Штамповые испытания грунтов

Перед тем как залить фундамент и построить на нем здание, строители проводят проверку деформационных свойств грунта. От того, насколько точно будет измерен этот параметр, зависят показатели прочности будущего сооружения. Оценить его помогают штамповые испытания грунтов, которые проводятся в местах предполагаемой установки фундаментных плит. Несмотря на высокие темпы развития технологий строительства, важность этой проверки не снижается. О методиках, на которых она основана, можете узнать в этой статье или у специалистов строительной лаборатории IRONCON.

Как происходит осадка грунта

Перед тем как перейти к изучению методов исследования грунта, нужно понять, как меняются его физические свойства. Об этом в 1930 г. впервые написал советский грунтовед Николай Герсеванов. Свою работу он посвятил осадке грунта, которая происходит под воздействием жестких фундаментных плит и которую можно смоделировать с помощью стальных круглых или винтовых пластин. Весь процесс он разделил на три стадии:

1. Первая стадия. Уплотнение. На этом этапе скелет грунтовой породы сжимается, что делает ее менее пористой.
2. Вторая стадия. Сдвиг. Здесь свойства грунтовой породы уравновешиваются, но при этом наблюдаются местные сдвиги, особенно выраженные на границах фундаментных плит.
3. Третья стадия. Разрушение. На этом этапе боковые стенки грунтовой породы полностью или частично разрушаются. Из-за этого возникают дефекты, вслед за которыми появляются поверхности скольжения. Грунт становится плотным и приобретает форму конуса. Если установить на нем штамп, то он беспрепятственно соскользнет вниз. На краях штампа при этом наблюдается свободный выпор грунта. Если на этом этапе постоянные нагрузки будут сохраняться, дефекты никуда не исчезнут. Если же нагрузка вырастет, они увеличатся.

Другие ученые предполагают, что осадка грунта проходит в два этапа, причем границы между ними размыты. К примеру, советский ученый Николай Цытович писал, что даже множественные локальные сдвиги неспособны нарушить прочность основания. Постоянно растущая научно-исследовательская и практическая база позволяет создавать оборудование, которое фиксирует мельчайшие изменения в структуре грунта.

Суть методики

Испытания грунтов штампами – метод, с помощью которого определяют относительную деформацию просадки глинистых почв, давление просадки, модуль деформации почв минерального, органического и органно-минерального происхождения. Для этого исследуемую толщу земли нагружают по нарастающей. Ориентиром при этом служит ГОСТ 20276-2012. В качестве груза используют стальной диск круглой или винтовой формы, который оказывает равномерное воздействие на поверхность. Поэтому при его выборе учитывают ее прочность и плотность. Если в эксперименте участвует винтовой штамп или если он проводится в скважинах, дополнительно учитывают характеристики вертикальной трубы, в том числе устойчивость и жесткость.

Нагрузка на стальные диски растет по шагам, равным по величине. Ее увеличивают только тогда, когда достигнут критерий условной стабилизации. Так ГОСТ обозначает величину осадки, произошедшей за определенный промежуток времени. Она зависит от свойств грунта.

При переходе на следующий шаг с приборов считывают изменения параметров нагрузки и осадки, которые затем переносят в журнал полевых работы. Эти данные служат основой при построении графика, отражающего зависимости осадки от давления, и расчете величины модуля деформации по выведенной формуле.

Особенности методики

Штамповые испытания грунтов – геологическое исследование, с помощью которого получают максимально точные данные о состоянии грунтовых пород. Точность полученных результатов зависит от:

• конфигурации, ориентировки и глубины закладки фундамента;
• распределения давления на фундаментные плиты;
• однородности пород, которые залегают в основании строящейся конструкции.

Кроме того, большое внимание здесь уделяется выбору геологического оборудования, при котором учитывают высоту стояния грунтовых вод. Если эксперимент будут проводить выше уровня, в опытах задействуют шурфы, если ниже – скважины.

Если зона взаимодействия проложена на однородном слое грунта, исследования ведутся на одной глубине. Если она представлена несколькими несущими слоями, в опытах участвует каждый из них. То же самое касается неоднородных оснований с разными типами грунтов. В СНиП 2.02.01-83 указано, что в данном случае нужно проводить не менее трех опытов.

Перед началом эксперимента определяют точки, в которых они будут поставлены. Расстояние между ними должно быть в два раза больше диаметра штампа, но не меньше 60 см. В грунтовых породах, представленных тонкими слоями, сложно исследовать каждый из них. В этом случае геологи используют средний показатель модуля упругости.

Оборудование для эксперимента

Для проведения штамповых испытаний грунта в первую очередь берут штампы. Они представляют собой жесткие и круглые диски с плоской подошвой или винтовой формы. Площадь подошвы составляет от 600 до 5000 кв. см. Для исследования глинистых и песчаных почв геологий рекомендуют брать диски диаметром 56,4 см. Если проверке подвергаются крупнообломочные, глинистые и песчаные почвы средней плотности, пригодятся диски диаметром 79,8 см.

Помимо штампов, геологи используют:

• анкерное устройство (если во время установки газовая платформа не задействована);
• тарированный груз, домкрат или другое устройство, с помощью которого создают давление на стальной диск;
• датчик перемещения, прогибомеры и другие устройства, определяющие степень осадки;
• устройство, которым замачивают грунт и контролируют его влажность (если исследованию подвергаются просадочные породы).

Во время исследования с помощью собранной конструкции штамп нагружают так, чтобы давление составляло от 0,01 до 0,1 МПА. При этом на каждом уровне нагрузка центрированная и постоянная. Общее количество уровней должно быть не более 4. Время воздействия на каждый из них должно быть одинаковым. При этом учитывают условную стабилизацию деформации грунтовой породы. В ГОСТ указано, что она составляет не более 0,1 мм за установленный отрезок времени.

Приборы для измерения степени осадки

Степень осадки при штамповых испытаниях грунтов измеряют с помощью устройств ПМ-3, 6ПАО-ЛИСИ и другого геологического оборудования. Помимо этого, используют не менее двух прогибомеров с датчиками, закрепленными на двух концах штампа симметрично друг другу. Для установки прогибомеров используют реперные устройства, в комплектацию которых входят сваи и перекладины. Для определения степени осадки используют среднее арифметическое показаний, снятых с обоих датчиков. Соответственно, чем больше датчиков установлено на диск, тем точнее результаты.

Согласно ГОСТ 12374-44, при измерении осадки прогибомерами точность измерений составляет 0,1 мм. Однако в некоторых опытах требуются еще более чувствительные приборы. В их число входят индикаторы часового типа ИС и ИП. Их используют при исследовании особо плотных грунтовых пород или при оценке грунта перед строительством сооружений необычной архитектуры. Точность измерений этими приборами составляет 0,01 мм.

Выбор приборов с высокой чувствительностью – обязательный этап исследовательских работ. Если проигнорировать его, может оказаться, что геологическая аппаратура не подходит для работы на данном виде грунта. Оборудование, используемое геологами, отличается нестабильностью и склонностью к частым поломкам. Если осадка составляет более 10 мм, им требуется сразу несколько устройств. Это нужно учитывать при составлении программы опытов.

Помимо штампов и измерительных приборов, для проведения штамповых испытаний грунта требуется установка, которая будет оказывать нужную нагрузку. В зависимости от габаритов и конфигурации, она воздействует на диск разными способами. Для этого используют:

• комплекс рычагов;
• домкраты;
• пневматические камеры;
• платформы, на которые предварительно укладывается тарированный груз.

Если давление оказывают гидравлические или пневматические домкраты, установку дополняют винтовыми анкерными сваями, которые выполняют функцию упора. Сверху монтируют механизмы, которые удерживают установку. При необходимости упором выступает грузовая платформа или стенки шурфа.

Техника безопасности во время исследований

Если объектом исследовательских работ служат горные или буровые выработки, перед началом штамповых испытаний грунтов их чистят с помощью специальных установок. Если это не помогает выровнять дно, его засыпают 5-сантиметровым слоем песка (для глинистых оснований толщина должна быть не более 2 см).

Чтобы стальной диск крепко сцепился с грунтом, его прокручивают несколько раз на 360 градусов по часовой и против часовой стрелки. После его установки приступают к установке реперных устройств, прогибомеров, нагружающей части и другого геологического оборудования.

Нагрузку увеличивают ровно до тех пор, пока давление не дойдет до предельной отметки. Предельным считается давление, при котором на грунте образуются трещины и валики выпирания. При появлении этих дефектов испытание прекращают.