3.2. Требования к отбору, хранению, транспортировке и качеству образцов грунта

Отбор образцов грунта нарушенного сложения [16]. Образцы природных дисперсных, мерзлых и техногенных грунтов необходимо отбирать из открытых горных выработок бороздовым методом а из скважин – точечным методом. Отбор образцов из открытых выработок следует выполнять из лунки на дне выработки или борозды на ее стенке после удаления засохшего или размоченного грунта.

Образцы грунта нарушенного сложения, для которых не требуется сохранение природной влажности, укладывают в тару, обеспечивающую сохранение мелких частиц грунта. Образцы для которых требуется сохранение природной влажности, укладывают в тару с герметически закрывающимися крышками. Грунт должен заполнить тару полностью. Образцы грунта, предназначенные для определения влажности, необходимо взвесить сразу после отбора. Внутрь тары вместе с образцом укладывают этикетку, завернутую в кальку, покрытую слоем парафина с гудроном; вторую этикетку наклеивают на тару. На этикетке необходимо указать: наименование организации, проводящей изыскания; наименование объекта, выработки и ее номер; глубину отбора образца; краткое описание грунта; должность и фамилию лица, производящего отбор образцов, его подпись; дату отбора образца.

Отбор монолитов. При отборе монолитов из горных выработок применяют точечный метод отбора образцов. Монолиты, у которых сохраняется форма без жесткой тары, отбирают с помощью ножа, лопаты и пр. в виде куска грунта. Монолиты скального рыхлого и малопрочного, а также крупнообломочного грунта допускается отбирать способом насаживания тары на образец. Высота монолита должна быть не менее его диаметра. В сложных условиях допускается отбирать монолиты, состоящие из двух или более кусков с минимальной высотой каждого не менее 70 мм. При отборе монолитов из скважин применяют грунтоносы обуривающего, вдавливаемого, забивного и вибрационного типов, которые следует выбирать в зависимости от класса грунта и его разновидностей. Для отбора монолитов скальных и полускальных очень плотных и плотных грунтов следует применять одинарные колонковые трубы, для отбора рыхлых водопроницаемых грунтов следует использовать двойные колонковые трубы с внутренней невращающейся трубой. В табл. 3.6 и 3.7 приведены размеры и масса образцов грунта необходимые для определения характеристик их свойств.

Монолит немерзлого грунта, отобранный без жесткой тары, следует немедленно туго обматать слоем марли, пропитанной смесью парафина с гудроном, затем монолит надлежит покрыть слоем смеси парафина с гудроном, обмотать вторым слоем марли, пропитанной смесью парафина с гудроном, и еще раз покрыть слоем парафина с гудроном толщиной не менее 2 мм. До парафинирования на верхнюю грань монолита следует положить этикетку, завернутую в кальку, покрытую слоем парафина с гудроном. Смесь парафина с гудроном, применяемая для парафинирования, должна иметь температуру 55–60 °С.

Монолиты немерзлого грунта, отобранные в жесткую тару, должны быть немедленно упакованы. Открытые концы следует закрыть жесткими крышками с резиновыми прокладками. Место соединения крышки с тарой покрывают двойным слоем изоляционной ленты или парафинируют. До установки крышки на верхнюю грань монолита укладывают этикетку. Второй экземпляр этикетки прикрепляют на боковую поверхность жесткой тары.

Монолиты мерзлого грунта следует изолировать способом намораживания на них корки льда толщиной не менее 1 см. Для этого монолит следует многократно погрузить в охлажденную воду или облить охлажденной водой. После каждого погружения или обливания вода на поверхности монолита должна быть заморожена. До замораживания на верх монолита следует уложить этикетку, втрую этикетку необходимо прикрепить сверху монолита перед последним погружением в воду [18].

Решающее влияние на степень повреждения образцов при опробовании имеет чувствительность грунта к механическим воздействиям: слабые грунты более склонны к повреждению, в то время как менее чувствительные грунты, такие как большинство плотных глин, требуют более простых методов опробования. Оценить качество образцов можно используя площадной коэффициент A_r:

A_r=(d₀²–d_i²)/d_i²,

где d₀ и d_i – внешний и внутренний диаметры пробоотборника. Если A_r10 %, то считается, что состояние образца ненарушенное.

Транспортирование и хранение образцов [16]. Образцы грунта, предназначенные для транспортирования в лаборатории, необходимо упаковывать в ящики (термосы). Монолиты немерзлых грунтов укладывают в ящики со слоем стружки или опилок на дне толщиной не менее 5 см. Монолиты мерзлых грунтов укладывают в специальные термосы, состоящие из наружного и внутреннего деревянных ящиков, пространство между которыми заполнено теплоизоляционным материалом (вата, сухой мох и др.). При укладке монолиты отделяют от стен ящика плотным слоем заполнителя толщиной 3–4 см и друг от друга слоем толщиной 2–3 см. В качестве заполнителя используют влажные (для монолитов немерзлого грунта) или сухие (для монолитов мерзлого грунта) древесные опилки, стружку.

Таблица 3.6

Размеры и масса образцов необходимые для лабораторных испытаний грунтов [16]

Номер документа	Характеристика грунта	Метод определения	Область применения метода	Масса и размер образцов
ГОСТ 5180	Влажность: в том числе гигроскопическая	Высушивание до постоянной массы	Дисперсные грунты, кроме крупнообломочных	15-50 г
	суммарная	Средней пробой	Мерзлые грунты со слоистой и сетчатой текстурой	1–3 кг
	границы текучести и раскатывания	Пенетрация конусом и раскатыванием в жгут	Глинистые грунты	300 г
	Плотность:	Режущим кольцом	Грунты, легко поддающиеся вырезке или не сохраняющие формы без кольца, сыпучемерзлые и с массивной криогенной текстурой	dк  70 мм 70  hk  21 мм к = 2,0–4,0 мм
			Глинистые немерзлые грунты	dк  50 мм 40  hk  15 мм к = 1,5–2,0 мм
		Взвешивание в воде парафинированных образцов	Глинистые немерзлые грунты	V  50 см3
		Взвешивание в нейтральной жидкости	Глинистые мерзлые грунты	100–150 г
	частиц грунта	Пикнометрический	Все дисперсные грунты (кроме крупнообломочных)	100–200 г
ГОСТ 22733	максимальная плотность	Послойное трамбование грунта	Пески, глинистые грунты, крупнообломочные (гравийные) грунты	Не менее 10 кг
ГОСТ 12536	Состав: гранулометрический (зерновой)	Ситовой	Пески с крупностью зерен от 10 до 0,5 мм	100–2000 г
		Ареометрический	Глинистые грунты	200 г
	Гранулометрический и микроагрегатный	Пипеточный	Глинистые грунты	10–20 г
ГОСТ 23740	содержание растительных остатков	Выделение сухим или мокрым способом	Пески и глинистые грунты	Не менее100 г
	содержание гумуса	Оксидометрический после удаления хлоридов	Пески и глинистые грунты	Не менее 100 г
		Сухое сжигание после удаления карбонатов
ГОСТ 26263	Теплопроводность мерзлых грунтов	Стационарный тепловой режим	Пески, глинистые грунты, органоминеральные, крупнообломочные (гравийные) грунты	Цилиндр d = 100–230 мм h = 30 мм
ГОСТ 12248	Деформируемостъ немерзлых грунтов: модуль деформации; коэффициент поперечной деформации, коэффициент сжимаемости;	Дренированное испытание при трехосном сжатии	Все дисперсные грунты, кроме крупнообломочных	Цилиндр d  38 мм при отношении h/d = 2:1–2,5:1
		Компрессионное сжатие	Пески мелкие и пылеватые; глинистые грунты с IL>0,25; органоминеральные и органические грунты	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d =1:3,5
	Коэффициент фильтрационной и вторичной консолидации	То же	Глинистые, органоминеральные и органические грунты	То же
	Структурная прочность	Компрессионное сжатие	Глинистые и органоминеральные грунты	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d =1:3,5
ГОСТ 23161	Относительная просадочность при заданном давлении	Компрессионное сжатие по схеме «одной кривой»	Глинистые грунты и пески пылеватые (просадочные разности)	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d =1:3,5
	Относительная просадочность при различных давле-ниях и начальное просадочное давление	Компрессионное сжатие по схеме «двух кривых»

Окончание табл. 3.6

Номер документа	Характеристика грунта	Метод определения	Область применения метода	Масса и размер образцов
ГОСТ 24143	Относительное набухание при различных давлениях и давление набухания	Компрессионное сжатие	Глинистые и набухающие грунты	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d =1:3,5
	Относительная усадка (по высоте, диаметру, объему)	При свободной трехосной деформации	То же	То же
ГОСТ 12248	Относительное суффозионное сжатие при заданном давлении	Компрессионное сжатие по схеме «одной кривой»	Засоленные (содержащие легко- и среднерастворимые соли), пески (кроме гравелистых), супеси и суглинки	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d =1:3,5
	Относительное суффозионное сжатие при различных давлениях и начальное давление суффозионного сжатия	То же, по схеме «трех кривых»	То же	То же
ГОСТ 12248	Прочность немерзлых грунтов: предел прочности на одноосное сжатие; сопротивление недренированному сдвигу	Одноосное сжатие	Полускальные грунты и глинистые водонасыщенные грунты, сохраняющие форму без кольца	Цилиндр d =40–100 мм при отношении h/d = 1:1–2:1
ГОСТ 12248	Угол внутреннего трения; удельное сцепление; сопротивление недренированному сдвигу	Неконсолидированно-недренированное испытание при трехосном сжатии	Глинистые, органоминеральные и органические грунты в нестабилизированном состоянии	Цилиндр d  38 мм при отношении h/d = 2:1–2,5:1
		Консолидированно-недренированное испытание при трехосном сжатии
		Консолидированно-дренированное испытание при трехосном сжатии	Все дисперсные грунты
	Сопротивление срезу; угол внутреннего трения; удельное сцепление	Одноплоскостной срез	Пески (кроме гравелистых и крупных); глинистые и органоминеральные грунты	Цилиндр d  70 мм при отношении h/d = 1:3–1:2
	Прочность и деформируемость мерзлых грунтов: коэффициент сжимаемости	Компрессионное сжатие	Глинистые пластично-мерзлые грунты	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d = 1:3,5
	Коэффициент оттаивания; коэффициент сжимаемости при оттаивании	То же	Пески (кроме гравелистых и крупных), глинистые грунты
	Предел прочности на одноосное сжатие; модуль линейной деформации; коэффициент поперечного расширения;	Одноосное сжатие	То же	Цилиндр d = 71,4 мм, h = 140 мм или d = 49 мм, h = 100 мм
	Коэффициент нелинейной деформации; коэффициент вязкости для сильнольдистых грунтов	Одноосное сжатие	Пески (кроме гравелистых и крупных), глинистые грунты	Цилиндр d = 71,4 мм, h = 140 мм или d = 49 мм h = 100 мм
	Предельно длительное значение эквивалентного сцепления	Испытание шариковым штампом	Пески мелкие и пылеватые, глинистые грунты	Цилиндр d  71 мм при отношении h/d = 1:3,5
	Сопротивление срезу по поверхности смерзания	Одноплоскостной срез по поверхности смерзания	Пески (кроме гравелистых и крупных), глинистые грунты	Цилиндр d  70 мм при отношении h/d = 1:3–1:2
Примечание : d – диаметр образца, h – высота образца, dk – диаметр кольца, hk – высота кольца, к – толщина стенки кольца, V – объем образца.

Таблица 3.7

Минимальные размеры монолитов грунта (мм), отбираемых из скважин

Грунты			Минимальная высота монолита	Минимальный диаметр монолита	Размер нарушенной периферийной зоны
Скальные			60–70	40	3
Крупнообломочные			–	200	20
Пески:		плотные	100	90	10
		рыхлые
Глинистые:	твердые		150	90	10
	полутвердые
	тугопластичные
	пластичные		150	100	10
	мягкопластичные
	текучепластичные		100	80	5
	текучие

В лабораторию, расположенную вблизи места отбора, образцы допускается транспортировать без ящиков, но с обязательным соблюдением мер защиты от повреждения изоляционного слоя образцов и подсыхания грунта. Срок хранения упакованных образцов грунта нарушенного сложения, для которых требуется сохранение природной влажности, с момента отбора до начала лабораторных испытаний не должен превышать 2 сут. Сроки хранения монолитов немерзлого грунта с момента отбора до начала лабораторных испытаний в помещениях или камерах, не должны превышать: 1,5 месяца – для скальных грунтов, песков, глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции; 1 месяца – для других разновидностей грунтов. Образцы мерзлого грунта допускается хранить не более 10 сут.

Монолиты немерзлых грунтов, упакованные в ящики, необходимо транспортировать при положительной температуре окружающего воздуха, а монолиты мерзлых грунтов – при отрицательной температуре воздуха или транспортом, оборудованным холодильными камерами. Упакованные образцы грунта, доставленные в лабораторию без документации, принимать на хранение и производство лабораторных испытаний запрещается. Упакованные образцы грунта нарушенного сложения, для которых требуется сохранение природной влажности, а также упакованные монолиты следует хранить в помещениях или камерах, в которых воздух имеет относительную влажность 70–80 % и температуру плюс 2–10 °С; при хранении монолитов мерзлого грунта – относительную влажность 80–90 % и отрицательную температуру.

Монолиты мерзлых грунтов допускается хранить в специальных горных выработках, пройденных в мерзлых грунтах. При хранении монолиты не должны подвергаться резким динамическим воздействиям, касаться друг друга и стоек полок; должны размещаться на полках помещения (камеры) всей нижней поверхностью в один ярус таким образом, чтобы этикетки находились сверху. При длительном хранении монолитов немерзлых грунтов их необходимо покрывать влажной тканью или опилками.

Наиболее сложно сохранить состав и свойства органических и органоминеральных грунтов, так как даже при непродолжительном хранении в них интенсивно развивается микрофлора и идет минерализация органики. Максимальное количество микроорганизмов в торфах наблюдается в первый месяц хранения, с увеличением степени разложения их число уменьшается. Как в естественном, так и в нарушенном состоянии наиболее подвержен разложению верхний слой грунта толщиной до 5–10 см, после 10 см наблюдается некоторая относительная стабилизация количества микроорганизмов. Наименее устойчивы к распаду малоразложившиеся осоковые, пушицевые и шейхцериевые виды торфа, которые необходимо исследовать в первую очередь. Образцы представленные сфагновыми видами могут храниться значительно дольше. В то же время, в верховом водонасыщенном торфе быстрее развиваются микроорганизмы вызывающие газообразование и всплывание торфа, которые разлагают белки и углеводы с выделением разнообразных продуктов метаболизма: таких как метан, углекислый газ, сероводород. Поэтому, после хранения перед опытом необходимо убедится, что степень разложения образца не отличается от исходной, в обратном случае необходимо удалить верхний разложившийся слой торфа [56].

Категории методов отбора образцов и классы качества образцов для лабораторных испытаний. Качество образцов грунта можно оценить используя процедуру, предложенную К.Терцаги, согласно которой категория качества образцов (Specimen Quality Designation – SQD) изменяется от А (лучшее) до Е (худшее). Образцы хорошего качества должны соответствовать категории от А до В для глин с коэффициентом переуплотнения OCR < 3–5, образцы с удовлетворительным качеством соответствуют интервалу SQD от В до С. Если объемная деформация при реконсолидации находится в интервале от 0 до 4 %, то результаты испытаний с целью определения параметров прочности и деформируемости не вызывают сомнений [5].

При проходке скважин, отборе керна, извлечения его из грунтоноса и вырезании из монолита образцов происходит частичное разрушение структурных связей, разуплотнение грунта при снятии бытовой нагрузки, процессы газовыделения из поровой жидкости, образование трещин или разрывов. Эффективные напряжения в образце после его извлечения на поверхность практически равны нулю и их вновь необходимо создать в образце перед началом механических испытаний.

На рис. 3.6 показано изменение напряжений в образце грунта, по мере того как он извлекается из массива грунта и подготавливается к испытаниям. На точке F рис. 3.6 бытовые напряжения в образце значительно меньше, по сравнению с начальными (точка А), при этом значение коэффициента пористости грунта выше исходного значения. Так как образцы в лаборатории имеют больший коэффициент пористости, чем в полевых условиях, то результаты лабораторных испытаний будут давать меньшие значения прочности и более высокую сжимаемость по сравнению с теми же грунтами в массиве.

Согласно ISO 22475–1 и EN 1997–2:2007 (Еврокод 7, часть 2, раздел 3) на практике рекомендуется использовать три категории методов опробования (А, В, С), в зависимости от необходимого качества образцов. Образцы грунтов, в свою очередь, разделены на 5 классов по качеству в соответствии с характеристиками, которые предположительно остаются неизменными в течение опробования, транспортирования и хранения (табл. 3.8):

• категория А: образцы с классом качества от 1 до 5;

• категория В: образцы с классом качества от 3 до 5;

• категория С: могут быть получены образцы только 5 класса качества. [5].

Таблица 3.8

Класс качества и категория отбора образцов грунта для лабораторных работ

Параметры	Класс качества
	1	2	3	4	5
Неизменяемые характеристики состава м свойства грунтов: – размер частиц; – влажность; – плотность, индекс плотности, проницаемость; – показатели деформационных и прочностных свойств.	* * * *	* * *	* *	*
Характеристики свойств и условий залегания грунтов, которые можно определить: – последовательность залегания слоев: – грубое определение границ слоев; – точное определение границ слоев; – пределы пластичности, плотность частиц, содержание органики; – влажность; – плотность, пористость, проницаемость; – показатели деформационных и прочностных свойств.	* * * * * * *	* * * * * *	* * * *	* * *	*
Категория отбора монолитов в соответствии с EN ISO 22475-1	А
			В
						С

Образцы грунта с 1 или 2 классом качества могут быть получены методами опробованиями категории А, что предполагает при отборе монолитов и подготовке образцов сохранение их структуры, влажности, коэффициентов пористости, без изменений в составе грунта. Категории А соответствуют технологии отбора монолитов путем их обуривания с промывкой, применение тонкостенных поршневых пробоотборников и вырезание монолитов вручную.

Используя категорию В нельзя получить образцы выше 3 класса качества. В этом случае структура грунтов будет нарушена, но удается сохранить их состав, естественную влажность и классифицировать грунты различных слоев. Изменчивость в геологическом строении может привести к снижению класса качества образцов.

Используя категорию С нельзя получить образцы выше 5 класса качества, так как структура грунта будет полностью изменена, влажность не будет соответствовать природной, классификация грунта в этом случае будет неточной, кроме того, могут произойти изменения в гранулометрическом или химическом составе грунта.

При наличии признаков значительной деформации керн используется только для получения характеристик, соответствующих 2–3 классам и выше (табл. 3.9) [113]. Монолиты грунта, имеющие повреждения изоляционного слоя, дефекты упаковки или нарушение условий хранения, допускается принимать к лабораторным испытаниям только как образцы грунта нарушенного сложения.

Таблица 3.9

Состояние грунта разных классов качества и комплекс лабораторных определений

Класс	Состояние	Описание образца грунта	Лабораторные определения
1	Ненарушенное	Связный грунт, образец не имеет видимых нарушений и деформаций, полный выход керна	Полный комплекс показателей физических и механических свойств
2		Связный грунт, образец имеет видимые следы деформаций	Состав, полный комплекс показателей физических свойств
3	Нарушенное	Нарушена целостность образца, размер ненарушенных фрагментов недостаточен для получения проб на плотность	Состав, показатели пластичности и влажность
4		Образец разрушен и разнороден по литологическому составу, низкий выход керна	Состав, показатели пластичности и влажность
5		Образец сильно разрушен, представлен несвязным грунтом, очень низкий выход керна.	Визуальное описание грунта

Таким образом, при изысканиях при выборе методов опробования должны быть учтены требования методик дальнейших лабораторных испытаний и допустимая степень нарушенности образца. При изучении свойств залегающих на больших глубинах грунтов, лабораторные компрессионные и трехосные испытания необходимо проводить при давлениях, соответствующих природным, как в эффективных, так и в полных напряжениях. Для получения достоверных результатов перед трехосными испытаниями необходимо приведение образца к природной плотности с восстановлением фазового состава (ВФС) [5].