§ 20 Испытания грунтов в полевых условиях

В полевых условиях несущую способность и деформативность оснований определяют по результатам испытания грунтов штампами в траншеях, шурфах и скважинах на уровне заложения фундаментов, а также по данным статического или динамического зондирования.

Испытание грунтов на глубине до 3—6 м производят в шурфах, а на большей глубине — в буровых скважинах. Для испытания в шурфах, как правило, используют железобетонные или металлические жесткие квадратные штампы с площадью подошвы от 2500 до 5000 см, а в буровых скважинах — круглые штампы с площадью подошвы не менее 600 см2.


Рис. 3.6. Схема установки для испытания грунта в шурфе: 1 — упорная балка; 2 — гидравлический домкрат; 3 — стойка; 4 — штамп; 5 — анкерная свая

Рис. 3.7. Схема установки для испытания грунта в буровой скважине 1 — штамп; 2 — обсадная труба; 3 — штанга; 4 — платформа; 5 — грузы; 6 — тяги; 7 — хомут; 8 — направляющие брусья

Рис. 3.8.. Зависимость осадки s штампа давлении р

Возможная схема установки для испытания грунта в шурфе представлена на рис. 3.6. Создаваемое гидравлическим домкратом давление через стойку передается штампу. Реактивное усилие от домкрата воспринимается анкерным устройством, состоящим из металлических балок и работающих на выдергивание свай. В качестве анкерного устройства может быть использована также платформа с грузами.

При испытании грунта в буровой скважине с обсадной трубой (рис. 3.7) на грунт устанавливают штамп, прикрепленный к штанге. Давление на штамп создают укладкой грузов на деревянную платформу, которая с помощью тяг и хомута прикреплена к штанге.

Правильное положение штампа обеспечивается направляющими брусьями.

В состав установок для испытания входят приборы для измерения осадки штампа (с точностью отсчета не менее 0,1 мм) и реперная система, относительно которой измеряют осадку.

Нагружают штамп ступенями, размер которых назначают исходя из того, чтобы давление под подошвой увеличивалось на 0,05 МПа при слабом грунте и на 0,2 МПа при плотном. На каждой ступени нагрузку выдерживают до затухания (стабилизации) осадки штампа. Для фундаментов опор мостов осадку на данной ступени загружения считают стабилизированной, если она составила не более 0,1 мм за последние 30 мин при опирании на крупнообломочные и песчаные грунты, а также глинистые грунты твердой консистенции; не более 0,1 мм за последний час при опирании на глинистые грунты полутвердой и тугопластичной консистенции.

По результатам испытания строят график зависимости осадки s штампа от давления р, передаваемого через его подошву (рис. 3.8). Выделяя на этом графике начальный участок, в пределах которого зависимость осадки от давления может быть принята прямолинейной, определяют модуль Е общей деформации грунта, МПа, по формуле, полученной методами теории упругости для круглого штампа:
E = (1-v2)πpprd/(4spr), (3.13)
где v — коэффициент Пуассона; ррr — давление, МПа, под подошвой штампа, взятое в конце прямолинейного участка на графике зависимости осадки от давления (см. рис. 3.8); d — диаметр круглого штампа, см; при испытаниях квадратным штампом в качестве d следует принимать диаметр круга с площадью, равной площади подошвы штампа; spr — стабилизированная осадка, соответствующая давлению ррr, см.

Испытания грунтов штампами дают наиболее достоверные значения модуля общей деформации. Однако продолжительность испытаний и их стоимость велики.

По графику осадка-нагрузка (см. рис. 3.8) можно также ориентировочно определить предельную несущую способность грунтового основания ри, соответствующую резкому перелому на графике. Однако при этом необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что подошва натурного фундамента, как правило, в несколько раз превышает площадь штампа. Поскольку объем грунта, находящийся в пределах областей сдвигов, зависит от размеров площади опирания, опыты со штампами дают преуменьшенные значения характерных давлений по сравнению с действительными.

Определение плотности сложения грунтов в их естественном залегании способом зондирования производится путем установления вдавливающего усилия, необходимого для погружения зонда. Зонд представляет собой наращиваемую по мере погружения металлическую штангу, на конце которой имеется стандартный конус диаметром 36 мм (площадь сечения 10 см2) с углом при вершине в 60°.

В зависимости от характера нагрузки, применяемой при погружении зонда, зондирование может быть динамическим и статическим. При динамическом зондировании зонд погружают в грунт ударами падающего с определенной высоты груза, фиксируя число ударов, необходимое для забивки зонда на заданную глубину. Чем плотнее грунт, тем большее число ударов требуется для забивки.

Наиболее эффективным и соответствующим работе грунтов под сооружением в условиях их естественного залегания является способ статического зондирования. Вдавливание осуществляется специальной установкой. При этом по динамометру определяется предельное сопротивление грунта вдавливанию и по нему оценивается плотность сложения песков и консистенция глинистых грунтов.

В настоящее время разработаны самоходные зондирующие установки, позволяющие вести исследования грунтов на глубину до 30 м.