книги из ГПНТБ / Гохфельд Б.Л. Полевые методы испытаний грунтов

В В Е Д Е Н И Е

Постоянно возрастающие требования к качеству и надежно­ сти инженерно-геологических данных повлекли за собой необ­ ходимость более тщательного и всестороннего исследования грунтов оснований в их естественном залегании. Тенденция к сокращению сроков проектно-изыскательских работ и удешев­ лению их поставила на повестку дня вопрос о широком внедре­ нии в практику полевых инженерно-геологических исследований новых методов, позволяющих при сокращении продолжительно­ сти и стоимости исследований получить достоверную информа­ цию в объемах, превышающих возможности традиционных ме­ тодов.

Переход строительного проектирования на расчеты оснований по второму предельному состоянию выдвинул в число важней­ ших характеристику деформационных свойств грунтов — мо­ дуль общей деформации. Широко известный метод компресси­ онных испытаний грунтов в настоящее время уже не отвечает возросшим требованиям к точности получаемых характеристик. В этом отношении предпочтение отдается методу исследования сжимаемости грунтов штампами в полевых условиях, так как последние лучше моделируют работу основания и фундамента, проводятся на значительно, больших по сравнению с образцами массивах и практически исключают нарушения структуры грун­ та, сопутствующие компрессионным испытаниям.

Индустриализация строительных работ, повышение ответ­ ственности сооружений выдвинули в число наиболее распро­ страненных свайные фундаменты. Достоверные исходные дан­ ные для расчета свай вообще не могут быть получены лабора­ торным путем. Для этой цели наиболее приемлемы методы динамического и статического зондирований, которые, кроме указанного, позволяют расчленить геологический разрез и оце­ нить его однородность.

Необходимость широкого применения полевых методов иссле­ дований грунтов в полевых условиях очевидна, однако отсут­ ствие литературы, обобщающей накопленный опыт, в значитель­ ной мере тормозит процесс внедрения полевых методов.

В книге обобщен многолетний опыт производства полевых и ка­

намическое и статическое зондирования. Эти методы в ком­ плексе с буровыми, горнопроходческими, геофизическими и ла­ бораторными работами позволяют проводить инженерно-геоло­

Авторы выносят большую благодарность Я. В. Юрику за со­ ставление таблиц.

Глава I

ИСПЫТАНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ГРУНТОВ ШТАМПАМИ

§ 1. ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Характерной особенностью песчано-глинистых и особенно глинистых грунтов основания является их способность сжимать­

камнем, бетоном, железобетоном и другими строительными ма­ териалами.

Изучение деформативных свойств грунтов под воздействием внешней нагрузки является важнейшим разделом механики грун­ тов. На нем основан современный прогрессивный метод проекти­ рования оснований по предельным состояниям.

Деформации грунтов основания, выражающиеся в их сжатии (уплотнении) и сдвиге, происходят за счет перемещения и пе­ регруппировки твердых частиц.

Уплотнение грунтов приводит к их упрочнению и улучшению строительных свойств. При деформации сдвига происходит на­ рушение сплошности грунта, возникает местная, а иногда и об­ щая потеря прочности (устойчивости) основания.

Вертикальные деформации оснований могут проявиться за счет осадки и просадки грунтов. При осадке грунты уплотня­

чивании, мерзлых грунтов при оттаивании, рыхлых песков при встряхивании.

Процесс деформации основания в общем виде происходит в

клонением от вертикали.

При увеличении давления у краев фундамента возникают на­ пряжения, превышающие сопротивление грунтов сдвигу, вслед­ ствие чего в основании появляются области местного сдвига грунта.

При последующем увеличении давления области сдвига по­ степенно захватывают все больше участков. Под фундаментом

б

образуется уплотненное грунтовое ядро. Оно перемещается вме­ сте с фундаментом, отделяясь от окружающего грунта поверх­ ностью скольжения или разрыва. При опускании ядро раскли­ нивает окружающий грунт, в результате появляются новые области сдвига и грунт начинает перемещаться в стороны и вверх, в направлении наименьшего сопротивления. При этом появляются поверхности скольжения, выходящие за пределы

подошвы фундамента, происходит выпирание грунта из-под фун­ дамента, создаются условия для резкого опускания, смещения

иповорота фундамента.

В1930 г. Н. М. Герсеванов установил общую закономерность изменения состояния грунта в процессе деформации. При этом он предложил рассматривать три фазы деформации грунтов под

Зависимость между нагрузкой и осадкой фундамента близка к прямолинейной.

В фазе местных сдвигов скорость деформаций приобретает постоянный характер, а осадки основания становятся неравно­ мерными, большими чем осадки в фазе уплотнения. Причинами этих осадок являются как уплотнение, так и сдвиг частиц грун­ та по некоторым плоскостям сдвига. По краям подошвы фунда­ мента образуются зоны местных нарушений прочности основа­ ния. При дальнейшем росте нагрузки в конце фазы появляются криволинейные поверхности скольжения, выходящие за гфеде-

лы подошвы фундамента. Зависимость между осадкой фунда­ мента и нагрузкой во второй фазе заметно отклоняется от пря­ молинейной.

В ходе деформации основания в фазе выпирания (третья фа­ за), при увеличении нагрузки до некоторого критического поло­ жения, зоны нарушения прочности основания образуют поверх­ ность скольжения, охватывающую всю подошву фундамента. Несущая способность основания полностью исчерпывается.

Исследования, проведенные в последние десятилетия, показа­ ли, что первая и вторая фазы (уплотнения и местных сдвигов) по Герсеванову во многих случаях накладываются одна на дру­ гую. С одной стороны, в начале загружения основания, еще при небольших нагрузках, наряду с уплотнением грунтов появляют­ ся локальные сдвиги, не нарушающие прочности и устойчивости основания. С другой стороны, с увеличением давления фаза местных сдвигов незаметно переходит в фазу выпирания.

В связи с вышеизложенным стали рассматривать не три, а две

При этом надежность оснований определяется двумя харак­ терными давлениями, соответствующими границам двух рас­ сматриваемых фаз напряженного состояния: начальным крити­ ческим Рнач.кр и предельным давлениям Р к р .

В пределах первой фазы О—А для практических целей при­ нята линейная зависимость между осадкой основания и давле­ нием. Давление Рнач.кр (точка А на границе двух фаз) рассмат­ ривается как предел возможного использования закономерно­ стей линейно деформируемого полупространства, т. е. как пре­ дел пропорциональности Р п р . Повышение этого давления может вызвать местную потерю устойчивости грунтов основания. По этой причине среднее давление на основании не должно превы­ шать Рнач.кр •

Строительными нормами и правилами (СНиП П-Б. 1—62) принимается, что глубина зон основания~2>чГде в результате при­ ложения центральной нагрузки могут появиться местные нару­

т. е. пределу применения линейной зависимости между дефор­ мациями и напряжениями.

Предельное давление (точка В на рис. 2) соответствует окон­ чанию второй фазы, т. е. полному использованию несущей спо­ собности основания. Незначительное превышение его может вызвать полную потерю устойчивости основания и сооружения.

Полевые испытания грунтов штампами позволяют не только установить более точные характеристики сжимаемости грунтов, но и выделить все фазы деформаций и определить те граничные значения давлений, при которых сохраняется линейная зависи­

тов штампами перед компрессионными испытаниями, так как при проектировании мало знать модуль общей деформации грунтов, необходим еще и интервал давлений, для которого справедливы принятые значения модуля общей деформации.

§ 2. МЕТОД ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТОВ ШТАМПАМИ

Основная задача и возможности метода

Штампы моделируют совместную работу фундаментов и ос­ нований. Применяя их, мы получаем возможность изучить зави­ симости между нагрузками Р и осадками 5 как по конечным значениям (рис. 3, а), так и во времени (рис. 3, б), а следова­ тельно, и установить предел Рпр , при котором линейная зави­ симость нарушается и грунт из фазы уплотнения переходит в фазу сдвигов. Это очень важное преимущество метода, так как все строительные расчеты в настоящее время ориентируются на работу грунтового основания главным образом в первой фазе деформаций.

S,MM

Рис. 3. Графическое изображение результатов опыта:

а — зависимость S=f ( Р ) ; 6 — зависимость S - ! (t) при P=const .

полученные в процессе опыта значения предельных нагрузок Р„р и соответствующих им осадок 5 п р .

менным установлением тех граничных значений нагрузок Pt, при которых сохраняется линейная зависимость между ними и осадками S; .

Однако возможности метода не ограничиваются только ре­ шением этих задач. В процессе инженерно-геологических иссле­ дований для обоснования проектов промышленных и граждан­ ских сооружений не всегда достаточно охарактеризовать сжи­ маемость грунтов только при их естественной (природной) влажности. Метод позволяет проводить нагрузки и в условиях искусственного замачивания грунтового основания. Последнее значительно расширяет диапазон применимости штампов, так как открывает возможность не только прогнозировать осадки сооружений в условиях подтопления территорий, но, что не ме­ нее важно, моделировать и изучать в полевых условиях просадочные процессы. Уже в настоящее время при помощи штам­ пов могут быть установлены такие существенные характеристи­

При расчете осадок сооружений наряду с модулем общей де­ формации большую роль играет мощность активной (сжимае­ мой) зоны под подошвами фундаментов ( h a ) . Эта величина за­ висит от состояния грунта, размеров фундамента, нагрузки и в общем случае определяется условно путем расчетов. Штампы в сочетании, например, с глубинными марками, позволяют искать пути для определения мощности активной зоны опытным путем.

Положения и правила, изложенные ниже, обязательно дол­ жны учитываться как при подготовке опыта, так и в процессе его проведения.

При исследованиях сжимаемости грунтов штампами не мо­ жет быть деления операций на важные и второстепенные. Лю­ бое, малозаметное в первом приближении, иногда кажущееся непринципиальным, отклонение от правил опытных работ может привести к серьезным искажениям результатов. Следует пом­ нить, что грубые нарушения правил мейее опасны, так как лег­ ко выявляются при обработке материалов. Значительно опасней «мелкие» нарушения, которые незаметно искажают общую кар­ тину опыта, внося в него систематические ошибки. Выявление этой группы ошибок не всегда возможно даже при высокой ква­ лификации исполнителей.

Принципиальная схема опыта

(регламентируется ГОСТ 12374—66)