Технология испытаний грунтов винтовым штампом

Не так давно в электронном журнале «ГеоИнфо» была опубликована замечательная статья профессора В.Лушникова, посвященная определению модуля деформации грунтов различными методами. Среди рассмотренных методов были отмечены и полевые испытания винтовым штампом.

Отечественные нормативные документы (СП 22.13330 и СП 47.13330) говорят о необходимости штамповых испытаний с целью определения модуля деформации. На практике очень часто геологи пренебрегают этими требованиями, не проводят штамповые испытания, ссылаясь на несогласие заказчика, а некоторые изыскатели используют повышающие коэффициенты mk для корректировки компрессионного модуля деформации даже для сооружений I и II уровней ответственности, что вообще недопустимо.

В зарубежной практике изысканий ситуация несколько иная. Согласно требований ENV 1997-2, в Евросоюзе используются следующие методы для определения модуля деформации:

– обратные вычисления из измеренных осадок фундаментов существующих зданий при известных грунтовых условиях;

– эмпирическая оценка с использованием непрямых полевых испытаний, подобных статическому, динамическому и дилатометрическому зондированию;

– испытания плоским штампом и прессиометром;

– компрессионные испытания образцов грунтов в лабораторных условиях;

– испытания образцов грунтов в условиях трехосного сжатия.

Обратные вычисления из измеренных осадок при известном давлении под подошвой фундаментов позволяют интегрально оценить грунтовые условия (слоистость оснований, перераспределение нагрузки и временные эффекты), которые сложно учесть при проведении прямых полевых или лабораторных испытаний.

Применяя метод статического зондирования, следует иметь в виду, что модуль деформации, определяемый этим методом, как и параметры прочности, является эмпирическим, так как при интерпретации данных статического зондирования используются результаты лабораторных испытаний. Этим и объясняется ограниченность его применения для глинистых грунтов.

Для случая, когда основание сложено песчаными, гравелистыми, супесчаными и глинистыми грунтами, желательно применение комбинации полевых и лабораторных исследований. Лабораторные испытания на сжимаемость более предпочтительны для пылевато-глинистых и органических грунтов, когда относительно легко получить образцы первого класса качества.

Конструкцию винтового штампа и методику испытаний грунтов в России разработал Л.Г.Мариупольский (1982). Конструктивно винтовой штамп состоит из винтовой лопасти и штанги (рис. 1в).

Рис. 1. Общий вид установки для испытаний винтовым штампом: а – блок осевого нагружения с электроникой и ноутбуком; б – общий вид смонтированной установки; в – винтовой штамп; г – плоский штамп

Основные различия известных конструкций винтового штампа заключаются в способах анкеровки системы нагружения и способах снятия сил трения между грунтом и штангой. При этом конфигурация и размеры лопасти остаются неизменными.

ООО «НПП Геотек» разработано оборудование для полевых испытаний дисперсных грунтов винтовым штампом, что представляет собой технологию, состоящую из автоматизированного испытательного комплекса «АСИС» (рис. 3) и дополнительных приспособлений, предназначенных для проведения испытаний по ГОСТ 20276-2012. Испытания проводятся полностью в автоматическом режиме ступенями с ожиданием завершения процесса стабилизации осадки или непрерывно с заданной скоростью осадки, мм/мин. Для вычисления модуля деформации и записи данных испытаний разработан шаблон Excel, форма которого показана на рисунке 3.

Рис. 2. Экранная форма отображения данных испытаний

Рис. 3. Форма шаблона Excel для штамповых испытаний

Рис. 4. Результаты испытаний и обработки данных: а – измеренные значения; б – зависимость модуля деформации от нагрузки

На рисунке 4 показано одно из испытаний, выполненное на площадке ООО «НПП Геотек» в г. Пенза.

Определение модуля деформации E по ГОСТ 20276 выполняется с использованием решения Ф. Шлейхера (Schleicher, 1928), которое приведено к следующему виду:

Определение модуля деформации E по ГОСТ 20276

где ν - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов, 0,30 для песков и супесей, 0,35 для суглинков, 0,42 для глин; Kp - коэффициент, величина которого принимается в зависимости от отношения z/D (где z - глубина расположения штампа относительно дневной поверхности, см; D - диаметр штампа, см); K1 - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79; Δp -- приращение давления на штамп, МПа; Δs -- приращение осадки штампа, соответствующее величине Δp, см.

На рисунке 5 приведены зависимости, подобные рассмотренным ранее (см. рис. 4). Отличие в том, что они получены при непрерывном нагружении штампа со скоростью 0,1 мм/мин, что позволяет сделать комплекс АСИС. В этом случае зависимости «осадка – нагрузка» выглядят билинейными в отличие от приведенных на рисунке 4. Первые их прямолинейные участки можно использовать для определения величин упругого/начального модуля деформации.

Были получены значения модулей от 22,5 до 25,3 МПа. С использованием углов наклона вторых прямолинейных участков получились модули деформации от 1,8 до 2,8 МПа, которые существенно отличаются от полученных при статическом нагружении штампа. Так как нагружение выполнялось быстро, без стабилизации деформаций, то следует говорить об определении недренированного модуля деформации.

В дальнейшем планируется провести сравнительные испытания и найти связь между дренированным и недренированным модулями деформации, а также определить влияние скорости нагружения на характер зависимости «осадка -- нагрузка».

Рис. 5. Результаты штамповых испытаний в режиме непрерывного нагружения в разных скважинах

За более подробной информацией по затронутым в статье вопросам можно обратиться к авторам по электронной почте.

Список литературы

1. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. – М., 2012. – 93 с.
2. Мариупольский Л.Г., Хубаев С.-М.К. Разработка и исследование методов испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах с применением винтовой лопасти-штампа. Труды НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. – М., 1982. Вып. 78. – C. 24-39.
3. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства: Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. – М., 2013. 
4. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений: Актуализизированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – М.,2012.
5. ENV 1997-2:2007. Eurocode 7. Geotechnical design. Ground investigation and testing, 2007. – 202 p.
   6. Schleicher F. Senkungsmittelwert und ahnlichkeitsbedingung fur platen und balken auf isotroper elastischer unterlage. Zeitschrift fьr angewandte Mathematik und Mechanik. 1928. Band 8. P. 68-70.