СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ НА СЖИМАЕМОСТЬ СТАТИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO TEST SOILS FOR COMPRESSIBILITY WITH STATIC LOADS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий грунтовых оснований в целях строительства.
Известен способ испытания грунтов статическими нагрузками, заключающийся в нагружении подготовленной поверхности испытываемого грунта через штамп ступенчато возвращающими статическими нагрузками (р) до момента потери несущей способности грунта и устойчивости штампа, при этом каждую ступень нагружения грунта статической нагрузкой выдерживают во времени до момента условно принимаемой стабилизации осадки (S) грунта, построении по результатам испытания графика S=f(p) и определении по данным графика механических параметров прочности и деформируемости испытываемого грунта [1].
Существенными недостатками известного способа испытания грунтов являются большие длительность и стоимость его проведения, связанные со значительным временем ожидания стабилизации осадки грунта при принятых условиях их фиксации при условно принятой стабилизации осадки на каждой ступени испытания.
01
02
дл
к
к
упр
Известен динамометрический способ определения длительной прочности мерзлых грунтов С.С.Вялова [2] в условиях свободного бокового расширения и при его невозможности в одометрах, заключающийся в прикладывании к образцу грунта нагрузки, несколько меньшей временного сопротивления сжатию, и производстве замера деформации пружины или стандартного динамометра λ, установленных между образцом грунта и прессом, и начальной деформации образца мерзлого грунта λ, выдержке во времени t обжатия образца в процессе релаксации напряжений при разжатии пружины динамометра и уменьшении деформации образца, измерении увеличивающейся деформации испытываемого образа грунта до ее конечного стабилизированного значения и определении сопротивления мерзлых грунтов сжатию σ≈P/F, где P - длительная прочность испытываемого грунта, F - площадь образца мерзлого грунта, и осадки S грунта в мерзлом и оттаивающем состоянии, а также модуля Е упругости мерзлого грунта.
Динамометрический способ испытания грунтов на сжимаемость при релаксации в грунте напряжений позволяет получать модуль упругости прочных и мерзлых грунтов, но не позволяет определять модуль их деформации и модуль деформации обычных менее прочных пористых, сильносжимаемых грунтов по глубине испытываемого грунтового массива.
tn
n-1,t
nt
n+1,t
Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому является релаксометрический способ испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками, заключающийся в нагружении подготовленной поверхности сжимаемого грунта ступенчато возрастающей стабилизированной во времени t статической нагрузкой через пружинный динамометр до момента потери несущей способности грунта и устойчивости штампа, контроле во времени параметров давления (p) и деформации (S) грунта на каждой возрастающей ступени нагружения, построении графика испытания грунта в условно стабилизированном состоянии  и определении по данным графика механических параметров прочности и деформируемости испытываемого грунта, отличающийся тем, что при каждом последующем возрастающем нагружении грунта штампом деформацию грунта задают ступенчато возрастающей, поддерживают постоянной во времени на каждой ступени S=const, S<S<S, где n - номер ступени деформации в интервале действующих нагрузок [3].
При ускорении испытания грунтов в 10…15 раз на сжимаемость статическими нагрузками релаксометрический способ характеризуется относительно большой длительностью проведения испытаний грунта, связанной с приближенным установлением критериев стабилизации напряженного состояния грунта под штампом во времени.
Технологический результат по способу испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками, заключающемуся в нагружении подготовленной поверхности сжимаемого грунта через штамп стабилизирующей во времени t статической нагрузкой через пружинный динамометр до момента потери несущей способности грунта и устойчивости штампа, контроле во времени параметров давления (р) и деформации (S) грунта на каждой возрастающей ступени нагружения, построении графика испытания грунта в стабилизированном состоянии  и определении по данным графика механических параметров, прочности и деформируемости испытываемого грунта, отличающийся тем, что на каждой последующей ступени испытания деформацию S грунта штампом задают выше предыдущей в зависимости от плотности сложения грунта и с ростом ступени деформации путем фиксации перемещения штампа сжатия пружины динамометра на требуемую величину, а затем штамп освобождают от фиксации и по усилию растяжения пружины динамометра контролируют величину передаваемого ею на штамп усилия и перемещения штампа до момента стабилизации соответствующих показателей давления  на грунт и его осадки .
Известно рычажное нагрузочное устройство распорных жестких штампов лопастных преснометров, состоящее из трубчатого корпуса с двумя зубчатыми шестернями, контактирующими с одной стороны с центральной вытяжной зубчатой рейкой, жестко связанной через колонну вытяжных штанг с реечно-шестеренчатым редуктором для выдвижения распорных штампов рабочего наконечника, а с другой стороны - с зубчатыми шестернями со стороны секторных поворотных рычагов с тросиками для крепления тарированных грузов [4].
Известное рычажное устройство позволяет испытывать грунт на сжимаемость под заданными ступенями нагрузки от веса тарированных грузов. При этом сами испытания характеризуются значительной длительностью их проведения из-за значительной величины процесса стабилизации деформации грунта под каждой ступенью, особенно на завершающем этапе нагружения при ползучести грунта под нагрузкой.
Известно нагрузочное устройство для деформации грунта через штамп статической нагрузкой, состоящее из жесткой прямоугольной рамки с вертикальным винтовым домкратом и его воротковым приводом на верхнем конце рамки, динамометра в виде упругой рамки большой жесткости, установленного между винтовым домкратом и жестким штампом, а также индикаторного деформометра осадок грунта под штампом, жестко установленного и связанного индикаторной ножкой с подвижным штампом [2].
Большая постоянная жесткость динамометра не позволяет задавать мелкие ступени внешней нагрузки на слабые грунты в широком диапазоне их измерения с высокой точностью. Жесткая прямоугольная рамка нагрузочного устройства со штампом внутри позволяет испытывать на сжимаемость только отобранные образцы грунта, заключенные в рамку. Отсутствие стопора сжатого динамометра и соответствующей деформации грунта под штампом не позволяют создавать последовательно возвращающие фиксированные ступени внешней нагрузки, каждую из которых приходится дополнительно выдерживать во времени постоянной до момента ее стабилизации.
Технический результат по устройству для испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками, выполненному как нагрузочное приспособление в виде рамки с основанием и вертикальными стойками, жестко связанными поверху перекладиной, оснащенной винтовым домкратом с воротковыми приводом сжатия пружины динамометра, установленного между верхним и нижним стаканами со сквозными отверстиями под винтовой домкрат, и нижний из которых через подвижные штанги связан с механизмом выдвижения и нагружения жесткого штампа рабочего наконечника, установленного между стаканами деформометра их относительного перемещения и сжатия пружины динамометра, а также установленного на рамке деформометра перемещения штампа и осадки грунта, достигается тем, что верхняя перекладина рамки жестко связана со стаканом верхнего конца пружины динамометра и выполнена подвижной на вертикальных стойках рамки, нижний стакан жестко связан через колонну наружных штанг, совмещенных с колонной подвижных штанг, с рабочим наконечником механизма выдвижения штампа и оснащен фиксаторами перемещения винта домкрата и механизма выдвижения штампа, а деформометр выдвижения штампа установлен между нижним стаканом рамки и верхним выдвижным концом винтового домкрата.
Технический результат по устройству для испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками может быть достигнут и тем, что основание рамки выполнено в виде масляного бака с насосной станцией и напорного трубопровода, снабженного манометром, для подачи масла в силовой цилиндр перемещения штампа под заданной нагрузкой, а также в гильзу плунжерной прецизионной пары под ее шток, связанный через стакан с пружиной динамометра сжатия, упирающейся верхним концом через стакан во вращающийся винт домкрата, при этом напорный трубопровод снабжен запирающимся краном на пути к силовому цилиндру и спускным краном на пути к масляному баку.
пр
пр
Предложенные изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид механического нагрузочного устройства лопастного прессиометра с жесткими распорными штампами; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - торировочные графики механического нагрузочного устройства: зависимость Р=f(ℓ) усилия Р сжатия пружины динамометра от величины ℓ ее деформации, зависимость р=f(p) давления p под штампом прессиометра от величины усилия Р сжатия пружины динамометра, зависимость S=f(ℓ) деформации S грунта под штампом от величины перемещения ℓ внутренней колонны штанг прессиометра; на фиг.4 - графики испытания торфа штампами лопастного прессиометра с помощью механического нагрузочного устройства; на фиг.5 - общий вид гидромеханического нагрузочного устройства вертикальной штамповой установки; на фиг.6 - графики испытания торфа вертикальным штампом.
Предлагаемый способ испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками реализуется конкретными нагрузочными устройствами.
Вариант 1. Механическое нагрузочное устройство лопастного прессиометра для испытания грунтов в скважине на сжимаемость статическими нагрузками (фиг.1) состоит из прямоугольной рамки 1 с двумя вертикальными стойками 2, основания 3 и верхней перекладины 4, встроенного в рамку 1 со стороны перекладины винтового домкрата 5 с воротковым приводом 6, динамометра в виде тарированной пружины 7 сжатия, установленной в прямоугольной рамке 1 под винтовым домкратом 5, при этом верхняя перекладина 4 рамки выполнена подвижной относительно основания 3, основание 3 и верхняя перекладина 4 изготовлены со сквозными центральными отверстиями 8 под винт домкрата 5, связанного с одной стороны с механизмом 9 передачи нагрузки и перемещения распорных жестких штампов 10, выполненным в виде реечно-шестеренчатого редуктора с передаточным числом i в рабочей полости 11 наконечника 12 (фиг.2) лопастного прессиометра, а с верхней стороны перекладины 4 - с винтовым воротком 6, при этом динамометр оснащен деформометром 13 сжатия пружины 7, а винтовой домкрат 5 - деформометром 14 перемещения распорных штампов 10, отверстие в основании 3 рамки снабжено винтовым стопором 15 перемещения винта домкрата 5, а рабочий наконечник 12 и его механизм 9 перемещения штампов 10 соответственно связаны с основанием 4 и винтовым домкратом 5 посредством наращиваемой колонны совмещенных штанг 16 и 17.
1
1
1
1
2
пр
i
i
о
Способ испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками с помощью механического нагрузочного устройства лопастного прессиометра реализуется следующим образом. Рабочий наконечник 12 (фиг.1) лопастного прессиометра погружают на заданную глубину грунтового массива посредством наращивания колонны совмещенных штанг 16 и 17, внутренняя 17 из которых является подвижной и соединена нижним концом с механизмом 9 передачи нагрузки и перемещения распорных жестких штампов 10, размещенным в полости 11 рабочего наконечника 12, а верхним концом - с винтом домкрата 5, установленным на наружных штангах 16 на дневной поверхности в рамке 1 механического нагрузочного устройства. На смонтированном нагрузочном устройстве на нулевые отметки устанавливают деформометры 13 и 14, винтовыми стопорами 15 фиксируют от перемещения внутренние штанги 17 привода механизма 9 выдвижения распорных штампов 10 и винтовым домкратом 5 путем вращения вороткового привода 6 сжимают пружины 7 на величину ℓ=iS, контролируемую по деформометру 13 и соответствующую первой ступени деформации S грунта штампом 10. Винтовые стопоры 15 разжимают, и по времени t до момента стабилизации деформации  грунта под распорными штампами 10 следят за показаниями деформометра 14 до момента t стабилизации деформации  растяжения пружины 7, регистрируемой деформометром 13, после чего перемещения винтового домкрата 5 и колонны внутренних штанг 17 фиксируют винтовыми стопорами 15, задают новую величину заданного перемещения S штампов 11 и фиксируют стабилизированную деформацию  грунта. Опыты повторяют путем повышения ступеней деформации грунта под штампом 10 до момента потери несущей способности испытываемого основания и его устойчивости под штампом 10. По данным испытаний грунта и тарировки пружинного динамометра (фиг.3) строят график (фиг.4)  зависимости установившегося давлением р при релаксации напряжений σ под штампом 10 площадью F в массиве грунта во времени t при его деформации S и определяют по известным методикам модуль общей деформации Е испытываемого грунта, его угол φ внутреннего трения и удельное сцепление с.
Вариант 2. Гидромеханическое нагрузочное устройство вертикального жесткого штампа 18 для испытания грунтов в шурфе 19 на сжимаемость статическими нагрузками (фиг.5) состоит из жесткой прямоугольной рамки 1 с двумя вертикальными стойками 2, верхней перекладины 4 и основания 20 в виде масляного бака 21 насосной станции, выполненной в виде подвижного штока 22, связанного с рукояткой 23 и установленного в гильзе 24 с всасывающим патрубком 25, оснащенным шариковым перепускным клапаном 26 и связанным через перепускной патрубок 27 с клапаном 28, с манометром 29, с рабочей камерой гильзы 30 силового гидроцилиндра со штоком 31 нагружения штампа 18, с перепускным запорным вентилем 32 и с гильзой 33 плунжерной прецизионной пары со штоком 34, жестко связанной со стаканом 35 и через пружину 36 сжатия динамометра - со стаканом 37, взаимодействующим через шариковую опору (не показана) с винтом домкрата 5, вращающимся в резьбовой гайке 38 верхней перекладины 4 рамки 1 с помощью вороткового привода 39, при этом стаканы 35 и 37 снабжены деформометром 40 их взаимного перемещения, а штамп 18 через стальную струну 41 связан с деформометром 42 его перемещения, установленным на анкерной стойке 43. Рамка 1 нагрузочного устройства закреплена на швеллерной раме 44 штамповой установки, закрепленной к грунтовому основанию анкерными сваями 45. Штамп 18 установлен жестко под рамой 44 на колонне штанг 46, а перепускной патрубок 27 на выходе из масляного бака 21 оснащен запирающим краном 47 на пути масла к силовому цилиндру.
1
1
2
2
Способ испытания грунта на сжимаемость статическими нагрузками с помощью гидромеханического нагрузочного устройства вертикальной штамповой установки с передаточным числом i реализуется следующим образом (фиг.5). На подготовленное дно шурфа 19 испытываемого грунтового основания устанавливают жесткий вертикальный штамп 18, взаимодействующий с вертикальным штоком 31 силового гидроцилиндра нагрузочного устройства. Монтируют раму 44 с колонной штанг 46 и нагрузочное устройство. Раму 44 крепят к грунтовому основанию анкерными сваями 45. Устанавливают прогибомер 42 со струной 41 на анкерной стойке 43 и прогибомер 40 на стаканах 35, 37 пружины 36 сжатия динамометра. Вентиль 32 и кран 47 закрывают, и насосной станцией посредством рукоятки 23 масло из бака 21 с помощью штока 22 в гильзе 24 через перепускные клапаны 26 и 28 подают в перепускной патрубок 27 и оттуда распределяют: в гильзу 33 под шток 34 плунжерной прецизионной пары, а также в манометр 29, при этом под давлением в гидросистеме выдвигают шток 34 в гильзе 33 плунжерной пары и сжимают пружину 36 динамометра нагрузочного устройства на величину ℓ=iS первой ступени деформации грунта с помощью вороткового привода 39. Открывают запирающий кран 47 и давление масла в нагрузочном устройстве по перепускному патрубку 27 передают на шток 31 силового гидроцилиндра для нагружения штампа 18 и деформации под ним грунта до момента ее стабилизации до величины , поддерживая рукояткой 23 шток плунжерной пары во взвешенном под давлением масла состоянии. Показания стабилизированной величины деформации грунта  и соответствующего ей давления масла в гидросистеме по тарировочному графику пружины 36 динамометра или по манометру 29 и соответствующего им давления  штампа на грунт фиксируют. Запирающий кран 47 закрывают, и в гидросистеме нагрузочного приспособления рукояткой 23 создают давление, под действием которого выдвигают шток 34 плунжерной пары, а воротковым приводом 39 поджимают пружину 36 динамометра на величину ℓ=iS, регистрируемую деформометром 40 и соответствующую второй ступени испытания грунта. Далее кран 47 открывают и по времени снимают показания манометра 29 и деформометра 40 пружины 36 сжатия в момент стабилизации давления  штампа на грунт, а также соответствующие им показания  деформометра 42 грунта под штампом фиксируют, а кран 47 закрывают. Опыты продолжают на следующих ступенях до момента провальной осадки грунта под штампом или потери его устойчивости. По результатам штампоопытов  и  строят график испытания грунта на сжимаемость (фиг.6) и определяют механические характеристики грунтового основания. После испытания грунта давление в гидросистеме снижают путем слива масла в бак при открытом вентиле 32.
Предлагаемый способ испытания грунтов на сжимаемость статическими нагрузками ускоряет штампоопыты в 1,5…2 раза по сравнению с известными опытами с релаксацией нагрузки на испытываемый грунт при его деформации.
Предлагаемые способы и устройства исследования сжимаемости грунтовых оснований впервые позволяют получать надежные данные их механических характеристик в сложных условиях проведения морских инженерно-геологических изысканий, когда гидрометеорологические условия на шельфе меняются в течение нескольких часов.
На каждой создаваемой ступени деформации грунта штампом впервые создаются условия полной завершенной стабилизации во времени напряженно-деформированного состояния испытываемого грунта.
Источники информации
1) ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения прочности и деформируемости. - М.: МИТКС, Госстрой России, 1999. - 85 с. (аналог по способу).
2) Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. - Москва, Высшая школа, 1973, с.128-130 (аналог по способу).
3) Хрусталев Е.Н. Исследования сжимаемости слабых грунтов методом лопастной прессиометрии. Автореферат дисс. на соискание уч. степени к.т.н. - Москва, 1981, с.17 (прототип по способу).
4) Лебедев В.И., Ильичев В.В., Шевцов К.П., Индюков А.Т. Полевые методы инженерно-геологических изысканий. - М.: Недра, 1988. - С.94-97 (аналог по устройству).