Прочность и устойчивость любого возводимого объекта зависят от свойств грунта, на котором он строится. Именно поэтому геологи в первую очередь тщательно исследуют зону предполагаемого строительства, проводят компрессионные испытания грунтов и физико-химический анализ почв. Полученные результаты служат основой для расчета фундамента, от которого впоследствии будет зависеть надежность строящегося здания.
Цель испытания
Изучение физических, механических и химических параметров грунта – важный этап строительных работ. При этом геологи и сотрудники лабораторий ориентируются на общепринятые ГОСТ, СНиП и другую нормативную и техническую документацию, в которой указывается порядок проведения опытов и данные для ориентира.
Один из основных этапов исследования – изучение механических свойств грунтовой породы, в частности ее деформационных параметров. Для этого чаще всего используют компрессионный метод, который подразумевает воздействие на грунт высоким давлением. Это приводит к уплотнению образца, но исключает его разрушение и боковое расширение.
Метод компрессии используют на строительных площадках для определения разных механических параметров почвы, в том числе сжимаемости и деформируемости. Для этого создают условия, при котором грунт может сжиматься, но не расширяться по бокам.
При компрессионном исследовании определяют:
- плотность грунтовых образцов,
- плотность более мелких грунтовых частиц,
- естественную влажность грунта.
Полученные результаты используются для расчета начального показателя пористости почвы.
Определение сжимаемости
Грунт состоит из твердых части и пор, которые способны полностью или частично заполняться жидкостью. Как правило, на основание сооружения воздействует небольшая сила сжатия. При этом полевой шпат, кварц и другие твердые частицы меняются незначительно, поэтому их не учитывают в испытании. Большее значение здесь отводится порам, так как они склонны деформироваться под давлением.
Определение сжимаемости – один из этапов компрессионного испытания грунта. Этот параметр выступает в качестве расчетного модуля деформации почв, который нужен для определения усадки сооружения. Он помогает изучить почву и понять, можно ли ее использовать в качестве основания для возводимого сооружения. Как только под воздействием нагрузки она начинает сжиматься, запускается процесс осадки.
После проведения испытания образцы грунта распределяют по категориям:
- сильно сжимаемые,
- незначительно сжимаемые,
- средней степени сжатия.
Сжимаемость – свойство, характерное для всех видов почвы. В процессе эксплуатации она подвергается механическим нагрузкам, которые деформируют ее, сжимают исходную пористость и объем. Именно от изначального количества пор зависит склонность грунтовых пород к сжатию. На это также влияет состав, специфика нагрузки и связи в структуре почвы. Чтобы определить степень сжимаемости грунтовой породы, геологи вычисляют коэффициент бокового давления, относительного сжатия и общей деформации, а также модуль расширения, происходящего в перпендикулярной плоскости.
Таким образом, параметр сжимаемости грунта зависит от того:
- насколько быстро снижается его пористость под влиянием внешних механических нагрузок;
- как меняется его исходное состояние;
- как быстро под влиянием увеличивающейся компрессионной нагрузки истончается оболочка.
При постоянном механическом воздействии изменения грунтовых пород могут быть упругими или пластическими. В первом случае нагрузка не разрушает структуру связей и оболочки, поэтому снижение компрессионной нагрузки приводит к восстановлению деформации. О пластических изменениях говорят тогда, когда разрушается скелет и связи между отдельными частицами. Как правило, на скальных породах они появляются быстрее, чем на глинистой земле.
Выделяют два вида пластических деформаций:
- объемные, при которых поры уплотняются;
- сдвиговые, при которых почва теряет исходную форму или разрушается.
Испытания грунтов в лабораторных условиях или на строительной площадке помогают предупредить пластические деформации земли, на которой строится объект, и предотвратить разрушение фундамента.
Расчет величины сжатия грунта нужен не только для изучения свойств местных пород, но и для определения риска осадки здания. Для этого сотрудники строительных лабораторий используют три метода компрессионного сжатия – одноосное, двухосное и трехосное. Во всех случаях образцы подвергаются механическому воздействию. При одноосном сжатии боковое напряжение исключается, поэтому грунт может меняться в разных направлениях. Чем больше осей задействовано в эксперименте, чем больше образец ограничен в пространстве.
Определение прочности
При компрессионном испытании грунтов также определяют условия, при которых появляются трещины сдвига и отрыва. Экспериментальным путем выявили, что это происходит в местах движения слоев грунтовой породы. Чем больше в породе частиц, которые, перемещаясь, цепляются друг за друга, тем реже происходит сдвиг. У сыпучих почв сопротивление сдвигу практически отсутствует.
Глинистые породы также склоны разрушаться при сдвиге слоев. Только между их частицами возникает не сила трения, а сила сцепления, которая зависит от уплотняющего давления. Они противостоят растяжению благодаря цементационным и водно-коллоидным связям. Поэтому этот вид грунта называют связным.
Алгоритм исследования
Компрессионные испытания грунтов – лабораторное исследование, которое проводят для определения вертикального изменения грунтовых образцов. Чтобы изучить деформационные характеристики, их подвергают сложному уплотнению, при котором из пор полностью вытесняется воздух. При этом поровое пространство не разрушается. Нагрузку увеличивают по степеням, каждая из которых составляет не более 0,5 МПа (кгс/кв. см). Если в эксперименте задействованы две ветви нагружения, то давление на каждом этапе растет по 0,5 МПа (кгс/кв. см), а в обратном порядке – падает по 1,0 МПа (кгс/кв. см). Две ветви нагружения применяют в сложных ситуациях, поэтому продолжительность исследования и, соответственно, его стоимость удваивается.
Оборудование
Для постановки опыта используют одометр – компрессионный прибор, которые нагружает исследуемые пробы и помогает определить их механические свойства. Помимо одометра, лаборанты пользуются грунтовым ножом, бумажными фильтрами, бюксами, часами, часовыми индикаторами и гирями в наборе.
Взятие проб
Результаты опыта зависят от того, насколько правильно были взяты пробы грунтовой породы. Предварительно лаборанты определяют ее физические свойства, а затем выбирают и взвешивают режущее металлическое кольцо нужного диаметра. Далее алгоритм взятия пробного материала состоит из следующих этапов:
- Вырезка образца с помощью подобранного кольца (между кольцом и грунтом не должно быть зазоров).
- Взвешивание кольца с взятой пробой.
- Покрытие образца влажными фильтрами с обеих сторон.
Образец пробы, взятый таким путем, не склонен к разрушению и способен сохранять свои свойства в течение всего испытания. Это позволяет получить наиболее точные результаты.
Ход работы
На следующем этапе компрессионного испытания грунт, заключенный в кольцо, переносят в цилиндрическую камеру одометра. На его дне располагаются отверстия для удаления влаги, выступающей из образца, а под ним – емкость для ее отвода. На пробу воздействуют дырчатым поршнем, который позволяет влаге и воздуху свободно выходить из пор. Давление на него оказывает центрирующий шар. Чтобы в процессе из цилиндрической камеры не выдавливались грунтовые частицы, между исследуемым образцом, стенками одометра и поршнем прокладывают фильтровальную бумагу.
Компрессионное сжатие увеличивают ступенчатым образом. На новую ступень переходят только после того, как достигнута условная стабилизация деформации. Точкой отсчета считается природная нагрузка почвы, для вычисления которой используют удельный вес и высоту используемого образца.
На каждой следующей ступени давление увеличивается на 0,5 МПа (кгс/кв. см). Обычно интервал между сменами составляет 20 мин. Конечную степень сжатия определяют путем сложения природной и проектной нагрузки. Разгрузка в обратном порядке проводится по этому же алгоритму.
Обработка результатов
По окончании компрессионного испытания грунта инженеры лаборатории разбирают одометр. Если опыт ставился в водной среде, из прибора удаляют влагу. Часть пробы отправляется в стеклянный бюкс, в котором затем определяется его конечная влажность. Результаты опыта записывают в журнал. Здесь в основном столбце указывают вертикальное давление, которым воздействовали на опытный образец, а в остальных:
- показания индикатора;
- относительную и абсолютную деформации;
- коэффициенты пористости, сжимаемости и относительной сжимаемости;
- модуль линейной деформации.
Если исследованию подвергалась супесь, суглинок или засоленный песок, определяют начальное давление, если песок, органическая или глинистая почва – коэффициент консолидации.
