Методы статических и динамических испытаний грунтов

Введение
Испытание грунтов проводят в составе инженерно-геологических изысканий с целью определения характеристик, которые затем используются в качестве исходных данных при подборе, расчете и проектировании фундаментов, а также для оценки возможного изменения свойств почв, возникающих в ходе эксплуатации сооружений под воздействием различных нагрузок. Исследование грунтов может производиться в лабораторных и полевых условиях, в том числе – статические и динамические методы определения качества грунтового основания, осуществляемые с помощью специального оборудования в соответствии с требованиями ГОСТ.
Выбор того или иного метода испытаний грунтов зависит от стадии проектных работ, в которых будут использоваться результаты, вида грунтовых условий, типа здания или сооружения и степени его ответственности. Испытание грунтов осуществляется по специальной программе на основании нормативов по ГОСТ, составляемой при планировании инженерно-геологических изысканий.
Глава 1. Динамические испытания грунтов
Активные исследования грунтов, осуществляемые в лабораторных условиях в соответствии с ГОСТом:
динамическое сжатие одноосное и трехосное;
метод динамического сдвига, крутильного или кольцевого;
динамический метод иcпытания, выполняемый с малой амплитудой с помощью резонансных колонок.
Наиболее распространенные виды активных лабораторных испытаний – одноосное и трехосное сжатие, с помощью которых определяют основные физико-механические свойства грунта – прочность, величину деформаций и возможность разрушения при воздействии, которое может оказать двигательная нагрузка.
Другие методы динамических лабораторных проверок используются для определения изменений характеристик почвы при деформациях сдвига.
Испытания грунтов, производимые в полевых условиях на основании ГОСТа:
динамический способ с помощью свай, погружаемых в землю;
динамическое зондирование;
динамический метод с помощью воздействия на грунтовое основание штампов и прессиометров.
Испытание сваями производится способами, в которых применяется: натурная свая, которая будет использоваться для устройства фундаментов при строительстве, или специальная металлическая эталонная свая и свая-зонд. Динамические методы заключаются в погружении сваи определенного вида в землю посредством механизма для забивки или вибропогружателя и подсчете количества ударов и времени, затраченных для погружения на определенную глубину. После фиксации результатов делают расчеты по специальной методике, по которым определяют несущую способность свай для проектируемого фундамента и возможность погружения на требуемую глубину.
Полевой метод зондирования, основанный на динамике, заключается в погружении в почву специального устройства – зонда с помощью ударной или вибрационной нагрузки. Посредством такого зондирования определяют толщину разных слоев грунта, границы их залегания, физико-механические характеристики и возможность погружения свай.
С помощью штампов и прессиометров на почвы воздействует сжимающая нагрузка, сопоставимая с нагрузками, которые будут влиять на основание в ходе эксплуатации проектируемого сооружения. По результатам проверок в зависимости от величины деформаций определяют физико-механические свойства грунтов.
Виды испытаний
Лабораторные методики заключаются в отборе образцов грунта с участка строительства, которые должны иметь неповрежденную структуру и естественную влажность, с последующим исследованием в лабораторных условиях. Определенное количество образцов установленной формы и размеров отбирается из скважин, пробуриваемых на площадке строительства.
Число скважин, глубина отбора образцов устанавливается программой испытаний и должно соответствовать соответствующему ГОСТу. В лаборатории образцы подвергают различным воздействиям, в которых используется нагрузка разного характера, в специальных установках, в результате чего устанавливают гранулометрический состав, прочность, плотность, влажность, деформируемость, особые свойства – просадочность или подверженность морозному пучению и другие характеристики, необходимые для расчетов. Лабораторным способом, в том числе проводятся испытания талых и мерзлых грунтов.
Полевой способ выполняется непосредственно на площадке строительства и включает следующие виды:
статическое и динамическое зондирование;
динамический способ с помощью вдавливания штампа и прессиометра;
динамический метод с помощью вращательного или поступательного среза;
динамический способ с использованием эталонной или натурной сваи.
Сущность метода
Испытание грунта методом динамического зондирования проводят с помощью специальной установки, обеспечивающей внедрение зонда ударным или ударно-вибрационным способом.
При динамическом зондировании измеряют:
- глубину погружения зонда h от определенного числа ударов молота (залога) при ударном зондировании;
- скорость погружения зонда v при ударно-вибрационном зондировании.
По данным измерений вычисляют условное динамическое сопротивление грунта погружению зонда рd.
Оборудование и приборы
В состав установки для испытания грунта динамическим зондированием должны входить:
- зонд (набор штанг и конический наконечник);
- ударное устройство для погружения зонда (молот или вибромолот);
- опорно-анкерное устройство (рама с направляющими стойками);
- устройства для измерения глубины погружения зонда или скорости погружения зонда.
В зависимости от значений необходимой удельной энергии зондирования в различных грунтовых условиях и диапазона измеряемого условного динамического сопротивления грунта установки подразделяют в соответствии с таблицей 1.3.1.
1043373010246Таблица 1.3.1
Ударное устройство должно отвечать требованиям, приведенным в таблице 1.3.2.
826166553530Таблица 1.3.2
1.4. Проведение испытания
Подготовку к работе установки для испытания грунта динамическим зондированием выполняют в соответствии с требованиями инструкции по ее эксплуатации. При необходимости проверяют прямолинейность штанг и степень износа наконечника. Отклонение мачты установки от вертикали не должно превышать 2°.
Динамическое зондирование следует выполнять непрерывной забивкой зонда в грунт свободно падающим молотом или вибромолотом, соблюдая порядок операций, предусмотренный инструкцией по эксплуатации установки. Перерывы в забивке зонда допускаются только для наращивания штанг зонда.
При ударном зондировании следует фиксировать глубину погружения зонда h от определенного числа ударов молота (залога), а при ударно-вибрационном зондировании следует производить автоматическую запись скорости погружения зонда v.
Число ударов в залоге при ударном зондировании следует принимать в зависимости от состава и состояния грунтов в пределах 1—20 ударов, исходя из глубины погружения зонда за залог 10—15 см, определяемой с точностью ±0,5 см.
Примечание — По специальному заданию допускается фиксировать число ударов при погружении зонда на определенный интервал глубины (например, на 10 см).
В процессе зондирования необходимо осуществлять постоянный контроль за вертикальностью погружения зонда.
При наращивании звеньев колонну штанг поворачивают вокруг оси по часовой стрелке с помощью штангового ключа. Сопротивление повороту штанг, возникающее в результате трения штанг о грунт, при крутящем моменте до 15 кН×см следует учитывать при обработке результатов испытания по 1.5. В случае значительного сопротивления повороту колонны штанг (при крутящем моменте более 15 кН×см), вызванного искривлением скважины, зонд извлекают из грунта и повторяют испытание в новой точке зондирования на расстоянии 2—3 м от прежней.
Испытание заканчивают после достижения заданной глубины погружения зонда или в случае резкого уменьшения скорости погружения зонда (менее 2—3 см за 10 ударов или менее 1 см/с). По окончании испытания зонд извлекают из грунта, а скважину тампонируют.
Регистрацию результатов испытания производят в журнале испытания или на диаграммной ленте.
1.5. Обработка результатов
По данным измерений, полученных в процессе испытания, вычисляют условное динамическое сопротивление грунта рd.
При испытании ударным способом значение рd, МПа, определяют по формуле:
где А — удельная энергия зондирования, Н/см, определяемая по таблице 1.4.2 в зависимости от типа установки;
K1 — коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню и на упругие деформации штанг, определяемый по таблице 1.3.1 в зависимости от типа установки и глубины погружения зонда;
K2 — коэффициент учета потерь энергии на трение штанг о грунт, определяемый в зависимости от усилия при повороте штанг.
При крутящем моменте менее 5 кН×см K2 = 1; от 5 до 15 кН×см K2 определяют опытным путем по результатам двух параллельных испытаний ударным зондированием, одно из которых производят обычным способом, а другое в разбуриваемой интервалами скважине.
n — число ударов молота в залоге;
h — глубина погружения зонда за залог, см.
79441150173400Таблица 1.5.1
При испытании ударно-вибрационным способом значение рd определяют в соответствии с приложением Е.
По вычисленным значениям рd строят ступенчатый график изменения условного динамического сопротивления грунта по глубине погружения зонда (приложение Ж). На графике выделяют интервалы, на которых усредняют значения рd.
Глава 2. Статические испытания грунтов
2.1. Назначение испытаний и суть метода
Испытательные мероприятия проводятся с соблюдением действующих ГОСТов для получения достоверных данных об грунтовой обстановки исследуемой территории:
о свойствах грунта;
однородности и глубине почвенного слоя;
способности выдерживать конкретные нагрузки.
Также определяется, какой вид фундамента будет оптимальным.
Испытание грунта методом статического зондирования проводят с помощью специальной установки, обеспечивающей вдавливание зонда в грунт.
При статическом зондировании по данным измерения сопротивления грунта под наконечником зонда и на боковой поверхности зонда определяют: - удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда qс;
- общее сопротивление грунта на боковой поверхности Qs;
- удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда fs.
Примечания:
По специальному заданию возможно измерение порового давления, возникающего в поровой воде при зондировании, с применением датчиков порового давления. Датчики устанавливают на конусе зонда (пьезо-конусы) или сразу после конуса (пьезо-зонды).
При использовании специально оборудованных зондов в процессе зондирования могут измеряться плотность, объемная влажность и естественный гамма-фон грунта с помощью радиоактивного каротажа, температура грунта и электрическое сопротивление грунта.
Достоинствами полевого метода статического зондирования являются:
высокая скорость прохода и возможность в короткое время выполнить много измерений;
большое качество полученных данных;
экологичность;
экономичность.
Способ статического зондирования эффективен при разработке проектов строительных объектов на свайных фундаментальных основаниях с использованием буронабивных и забивных свай. С его использованием не только определяется целесообразность и возможность установки фундамента на сваях, но и собираются данные для того, чтобы составить рабочие чертежи свайной фундаментальной конструкции.
2.2. Статическое испытание грунтов сваями
Исследования проводятся чтобы:
обосновать выбранный метод строительства;
определить осадок свай и величину допустимого напряжения на них;
оценить емкость нагрузки всей конструкции фундамента.
При этом определяется число нужных для эксперимента устройств, исходя из состояния грунтовой обстановки, типа их в фундаменте, геотехнической категории строения.
Оборудование для выполнения статического тестирования состоит из:
приспособлений обеспечения нагрузки (гидродомкраты, тарированные грузы);
упорной конструкции, способной воспринимать воздействия реактивных напряжений;
приспособлений выполнения измерений динамики перемещения сваи в процессе исследования (система приборов).
Пробная свая-зонд вдавливается строго вертикально на определенную глубину и остается в таком положении на отдых, длительность которого зависит от состояния почвенно-грунтового слоя и составляет от одних до 20-ти суток. После отдыха, постепенно увеличивается нагрузка и с использованием электронных проверочных приборов с шагом 0,1 миллиметр (индикаторов, прогибомеров, аппаратов автоматической записи статической деформации) осуществляется контроль осадки. Скорость вдавливания не более 0,1 миллиметра в течение часа наблюдений. Для натурной сваи глубина погружения составляет не менее 40 мм., а для эталонной или сваи-зонда – не меньше 20-ти мм. Затем выполняются расчеты, и осуществляется сверка значений, полученных аналитическим путем. На основании анализа данных от статических испытаний делаются выводы о конфигурации, конструкции фундамента.
-7674830717Таблица 2.2.1
Преимущества:
испытания свай в реальных условиях конкретной грунтовой обстановки;
высокая точность определения характеристик почвы.
Метод используется перед строительством объекта на грунтах, у которых слабые несущие способности и на пересеченной местности (низина, склон холмов).
2.3. Оборудование и приборы
В состав установки для испытания грунта статическим зондированием должны входить: зонд (набор штанг и конический наконечник); устройство для вдавливания и извлечения зонда; опорно-анкерное устройство; устройства для измерения нагрузки и показателей сопротивления грунта.
В зависимости от усилий, необходимых для вдавливания зонда в различных грунтовых условиях, и диапазонов значений измеряемых показателей сопротивления грунта установки подразделяют в соответствии с таблицей 2.2.1.
В зависимости от конструкции наконечника зонды могут быть следующих типов:
I — зонд с наконечником из конуса и кожуха;
II — зонд с наконечником из конуса и муфты трения.
Примечание — Для зонда типа II допускается применение уширителя, расположенного не ближе 1000 мм от конуса.
Периодически (но не реже чем через 15 точек зондирования) необходимо проверять прямолинейность штанг зонда и степень износа наконечника. Прямолинейность штанг проверяют путем сборки звеньев в отрезки длиной 3 м на ровной поверхности. Отклонение отрезков штанг от прямой линии не должно превышать 3 мм в любой плоскости по всей длине проверяемого отрезка. Уменьшение высоты конуса наконечника не должно превышать 5 мм, а уменьшение его диаметра — 0,3 мм.
Опорно-анкерное устройство должно воспринимать реактивные усилия, возникающие при вдавливании и извлечении зонда.
Основная погрешность измерительных устройств (приборов) должна быть не более:
5 % — при измерении прикладываемой нагрузки;
10 % — при измерении показателей сопротивления грунта (но не более 5 % максимально измеренного значения);
1,0 см — при измерении глубины погружения зонда.
Устройства для измерения показателей сопротивления грунта внедрению зонда могут быть механическими или автоматическими. Возможно применение комбинации этих устройств. При этом предусматривают регистрацию информации в ходе испытания на диаграммной ленте, в блоке памяти системы регистрации и др.
Измерительные устройства (приборы) необходимо тарировать в соответствии с паспортными данными (но не реже чем через 3 мес.).
2.4. Подготовка к испытанию
Подготовку к работе установки для испытания грунта статическим зондированием выполняют в соответствии с требованиями инструкции по ее эксплуатации. При необходимости проверяют прямолинейность штанг и степень износа наконечника. Отклонение мачты установки от вертикали не должно превышать 2°.
2.5. Проведение испытания и обработка испытаний
Статическое зондирование следует выполнять путем непрерывного вдавливания зонда в грунт, соблюдая порядок операций, предусмотренный инструкцией по эксплуатации установки.
Перерывы в погружении зонда допускаются только для наращивания штанг зонда. В процессе зондирования необходимо осуществлять постоянный контроль за вертикальностью погружения зонда.
Показатели сопротивления грунта следует регистрировать непрерывно или с интервалами по глубине погружения зонда не более 0,2 м. Скорость погружения зонда в грунт должна быть (1,2 ± 0,3) м/мин.
Испытание заканчивают после достижения заданной глубины погружения зонда или предельных усилий, приведенных в таблице 2.2.1. По окончании испытания зонд извлекают из грунта, а скважину тампонируют.
Регистрацию показателей сопротивления грунта внедрению зонда производят в журнале испытания, на диаграммной ленте или в блоке памяти системы регистрации.
По данным измерений, полученных в процессе испытания, вычисляют значения Qs (для зонда типа I), qc, fs (для зонда типа II) и строят графики изменения этих величин по глубине зондирования.
Заключение
Важным этапом строительства является действия по исследованию грунтовой обстановки в районе предполагаемых работ в полевых условиях. Они выполняются перед проектированием объекта. В ходе полевых статических испытаний определяется степень деформации грунта при воздействии разных факторов. При эксплуатации построенного жилого, административного объекта на грунт под ним действуют весовые (статические) нагрузки, под воздействием которых происходят деформационные изменение, степень которых зависит от параметров грунта. Чтобы здание не разрушилось в процессе эксплуатации, проводятся квалифицированное полевое испытание способом зондирования грунтов.
Динамические проверки качества грунтов являются наиболее надежным и объективным способом определения характеристик грунтов, необходимых для проектирования сооружений. Наша компания имеет все необходимое оборудование и располагает штатом квалифицированных специалистов для проведения проверок качества грунта. Для заказа на проведение инженерно-геологических изысканий и испытание грунтов обращайтесь по телефону или воспользуйтесь формами обратной связи.
Список литературы
1. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. М.: УРСС Эдиториал, 1999. 264 с.
2. Вознесенский Е.А., Коваленко В.Г., Кушнарева Е.С., Фуникова В.В. Разжижение грунтов при циклических нагрузках. М.: МГУ, 2005. 134 с.
3. Вознесенский Е.А., Кушнарева Е.С. Сейсмическая разжижаемость грунтов: инженерная оценка и классифицирование // Инженерная геология. 2012. № 4. С. 11---23.
4. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М.: МНТКС, 2012.
5. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: МНТКС, 2011.
6. Ишихара К. Поведение грунтов при землетрясениях. СПб.: НПО «ГеореконструкцияФундаментпроект», 2006. 383 с.
7. Коваленко В.Г., Вознесенский Е.А. Подходы к управлению динамической устойчивостью массивов дисперсных грунтов на территории нефтегазовых месторождений Среднего Приобья // Вестник Московского университета. Сер. 4. Геология. 2007. № 3. С. 82---85.