Определение деформационных характеристик грунтов в полевых условиях. Определение модуля деформации по результатам испытания грунтов штампами.

В полевых условиях определяют все прочностные и деформационные характеристики как скальных, так и нескальных грунтов.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость эталонным следует считать метод полевых штамповых испытаний. Результаты других методов деформационных испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое зондирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.
При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке. Из-за высокой стоимости и трудоемкости этих работ их проводят только для сооружений I класса применительно к расчетам по несущей способности. К I классу относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты, объекты, требующие повышенной надежности (главные корпуса ТЭС, АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы высотой более 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т. д.). Для других случаев строительства (II и III классы сооружений) достаточно надежные показатели Си ф получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза и трехосного сжатия.

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования. Результаты этой работы при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями. Это обеспечивает достаточную достоверность результатов исследований.

Ниже приводится краткое описание полевых методов исследований, с помощью которых определяются механические характеристики грунтов, показываются примеры выявления свойств грунтов с помощью производства опытных строительных работ.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статическим зондированием.

Метод штампов. В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276—85). Штамп в шурфе — это стальная или железобетонная плита. Форма штампа находится в зависимости от фундамента, который он моделирует, и может быть различной, но чаще всего плита круглая площадью

5000 см2. Для создания под штампом заданного напряжения применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 51). Осадку штампов измеряют прогибомерами. При проходке шурфа на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Нагружение штампа производят ступенями и выдерживают определенное время. Значение нагрузки устанавливается в зависимости от вида грунта и его состояния. В итоге работы строят графики:

• зависимости осадки штампа от давления;

• осадки штампа во времени по ступеням нагрузки. После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е, МПа.

Штамп в буровой скважине. Для производства работ бурят скважину диаметром более 320 мм. Испытание грунтов проводят специальными установками, которые дают возможность работать на глубине скважины до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см2. Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации определяют по формуле.

Определение модуля деформации в массиве скального грунта проводят в опытных котлованах. Испытания ведут с помощью прибетонированных к скале бетонных штампов. Давление на штампы подается от гидравлических домкратов (до 10 МПа). Конечным результатом работы является определение модуля деформации скального грунта по соответствующей формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах с помощью разведочных скважин. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, которую опускают в скважину на заданную глубину Камеру расширяют давлением жидкости или газа. В процессе работы в стенках скважины замеряют радиальное перемещение грунта и давление. Это позволяет определять модуль деформации грунтов.

Зондирование (или пенетрация) используется для изучения толщ пород до глубины 15—20 м. Сущность метода заключается в определении сопротивления проникновению в грунт металлического наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на определенной глубине и характеризует изменение в вертикальном разрезе.

Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств фунтов и применяется в целях ускоренного получения результатов исследований. Этот метод используется при изучении песчаных, глинистых и органогенных фунтов, которые не содержат или мало содержат примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое. При статическом зондировании конус в фунт залавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое зондирование позволяет:

• расчленить толщу фунта на отдельные слои;

• определить глубину залегания скальных и крупнообломочных фунтов;

• установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых фунтов, определить модуль деформации;

• оценить качество искусственно уплотненных фунтов в насыпях и намывных образованиях;

• измерить мощность органогенных фунтов на болотах.

Динамическое зондирование дает возможность определять:

• мощность толщ современных (четвертичных) отложений;

• фаницы между слоями;

• степень уплотнения насыпных и намывных фунтов.

Прочностные испытания грунтов. Оценка сопротивления фунтов сдвигу в полевых условиях выполняется как в скальных, так и в нескальных фунтах. Сопротивление фунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений, при которых начинается их разрушение.

В скальных грунтах опыты проводят в строительных котлованах, в которых оставляют целики в виде ненарушенного фунта столбчатого вида. К целикам прикладывают горизонтальное сдвигающее усилие. При этом для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех столбчатых целиках.

Сдвиг в нескальных грунтах выполняют двумя способами: 1) на целиках; 2) с помощью вращательных срезов при кручении крыльчатки. Работа на целиках аналогична скальным грунтам. Крыльчатка представляет собой лопастной прибор и используется для определения сопротивления сдвигу в пылевато-глинистых грунтах. Крыльчатый четырехлопастной зонд опускают в забой скважины, вдавливают в грунт и поворачивают. При этом замеряют крутящий момент и рассчитывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы. При строительстве объектов I класса полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение. В ряде случаев прибегают к опытным строительным работам, т. е. к испытаниям грунтов строительными конструкциями. Приведем примеры таких работ.

Опытные сваи. В пылевато-глинистый грунт строительной площадки забивают железобетонную сваю, при этом наблюдают за характером погружения сваи и сопротивляемостью грунта. На сваю дают нагрузку и определяют ее несущую способность, как в условиях природной влажности грунта, так и при его замачивании. Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными, полученными на основе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты. Строят фундамент будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент дают нагрузку, соответствующую нагрузке от будущего здания, и ведут наблюдения за сжатием фунта основания. Так определяется реальная несущая способность грунта и осадка будущего объекта.

Опытные здания. Лессовые фунты обладают просадочными свойствами. Количественную оценку этих свойств производят по данным лабораторных исследований и полевых испытаний фунтов. Несмотря на такую комплексную оценку просадочных свойств не всегда удается правильно оценить будущую устойчивость здания. Для решения этого вопроса строят здания в натуральную величину. Лессовые основания насыщают водой, что искусственно вызывает просадочный процесс. В этот период проводят наблюдения за характером развития просадочного процесса, определяют значения просадок, оценивают состояние конструкций зданий.

Обработка результатов исследований грунтов. Оценку свойств массивов фунтов проводят на основе физико-механических характеристик, которые получают по нормативным документам, в результате лабораторных исследований отдельных образцов фунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем точкам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания фунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и установления их применимости для всего массива фунта. После такой обработки результаты исследований можно использовать в расчетах оснований. Такую работу чаще всего выполняют методом математической статистики.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят за развитием неблагоприятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом подземных вод и температурным режимом многолетнемерзлых пород. Заключаются они в выборе характерных участков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных наблюдениях за их перемещением и т. д. Наблюдения ведут в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в период их проектирования. Продолжительность работ — до 1 года и более.