Лабораторные и полевые исследования набухающих грунтов

Лабораторные и полевые исследования набухающих грунтов

При проектировании сооружений в районах залегания набухающих грунтов необходимо проводить инженерно-геологические изыскания, включающие лабораторные и полевые работы. Эти изыскания должны дать сведения о строительной площадке с учетом геологических, гидрогеологических условий, а также детальные данные о свойствах набухающих грунтов.

На основе изучения геоморфологии района строительства необходимо осветить, в частности, вопросы о микрорельефе площадки с указанием расположения возвышенностей, впадин, оврагов и т. д., а также условия формирования и залегания грунтов. Следует уделять внимание изучению прослоек и линз песчаного или пылеватого материала, величины и направления распространения трещин, способствующих быстрому и неравномерному увлажнению отдельных участков территории площадки после ее застройки.
Гидрогеологические изыскания должны дать сведения о наличии верховодки, расположении водоносного слоя, характере изменения уровня подземных вод в течение года, а также данные для прогноза изменения влажностного режима после застройки площадки сооружениями.

Подготовка к исследованиям

Характер напластования грунтов определяется путем бурения разведочных скважин и прохождения шурфов. При этом необходимо определить толщину слоя набухающих грунтов. Следует отметить, что набухающие грунты, как правило, залегают слоем большой толщины. Однако имеются и исключения, например, хвалынские глины залегают ниже покровных суглинков слоем толщиной от 1 до 10 м. В противоположность им аральские глины залегают слоем, достигающим нескольких десятков метров.

На стадии технического проекта расстояние между разведочными скважинами может составлять около 300—400 м, при изыскании под рабочие чертежи это расстояние должно быть уменьшено до 50—150 м. Число скважин и расстояние между ними устанавливают в зависимости от характера напластования грунтов. Для выдержанного по толщине слоя набухающего грунта это расстояние может приниматься равным 100 м.

Образцы для лабораторных испытаний грунтов отбирают из шурфов. На образцах должна быть обозначена ориентация слоев, отвечающая их природному расположению. Для отборов монолитов допускается использование тонкостенных грунтоносов. При этом диаметр отобранного монолита должен быть в 1,5 раза больше диаметра кольца прибора, на котором будет производиться испытание данного образца.

Кроме определения физико-механических характеристик, для набухающих грунтов производятся дополнительные исследования с целью определения расчетных характеристик. К последним относятся относительное набухание при различных давлениях, давление набухания и влажность набухания. Эти характеристики определяют в лабораторных и полевых условиях. Относительное набухание при различном действующем давлении — зависимость esw = f (р) используют для определения возможного подъема фундамента при набухании грунта.

Методы исследования

Образец грунта закладывается в компрессионный прибор, после чего на грунт передается определенное давление. После стабилизации осадки от действия этого давления образец замачивается до полной стабилизации набухания грунта.

Образец грунта природного состояния замачивается без нагрузки до полной стабилизации набухания, после чего этот образец загружается ступенями с непременной выдержкой до стабилизации осадки после соответствующей нагрузки, т.е. производится компрессионное испытание грунта в набухшем состоянии.

Второй образец такого же грунта природного состояния загружается ступенями, т. е. также осуществляется компрессионное испытание. Образец грунта загружается до достижения давления, превышающего давление по подошве фундамента и после стабилизации осадки производится замачивание. В результате замачивания происходит набухание грунта. Затем ступенями уменьшают нагрузку до нуля, продолжая при этом замачивать грунт. По полученным значениям относительного набухания при соответствующем давлении строят кривую зависимости esw = f (р). Проведенные на различных грунтах эксперименты показали, что значение относительного набухания, полученные по этим методикам, оказываются различными.

Для решения практических вопросов следует применять методику, отражающую характер работы грунта в основании сооружений. В основании набухающий грунт проходит через две фазы деформаций: уплотнение под действием нагрузки от сооружений и набухание при увлажнении грунта в процессе эксплуатации сооружений. Более соответствует поведению грунта в основании сооружений, и поэтому она должна быть основной при определении относительного набухания.

Однако методика, определения esw по методу одной кривой, имеет недостаток, состоящий в необходимости производить испытание на нескольких образцах. На практике это приводит к увеличению сроков изысканий, что не всегда оправдано, особенно на стадии технического проекта. Поэтому можно применять упрощенную методику, состоящую в том, что один образец грунта замачивается без нагрузки до полной стабилизации набухания, а другой загружается ступенями до 0,3 — 0,4 МПа, после чего производят его замачивание. Полученные точки наносят на график esw-p и соединяют между собой плавной кривой. Крайние значения этой зависимости полностью совпадают со значениями, полученными по методу одной кривой, в то время как промежуточные значения могут отличаться.

Наибольшее значение давления набухания получается при испытании набухших без нагрузки образцов с последующим обжатием их до начальной пористости, а наименьшее — при использовании кольцевых динамометров с небольшой жесткостью. При этом следует отметить, что разница В значениях psw, определенных по различным схемам, возрастает в грунтах, обладающих большой способностью к набуханию.

Давление набухания в лабораторных условиях следует определять методом одной кривой, который отражает реальную работу грунта в основании. Допускается использовать приборы, имеющие жесткие динамометры, деформации которых при развиваемых давлениях практически отсутствуют.

Между относительным набуханием, полученным в компрессионном приборе и в приборе Васильева, существует линейная зависимость. При этом относительное набухание грунта, определенное в компрессионном приборе, составляет примерно 60% набухания, определенного в приборе Васильева. Эти данные показывают, что на абсолютное значение набухания влияет тип применяемых приборов. Поэтому при выборе расчетных значений давления набухания грунтов необходимо использовать только те, которые получены в одинаковых приборах.

В лабораторных условиях практически невозможно провести испытания грунтов по методике, которая полностью соответствует их работе в натурных условиях. Поэтому характеристики, отражающие особенности набухающих грунтов, полученные в лабораторных условиях, отличаются от аналогичных полученных в полевых условиях. Сопоставление лабораторных и полевых значений позволяет найти между ними зависимость, например для относительного набухания. Это позволяет использовать данные лабораторных исследований для определения возможной величины подъема фундамента. Однако наиболее достоверные расчетные характеристики могут быть получены путем проведения специальных полевых исследований. Целью этих исследований является определение относительного набухания при различном давлении, вызванном внешней нагрузкой и действием собственного веса грунта; глубины зоны набухания и давления набухания.

С целью получения достоверных результатов при проведении опытных работ следует учитывать особенности деформаций массива при набухании грунта и, в частности, влияние площади замачивания на величину подъема поверхности грунта. Поэтому размеры опытных котлованов должны быть не менее 8×8 м.
Для получения расчетных характеристик в котлованах устанавливают опытные фундаменты — штампы, глубинные и поверхностные марки. Фундаменты должны быть размером не менее 1×1 м и лишь в отдельных случаях — 0,7×0,7. Подошву фундамента следует заглублять ниже поверхности дна котлована на глубину более 0,2 м. Фундаменты, как правило, устраиваются на месте из монолитного бетона.

С целью упрощения загрузки целесообразно предусматривать два фундамента, на которые устанавливаются специальные балки или загрузочная платформа. Платформа загружается грузом ступенями до заданного давления по подошве штампа. Для получения зависимости относительного набухания от внешней нагрузки следует устраивать не менее трех опытных фундаментов, давление по подошве которых равно 0,05 — 1,5 и 0,2 — 0,25 МПа. В основании штампов должны быть установлены глубинные марки, позволяющие фиксировать перемещение слоев на расстоянии 0,5; 1 и 1,5 м от подошвы фундамента. С этой целью во время бетонирования штампа в центре следует устанавливать отрезки труб, через которые в дальнейшем пропускаются обсадные трубы глубинных марок.

Для определения относительного набухания от действия собственного веса в центре котлована устанавливают глубинные марки через 1 — 1,5 м по глубине. На поверхности дна котлована и вне его пределов устанавливают поверхностные марки на расстоянии 1 м одна от другой. За пределами котлована эти марки располагают на участке длиной 10 — 15 м, начиная от бровки котлована.

При проведении экспериментальных полевых работ могут применяться глубинные марки различных конструктивных решений, например марки-штыри, заделываемые с помощью специального устройства в стенки скважины на различной глубине. На эти штыри устанавливают специальные трубки, которые выводятся на поверхность, или крепят струны, соединяемые с прогибомерами. После установки трубок или струн скважина засыпается с послойным уплотнением легким суглинком или песком. Могут использоваться и другие марки, в том числе и с бетонным анкером.

Надежной конструкцией является марка, состоящая из двух труб: обсадной и реперной. Порядок устройства такой марки следующий. С поверхности пробуривают основную скважину диаметром 90 — 110 мм и в нее опускают обсадную трубу. После этого затрубное пространство тщательно заливают жидким цементным раствором. Затем пробуривают скважину меньшего диаметра на 10 20 см ниже торца основной скважины. В обсадную трубу устанавливают реперную трубу диаметром 24—36 мм таким образом, чтобы нижняя ее часть уперлась в забой скважины малого диаметра.

На нижнем конце реперной трубы заранее делаются четыре-пять продольных пропилов, в результате чего образуются отдельные перья. В разделенную пропилами часть трубы с торца вставляют деревянную коническую пробку. После установки реперной трубы с пробкой легкими ударами сверху забивают ее в грунт. В процессе забивки деревянная пробка упирается в забой скважины, в результате чего перья раздвигаются и врезаются в грунт. Реперную трубу забивают на 10 — 15 см, затем в верхней части между ней и обсадной трубой устраивают сальник из пакли и веревки. Марки такой конструкции устанавливают для измерения перемещений грунта в основании опытных фундаментов и в массиве грунта.

Поверхностные марки устраивают следующим образом. Разрабатывают небольшой приямок размером 30×3 см и глубиной 15 см. Этот приямок заполняют бетоном, после чего в центре забивают стержень диаметром 18—25 мм таким образом, чтобы часть его находилась над поверхностью грунта.

С целью уменьшения времени, необходимого для замачивания массива грунта, следует устраивать дренажные скважины диаметром 100 — 180 мм, которые заполняют щебнем или крупным песком. Дно рекомендуется засыпать тонким слоем щебня, хотя последнее не всегда обязательно.

Перемещение марок определяется нивелированием относительно одного-двух неподвижных реперов, установленных в непосредственной близости от опытных котлованов. Точность замера должна быть ±1 мм. Нивелировка производится в первые 5 — 7 сут после начала замачивания ежедневно, а в дальнейшем циклы уменьшаются и через 15—20 сут отсчеты можно делать 1 раз в 5 — 6 сут и даже реже.

По перемещениям глубинных марок в основании опытных фундаментов строят зависимость относительного набухания от действия внешней нагрузки, а по перемещениям марок, установленных в массиве, строят аналогичную зависимость, но от действия собственного веса грунта. Нижняя граница зоны набухания принимается на таком расстоянии от дна опытного котлована, где перемещения слоев практически отсутствуют.

При наличии в основании сооружений сильнонабухающих грунтов наряду с лабораторными исследованиями следует проводить полевые работы. Например, при наличии сооружений, заглубленных в набухающие грунты, необходимо, кроме того, иметь значения горизонтального давления которое возникает при замачивании грунта и является дополнительным к давлению от действия собственного веса грунта или внешней нагрузки.