Испытания на срез крыльчатыми зондами

Метод применяется для изучения сжимаемости и прочности иловатых и пластичных глинистых пород, не содержащих крупных включений и залегающих на глубине до 20 м.

Его целесообразно использовать в грунтах, отбор качественных монолитов из которых затруднен или невозможен. Он может быть также применен для установления прочностных свойств рыхлых водонасыщенных песков при условии сохранения последними природ­ного сложения.

Из известных и применяемых в настоящее время типов крыльчатых зондов следует назвать: СК-3, СП-52, СК-10, ПВС-110, ТСП-2, УИГС-2 ЦНИИСа, установки ВСЕГИНГЕО и др.

Сдвиговые приборы позволяют определять общее значение сопротивления грунтов сдвигу. При необходимости получения раз­дельных характеристик С и φ должны использоваться приборы, обеспечивающие приложение нормального (к поверхности среза) давления.

Установки Фундаментпроекта и ЦНИИСа снабжены червячными редукторами, обеспечивающими плавную равномерную скорость по­ворота крыльчатого зонда. Они предназначены для испытаний грунтов различной консистенции.

Плотномер-крыльчатка ПКС-1 позволяет проводить исследования грунтов в широком диапазоне — от слабых обводненных песков и суглинков до плотных мергелистых глин. Прибор состоит из вертикального телескопического стержня с лопастным наконечником, горизонтальной рукоятки с рычагом, двух пружинных динамометров и двух механических самописцев.

Статическое зондирование

Метод полевых испытаний грунтов статическим зондированием регламентирован ГОСТ 20069—81. По существу этот метод реализует создание отверстий в грунте (т. е. бурение скважин) способом вдавливания. Стандарт распространяется на песчаные и глинистые грунты при инженерно-геологических исследованиях для строительства. Стандарт не распространяется на грунты: песчаные и глинистые, содержащие частицы крупнее 10 мм более 25% по массе, всех видов в мерзлом состоянии, исследуемые статическим зондированием с одновременным замачиванием.

Статическое зондирование проводят вдавливанием в грунт зонда с одновременным измерением непрерывно (или через заданные интервалы по глубине) сопротивления грунта под наконечником и на боковой поверхности зонда. Зондирование осуществляется или са­мостоятельно, или в сочетании с другими видами инженерно-геоло­гических исследований.

С помощью статического зондирования проводят следующие виды исследований:

1. выделение инженерно-геологических элементов (толщины слоев, линз, границ распространения грунтов различного состава и состо­яния);

2. оценка пространственной изменчивости, состава и свойств

грунтов;

3. определение глубины залегания кровли скальных и крупнооб­ломочных грунтов;

4. оценка возможности забивки свай и определения глубины их погружения;

5. определение данных для расчета свайных фундаментов (со­противление грунта под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности);

6. приближенная количественная оценка физико-механических ха­рактеристик грунтов (плотности, сопротивления срезу, модуля дефор­маций и др.);

7. определение степени уплотнения и упрочнения грунтов во времени;

8. выбор мест расположения опытных площадок и отбор образцов грунтов для детального изучения их физико-механических свойств.

В результате полевых испытаний грунтов статическим зондирова­нием определяют: удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда q3, МПа; сопротивление грунта на боковой повер­хности зонда Q3, кН или удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда ƒ₃, кПа.

Глубину зондирования и расположение точек зондирования в плане следует определять заданием на проведение инженерно-геологических исследований грунтов.

Для испытания грунтов статическим зондированием необходимо применять установки, состоящие из следующих основных узлов:

зонда (наконечника и штанги), устройства для вдавливания и извлече­ния зонда, опорно-анкерного и измерительного устройств.

В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три типа (рис. .1.7): I тип —с наконечником из конуса и кожуха; II тип—с наконечником из конуса и муфты трения; III тип—с наконечником из конуса, муфты трения и уширителя.

Рис. 16 Схема конструкций зондов:

1-конус; 2-кожух; 3-штанга; 4-муфта трения; 5-уширитель

Площадь основания конуса зондов всех типов должна составлять 10 см², а угол при вершине конуса 60°. Наружный диаметр муфты трения должен быть равен диаметру основания конуса, а длина муфты трения 310 мм. Наконечники зондов типов II и III должны иметь над муфтой трения цилиндрическую часть длиной не менее 72 мм и наружным диаметром, равным диаметру муфты трения. Наружный диаметр штанги зонда типа I должен быть равен 36 мм, а зондов типов II и III в соответствии с конструктивными сооб­ражениями, но не более 55 мм. Длина звеньев штанги должна быть не менее 800 мм.

Устройство для вдавливания и извлечения зонда должно обес­печивать перемещение зонда в грунте. В зависимости от максимальных усилий, развиваемых при вдавливании и извлечении зонда, установки для статического зондирования подразделяются следующим образом:

Наибольшее усилие вдавливания и из­влечения зонда, кН ≤50 >50÷≤100 >100

Тип установки Легкая Средняя Тяжелая

Для производства статического зондирования в настоящее время применяют различные передвижные и самоходные специализированные установки, а также приставки к существующим буровым станкам. Из числа известных и применяемых установок следует назвать С-979 (в виде самостоятельной установки; установки, смонтированной на автомобиле ЗИЛ-131, на базе трактора Т-40 и на базе бурильной машины БКГМ-202); С-832М, АСЗ Гидропроекта, СП-59, УСЗК-З,

Основные параметры некоторых установок для статического зондирования представлены в табл. 11.7.

Таблица 11.7. Основные параметры некоторых специализированных установок для статического зондирования

Параметры	Установка ЦНИИСа	С-979	УСЗК-З	УЗУ-1	С-832М	СП-59
Тип	Стационарная	Передвижная		Самоходная на базе автомобиля ГАЗ-69		Самоходная ­
Предельная глубина зондирования, м	20	15	15	­<10	15	20
Максимальное усилие вдавливания зонда, кН	100	100	100	40	100	100
Скорость вдавливания зонда, м/мин	-	0.25-0,5	0,5	1	0,01-3	0,5-0,7
Максимальная ско­рость извлечения зон­да, м/мин	-	2	-	-	3	2-2,2
Диаметр основания конуса наконечника, мм	35,6	35,6	35,6	35,6	35,6	35,6
Тип привода установки ­	Бензи­новый двигатель 2СД	Бензи­новый двигатель	Бензи­новый двигатель Д-300 4,5	От двигателя автомобиля		Бензи­новый двигатель Д-21 15
Мощность привода, кВт	1,5	-	4,5	-	-	12
Метод завинчивания анкерных свай	Механический	Вручную		­ Механический
Общая масса установки, кг	400	760	300	1900	2600 (без автомобиля)	2700

Стационарная установка ЦНИИСа выполнена разборной с массой отдельных узлов не более 50 кг. Общее сопротивление зондированию и статическое сопротивление вдавливанию конуса измеряются от­дельно. Для определения лобового сопротивления применяют тензодатчики. Давление на зонд передается двумя гидроцилиндрами. Реактивное усилие создается с помощью четырех анкерных свай, которые завинчиваются в грунт гидравлическим устройством. Установ­ка выпускается мастерскими ЦНИИСа.

Установкой С-979 конструкции Фундаментпроекта зондирование проводят, одновременно вдавливая в грунт конус на штанге и наруж­ную трубу. Диаметр штанг 18 мм, наружный диаметр трубы 36 мм, внутренний 20 мм. Установка смонтирована на одноосном колесном прицепе и состоит из рамы, направляющих, гидравлического домкрата, измерительной головки, насосной станции и анкерных свай. Установка выпускалась Московским заводом строительных машин. В настоящее время выпуск установок прекращен.

Установка УСЗК-З конструкции УралТИСИЗа также смонтирована на легком колесном ходу. Она состоит из основания, двигателя с коробкой передач, двух направляющих, стоек с четырьмя раскосами, рамы с редуктором, измерительных головок с двумя динамометрами, грузового винта. В отличие от установки С-979 она оборудована механической системой вдавливания зонда.

Установки УЗУ-1 и УЗУ-2 созданы УкрГИИНТИЗом. Они предназначены для статического зондирования и лопастного среза. Статическое зондирование проводится с непрерывной фиксацией общего и лобового сопротивлений.

Установка С-832М конструкции БашНИИСтроя предназначена для определения общего, лобового и бокового сопротивлений грунта. Она может монтироваться на базе автомобилей ГАЗ-66 или ЗИЛ-157.

Установка состоит из гидравлического оборудования для вдав­ливания и извлечения зонда, стрелы высотой 10м, механизма завинчивания анкерных свай, электронной измерительной аппаратуры, зонда с тензометрическим датчиком, салона с лабораторией. Захват штанг при вдавливании конуса и их освобождение при холостом ходе гидроцилиндра проводятся автоматически.

Установка С-832М относится к числу наиболее совершенных. Она выпускается в виде опытных партий.

Установка СП-59 смонтирована на базе тракторного шасси Т-16. Она обеспечивает механическое погружение анкерных свай и воз­можность автоматической регистрации результатов зондирования.

Установка УЗК-5 смонтирована на шасси автомобиля ЗИЛ-157К. Она состоит из механизма для завинчивания анкерной сваи, зонда, вдавливающего и измерительного устройств и гидравлической систе­мы. Зонд, как и вдавливающее устройство, представляет собой унифицированный узел от установки С-979. Для восприятия реактивно­го усилия завинчивается одна анкерная составная свая, через которую проходит зонд. В зависимости от несущей способности грунта применяют винтовую сваю с диаметром лопасти 250 или 300 мм.

Новым этапом в развитии технических средств для статического зондирования является создание во ВСЕГИНГЕО пенетрационно- каротажных станций. Одновременное применение статического зон­дирования и радиоактивного каротажа позволяет достаточно точно оценивать основные физико-механические свойства грунтов и получать непрерывные диаграммы изменения этих свойств по всей глубине зондирования. Станции позволяют оценивать с помощью гамма-гамма и нейтронного каротажа естественную радиоактивность, плотность и природную влажность грунтов, с помощью зондирования—статичес­кое лобовое сопротивление и трение по боковой поверхности.

Станции выпускаются в двух модификациях — СПК и СПК-Т. Кроме того, известна модификация для подводного зондирования ПСПК.

Станция СПК смонтирована на двух автомобилях: вдавливающая установка размещена на автомобиле ЗИЛ-131, регистрирующая ап­паратура—на автобусе KAB3-663 или автомобиле ГАЗ-66. Станция оснащена двумя зондами.

Техническая характеристика станции СПК

Глубина зондирования, м 25

Максимальная осевая нагрузка, кН 110

Диаметр зонда, мм 62

Диаметр штанг, мм 50

Длина звена штанг, м 6,5

Производительность станции, м/смена………………………………..50

Станция СПК-Т в отличие от СПК размещена на одной автомашине ЗИЛ-131 и оснащена одним комбинированным зондом. Глубина завинчивания анкеров на установке составляет 4 м.

Техническая характеристика станции СПК-Т

Глубина зондирования, м 30

Максимальная осевая нагрузка, кН 190

Диаметр, мм:

зонда 80

штанг 63

Длина звена штанг, м 6

Производительность, м/смена 70

НИИоснований совместно с ЦНИИСом разработана передвижная радиометрическая установка для определения плотности и влажности грунтов. В состав установки входят прицеп с погружающим устрой­ством и автомобиль с генератором и регистрирующими приборами. На установке используются радиометрические датчики.

Для статического зондирования используют также специальные станкам- Такие приставки разработаны в ПНИИИСе, ЦНИИСе, УралТИСИЗе и других организациях.

Навесное устройство к буровым установкам УГБ-50М для статического зондирования НУСЗ-15 предназначено для производства зондирования грунтов на глубине 15-20м.

Техническая характеристика устройства НУСЗ-15

Максимальное усилие, кН:

Вдавливания………………………….100

Выдергивания………………………..100

Под конусом………………………....50

Характер изменения усилия…………плавный

Скорость вдавливания и извлечения зонда, м/мин…..0,5-1

Диаметр мм;

Зонда…………………………………..36

Внутреннего штока……………………19

Длина звена штанги со штоком,м……..1

Площадь поперечного сечения поршней

гидродинамометра,см²………………….100

Габаритные размеры устройства,мм……250*300*1900

Масса устройства,кг……………………..70

Буровая установка в летнее время и при наличии слабых грунтов анкеруется с помощью двух заводских шнеков диаметром 135— 230 мм, входящих в комплект установки УГБ-50М, в зимнее время—с помощью одного центрального анкера диаметром 180 мм, представ­ляющего собой обычный магазинный шнек. Анкеры завинчиваются с помощью буровой установки.

Устройство НУСЗ-15 (рис. 11.8) состоит из следующих узлов: двух балочных конструкций (неподвижных траверс) 1 и 4, при помощи которых устройство в верхней части крепится к мачте станка, в нижней —к анкерной (упорной) балке 5; направляющих 7, подвижных траверс 2 и 3, динамометра 8, измерительных приборов (манометров) 10, силового винта 9, который соединяется с верхней подвижной траверсой 2, зонда 11, соединенного с нижней подвижной траверсой 3, анкерной (упорной) балки 5, анкерных свай 6, подкладных брусьев под анкерную балку.

В устройстве использован специальный гидравлический динамо­метр, созданный в УралТИСИЗе, который позволяет измерять как сопротивление вдавливанию зонда, так и сопротивление его выдер­гиванию.

Гидравлический динамометр (рис. 17) состоит из собственно динамометра 1, включающего в себя гидроцилиндр, внутренняя полость которого разделена на две рабочие камеры 2 и 3, снабженные уплотнительными манжетами 10 и 11. В рабочих камерах гидроцилиндра динамометра размещены плунжеры 9 и 12, перемещающиеся вдоль оси цилиндра, а подплунжерные полости камеры соединены с манометрами 4.

Устройство работает следующим образом. Усилие от вращателя станка через силовую пару винт — гайка 5 передается на верхнюю подвижную траверсу 6, которая соединена с силовым винтом 5 пальцем 8. С верхней подвижной траверсой 6 шпильками 7 соединен гидроцилиндр динамометра, верхний плунжер которого 9 болтами 18 и 9 скреплен с нижней подвижной траверсой 13. В свою очередь, траверса 13 соединена с зондом 16 специальной вилкой 17. Таким образом, зонд 16 с конусом 15 вдавливается в грунт усилием силовой пары винт — гайка через подвижные траверсы и динамометр. При этом сопротивление грунта, оказываемое зонду 15 через штоки (стержни) 14, расположенные внутри зонда 16, передается на плунжер 12. Жидкость в подплунжерной полости рабочей камеры 2 передает давление на манометр 4, который фиксирует лобовое сопротивление грунта. Общее сопротивление грунта вдавливанию зонда и его выдергиванию, фиксируемое другим манометром 4, передается от зонда 16 на плунжер 9 через жесткое соединение его с нижней траверсой 13.

Устройство НУСЗ-15 выпускается ремонтно-механическими ма­стерскими УралТИСИЗа.