книги из ГПНТБ / Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов

В то же время при длине зонда 16 м давление -от его собст­ венного веса (с учетом веса части ударного устройства, опи­ рающегося іна ©ерзаний конец штанг) под конусом составляет около 4 кгс[см2. Таким образом, давление от веса зонда под конусом уравновешивает природное (бытовое) давление.

По вопросу о том, влияет ли напряженное состояние грунта, обуславливаемое весом вышележащих слоев (бытовое давле­ ние), на сопротивление прониканию зонда при его забивке, ис­ следователями высказываются различные мнения.

Большая часть авторов при оценке результатов испытаний рекомендуют величину бытового давления не учитывать [3, 7]. Такое мнение основывается на экспериментальной проверке этого фактора, выполненной В. А. Дуранте в полевых условиях

сти оценки получаемых результатов (с учетом вводимых попра­ вочных коэффициентов) рассматриваемый фактор не может оказать сколько-нибудь заметного влияния на конечные ре­ зультаты.

Однако данные, приведенные в [31] и основанные на лабо­ раторных методах изучения этого вопроса (при проведении ис­ пытаний исключалась необходимость введения поправочных коэффициентов на глубину), показывают, что напряженное со­ стояние песка существенно влияет на проникновение зонда прл его погружении. Это влияние тем заметнее, чем большей плот­ ностью обладают пески.

Приведенные выше соображения позволяют сделать вывод о том, что испытания грунтов динамическим зондированием и оценка получаемых результатов в том виде, как это делается в настоящее время, должны выполняться без учета величины бытового давления. Однако при дальнейшем совершенствова­ нии методов испытания грунтов забивкой зонда может возник­ нуть необходимость учета напряженного состояния грунта в зависимости от глубины.

Сцепление упрочнения

В конце 40-х годов В. А. Дуранте специально поставленным и опытами на аллювиальных песках установил, что при равной плотности сопротивление забивке зонда в нарушенном состоянии (перелопаченные пески) резко снижается по сравнению с их

сопротивлением забивке зонда в тех же песках в естественном состоянии.

Последующими исследованиями (И. В. Дудлер) было уста­ новлено, что сопротивление погружению зонда песков искусст­ венного ^сложения (намытых средствами гидромеханизации нод-

90

водным или надводным способом) со временем заметно возра­ стает, при этом их плотность изімѳняется не столь значительно, а влажность сохраняется постоянной.

Таким образом, .применение такого вида испытаний грунтов, как динамическое зондирование конусом, 'позволило устано­ вить у песков наличие структурной прочности, обусловливаю­ щей более высокие их прочностные и деформационные свойства. Наличие структурной прочности объясняется формированием цементационных связей между зернами песка, которые названы сцеплемнем упрочінѳния.

Рассматривая вопросы о природе прочности глинистых по­ род, И. Я. Денисов [б] отмечает, что сцепление упрочнения по­ является и его величина изменяется независимо от плотности пород. Для его возникновения после окончания уплотнения требуется время, на протяжении котороіго проявляется влияние своеобразной «приживаемости» частиц.

Известно, .например, что длительное достаточно тесное со­ прикосновение твердых тел приводит к их «спайке».

Природа возникновения сцепления упрочнения песков во многом остается еще не изученной и, как показывают исследо­ вания последних лет, обусловливается сложными физико-хими­ ческими процессами [14].

Процесс формирования связей, обусловливающих сцепление упрочнения, протекает, как следует из опубликованных работ, довольно быстро.

Скорость протекания этого процесса в маловлажных песках, намытых надводным способом, характеризуют следующие дан­ ные [7]:

При намыве песка под воду процесс формирования связей, обусловливающих сцепление упрочнения, протекает медленнее:

91

Таким образам, в период интенсивного формирования .свя­ зей сцепления упрочнения заметно проявляется различие в ме­ ханических свойствах песков. Это различие, фиксируемое при испытании динамическим зондированием, проявляется, в част­ ности, в различных значениях модуля сжимаемости и общего сопротивления пеоков вращательному срезу.

'Следовательно, не остается сомнений в том, что среди фак­ торов, существенно влияющих на показатели динамического зондирования, степень формирования оцепления упрочнения является одним из основных для искусственно уложенных пес­ ков в первые годы после их образования. В дальнейшем изме­ нение этого фактора становится менее заметным, а для песков естественного сложения сцепление упрочнения со временем практически не (меняется.

Вместе е этим можно предполагать, что для пеоков естест­ венного сложения значение сцепления упрочнения зависит от их .генезиса, условий залегания, состояния, гранулометрическо­ го и минер алогического составов, химического состава контак­ тирующей с частицами пеока воды и т. и.

Методика проведения испытаний динамическим зондирова­ нием, так же как и интерпретация получаемых результатов, ши­ роко развита главным образом для оценки плотности сложения пеоков.

В перспективе прочность, обусловленную оцеплением уп­ рочнения, можно будет изучать в зависимости от того, какую оценку этот фактор в дальнейшем получит в общей характери­ стике строительных свойств песков естественного сложения.

В качестве примеров применения динамического зондирова­ ния при инженерно-геологических изысканиях приведем сле­ дующие.

Пример 4. В практике строительства нашел применение новый способ зак­ репления грунтов силикатизацией с предварительной активизацией их углекис­ лым газом. В частности, этот способ был применен на участке производст­ венного корпуса шелкового комбината, где произошли осадки песчаного ос­ нования, которые вызвали значительные повреждения как фундаментов, так и надземной части здания.

Для изучения состояния песков в пределах деформируемой части зда­ ния снаружи на расстоянии 7—9 м друг от друга были заложены четыре

опытных куста, каждый из которых состоял из одной скважины н двух точек испытаний динамическим зондированием. Из окважин с интервалом че­ рез 0,5 м отбирались образцы песка для определения водопроницаемости и других свойств, которые необходимо знать при проведении инъекции. Одно ис­ пытание песков динамическим зондированием в каждом кусте выполнялось до бурения скважины, второе— после того, как скважина была пробурена. Точки зондирования располагались на расстоянии 0,5—0,6 м от скважины для

установления возможного разуплотнения песков в процессе бурения.

Данные проходки скважин позволили установить, что под насыпным сло­

92

Показательно, что результаты динамического зондирования, выполненно­ го до бурения скважин и после него, имеют близкую сходимость.

Полученные данные позволили определить объем грунта под фундамен­ тами здания, требующего закрепления, а также составить проект такого зак­ репления. В результате проведенных мероприятий осадки здания прекрати­ лись.

Пример 5. На строительстве открытым способом одного из радиусов .мет­ рополитена на участках пересечения его с двумя небольшими речками тун­ нели возводились на песчаных насыпях. Учитывая, что искусственно возве­ денные насыпи были отсыпаны незадолго до строительства, в пределах их длины туннели, в отличие от основных участков, были запроектированы не из сборных конструкций, а монолитными с бетонированием на месте (для более равномерного распределения ожидаемых осадок). Естественно, что такое ре­ шение усложняло строительство, а главное задерживало сроки его оконча­ ния. В связи с этим был поставлен вопрос о возможности замены на этих участках монолитных конструкций сборными.

Решение этого вопроса зависело от результатов детального изучения плот­ ности сложения насыпей и прогнозов по уплотнению слагающих их песков с учетом динамических воздействий от проходящих поездов.

Н а п е р в о м у ч а с т к е насыпь длиной около 50 м была отсыпана из мелкого и средней крупности песка мощностью до 7 ж с послойной укат­ кой прицепным катком на пневматических шинах.

Для определения плотности и однородности сложения песков в теле на­ сыпи ниже глубины промерзания (работы выполнялись зимой) было прове­ дено восемь испытаний динамическим зондированием и пройдено три шурфа, для отбора образцов ненарушенной структуры. Точки зондирования были рас­ пределены равномерно по длине насыпи.

По данным лабораторных определений, насыпь сложена песками, содер­ жащими песчаные фракции — 74—84%, пылеватые — 6—42% и глинистые —

93

3—3,5%, а также включения гальки, правил и дресвы до 15—17%. Объемный вес песков изменялся от 1,83 до 2,1 т/м3. Пористость большей части образ­

цов составляла 30—36%, коэффициент пористости — 0,44—0,54, что соответст­ вует плотным пескам.

В точках динамического зондирования, расположенных рядом с шурфами, показатель зондирования N составлял более 110—20 ударов на 10 см погру­ жения зонда и лишь в некоторых случаях — более пяти ударов. Сопоставле­ ние результатов динамического зондирования в точках, равномерно распреде­ ленных по всей длине насыпи, с данными лабораторных определений позво­ лило оценить слагающие ее пески как достаточно плотные по всей площади и глубине.

В соответствии с результатами проведенных исследований вопрос о заме­

не монолитных железобетонных конструкций туннелей сборными был решен положительно.

На в т о р о м участ ке , имеющем мощность песка до 5—6 м, было проведено 17 испытаний динамическим зондированием и пройдено два шур­ фа для отбора образцов ненарушенной структуры.

Согласно данным определения гранулометрического состава, насыпь сло­ жена неоднородным песком — от мелкого до гравелистого. Отдельные образ­ цы показали, что песок перемешан с почвенно-растительным грунтом.

Грунт, уложенный в тело насыпи, характеризовался следующим грануло­ метрическим составом: галька и гравий — 35—40%; песчаные фракции — 46,8— 51,7%; пылеватые — 4,6—16,9%; глинистые — 0,2—5,1%. Коэффициент пори­ стости колебался от 0,518 до 0,703, что соответствует пескам средней плот­ ности. Данные динамического зондирования показали, что число ударов на 10 см погружения зонда колеблется в широких пределах — от 2 и менее до 20 и более.

Эти данные, характеризующие неравномерное сложение песков в теле насыпи, послужили основанием к частичной ее переукладке с выполнением ме­ роприятий для обеспечения надлежащей плотности.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУНТОВ ДИНАМИЧЕСКИМ ЗОНДИРОВАНИЕМ

ПРОБООТБОРНИКОМ (ЗАБИВНЫМ ГРУНТОНОСОМ)

Испытания грунтов динамическим зондированием пробоот­ борником (забивным грунтоносом) .в отечественной практике широкого -применения не получили. Б то же время этот метод широко используется во многих зарубежных странах, где его применение и оценка результатов для характеристики строи­ тельных свойств грунтов, главным образом песчаных, достигли большого совершенства.

-В литературе, описывающей опыт изучения строительных площадок зарубежных -стран, часто можно встретить данные о результатах таких испытаний. Учитывая это, авторы считают целесообразным включить во второе издание книги описание метода динамического зондирования пробоотборником, а также привести некоторые результаты использования его на объектах ГПИ «Фундаментпроект» и данные по оценке результатов та­ ких испытаний, заимствованные главным образом из зарубеж­ ных источников.

В США метод испытаний динамическим зондированием про­ боотборником получил наименование «Стандартные испытания на пенетрацию» (S. Р. Т: Standart Penetration Test). Известный,

94

таким образом, под названием «стандартный», этот метод за­ ключается в забивке .в грунт «иже забоя скважины разъемного пробоотборника (грунтоноса) специальной конструкции.

Используемый для отбора проб грунта грунтонос одновре­ менно служит наконечником и вместе со штангами представ­ ляет собой забивной зонд.

Широкому распространению и популярности этого испыта­ ния способствовала его стандартизация, что должно быть ос­ новным принципом большинства полевых методов.

Пробоотборник (рис. 42) представляет собой полый стакан, для удобства .извлечения образца грунта разрезанный по дли­ не іначдве половины. С помощью переходника (он 'Служит для

Рис. 42. Пробоотборник для мопытаиий грунтов динамическим зондирова­ нием

I — разъемный стакан; 2 — переходник; 3 — башмак

соединения пробоотборника со штангами) и режущего башма­ ка разъемные детали соединяются в одно целое, образуя забив­ ной грунтонос с наружным диаметром 51 мм.

Следует отметить, что на результаты испытаний грунтов динамическим зондированием пробоотборником могут сущест­ венно влиять такие факторы, как искривление пробоотборника, состояние его внутренней и внешней поверхностей, заточка ре­

нарушен в процессе бурения скважины. После этого приступа­ ют к собственно испытанию зондированием, которое заключается в забивке пробоотборника на последующие 30 см глубины и

95

определении затрачиваемых на это ударов молота. Таким об­ разом, общая глубина погружения пробоотборника ниже забоя скважины составляет за один цикл 45 см, т. е. менылё . длины самого пробоотборника.

Известны два способа забивки пробоотборника:

е расположением молота и приспособлений для его подъема и сбрасывания на поверхности земли над устьем скважины (наиболее распространенный способ);

с расположением молота и приспособлений для его подъема и сбрасывания в самой скважине над пробоотборником.

В первом случае по мере забивки зонда в грунт расстояние между подбабком и пробоотборником по мере углубления скважины увеличивается, а следовательно, возрастают потерн при передаче импульса удара; во втором случае это расстояние сохраняется неизменным, однако изменяются условия работы молота, так как при производстве испытания ниже уровня грунтовых вод молот работает в воде. В практике института «Фундамѳнтпроѳкт» применяется первый из указанных спосо­ бов испытания.

Следует отметить, что динамическое зондирование пробоот­ борником в песках, залегающих ниже уровня грунтовых вод, возможно лишь в тех случаях, когда пески обладают достаточ­ ной устойчивостью и не образуют в обсадных трубах пробок. В водонаеыщенных песках, естественное состояние которых в процессе бурения нарушается (что сопровождается подъемом песка в обсадных трубах и приводит к необходимости заглуб­ лять их ниже забоя скважины), динамическое зондирование пробоотборником применять нельзя.

Динамическое зондирование пробоотборником относится к числу испытаний, проводимых выборочно на определенных ин­ тервалах глубины скважины, причем процессы бурения и испы­ тания чередуются. Учитывая это, забивку пробоотборника и бу­ рение скважины целесообразно проводить с применением одних

итех же механизмов или приспособлений.

Впрактике Фундаментпроекта для этого использовались установки УПБ-15 (УПБ-15м) и сборно-разборная металличес­

кая вышка с приспособлениями для бурения скважины и забив­ ки зонда конструкции Фундаментпроекта.

'Сборно-разборная металлическая вышка высотой 5,5 м снабжена ручной копровой лебедкой и лепкой ручной фрикци­ онной лебедкой. Копровая лебедка используется при бурении скважины, а также для спуска и подъема зонда (штанг с пробоотборником). Ручная лебедка служит для подъема моло­ та при производстве испытаний зондированием. После того, как скважину добуривают до глубины, на которой необходимо про­ вести испытание зондированием, на вышку навешивают молот с направляющим устройством и приспособление для его авто­ матического сбрасывания, а в скважину на штангах опускают

96

пробоотборник. Верх штанги соединяют с основанием устройст­ ва, служащего для подъема и сбрасывания молота, после чего можно приступать .к забивке зонда.

Цилиндрический молот, движущийся по направляющей штанге, с помощью захватов-эксцентриков поднимается вверх. Захваты, упираясь в .верхнем положении молота в стойку, вы­ ходят из зацепления с молотом, который, свободно падая, уда­ ряет через основание приспособления по штангам.

По окончании испытания на заданной глубине штангу с про­ боотборником из скважины извлекают, приспособление для их забивки с вышки снимают и производят доуглубление скважи­ ны до отметки следующего испытания.

Данные испытания пробоотборником заносят в буровой жур­ нал, а их результаты оформляют в виде графика, в котором геологическое описание скважины совмещено с результатами испытаний (рис. 43).

В интервале погружения пробоотборника на 30 см затрачен­ ные удары молота подсчитывают для каждых 10 см раздельно, вследствие чего графики имеют ступенчатый -вид.

Как и при любом другом наконечнике, применяемом для испытаний грунтов динамическими (ударными) нагрузками, испытания пробоотборником выполняются главным образом в песчаных .грунтах и служат для оценки их относительной плотности.

Характеристику [19] плотности песков по данным динами­ ческого зондирования пробоотборником,приведенную в табл.19, следует считать достаточно надежной, так как она подтвержда­ ется многими авторами.

Достаточно четкая зависимость между числом ударов, затрачиваемых на погружение пробоотборника, и пористостью мелкозернистых аллювиальных песков, залегающих выше уров­ ня грунтовых вод, показана на рис. 44.

Рис. 43. График результатов испытаний грунтов динамическим зондирова­ нием пробоотборником

Пористость песков по опытным точкам 2 ориентировочно

Некоторое расхождение приведенных выше зависимостей может служить еще одним подтверждением того, что результа­ ты забивки зонда зависят от многих одновременно влияющих факторов, к которым помимо пористости относятся грануломет­ рический состав, влажность, форма и окатанность зерен и т. п., а также от условий проведения испытания (главным, образом глубины-зондирования). Важнейшей характеристикой песков, используемой в основных расчетах оснований сооружений, _яв-

98

ляется угол 'внутреннего трения. Однако определять .угол внут­ реннего трения песков в лабораторных условиях очень трудно, поскольку сохранить естественное состояние песков при

грунтовых вод практически невозможен. Учитывая это, не сле­ дует пренебрегать возможностью хотя бы приближенно опреде­ лять угол внутреннего трения песков по данным динамического зондирования.

Сопоставление числа ударов при забивке пробоотборника и

зультаты сопоставления показателя зондирования пробоотбор­