Сжимаемость грунтов

Сжимаемость грунтов определяют разными методами, но наиболее распространенным из них является метод опытных нагрузок в шурфах и скважинах.

Состав статьи:

◊ Сжимаемость грунтов.

◊ Прочностные свойства горных пород.

◊ Деформационные свойства грунтов.

Характеристики сжимаемости песчаных и глинистых пород в полевых условиях могут быть определены разными методами.Наиболее распространенным из них является метод опытных нагрузок в шурфах и скважинах. Он заключается в том, что с помощью тех или иных приспособлений создается нагрузка на жесткий штамп, установленный на забое шурфа или скважины, и измеряется деформация от различных нагрузок пород, отвечающих разным ступеням нагрузок, легко подсчитать величину Е, модуль общей деформации пород
Е=(1-µ²)(Р/Sd),

где Р-нагрузка на штамп, Н; d-диаметр штампа, см; S-конечная осадка штампа, см; µ-коэффициент бокового расширения ( для песков и супесей µ=0,30, для суглинков µ=0,35; для глин µ=0,42). Для испытания грунтов в шурфах используется круглые или квадратные штампы площадью 5000 см2, для испытания в скважинах -круглые штампы площадью 600 см².

Научно -исследовательский институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) разработал конструкцию комбинированного универсального штампа, с помощью которого могут определяться не только деформационные характеристики грунтов, но и их прочность.

Рисунок-1. Универсальный комбинированный штамп ШП 20

Круглый металлический штамп с площадью 5000 см²  имеет рифленую нижнюю поверхность и поворотное кольцо ( рис-1).Вертикальная нагрузка на штамп и горизонтальное усилие , необходимое для сдвига поворотного кольца по грунту, осуществляется с помощью гидравлических домкратов.Заданное давление в гидравлической системе поддерживается постоянным с помощью автоматического устройства. Штампы площадью 5000 см²  пригодны для изучения сжимаемости пород в шурфах на глубинах от 2,0 до 2,5 м.

На больших глубинах использовать эти штампы неудобно и приходится проводить испытания в буровых скважинах .

Рисунок-2.Схема установки штампа с упором в стенки шурфа( по И.Н.Круглову)

Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений созданы конструкции штампов с упором в стенки шурфа( рис-2) и штампы в котором реактивное давление воспринимается винтовыми анкерными сваями( рис-3). Удачная конструкция штампа для испытания пород в скважинах создана Институтом строительства и архитектуры .

Рисунок-3. Конструкция установки для испытания грунтов статистической нагрузкой  с упорами из винтовых анкерных свай ( по И.Н.Круглову):

1-штамп площадью 5000 см²; 2-гидродомкрат; 3 — pепеpная система с пpогибомеpами;4-винтовые анкерные сваи; 5-продольная упорная балка

Круглый штамп площадью 400 см² навинченный на штангу, ставится на предварительно зачищенный забой скважины.Вертикальная нагрузка на штамп создается при помощи гидравлического домкрата.Нужное давление в гидросистеме поддерживается автоматом с програмным управлением. Достоинством конструкции является то, что установка питается от аккумулятора и может работать там, где отсутствует электрическая энергия.

Рисунок-4. Схема прессиометра

1- баллон со сжатым газом; 2-редуктор; 3- манометр; 4-водомерный цилиндр;5-кран-тройник; 6-бак для воды; 7-шланги; 8-рабочая камера; 9-вспомогательные камеры

Для оценки деформационных и прочностных свойств песчано-глинистых пород применяют прессиметрию.Этот метод разработан во Франции в 1959 г. Луи Менаром. В скважину опускается на шлангах цилиндр с эластичными стенками, разделенный на три камеры давления (  рис-4). Верхняя камера и нижняя вспомогательные камеры давления соединены с бачком 6, а средняя ( рабочая) камера -с измерительным водомерным цилиндром 6.Бачок и измерительный цилиндр сообщаются между собой и в свою очередь, соединены через редуктор 2 с малогабаритным высоконапорным газовым баллоном 1, заполненым углекислотой или сжатым воздухом.

Давление газа через воду, заполняющую систему, передается на породу, вскрытую в стенках буровой скважины.
Наличие верхней и нижней вспомогательных камер давления дает возможность получить в породе вокруг средней рабочей камеры зону напряженного состояния цилиндрической формы, в которой отсутствуют краевые напряжения.Величина напряжений в этой зоне определяется только расстоянием от продольной оси камеры давления, то есть на воображаемой поверхности цилиндра, ось которого совпадает с осью рабочей камеры.

Напряжения во всех точках являются одинаковыми.Зная давление в приборе ( по манометру -3) и отвечающую этому давлению величину деформации породы, по изменению уровня воды в измерительном цилиндре можно определить модуль общей деформации пород по формуле :

Е=(1+µ)r0(dР/dr),

где dР-приращение давления на участке пропорциональных деформаций ; dr-соответствующее приращение радиальных деформаций ;r0-начальный радиус скважины ; µ-коэффициент Пуассона. Хорошо зарекомендовал себя при проведении прессиметрических испытаний прибор ИГП-21 инструкции СКБ -ВСЕГИНГЕО ( рис-5).

Рисунок-5. Схема установки для сдвига бетонных массивов (Широковский гидроузел):

1-бетонный упор;2-домкрат с динамометром; 3-вертикальная нагрузка(железные чушки);4-сдвигаемый бетонный блок; 5-породы, залегающие в основании.

Он работает на сжатом воздухе, имеет одну камеру, а деформация пород изменяется в среднем сечении камеры в трех точках. Прессиметрия пригодна для испытания сравнительно однородных и изотропным по своим деформативным характеристикам пород. При резко выраженной анизотропии данные, полученные при испытаниях, будут характеризовать сжимаемость пород поперек слоистости.

Это нужно учитывать при проектировании опытных работ. Для исследования прочностных свойств пород в зависимости от назначения испытаний, состава,состояния и свойств пород применяются те или иные способы. Сопротивление сдвигу скальных пород полевыми методами определяется сравнительно редко. На последних стадиях изысканий или при строительстве ответственных и уникальных сооружений, например высоких бетонных плотин, проводят отдельные опыты.

Рисунок-6. Схема проведения испытаний по сдвигу и обрушению призм пород:

а-сдвиг призмы по контакту; б-обрушение призмы; ГД-гидравлический домкрат;

Сопротивление сдвигу определяют по плоскости бетон -скала или по плоскости , проходящей внутри блока пород.В первом случае происходит сдвиг бетонных монолитов ( блоков) по скальной породе( рис-6), во втором сдвиг блока породы. Для создания вертикальной и сдвигающей нагрузок применяют мощные гидравлические домкраты, реактивное давление воспринимается специальными анкерными опорами или создается значительный мертвый груз ( железобетонные фермы, железнодорожные платформы и другие).В каждом случае такие испытания проводят по специально разработанной программе, учитывающей условия работы данного сооружения и скальных оснований.

Прочность выветрелых скальных пород, полускальных, песчано-глинистых с обломками,глинисто-щебенистых и галечников определяется методами сдвига, обрушения и выпаривания призм или методом раздавливания целиком пород.Обрушение, сдвиг и выпаривание призм пород размером 50 х 50 х 70 см в зависимости от цели его испытаний могут производиться по плоскости напластования нормально к ней или под различными углами.

Рисунок-7. Схема полевого срезного прибора.

1-горизонтальный домкрат; 2- нижняя подвижная обойма; 3-верхняя неподвижная обойма; 4-упорная силовая рама; 5-вертикальный домкрат; 6-штамп; 7-стенка обоймы; 8-испытуемый образец породы ; 9- плоская обойма с шариками.

Прочность нетрещиноватых глинистых пород, из которого сравнительно легко может быть вырезан монолит, определяется срезом монолита в полевом приборе той или иной конструкции или путем сдвига цилиндров породы в шурфе или штольне.Очень удобный и простой по конструкции срезной прибор для испытаний монолитов сконструирован и активно используется ( смотри рис-8).

Зондирование грунтов

В последнее время для исследования прочности иловатых и пластичных глинистых пород, залегающих на глубинах до 20 м, довольно широко применяется крыльчатое зондирование ( метод vane test).Читай также методы инженерно-геологических  изысканий

Рабочий орган любого крыльчатого зонда состоит из двух-четырех лопастей, которые вдавливаются в забой или стенку скважины, а затем поворачиваются.При повороте лопастей измеряется крутящий момент.Зная величину момента и размеры лопастей, нетрудно рассчитать сопротивление сдвигу:

τ=M/0,5πd²(h+d/3);

 

где М-крутящий момент; d-диаметр цилиндравращения (двойная ширина одной лопасти); h-высота цилиндра вращения ( высота лопасти).

Рисунок-8. Схема установки для сдвига целика в шурфе:

1-горизонтальный гидравлический домкрат; 2-упорная балка; 3-опорная балка; 4-штамп;5-обойма;6-винтовые анкерные сваи; 7-целик породы;
Во многих конструкциях высота лопасти принимается равной двум диаметрам цилиндра вращения (h=2d).Для таких установок сопротивление сдвигу вычисляется по формуле:

τ=0,857(М/πd²).

Необходимые для расчета устойчивости параметры прочности С и φ можно вычислить по формулам.Для полевых исследований свойств песчано-глинистых пород используется метод зондирования ( пенетрации),основанный на зависимости между сопротивлением горных пород внедрению наконечника и трением по боковой поверхности зонда, с одной стороны и физико-механическими свойствами пород -с другой.

Рисунок-М. Схема установки зондирования;

 

а-для статического зондирования; б-для динамического зондирования ; 1-винтовая свая; 2- штанга зонда; 3-динамометр( манометр); 4 -реечный гидравлический домкрат; 5- направляющие; 6-лебедка; 7-каретка; 8-станина; 9-наконечник зонда; 10-захват; 11-молот; 12-подбабок; 13-штанга зондаю

В зависимости от способа погружения наконечника ( вдавливание, забивка) различается две модификации метода зондирования : статистическая и динамическая. Схема установки для статического зондирования показана на рисунке-м,а. На установке смонтировано погружающее устройство ( реечный или гидравлический домкрат) с прибором для измерения усилия вдавливания .

Каретка,движущаяся в направляющих обеспечивает вертикальное положение зонда при вдавливании. Имеется также устройство для извлечения зонда после проведения исследований .В ходе испытаний в зависимости от конструкции установки замеряют общее сопротивление пенетрации,величину трения по боковой поверхности или статическое сопротивление породы и составляют графики распределения этих величин по глубине.

Глубина статического зондирования в отдельных случаях ( при обсадке стенок зондировочной скважины) достигает 60 м. На рисунке -м, б показана принципиальная схема установки для динамического зондирования .Зонд погружается с помощью молота, имеющего определенную массу и падающего со стороны фиксированной высоты .

Для сбрасывания молота используют захватное приспособление, срабатывающее автоматически в определенной точке подъема .Для придания штанге строго вертикального положения при забивке зонда верхний ее конец закрепляют в направляющих. Забивка ведется залогами по пять -десять ударов. При этом отмечается величина погружения зонда после каждого залога.

По данным зондирования строится график распределения числа ударов по глубине, характеризующий разрез и свойства пород .Применение динамического зондирования при инженерно-геологической съемке позволяет сократить объем разведочных и геофизических работ без снижения объема и качества инженерно-геологической информации.

Не менее успешно зондирование может использоваться и на более поздних стадиях при детальных инженерно-геологических исследованиях. Зондирование может заменить часть дорогостоящего и малопроизводительного бурения. Динамическая пенетрация, применяемая совместно с опорным бурением, дает возможность :

1. С большой детальностью установить изменчивость по мощности слоев, положение кровли коренных пород, мощность выветрелость зоны, положение отдельных маркирующих горизонтов( например, погребенных почв в лессах);

2. Оценить некоторые свойства песчано-глинистых пород и их пространственную изменчивость .

Кроме этого, по средним значениям динамического сопротивления, характерных для выделения слоев, можно с достаточной для предварительных расчетов точностью определить обобщение значения некоторых показателей свойств пород.

Например, для лессовых пород могут быть подсчитаны средние значения влажности( с абсолютной точностью 1-2%), числа пластичности, модуля сжимаемости.Зондирование является пока единственным методом с помощью которого без предварительного вскрытия пород разведочными выработками могут быть изучены степень неоднородности и выдержанности песчано-глинистых пород по ряду показателей их физико-механических свойств.

Располагая данными об изменчивости в пространстве ( по мощности и простиранию ) свойств породы, можно выделить геологические тела , рассчитать систему размещения разведочных выработок, предназначенных для отбора образцов в выработках и их количество, наметить места расположения и определить количество полевых опытов.

С помощью статического зондирования решаются те же задачи, что и с помощью динамического, но при статических испытаниях получаются дополнительные характеристики, позволяющие несколько расширить круг решаемых вопросов и увереннее интерпретировать графики зондирования.

Статическое зондирование, в частности может быть использовано для оценки несущей способности естественных оснований, определения величины критической нагрузки и глубины забивки свай, для исследования состояния пород в основании сооружений и контроля за качество проведения работ по отсыпке и намыву земляных сооружений( плотин, дамб,насыпи) и так далее.

***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!

*****