Полевые испытания грунтов производятся на площадках, где планируют строить или проводить реконструкцию инженерных сооружений. Для проведения исследований применяют специальную технику и оборудование. Испытательные мероприятия выполняют аккредитованные строительные лаборатории. Тесты предназначены для решения разных задач.
В ходе полевых испытаний:
- изучают массивы грунтов, разделение георазреза, оконтуривание водных линз, прослоев;
- определяют прочность, деформационные и физические характеристики почвы;
- выявляют пространственную изменчивость характеристик грунта;
- оценивают возможность погружения и несущую способность свай;
- ведут стационарные наблюдения за физико-механическими свойствами насыпных и намывных грунтов и их изменением во времени;
- определяют динамическую устойчивость грунтовых слоев, насыщенных водой.
Полевые испытания включают большой комплекс мероприятий. Рассмотрим виды исследований более подробно.
Статическое зондирование
Данный метод широко применяется в России из-за частого использования свайных фундаментов в качестве основания для различных зданий. Исследование проводится по ГОСТ 19912-2012. В ходе статического зондирования получают большой комплекс данных: рассчитывают несущую способность свай, получают сведения о недренированной прочности грунтовых слоев (сопротивление сдвигу нестабилизированных оснований), вычисляют угол внутреннего трения, а также компрессионный модуль деформации, пороговое давление. Кроме того, сейчас глубина испытания увеличилась до 45 м, благодаря применению специального оборудования.
Методика позволяет отбирать образцы подземных вод и пород, исследовать грунты в условиях естественного залегания. С помощью проб, которые получают при статическом зондировании, решают ряд важных задач, например:
- проводят разделение георазреза на слои, которые идентифицируют по глубине и площади;
- классифицируют грунты по свойствам, составу, состоянию;
- исследуют пространственную изменчивость характеристик, чтобы выбрать обоснованную расчетную модель фундамента;
- определяют физико-механические свойства, используя специальные формулы и аналитический подход;
- выполняют проектирование и расчет оснований, в т.ч. определяют расчетное сопротивление грунта, нагрузки на сваю, осадок сваи и пр.
Одновременно со статическим зондированием выполняются геофизические исследования, включающие электроразведку, сейсмическое профилирование и т.д.
Динамическое зондирование
Исследование выполняют по ГОСТ 19912-2012. Данный метод используют в грунтах, где естественным основанием является песчаный слой, а фундамент сделан, как плитный ростверк, т.е. верхняя часть фундамента распределяет нагрузку между несущими элементами здания. Для проведения исследования используют зонд, ударную установку и измерительное оборудование. Применяют специальные колесные или гусеничные установки с молотом весом до 63,5 кг. В ходе зондирования получают следующие данные о грунтовых слоях:
- показатель недренированной прочности;
- параметры динамического сопротивления;
- недренированный модуль деформации.
Несмотря на то, что получаемых сведений немного, их хватает для проектирования зданий и сооружений со средней или малой нагрузкой на основание.
Испытания штампами
Данные исследования проводятся в соответствии с ГОСТ 20276.1-2020, чтобы определить штамповый модуль деформации грунта, т.е. деформационные свойства грунта на каждом этапе нагрузки. В ходе тестов моделируют реальную вертикальную нагрузку сооружения на толщу с учетом масштабного эффекта. При исследовании прослеживают осадку, вычисляют величину предельного давления, вызывающего деформацию почвы. Таким образом, данный метод представляет собой натурное моделирование процесса уплотнения грунта, т.е. исследование, проводимое в условиях, соответствующих условиям эксплуатации.
Штамп выполнен в виде винтовой или плоской конструкции, может различаться по площади подошвы, видам установленного оборудования для нагружения и модификации измерительных приборов для определения осадки.
Прессиометрия
Прессиометрия (ГОСТ 20276.2-2020) – еще один метод полевых испытаний, который используют, чтобы оценить прочность и деформационные свойства скальных, а также щебенисто-глинистых и песчаных грунтов в стенках буровых скважин. В ходе исследования прикладывается давление к грунту, который вскрывается в стенках скважин, а затем измеряется степень деформации.
Испытания проводятся радиальными прессиометрами. По сути, оборудование определяет те же характеристики, что и штампы. Но принцип действия установки совершенно другой. Прибор опускают в скважину на металлическом тросе, он давит на стенки за счет расширения камеры. Т. е. давление осуществляется сбоку, а не сверху.
Вращательный срез
Испытания на сдвиг (вращательный срез) проводят по ГОСТ 20276.5-2020 для глинистых текучих и мягкопластичных грунтов, рыхлых песков, торфяных отложений, где отобрать образцы с ненарушенной структурой невозможно. Также метод применяют для грунтов, прочностные свойства которых, определенные лабораторными методиками, недостоверны. Исследование проводится лопастными приборами в оборудованной скважине в целях определения прочности. Специальный прибор – сдвигомер-крыльчатка – оценивает удельное сцепление и сопротивление сдвигу. Исследования проводят путем определения максимального крутящего момента, который возникает при вращении крыльчатки с 4-мя лопастями, погруженной в грунт.
Опытно-фильтрационные испытания
Опытно-фильтрационные исследования – это комплекс полевых методов испытаний (ГОСТ 23278-2014), которые определяют гидрогеологические, гидродинамические свойства грунтовых слоев. К таким методикам относятся:
- наливы в шурфы и скважины;
- кустовая и экспресс-откачка из скважин;
- нагнетание воздуха или воды в скважины;
- стационарный мониторинг за количеством подземных вод и их химическим составом;
- полевые индикаторные методики.
Откачка вод из горных выработок выполняется, чтобы решить различные задачи, связанные с орошением, осушением, водоснабжением. По информации, полученной в ходе исследования, определяют удельный и общий дебиты (производительность скважины), показатели снижения уровня, рассчитывают коэффициенты фильтрации, форму, темпы роста, размеры депрессионной воронки и другие параметры. На участках, где подземные воды залегают глубоко, или условия неблагоприятны для проведения откачки, используют наливы воды и нагнетания воздуха в шурфы. Нагнетания воздуха позволяют оценить фильтрационные свойства, удельное водопоглощение скальных и полускальных водоносных пород. Наливы воды помогают изучить водопроницаемость необводненных рыхлых и связных горных пород в условиях естественного залегания.
Экспресс-методики применяют, чтобы провести ориентировочную сравнительную оценку фильтрационных характеристик водоносных пород на первых стадиях гидрогеологических исследований.
Компрессионные испытания
Компрессионные методы применяют в целях изучения механических свойств, деформационных показателей грунта. На образец воздействуют высоким давлением. Исследование проводится по ГОСТ 12248.4— 2020. В ходе испытания грунт сжимают таким образом, чтобы он не расширялся по бокам.
Основные параметры, которые определяют в ходе компрессионного воздействия, это:
- плотность грунтовых образцов;
- плотность мелких частиц;
- естественную влажность грунта.
На основе полученных данных рассчитывают начальный показатель пористости почвы. Определение сжимаемости – также один из этапов компрессионных исследований. Данный параметр используется как расчетный модуль деформации, который позволяет определить усадку сооружения, изучить почву, понять, может ли она использоваться, как основание под строительство здания. После выполнения теста образцы классифицируют по категориям на незначительно сжимаемые, сильно сжимаемые и средней степени сжатия. Расчет показателей сжатия требуется для определения риска осадки сооружения, оценки свойств грунта.
Также в ходе компрессионных испытаний определяют прочность. Для этого выявляют условия, при которых возникают трещины отрыва и сдвига, которые происходят на участках движения слоев грунтовых пород.
Оборудование и спецтехника для полевых испытаний
В ходе проведения полевых испытаний грунтовых слоев применяют разные виды оборудования. Это:
- Электронный динамический плотномер, с помощью которого выявляют прочность и показатели деформации грунта, оснований дорог, исследуют грунтовые основания в целях их улучшения. Прибор используется при штамповом испытании, динамическом нагружении. С его помощью получают следующие показатели: динамический модуль деформации, несущая способность основания, коэффициент уплотнения.
- Дилатометр Маркетти. Прибор представляет собой лопатку, выполненную из нержавеющей стали с мембраной, установленной с одной стороны. Лопатку внедряют в почву посредством буровых установок или пенетрометров. Измерения проводятся в грунтовых слоях, на месте, где выполняются работы. Внедрение прибора прерывается каждые 20 см, мембрана наполняется воздухом, и измеряются показатели давления. Оборудование подходит для испытаний разных типов грунтов: песчаных, глинистых, илистых, твердых. С помощью дилатометра можно прогнозировать оседание, определять тип грунта, недренированную прочность и другие характеристики.
- Геотехническая зондировочно-буровая установка. Используется для статического зондирования, лопастной прессиометрии, среза, бурения скважин, динамического зондирования. Бурение осуществляется за счет подвижного вращательного прибора.
- Аппаратура для статического зондирования немерзлых глинистых и песчаных грунтов. Это дополнительное оборудование к буровым установкам, которое оказывает усилие на забой не меньше 30 кН.
- Прессиометр. Используется для испытаний грунтовых пород в скважинах посредством воздействия бокового давления в целях определения деформационных и прочностных свойств.
- Винтовые штампы. Это установка с пневматической нагрузочной системой, которая определяет модуль деформации в глинистых, экологических, песчаных, органо-минеральных грунтах.
Также во время полевых испытаний применяют различные измерительные приборы, комплекты регистрации результатов и пр. По окончании проверок составляется протокол.
Полевые испытания – это широко распространенные методики. Данный комплекс исследований позволяет проводить проверки непосредственно на объекте и получать первичные результаты о свойствах и состоянии грунта. Но чтобы результаты были точными и достоверными, проводить полевые испытания должна аккредитованная строительная лаборатория, в которой есть все необходимое для решения самых сложных задач.
