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

Суммарная осадка, зафиксированная за все ступени нагруз­ ки, называется полной осадкой. Полная осадка, т. е. деформа­ ция, состоит из остаточной и упругой деформаций, которые оп­ ределяют наблюдениями при разгрузке штампа.

Удельное давление под штампом, соответствующее на гра­ фике S=f(p) точке, характеризующей начало криволинейного участка, принято называть пределом пропорциональной зависи­ мости рП-

Полная осадка, так же как остаточная и упругая деформа­ ции, служит только для качественной характеристики грунта. Величина полной осадки при равных критических нагрузках указывает на большую или меньшую сжимаемость и прочность грунта.

Так, у глинистых грунтов упругая деформация обычно боль­ ше, чем у песков. Удельное давление на грунт, соответствующее пределу пропорциональной зависимости, до известной степени является количественной характеристикой и в некоторых случа­ ях может применяться в качестве нормативного давления на грунт.

Следует отметить, что график S=f (p) часто имеет не такой идеальный вид, как показано на рис. 11. Рассмотрим несколько наиболее часто .встречающихся типов этого графика.

При нагружении штампа первыми ступенями нагрузки осад­ ка происходит не за счет уплотнения слоя испытываемого грун­ та по всей площади штампа, а за счет обжатия отдельных вы­ ступающих участков, уплотнения разрыхленной поверхности или выпора из-под штампа переувлажненного разжиженного грунта.

Таким образом, осадка AS (см. рис. 12) не характеризует сжимаемость испытываемого грунта, и поэтому во избежание искусственного занижения его несущей способности «е должна учитываться при определении модуля деформации Е по графи­ ку приведенного типа.

2. На первых ступенях нагрузки осадки отсутствуют, и кри­ вая графика начинается не с 0, а при некотором удельном дав­ лении р\ (рис. іІЗ).

Отсутствие осадки на первых ступенях нагрузки часто пыта­ ются объяснить тем, что измерительные приборы включают по­ сле окончания монтажа всей установки, и, следовательно, осад­ ки, происшедшие под воздействием собственного веса установки

40

(который входит в общую нагрузку на штамп), остаются неуч­

тенными.

Несомненно, что некоторая часть осадки, которая происходит от собственного веса установки, может остаться не измеренной. Однако собственный вес установки даже при испытании в шур­ фе на глубине 5 м не превышает 500 кг и, следовательно, удель­ ное давление на труінт при штампе площадью 5000 см2 состав­ ляет не более 0,1 кгс/см2. Это в несколько раз меньше давления,

тем более объяснить отсутствие осадки на первых ступенях на­ грузки.

Попытка объяснить отсутствие осадки влиянием бытового давления также не убедительна. В подавляющем большинстве случаев даже при испытаниях на глубине 20 м и более (где бы­ товое давление превышает 3 кгс/см2) осадки наблюдаются с на­ чала приложения нагрузки первой ступени.

Объяснение рассматриваемому явлению, т. е. отсутствию осадок на первых ступенях нагрузок, по-видимому, следует искать не в бытовом давлении и не в собственном весе установ­ ки, а в свойствах самого грунта, в его структурной прочности.

При деформации грунта под нагрузкой происходит взаимное перемещение слагающих его частиц и изменение его структуры. Для того чтобы частицы могли взаимно перемещаться, необхо­ димо преодолеть силы, препятствующие этому .перемещению,— силы трения и оцепления. Если эти силы превышают величину бытового давления и давления от собственного веса установки, то осадки при первых нагружениях штампа отсутствуют, что происходит в так называемых переуплотненных грунтах.

Только при испытании очень слабых сильносжимаемых грунтов, когда первые ступени нагрузки принимаются меньше 0,25 кгс/см2, а давление на пределе пропорциональной зависимо­ сти мало и не превышает 1—1,5 кгс/см2, осадки от собственного: веса установки могут иметь существенное значение. При этом: численное значение осадки, которая произошла до включения измерительных приборов, принимается равным отрезку AS,. отсекаемому на оси ординат продолжением прямолинейного' участка кривой (см. рис. 13). К сказанному добавим, что при испытании переуплотненных грунтов или грунтов с высокими структурными связями, осадки при нагрузках первых ступеней весьма незначительны и могут быть не обнаружены вследствие

недостаточной чувствительности примененных измерительных приборов.

3. Осадки, закономерно возрастающие с увеличением наг­ рузки, при достижении некоторого давления рі начинают умень­ шаться, и кривая графика становится более пологой (рис. 14).

Такой вид график приобретает при наличии на небольшой глубине под штампом в слое испытываемого грунта или под

41

P i P, кгс/ CM ?

— п : 1 4

" V

'і к.

■тс

1V

S} мм

Р-ис. 14. График S = f(p). Незако­ номерное уменьшение осадш пои росте иатрузіки

Рнс. .15. График S = f{p). Иераииомерный прирост осадок по ступеням нагрузки

ним прослойки более плотного грунта или крупных включений (камней, валунов).

Результаты такого испытания использоваться не могут Грунт под штампом должен быть проверен .с помощью шурфа, а испытание повторено на новой точке.

4. Осадки за отдельные промежуточные ступени нагрузк изменяются без видимой закономерности и имеют значения, меньшие или большие, чем за предыдущую и последующие сту­ пени нагрузки (рис. 15).

Такие отклонения объясняются неисправностями гидравли­ ческого домкрата, например «заклиниванием» штока при пере­ косе упорной балки вследствие выдергивания анкерных свай, неисправностью измерительных приборов, несвоевременным по­ лучением отсчетов или получением ошибочных отсчетов.

От использования этого графика следует отказаться.

3. ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА В СКВАЖИНАХ

Испытания грунтов в шурфах проводят при глубине уста­ новки штампа, не превышающей обычно 5 м.

При необходимости испытания на большей глубине, а также при наличии выше отметки установки штампа водонасыщенных

•грунтов, затрудняющих проходку шурфов, испытания штампами проводят в буровых скважинах. Учитывая, что основным факто­ ром, определяющим достоверность установления модуля дефор­ мации пробными нагрузками, является качество подготовки ос­ нования при установке штампа, испытания в скважинах следу­ ет считать менее надежными, чем в шурфах, и к результатам таких испытаний подходить осторожно.

42

Оборудование

Штампы. Для испытаний в скважинах используют круглые в' плане штампы площадью 600 см2 (диаметром 27,7 см). Штамп опускают в закрепленную обсадными трубами скважину диамет­ ром 326 мм на трубах диаметром 219 мм. В зависимости от ви­ да грунта и условий проведения опыта применяют различные штампы, конструкция которых определяется необходимостью подготовки (выравнивания) забоя скважины и достижения наи­ более полного контакта между нижней плоскостью штампа и грунтом.

Для испытания маловлажных глинистых и песчаных грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод, применяют штамп, конструкция которого показана на рис. 16. Перед опусканием такого штампа забой скважины предварительно выравнивают специальным завистным ножом.

Для испытаний песчаных грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, когда невозможно предварительно выровнять забой скважины, применяют штамп, снабженный зачистными ножами (рис. 17). Контакт между грунтом и нижней плоскостью такого штампа достигается вращением (притиркой) штампа по­ сле опускания в скважину без отрыва от забоя.

Для испытания глинистых грунтов, находящихся в мягкопластичном и текучем состоянии, применяется штамп с фильт­ ром. При установке такого штампа забой скважины выравнива­ ется так же, как для маловлажных глинистых и песчаных грун­ тов, залегающих выше уровня грунтовых вод.

Как уже отмечалось, основным недостатком испытаний грунтов в скважинах является невозможность надежного конт­ роля над контактом между грунтом и штампом при его установ­ ке, что особенно важно при проходке мелкозернистых песков и супесей, залегающих ниже уровня грунтовых вод.

Это обстоятельство приводит к необходимости разработки конструкций штампов, позволяющих более надежно устанавли­ вать их в забой скважины. Одной из таких конструкций являет­ ся штамп, снабженный поворачивающимися ножами, которые при зачистке забоя скважины и установке штампа в забой от­ крываются, а при производстве испытаний закрываются, обра­ зуя с днищем сплошную ровную поверхность. Открываются и за­ крываются ножи поворотом штанг.

Установки для нагружения штампа. Установки для нагру­ жения штампа при производстве статических испытаний в сква­ жинах, так же как при производстве испытаний в шурфах, под­ разделяются на установки с гидравлическими домкратами и установки с нагружаемой подвесной платформой.

Установки с гидравлическими домкратами. Для упора гид­ равлического домкрата при испытаниях грунтов статическими

43

Рис. IT. Штамп для испы­ таний песчаных грунтов,

залегающих миже уровня грунтовых вод ..

44

нагрузками применяют устройства с винтовыми анкерными сваями и -с использованием обсадной трубы.

меньшие нагрузки, не превышающие 3—6 тс. Б соответствии с этим для упорнаго устройства, воспринимающего реактивное усилие от домкрата, достаточно обычно двух винтовых свай.

Упорное устройство состоит из трубы-стойки диаметром 219 мм, нижний .конец которой упирается в штамп, а на верхний, снабженный подкладкой из листового железа, устанавливается гидравлический домкрат. Домкрат выдвижной головкой упира­ ется в упорную балку, удерживаемую двумя винтовыми сваями и прикрепленную к ним с помощью анкерных болтов и балок анкерной системы.

При усилии, не превышающем 6 тс (удельное давление под штампом до 10 кгс/см2), и расстоянии между анкерными сваями 3 м в качестве упорной принимается двутавровая балка № 40. Труба-стойка, длина которой определяется глубиной установки штампа, состоит из отдельных отрезков, соединяемых с по-

Рис. 18. Установка для испыта­ ний г.рунто-в штам­ пом 600 см2 с вин­ товыми анкер­

ными сваями

/ —штамп; 2 — муф­

мощью муфт на резьбе. Для испытаний в скважинах .применяют те же винтовые сваи, что и для испытаний в шурфах.

возможно при достаточной глубине скважины, когда трение об­ садной трубы о грунт обеспечивает необходимое сопротивление выдергиванию.'

Установка с нагружаемой подвесной платформой. іПри испы­ тании штампом площадью 600 см2 необходимая нагрузка редко превышает 3 —4 тс, поэтому монтаж установки при этих нспы-

45

таниях значительно проще, чем при испытаниях штампом пло­ щадью 5000 см2. Этим обстоятельством, а также надежными ре­ зультатами испытаний с применением тарированного .груза можно объяснить широкое распространение установок с на­ гружаемой .платформой (однако следует иметь ів виду: чем мень­ ше площадь штампа, тем меньшую точность при одном и том же удельном давлении под штампом можно получить при нагруже­ нии гидравлическим домкратом).

Установка такого типа (рис. 19) состоит из платформы 7, подвешенной на тягах через муфту и головку к трубе-стойке, бу­ ровой вышки с направляющими брусьями для обеспечения вер­ тикального положения трубы-стойки при испытании, тарирован­ ного (обычно штучного) груза и опорных стоек для установки на них платформы в период монтажа, демонтажа и укладки груза.

При испытаниях на большой глубине в целях предупрежде­ ния обжатия грунта от собственного веса установки при монта­ же до начала наблюдений штамп, труба-стойка и грузовая плат­ форма подвешиваются с помо­ щью противовеса, состоящего из рычага и подвесной плат­

формы 4 с грузом.

46

Противовес устраивают из такого расчета, чтобы усилие на грунт от веса штампа, трубы-стойки и грузовой платформы пре­ вышало усилие от противовеса на величину первой ступени наг­ рузки при испытании (обычно 150—300 кгс). При этом обеспечи­ вается плотное прилегание штампа к грунту в период монтажа установки.

Монтаж грузовой платформы осуществляется в такой после­ довательности: трубу-стойку со штампом внизу подвешивают с помощью хомута на обсадных трубах (между забоем скважины и нижней плоскостью штампа сохраняется небольшой зазор). Грузовую платформу устанавливают над устьем скважины на временных подкладках или на опорных стойках. На трубустойку навинчивают последнее (верхнее) звено, снабженное сверху муфтой и головкой для подвешивания платформы. Трубу стойку центрируют в обсадных трубах с помощью направляю­

щих брусьев. Платформу на четырех тягах подвешивают к тру­ бе-стойке. Устанавливают балансирный рычаг и подвешивают

•платформу противовеса, после чего штамп опускают в забой скважины.

К а н а т н о - р ы ч а ж н а я у с т а н о в к а КРУ-600 (рис. 20) состоит из рамы, укрепленной на опорных балках и снабженной уравновешенным загрузочным рычагом. На конце рычаг имеет грузовой сегмент с прикрепленным к нему тросом для подвески груза.

Усилие на штамп передается штангой, жестко связанной с загрузочным рычагом. Осадки штампа фиксируются самописцем, имеющим часовой механизм. Установка укрепляется на пло­ щадке с помощью винтовых анкерных свай. Сегмент на конце рычага обеспечивает постоянное усилие на штамп по мере его осадки. Ниже приведена краткая техническая характеристика установки КРУ-600.

Приборы для измерения осадок. При испытаниях в скважи­ нах штампом площадью 600 см2 используют те же приборы, что и при испытаниях штампом площадью 5000 см2. Описание этих

•приборов, а также схема их установки были приведены ранее.

47

Проведение испытаний

Достоверность результатов, полученных при испытании грунта штампами, может быть обеспечена при сохранении есте­ ственного состояния грунта ниже штампа и плотности прилега­ ния штампа к грунту по всей площади основания штампа.

Если при испытании в шурфах эти требования можно выпол­ нить сравнительно просто в результате непосредственного до­ ступа к месту испытания, то при испытаниях в скважинах, в ко­ торых подготовка забоя и установка штампа производятся с поверхности, выполнить указанные требования довольно трудно.

Особенно затруднительна установка штампа в мелкозерни­ стых водонасыщенных грунтах, поэтому испытания в скважинах должны проводиться опытным персоналом.

Большое внимание при установке штампа требуется уделять правильности его заглубления относительно низа обсадных труб. При этом рабочая плоскость штампа должна быть распо­ ложена несколько ниже кромки обсадных труб. Несоблюдение этого условия может привести к испытанию грунтовой «пробки», если штамп будет оставлен в обсадных трубах, либо « испыта­ нию нарушенного обвалившегося в забой грунта, если штамп будет опущен намного ниже обсадных труб. В практике Фундаментпроекта принято располагать штамп на 3—5 см ниже кром­ ки обсадных труб.

Подготовка к испытанию состоит из бурения скважины с отбором образцов грунта, зачистки забоя скважины для уста­ новки штампа,, установки штампа (в случае невозможности предварительной зачистки забоя последние две операции совме­ щаются), монтажа устройства для нагружения и установки из­ мерительной аппаратуры. При испытании грунта круглым штампом диаметром 27,7 см скважину для испытания обсажи­ вают трубами диаметром 326 мм.

В .процессе бурения особое внимание уделяют соблюдению вертикальности скважины. С глубины 1,5—2 м выше отметки испытания скважину проходят буровой ложкой, а последние 3—б см углубляют зачистным ножом (или штампом, снабжен­ ным зачионными ножами).

При подготовке испытания в водонасыщенных грунтах, спо­ собных образовать «пробку» и требующих применения штампа с зачистными ножами, скважину до заданной отметки испыта­ ния углубляют вращением самого штампа. При этом штамп после заглубления его до требуемой отметки от забоя скважины не отрывают. Бурение скважины, установку штампа и испыта­ ние производят в таких грунтах при сохранении уровня воды в скважине, равного уровню воды вне скважины.

При бурении скважины в зоне на 30—40 см выше отметки установки штампа с помощью грунтоноса отбирают образец грун­ та ненарушенной структуры для лабораторных определений.

48

По окончании бурения и подготовки забоя в скважину опус­

а штамп в забой опускают после монтажа всей установки. Точ­ ность установки штампа по центру скважины обеспечивают центрирующим хоімутом, укрепленным на трубе-стойке непос­ редственно над штампом. В тех же целях, а также іво избежание изгиба трубы-стойки при нагружении центрирующие хомуты ус­ танавливают через каждые б м по высоте трубы-стойки.

После установки штампа монтируют упорное устройство и устанавливают измерительную аппаратуру.

В процессе испытаний ведут журнал, а результаты испыта­ ний оформляют в виде графика, так же как при испытаниях со штампом площадью 5000 см2.

В заключение главы приведем несколько примеров практи­ ческого использования результатов испытаний грунтов штам­ пами.

Пример 1. Исследование сжимаемости грунтов в основании телевизионной башни в Останкине. В период с сентября 1959 по март 1960 г. институт «Фундаментпроект» проводил исследования по определению в полевых условиях сжимаемости грунтов в основании проектируемой в то время башни. Об­ щесоюзной радиотелевизионной станции в Останкине.

Результаты этих исследований в виде значений модуля деформации, оп­ ределенных для различных литологических разновидностей грунтов, находя­ щихся в активной зоне под фундаментом, должны были явиться основой при расчете осадок башни. Естественно, что исключительная уникальность соору­ жения и использование для него неглубоко заложенного фундамента на есте­ ственном основании, требовали особой тщательности при выполнении изыска­ тельских работ.

Напомним, что башня представляет собой самое высокое в мире (533,3 м) свободно стоящее сооружение (рис. 23). Основным фундаментом башни на отметке ±0,0 м является десятиугольная кольцевая пллта из преднапряженного железобетона, имеющая следующие .размеры: оредний диаметр кольца 61 м, его ширину 9,5 м и толщину от 3 до 4,5 м. Глубина заложения фунда­ мента от пола вестибюля 4,65 м. іК началу строительства подошва фунда­ мента располагалась на глубине всего около 2,9 м от поверхности площадки.-

В геологическом отношении площадка строительства телевизионной баш­ ни характеризуется следующими условиями (рис. 22). С поверхности под растительным слоем до глубины 7,35—14,6 м залегают ледниковые обложе­ ния днепровской стадии оледенения. Эти отложения представлены двумя слоями моренных суглинков, разделенных слоем среднезернистого и 'М елко­

зернистого песка мощностью от 1,3 до 5 м. Верхний слой суглинков, харак­ теризующийся наличием линз песка, включениями гравия, тальки, щебня и валунов, имеет мощность 4—5 м, второй слой— 1—2,8 м. Ниже залегают флговиогляциальные средне- и мелкозернистые пески с прослоями суглинков. Общая мощность этой толщи составляет 6—8 иі.

Четвертичные отложения сменяются юрскими породами, представленными в верхней части песками и сильноопесчаненными глинами, а -в нижней — чер­ ными и темно-серыми слюдистыми глинами с прослоями песка.

Было решено испытывать статическими нагрузками основные разновидно­ сти отложений днепровского оледенения и флювиогляциальные пески. Учи­

49