Способ испытания грунта стержневым штампом и устройство для его осуществления

Изобретение относится к испытаниям грунтов статической нагрузкой в шурфах реконструируемых зданий и в строительных котлованах экспресс-методом. Технический результат - обеспечение оценки деформируемости грунтов путем определения модуля деформации экспресс-методом. Способ испытания стержневым штампом заключается в том, что штамп в виде стержня (преимущественно диаметром d от 5 до 20 мм) с динамометром, расположенным на верхнем конце стержня, вдавливается в грунт статической нагрузкой, развиваемой от руки испытателя при надавливании на двухконсольную рукоятку, закрепленную на динамометре, с одновременной фиксацией величины погружения стержня в грунт и усилия вдавливания штампа. Экспериментально установлено, что при заданных размерах поперечного сечения стержневого штампа удельное сцепление глинистых грунтов или квадрат тангенса угла внутреннего трения (p песков пропорциональны глубине погружения штампа h и усилиям вдавливания Рг при глинистых грунтах и Fn - при песчаных грунтах, развиваемым в результате его вдавливания.

где: k₁ и k₂ - размерные экспериментально установленные коэффициенты пропорциональности. Деформационные характеристики грунтов при этом определяются исходя из экспериментально установленных условий, согласно которым модуль деформации E_n песков пропорционален квадрату тангенса угла внутреннего трения ϕ песков, а модуль деформации глинистых грунтов E_г - удельному их сцеплению с.

Допускается принимать В=60 МПа для песков; D=800 для суглинков и D=400 для глин практически при любой крупности и пористости песков и при любой консистенции глинистых грунтов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к испытаниям грунтов статической нагрузкой в шурфах реконструируемых зданий и в строительных котлованах экспресс-методом.

Способ испытания стержневым штампом заключается в том, что (см. фиг.1) штамп в виде стержня 1 (преимущественно диаметром d от 5 до 20 мм) вдавливается в грунт статической нагрузкой, развиваемой от руки испытателя при надавливании на расположенный на верхнем конце стержня 1 динамометр 2 через рукоятку 3, с одновременной фиксацией усилия вдавливания и величины погружения стержня в грунт (см. фиг.2).

Экспериментально установлено, что при заданном размере поперечного сечения стержневого штампа развиваемое в результате его вдавливания усилие F (ниже верхнего слоя разрыхленного грунта) пропорционально глубине погружения штампа h и удельному сцеплению с глинистых грунтов или квадрату тангенса угла внутреннего трения ϕ песка (см. фиг.3).

где: k₁ и k₂ - коэффициенты пропорциональности (размерность коэффициентов возникает в связи с необходимостью учета габарита поперечного сечения штампа и удельного веса частиц грунта, то есть величин, значения которых в принципе практически постоянны).

Как песчаные, так и глинистые грунты - это дисперсные (дискретные) среды, состоящие из отдельных разобщенных частиц, взаимодействующих между собой лишь по своим контактам. В песках такое взаимодействие частиц аналогично взаимодействию многогранников (в том числе шарообразных) при действии сил трения, возникающих в результате распора, под влиянием веса грунта и передаваемой нагрузки, а в глинах - аналогично взаимодействию пластин, притягиваемых между собой молекулярными силами. Именно благодаря этому взаимодействию осуществляется сопротивление грунтов внешним нагрузкам, а условие (1) может приближенно подтверждено теоретически. По указанным причинам сжатие грунтов следует также рассматривать как происходящий внутри грунта процесс преодоления и восстановления предельного равновесия частиц грунта на микроуровне, сопровождающийся появлением дефектов и их залечиванием при уменьшении пористости грунта. Поэтому деформационные характеристики грунтов, называемые модулями деформации, фактически являются функцией их прочностных характеристик. Это хорошо подтверждается сопоставлением прочностных и деформационных характеристик грунтов.

На фиг.4 приведена зависимость модуля деформации песков Е от квадрата тангенса угла их внутреннего трения ϕ, полученная по результатам соответствующей обработки значений этих экспериментально установленных характеристик, используемых в действующих нормах проектирования.

Из фигуры видно, что такая зависимость может быть с большой степенью достоверности описана уравнением

где: В - деформационный параметр прочности песков, равный 60 МПа.

Очень важным является тот факт, что параметр В=60 МПа имеет постоянное значение для всех видов песков (от пылеватых до гравелистых) при любой их плотности (коэффициенты пористости от 0,45 до 0,75), а следовательно, является параметром системы песчаных частиц.

Модуль деформации глинистых грунтов аналогично может быть выражен в виде зависимости от основной прочностной их характеристики - удельного сцепления, согласно фиг.5, где дано построение такой зависимости.

где: D - деформационный параметр прочности глинистых грунтов с водоколлоидными связями, равный для глин D=400, а для суглинков D=800.

Установленные соотношения модуля деформации глинистых грунтов и их сцепления, также как в песках, справедливо при широком диапазоне изменения пористости грунтов (от 0,35 до 1,05) и показателя текучести (0≤J_L<0,75), то есть практически для любых видов глинистых грунтов, характеризующихся наличием водоколлоидных связей и наиболее часто (80% и более) используемых в качестве оснований зданий и сооружений.

Заявленным изобретением конструкция штампа в виде стержня, как установлено опытными данными, позволяет моделировать его боковой поверхностью процесс деформирования грунтов и по данным его нагружения статической нагрузкой определять их модуль деформации. Указанный признак изобретения подтверждается опытными данными фиг.3, 4 и 5, а также зависимостями (1), (2) и (3), полученными по ним.

Поскольку рабочим органом штампа в виде стержня по заявленному изобретению является его боковая поверхность, существенным элементом является ее развитие, то есть увеличение ее площади при уменьшенной площади поперечного сечения стержня, что реализуется за счет применения стержня штампа диаметром 5...20 мм, при длине в 80 раз превышающей указанный размер его поперечного сечения.

Стержневой штамп с целью повышения эксплуатационной надежности может выполняться с уширенной головной частью, обеспечивающей более жесткое крепление к нему механического пружинного динамометра и создание упора для извлечения стержня из грунта после окончания испытаний.

Возможность осуществления заявленного изобретения с реализацией его назначения подтверждена изготовлением его опытного образца (фиг.2) и его практическим применением в Москве и Кемерово.

Опытный образец стержневого штампа был изготовлен диаметром 11,2 мм (площадь штампа 1 см²) и оборудован пружинными динамометрами на 2 кН. Значения k₁ и k₂ назначались применительно к выбранному при изготовлении стержневого штампа типоразмеру его поперечного сечения с учетом экспериментальных поправок k₁=0,9ω; k₂=0,9ωγ (где ω - периметр поперечного сечения, γ - удельный вес грунта).

Работоспособность изготовленного стержневого штампа может быть проиллюстрирована на примере оценки характеристик грунтов в котлованах строившегося дома в Красногорске. При этом погружение штампа осуществлялось на различных участках котлована, грунты которых визуально отличались. На фиг.6 приведены результаты наиболее характерных зависимостей возникающего усилия вдавливания штампа от глубины его погружения в глинистые грунты этих котлованов. Обработка указанных зависимостей в соответствии с формулами (1), (2) и (3) показала, что преобладающие грунты на уровне подошвы фундаментной плиты возводимого дома могут быть оценены как имеющие удельное сцепление с от 14 до 18 МПа и модуль деформации Е в среднем 11 МПа. По материалам выполненных изысканий (в том числе с проведением компрессионных и сдвиговых испытаний) на территории этого здания указанные характеристики определены для сцепления 12...17 кПа и модуля деформации ˜12 МПа.

Сравнение полученных данных при испытании грунтов стержневым штампом с данными изысканий свидетельствует о хорошей их сходимости.

Техническим результатом, достигнутым заявленным изобретением, является экспресс-метод (способ) и устройство для его реализации, позволяющее производить оценку деформируемости грунтов путем определения модуля их деформации. Указанное устройство в результате замены стандартных штампов плоского типа на штамп в виде стержня позволяет статическое нагружение грунта производить непосредственно за счет силы руки испытателя. Заявленным изобретением впервые обеспечивается создание удобного портативного устройства для определения модуля деформации грунтов в полевых условиях.

Прототипом рассматриваемого изобретения можно считать описываемые ниже ранее опубликованные изобретения.

1. Известен способ испытания грунта статической нагрузкой [1]. Это изобретение относится к испытаниям грунтов статической нагрузкой при инженерных изысканиях в строительстве, преимущественно экспресс-методом, с использованием плоского и винтового штампов, а также сдвигомера и инвентарной сваи. Указанный способ испытания грунта статической нагрузкой заключается в том, что буровой установкой закручивают в грунт отстоящую от точки испытания винтовую сваю, перемещают буровую установку до размещения оси вращателя на точку испытания, разбуривают скважину до заданной глубины и опускают на забой скважины на колонне труб соответствующий заданному методу испытаний рабочий наконечник, после чего на верхний конец колонны труб устанавливают оголовник, гидродомкрат, а затем устанавливают реперную систему и измерительные приборы - индикаторы и испытывают грунт с проведением необходимого количества ступеней нагрузки.

2. Известна установка для испытания грунтов статической нагрузкой [1], в соответствии с которой на забой шурфа устанавливают штамп со стойкой, завинчивают в ненарушенный массив (или лидерные скважины) анкерные сваи. На верх стойки устанавливают гидроцилиндр. Затем устанавливают реперную систему и начинают испытания. Для этого устанавливают тарированный груз, соответствующий первой ступени нагрузки. После окончания испытания грунта первой ступенью нагрузки на площадку устанавливают другой тарированный груз, соответствующий второй ступени. Далее нагружение повторяют до заданной величины.

Предлагавшиеся ранее описанные выше предложения по способам полевых испытаний грунтов штампами в шурфах и котлованах весьма громоздки и не отвечают требованиям экспресс-методов. Предлагаемое изобретение направлено на устранение этого недостатка.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU (11) 2212494 (13) С1 (51) Е02D 1/00 (54) «Способ испытания грунта статической нагрузкой» от 20.09.2003 г. Бюл. № 26.

2. Авторское свидетельство СССР (19) SU 1622506 A1 (51) 15 G02D 1/100 «Установка для испытания грунтов статической. нагрузкой» от 23.01.1991 г. Бюл. № 3.

1. Способ испытания грунтов стержневым штампом, заключающийся в том, что на поверхность грунта устанавливают стержневой штамп, выполненный в виде стержня постоянного поперечного сечения по всей его рабочей длине с жестко укрепленным на верхнем его конце динамометром с рукояткой, затем указанный штамп через рукоятку динамометра вдавливают в грунт и регистрируют показания усилия вдавливания F_п при глинистых и F_п при песчаных грунтах по динамометру и глубины h погружения штампа по рискам, нанесенным на его боковой поверхности, после чего на основании указанных показаний по эмпирически установленным зависимостям F_г=k₁·h·c; F_п=k₂·h²·tg²ϕ, определяют угол внутреннего трения ϕ песчаных грунтов и удельное сцепление с глинистых грунтов, а по ним модули деформации песков Е_п и глинистых грунтов E_г по формулам

E_п=B·tg²ϕ, E_г=D·c,

где k₁, k₂, - коэффициенты пропорциональности;

В - деформационный параметр прочности грунтов, равный 60 МПа,

D - деформационный параметр прочности глинистых грунтов с водоколлоидными связями, равный 400 МПа для глин и 800 МПа для суглинков.

2. Стержневой штамп для испытания грунтов способом по п.1, в котором стержневой штамп для обеспечения точности получаемых результатов и облегчения его ручного погружения выполнен в виде цилиндрического стержня диаметром 5...20 мм, а рукоятка штампа в виде двухконсольного элемента закреплена на динамометре крестообразно под углом 90° по отношению к стержню штампа.

3. Стержневой штамп по п.2, отличающийся тем, что стержень штампа выполнен с уширенной головной частью, обеспечивающей более жесткое крепление к нему механического пружинного динамометра и создание упора для извлечения стержня из грунта после окончания испытаний.