§ 28. Полевые методы изучения физико-технических свойств грунтов

Для успешного расчета оснований инженерных сооружений необходимо хорошо знать основные строительные свойства грунтов. Основные физико-технические характеристики грунтов: объемный и удельный вес, естественная влажность, пористость, консистен­ция, модуль деформации, сцепление, сопротивление сдвигу и др. Из этого неполного перечня некоторые характеристики используются для вычисления естественного (бытового) давления грунта, т. е. давления, обусловленного собственным весом грунта, для опреде­ления устойчивости откосов выемок и насыпей, откосов котлованов, другие — для установления нормативных давлений на основание, для предопределения величин возможных сдвигов, осадок, кренов сооружений.

Названные выше характеристики грунтов отчасти можно полу­чить путем лабораторных испытаний образцов пород, однако это возможно не для всех видов грунтов. При испытании в лаборатории аллювиальных отложений речных долин, щебенисто-глинистых и одно­родно-глинистых грунтов, оползневых накоплений и других грун­тов, как правило, получаются заниженные показатели их прочности. Происходит это по той причине, что в лабораторных условиях при­ходится испытывать небольшие образцы пород не только с нарушен­ной структурой, но и с иной влажностью и, конечно, не в естествен­ных условиях залегания. Поэтому для получения надежных характеристик испытания грунтов ведутся непосредственно на месте будущего строительства.

Полевые методы изучения грунтов применяются главным образом для особо важных сооружений и на последних стадиях проектиро­вания, когда уже существует полная картина геологического строе­ния участка, имеются геологические разрезы, данные о физико-механических свойствах грунтов, генеральный план сооружения.

Наиболее важные характеристики грунтов, определяемые при полевых испытаниях и необходимые для уточнения расчета осно­вания сооружения, это — сопротивление грунта сжатию и сдвигу.

Степень сжимаемости грунта определяется модулем деформации и коэффициентом Пуассона.

При полевых исследованиях модуль деформации грунта можно определить испытанием грунта статическими нагрузками (штампами).

Основная задача при испытании грунта статической нагрузкой — установление зависимости между силой давления на грунт и дефор­мацией его. При этом испытании одновременно определяется характер протекания осадки во времени; величина критической нагрузки, т. е. предельной нагрузки, при которой грунт перестает оказывать сопротивление; на просадочных грунтах определяется дополнитель­ная величина осадки — просадки при увлажнении грунта.

Основные элементы оборудования при полевых испытаниях грунтов статическими нагрузками показаны на рис. 38: 1 — штампы — жесткие недеформируемые плиты размерами 50x50, 71x71 или 100x100 см; 2 — установка для нагружения штампа в виде плат­формы или гидравлического домкрата, развивающего усилия от 20 До 100 т, прогибомеры — приборы для регистрации осадки с точ­ностью до 0,1 мм и другое дополнительное оборудование.

Испытания штампами ведут в шурфах, котлованах, скважинах. Нагрузка на штамп дается ступенями с последователь­ным возрастанием удельной нагрузки на величину от 0,25 до 1 кг/см²; после очередного увеличения нагрузки делается выдержка во вре­мени (15—30 мин) до наступления стабилизации осадок.

На основании испытаний составляют графики зависимости ∆H=f(T) осадки ∆H от времени Т и график зависимости ∆H=f(P) осадки от удельной нагрузки Р на штамп.

Для вычисления модуля Е деформации особенно важен второй график (рис. 39). На этом графике начальный участок ОН_т в расчет не принимается, так как осадка штампа на этом отрезке кривой обычно преувеличена за счет недостаточно хорошего контакта пло­скости штампа с поверхностью грунта. В обработку включают только данные в пределах между точками Н_т — Н_п, где наблюдается при­мерно пропорциональное изменение осадки и давления; точка Н_п называется критической точкой, поскольку за ней пропорциональ­ность в изменении ∆Н от Р нарушается и кривая осадки круто идет вниз.

Так как модуль Е сжимаемости грунта зависит от давления, его обычно находят для нужного интервала давлений по формуле

Коэффициент Пуассона находится экспериментально, его при­ближенная величина составляет: для песка μ_пск = 0,25 -:- 0,30; для суглинка μ_сгл = 0,33 -:- 0,37; для глин μ_гл = 0,38 -:- 0,45.

Модуль Е деформации грунта у одной и той же породы подвержен заметным колебаниям. Так, для крупнозернистого и среднезернистого песка Е = 300 -:- 600 кг/см², для мелкозернистого песка Е = 200-:-400 кг/см², для пылеватого Е = 100 -:- 250 кг/см².

При желании определить характеристики слоя грунта, залегаю­щего глубоко и не вскрытого шурфом или котлованом, испытания ведутся в скважинах. Однако такие испытания считаются менее достоверными, так как при этом приходится применять небольшие по площади (до 600 см²) штампы, а они дают худшие результаты, и худшего качества в этом случае оказывается подготовка поверхности грунта, на которую устанавливается штамп, что также иска­жает результаты исследований.

В последнее время в практике инженерно-геологических изы­сканий и при полевых испытаниях все большее распространение получают новые, простые, экономичные методы изучения физико-технических свойств грунтов. К ним относятся динамическое и ста­тическое зондирование (пенетрация).

Эти методы дают возможность произвести детальное расчленение геологического разреза (особенно в комплексе с небольшим числом опорных буровых скважин), обнаружить тонкие прослойки грунтов и включений в мягкие грунты обломочных пород, определить для песчаных пород плотность сложения и модули деформации, а для глинистых — их консистенцию, установить сопротивление грунта сдвигу и др.

Динамическое зондирование заключается в опре­делении сопротивления, которое оказывает грунт забивке в него штанги с навинченным на нее специальным стальным наконечником — зондом в виде конуса, имеющего диаметр до 74 мм и угол при вершине 60°. Забивка зонда производится молотом определенного веса, свободно падающим с постоянной высоты; при этом фиксируется число ударов, необходимое для погружения зонда на определенную глубину (10 см), или глубина погружения зонда после 10 ударов.

Результаты наблюдений при динамическом зондировании пред­ставляют в виде ступенчатых графиков, наглядно показывающих, как меняется сопротивление грунта внедрению зонда. Если зондиро­вание охватывает целые площади, то строят профили и карты.

Статическое зондирование отличается от динамического тем, что погружение зонда осуществляется не за­бивкой, а вдавливанием при помощи гидравлического домкрата. Развиваемое домкратом усилие измеряется манометром. Помимо этого, зонд снабжается датчиком, который позволяет в любой момент определять величину сопротивления грунта внедрению конуса.

При помощи статического зондирования можно вести изучение мягких грунтов на глубину 15—25 м со скоростью 0,5—1 м/мин.

Итоговым материалом статического зондирования является гра­фик, на котором показывают две кривые: кривую сопротивления грунта под зондом и кривую сопротивления трения. По характеру расположения кривых геолог может дать интерпретацию состава и глубины залегания отдельных пластов пород.

Испытания грунта на сдвиг имеют особое зна­чение для мест, на которых проектируется строительство сооруже­ний, обладающих в определенной степени тенденцией к сдвигу, например мостов, плотин. Однако испытания на сдвиг могут про­изводиться просто для получения более полной прочностной характе­ристики неоднородных по составу грунтов, испытания которых в лабораторных условиях не дают удовлетворительных результатов.

Испытание пород на сдвиг может вестись в шурфах и скважинах. Испытания в шурфах ведут различными методами. Рассмотрим один из них.

В дно шурфа вдавливают стальное кольцо 2 диаметром около 400 мм, грунт с внешней стороны кольца убирают; после этого в шурфе устанавливают два домкрата (рис. 40), из которых домкрат 3 создает вертикальную нагрузку — обжимает грунт, а домкрат 2 создает сдвигающее усилие. Нормальные нагрузки на целик породы от Домкрата 3 дают ступенями по 0,2—0,5 кг/см², с выдержкой каждой ступени не менее 15—30 мин в зависимости от рода грунта, пока не доведут ее до требуемого значения (равного удельному давлению от сооружения). Сдвигающее усилие также дается ступенями, с мень­шей выдержкой во времени. Момент, когда сдвигающее усилие пре­одолевает силы трения и сцепления в грунте, фиксируется резким падением давления в манометре домкрата 2. Испытания заканчивают, если кольцо оказывается смещенным на 2—3 см.

Такие испытания необходимо провести на 3—4 целиках однород­ного грунта, но при разных значениях нормальной нагрузки. По результатам испытаний строят графики зависимости S=f(P) сдви­гающих усилий S от нормаль­ной нагрузки Р, по которым затем находят угол φ внутрен­него трения и удельное сце­пление С.

Испытания грунта на сдвиг могут вестись и в скважинах лопастными приборами —

крыльчатка ми (рис. 41). Для этого двух- или четырех- лопастная крыльчатка 1, закрепленная на штанге 2, вдавливается в забои [скважины ниже обреза обсадных труб 5, вверху вращением сердечника штанг распорными пластинами крыльчатки создается боковое давление на грунт и затем крыльчатка поворачивается.

Этот метод испытания основан на измерении предельного крутя­щего момента при котором начинается сдвиг (вращение) лопастей крыльчатки. Сопротивление же сдвигу зависит от свойства грунта и размеров лопастей крыльчатки. Измерив сопротивление сдвигу при разных давлениях к поверхности среза и зная размеры крыль­чатки, можно вычислить φ и С.

Такие испытания для одного слоя породы повторяют в одной скважине несколько раз, постепенно углубляя скважину.

Испытания грунта лопастными приборами можно вести до глу­бины 15—20 м. Лопастные приборы позволяют косвенно определить и модуль сжимаемости грунта.