МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характе­ристики, которые обусловливают прочность и устойчивость грун­тов при их взаимодействии со строительными объектами.

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяются в геологиче­ских лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рент­ген, электронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свой­ства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях, т. е. непосредственно на будущих строитель­ных площадках. Методика определения физико-механических свойств выбирается в зависимости от состава и состояния грун­тов, условий их поведения в основании как при строительстве, так и в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых ре­зультатов, так как грунты и грунтовые напластования весьма из­менчивы в пространстве и во времени.

По каждой физико-механической характеристике грунтов вы­полняется несколько определений и проводится их статистиче­ский анализ. Количество определений зависит от характера грун­тов, назначения сооружения и его конструктивных особенностей. В частности, как правило, для каждого инженерно-геологическо­го элемента минимальное количество определений должно быть не менее шести и только в случаях продолжительных полевых испытаний значения механических характеристик устанавливается по данным трех испытаний.

1)>унтоведческая лаборатория.Образцы грунтов для лаборатор­ных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах, в бу­ровых скважинах, которые располагают на исследуемых строите­льных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты — это образцы фунтов с ненару­шенной структурой. Такие монолиты отбирают в скальных и связных (пылевато-глинистых) грунтах. Размеры монолитов должны быть не меньше установленных норм. Так, для определе­ния сжимаемости грунта, пробы, отбираемые в шурфах, должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. В монолитах пылевато-глинистых грунтов при этом должна быть сохранена природная влажность. Это достигается созданием на их поверхности водонепроницае­мой парафиновой или восковой (иногда битумной) оболочки. В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбирают в виде

проб определенной массы. Так, для проведения гранулометриче­ского анализа песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-меха­нические свойства грунтов. Каждая характеристика этих свойств определяется согласно своему ГОСТу, например, природная влаж­ность и плотность грунта — ГОСТ 5180—84, предел прочнос­ти—ГОСТ 17245—79, гранулометрический (зерновой) и микроаг­регатный состав — ГОСТ 12536—79 и т. д.

Лабораторные исследования на сегодня остаются основным видом определения физико-механических свойств грунтов. Ряд характеристик, например, природная влажность, плотность час­тиц грунта и некоторые другие определяются только в лаборатор­ных условиях и с достаточно высокой точностью. В то же время лабораторные исследования грунтов имеют свои недостатки:

• они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;

• результаты отдельных анализов, например определение мо­
дуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов,
что бывает связано с неправильным отбором монолитов, неправи­
льным их хранением, низкой квалификацией исполнителя анализа;

• определение свойств массива грунта по результатам анализов
небольшого количества образцов не позволяют получать верное
представление о его свойствах в целом.

Это связано с тем, что однотипные грунты, даже в пределах одного массива, все же имеют известные различия в своих свой­ствах.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях, т. е. на исследуемой строительной площадке, дает определенное преимущество перед лабораторным анализом. Это позволяет определять значения характеристик физико-механических свойств в условиях естественного залегания грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При полевых исследованиях лучше, чем по результатам лабораторных анализов, моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений.

Полевые методы исследования грунтов обеспечивают высокую точность результатов, поэтому в последние годы их используют все больше. При этом совершенствуется техническая оснащен­ность, применяются ЭВМ. Некоторые полевые методы относятся к экспресс-методам, что позволяет быстрее получать результаты изучения свойств грунтов.

Необходимо отметить, что если полевые методы дают хоро­шую возможность определять свойства в условиях естественного залегания грунтов, то они не всегда позволяют прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и

сооружений. Поэтому целесообразно разумно сочетать лаборатор­ные и полевые методы.

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 (ГОСТ 20278—85). 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 (ГОСТ 23741—79). 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 Сир получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248—78) и трехосно­го сжатия (ГОСТ 26518-85).

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 нескальньгх 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

Рис. 51. Определение сжимаемости грунтов штампами:

/ и //—шурфы; III—буровые скважины; 1 — штампы; 2— домкрат; 3— анкерные сваи; 4 — платформы с грузом; 5—штанга

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 это­
го 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 грунтов, ко­торые не содержат или мало содержат примесей щебня или галь­ки. По способу погружения наконечника различают зондирова­ние динамическое и статическое. При статическом зондировании конус в грунт залавливается плавно, а при динамическом его за­бивают молотом.

Статическое зондирование позволяет:

• расчленить толщу грунта на отдельные слои;

• определить глубину залегания скальных и крупнообломочных
грунтов;

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

• оценить качество искусственно уплотненных фунтов в насы­
пях 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.

На рис. 52 показана пенетрационно-каротажная станция.

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.

Рис. 52. Пенетрационно-каротажная станция:

/ — зонд-датчик;2 — штанга; 3 — мачта; 4 — гидроцилиндр; 5 — канал связи; 6 — передвижнаяаппаратная станция; 7— пульт управления

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 замачива-

нии. 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 грунты 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 грунтов. 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 наблюденияпри инженерно-геологических и гид­рогеологических исследованиях проводят за развитием неблаго­приятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом подземных вод и температурным режимом многолетне-мерзлых 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. 200

Глава 10

ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАССОВ ГРУНТОВ

Каждый грунт имеет свои свойства. Это находит отражение в определенных нормативах и технических условиях на строитель­ство.