Геология

Способы определения физико-механических свойств грунтов

27
Расскажите друзьям
Способы определения физико-механических свойств грунтов

Путем определения физических и механических свойств грунтов удается принять рациональные решения по проектированию объектов и выбрать технологию строительных работ. Заказчику передаются результаты инженерно-геологических исследований, а также прогноз на возможные изменения данных под влиянием внешних факторов.

ГОСТ 5180-2015 и ГОСТ 12248-2010 регламентируют определение физико-механических свойств грунтов.

В статье рассмотрим, какие различают физико-механические свойства грунтов, расскажем, как проводятся лабораторные исследования для их определения, а также представим формулы для расчетов.

Физические свойства грунтов

Под физическими свойствами грунтов понимают особенности их поведения в естественных условиях, а также при взаимодействии с продуктами хозяйственной и инженерной деятельности человека. Они подлежат исследованию до начала строительных работ для определения способности выдерживать нагрузку здания. Физические свойства грунтов могут меняться как при механических воздействиях, так и под влиянием влаги, низких, высоких температур и других природных факторов.

Различают следующие физические свойства грунтов:

  • плотность — отношение общей массы (твердых частиц и влаги) к занимаемому объему;

  • удельный вес — отношение веса грунта к занимаемому объему;

  • относительное содержание твердых частиц — отношение объема твердых компонентов к общему объему;

  • влажность — содержание воды в грунте, которое определяется путем высушивания пробы (отношение массы влаги к массе твердых частиц);

  • пористость — отношение объема пор в грунте к его общему объему;

  • водонасыщение — степень заполнения промежутков между твердыми частицами водой.

Физические свойства, характерные для отдельных видов грунтов:

  • набухание — способность увеличиваться в объеме при воздействии влаги (свойственно глинистым грунтам);

  • размокаемость — потеря связности между частицами при воздействии воды (размокают глинистые, песчаные и другие грунты со слабо связанными компонентами);

  • просадочность — уменьшение объема при удаления влаги (выражено у биогенных и глинистых грунтов);

  • размягчаемость — потеря прочности скальными и полускальными грунтами под воздействием воды.

От физических свойств грунта, в частности, зависят механические характеристики, которые позволяют оценить его несущую способность перед осуществлением строительных работ.  

Механические свойства грунтов

Под механическими свойствами грунтов понимают особенности их поведения под воздействием нагрузок. Для строительства имеют значения следующие характеристики:

  • сжимаемость — способность уменьшаться в объеме под воздействием давящей силы;

  • прочность — степень сопротивления разрушениям под воздействием механических напряжений;

  • деформируемость — способность грунта менять форму без разрушения под влиянием внешних сил;

  • угол внутреннего трения — значение линейной зависимости сопротивляемости сдвигу от нагрузки;

  • удельное сцепление — прямая зависимости сопротивления почвы срезу от вертикального давления.

Для определения механических свойств предварительно устанавливают отдельные физические характеристики грунта. 

Определение физических свойств грунтов: лабораторные исследования

Лабораторные исследования грунтов с целью определения их физических свойств проводятся по ГОСТу 5180-2015. Международный стандарт введен в действие с 1.04.2016, а его переиздание состоялось в феврале 2019 года.

Основные условия и рекомендации, которые требуют изучения до начала проведения лабораторных работ:

  • определение плотности мерзлого грунта проводят при отрицательных температурах — оттаивание недопустимо;

  • физические параметры определяют для двух, как минимум, проб, отобранных в одном месте — рассчитывают среднее значение;

  • при массе пробы до 1 кг погрешность не должна превышать 0,02 г, если масса выше 1 кг, допускается погрешность до 5 г.

Для определения влажности грунта используется метод высушивания. Применяется следующее оборудование:

  • сушильный шкаф;

  • бюксы (весовые стаканчики) из металла или стекла;

  • лабораторные весы;

  • шпатель.

lab.jpgДля исследования отбирают пробу массой до 50 г. Грунт помещается в предварительно взвешенный бюкс. Это необходимо для последующего определения чистой массы пробы. Весовой стаканчик плотно закрывают крышкой. При использовании пробы нарушенной структуры грунт тщательно перемешивают для равномерного распределения влаги. Если для исследования применяется почва ненарушенной структуры, делать это не обязательно.

Бюкс взвешивают на лабораторных весах. Затем помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 105 °С (загипсованный грунт высушивают при 80 °С) до тех пор, пока масса пробы перестанет уменьшаться. Весовой стаканчик с исследуемым материалом остужают до температуры окружающей среды и снова взвешивают. Для определения влажности сначала вычисляют массу воды путем установления разницы между результатами взвешивания до и после высушивания. Затем вычисляется масса твердого сухого вещества с помощью вычитания массы самого бюста. Влажность — отношение содержания воды к сухому веществу, выраженное в процентах.

Для определения плотности грунта используются следующие методы:

  • режущего кольца;

  • взвешивания в воде;

  • взвешивания в нейтральной жидкости.

Размеры режущего кольца-пробоотборника выбирают в зависимости от типа грунта (согласно табл. 1 ГОСТа 5180-2015). С внутренней стороны его смазывают тонким слоем вазелина. До начала исследования определяют объем (умножение его высоты на диаметр в квадрате и число “пи” — 3,14) и массу кольца-пробоотборника. После отбора пробу взвешивают вместе с инструментом. Из полученного значения вычитают массу кольца. Плотность — отношение массы грунта к объему.

В основе определения плотности грунта следующим методом лежит взвешивание пробы в воде после обработки жидким парафином. Для этого воскоподобную смесь нагревают до температуры 60 °С. После отбора пробе грунта придают округлую форму, обвязывают нитью, взвешивают, а затем погружают в горячий парафин. Образовавшиеся пузырьки воздуха прокалывают. После получения плотной парафиновой оболочки образец остужают и определяют его массу. Затем снова взвешивают следующим образом: подвешивают нить к серьге весов и опускают в сосуд с водой. Проба не должна касаться стенок емкости, но полностью погружается в воду.

Расчет плотности осуществляется по формуле:

ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик



где m — масса пробы грунта до обработки парафином, г;

m1 — масса образца после парафинирования, г;

m2 — результат, полученный после взвешивания в воде, г;

pр — плотность парафина (0,900 г/см);

pw — плотность воды, определяемая в соответствии с ее температурой по справочным данным, г/см.

Метод определения плотности путем взвешивания в нейтральной жидкости применяется для мерзлых грунтов. Суть лабораторного исследования не отличается от предыдущего, за исключением отсутствия обработки парафином. Нейтральной жидкостью, в которую опускают пробу, является керосин или лигроин. Причем, она должна иметь отрицательную температуру, как и испытываемый образец грунта.

Определение остальных физических характеристик осуществляется по формулам. Как правило, для этого используется плотность.

Результаты записывают с специальные журналы, образцы которых представлены в ГОСТ 5180-2015.

Определение механических свойств грунта

ГОСТ 12248-2010.jpg

Определение механических свойств грунта регламентируется ГОСТом 12248-2010.

Согласно действующему стандарту, для определения механических параметров используются следующие методы лабораторных испытаний:

  • одноосное сжатие — применяется для исследования полускальных грунтов;

  • одноплоскостный срез, трехосное, одноосное, компрессионное, суффозионное сжатие, свободное набухание — для дисперсных почв;

  • испытание при помощи шарикового штампа, одноосное сжатие, одноплоскостный срез — для мерзлых грунтов.

Метод одноплоскостного среза применяется для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления. Проба грунта равномерно срезается в наклонной или горизонтальной плоскости, а затем ее части сдвигаются относительно друг друга касательной нагрузкой. Одновременно происходит нагружение образца. Для испытаний используются специальные приборы, которые по завершении выдают зафиксированные результаты.

Методом одноосного сжатия определяют прочность образца. Для полускальных грунтов по просьбе заказчика таким способом можно определить коэффициенты деформации. Предел прочности в данном случае определяется как отношение приложенной нагрузки, которая способствует разрушению пробы, к площади поперечного сечения. Для исследования используется образец ненарушенного сложения. Испытание проводится до разрушения пробы, в момент которого будет определена максимальная вертикальная нагрузка.

Чтобы установить коэффициент деформации, образец не доводят до разрушения. Разгрузка проводится сразу после нагружения или через некоторое время после задержки механического давления.

Метод одноосного сжатия применяется для испытаний грунта с хорошей сцепляемостью частиц и способностью сохранять свою первоначальную форму. Принцип трехосного сжатия состоит в механическом воздействии на образец на каждый единичный объем. Используется прибор стабилометр.

Компрессионное сжатие — распространенный вид лабораторных испытаний, позволяющий определить коэффициент сжимаемости и деформации грунта. Суть метода состоит в уплотнении пробы с полным вытеснением воздуха. Нагрузка увеличивается постепенно.

Метод суффозионного сжатия грунта заключается в воздействии нагрузки на образец при предварительном удалении солей.

Для определения прочностных характеристик грунта также используется шариковый штамп, который оказывает вертикальную нагрузку на пробу. Испытания проводятся кратковременно и в длительном режиме. Сила нагрузки устанавливается в зависимости от вида почв (табл. 6.1 ГОСТа 12248-2010).

Для исследований грунта методом набухания используется компрессионный прибор. Испытание происходит путем насыщения пробы водой или химическим раствором, в результате чего твердые частицы могут увеличиться в объеме (набухать). Почва теряет связность и становится рыхлой, что приводит к снижению прочности.

Отчет о проведенных испытаний

По результатам испытаний составляется отчет. Он содержит следующие данные:

  • номер буровой скважины, испытания, пробы, глубина отбора;

  • начальные размеры пробы (высота, поперечное сечение, объем и прочее);

  • способ подготовки образца (нарушенное или ненарушенное сложение, водонасыщение до начала испытаний);

  • физические параметры;

  • таблица с полученными результатами после испытаний нагрузкой;

  • график исследований;

  • значения в виде чисел, полученные при расчетах механических параметров.

Возможно дополнение итогового отчета дополнительной информацией, если это необходимо.

Выводы

Определение физико-механических свойств грунтов — один из важных этапов подготовки к строительству. Его игнорирование может привести к разрушению здания, если оказываемая нагрузка окажется выше той, которую способна выдержать почва. Для обеспечения надежности и безопасности сооружения необходимы инженерно-геологические изыскания, которые под силу только профессионалам.

Эксперты «Гектар Групп» предоставляют полный комплекс услуг по изучению грунтов на месте планируемого строительства. Для проведения работ используется специальное оборудование, регулярно проходящее нормативные тестирования. Испытания осуществляются согласно действующим ГОСТам.

Оставьте заявку на сайте или позвоните по телефону для получения консультации от специалиста!