В процессе строительства и эксплуатации зданий грунт деформируется, что может привести к усадке вновь построенного сооружения. Явление это весьма неприятное, ведь оно грозит появлением трещин или крена здания. А значит, поставит под угрозу и его дальнейшую эксплуатацию. Но можно рассчитать коэффициент усадки, запланировав пределы деформации основания конструкции. Для этого и проводятся штамповые испытания грунтов.
Суть и особенности метода
Определение деформационных свойств грунта заключается в том, как он ведет себя под большими статическими нагрузками. Знать их необходимо для того, чтобы прогнозировать дальнейшее уплотнение или проседание. Этим занимается целая команда специалистов.
Метод испытания штампом дает очень точные результаты, поэтому является одним из основных при любых инженерно-геологических видах работ. Особенно если планируется строительство подземного сооружения или высотки. Точность проведения данных испытаний регулируется ГОСТом.
Суть метода заключается в поэтапной нагрузке жестких штампов, установленных в почву. С помощью особых приборов, отслеживаются нагрузки на них и определяются показатели усадки. В зависимости от усадки самого штампа, вычисляются и деформационные свойства грунта.
Испытание штампами против зондирования
В отличие от метода зондирования, штамповые испытания грунтов требуют более сложного оборудования и отличаются трудоемкостью. Необходимые приборы и инструменты, как правило, крупногабаритные и обладают немалым весом. К тому же перед началом работы необходимо подготовить грунты к испытаниям. Временной фактор тоже немаловажен: чтобы изучить характер усадки грунта, потребуется продолжительный срок. Добавьте сюда сложные формулы вычисления, требующие особых данных, например, коэффициента Пуассона для грунтов.
Вот почему данный метод применяется не в начале инженерно-геологических исследований, а на этапе завершения всех работ, когда выбрано место для строительства и рассчитаны габариты сооружения. Важно предварительно узнать максимальный уровень нагрузки на почву и рассчитать геологические особенности данного участка застройки. А также позаботиться о расчете типа фундамента и глубины его закладки. Весь этот регламент изложен в соответствующих пунктах ГОСТ.
Габариты штампа и их влияние на деформацию
Еще в 1930 году было выявлено, что размер используемого штампа во многом влияет на степень деформации определенной породы почвы. В результате исследований Пресса с квадратными штампами на глинах и песках были установлены интересные сведения. Усадка никак не менялась при условии стандартного размера штампа: со стороной от 18 до 30 см. Если же его габариты сильно отклонялись от данных величин, в большую или меньшую сторону, параметр усадки возрастал.
В результате этого советскими геологами были рассчитаны стандартные размеры штампов, которые в течение долгих лет применялись для испытаний. Это плоские, круглые и жесткие штампы с площадью 2,5, 5 и 10 тысяч квадратных сантиметров. Если же необходимо использовать маленький штамп, с площадью всего тысячу см2, его площадь наращивают до минимальных значений при помощи специальных колец. Однако малые штампы применяются лишь в специальных отраслях, преимущественно в скважинах с буровыми установками.
Рекомендуемые габариты
Вот какие штампы рекомендуется использовать, в зависимости от плотности и типа грунтов:
- Глина, песок, рыхлые и крупнообмолочные грунты со средней степенью плотности – штампы площадью 5 тыс. см2 и диаметром до 80 см. Коэффициент IL у таких грунтов составляет более 0,25.
- Глинистые и песчаные грунты используют штампы с площадью вдвое меньше и диаметром до 57 см. Коэффициент IL у них менее 0,25.
Характеристики деформируемости
Определить требуемые критерии почвы можно при помощи специального инструмента – прессиометра. Именно его применяют в полевых штамповых испытаниях. Данное оборудование позволяет выявить многие характеристики грунтов исходя из их типа.
Для песчаной, глинистой, органической почвы или крупнообмолочного грунта определяется деформационный модуль. Глинистые грунты с высокой вероятностью проседания проверяются на начальный коэффициент просадочного давления и относительную деформацию.
Формула с использованием коэффициента Пуассона
Расчет сопротивления грунта по результатам штамповых испытаний определяется с помощью специальной формулы. В ней применяется особый коэффициент, для каждой породы он свой. Называется он коэффициентом Пуассона и составляет следующие значения для различных пород:
- Скальный грунт – 0,15.
- Полускальный – 0,25.
- Крупнообмолочный – 0,27.
- Песок – 0,3.
- Суглинок – 0,35.
- Глина – 0,42.
Коэффициент Пуассона для грунтов участвует в формуле для вычисления модуля деформации. Но, независимо от типа и точности используемого оборудования, значение данного модуля можно вычислить лишь на прямолинейном участке. Ведь поведение грунта, показатели сжимаемости которых необходимо выявить, весьма непостоянно. Поэтому оно подпадает под теорию линейно-деформируемых тел.
Однако сам модуль деформации является постоянной величиной, поэтому, зная его, а также состав и свойства самого грунта, вычислить уровень усадки сооружения не составит никакой сложности.
Кроме модуля деформации, штамповые испытания грунтов позволяют определить просадку грунта при увлажнении и под определенной нагрузкой, выявить степень критических величин и спрогнозировать характер деформационных нагрузок в процессе эксплуатации.
Стадии усадки почвы
В процессе усадки грунта под давлением фундамента, который моделируется при помощи штампов, выделяют несколько поэтапных стадий.
- Уплотнение. Грунт сжимается, что приводит к снижению характеристик пористости.
- Сдвиг. Грунт находится в предельном равновесии, но с многочисленными сдвигами по краям фундамента.
- Разрушение, полное или частичное. Боковые стенки почвы начинают разрушаться, что и приводит к последующим деформациям сооружения. Участок грунта вместе со штампом смещается, а по его краям происходит выпор грунтовых пород. Если нагрузка на почву на данном этапе увеличивается, даже незначительно, уровень деформаций стремительно растет.
Другие исследователи выделяют лишь две стадии усадки, без какого-либо четкого разделения. Однако современные технологии ушли далеко вперед, сегодня без труда можно фиксировать даже самые небольшие сдвиги в структуре почвы.
Фиксация и обработка полученных данных
Любые инженерно-геологические изыскания для строительства дополняются ведением журнала, в который заносятся необходимые данные. Здесь это величина усадки штампов под воздействием нагрузок. Обработка данных, в зависимости от типа используемого оборудования, может вестись вручную или при помощи специальных устройств.
Когда испытательные работы завершены, данные обрабатываются документально. По их результатам составляются графики, на которых можно проследить взаимозависимость давления и усадки штампа.
Нюансы работы и меры предосторожности
Существуют определенные ограничения в размере самих установок и диаметре скважин, регулируемые ГОСТом. Кроме того, важно следить за степенью вертикальности скважины. В процессе работ ее стенки закрепляются при помощи обсадных труб.
Перед установкой штампа забой тщательно вычищается с помощью специального оборудования. Дно после этого становится ровнее. Если идеально ровной поверхности достичь не удается, на него кладется песчаная подушка толщиной 2-5 см, в зависимости от типа грунта.
Чтобы штамп как можно более плотно контактировал с грунтом, его проворачивают пару раз вокруг оси. После установки тщательно проверяют степень горизонтальности, а затем проводят монтаж остального оборудования.
Измерения степени усадки проводят с точностью до десятой доли миллиметра. В течение первого часа после начала штамповых испытаний грунтов каждые 15 минут проводятся замеры по прогибам. На втором часе – каждые полчаса, а затем раз в час, пока степень усадки не стабилизируется.
О достижении критического давления сигнализирует появление трещин вокруг штампа или выпираний грунта. На этом испытания следует прекратить.
Благодаря современным технологиям, инженерно-геологические изыскания для строительства проводятся на любых типах грунта, а также на участках любой сложности. Допустимо исследовать подтопляемые территории и даже оползнеопасные участки. При тщательном соблюдении технологии и следовании требованиям ГОСТ испытание будет успешным.
Возможно также проводить штамповые испытания грунтов на железнодорожных путях. А если проведение буровых работ затруднено или ведется в стесненных условиях, специалисты пользуются специальными инструментами и мотобуром.
