Штамповое испытание слабых грунтов для расчета здания

Штамповые испытания грунтов при проведении изысканий  

Деформационные свойства грунта — важный параметр, от точности измерения которого зависят прочностные характеристики будущего фундамента и всего сооружения в целом. Исследованию данного параметра уделяется важное значение, а потому совершенствование методов испытания и зондирования грунтов никогда не останавливается. В полевых условиях хорошо зарекомендовал себя метод штамповых испытаний. Его суть состоит в следующем: жёсткие штампы, установленные в породах, поэтапно нагружаются, а в это время приборами снимаются показатели осадки. Испытания производятся в пределах границ взаимодействия грунта с сооружением. Параметр деформационных свойств грунта вычисляется по осадку штампа на каждом отдельном этапе нагрузки. Исследуется также и характер деформации во времени.

Рекомендуемые размеры штампов

В зависимости от состояния грунта размер штампов должен варьироваться. Геологи рекомендуют пользоваться в процессе испытаний грунтов следующими размерами:

• В глинистых с консистенцией IL>0,25, рыхлых, крупнообломочных и песчаных грунтах средней плотности: штампы диаметром 79,8 см (5000 см²).
• В глинистых с консистенцией IL<0,25, а также в песчаных грунтах: штампы диаметром 56,4 см (2500 см²).

Всю информацию о штампах, их размерах, а также об их выборе в зависимости от типов грунтов мы уже привели выше. Добавим лишь, что при испытании грунтов в скважинах используются штампы самого малого диаметра, а скважина при этом должна быть закреплена обсадными трубами. Штанги, выходящие на поверхность, давят на штамп, передавая на него таким образом необходимое усилие.

Установки для нагружения штампов

Данное геологическое оборудование служит для передачи усилия на штамп. В зависимости от конфигурации установки, нагрузка может передаваться одним из нижеперечисленных методов:

• тарированным грузом через платформу;
• посредством пневматических камер;
• с помощью домкратов;
• через систему рычагов.

Для использования пневматических или гидравлических домкратов нужен хороший упор. Он организуется с помощью винтовых анкерных свай, на которые монтируются специальные удерживающие устройства. В некоторых случаях, когда есть такая возможность, упор осуществляется в стенки шурфа или в грузовую платформу.

Установка для нагружения штампов с упором в стенки шурфа

Установки, предназначенные для передачи нагрузки на штамп и оборудованные упорами в стенки шурфа, предназначены для использования со штампами площадью 5000 см² на глубине до пяти метров. Предельное давление на грунт в таких случаях может достигать 5 кг/см² (0,5 Мпа). Такая установка намного более сложна в монтаже и сама по себе имеет более сложную конструкцию, чем её аналог с винтовыми сваями. Однако такая сложность компенсируется одним весомым преимуществом: установка в значительно меньшей степени зависит от физико-механических свойств грунтов, образующих верхнюю часть разреза. Её целесообразно использовать, когда сваи винтового типа не удаётся погрузить в грунт из-за его высокой плотности. Что касается установки, для работы которой требуется упор в грузовую платформу, то она не отличается каким-либо сложным техническим исполнением. Но в то же время её монтаж достаточно сложен и требует больших трудозатрат. Как правило, испытания грунтов с применением такого геологического оборудования проходят на крупных строительных площадках, куда могут быть доставлены бетонные блоки и другие тяжёлые детали строительных конструкций, используемые в качестве упора.

Установки с нагружаемой платформой плохо подходят для испытаний грунтов в шурфах, так как требуют для эксплуатации монтажа крупной платформы (что достаточно трудоёмко), а также наличия подходящего тарированного груза. Но такое геологическое оборудование часто применяется для испытания пород в скважинах, закреплённых обсадными трубами. В таких случаях применяются штампы небольшого диаметра площадью порядка 600 см².

Измерительные приборы, определяющие осадку грунта под штампом

Геологическое оборудование, измеряющее осадку грунта под штампом, как правило, имеет механическое строение. Осадка штампа должна измеряться двумя и более прогибомерами, датчики от которых крепят на штампе симметрично по отношению друг к другу в равной удалённости от центра. За осадку штампа принимают значение, являющееся средним арифметическим показаний обоих приборов. Как вы, вероятно, уже поняли, чем больше прогибомеров будет применяться, тем более точные значения осадки штампа будут получены. Сами же прогибомеры монтируются на специальных реперных устройствах, состоящих из перекладин и свай. Применяя струбцины с роликами, измерительное геологическое оборудование можно установить на некотором удалении от шурфа. Это удобно, так как в подавляющем большинстве случаев его невозможно смонтировать непосредственно над штампом. 

Точность измерений, получаемых посредством прогибомеров, регламентируется ГOCTом 12374-77 и составляет 0,1 мм. В то же время при испытании грунтов методом приложения к ним статических нагрузок геологам нередко приходится измерять осадки ещё точнее. Такая необходимость существует, например, при исследовании грунтов, обладающих повышенной плотностью, или при геологических изысканиях под особые сооружения, имеющие уникальную архитектуру. В таких случаях предпочтение обычно отдаётся индикаторам часового типа ИП и ИC. Точность измерения деформаций грунта в случае их использования может достигать 0,01 мм. Однако такие устройства используются только тогда, когда это действительно необходимо. За точность измерений приходится расплачиваться неприспособленностью данного геологического оборудования к работе в полевых условиях. Оно очень нестабильно само по себе и быстро выходит из строя. Кроме того, при измерении осадок более 10 мм могут потребоваться дополнительные устройства. Какие бы измерительные приборы не применялись в процессе испытаний грунтов, их всегда нужно монтировать по окончании установки всего остального геологического оборудования. Это позволит избежать повреждений, способных сказаться на точности полученных измерений.

Методика проведения испытаний грунтов

Методика проведения испытания зависит от множества факторов, таких как:

• глубина заложения фундамента;
• степень однородности залегающих в основании сооружения пород;
• распределение нагрузок на фундамент;
• конфигурация фундамента и его ориентировка.

Что касается выбора геологического оборудования, то он обычно зависит от уровня грунтовых вод. Если отметка проведения испытаний лежит ниже этого уровня, то опыты проводятся преимущественно в скважинах, а если выше — в шурфах.

Испытаниям должны быть подвергнуты все несущие слои грунта, за исключением случаев, когда зона взаимодействия представлена однородным слоем. В таких случаях исследования могут быть проведены только на одной глубине. Если же основание неоднородно, а все составляющие его типы грунтов обладают различными свойствами, испытаниям подвергаются абсолютно все слои, встреченные на пути. Согласно CHиП 2.02.01-83, минимальное количество таких испытаний — 3. Ограничиться двумя испытаниями можно лишь в том случае, если полученные в них значения модуля деформации не разнятся между собой более чем на 25%.

Расстояние между точками, в которых производятся испытания, должно вдвое превышать диаметр штампа, но ни при каких обстоятельствах не должно быть меньше, чем 0,6 м. В случае, когда грунт представляет собой совокупность тонких слоёв и снять значения в каждом из них не представляется возможным, инженеры-геологи ограничиваются усреднёнными значениями показателя модуля упругости.

Испытания грунтов могут продолжаться вплоть до момента достижения предельного давления. За предельное (критическое) принимают давление, при котором увеличение осадки принимает критические значения (в сравнении со значениями, полученными за предыдущую ступень нагрузки). Появление трещин или "валиков выпирания" вокруг штампа также свидетельствует о критическом давлении и служит сигналом к прекращению испытания. Все данные, полученные в ходе испытаний грунтов, вносятся в журнал, который выступает в роли основного документа при проведении исследований.

Обработка полученных результатов 

На данном этапе происходит обработка результатов, полученных в ходе испытания грунтов методом воздействия на них статическими нагрузками. В результате расчётов получают количественный показатель модуля деформации грунта, а также другие значения, необходимые для возведения на участке тех или иных объектов.