Определение в лабораторных и в полевых условиях механических характеристик грунтов, оценка по ним свойств грунтов

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определить характеристики, которые обуславливаю прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами. Химико-минералогический состав структуры и текстура грунтов, содержание органического вещества определяется в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентген, микроскоп и т.д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях 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. 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-химической характеристике выполняется несколько определений и проводится их статический анализ. Количество определений зависит от характера грунтов, назначения сооружения и его конструктивных особенностей (минимальное количество определений – 6). Грунтоведческая лаборатория: образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах в буровых скважинах, расположенных на строительной площадке. В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов.

Монолиты – образцы грунтов с ненарушенной структурой. Они отбираются в скальных и связных пылевато-глинистых грунтах, размеры устанавливаются нормами. В пылевато-глинистых грунтах сохраняется природная влажность путем создания на поверхности парафинной оболочки.

В рыхлых грунтах образцы отбираются в виде проб определенной массы. Так для проведения гранулометрического анализа песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

Полевые работы более точные, чем в лаборатории. В полевых условиях определяют все прочностные и деформационные характеристики и скальных и нескальных грунтов.

Деформационные характеристики (сжимаемость) испытываются методом полевых штамповых испытаний. В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передают статические нагрузки. Штампы в шурфе – это стальная или железобетонная плита. Форма штампа зависит от формы фундамента, который он моделирует (в Могилеве обычно плита А=5000 см²). Для создания под штампы заданного напряжения применяют домкраты или платформы с грузом.

1 – штампы, 2 – домкрат, 3 – анкерные сваи, 4 – платформы с грузом, 5 – штанга

При проходке шурфа на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Загрузку штампа производят ступенями и выдерживают некоторое время. Значение нагрузки устанавливают в зависимости от вида грунта и его состояния. В итоге строят зависимости осадки от давления S=f(p) и зависимости осадки штампа от времени S=f(t). После этого по формулам вычисляют модуль деформации грунта: Е (МПа).

Штампы буровой скважины диаметром более 320 мм испытание проводят специальными установками, работающими на глубине до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см². Нагрузка на штамп подается через штангу (5), на которой располагается платформа с грузом (4). Модуль деформации Е определяют по формуле.

Прессиометрические исследования Их проводят в глинистых грунтах с помощью разведочных скважин. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, которую опускают в скважину на заданную глубину. Камеру рассширяют давлением жидкости или газа. В процессе работы в стенах скважины замеряют радиальное перемещение грунта и давление. Это позволяет определить модуль деформации.

Зондирование (пенетрация) Используется для изучения толщ породы до глубины 15-20 м. Определяют сопротивление проникновению в грунт металлического наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунта на определенной глубине и характеризует изменения в вертикальном разрезе.

Зондирование относится к экспресс-методам и применяется в целях ускоренного получения результатов исследования. Используется при изучении песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или мало содержат примесей щебня или гальки.

По способу погружения наконечника различают динамическое и статическое зондирование.

Статическое зондирование позволяет: расчленить толщу грунта на отдельные слои, установить приблизительную плотность грунтов, консистенцию глинистых грунтов и определить модуль деформации, оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях, измерить мощность органогенного грунта на болотах.

Динамическое зондирование дает возможность определить: мощность современных четвертичных отложений, границы между слоями, степень уплотнения насыпных и намывных грунтов

Для хорошо фильтрующих грунтов k_f (коэффициет фильтрации) определяют с помощью прибора (рис1), состоящего из трубы длиной L, заполненной грунтом, и двух трубок — подводящей и отводящей воду. При разности напоров H2—Н1 вода будет фильтроваться под действием градиента i, вычисляемого по формуле. Определив объем воды в колбе V, профильтровавшейся за время t, можно найти

k_f = V/Ait,

где А — площадь поперечного сечения образца грунта.

Рис. 1. Схемы установок для определения коэффициента фильтрации а —песка, б — пылевато-глинистого грунта

При пылевато-глинистых грунтах для определения коэффициента фильтрации приходится создавать большой напор. Тогда значение можно определять с помощью прибора конструкции Б. И. Далматова (рис. 1,б).

С помощью такого прибора можно устанавливать коэффициент фильтрации суглинков и глин при k_f < 10-9 см/с.

Коэффициент фильтрации песков и супесей для расчета притока воды в котлованы рекомендуется определять в полевых условиях методом пробных откачек или путем налива воды в скважины.

Для расчета коэффициента фильтрации можно воспользоваться следующей формулой:

,

где Q – количество фильтрующейся воды, м³/сут;

L₁ и L₂ – расстояния от наблюдательных скважин до центральной, м;

m – мощность водоносного горизонта, м;

S₁ и S₂ – понижение уровней в наблюдательных скважинах, м.

Тема 6. Физические представления об уплотнении грунтов. Компрессионная зависимость и ее анализ. Коэффициент сжимаемости. Общий случай компрессионной зависимости. Коэффициент бокового давления. Модуль деформации.