Штамповые испытания грунтов

Для более прочных грунтов отношения mk = Е / Ек различались до 4–6 раз, в слабых – до 2–3 раз. Дальнейшие исследования проводились канд.техн.наук. О.И. Игнатовой. Работы были посвящены оценке штампового модуля деформации по данным лабораторных испытаний. При этом, за эталонное значение модуля деформации грунтов принималось испытание грунтов штампом площадью 5000 см2. На основе результатов исследования, выполненной О.И. Игнатовой в СНиП II-Б.1-62 «Основания зданий и сооружений» введен поправочный коэффициент mk, повышающий компрессионный модуль деформации в зависимости от коэффициента пористости грунта е.

Однако, использование данных коэффициентов не является универсальным «средством», обеспечивающим повышение достоверности прогноза осадок зданий и сооружений. Поэтому, существуют региональные таблицы, в которые уточняются переходные коэффициенты. Например, существуют таблицы для элювиальных грунтов Южного и Среднего Урала, морских отложений и т.д.

Наблюдения за осадками сооружений на слабых грунтах показали, что не всегда использование данных поправочных коэффициентов обосновано. Дело в том, что штамповый модуль деформации в интегральной форме отражает сложные закономерности деформирования грунтов и обладает высокой степенью достоверности. В соответствии с современными нормами применение штамповых испытаний (п. 5.3.3 СП 22.13330) «Наиболее достоверными методами определения деформационных характеристик дисперсных грунтов являются полевые испытания статическими нагрузками в шурфах, дудках или котлованах с помощью плоских горизонтальных штампов площадью 2500–5000 см&sup2, а также в скважинах или в массиве с помощью плоского штампа или винтовой лопасти-штампа площадью 600 см² или прессиометров (ГОСТ 20276)». В соответствии с п.5.3.7. СП 22.13330.2016 для геотехнических категорий 3,2 корректировка модуля деформации по данным компрессионных испытаний на основе сопоставления с параллельно проводимыми штамповыми или прессиометрическими испытаниями является обязательной.

Однако, при прохождении государственной экспертизы инженерно-геологических изысканий, эксперты, как правило, закрывают глаза на требования отечественных нормативных документов, в части проведения штамповых испытаний с целью уточнения и корректировки модулей деформации, полученных в лабораторных условиях. Метод испытаний штампами не требует дополнительных корреляционных зависимостей, а характеристика модуля деформации может непосредственно использоваться в расчетах осадок даже для самой сложной третьей геотехнической категории. Исходя из этого, в современной практике штамповые испытания проводятся как контрольные, целью которых является оценка модуля деформации, например, при проектировании искусственных оснований и сравнение данной величины с проектным значением.

Штамповый модуль деформации не является характеристикой грунта, так как его значение зависит от размеров загруженной площади (Широков В. Н., 1990). По-видимому, К. Терцаги, одним из первых исследовал влияние размеров штампа на его осадку. Он исследовал зависимость ширины фундамента от осадки в слабых грунтах и песках. Он установил, что при малых значениях диаметра штампов наблюдается резкое развитие вертикальных перемещений в слабых грунтах, вызванных развитием значительных зон пластических деформаций по сравнению с площадью штампа. В дальнейшем этот вывод нашел практическое применение при использовании штампов большего размера (типа) для оценки модуля деформации в полевых условиях. Сотниковым С. Н. предлагалось испытывать слабые глинистые грунты Санкт-Петербурга штампом не менее 10 000 см2, так как при такой площади развитие пластических зон сдвигов не будет иметь существенного значения при оценке сжимаемости грунта. Профессор Лушников В. В. предлагает для уменьшения материалоемкости подготовительных работ для крупнообломочных грунтов применять штамп площадью 600 см2, взамен применяемого 5000 см2. Аналогичное предложение нашло отражение в немецких стандартах на испытания материалов и грунтов (DIN).

Многими исследователями предложены различные эмпирические зависимости, связывающие размер штампа (фундамента) с его осадкой. Например, Terzaghi and Peck (1948, 1967) предложили следующую формулу для перехода к осадке фундамента на песчаных грунтах:

где Sf – осадка фундамента, Sp – осадка штампа, B –ширина фундамента, bp – ширина штампа

При площади штампа 1 ft2 (929 см2) формула приводится к виду:

Для глинистых (связных) грунтов:

Bjerrum and Eggestad (1963) показали, что данная формула имеет свои ограничения, например, для рыхлых песков значение расчетной осадки фундамента имеет завышенные значения. Применение же формулы для связных грунтов обосновано только при весьма малых давлениях.

Arnold (1980) для учета плотности сложения песчаных грунтов ввел эмпирический коэффициент l к формуле Terzaghi and Peck, который зависит от относительной плотности песчаных грунтов.

Другие исследователи предлагают следующие значения коэффициента n:

n = -0,2 до -0,4 (пески рыхлые и средней плотности, Bond)

n= -0,4 до -0,5 (для плотных песков, Bond)

n= -0,965 (для глин, Chung and Kim)

Данный подход, а именно, экстраполяция вертикальных перемещений (осадок) полученных по результатам испытаний грунтов штампами на большеразмерные фундаменты применяется в зарубежной практике. Измеренная осадка, измеренная в соответствии с требованиям ASTM (D1194-94, «Test Method for Bearing Capacity of Soil for Static Load and Spread Footing», Annual Book of ASTM Standards: Volume 04.08, October 2003) пересчитывается по зависимостям предложенным Terzaghi and Peckа данных размеров фундамента с учетом коэффициента безопасности (factor of safety).

В отечественных нормах заложен другой подход. По результатам штамповых испытаний определяется механическая характеристика грунта – штамповый модуль деформации Е, МПа, по которому, в дальнейшем, производиться расчет осадок зданий и сооружений. За эталонное значение модуля деформации принимается модуль E5000, полученный для штампа площадью 5000 см2. Однако для испытания грунтов в скважинах, шурфах и т.д. существует несколько типов штампов (табл. 5.1 ГОСТ 20276-2012), а именно: четыре типа плоских круглых жестких штампов (I,II,III,IIIa) площадью 600, 1000, 2500 и 5000 см2, и винтовой штамп (тип IV) площадь 600 см2.

Испытания грунтов штампом регламентируются разд. 5 ГОСТ 20276-2012. Метод штамповых испытаний используется для определения модуля деформации E минеральных, органо-минеральных и органических грунтов. Испытание грунта осуществляется круглым жестким штампом стандартного размера (600, 1000, 2500 или 5000 см2), через который прикладывается вертикальная нагрузка. По полученным графикам зависимости осадки штампа от нагрузки рассчитывают модуль деформации по формуле:

где ν — коэффициент поперечного расширения (Пуассона); Kp — коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D по табл. 5.5. ГОСТ 20276-2012; h — глубина расположения штампа относительно дневной поверхности грунта, см; D — диаметр штампа, см; ΔP — приращение давления Pn – P0, МПа, где за Pn принимается значение нагружения штампа по п. 5.5.1 ГОСТ 20276-2012, соответствующее четвертой точке графика на прямолинейном участке, за P0 — начальные значения по п. 5.5.1 ГОСТ 20276-2012, соответствующие вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта на отметке испытания; ΔS — приращение осадки штампа Sn – S0 , где Sn — осадка штампа при Pn, S0 — осадка штампа при P0, см.

Таким образом, модуль деформации рассчитывается по экспериментальным данным на основе теории линейно-деформируемого полупространства. Данная теория имеет ряд ограничений, наиболее важное из которых – линейная (пропорциональная) связь между напряжениями и деформациями. Для того, чтобы корректно применять теорию линейно-деформированной среды и на ее основе производить вычисления модуля деформации грунта необходимо определять его на линейном участке экспериментального графика «осадка-давление» построенного по результатам штамповых испытаний.

Обработка результатов полевых измерений с построением графической зависимости

Испытания грунтов штампами в соответствии с требованиями DIN

Испытания грунтов штампами согласно DIN 18134–2012 «Soil – Testing procedures and testing equipment – Plate load test», который имеет статус международного стандарта отличаются от методики, изложенной в ГОСТ 20276-2012. В России существует похожий документ, составленный на базе DIN 18134–2012, – ОДМ 218.5.007–2016 «Методические рекомендации по определению модуля упругости статическим штампом». Однако, отечественный документ имеет рекомендательный характер. В своей практике, мы часто сталкиваемся с требованием выполнить испытания в соответствии с данными нормами, в частности, для оценки качества уплотнения грунтов основания промышленных полов для крупных международных сетей.

Испытания грунта экспресс-методами по DIN 18134–2012 и ОДМ 218.5.007–2016 проводятся с применением нагрузочной плиты (жесткого штампа) диаметром 300 (600, 762) мм. Требования к конструкции штампа и применяемому оборудованию подробно описаны в DIN 18134–2012. По результатам испытаний определяют следующие характеристики: модуль общей деформации и модуль упругости грунта. Испытания проводятся на строительной площадке и занимают значительно меньше времени, чем штамповые испытания по ГОСТ 20276-2012. Существует две схемы устройства установок для проведения штамповых испытаний: установка с поворотным щупом, осуществляющая измерение осадки плиты при изменяющемся соотношении длины рычагов hp:hm; установка с перемещающимся по оси щупом, осуществляющая измерение осадки плиты при фиксированном соотношении длины рычагов 1:1 (рис).

Установка для проведения штамповых испытаний с перемещающимся по оси щупом (DIN 18134–2012) 1-прогибомер; 2-рама; 3-считывающее устройство; 4- щуп; 5- нагрузка; 6-линейный подшипник; 7-опоры

Для определения модуля общей деформации на нагрузочную плиту передают нагрузку шестью ступенями, затем снимают нагрузку (этап разгрузки) в три ступени: 50%, 25% и 2% от максимального давления. Для определения модуля упругости проводят еще один цикл нагружения, при этом максимальное давление составляет значение предыдущей ступени, достигнутой на первой ветви загружения. При проведении испытаний все изменения фиксируются и записываются в журнал испытаний. Величина максимально достигнутого давления на первой ветви нагружения зависит от размеров штампа, например, для штампа диаметром 300 мм, максимальное давление, которое должно быть достигнуто составляет 0,5 МПа. Важной отличительной особенностью от методики ГОСТ 20276-2012 является время «выдержки» на каждой ступени нагрузки. Другое название данного времени – время стабилизации деформаций (хотя, правильнее было бы сказать стабилизация вертикальных перемещений). В соответствии с требованиями DIN 18134–2012 данное время должно составлять 1 минуту (для дорожного строительства) или 2 минуты (для всех остальных случаев). В отечественном ГОСТе 20276-2012 время стабилизации для крупнообломочных грунтов составляет 30 минут!

По данным, полученным при проведении испытаний, строится график общей деформации при первичном нагружении, разгрузке и упругой деформации при вторичном нагружении (рисунок), определяются модуль упругой деформации и модуль общей деформации. По полученным характеристикам грунта делается вывод о качестве подготовленного основания.

График «осадка-давление» (о – значения на этапе первичного нагружения;  — значения на этапе разгрузки; Ù — значения на этапе вторичного нагружения), (DIN 18134–2012)

Камеральная обработка полевых результатов и их интерпретация

На основе полученного графика «осадка-давление», построенного по результатам полевых данных определяется модуль общей деформации или модуль первичного нагружения, модуль упругости (определяется по второй ветви загружения) и модульный коэффициент KE по которому оценивается качество подготовки искусственного основания.

В соответствии с ОДМ 218.5.007–2016 формула для определения модуля ветви первичного нагружения имеет вид:

где D – диаметр нагрузочной плиты, м; 0,75 – коэффициент, учитывающий определение площади нагрузочной плиты и усреднённый коэффициент Пуассона для данного вида испытаний; Δσv1 – приращение нагрузки нагрузочной плиты при первичном нагружении (30% и 70% от максимальной нагрузки), МН/м2; Δsv1 – приращение осадки нагрузочной плиты при первичном нагружении (30% и 70% от максимальной нагрузки), м.

Для ветви вторичного нагружения (модуль упругих деформаций или модуль упругости):

где: D – диаметр нагрузочной плиты, м; 0,75 – коэффициент учитывающий определение площади нагрузочной плиты и усреднённый коэффициент Пуассона для данного вида испытаний; Δσv2 – приращение нагрузки нагрузочной плиты вторичного нагружения при 30% и 70% от максимального ее значения, МН/м2; Δsv2 – приращение осадки нагрузочной плиты вторичного нагружения при 30% и 70% нагрузке от максимальной, м.

Модульный коэффициент определяется как отношение модуля упругости Ev2 к модулю общей деформации Ev1:

где: Ev1 – модуль общей деформации, МН/м2; Ev2 – модуль упругости, МН/м2.

В соответствии с ОДМ 218.5.007–2016 степень уплотнения испытываемого объекта считается достаточной, если модульный коэффициент меньше или равен значению 2,5 (KE ≤ 2,5).

Согласно DIN 18134–2012, модуль общей деформации определяется по той же формуле, но с введением коэффициентов квадратичного полинома а1 и а2. Данные коэффициенты находятся из уравнений:

Общая формула для определения модулей для ветвей первичного и вторичного загружения:

Формула для определения характеристик сжимаемости (модуля общей деформации и модуля упругости) базируется на решении теории упругости:

Уравнение для определения модуля деформации Е является теоретическим уравнением, которое определяет вертикальное перемещение (осадку) от действующей нагрузки, приложенной к жесткой круглой пластине, размещенной на однородной, изотропной, упругой среде на основе теории упругости. Оно не учитывает влияние площади загружения, потому что радиус в данной формуле является переменной величиной. Исходя из этого, для использования методики DIN к определению модуля общей деформации для глинистых грунтов следует проявлять осторожность.

Испытания грунтов штампами в основании буровых (набивных) свай

Еще одной частой практической задачей, связанной с проведением штамповых испытаний (испытаний грунтов штампами) является оценка работы нижнего конца свай, устраиваемых в грунте. Опираясь на требования норм к расчету оснований по несущей способности и определению расчетного сопротивления грунта по боковой поверхности сваи (п. 7.2.6 СП 24.13330.2011), ее несущая способность представляется как сумма расчетных сопротивлений грунта под пятой и по боковой поверх­ности:

где γс – коэффициент условий работы сваи, γс = 1; Ru – расчетное сопротивление грунта под пятой (основанием) сваи, кПа; A – площадь поперечного сечения сваи, м2; u – периметр ее поперечного сечения, м, γRR , γRf – соответственно коэффициенты условий работы грунта под острием и по боковой поверхности сваи; ƒi – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи i-го слоя грунта, кПа; hi – толщина i-го слоя грунта в пределах длины сваи.

Как правило, сваи, использующиеся в мостовом и транспортном строительстве работают по схеме свай-стоек. Формула для оценки несущей способности свай-стоек имеет вид (формула 7.5 СП 24.13330.2011): Fd = γсRA

В данной формуле за сопротивление грунта под пятой сваи отвечает величина R – расчетное сопротивление грунта под нижним концом. Различными отечественными и зарубежными исследователями предложено много различных аналитических формул для оценки предельного сопротивления (несущей способности) дисперсных грунтов в основании свай, основанных на теории предельного равновесия грунтов.
Исходя из теории предельного равновесия, расчетное сопротивление грунта под пятой определяют как для фундамента с глубиной заложения d и шириной подошвы b, равной ширине сечения сваи (классическая трехчленная формула):

где Nγс, Nq, Nc – безразмерные коэффициенты несущей способности грунта под острием сваи.

Согласно теории В.В. Соколовского значения коэффициентов имеют следующий вид:

ξγ, ξq, ξc – коэффициенты, зависящие от соотношения длины и ширины поперечного сечения сваи (для квадратного: ξγ = 0,75; ξq = 2,5; ξc = 1,3) η = l / b

Строгого решения для определения данных коэффициентов не существует, поэтому их можно определить, если задать формы линий скольжения. Различная поверхность линий скольжения и будет определять величину данных коэффициентов. Основной сложностью, особенно для свайных фундаментов, является обоснование и характер развития линий скольжения. Линии скольжения – опасные площадки, где функция прочности принимает максимальное значение и которые обуславливают плоскость разрушения. Исходя из этого, повышение достоверности оценки несущей способности грунта в основании буровой (набивной) сваи связано с полевым определением величины расчетного сопротивления грунта в основании пяты сваи. Данная величина и определяется по результатам проведения штамповых испытаний.

Отличие данных испытаний от испытаний по оценке модуля общей деформации грунтового массива является доведение нагрузки до «срыва» или исчерпания несущей способности по грунту, что характеризуется резким увеличением развития вертикальных перемещений и их незатухающий характер, регистрируемых прогибомерами в процессе полевых испытаний.

*Указанные на сайте цены не являются публичной офертой. Цены ориентировочные более точно можно узнать по телефону.

*Указанные на сайте цены не являются публичной офертой. Цены ориентировочные более точно можно узнать по телефону.