 < Sr < 1,0	0,1 0,1	0,05 0,05	0,025 0,025	0,5 1,0
Пески мелкие и пылеватые	Sr 0,5 0,5 < Sr 1,0	0,05 0,05	0,025 0,025	0,01 0,01	1,0 2,0

Таблица 5

Грунты	Ступени давления Р, МПа, при коэффициенте пористости	Время условной стабилизации деформации t, ч
	е 0,5	0,5 < е 0,8	0,8 < е 1,1	е > 1,1*
Глинистые с показателем текучести: IL 0,25	0,1	0,1	0,05	0,05	1
0,25 < IL 0,75 0,75 < IL 1 IL >1	0,1 0,05 0,05	0,05 0,025 0,025	0,05 0,025 0,01	0,025 0,01 0,01	2 2 3
*При коэффициенте пористости е > 1,1 время условной стабилизации увеличивается на 1 ч.

Таблица 6

Грунты	Ступени давления р, МПа	Время условной стабилизации деформации t, ч
Просадочные природной влажности Просадочные после замачивания Органо-минеральные и органические	0,05 0,025 0,005-0,01	1 2 4

Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации грунта (осадки штампа). За критерий условной стабилизации деформации принимают скорость осадки штампа, не превышающую 0,1мм за время t, указанное в таблицах 4…6.

Отсчеты по прогибомерам на каждой ступени нагружения производят:

- при испытании крупнообломочных грунтов и песков через каждые десять минут в течение первого получаса, пятнадцать минут в течение второго получаса и далее через тридцать минут до условной стабилизации деформации грунта;

- при испытании глинистых грунтов через каждые пятнадцать минут в течение первого часа, тридцать минут в течение второго часа, далее через час до условной стабилизации деформации грунта.

Испытания просадочных грунтов с замачиванием следует проводить по схеме "двух кривых" или "одной кривой". Выбор схемы испытаний должен быть произведен в зависимости от комплекса характеристик, необходимых для проектирования.

Испытания по схеме "двух кривых" следует выполнять при необходимости определения полного комплекса характеристик грунта, по схеме "одной кривой" - в случаях, когда достаточно определить модуль деформации грунта природной влажности и относительную просадочность при одном заданном давлении.

При испытаниях по схеме "одной кривой" нагрузку на штамп увеличивают ступенями до заданного давления Р_з, принимаемого в интервале 0,2-0,4 МПа.

Давление Р_з должно быть установлено с учетом предполагаемого фактического давления на грунт в основании фундамента, равного сумме давлений от нагрузки фундамента и собственного веса грунта в насыщенном водой состоянии на отметке испытания.

После достижения условной стабилизации осадки на последней ступени, соответствующей давлению Р_з, грунт в основании штампа следует замочить и продолжать замачивание с измерениями просадки грунта до ее условной стабилизации.

Испытания по схеме "двух кривых" следует проводить на одной глубине в двух шурфах, расположенных на расстоянии 5-6м. В одном шурфе испытания необходимо выполнять в соответствии с вышеизложенными требованиями, в другом - замочить грунт после монтажа установки до приложения нагрузки, а затем нагружать штамп ступенями до давления Р_з продолжая замачивание грунта.

Замачивание просадочных грунтов в основании штампа в котлованах, шурфах и дудках следует производить рассредоточенной струей во избежание размыва грунта, поддерживая уровень воды на 5-10см выше поверхности песчаной подушки и измеряя расход воды.

По окончании испытаний выработку следует углубить ниже отметки испытания на глубину не менее двух диаметров штампа для контроля однородности испытываемого грунта.

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

Испытания при необходимости могут выполняться до критического или предельного давления. За критическое принимают такое давление, при котором наблюдается значительное увеличение осадки (по сравнению с осадкой за предыдущую ступень нагрузки) при небольшом увеличении нагрузки или осадка, не затухающая в течение длительного времени и протекающая равномерно, появление "валиков выпирания" вокруг штампа или трещин.

4. Обработка результатов

По результатам испытания грунтов статическими нагрузками оценивают их сжимаемость, количественной характеристикой которой служит модуль деформации Е. Для вычисления модуля деформации строят график зависимости осадки от давления, откладывая по оси абсцисс значения Р (в масштабе 1см - 0,025 МПа) и по оси ординат соответствующие им условно стабилизированные значения S (в масштабе 1 см - 1 мм осадки). Через нанесенные на график четыре опытные точки каждой ступени нагрузки необходимо провести осредненную прямую методом наименьших квадратов.

За начальные значения Р ₀ и S₀ (первая точка, включаемая в осреднение) следует принимать давление, равное природному давлению Р_б и соответствующую осадку; за конечные значения Р_П и S_{П -} значения Р_i и S_i, соответствующие четвертой точке графика на прямолинейном участке.

Если при давлении Р_i приращение осадки будет вдвое больше, чем для предыдущей ступени давления Р_i-1, а при следующей ступени давления Р_i+1 приращение осадки будет равно или больше приращения осадки при Р_i, то зa конечное значение Р_n и S_n следует принимать Р_i-1 и S_i-1. При этом число включаемых в осреднение точек должно быть не менее трех. В противном случае при испытании грунта необходимо применять меньшие по величине ступени давления. Для построения осредняющей прямой допускается использование графических методов.

Модуль деформации грунта E следует вычислять для прямолинейного участка графика S =f(Р) по формуле:

, (1.4)

где - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;

К_p - коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D (h - глубина расположения штампа относительно поверхности грунта, см; D - диаметр штампа, см);

К₁ - коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;

P - приращение давления на штамп, МПа, равное p_n-p₀;

S - приращение осадки штампа, соответствующее р, см, определяемое по осредняющей прямой.

Коэффициент К_p принимают равным 1 при испытаниях грунтов штампами в котлованах, шурфах и дудках. При испытаниях грунтов винтовым штампом в буровых скважинах ниже забоя и в массиве без бурения скважин коэффициент К_p принимают в зависимости от отношения h/D по таблице 7, где h - глубина расположения штампа относительно поверхности грунта, см.

При испытаниях грунта штампом типа III в забое буровых скважин, допускается принимать коэффициент К_р равным 1 независимо от h/D.

Таблица 7 - Значения коэффициента К_р

h/D	0	1	2	3	4	5
Kp	1	0,90	0,82	0,77	0,73	0,70

Результаты определения модуля деформации следует выражать с точностью: 1,0МПа при Е > 10,0МПа; 0,5МПа при Е = 2,0ч10,0МПа и 0,1МПа при E < 2,0МПа.

Получаемый по результатам испытаний график S =f(Р) часто отличается от идеализированной кривой. Ниже приведены графики, встречающиеся на практике (рисунок 9). Рассмотрим наиболее характерные.

На первых ступенях нагрузки осадки отсутствуют, и кривая графика начинается не с нуля (см. рисунок 9, кривая 1).

Рисунок 9 - 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

Отсутствие осадки на первых ступенях объясняют тем, что измерительные приборы устанавливаются после монтажа всей установки, и, таким образом, возможны осадки под действием веса установки, которые не были измерены в процессе нагружения первыми ступенями давления. Однако некоторые исследователи считают, что такое объяснение графика возможно лишь для сильносжимаемых слабых грунтов, так как установки при площади штампа 5000 см² создают давление от собственного веса редко превышающее 0,01 МПа. Они же склонны объяснять это явление свойствами самого грунта, его структурной прочностью, а также тем, что грунт находится в переуплотненном состоянии. В данном случае неизмеренная осадка (+ДS_Н) должна быть учтена при интерпретации результатов и прибавлена к общей осадке грунтов под штампом, а график должен быть параллельно перенесен вниз.

На начальных участках графика наблюдается значительный рост осадки, которая затем уменьшается (см. рисунок 9, кривая 2). Такая осадка является следствием плохой зачистки грунта под штампом либо наличием выступающих твердых включений в породе. При интерпретации графика неизмеренную осадку (-ДS_Н) следует вычесть из общей осадки грунтов под штампом, а исправленный график следует переместить вверх.

Осадки, закономерно возрастающие с увеличением нагрузки, при достижении некоторого давления начинают уменьшаться, и кривая графика становится более пологой (см. рисунок 9, кривая 3). Такой вид графика свидетельствует о наличии на небольшой глубине под штампом либо прослойки более плотного грунта в сжимаемой зоне, либо крупных включений (галек, камней, валунов). Результаты такого испытания не могут быть использованы. Грунт под штампом должен быть проверен путем углубления выработки, а испытание повторено на другом месте.

Обычно график зависимости S=f(P) совмещают с графиками зависимости осадки от времени S=f(t) при каждой ступени нагрузки Р_i = const. При необходимости график S = f(P) дополняют ветвью разгрузки.

Разгрузка штампа производится ступенями, вдвое превышающими ступень нагрузки, наблюдения за восстановлением осадки во времени производится в течение одного часа для каждой ступени разгрузки, а на последней ступени разгружения штампа - в течение 3 ч. Разгрузка позволяет изучить упругие свойства грунта.

При проведении испытаний винтовым штампом (с сохранением природного напряженного состояния грунта) за начальные значения P₀ и S₀ принимают значения P_i и S_i соответствующие первой ступени нагрузки на графике S = f(P).

Кроме определения модуля деформации по данным испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп можно оценить осадку грунта под нагрузкой, упругую деформацию грунта, характер развития деформации пород под нагрузкой во времени, критическую (разрушающую) нагрузку, дополнительную осадку (просадку) в просадочных грунтах при их увлажнении под нагрузкой.

Приведем пример обработки результатов испытаний грунта штампом.

По заданию требуется определить модуль деформации по результатам испытания грунта штампом в полевых условиях (график S = f (p), приведенный на рисунке 10).

Рисунок 10 - График испытания грунта штампом. Грунт - глина

В соответствии с [1], модуль деформации грунта Е вычисляется для прямолинейного участка графика по формуле (1.4).

В случае испытания глины стандартным штампом площадью А = 5000 см², диаметром d = 0,798 м, модуль деформации будет иметь следующее значение:

.

Размещено на Allbest.ru

...