Массив грунта, расположенный под зданием или сооружением, воспринимает на себя огромные статические и динамические нагрузки. Данный процесс осложняется своим постоянством и усугубляется изменением влажности структуры основания под воздействием грунтовых и поверхностных вод. Для обеспечения капитальности и эксплуатационной безопасности зданий, сооружений, до начала их строительства производится комплекс инженерно-геологических изысканий по определению физико-химических параметров подстилающих грунтов, прочности, несущей способности, деформируемости. Одним из способов производства таких работ являются штамповые испытания грунтовых оснований вертикальными статическими нагрузками (п. 5.3.5 СП 22.13330.2016). Это позволяет с высокой точностью установить деформационные характеристики подпочвенных структурированных (дисперсных) грунтов, оценить возможность строительства тех или иных объектов на выбранном земельном участке. Методику проведения штамповых испытаний регламентирует ГОСТ 20276.1-2020. Работа выполняется силами и средствами специализированных предприятий, имеющих соответствующую лицензию и допуск от Федеральной службы Росаккредитации. В Москве и Московской области штамповые испытания грунтов производит строительная лаборатория «ТехЛабКонтроль».

Принцип и цели штамповых испытаний

Свод правил СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» устанавливает обязательность проведения штамповых испытаний грунтов природной плотности на отведенных под строительство земельных участках и определяет их результаты, как наиболее достоверные для изучения деформационных характеристик. Данный способ предусматривает испытание оснований вдавливанием штампа – жесткого плоского металлического диска с площадью подошвы 600, 1000, 2500, 5000 кв.см. или винтовой лопасти площадью 600 кв.см. Для исследования деформационных параметров мерзлых грунтов используется горячий штамп. Полученные при этом результаты позволяют установить:

• модуль деформации для дисперсных минеральных, минерало-органических и органических грунтов;
• параметры просадочности глин при исследованиях с замачиванием;
• степень уплотнения после трамбовки при замене грунта в котлованах.

Штамповые испытания грунтов проводятся по предварительно разработанной и утвержденной программе и заключаются в измерении осадки штампа при последовательном ступенчатом изменении прилагаемого к нему давления. Параметры нагрузки и время ее приложения до наступления условной стабилизации деформаций устанавливает ГОСТ 20276.1-2020 с привязкой к виду грунта. Пункт 5.3.19 СП 22.13330.2016 устанавливает минимальное число полевых испытаний каждой грунтовой характеристики, это два, но при расхождении результатов более чем на 25% назначается еще одно дополнительное. Результаты испытаний заносятся в специальный журнал, они необходимы для построения графика зависимости осадки штампа от прилагаемого давления, вычисления модуля деформации дисперсных и степени просадочности глинистых грунтов.

Оборудование для испытаний грунтов штампом

Штамповые испытания грунтов предполагают использование специальной установки, способной обеспечить следующие условия:

• ступенчатое нагружение штампа давлением 0,01 - 0,1 МПа;
• центрированность передачи нагрузки на штамп;
• постоянство усилия на каждой ступени испытаний.

Такая установка должна иметь жесткую конструкцию, быть безопасной для обслуживающего персонала и включать в себя следующее оборудование:

• набор жестких круглых штампов (плоские, с разной площадью подошвы, и круглый);
• механизм для создания и переменных внешних тарированных нагрузок (домкраты);
• анкерное устройство, грузовая платформа для восприятия реактивных усилий;
• измерительные устройства – датчики перемещений, прогибомеры;
• оборудование, исключающее любые посторонние внешние воздействия (реперная система);
• устройство для замачивания (при испытании глинистых грунтов на просадочность).

Оборудование, необходимое для проведения штамповых испытаний грунта, достаточно сложное, его монтаж и обслуживание требует специальной подготовки, занимает относительно большой промежуток времени. Именно поэтому право проведения таких работ на законодательном уровне делегировано специализированным предприятиям, имеющим соответствующую лицензию.

Подготовка штамповых испытаний грунта

Испытания грунта штампом производятся по специально разработанной программе, которая учитывает все особенности выбранного для строительства земельного участка. В ней принимаются во внимание следующие данные:

• предполагаемые эксплуатационные нагрузки от здания, сооружения;
• форма фундамента и уровень его заглубления;
• степень однородности грунта, его структура и состав;
• уровень грунтовых вод.

Перед началом работы выполняется комплекс подготовительных мероприятий. На этом этапе производится:

• подготовка места испытаний – выравнивание дна котлована с установкой штампа в горизонтальном положении;
• при исследовании просадочности глинистых грунтов производится устройство выемки глубиной 40 – 60 см;
• для винтового штампа готовится скважина с укреплением стенок и контролем уровня грунтовых вод (при наличии).

Выбор штампа (тип и площадь) зависит от вида испытуемого грунта и определяется требованиями ГОСТ 20276.1-2020. После окончательной и выверенной его установки производится монтаж комплекса испытательного оборудования, включающего в себя источник нагрузок, анкерное устройство (грузовую платформу) и измерительные приборы (прогибомеры, датчики). Завершает подготовительный этап проверка качества работ и запись начальных показаний средств измерений.

Проведение исследований грунта с использованием штампа

Основным условием получения достоверных результатов при штамповых испытаниях грунта является соблюдение заданной стандартом ступенчатости приложения и увеличения нагрузки, ее выдержки до времени наступления условной стабилизации деформации. Общее число ступеней должно быть не менее четырех, время выдержки на каждой последующей из них не должно быть короче, чем на предыдущей. Критерием условной стабилизации деформации считается скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за время установленное стандартом для грунта, определенного типа.

После начала приложения к штампу давления тарированным грузом, производится снятие отсчетов по прогибомерам в следующие временные периоды:

• при испытании дисперсных грунтов – через каждые 10 минут в течение первого часа испытаний, через 15 – второго, далее через 30 до наступления условной стабилизации деформации исследуемого грунта;
• при испытании глин и глинистых грунтов – через каждые 15 минут в течение первого часа испытаний, через 30 – второго, далее через каждый час до наступления условной стабилизации деформации исследуемого грунта.

По результатам штамповых испытаний строится график зависимости осадки штампа от приложенных нагрузок и вычисляется модуль деформации с применением табличных коэффициентов государственного стандарта (ГОСТ 20276.1-2020).

В неоднородных грунтах, для исключения будущих возможных деформаций, следует провести минимум три изыскания в точках с минимальным расстоянием между ними в два диаметра штампа. При штамповых испытаниях просадочных грунтов предусмотрена необходимость их предварительного замачивания и проведение работ с использованием графических зависимостей «одной» или «двух кривых» (ГОСТ 20276.1-2020). Конкретный вариант выбирается с учетом необходимых для исследований параметров грунта – в частичном или полном объеме. На основе полученных результатов делается оценка степени просадочности грунта на исследуемом участке. В том случае, если грунт мерзлый, исследования проводятся с использованием горячего штампа. Выемку под него делают с учетом точки максимальной отметки сезонного оттаивания. И для глинистых, и для мерзлых грунтов, техника испытаний примерно одинакова, отличия заключаются в скорости приложения и величине нагрузки, времени условной стабилизации деформаций.

Преимущества и недостатки штампового метода испытания грунта

Основным преимуществом метода испытания грунтов штампов является высокая степень достоверности результатов. Это объясняется тем, что изыскания проводятся непосредственно на месте будущего строительства, в массиве грунта, который будет выступать основанием фундамента проектируемого здания или сооружения. При этом его грунтовая структура практически не нарушается, сохраняет естественную плотность, влажность и другие характеристики, способные повлиять на несущую способность массива. К недостаткам метода относится трудоемкость производства работ, необходимость применения специального технологического оборудования и подготовки площадки для испытаний. Однако, результат оправдывает средства и определяет штамповую методику, как основную при строительстве ответственных зданий и сооружений на грунтах любых типов и в различных климатических условиях.