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

ни« S — f(p) «ли касательной в точках криволинейного ее участка.

Таким образом, ответ на весьма важный вопрос о том, явля­ ется ли модуль деформации для грунта данного состава и со­ стояния величиной постоянной, зависит от того, к какому участку графика его относить.

Для принятых в практике расчетов осадок сооружений по теории линейно-деформируемых тел, выполняемых в соответст­ вия со СНиП ІІ-Б.1-62*, в качестве характеристики деформиру­ емости грунтов используется модуль деформации в пределах прямой пропорциональной зависимости осадки от нагрузки.

В этом случае при одноразовом действии сжимающей на­ грузки (статическая нагрузка от веса сооружения), передавае­ мой на грунт данного состава и состояния, модуль деформации является величиной постоянной и определяется в соответствии с ГОСТ 12374—66.

Однако помимо определения численного значения модуля де­ формации, характеризующего сжимаемость грунта на участке прямой пропорциональной зависимости осадки от нагрузки, при исследовании грунтов статическими нагрузками можно устанав­ ливать зависимость S =f ( p ) и на ее криволинейном участке. При испытании грунтов штампами определяют:

осадку грунта под нагрузкой; упругую деформацию грунта;

характер протекания во времени осадки грунта под нагруз­ кой;

величину критической (разрушающей) нагрузки; дополнительную осадку (просадку) в просадочных грунтах

при их увлажнении под нагрузкой и др.

Испытание грунтов статическими нагрузками непосредствен­ но в месте их залегания (in situ) с целью определения деформа­ ции и возможной осадки сооружений, возводимых на этих грун­ тах, проводят в различных странах в течение многих десятиле­ тий.

Прототипом современных методов исследования прунтов ста­ тическими нагрузками является метод Лемана [1].

■Метод Лемана е момента его опубликования (1881 г.) совер­ шенствовался и в настоящее время имеет множество вариантов, каждый со своими достоинствами и недостатками. При этом вы­ бор того или иного метода исследования строительных свойств грунтов зависит от местных условии, характера испытываемых грунтов, проектируемого сооружения и т. п.

Многочисленные эксперименты, проведенные в СССР и за ру­ бежом, показывают большое влияние размера штампа на вели­ чину осадки. Впервые такие опыты были поставлены Прессом в 1930 г. [1]. Испытания проводили в полевых условиях квадрат­ ными штампами различного размера, которые устанавливали на однородных мелкозернистых сухих песках и на влажных песча-

20

s , m

нистых глинах. Результаты этих -опытов с песчаными грунтами показали, что при одинаковых удельных давлениях осадки тем больше, чем больше площадь штампа (рис. 2).

Из -опытов Пресса видно также, что такая зависимость уста­ навливается лишь с некоторого определенного для каждого грунта размера штампа. При меньшем размере штампа наблю­ дается обратная зависимость. Для испытанных Прессом песков размер штампа оказался равным 30X 30 см, а для глин значи­

тельно меньшим.

Аналогичный график, выражающий соотношение между сто­ роной квадратного штампа и осадкой при одном и том же удель­ ном давлении, приводят >К. Терна,ги и Р. Пек [19].

Опытами Фундаментироекта, проведенными в Тайшете в 1960 г. на пылеватых влажных суглинках, минимальная осадка была зарегистрирована у штампа площадью 1200 см2. Осадки штампов, имеющих меньшую и большую площадь, возрастали

(рис. 3).

По-видимому, при площадях штампов меньше некоторой ве­ личины осадка происходит главным образом за счет смещения грунта в стороны и выпора его из-под штампа, а не за счет вер­ тикального обжатия .грунта.

21

По этому вопросу уместно отметить следующее. Известно, что при достаточно жестком штампе сжимающие напряжения по плоскости контакта его с грунтом не равны средней интенсивно­ сти нагрузки. При этом к краям жесткого штампа давление на грунт увеличивается, достигая по периметру весьма больших значений. Естественно, что вследствие этого по периметру штам­ па возникают остаточные пластические деформации, определяе­ мые прочностными характеристиками грунта и не характеризую­ щие-его уплотняемость (сжимаемость).

Таким образом, в исследованиях но определению сжимаемо­ сти грунтов некоторую роль играет этот фактор, не учитываемый при определении модуля деформации. Влияние его тем больше (при прочих равных условиях), чем меньше площадь штампа.

Из сказанного следует, что наиболее достоверные результаты могут быть получены при испытаниях опытных фундаментов, площади которых равны или близки площадям проектируемых фундаментов. Такие испытания вследствие громоздкости, высо­ кой стоимости и длительности их проведения могут осуществ­ ляться только в исключительных случаях. Поэтому при массо­ вых исследованиях грунтов применяются штампы значительно меньших размеров по сравнению с размерами будущих фунда­ ментов.

Воцрос об оптимальных размерах штампов, несмотря на большое число проведенных теоретических и экспериментальных исследований, до сих пор остается не вполне ясным. В некоторых зарубежных странах, основываясь на исследованиях и опытах, подобных опытам Пресса, стали применять штампы малых раз­ меров. Так, в США для испытания песков применяют квадрат­ ные штампы площадью 900 см2, а для испытания глин — пло­ щадью 3600 см2 [19].

В руководстве по выбору решений, связанных с устройством фундаментов, опубликованном Норвежским геотехническим ин­ ститутом, Н. Янбу, Л. Бьеррум и Б. Къернсли, касаясь вопроса об осадках фундаментов, приводят в качестве примера испыта­ ние однородного песка штампом площадью 1000 см2, весьма близким по площади к штампу, принятому в США. В этой же работе для определения величины осадки фундамента, заложен­ ного на песке, по данным испытания штампом, в виде графика приводится соотношение между осадками фундамента S шири­ ной b и штампа Si шириной Ь\ (рис. 4).

В СССР для .испытаний грунтов статической нагрузкой используют штампы значительно больших размеров, чем за ру­ бежом.

Стандартными для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях и рассечках считаются круглые в плане штампы пло­ щадью 2500 и 5000 см2; для испытаний в скважинах — круглый в плане штамп площадью 600 см2.

22

1 2 5 10 20 SO WO Ь/Ь,

Однако где бы ни производили испытания грунта статической нагрузкой, сущность их остается неизменной. Изменяются толь­ ко техника испытания и применяемое оборудование.

Испытания грунтов статическими нагрузками можно разде­ лить на два основных типа: испытания в шурфах и испытания в буровых скважинах.

Испытания в шурфах нередко называют «поверхностными», а испытания в скважинах — «глубинными». Эти термины нельзя признать оправданными, поскольку глубина, на которой произво­ дится испытание, не является определяющим признаком.

Особые случаи статических испытаний грунта .в подземных горных выработках по технике выполнения мало чем отлича­ ются от испытаний в шурфах.

-2. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В ШУРФАХ

Оборудование

Основным оборудованием для испытаний грунта статической нагрузкой являются: штамп, установка для его нагружения и из­ мерительная аппаратура. Исключение составляют исследования путем нагружения грунта укладкой элементов сборных железо­ бетонных конструкций, которые не требуют специальных штам­ пов и установок.

Штампы. Для испытаний грунта в шурфах должны приме­ няться штампы, имеющие в плане круглую форму. Следует от­ метать, что в некоторых случаях еще находят применение штам­ пы, имеющие в плане квадратную форму, широко использовав­ шиеся ранее. Штамп, служащий для передачи на грунт нагрузки, должен обладать необходимой жесткостью, а его нижняя поверх­ ность, соприкасающаяся с грунтом, должна быть плоской.

23

Наибольшее .распространение имеют металлические штампы,, представляющие собой стальную плиту с приваренными к ней ребрами жесткости.

'Площадь штампов может быть различной. Наиболее употре­ бительны штампы следующих размеров:

В последнее время внедряется в производство круглый штамп: конструкции НИИ оснований и подземных сооружений и ГПИ чсфундаментпроект» площадью 1000 см2, имеющий жесткое коль­ цо, дополняющее общую площадь до 5000 см2. Испытание стати­ ческими нагрузками в этом случае выполняется штампом пло­ щадью 1000 см2, а кольцо служит для создания необходимой пригрузки.

Ранее для испытаний в шурфах стандартным считался штамп площадью 5000 см2, а штампы других размеров применять не рекомендовалось. В настоящее время применение во всех случа­ ях испытаний грунта в шурфах штампа площадью 5000 см2 неможет быть признано целесообразным.

При испытании слабых сильносжимаемых грунтов, глинистых грунтов текучепластичной консистенции, а также при испытании грунтов с искусственным замачиванием предпочтение следует от­ дать штампу большого размера. На результаты испытаний ука­ занных грунтов нередко влияет выпор (выдавливание) грунта изпод штампа. Возможность этого выпора и его влияние на резуль­ таты испытания тем меньше, чем больше размеры штампа.

Применение штампов больших размеров рекомендуется так­ же в случае, если испытываемый слой неоднороден и представля­ ет собой чередование небольших прослоек грунтов с различны­ ми свойствами или содержит значительное количество крупных включений или гнезд, состоящих из грунтов, которые по своим свойствам резко отличаются от вмещающего грунта. Естествен­ но, что в таких случаях чем больше размеры штампа, тем более достоверны получаемые значения модуля деформации испыты­ ваемого слоя грунта.

Для испытания однородных малосжимиемых грунтов, а так­ же глинистых грунтов полутвердой и тугопластичной коноистенции нет необходимости в применении штампов большого разме­ ра. Сравнительные испытания таких грунтов штампами различ­ ных размеров показали, что практически результаты получаютсяодинаковые.

24

Уменьшение размеров штампа облегчает и ускоряет произ­ водство испытаний, упрощает установку для нагружения штампа и, что иногда ібывает важно, позволяет доводить удельное давле­ ние под штампом до более высоких значений.

В зависимости от плотности песчаных и консистенции глинис­

сти, а следовательно, веса зданий и сооружений, применения кон­ струкций, чувствительных к осадкам вообще и неравномерным их проявлениям в частности, а также других особенностей совре­ менного строительства резко увеличилась потребность в оценке деформируемости грунтов. Это обусловило появление различных установок и приспособлений для толевых испытаний грунтов статическими нагрузками. Последнее обстоятельство объясня­ ется тем, что до настоящего времени выпуск таких установок промышленностью еще не налажен..

Установки для нагружения штампа при производстве стати­ ческих испытаний в шурфах бывают двух типов: с гидравличе­ скими домкратами и с нагружаемой платформой и грузом.

Установки с гидравлическими домкратами состоят из одного пли нескольких гидравлических домкратов и устройств для упо­ ра домкрата.

Имеются следующие устройства для упора гидравлического

на рис. 5. В этой установке используются восемь винтовых свай. Устройство состоит из трубы-стойки, нижний конец которой опи­ рается на штамп, а на верхний установлен домкрат. Домкрат своей головкой упирается в продольную упорную балку, удержи­ ваемую четырьмя поперечными балками, каждая из которых с помощью монтажных болтов скреплена с парой винтовых' свай, завинченных в грунт.

В качестве трубы-стойки может быть использована буровая обсадная труба диаметром 219 мм. Длина трубы зависит от глу­ бины шурфа, т. е. от глубины залегания испытываемого слоя грунта. Ввиду того, что эта глубина может быть различной, в комплекте установки желательно иметь несколько труб-стоек различной длины.

Продольная упорная балка состоит из двух двутавровых ба­ лок, соединенных болтами. Размер балок устанавливается в за-

25

висимости от максимальной нагрузки при испытании и длины пролета. При длине пролета не более 4,'5 м и напрузке 40 тс уста­ навливается балка № 45, три на,грузке 60 тс— б'ЭЛіка № '55.

Длина упорной балки зависит от ширины шурфа. Для пра­ вильного размещения анкерных свай она должна на 4 м превы­ шать ширину шурфа.

Поперечные балки длиной 1 м каждая также в зависимости от нагрузки изготовляются из швеллеров № 18а — 22в.

Винтовая анкерная свая представляет собой толстостенную трубу диаметром 76 мм, длиной 2,5—4,5 м. К нижнему концу трубы приварены винтовая лопасть и конический наконечник. Лопасть имеет диаметр 300 мм, шаг винта 120 мм.

В зависимости от характеристики испытываемых грунтов и грунтов, в которые завинчиваются сваи, в описанную конструк­ цию упорного устройства могут вноситься те или иные измене­ ния.

Так, например, при нагрузках на штамп, не превышающих 20—25 тс, и достаточно плотных грунтах, в которые завинчива­ ются анкерные сваи, могут 'применяться упорные устройства из четырех свай вместо восьми. Длина упорной балки при этом со­ кращается.

В последнее время находит применение у с т а н о в к а д л я и с п ы т а н и я г р у н т о в ш т а м п о м м а л о й п л о щ а д и с к о л ь ц е в о й п р и г р у з к о й (конструкции НИИ оснований и подземных сооружений и ГПИ «Фундаментпроект»), Основные узлы сборно-разборной установки показаны на рис. 6.

Такая установка применяется также с механическим нагру­ жением штампов, для чего используются рычажные системы и тарированные грузы. Грунт испытывают внутренним штампом.

Рис. 5. Устройство с винтовыми анкерными сваями для упора гидрав­ лического домкрата

1 штамп; 2 — труба-стойка; 3 — домкрат; 4 — продольная упорная балка; 5 — поперечная балка; 6 — монтажные болты; 7 — винтовая свая

26

Рис. б. Схема установки для испытания грунта штампом малой площади с кольцевой нрирр-уэкой

27

штампом площадью 5000 см2 до предельного давления на грунт

5 кгс/см2.

Упорное устройство состоит из траверсы, которая устанавли­ вается на головку домкрата и является олорой для .винтовых распоров. Четыре винтовых утора упираются нижними концами в траверсу, а верхними — через вертикальные стойки в стенки шурфа.

Вертикальные стойки служат для крепления винтовых упо­ ров, горизонтальных домкратов и распоров. Горизонтальные домкраты и распоры предназначены для предварительного об­ жатия стенок шурфа и создания необходимого трения между стойками и стенками шурфа. Длина распоров зависит от шири­ ны шурфа. Стенки шурфа, у которых устанавливаются верти­ кальные стойки, по всей ширине крепят брусьями.

Устройство для нагружения штампа с упором в стенки шур­ фа более сложно при монтаже и требует более сложного обору­ дования, чем устройство с винтовыми сваями, но имеет то преи­ мущество перед последним, что в меньшей степени зависит от ха­ рактеристики грунтов, слагающих верхнюю часть толщи. Его целесообразно применять в том случае, когда винтовые сваи не могут быть завинчены вследствие высокой плотности грунтов или наличия в них большого количества крупных включений, а так­ же когда грунты не обеспечивают необходимой несущей способ­ ности свай на выдергивание.

28

зависит от грунтов, в которых проводится испытание, и может быть выполнена в шурфе на глубине до 5 м любой неспециали­ зированной организацией.

Грузовая платформа изготовляется из листовой стали с ме­ таллическим каркасом, но может быть сделана из дерева на ме­ таллическом каркасе или целиком из дерева. Для загружения платформы используют любой іруз, вес которото может легко учитываться. Грузом может служить и грунт.

Установка с нагружаемой платформой. Специализированны­ ми организациями, ведущими полевые испытания грунтов, этот способ нагружения штампа в настоящее время почти не приме­ няется, так как требует устройства громоздкой платформы и главное большого количества удобно укладываемого тарирован­ ного груза. Тем не менее испытания штампом с применением на­ гружаемой платформы все еще применяются многими строитель­ ными организациями, проводящими такие испытания от случая к случаю и поэтому не располагающими необходимым оборудо­ ванием.

Нагружаемая платформа обычно изготовляется из дерева не­ посредственно на площадке, где проводят испытания. Платфор­ ма (рис. 8) состоит из стойки, двух взаимно перпендикулярных рычагов, четырех подкосов, упирающихся нижними концами в стойку, а верхними — в рычаги, на которые настилают помост для укладки груза. Длина стойки определяется глубиной шурфа и должна быть достаточной для того, чтобы рычаги и помост располагались выше поверхности земли. Нижний конец стойки устанавливается в коробку штампа.

При производстве испытания вследствие неустойчивости всей установки возможно образование перекосов и, как следствие, ис­ кажение результатов испытания. Для придания установке устой­ чивости, выявления перекосов и исправления их служат рычаги.

У свободных концов рычагов забивается по две сваи, между которыми пропускаются рычаги. На каждый рычаг укрепляется по два поперечных бруса, из .которых один расположен перед сваями, а второй за ними. Головки свай соединяются над рыча­ гом брусом, к которому с помощью болта подвешивается конец рычага. По зазору между брусьями и сваями наблюдают за пе­ рекосом установки, а натяжением болта исправляют его.

Среди установок, в которых усилие на штамп передается с использованием тарированного груза, особое место занимают ус­ тановки Уральского треста инженерно-строительных изысканий (УралТИСИЗа): КРУ-600, КРУ-2500, КРУ-5000 (канатно-ры­ чажные установки для испытаний грунтов статическими нагруз­ ками штампами площадью соответственно 600, 2500 и 5000 см2).

29