В полевых условиях исследование деформационных свойств грунтов производится поэтапным нагружением жестких штампов, установленных в породах, которые будут находится в пределах сферы взаимодействия с сооружением, и заключается в измерении осадок штампа от каждой ступени нагрузки, а также в изучении характера деформации во времени, Методика испытания пород штампами отличается сложностью я трудоемкостью, что связано с монтажом тяжелого оборудования, специальной подготовкой грунтов к испытаниям; значительными затратами времени на изучение характера осадки. Поэтому испытания пород штампами производится лишь на последних стадиях инженерно-геологических исследований под строительство, когда выбрано место "посадки", установлены габариты и ориентировка сооружения, а также передаваемые на грунты нагрузки, тип и глубина заложения фундамента, геологическое строение участка и прочее. Производство испытаний штампами и интерпретация результатов регламентируется ГОСТ 12374-77.

В соответствии о представлениями Н.М. Герсеванова (1930) процесс осадки, проекающий 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.

Н.А. Цытович считает, что существует не три, а две стадии данного процесса. Первая и вторая стадии (по Н.М. Герсеванову) четко не различаются, а прочность и устойчивость оснований не нарушаются даже при возникновении локальных сдвигов. Ю.Г. Трофименко и Л.Н. Воробков отмечают, что это положение зафиксировано в СНиП, согласно которым несущая способность основания, сложенного нескальными грунтами, должна определяться, исходя из условия, что в грунте образуются поверхности скольжения, охватывающие всю подошву фундамента или сооружения.

В соответствии с ГОСТ 12374-77, прямолинейный участок графика S = f (Р) (см. риc . 1) попользуют для вычисления модуля деформации по формуле:

где μ - коэффициент Пуассона, принимаемый равным для скальных пород 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, cм; ΔP - приращение давления на штамп между предельным (Рп) и бытовым (Рб) давлением, МПа (кгс/см2 ); ΔS- приращение осадки штампа, соответствующее ΔP, см.

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, при данной методике испытания (размерах штампа, скорости приложения нагрузки) служит для вычисления осадок сооружений. Его принимают за эталон при оценке модуля деформации, полученного по данным зондирования и прессиометрических испытаний. 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.

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) 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 18 х 18 см до 30 х 30 см, а при уменьшении или увеличении площади штампа по сравнению с производной 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, но минимальная осадка была зарегистрирована у штампа площадью 1200 см2.

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 СССР стандартными для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях и других горных выработках считаются жесткие, круглые, плоские (толщиной 12-15 мм) и глухие штампы площадью 2500, 5000, 10000 см2, а также штампы площадью 1000 см2 с жестким кольцом, дополняющим площадь штампа до 5000 см2, а для испытаний в скважинах применяют круглые штампы площадью 600 см2 (диаметр 27,7 см).

В зависимости от типа (вида) и состояния грунтов (ГОСТ 12374--77) рекомендуют использовать штампы следующих размеров для испытания:

в плотных песчаных и глинистых грунтах с консистенцией IL≤0,25 - штампы площадью 2500 см2 (диаметр - 56,4 см);

в крупнообломочных, песчаных средней плотности и рыхлых, а также глинистых грунтах с консистенцией IL> 0,25 - штамп площадью 5000 см2 (диаметр - 79,8 см).

Рис. 2. 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

ОБОРУДОВАНИЕ

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

Штампы. Наиболее распространенные в настоящее время конструкции штампов стандартных размеров для испытания грунтов в шурфах и скважинах приведены выше. Отметим, что при испытаниях грунтов в скважинах штамп устанавливают в закрепленную обсадными трубами скважину диаметром 325 мм. Нагрузка на штамп передается через штанги, выходящие на поверхность.

Установки для нагружения. 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. (рис. 2), а также с упором в грузовую платформу или в стенки шурфа.

Установки для нагружения штампа с упором в стенки шурфа (рис. 3) рассчитаны на применение их при испытаниях в шурфах на глубине 3-5 м штампом площадью 5000 см2 до предельного давления на грунт 0,5 МПа (5 кгс/см2).

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. Целесообразность её применения очевидна, когда винтовые сваи не могут быть погружены вследствие высокой плотности грунтов.

Рис. 3. 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

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, куда доставлены детали строительных конструкций (бетонные блоки и т.п.), которые могут быть применены в качестве упора.

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 600 см2 в скважинах, требующих меньшего веса нагружающего устройства для создания удельного давления.

Более широко используются, особенно для испытаний пород в скважинах, канатно-рычажные установки Уральского треста Инженерно-строительных изысканий (Урал ТИЗИС): КРУ-600, КРУ-25ОО и КРУ-5000 соответственно для штампов площадью 600, 2500 и 5.000 см2 . Ниже приведена техническая характеристика установки КРУ-600:

Максимальное усилие на штамп, Н	5∙104
Соотношение плеч рычажной установки	1:30
Площадь штампа, см2	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 выпускающего УралТИСИЗ, в котором в качестве нагружающего механизма на штамп 600 см2 применяется пневмокамера. Это устройство может найти широкое применение в инженерно-геологической практике, так как для создания давления в пневмокамерном цилиндре используется сжатый воздух, хранящийся в баллоне, или же ручной автомобильный насос.

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, см2	600
Система создания давления	Пневматическая
Система замера замера деформаций	Механическая
Прогибомеры с точностью измерений
Точность прогибомеров, мм	0,1
Габаритные размеры, мм длина ширина высота	1500 435 1000
Масса, кг	140

Приборы .для измерения осадок грунта под штампом. Для измерения осадок применяются механические приборы. Наиболее удобными и широко распространенными являются прогибомеры типа ПМ-3 или 6ПА0-ЛИСИ. Осадка штампа измеряется не менее чем двумя прогибомерами, проволоки от которых закрепляют на штампе симметрично относительно центра.. За осадку штампа принимают среднее арифметическое из показаний прогибомеров. Прогибомеры устанавливаются на реперных устройствах, состоящих из свай и перекладины, укрепленных на поверхности. Используя дополнительные струбцины с роликами, измерительные устройства могут быть вынесены на некоторое удаление от шурфа, так как в большинстве случаев их невозможно установить непосредственно над штампом.

Точность измерения осадок, регламентированная ГОСТ 12374-77, 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. 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 впроцессе испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп, устанавливают по окончании монтажа оборудования.

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

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 опытов желательно располагать непосредственно на оси фундамента либо на расстоянии не далее 3 м от ранее пройденных разведочных выработок. При сложном геологическом строении выработка проходится непосредственно вблизи пункта испытания, при этом ее глубина должна на 2 м 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 со СНиП 2.02.01-83, должно составлять 3. 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 ,6 м или чередовании тонких слоев получают только осредненные значения модуля деформации для комплекса слоев.

В соответствии с ГОСТ 12374-77, минимальные размеры горных и буровых выработок ограничены следующими значениями: шурфы - 1,5х1,5 м; дудки - диаметр 0,9 м; скважины - диаметр 325 мм.

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.

Перед установкой штампа следует тщательно зачистить забой выработки, применяя специальное оборудование. Обычно с помощью зачисток выбирают защитный слой мощностью, 0,1 - 0,2 м до отметки испытания. Если после такой операции дно выработки остается неровным, его планируют устройством подушки из мелкого или средней крупности маловлажного песка толщиной 1-2 см для глинистых и не более 5 см для крупнообломочных грунтов. Для достижения плотного контакта штампа с испытываемым грунтом необходимо произвести не менее двух поворотов вокруг его вертикальной оси, меняя направления поворота. После установки штампа следует проверить горизонтальность его положения.

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

Нагрузка на штамп передается ступенями давлений в зависимости от показателей физических свойств пород (табл. 10). Удельное давление штампе на грунт ( Р ) определяют по формуле

где PМ – давление на манометре, МПа (кгс/см2); FП - площадь поршня домкрата, см2 ; FШТ - площадь штампа, см2.

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

Каждую ступень давления необходимо выдерживать до условной стабилизация осадки, которая для глинистых пород считается достигнутой, если приращение осадки не превысит 0,1 мм за время, указанное в табл.3. Время выдержки каждой послёдующей ступени должно быть не менее времени выдержки предыдущей ступени.

Таблица 3. Параметры режима нагружения глинистых грунтов штампами (по ГОСТ 12374-77)

Показатели текучести глинистых грунтов	Ступень давления P, МПа при коэффициентах пористости	Время условной стабилизации, ч
e≤0,5	0,5<e≤0,8	0,8<e≤1,1	e>1,1*
IL≤0,25	0,1	0,1	0,05	0,05	1
0,25< IL ≤0,75	0,1	0,05	0,05	0,025	2
0,75< IL ≤1	0,05	0,025	0,025	0,01	2
IL >1	0,05	0,025	0,01	0,01	3

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.

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.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

По результатам испытания грунтов статическими нагрузками оценивают их сжимаемость, количественной характеристикой которой служит модуль деформации К. Для вычисления модуля деформации отроят 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). Через нанесенные на график четыре опытные точки каждой ступени нагрузки необходимо провести осредненную прямую методом наименьших квадратов. За начальные значения Р0 и S0 (первая точка, включаемая в осреднение) следует принимать давление, равное природному давлению Рб и соответствующую осадку; за конечные значения РП и SП- значения Рi и Si , соответствующие четвертой точке графика на прямолинейном участке. Если при давлении Рiприращение осадки будет вдвое больше, чем для предыдущей ступени давления Рi-1, а при последующей ступени давления Рi+1 приращение осадки будет равно или больше приращения осадки при Рi, то зa конечное значение РП и SП следует принимать Рi-1 и Si-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. Результаты определения модуля деформации следует выражать с точностью: 1,0 МПа при Е > 10,0 МПа; 0,5 МПа при Е = 2,0÷10,0 МПа и 0,1 МПа при E < 2,0 МПа.

Получаемый по результатам испытаний график S =f(Р) часто отличается от идеализированной, кривой показанной на рис. 8. Ниже приведены графики, встречающиеся на практике (рис. 4). Рассмотрим наиболее характерные.

Рис. 4. Графики S = f (Р) : 1 - отсутствие осадки на первых ступенях, нагрузки; 2 - преувеличение осадки на первых ступенях нагрузки; 3 - неравноверный прирост осадок по ступеням нагрузок.

1. На первых ступенях нагрузки осадки отсутствуют, и кривая графика начинается не с нуля (см. рис. 4, кривая 1). Отсутствие осадки на первых ступенях пытаются объяснить 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 (+ ΔSН) должна быть учтена при интерпретации результатов и прибавлена к общей осадке грунтов под штампом, а график должен быть параллельно перенесен вниз.

2. На начальных участках графика наблюдается значительный рост осадки, которая затем уменьшается (см. рис. 4, кривая 2). Такая осадка является следствием плохой зачистки грунта под штампом либо наличием выступающих твердых включений в породе. При интерпретации графика неизмеренную осадку (- ΔSН) следует вычесть из общей осадки грунтов под штампом, а исправленный график следует переместить вверх.

3. Осадки, закономерно возрастающие с увеличением нагрузки, при достижении некоторого давления начинают уменьшаться и кривая графика становится более пологой (см. рис. 4, 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 Рi = 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.