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

тов, которое ведется длительное время, или когда измерения про­ изводят сравнительно редко, а постоянные установки с измери­ тельными приборами могут быть повреждены.

Для измерения осадок следует применять механические при­ боры. Среди последних наиболее удобными и получившими наи­ более широкое распространение являются прошбомеры конст­ рукции Максимова типа ПМ-3 или 6ПАО-ЛИСИ, употребляемые для измерения прогибов пролетных строений мостов, перекры­ тий зданий и других инженерных сооружений.

Цена одного деления циферблата прогибомера соответствует 0,1 мм измеряемого перемещения (осадки). Поскольку деления на циферблате достаточно крупные, десятые доли этих делений можно отсчитать на .глаз. Таким образом, отсчет по стрелке про­ изводится с точностью до 0,01—Ю,02 мм.

За выступающий конец оси, на которой вращается рабочий шкив прогибомера, прибор крепится к струбцине, имеющей со­ ответствующее отверстие и зажимной винт.

Для производства измерений струбцину с прогибомером за­ крепляют на неподвижном предмете. Через рабочий шкив пере­ кидывают стальную проволоку диаметром 0,3—0,5 мм. Один ко­ нец проволоки прикрепляют к точке, перемещение которой из­ меряют, в да,ином случае к штампу, а к другому концу подвеши­ вают пруз весом 3—5 кг. Груз, натягивая проволоку, создает не­ обходимое трение между ней и шкивом. Проволока должна ох­ ватывать не менее половины окружности шкива.

'Схема установки прогибомеров для измерения осадки штам­ па показана на рис. 9.

г

31

Осадка штампа измеряется не менее чем двумя прогибомерамш, проволоки от которых закрепляют на штампе симметрич­ но относительно его центра. За осадку штампа принимают сред­ нее арифметическое из показаний обоих прогибомеров.

Сваи, к которым крепятся реперные доски, должны быть уда­ лены от края шурфа на расстояние, обеспечивающее их устой­ чивость. Ввиду того, что пропибомеры в большинстве случаев не могут быть установлены непосредственно над штампом, они .вы­ носятся за шурф. Это требует применения дополнительных струбцин с роликами, через которые перекидываются проволоки, идущие от штампа.

Следует отметить возможность значительных ошибок (глав­ ным образом при небольших осадках штампа в малосжимаемых грунтах) из-за деформаций деревянных реперных систем в ре­ зультате суточных колебаний температуры и влажности воздуха.

При испытании очень плотных и скальных грунтов (что, впрочем, производится очень редко и только для уникальных зданий или сооружений, особо чувствительных к неравномерным осадкам) абсолютные значения осадок могут быть весьма не­ большими. При этом на величину модуля деформации заметное влияние может оказать осадка в десятые и даже сотые доли миллиметра. В таких случаях точность измерении, получаемых с помощью прогибомеров, может оказаться недостаточной и по­ является необходимость в применении индикаторов часового ти­ па ИС и ИЛ с ценой деления 0,01 мм.

Недостаток индикаторов заключается в том, что они, являясь точными приборами для лабораторных работ, не приспособлены к использованию в полевых условиях, легко ржавеют, теряют точность и выходят из строя. Второй не менее существенный не­ достаток индикаторов в том, что они позволяют измерять осад­ ку штампа в пределах до Ю мм. Если общая осадка превышает 10 мм. приходится изготовлять специальное приспособление, в котором ножка индикатора упирается в головку винта, вверну­ того в вертикальную стойку. Эта стойка нижним концом прива­ рена к штампу. По мере осадки штампа винт вывинчивается.

Индикатор, как и прогибомер, укрепляется на реперной до­ ске с помощью специального кронштейна и струбцины. Так как при испытании плотных грунтов забивка свай под реперную дос­ ку невозможна, последняя укрепляется на стойках, зацементиро­ ванных в отверстия, высверленные в грунте.

Независимо от того, какими приборами измеряют осадки, их должны устанавливать по окончании монтажа упорного устрой­ ства и нагружаемой платформы.

Перед началом испытания стрелки прогибомеров ставят на нулевые деления.

Установка с использованием элементов сборных железобетон­ ных конструкций. Иногда бывает необходимо провести испыта­ ния грунта статической иагрузкой на площадке, где уже ведутся

32

строительные работы. Как показали работы, проведенные НИИ оснований и подземных сооружений, при наличии на площадке элементов сборных железобетонных конструкций и автокрана грузоподъемностью 3—5 тс производство таких испытаний не представляет больших трудностей и не требует изготовления спе­ циального оборудования.

Применение железобетонных элементов, значительно превос ходящих по размерам обычные штампы, позволяет получать ре­ зультаты более надежные, чем при испытаниях со штампами стандартных размеров.

В зависимости от имеющихся на площадке элементов, разме­ ров фундаментов строящихся сооружений или зданий и давлений на грунт в качестве штампа и груза для испытаний могут при­ меняться различные комбинации элементов.

Проведение испытаний

Полевые испытания статическими нагрузками для определе­ ния модуля деформации (для стадии уплотнения грунта, отобра­ жаемой прямолинейной зависимостью осадки от нагрузки) всех видов крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов (за ис­ ключением текучих с коэффициентом пористости е>1,5, а также просадочных и набухающих) выполняются в соответствии с ГОСТ 12374—66.

Однако в ряде случаев при изучении деформируемости грун­ тов недостаточно определить только значение Е, требуется ис­ следовать более широкий круг вопросов. Это приводит к необхо­ димости руководствоваться при проведении испытаний ведомст­ венными инструкциями, технологическими картами, специально составляемыми программами работ, техническими условиями на эксплуатацию установок и другими документами.

Ввиду того, что испытания црунтов статическими нагрузками в шурфах требуют сравнительно больших затрат и длительного времени, их обычно проводят на последних стадиях проектирова­ ния и инженерно-геологических изысканий, когда уже' имеются геологические разрезы площадки строительства, данные о грун­ товых водах, физико-механических свойствах грунтов и утверж­ ден генеральный план застройки.

Места испытаний и их глубины устанавливают с учетом пред­ полагаемой ширины фундаментов и глубины их заложения.

Испытаниям подвергают все основные несущие слои ірУнтовЕсли в пределах активной зоны залегает один мощный однород­ ный слой, то испытания .проводят на одном горизонте (глубине), примерно соответствующем отметке заложения основных фун­ даментов. При неоднородном основании, сложенном нескольки­ ми слоями, состоящими из грунтов с различными свойствами, испытывают все слои. Мощность испытываемого слоя не должна,

однако, быть менее 1,5—>2 диаметров штампа. При наличии бо­ лее тонких слоев или их чередовании могут быть получены толь­ ко средние значения показателей деформируемости для комплек­ са слоев.

Если мощность активной зоны превышает 6 м (считая от по­ верхности земли), т. е. больше глубины, допустимой для произ­ водства испытаний в шурфах, испытание нижних слоев произво­ дят в скважинах, а в исключительных случаях — в рассечках шахт, специально проходимых для этих целей.

Для того чтобы избежать ошибок при установлении глубины испытаний и быть уверенными, что мощность слоя под штампом достаточна для получения достоверных результатов, испытывае­ мые участки желательно располагать в непосредственной близо­ сти (не далее 3 м) от ранее пройденных разведочных выработок или следует проходить специальные дополнительные выработки у намеченных пунктов испытаний. Обязательным условием явля­ ется расположение технической выработки на расстоянии не да­ лее 10 м от места испытания.

Сечение шурфа для производства испытания может быть лю­ бым (какое позволяет грунт, глубина испытания и имеющаяся установка).

Надежность результатов испытания помимо выбора пункта и отметки зависит от тщательного соблюдения соответствующих требований и в первую очередь от правильной установки штам­ па, размеров ступеней нагрузки и постоянства заданного давле­ ния.

Устанавливая штамп на дно шурфа или котлована, особое внимание необходимо обращать на тщательность зачистки и го­ ризонтальность площадки, в плоскости которой штамп соприкос­ нется с грунтом.

В грунтах, затрудняющих выравнивание (подготовку) по­ верхности площадки, для обеспечения по всей плоскости штампа более полного контакта с грунтом устраивают подготовку из слоя мелкого или средней крупности маловлажного песка. При испытании крупнообломочных грунтов толщина слоя под­ готовки должна быть не более 5 см, а при испытании глинистых грунтов — не более I см.

Небрежная зачистка дна шурфа или низкое качество подго­ товки приводит к завышению значений осадок на первых ступе­ нях нагрузки. Отклонение дна шурфа от горизонтали влечет не­ равномерные осадки штампа, его .перекос, возрастающий с уве­ личением нагрузки, и в некоторых случаях — вынужденное пре­ кращение испытаний.

В тех случаях, когда испытываются текучепластичные, теку­ чие, а иногда и мягкопластичные глинистые грунты, получаемые результаты могут не вполне объективно характеризовать сжи­ маемость грунта вследствие возможного его выпирания из-под

34

штампа. В целях предупреждения такого явления в этих случаях вокруг штампа необходимо устраивать пригрузку или устанавли­

Для предохранения грунта вокруг штампа от высыхания, ув­ лажнения или поомерзания дно шурфа покрывают .слоем опилок, шлака или войлока, а над шурфом устраивают дощатый на­ стил.

Как уже говорилось ранее, нагружение штампа производят ступенями. Размер ступеней нагрузки назначается в зависимости от сжимаемости испытываемых грунтов. Чем более сжимаем грунт, тем менее должен быть размер ступеней.

В связи с этим необходимо отметить, что использование ре­ зультатов испытаний статическими нагрузками для определения модуля деформации в последнее время получило более ограни­ ченное регламентированное ГОСТ 12374—66 применение.

Ограничение .модуля деформации значениями в пределах пря­

возможности построения осредняющей прямой линии для криво­ линейного участка графика S = f(p) не менее чем по четырем точкам получили с выходом ГОСТ 12374—66 обязательный ха­ рактер.

Размер ступеней нагрузки, таким образом, определяется дли­ ной прямой линии графика S = f ( p ), неодинаковой для различ­ ных грунтов, построенной по минимальному числу опытных то­ чек.

По ГОСТ 12374—66 приняты следующие величины ступеней нагрузки в кгс/см2:

Величина ступеней нагрузки для глинистых грунтов в зави­ симости от величины В и е дана в табл. 6.

Такими же ступенями, но не менее 0,5 кгс/см2, производят предварительное уплотнение испытываемого грунта до нагрузки, равной природному давлению на отметке подошвы штампа.

Впервую ступень нагрузки предварительного уплотнения вклю­ чают вес деталей установки, оказывающих давление на штамп.

Втех случаях, когда задачи испытаний не ограничиваются опре­

делением только Е, а имеют целью выявить характер зависи­ мости осадок от нагрузок ів пределах криволинейного участка S = f (p)> последующие ступени нагрузок .могут быть меньшими.

При использовании для нагружения штампов гидравлических домкратов очень важно следить за сохранением постоянства за­ данного давления. Вследствие осадки грунта под штампом дав­ ление неизбежно падает. Нередко оно может падать и из-за не­ значительных утечек масла в домкрате или деформаций элемен­ тов упорных устройств.

Падение давления, если его своевременно не заметить и не принять мер к доведению давления до заданного значения, иска­ зит результаты испытания, уменьшив осадку при данной ступе­ ни нагрузки, и наоборот, преувеличив ее при нагружении следу­ ющей ступенью. Исказится также характер протекания осадки во времени и сократится продолжительность ее затухания. По­ этому во избежание получения неточных данных, затрудняющих, а иногда делающих невозможной их окончательную обработку, необходимо самым тщательным образом следить за сохранением постоянного давления, а еще лучше применять автоматические устройства для его поддержания.

Перед началом испытания следует определить и записать, ка­ ким показаниям манометра соответствует давление штампа на грунт в кгс/см2 при нагрузке каждой ступени.

Величина удельного давления штампа на грунт устанавлива­ ется по формуле

ступенями давлений на грунт. Для того чтобы не производить отсчеты по манометру на глаз, рекомендуют ступени давлений несколько смещать в большую или менышую сторону с таким расчетом, чтобы они соответствовали тому или иному ровному числу делений манометра.

Испытания при необходимости могут выполняться до так на­ зываемого критического или предельного давления. За критиче­ ское принимают такое давление, при котором наблюдается зна­

36

чительное увеличение осадки (по сравнению с осадкой за преды­ дущую ступень нагрузки) при небольшом увеличении нагрузки, или осадка, не затухающая в течение длительного времени и протекающая примерно с одинаковой скоростью.

При предварительном уплотнении грунта каждую ступень на­ грузки выдерживают не менее 5 мин для крупнообломочных и песчаных грунтов и 30 мин для глинистых. Конечную ступень на­ грузки предварительного уплотнения, так же как и последующие ступени, выдерживают до условной стабилизации осадки. За ус­ ловную стабилизацию осадки принимают ее приращение не бо­

нии испытания, площади штампа, типе установки, виде испыты­ ваемого лрунта и отобранных из него образцах, а также сведе­ ния о всех особенностях и неполадках, отмеченных в процессе испытания.

Одновременно с журналом составляют график S — f(t), ил­ люстрирующий протекание осадки во времени (рис. 10), и график S =f ( p ) (рис. 11), выражающий зависимость осадки от удельного давления.

Участок пропорциональной зависимости осадки от

5, мм

Рис. 10. График -осадки штам­ па во времени

37

Эти графики позволяют контролировать ход испытания, об­ наруживать недостатки в его выполнении и устанавливать кри­ тическое давление по указанным выше признакам.

Обработка результатов испытаний

По результатам испытания грунтов статической нагрузкой да­ ют оценку его сжимаемости, количественной характеристикой которой служит модуль деформации Е. Основанием для этой оценки является график S = f(p), выражающий зависимость осадки грунта под штампом от удельного давления.

По оси абсцисс графика откладывают значения ступеней на­ грузки (в масштабе 1 см — 0,25 кгс/см2), по оси ординат — осад­

испытания, .график осадки во времени S = f (t), данные инженер­ но-геологических изысканий (в частности, геологический разрез места испытания), результаты лабораторных определений физи­ ко-механических свойств испытанных грунтов, а также данные о предполагаемых размерах фундаментов и нагрузках на них.

На рис. 11 изображен график S = f ( p ), на котором показаны основные точки и участки, отражающие ход испытания грунта и характеризующие его сжимаемость. Так как .нагружение штам­ па ведут ступенями, график осадки имеет ступенчатый характер. Поскольку нагружение штампа осуществляют не мгновенно, а процесс длится в течение более или менее продолжительного времени, часть осадки грунта происходит за время нагружения. Поэтому суммарная осадка за ступень нагрузки складывается из осадки за время нагружения и осадки за время наблюдения.

Главной количественной характеристикой грунта, получае­ мой в результате испытания и входящей во все виды расчетов осадок сооружений, является модуль деформации Е.

Модуль деформации Е определяется котангенсом угла накло­ на линии S — f(p). Поскольку, как уже было сказано ранее, угол наклона этой линии с возрастанием давления на грунт увеличи­ вается, значение модуля деформации соответственно уменьша­ ется.

Для расчета осадок сооружений необходимо иметь вполне оп­ ределенное значение модуля деформации грунтов оснований. Учитывая, что модуль деформации является величиной непосто­ янной, значение его устанавливают для принятого в практике расчета по теории линейно-деформируемого тела.

Если ступени нагрузок назначены правильно и испытание проведено без дефектов, то огибающая, проведенная по нижним

38

стке проводят методом наименьших квадратов или графически' ооредняющую прямую.

Количество опытных точек для построения осредняющеп пря­ мой должно быть не менее четырех (включая точку, соответству­ ющую бытовой натрузке).

Р і+ і приращение осадки будет равно или больше приращения осадки при рі, за конечные значения рп и S n принимают рі-\ и Si-i. При этом количество точек, необходимых для пост­ роения осредняющей прямой, должно быть не менее трех. В про­ тивном случае при испытании грунта необходимо принять мень­ шие по величине ступени удельных нагрузок.

Построенная с учетом приведенных выше положений ГОСТ 1.2374—10.6 ооредняющая прямая используется для вычисления численного значения модуля деформации Е.

Модуль деформации вычисляют по формуле (7), где Др — приращение удельной ступени нагрузки на штамп между /?быт и и /) в кгс/см2, a AS — приращение осадки штампа, соответствую­ щее Ар, в см.

Обычно испытания грунтов штампами выполняют с большим, чем указано выше, числом ступеней нагрузок. В этих случаях, если испытание доведено до нагрузки, являющейся критической, график S=f (p) приобретает криволинейное очертание.

39