Определение прочностных характеристик грунта. Методы испытания грунтов

Грунты, слагающие верхний слой земной поверхности, играют важную роль в жизни и хозяйственной деятельности человека. Они служат основанием зданий и сооружений, выступают в качестве питательной среды при выращивании растений, некоторые их виды являются ценными строительными материалами. Грунт – неоднородная структура, и во всех случаях его использования необходимо знать и учитывать гранулометрический состав, механические, физические и химические свойства. В первую очередь это относится к строительству, так как несущая способность и стабильность оснований прямо влияет на срок службы и эксплуатационную безопасность строящихся и используемых зданий, сооружений. Прочностные характеристики грунта изучаются в ходе инженерных изысканий перед началом проектирования объектов, определение параметров прочности может производиться и в эксплуатационный период при возникновении деформаций фундаментов и иных несущих конструкций. Работа включает в себя изучение состава, структуры грунтовых масс, способности их сопротивления внешним вертикальным и сдвигающим нагрузкам, определение ряда других параметров, способных оказать влияние на капитальность объектов строительства. Принимая во внимание важность, сложность и специфичность исследований, действующее законодательство делегирует право их проведения лицензированным организациям с государственной аккредитацией, располагающим соответствующей материально-технической базой и укомплектованным специально обученным персоналом. Заказать определение прочности грунта в Москве и Подмосковье можно, воспользовавшись предложением строительной лаборатории «ТехЛабКонтроль». Предприятие имеет все, что необходимо для оперативного выполнения полного комплекса исследовательских работ, заказ будет стоить недорого, достоверность результатов гарантирована.

Технические характеристики грунта

Началу проектирования и строительства зданий, сооружений предшествует выбор земельного участка и комплекс инженерно-геологический изысканий, определяющий технические характеристики грунта и возможность его использования в качестве основания. В ходе исследований изучаются и анализируются следующие параметры и свойства грунтовых масс (ГОСТ 30416-2020):

гранулометрический (зерновой) состав;

влажность и плотность;

показатель текучести;

число пластичности;

влажность границы текучести и раскатывания;

максимальная плотность сухого грунта;

степень однородности;

коэффициент пористости;

степень пучинистости;

коэффициент фильтрации;

химический состав и активность.

Методики определения этих параметров регламентируют соответствующие государственные стандарты, исследования проводятся в лабораторных условиях. Вышеперечисленные характеристики взаимосвязаны между собой и прямо влияют на прочность, несущую способность – свойства грунта, определяющие возможность его использования для строительства. Существует несколько способов определения прочностных параметров грунтовых масс, они проводятся как в лабораторных (ГОСТ 30416-2020), так и в полевых условиях (ГОСТ 30672-2019). Это методы:

одноплоскостного среза пласта (ГОСТ 12248.1-2020);

одноосного (ГОСТ 12248.2-2020) и трехосного сжатия (ГОСТ 12248.3-2020);

исследование параметров грунта статическим и динамическим зондированием (ГОСТ 19912-2012);

прессиометрические исследования (ГОСТ 20276.2-2020);

испытание сваями (ГОСТ 5686-2020) и штампом (ГОСТ 20276.1-2020);

определение сопротивления сдвигу способом вращательного среза (ГОСТ 20276.5-2020).

Полученные результаты служит основой для оценки качества грунта, признания надежности или ненадежности основания, возможности его укрепления, ложатся в основу расчета конструкции, мощности и глубины заложения фундаментов.

Исследования грунта в стационарных условиях лаборатории необходимо для комплексной оценки качества образцов, изъятых из массива на месте предполагаемого строительства. Полученная информация позволяет определить все технические характеристик материала, в том числе и те, которые оказывают непосредственное влияние на прочность – пучинистость, максимальную влажность и плотность. Эти параметры характеризуют деформационную стабильность грунтовых масс в условиях сезонного изменения погодных условий. В ходе испытаний образцы грунта ненарушенного и нарушенного сложения подвергаются замораживанию, насыщению влагой, искусственному уплотнению. Результаты исследований принимаются во внимание при оценке прочностных характеристик грунта на выбранной строительной площадке и учитываются при определении несущей способности основания методами одноплоскостного среза, одноосного и трехосного сжатия.

Метод одноплоскостного среза позволяет оценить прочность грунта по значениям угла внутреннего трения и удельного сцепления. Прочностные характеристики образца определяются при срезе одной его части относительно другой с измерением возникших напряжений. Схемы приложения нагрузки – статическая с возрастанием по ступеням и кинематическая, с постоянной скоростью. Величина угла внутреннего трения и удельное сцепление определяются расчетом и позволяют судить о параметрах остаточной прочности грунта при воздействии критических сдвигающих нагрузок.

Метод одноосного сжатия применяется для определения несущей способности дисперсных связных грунтов. Испытания проводятся на образцах ненарушенного сложения, изъятых из грунтового массива в предполагаемом месте строительства. В ходе работы производится нагружение образца вертикальной (одноосной) нагрузкой без ограничения бокового расширения вплоть до момента его разрушения, ее максимум фиксируется и ложится в основу расчета несущей способности основания. С помощью данного метода определяется модуль упругости, уровень сжатия, прочность структуры почвы, коэффициент деформации (Пуассона) и относительной сжимаемости.

Метод трехосного сжатия позволяет оценить несущую способность дисперсных связных грунтов при имитации нагрузок от конкретного эксплуатируемого сооружения. Испытания проводятся путем трехосного сжатия образца в условиях осесимметричного нагружения, их результаты характеризуют параметры прочности и деформируемости материала, в том числе угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации, сопротивление недренированному боковому сдвигу. Нагружающий прибор – стабилометр, схемы приложения нагрузки – статическая с возрастанием по ступеням и кинематическая, с постоянной скоростью до разрушения образца. Показания всех измерительных устройств регистрируются и служат базой для расчета параметров несущей способности грунта при разнонаправленных критических напряжениях.

Полевые методы испытаний грунтов

Наряду с лабораторными методами определения прочностных характеристик грунта на практике часто применяется и исследование свойств грунтового массива непосредственно на месте предполагаемого строительства зданий, сооружений. Параллельно с лабораторными, эти испытания позволяют оперативно и более полно оценить качество грунта, его способность выдержать предполагаемые нагрузки. Способов полевых испытаний несколько, основные из них – статическое и динамическое зондирование, прессиометрические исследования, использование свай и штампов, вращательный срез.

Статическое зондирование – один из основных методов оперативной оценки плотности грунта при проведении полевых инженерно-геологических изысканий. Для работы необходим специальный прибор – плотномер статического действия (В-1, ПСГ-МГ4, S-086, СГП-1М и др.). В ходе исследований производится заглубление рабочего наконечника плотномера на длину рабочей части при статической нагрузке, результат определяется по фиксированному усилию, прилагаемому к рукоятке. Данный метод позволяет определить коэффициент уплотнения грунта, индекс влажности угол внутреннего трения, удельное сопротивление пенетрации, модуль упругости, удельное сцепление грунта.

Динамическое зондирование предполагает испытание грунта на прочность внедрением зонда ударным или ударно-вибрационным способом с помощью специальной установки, оснащенной свободно падающим грузом или вибромолотом. Забивка снаряда производится непрерывно, строго вертикально с фиксированием глубины погружения после определенного числа ударов. Испытание считаются законченными после достижения накончником заданной глубины или в случае резкого уменьшения скорости погружения зонда. По результатам испытаний определяется условное динамическое сопротивление грунта.

Прессиометрические исследования применяются для полевого определения модуля деформации песчаных и глинистых грунтов при исследовании их пригодности для строительства. Работа предполагает использование прессиометра, устройства включающего в себя аппарат для создания давления, зонд цилиндрической формы с эластичной оболочкой, измерительное устройство. В ходе испытаний зонд погружается в пробуренную скважину, после подачи в его камеру давления оболочка расширяется, воздействует на стенки скважин и вызывает их деформацию. Давление увеличивается ступенчато после наступления условной стабилизации линейных параметров скважины. По материалам испытаний на заданной отметке строят график зависимости измерения радиуса скважины от давления и вычисляется модуль деформации, который необходим для оценки несущей способности грунта.

Штамповые испытания грунта позволяют определить деформационные характеристики структурированных (дисперсных) грунтов и оценить их пригодность для использования в строительстве. Программа работ предполагает исследование параметров грунта с использованием вдавливаемого в массив штампа – жесткого плоского металлического диска или винтовой лопасти. Усилие, прилагаемое к наконечнику, тарировано, погружение производится вертикально, ступенчато с замером осадки штампа на каждой ступени изменения давления до наступления момента условной стабилизации. Результаты измерений фиксируются и служат основанием для определения модуля деформации дисперсных минеральных, минерало-органических и органических грунтов, параметров просадочности глин при исследованиях с замачиванием, степени уплотнения основания после трамбовки.

Исследование прочности грунта сваями проводятся натуральными или эталонными конструкциями с приложением динамических и статических осевых вдавливающих, выдергивающих, горизонтальных (поперечных) нагрузок. Для проведения работы необходим комплекс специального оборудования – устройство для нагружения (забивки и извлечения) сваи, упорная конструкция для восприятия реактивных сил, измерительные приборы. В ходе испытаний производятся предусмотренные государственным стандартом замеры, оцениваются характер погружения и выдергивания конструкций свай, деформации при приложении горизонтальных нагрузок.

Способ вращательного среза (испытание на сдвиг) применяется для определения сопротивления грунта недренированному сдвигу на глинистых, органоминеральных и органических грунтах, предполагаемых для использования в строительстве. Оборудование, необходимое для исследований, включает в себя крыльчатку на штанге, устройства для ее вдавливания в грунт, создания и измерения крутящего момента. В ходе испытаний крыльчатка погружается в грунтовый массив с заданной угловой скоростью, изменение крутящего момента фиксируется до достижения максимума. Работа считается завершенной после условной стабилизации его значения. Полученные результаты ложатся в основу определения сопротивления сдвигу и позволяют судить о прочности грунта.  

Основная цель лабораторных и полевых испытаний грунта – оценка его пригодности для использования в качестве основания при строительстве зданий, сооружений. Полученные результаты и их анализ способствуют принятию обоснованных, грамотных решений при проектировании строящихся объектов, позволяют исключить риск просадок фундаментов и деформирования несущих конструкций. Итоги и показатели, полученные в результате проведенных исследований, оформляются актом или протоколом и являются официальным документом, входящим в состав проектно-сметной документации строящегося объекта. Кроме этого, определенные в результате лабораторных или полевых испытаний прочностные характеристики грунта могут приниматься во внимание при принятии решения о возможности укрепления грунтовых оснований и выборе способа производства таких работ, а также использоваться в качестве свидетельства в ходе возможных разбирательств при нарушении стандартов, правил и норм строительства.