Методы определения свойства грунтов

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характеристи­ки, которые обуславливают 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 строительных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты — это образцы грунтов с ненарушенной структурой. Такие монолиты отбираются 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 оболочки. В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются 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 микроагрегатный 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 тоже 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 строительной площадке, дает определенное преимущество перед лабораторным анализом. Это позволяет определять значения характе­ристик физико-механических свойств в условиях естественного зале­гания фунтов 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 Фунтов, то они не всегда позволяют прогнозировать поведение мас­сивов фунтов 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 фунтов.

Среди методов деформационных испытаний фунтов 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 фунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков фунта 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 несущейспособности. 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 Ш класс сооружений) достаточно надежные пока­затели С и <р 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.

М е т о д ш т а м п о в. 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 чаше всего плита круглая площадью 5000 см². Для создания под штампом заданного напряжения применяют домкраты или плат­формы с грузом (рис. 27). Осадку штампов измеряют прогибомерами. При проходке шурфа на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. За­грузку штампа производят ступенями и выдерживают определенное время. Значение нагрузки устанавливается в зависимости от вида грунта и его состояния. В итоге работы строят графики:

• зависимость 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 см³. Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации определяют по формуле.

Определение модуля деформации в массиве скального фунта про­водят в опытных котлованах. Испытания ведут с помощью прибетонированных в 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 гли­
нистых грунтов, определить модуль деформации;

• оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях
и намывных образованиях;

• измерить мощность органогенных фунтов на болотах

•

Динамическое зондирование дает возможность определять:

• мощность толщ современных (четвертичных) отложений;

• границы между слоями;

• степень уплотнения насыпных и намывных грунтов.
На рис. 28 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.

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 фунта, так и при его замачивании. 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 фунта. 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.

Свойства связных грунтов.

К связным грунтам относятся осадочные породы трех типов:

• минеральные;

• органоминеральные;

• органические.

Наибольшее распространение на земной поверхности имеет мине­ральный тип, представленный глинистыми грунтами с водо-коллоидными связями между частицами. Земная кора практически повсеместно (не менее 60 % объема осадочных пород) покрыта глини­стыми образованиями. В эти образования входят три литологических разновидности: супеси, суглинки и глины.

Минеральные (глинистые) грунты. Этот тип грунтов характеризуется большой группой физических свойств: пористостью, влажностью; по­глотительной способностью; коррозионными и специфическими свой­ствами (пластичностью, консистенцией, липкостью, набуханием и садкой).

Глинистые грунты обычно залегают самостоятельными слоями, иногда в виде прослоев или линз в толщах других грунтов, что типично з основном озерным и речным отложениям. Мощность слоев очень разнообразна—от сантиметров до десятков и сотен метров. Глины стожены глинистыми минералами (до 95 %), среди которых преобла-zatoT гидрослюда, в качестве примесей присутствуют каолинит, монт­мориллонит и др. Иногда встречаются глины, в которых основное место занимают каолиниты или монтмориллонит. В суглинках кроме глини­стых минералов присутствуют (до 30—50 %) кварц, полевые шпаты и другие кластогенные минералы, имеющие размер пылеватых частиц. В составе супесей основное место занимают кластогенные зерна (кварц, долевые шпаты и др.), а глинистые минералы находятся в подчиненном -сложении (до 10—20 %).

Пористость п глинистых грунтов различна: супеси —10—15 %, суглинки—20—30%,глины—90—95% активность во взаимоотношениях с водой. В грунтах увеличивается влагоемкость, пластичность, сжатие под нагрузками и т. д.

Глинистые грунты, особенно в условиях влажного состояния, под нагрузками способны сжиматься, т. е. уплотняться. Сжатие происходит за счет уменьшения пористости. Вначале из пор вытесняется воздух, а потом свободная (жидкая) вода. Грунт при этом ведет себя как пластичное тело. Дальнейшее увеличение нагрузки принимает на себя минеральный скелет грунта. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться. Это связано с расклинивающим действием пленочной воды, которая восстанавливает толщину своих пленок и раздвигает частицы грунта.

Влажность W в глинистых грунтов. Вода в глинистых грунтах находится в порах, заполняя их полностью или частично. Природная влажность W – это общее количество воды, содержащееся в объеме грунта, т.е. весовое кол-во воды к весу грунта. Если поры грунта полностью заполнены водой, то его относят к водонасыщенным W_sat. Величина W может меняться за счет испарения, давления на грунт, притока воды из окружающей среды.

Поглотительная способность глинистых грунтов связана с активной поверхностью глинистых частиц, которая энергично взаимодействует с окружающей частицы средой. Наивысшей активностью отличаются глинистые частицы, которые несут на своей поверхности электрические заряды. Минералы, например, алюмосиликатного или состава имеют отрицательные заряды, а карбонаты — положительные.

Коррозионные свойства глинистых грунтов. Коррозия —это разру­шение строительных материалов и подземных металлических трубоп­роводов, расположенных в глинистых грунтах. Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздейст­вия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой рас­твор. В этом процессе вода пор становится электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны городским территориям, где развито трамвайное движение. При проектировании объектов против коррозии следует предусматривать меры защиты.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода и ее количество придает грунтам ряд особых свойств, которые принято называть спе­цифическими или «характерными». Это пластичность, липкость, набухание и усадка

Все эти свойства типичны глинистым грунтам и имеют большое значение при их строительной оценке.

Пластичность. Это способность глинистых грунтов под действием внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошности, т. е. без образования трещин, и сохранять полученную форму. Пластичные свойства обуславливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности. Меньшее значение называют нижним пределом пластичности или границей раскатывания W_р, а большее—верхним пределом пластичности, или границей текучести W_i. При влажности ниже W_р грунт находится в твердом состоянии, а когда влажность выше W_i —грунт растекается. Разница между значениями W_p и W_y называют числом пластичности I_р, (доли ед.) (рис. 30).

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физическое состояние грунтов и показывает степень подвижности частиц в зави­симости от различного количества в грунтах воды. Консистенцию J_t определяют по формуле

I_i=(W-W_p)/(W_i-W_p)

По значениям I_i с помощью таблиц устанавливают, в каком состо­янии находится грунт, например, суглинки и глины могут иметь консистенцию твердую, полутвердую, тугопластичную, мягкопластич-ную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают втвердом состоянии, пластичном и текучем (табл. 25).

Липкость (г/см²)—способность глинистых грунтов прилипать к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к лопате и т. д.). Липкостью обладают грунты, которые находятся в пластичном состоянии и обуславливаются наличием пленочной воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. Пески и супеси липкостью не обладают

Липкость определяют лабораторным путем. При строительных работах в период дождей она осложняет разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов.

Набухание —способность глинистых грунтов увеличивать свой объем в результате увлажнения. Этот процесс свойственен, прежде всего глинам и тяжелым суглинкам. Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего встречаются на поверхности земли сухих районов. Мощность слоев набухающих глин обозначается Н_sw.. За счет давления набухания грунтов здание деформируется.

Набухание грунтов происходит после соприкосновения с водой, если они были сухие или слабо влажные.

Наличие набухающих грунтов устанавливают в период инженерно-геологических изысканий. Если грунты являются набухающими, то при проектировании объектов необходимо предусматривать определенные мероприятия: 1) в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и 2) в грунтовом основании.

При строительстве на набухающих основаниях могут быть исполь­зованы следующие мероприятия

.

• Водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения
проникновения в основания атмосферных и технических вод. Вокруг
зданий устраивают широкие асфальтовые отмостки, канавы и лотки
для отвода воды; надземные водонесущие коммуникации помещают в
специальные каналы.

• Устранение свойств набухания в пределах всей или части толщи
грунта путем предпостроечного замачивания. Для промачивания грун­тов используют дренирующие скважины. Грунт провоцируется на
набухание и в таком виде должен находиться весь период эксплуатации
объекта. Следует отметить, что при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристики. В связи с этим рекомен­дуется строить объекты с небольшими нагрузками.

• Устройство компенсирующих подушек под всем зданием или
фундаментами из слоя уплотненного грунта (песка, суглинка, глины).
Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину Р_sw

• Полная или частичная прорезка сборными фундаментами слоя
набухающего грунта. При этом боковая часть фундаментов должна
обсыпаться песком в целях устранения прилипания грунта к фундаментам.

• Полная или частичная замена слоя набухающего грунта не набухаюшим грунтом. Этот способ экономически оправдан при набухаю­щих грунтах с небольшой мощностью слоев.

• Увеличение давления от зданий на основание, чтобы оно было
больше Р_sw.

Необходимо отметить, что наибольший эффект при строительстве объектов на набухающих грунтах можно получить при сочетании нескольких мероприятий и при увеличении жесткости и прочности самих зданий.

Техногенные грунты

Ниже рассматриваются искусственные техногенные грунты, а также образования, которые нередко называют антропогенными.

На поверхности литосферы при проведении различных строитель­ных и горных работ, в результате производственной деятельности человека образуется достаточно большое количество отложений, пред­ставляющих собой или отходы хозяйственной деятельности человека (отвалы шахт, заводов, городские свалки и т. д.), или отложения, специально созданные человеком в строительных и производственных целях (намывные грунты, грунты обратной засыпки, насыпи дорог и т. д.). Эти образования получили название техногенных грунтов.

В настоящее время под техногенными грунтами понимают естест­венные грунты и почвы, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропо­генные образования. Под антропогенными образованиями следует по­нимать твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального и органического сырья.

Наибольшая часть искусственных грунтов на Земле приурочена к промышленным и городским территориям. Особое беспокойство при этом у человечества вызывают бытовые и производственные отходы, которые занимают очень большие, непрерывно расширяющиеся пло­щади и уже наносят серьезный вред жизненной среде человека.

Большое количество искусственных грунтов образуется также в результате военных действий, что тоже значительно изменяет облик земной поверхности, существенно нарушает природные массивы гор­ных пород, создает искусственные грунтовые накопления, как из природных минеральных масс, так и за счет разрушенных зданий и сооружений.

Техногенные грунты используются в качестве оснований зданий и сооружений, а также материала для строительства различных инженер­ных сооружений (земляных плотин, насыпей автомобильных и желез­ных дорог и пр.). Глобальный объем техногенных отложений в различных сооружениях измеряется сотнями миллиардов кубических метров. Только при добыче, переработке и сжигании твёрдого топлива каждые 5 лет в отвалах размещаются около 40 млрд. м³ пустых(для открытых разработок – вскрышных) пород и 2 млрд. м³золошлаков.