МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Как было показано выше, каждый грунт имеет свои, только ему присущие строительные свойства. В оценке свойств грунтов, входящих в расчеты оснований фундаментов, наибольшее значение имеют физико-механические характеристики. Значения показателей этих характеристик позволяют выполнять необходимые расчеты при проектировании зданий и сооружений.

Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давления, удара). Механические свойства оцениваются прочностными и деформационными характеристиками грунтов.

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно различаются, особенно физические. Некоторые основные физические и механические свойства скальных и нескальных грунтов приведены в табл. 16 и 17.

Характеристика скальных грунтов

Таблица 16

Характеристика дисперсных грунтов

Таблица 17

Нескальные дисперсные грунты характеризуются значительно большим количеством физико-механических свойств, особенно физических, чем скальные грунты. Это связано с их более химико-минеральным составом, разнообразием структур и текстур.

К физическим свойствам нескальных грунтов, определяемых экспериментально и используемых непосредственно в расчетах оснований, относятся коэффициент фильтрации к_ф и плотность грунтов р. Важными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости е, степень влажности Б_г и показатель текучести J_L. Они характеризуют состояние грунтов. По наимено-

ванию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести Jl характеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. Значение Б_г отражает степень заполнения пор грунтов водой.

Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Д, МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде и др. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, т. е. несущей способности, а также для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига ср, град., и сцепления С, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторыми — сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящими к разрушению. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов. Деформационные свойства грунтов оцениваются модулем деформации Е, МПа.

Следует отметить, что кроме физико-механических характеристик свойства грунтов во многом зависят от ряда других показателей. Большое влияние могут оказывать состав минералов, характеристики структур и текстур, а для нескальных грунтов — присутствие водорастворимых солей и органических веществ. При оценке свойств грунтов все эти их особенности необходимо учитывать.

Для решения задач проектирования зданий и сооружений все физико-механические характеристики грунтовых оснований разделяют на две группы:

1) показатели физико-механических свойств, которые используются непосредственно в расчетах оснований и 2) вспомогательные показатели, с помощью которых осуществляют классификацию грунтов, прогнозируются механические характеристики первой группы, выделяются инженерно-геологические элементы в толще грунтов. Характеристики грунтов, используемые в расчетах оснований, приведены в табл. 18. Вспомогательные характеристики, которые отражают физические свойства грунтов, показаны в табл. 19.

Таблица 18

Характеристики физико-механических свойств грунтов, используемых

в расчетах оснований фундаментов

Примечание. Показатели Е, С и у можно определять и по таблицам.

Таблица 19

Вспомогательные характеристики, отражающие физические свойства

дисперсных грунтов

Кроме указанных характеристик на свойства грунтов во многих случаях существенное влияние оказывают минеральный и химический составы, структуры и текстуры, для скальных грунтов — трещиноватость, степень выветрелости, для дисперсных — содержание водорастворимых солей, присутствие органического вещества и т. д. Так, большое количество минерала монтмориллонита придает глинам особые свойства, большое количество гумуса типично почвам и т. д. Все эти характеристики грунтов определяют специалисты (геологи, физики, химики) в соответствующих лабораториях, где имеется необходимая аппаратура — рентгеновские приборы, электронные и геологические микроскопы, дериватографы, установки ИКС и др.

Реологические свойства грунтов. При оценке свойств грунтов следует помнить, что эти свойства могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Все это приводит к «усталости» грунтов, их структура «расслабляется». В грунтах возникают деформации в виде ползучести и даже текучести. Этот процесс называют реологическим. В результате грунт разрушается, и здание деформируется. В последнее десятилетие этот процесс часто наблюдается при строительстве сверхвысоких зданий и крупных промышленных объектов. Реологические свойства грунтов требуют специальной оценки и исследований.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характеристики, которые обусловливают прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами.

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяются в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентген, электронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях, т. е. непосредственно на будущих строительных площадках. Методика определения физико-механических свойств выбирается в зависимости от состава и состояния грунтов, условий их поведения в основании как при строительстве, так и в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов, так как грунты и грунтовые напластования весьма изменчивы в пространстве и во времени.

По каждой физико-механической характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Количество определений зависит от характера грунтов, назначения сооружения и его конструктивных особенностей. В частности, как правило, для каждого инженерно-геологического элемента минимальное количество определений должно быть не менее шести и только в случаях продолжительных полевых испытаний значения механических характеристик устанавливается по данным трех испытаний.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах, в буровых скважинах, которые располагают на исследуемых строительных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты — это образцы грунтов с ненарушенной структурой. Такие монолиты отбирают в скальных и связных (пылевато-глинистых) грунтах. Размеры монолитов должны быть не меньше установленных норм. Так, для определения сжимаемости грунта, пробы, отбираемые в шурфах, должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. В монолитах пылевато-глинистых грунтов при этом должна быть сохранена природная влажность. Это достигается созданием на их поверхности водонепроницаемой парафиновой или восковой (иногда битумной) оболочки. В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбирают в виде

проб определенной массы. Так, для проведения гранулометрического анализа песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механические свойства грунтов. Каждая характеристика этих свойств определяется согласно своему ГОСТу, например, природная влажность и плотность грунта — ГОСТ 5180—84, предел прочности — ГОСТ 17245—79, гранулометрический (зерновой) и микроаг-регатный состав — ГОСТ 12536—79 и т. д.

Лабораторные исследования на сегодня остаются основным видом определения физико-механических свойств грунтов. Ряд характеристик, например, природная влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие определяются только в лабораторных условиях и с достаточно высокой точностью. В то же время лабораторные исследования грунтов имеют свои недостатки:

• • они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;
• • результаты отдельных анализов, например определение модуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов, что бывает связано с неправильным отбором монолитов, неправильным их хранением, низкой квалификацией исполнителя анализа;
• • определение свойств массива грунта по результатам анализов небольшого количества образцов не позволяют получать верное представление о его свойствах в целом.

Это связано с тем, что однотипные грунты, даже в пределах одного массива, все же имеют известные различия в своих свойствах.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях, т. е. на исследуемой строительной площадке, дает определенное преимущество перед лабораторным анализом. Это позволяет определять значения характеристик физико-механических свойств в условиях естественного залегания грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При полевых исследованиях лучше, чем по результатам лабораторных анализов, моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений.

Полевые методы исследования грунтов обеспечивают высокую точность результатов, поэтому в последние годы их используют все больше. При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяются ЭВМ. Некоторые полевые методы относятся к экспресс-методам, что позволяет быстрее получать результаты изучения свойств грунтов.

Необходимо отметить, что если полевые методы дают хорошую возможность определять свойства в условиях естественного залегания грунтов, то они не всегда позволяют прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и

сооружений. Поэтому целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые методы.

В полевых условиях определяют все прочностные и деформационные характеристики как скальных, так и нескальных грунтов.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость эталонным следует считать метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278—85). Результаты других методов деформационных испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое зондирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.

При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке (ГОСТ 23741—79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости этих работ их проводят только для сооружений I класса применительно к расчетам по несущей способности. К I классу относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты, объекты, требующие повышенной надежности (главные корпуса ТЭС, АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы высотой более 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т. д.). Для других случаев строительства (II и III классы сооружений) достаточно надежные показатели Си ф получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248—78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518—85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования. Результаты этой работы при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями. Это обеспечивает достаточную достоверность результатов исследований.

Ниже приводится краткое описание полевых методов исследований, с помощью которых определяются механические характеристики грунтов, показываются примеры выявления свойств грунтов с помощью производства опытных строительных работ.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статическим зондированием.

Метод штампов. В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276—85). Штамп в шурфе — это стальная или железобетонная плита. Форма штампа находится в зависимости от фундамента, который он моделирует, и может быть различной, но чаще всего плита круглая площадью

Рис. 51. Определение сжимаемости грунтов штампами:

/ и //—шурфы; ///—буровые скважины; /—штампы; 2 —домкрат; 3— анкерные сваи;

• 4 — платформы с грузом; 5 — штанга
• 5000 см². Для создания под штампом заданного напряжения применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 51). Осадку штампов измеряют прогибомерами. При проходке шурфа на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Нагружение штампа производят ступенями и выдерживают определенное время. Значение нагрузки устанавливается в зависимости от вида грунта и его состояния. В итоге работы строят графики:
  • • зависимости осадки штампа от давления;
  • • осадки штампа во времени по ступеням нагрузки. После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е, МПа.

Штамп в буровой скважине. Для производства работ бурят скважину диаметром более 320 мм. Испытание грунтов проводят специальными установками, которые дают возможность работать на глубине скважины до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см². Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации определяют по формуле.

Определение модуля деформации в массиве скального грунта проводят в опытных котлованах. Испытания ведут с помощью прибетонированных к скале бетонных штампов. Давление на штампы подается от гидравлических домкратов (до 10 МПа). Конечным результатом работы является определение модуля деформации скального грунта по соответствующей формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах с помощью разведочных скважин. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, которую опускают в

скважину на заданную глубину. Камеру расширяют давлением жидкости или газа. В процессе работы в стенках скважины замеряют радиальное перемещение грунта и давление. Это позволяет определять модуль деформации грунтов.

Зондирование (или пенетрация) используется для изучения толщ пород до глубины 15—20 м. Сущность метода заключается в определении сопротивления проникновению в грунт металлического наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на определенной глубине и характеризует изменение в вертикальном разрезе.

Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств грунтов и применяется в целях ускоренного получения результатов исследований. Этот метод используется при изучении песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или мало содержат примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое. При статическом зондировании конус в грунт залавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое зондирование позволяет:

• • расчленить толщу грунта на отдельные слои;
• • определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;
• • установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых грунтов, определить модуль деформации;
• • оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;
• • измерить мощность органогенных грунтов на болотах.

Динамическое зондирование дает возможность определять:

• • мощность толщ современных (четвертичных) отложений;
• • границы между слоями;
• • степень уплотнения насыпных и намывных грунтов.

На рис. 52 показана пенетрационно-каротажная станция.

Прочностные испытания грунтов. Оценка сопротивления грунтов сдвигу в полевых условиях выполняется как в скальных, так и в нескальных грунтах. Сопротивление грунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений, при которых начинается их разрушение.

В скальных грунтах опыты проводят в строительных котлованах, в которых оставляют целики в виде ненарушенного грунта столбчатого вида. К целикам прикладывают горизонтальное сдвигающее усилие. При этом для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех столбчатых целиках.

!

Іп

2

ч ^

/

Рис. 52. Пенетрационно-каротажная станция:

/ — зонд-датчик; 2— штанга; І— мачта; 4— гидроцилиндр; 5— канал связи; 6— передвижная

аппаратная станция; 7—пульт управления

Сдвиг в нескальных грунтах выполняют двумя способами: 1) на целиках; 2) с помощью вращательных срезов при кручении крыльчатки. Работа на целиках аналогична скальным грунтам. Крыльчатка представляет собой лопастной прибор и используется для определения сопротивления сдвигу в пылевато-глинистых грунтах. Крыльчатый четырехлопастной зонд опускают в забой скважины, вдавливают в грунт и поворачивают. При этом замеряют крутящий момент и рассчитывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы. При строительстве объектов I класса полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение. В ряде случаев прибегают к опытным строительным работам, т. е. к испытаниям грунтов строительными конструкциями. Приведем примеры таких работ.

Опытные сваи. В пылевато-глинистый грунт строительной площадки забивают железобетонную сваю, при этом наблюдают за характером погружения сваи и сопротивляемостью грунта. На сваю дают нагрузку и определяют ее несущую способность, как в условиях природной влажности грунта, так и при его замачива-

нии. Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными, полученными на основе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты. Строят фундамент будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент дают нагрузку, соответствующую нагрузке от будущего здания, и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяется реальная несущая способность грунта и осадка будущего объекта.

Опытные здания. Лессовые грунты обладают просадочными свойствами. Количественную оценку этих свойств производят по данным лабораторных исследований и полевых испытаний грунтов. Несмотря на такую комплексную оценку просадочных свойств не всегда удается правильно оценить будущую устойчивость здания. Для решения этого вопроса строят здания в натуральную величину. Лессовые основания насыщают водой, что искусственно вызывает просадочный процесс. В этот период проводят наблюдения за характером развития просадочного процесса, определяют значения просадок, оценивают состояние конструкций зданий.

Обработка результатов исследований грунтов. Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик, которые получают по нормативным документам, в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем точкам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и установления их применимости для всего массива грунта. После такой обработки результаты исследований можно использовать в расчетах оснований. Такую работу чаще всего выполняют методом математической статистики.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят за развитием неблагоприятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом подземных вод и температурным режимом многолетнемерзлых пород. Заключаются они в выборе характерных участков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных наблюдениях за их перемещением и т. д. Наблюдения ведут в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в период их проектирования. Продолжительность работ — до 1 года и более.