СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ШТАМПОМ
METHOD TO TEST SOIL BASE WITH PUNCH

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения характеристик деформируемости грунтового основания.
Известен способ определения модуля деформации грунта [Авт. св. на изобретение №909007 СССР E02D 1/00, БИ №8, 1982], включающий нагружение штампа ступенями давлений с выдержкой их во времени до условной стабилизации осадки, измерение глубины деформируемой под штампом зоны грунта, расчет модуля деформации по формуле
,
где µ - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 - для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;
ω - безразмерный коэффициент формы штампа, принимаемый равным π/4=0,79;
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>p</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- глубина деформируемой под штампом зоны грунта, см;
Э
Δp - приращение эффективного давления на грунт, МПа;
Э
ΔS - приращение деформации грунта в фазе его уплотнения, соответствующее Δp.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- для определения послойных деформаций грунта под штампом необходимо применить дополнительные измерения перемещений глубинных марок;
Э
- по данным необходимо построить график "деформация-давление" и выбрать на нем прямолинейный участок, чтобы взять с него значения Δp и ΔS;
- для построения графика "деформация-давление" используются значения условно стабилизированной осадки, которая в действительности не завершена в той же степени, что и в основании фундамента, так как опыт со штампом проводится быстрее, чем нагружение основания при строительстве;
- восстанавливающаяся и необратимая части деформации грунта зависят от продолжительности наблюдения за ней [Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1978. - 447 с.], следовательно, глубина деформируемой под штампом зоны грунта для штампа и для фундамента будут разными вследствие разной скорости нагружения основания в этих случаях;
- ступенчатое нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживание при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа не моделирует работу грунтового основания фундамента при строительстве, а используется лишь для получения значений характеристик грунта, входящих в расчеты осадки грунтового основания и ее развития во времени.
Известен способ определения модуля деформации грунта [ГОСТ 20276-2012 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости (прототип)], включающий нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживание при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа и определение характеристик деформируемости грунтового основания. Для вычисления модуля деформации строят график зависимости осадки от давления S=f(p), откладывая по оси абсцисс значения p и по оси ординат - соответствующие им условно стабилизированные значения S, и проводят осредняющую прямую на линейном участке графика. За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа, не превышающее 0,1 мм за время от 1 до 4 часов, в зависимости от вида и показателя консистенции глинистого грунта.
Модуль деформации грунта E вычисляют для линейного участка графика по формуле
,
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;
р
К - коэффициент, зависящий от отношения глубины расположения штампа относительно поверхности грунта h и диаметра штампа D, принимаемый равным: 1 - при h/D=0; 0,9 - при h/D=1; 0,82 - при h/D=2; 0,77 - при h/D=3; 0,73 - при h/D=4; 0,7 - при h/D≥5;
1
К - безразмерный коэффициент формы штампа, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;
Δp - приращение давления на штамп, МПа;
ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее Δp, см, определяемое по осредняющей прямой.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- для расчета модуля деформации используется линеаризованный участок графика S=f(p), в то время как при проектировании основания используются значения давления за пределами этого участка;
- выбор начала линеаризованного участка связывается с природным давлением, хотя известно, что оно не влияет непосредственно на деформационные свойства грунта;
- для построения графика S=f(p) используются значения условно стабилизированной осадки, которая в действительности не завершена в той же степени, что и в основании фундамента, так как опыт со штампом проводится быстрее, чем нагружение основания при строительстве;
- график S=f(p) при малых приращениях давления и при постоянно возрастающем давлении имеет ступенчатую форму [1. Ляшенко П.А., Денисенко В.В. Расчет осадки основания фундамента по микроструктурной модели грунта / Развитие городов и гидротехническое строительство. Тр. междунар. конф. по геотехнике. - Т. 3. - СПб., 2008. - С. 193-197; 2. Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Новые результаты компрессионных испытаний / Проект. - М., 1995. - №2-3. - С. 76-77];
- ступенчатое нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживание при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа не моделирует работу грунтового основания фундамента при строительстве, а используется лишь для получения значений характеристик грунта, входящих в расчеты осадки грунтового основания и ее развития во времени.
Задача изобретения - использование испытаний штампом для моделирования деформаций грунтового основания фундамента, развивающихся до расчетного сопротивления.
Технический результат изобретения - определение модуля деформации, значения расчетного сопротивления и характеристик ползучести грунтового основания в условиях, моделирующих нагружение грунтового основания при реальном строительстве сооружения, повышение достоверности результатов испытания и надежности прогноза деформации грунтового основания фундамента при одном испытании.
Технический результат достигается тем, что в способе испытания грунтового основания штампом, включающем нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживание при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа, регистрацию осадки штампа при нагружении и конечном давлении и определение характеристик деформируемости грунтового основания, нагружение грунта производят возрастающим с постоянной скоростью давлением, а регистрацию осадки штампа производят с шагом не более 0,005 мм, при этом в процессе нагружения грунта вычисляют скорость осадки штампа на каждом шаге регистрации осадки штампа по формуле
где Δu - приращение осадки штампа за один шаг ее регистрации, определяемое ценой деления регистратора перемещения, м;
Δp - приращение давления на подошве штампа за один шаг регистрации осадки штампа, кПа;
p - значение давления на подошве штампа в момент регистрации приращений Δu и Δt, кПа;
р
где В - скорость постоянно возрастающего давления на подошве штампа, кПа/ч,
Δt - интервал времени, соответствующий значению приращения осадки штампа за один шаг регистрации Δu, ч,
0
k
max.i
max.i
0
k
k+1
0
k+1
max.i
k+1
0
выделяют циклы изменения скорости осадки штампа от первого (n), в котором происходит обмятие неровностей грунтового основания под подошвой штампа, до последнего (n), в котором завершился последний цикл изменения скорости осадки штампа, определяют максимальное значение скорости осадки штампа (f, м/кПа) в каждом цикле изменения скорости осадки штампа и среднее значение скорости осадки штампа (avg f, м/кПа) для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и значение коэффициента вариации, после завершения каждого очередного (n) цикла изменения скорости осадки штампа вычисляют среднее значение скорости осадки штампа для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и значение коэффициента вариации, при этом выстраивают ряд средних значений скорости осадки штампа (f, м/кПа) для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и соответствующих им значений коэффициента вариации, после того как коэффициент вариации по мере возрастания давления на подошве штампа примет минимальное значение, нагружение грунта продолжают до момента, когда скорость осадки штампа станет равной предельной для данного сооружения скорости осадки грунтового основания:
max.fin
f
где f - максимальное значение скорости осадки штампа n-том цикле изменения осадки штампа, в котором достигается выполнение условия для скорости осадки штампа, определяющего значение конечного давления на подошве штампа, м/кПа;
fin
p - конечное значение давления на подошве штампа, кПа;
u
f - предельное для данного сооружения значение скорости осадки грунтового основания, м/ч,
по результатам испытания рассчитывают модуль деформации грунта по формуле
где E - значение модуля деформации грунта, кПа;
ν - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;
р
К - коэффициент, зависящий от отношения глубины расположения штампа относительно поверхности грунта h (м) и диаметра штампа D (м), принимаемый равным: 1 - при h/D=0; 0,9 - при h/D=1; 0,82 - при h/D=2; 0,77 - при h/D=3; 0,73 - при h/D=4; 0,7 - при h/D≥5;
1
К - безразмерный коэффициент формы штампа, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;
max.ν
f - скорость осадки штампа при минимальном значении коэффициента вариации, м/кПа,
определяют расчетное сопротивление грунтового основания как значение конечного давления
где R - расчетное сопротивления основания, кПа;
fin
p - конечное для данного испытания давление на подошве штампа, кПа,
fin
и характеристики ползучести грунта путем аппроксимации графика зависимости осадки штампа от времени при p=const функцией:
η
η
где u - осадка штампа, вызванная ползучестью грунта за время t с момента достижения конечного давления, м;
δ и α - параметры аппроксимации графика зависимости осадки штампа от времени при конечном давлении, являющиеся характеристиками ползучести грунта;
0
u - деформация ползучести в первом шаге регистрации, м.
Нагружение грунта возрастающим с постоянной скоростью давлением моделирует нагружение грунтового основания при строительстве, которое фактически производится с постоянно возрастающей нагрузкой на основание.
Регистрация осадки штампа с шагом не более 0,005 мм обеспечивает: выявление ступенчатости увеличения осадки штампа и циклов изменения ее скорости; определение максимального значения скорости осадки штампа в каждом цикле изменения скорости осадки штампа и отслеживание выполнения условия для скорости осадки штампа, определяющего значение конечного давления; повышает достоверность результатов и надежность прогноза деформации грунтового основания фундамента при одном испытании.
Определение модуля деформации по среднему значению скорости осадки штампа с оценкой погрешности аппроксимации линейной зависимости осадки от давления на подошве штампа повышает достоверность определения модуля деформации грунтового основания.
Определение значения расчетного сопротивления грунтового основания по скорости его деформации как по индикатору скорости пластических деформаций грунта, ограничение которых является назначением расчетного сопротивления, повышает достоверность определения значения расчетного сопротивления.
Определение характеристик ползучести для грунтового основания, нагружаемого постоянно возрастающим давлением, как это реально происходит при строительстве сооружения, повышает достоверность определения характеристик ползучести.
Таким образом совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.
Пояснения к заявляемому способу испытания грунтового основания штампом и один из вариантов конструкции устройства для реализации этого способа схематично приведены на чертеже, где на:
фиг. 1 - принципиальная блок-схема устройства для реализации способа испытания грунтового основания штампом;
фиг. 2 - график зависимости осадки штампа от среднего давления на подошве штампа;
фиг. 3 - график зависимости скорости осадки штамп от среднего давления на его подошве;
фиг. 4 - график деформации ползучести грунта во времени при постоянном конечном давлении на подошве штампа.
Устройство для реализации способа испытания грунтового основания штампом состоит из штампа 1, упорной системы 2, блока 3 приложения нагрузки, регистратора 4 приложенной нагрузки, регистратора 5 осадки штампа, регистратора 6 времени.
Упорная система 2 может быть выполнена, например, в виде жесткой упорной балки и анкеров.
Блок 3 приложения нагрузки может быть выполнен, например, в виде гидродомкрата с гидроприводом и стабилизатором давления. Гидропривод гидродомкрата имеет регулировку скорости увеличения давления и обеспечивает постоянную заданную скорость увеличения давления.
Регистратор 4 приложенной нагрузки может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика давления с блоком памяти.
Регистратор 5 осадки штампа может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика линейных перемещений с блоком памяти. Датчик линейных перемещений обеспечивает шаг измерения перемещений не более 0,005 мм.
Способ испытания грунтового основания штампом осуществляется следующим образом.
На выровненном грунтовом основании горной выработки устанавливают штамп 1, монтируют упорную систему 2, блок 3 приложения нагрузки, регистратор 4 приложенной нагрузки и регистратор 5 осадки штампа. Датчик линейных перемещений регистратора 5 осадки штампа подводят до контакта со штампом и закрепляют на неподвижной реперной стойке.
После монтажа устройства для испытания грунтового основания штампом с помощью блока 3 приложения нагрузки производят нагружение грунта давлением на подошве штампа, возрастающим с постоянной скоростью, и синхронно регистрируют величину приложенной нагрузки с помощью регистратора 4 приложенной нагрузки, осадку штампа с шагом не более 0,005 мм с помощью регистратора 5 осадки штампа и время с начала приложения нагрузки с помощью регистратора 6 времени.
Скорость постоянно возрастающего давления на подошве штампа рассчитывают до начала нагружения грунта по формуле [Денисенко В.В., Ляшенко П.А., Снежкин Б.А. Особенности поведения глинистых грунтов при сжатии постоянно возрастающей нагрузкой // Сб. научн. тр. Гидропроекта, 1990. - Вып. 143. - С. 161-166], учитывающей физические характеристики испытываемого грунта:
где 3,67 - числовой коэффициент, кПа/ч;
5 - относительная дополнительная осадка штампа после прекращения нагружения, %;
P
I - число пластичности грунта, %;
L
W и W - влажность природная и влажность на пределе текучести, соответственно, грунта основания;
e - коэффициент пористости грунта основания;
t - время с начала нагружения грунта в массиве давлением на подошве штампа, ч.
В процессе нагружения грунта давлением на подошве штампа вычисляют скорость осадки штампа на каждом шаге регистрации осадки штампа по формуле (1) и строят график зависимости осадки штампа от среднего давления на подошве штампа (фиг. 2) и график зависимости скорости осадки штампа от среднего давления на его подошве штампа (фиг. 3), который наглядно иллюстрирует ступенчатость увеличения осадки штампа и циклы изменения ее скорости. Наглядность ступенчатости увеличения осадки штампа и циклов изменения ее скорости обеспечивается за счет нагружения грунта возрастающим давлением с постоянной скоростью и регистрации осадки штампа с шагом не более 0,005 мм.
0
k
max.i
max.i
0
k
На графике зависимости скорости осадки штампа от среднего давления на его подошве (фиг. 3) выделяют циклы изменения скорости осадки штампа от первого (n), в котором происходит обмятие неровностей грунтового основания под подошвой штампа, до последнего (n), в котором завершился последний цикл изменения скорости осадки штампа, и определяют максимальное значение скорости осадки штампа (f, м/кПа) в каждом цикле изменения скорости осадки штампа и среднее значение скорости осадки штампа (avg f, м/кПа) для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и значение коэффициента вариации.
k+1
0
k+1
max.i
k+1
0
После завершения каждого очередного (n) цикла изменения скорости осадки штампа вычисляют среднее значение скорости осадки штампа для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и значение коэффициента вариации, при этом выстраивают ряд средних значений скорости осадки штампа (f, м/кПа) для всех циклов изменения скорости осадки штампа от n до n и соответствующих им значений коэффициента вариации.
v
После того как коэффициент вариации по мере возрастания давления на подошве штампа примет минимальное значение на n-том цикле изменения скорости осадки штампа, нагружение грунта продолжают до выполнения условия для скорости осадки штампа (3), определяющего значение конечного давления на подошве штампа.
Как только величина давления на подошве штампа достигнет рассчитанного по условию (3), нагружение грунта прекращают и выдерживают постоянное конечное давление на подошве штампа до стабилизации осадки штампа. При этом синхронно регистрируют время выдерживания постоянного конечного давления до стабилизации осадки штампа с помощью регистратора 6 времени и осадку штампа с шагом не более 0,005 мм с помощью регистратора 5 осадки штампа.
После стабилизации осадки штампа при постоянном конечном давлении установку для испытания грунтового основания штампом демонтируют.
По результатам испытания:
- рассчитывают модуль деформации грунта по формуле (4);
- определяют значение расчетного сопротивления грунта как значение конечного давления на подошве штампа, при котором скорость осадки штампа не превышает предельного значения для данного сооружения, т.е. отвечает критерию (5);
fin
- определяют характеристики ползучести грунта путем аппроксимации графика деформации ползучести грунта во времени при постоянном конечном давлении на подошве штампа p=const (фиг. 4) функцией (6).
Таким образом, изобретение позволяет: испытывать грунтовое основание в условиях моделирующих его нагружение при реальном строительстве; выявлять ступенчатость увеличения осадки штампа и отслеживать выполнение условия для скорости осадки штампа, определяющего значение конечного давления; определять модуль деформации, значение расчетного сопротивления и характеристики ползучести грунтового основания, нагружаемого постоянно возрастающим давлением; повысить достоверность результатов испытания и надежность прогноза деформации грунтового основания фундамента при одном испытании.