Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.11.2018


17.11.2018


17.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


09.11.2018


05.11.2018


02.11.2018


26.10.2018





Яндекс.Метрика
         » » Полевые методы испытаний грунтов

Полевые методы испытаний грунтов

28.11.2015

Виды испытаний. В таблице 1.2 приведены состав и объёмы исследований для зданий разной этажности и разных конструктивных схем.
Выделены следующие виды работ при инженерногеологических изысканиях для подземного строительства:
• подготовительные - сбор и изучение литературных источников, отчётов и архивных материалов; составление сметы, программы и графика работы (на всех стадиях проектирования);
• инженерно-геологическая съёмка - аэрофотосъёмка, проходка шурфов, мелких скважин; полевые лабораторные исследования; изучение форм рельефа; обследование состояния существующих зданий; описание и оценка устойчивости пород в откосах котлованов и обнажениях, составление инженерно-геологических карт (100% на стадии ТЭО);
• геофизические - электропрофилирование, ВЭЗ, сейсмические исследования, коротаж, метод заряженного тела (20% на стадии ТЭО и 80% на стадии технического проекта);
• разведочные - бурение разведочных скважин, проходка шурфов, расчисток, канав (30...35% на стадии ТЭ, 40...50% на стадии технического проекта, 15...30% на стадии рабочих чертежей);
• гидрогеологические - опытные одиночные и кустовые откачки, наливы, нагнетания; определение скорости движения воды; стационарные наблюдения за режимом подземных вод (20% на стадии ТЭО, 50% на стадии технического проекта, 30% на стадии рабочих чертежей);
• полевые испытания грунтов - пробные нагрузки в шурфах и скважинах; пенетрация статическая и динамическая; испытания на сопротивление пород сдвигу; определение коэффициента отпора пород в шурфах и выработках (90% на стадии технического проекта и 50% на стадии рабочих чертежей);
• лабораторные - лабораторные анализы свойств пород и химического состава воды (60% на стадии технического проекта и 40% на стадии рабочих чертежей);
• моделирование - лабораторное, натурное, математическое моделирование (70% на стадии технического проекта и 30% на стадии рабочих чертежей);
• контрольные - обработка полевых материалов и лабораторных данных, составление карт, разрезов, графиков и отчётов (выполнение для каждой стадии).
Полевые методы испытаний грунтов
Полевые методы испытаний грунтов

Полевые инженерно-геологические лаборатории. Набор приборов и оборудования лаборатории ЛИГП позволяет определить влажность, естественную плотность, плотность в наиболее плотном и рыхлом состоянии, пределы пластичности глинистых грунтов, коэффициенты набухания, размокания, фильтрации песчаных грунтов, углы естественного откоса песчаных грунтов в сухом состоянии и под водой, гранулометрический состав песчаных и глинистых грунтов.
Лаборатория И. М. Литвинова даёт возможность определить: естественную влажность, плотность, пластичность, гранулометрический состав песчаных грунтов, углов естественного откоса песков, компрессионные свойства грунтов, максимальную молекулярную влагоёмкость, структурную связность пластичных глинистых грунтов, сцепление на срез.
Известен ряд упрощённых способов получения прочностных характеристик грунтов по испытанию целиков (рис. 1.7).
Полевые методы испытаний грунтов

Испытание грунтов штампами. Испытания проводят в шурфах, скважинах, а в процессе возведения зданий в строительных котлованах. Штампы принимают площадью 10 000, 5000 и 600 (см. табл. 1.3).
Для штампов 5000 см2 отрывают шурф сечением 225x225 см, для штампа площадью 600 см2 бурится скважина диаметром 32,5 см.
Грунт под штампом выравнивают, укладывают цементный раствор слоем 2...3 см. Нагрузку на штамп передают ступенями до условной стабилизации. Считается, что стабилизация достигнута, если приращение осадки за 1 сутки не превышает 1 мм. В отдельных случаях нагрузку увеличивают ступенями до разрушения основания. В качестве критериев принимают: появление валика выпирания и трещин в грунте; по деформированию породы с постоянной скоростью в течение не менее 1 суток; резкое увеличение осадки при незначительном увеличении нагрузки (в 5 раз и более по сравнению с осадкой от предыдущей ступени).
Полевые методы испытаний грунтов

Для плотных песков, твёрдых и тугопластичных глин величины первых трёх-четырёх ступеней принимают равным 0,1 МПа. Последующие ступени принимают в половинном размере. Для песчаных пород средней плотности и мягкопластичных глин первые три-четыре ступени назначают равными 0,05 МПа, а последующие также в половинном размере. Слабые грунты (рыхлые пески, текучепластичные глины) нагружают по 0,02 МПа.
Точность измерения осадки должна быть не менее 0,1 мм. Чаще всего применяют прогибомеры с точностью измерения 0,01 мм. При испытании глинистых (песчаных) грунтов для первой ступени нагрузки отсчёты снимают в течение первого часа через 15(10) мин, второго -через 30 мин и далее через 1 час (30 мин) до условной стабилизации осадки. На второй ступени нагружения показания приборов снимают в течение 1 часа через 30 (15) мин, второго - через 30 мин и далее через 1 час (30 мин) до условной стабилизации. Разгрузку ведут теми же ступенями.
Значения модуля деформации вычисляют по формулам:
Полевые методы испытаний грунтов

где μ - коэффициент Пуассона, для песка μ = 0,3; для суглинка - 0,35; глины - 0,4; Е - полная нагрузка на штамп по прямолинейному участку графика; d - диаметр штампа; ω - коэффициент, зависящий от формы загруженной площади: круг ω = 0,96; квадрат ω = 0,95; прямоугольник при n = l/b =1,5, ω = 0,94; п = 2, ω = 0,92; n = 5, ω = 0,92; n = 10, ω = 0,71;
Полевые методы испытаний грунтов

коэффициентом а учитывают различие деформаций при испытании в шурфах и скважинах. При испытании в шурфах α = 1, в скважинах α = 0,7.
Прессиометрия. В скважину на требуемую глубину опускают снаряд прессиометра с эластичными стенками, разделённый на три камеры: рабочую и две вспомогательные (рис. 1.8).
Полевые методы испытаний грунтов

Модуль деформации вычисляют по формуле
Полевые методы испытаний грунтов

где dр - приращение давления на участке пропорциональности деформаций; dr - соответствующие ему приращения радиуса скважин.
Крайние камеры создают для средней камеры радиально-симметричное плоское поле напряжений. При испытаниях грунта камеры и измерительная система заполняются водой. С помощью сжатого воздуха, поступающего из баллона через редуктор, создаётся давление. Деформация средней камеры, соединенной с измерительным цилиндром, определяется по изменению уровня жидкости по шести радиусам или более в одной плоскости. Испытания проводят с постоянной скоростью деформации стенки скважины путём автоматического регулирования суммы напряжений на потенциометре. С увеличением давления вокруг прессиометра образуется зона пластических деформаций, переходящих в зону упругих деформаций. Исходя из формулы Ляме модуль деформации
E = (1+μ) r0 Δp/Δr,

где r0 - радиус скважины; Δр - приращение давления на стенку скважины; Δr - приращение радиуса.
Параллельные определения модуля деформации в полевых условиях с помощью штампа площадью 5000 см2, принятого за эталон, и прессиометра показали, что модуль деформации, вычисленный по ранее приведённой формуле в 2-3 раза меньше штампового. Объясняется это анизотропией грунта, различной степенью консолидации грунта при прессиометрических и штамповых испытаниях, ослаблением прочности пристенного слоя грунта в скважине, разным пределом линейной зависимости деформаций от напряжений под штампом и вокруг прессиометра и др.
Испытания грунтов прессиометром начинают с построения тарировочной кривой, по которой определяют потери давления на расширение эластичных оболочек камер, и проверяют градуировку измерительных устройств. Диаметр скважин принимают на 10...20 мм больше внешнего диаметра прессиометра.
Давление на стенки камер повышают ступенями по 0,025...0,05 МПа в зависимости от типа и вида грунта. Каждую ступень выдерживают до условной стабилизации 15...60 мин при медленном режиме и 3...6 при быстром.
По результатам испытания строят графики приращения радиуса прессиометра от давления в камере. На графики наносят тарировочные кривые при свободном расширении. Участок линейной зависимости между давлением и деформацией используют для вычисления модуля деформации
E = kr0 Δp/Δr,

где k - корректирующий коэффициент, принимаемый при глубине испытания менее 5 м, равным 3; от 5 до 10 м, равным 2 и более 10 м, равным 1,5.
Полевые методы испытаний грунтов

Испытание вращательным срезом. Сдвиг по заданной поверхности в буровых скважинах применяется для определения сопротивления сдвигу грунтов с нарушенной и не нарушенной структурой (рис. 1.9).
Испытания на сдвиг в скважинах производят установками, позволяющими определить параметры τ, с и φ раздельно в условиях передачи нагрузки М, F путём вращательного среза грунта на глубине Н крестообразной лопастью-крыльчаткой в забое скважины высотой h.
Испытание свай статическими нагрузками. Составляют программу испытаний, в которой указывают: цель и задачи испытания; тип, размеры и количество опытных свай; способ и режим нагружения; испытательную и измерительную аппаратуру; особые условия проведения испытаний; состав исполнителей; форму журналов и актов; мероприятия по технике безопасности. Испытания статическими нагрузками проводят после «отдыха» свай. Для свай, забитых в пески, испытание проводят не менее чем через 3 дня после забивки, а забитых в глинистый грунт - не менее чем через 6 дней.
Сваю для испытания выбирают с указанием дефектов. Иногда при изготовлении опытной сваи устанавливают измерительные приборы и приспособления: тензодатчики на арматурном каркасе и бетоне, динамометры и динамометрические вставки разной конструкции. Во время забивки определяют число ударов молота, необходимое на погружение сваи на 0,5...1 м. Нагрузку на опытную сваю передают гидравлическими домкратами; грузом из гирь, строительных конструкций, песка, воды и др.
При использовании гидравлических домкратов поршень упирают в металлическую платформу длиной 6... 10 м. Платформа опирается на стеновые блоки. Для восприятия усилий от домкрата платформу либо прикрепляют к анкерным сваям, либо нагружают любым грузом. Чаще всего применяют первый способ. Анкерные сваи, как правило, принимают такими же по размерам, как и опытную. Расстояние между осями опытной и ближайшей анкерной сваи принимают не менее 2 м. Количество анкерных свай назначают не менее 4 и определяют расчётом, учитывая, что они работают на выдёргивание. Суммарная несущая способность анкерных свай должна примерно в 1,5 раза превышать несущую способность опытной с коэффициентом запаса не менее 1,5. Величину несущей способности сваи определяют из статического расчёта. Элементы платформы также проверяют расчётом. Платформу приваривают к арматуре анкерных свай. Иногда используют зажимы разной конструкции, но при этом требуется проверка прочности бетона на местное смятие.
Сваи нагружают осевой или внецентренной вертикальной, горизонтальной, одновременно вертикальной и горизонтальной (наклонной) нагрузкой. В последнем случае на сваю передают сначала вертикальную нагрузку до постоянного значения, а затем горизонтальную, доведя её до разрушающей (рис. 1.10). Часто вертикальную и горизонтальную составляющие нагрузки увеличивают одновременно ступенями при определённом соотношении между ними. При наличии горизонтальной составляющей устраивают упорные стенки. Нередко сваи нагружают враспор (рис. 1.11). Нагрузка может быть непрерывно или ступенчато возрастающей, знакопеременной, циклической в пределах одного знака.
Перемещения свай (осадки, крены, горизонтальные смещения) определяют с помощью прогибомеров различной конструкции с точностью измерения 0,1...0,01 мм. Возможны и другие способы замера перемещений. Прогибомеры крепят к анкерам, удалённым от сваи не менее чем на 2,5 м. Опыты показали, что при вдавливании свай в грунт вокруг образуется осадочная воронка радиусом до 5d (d - размер стороны сваи). При действии горизонтальной нагрузки со стороны лобовой грани образуется зона уплотнения на расстоянии до 6d от сваи. К свае часто крепят реперную раму из строганных окрашенных досок. Длина рамы составляет 3...6 м. По осадке концов рамы судят по перемещению сваи.
Испытание свай ступенчато возрастающей вдавливающей нагрузкой. Величину ступени нагрузки принимают не более 0,1 предполагаемой предельной нагрузки на сваю. При заглублении концов свай в крупнообломочные и гравелистые грунты допускается первые три ступени принимать равными 0,2 предполагаемой предельной нагрузки.
Полевые методы испытаний грунтов

Для уточнения величины разрушающей нагрузки последние ступени нагрузки могут быть уменьшены. Нагрузку увеличивают до «срыва» сваи, когда перемещения на последней ступени в 5 раз и более превышают ранее достигнутые на всех ступенях до достижения осадки не менее 40 мм или до разрушения сваи.
Отсчёты с приборов на каждой ступени снимают в следующем порядке: через 5 мин, 15, 15. 15, 15, 30, 30 мин и далее через каждый час до условной стабилизации, принимаемой не более 0,1 мм за 1 час наблюдений при опирании сваи на песчаные и пылевато-глинистые грунты от твёрдой до тугопластичной консистенции и за 2 ч при опирании на пылевато-глинистые грунты от мягкопластичной до текучей консистенции. При отсутствии условной стабилизации повышение нагрузки на глинистые грунты прекращают через 24 ч, песчаные - через 12 час. Разгрузку испытанных свай ведут ступенями, равными удвоенным ступеням нагрузки. Наблюдения за упругой деформацией ведут на каждой ступени разгрузки в течение 1 часа для глинистых и 30 мин для песчаных грунтов.
По результатам испытаний строят графики s = f(Р) и s = f(t) для каждой ступени. Иногда программой испытаний определяют раздельное сопротивление под нижним концом сваи Ft и по боковой поверхности Fe (рис. 1.10).
За частное значение предельного сопротивления сваи принимают нагрузку, вызывающую непрерывное возрастание перемещений, или нагрузку, при которой испытываемая свая получит осадку s ≥ 20 мм:
s = ξ sult,

где sult - предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания или сооружения СНиП 2.2.01-83; ξ - коэффициент перехода от предельного значения средней осадки sult, к осадке сваи, полученной при статических испытаниях с условной стабилизацией осадки; ξ = 0,2. Если ≥ 40 мм, то за частное значение предельного сопротивления сваи принимают нагрузку, соответствующую s = 40 мм.
Для мостов за предельное сопротивление сваи принимают нагрузку, на одну ступень меньшую нагрузки, при которой происходит:
- приращение осадки за одну ступень загружения, превышающее в пять раз и более приращение осадки за предшествующую ступень нагружения;
- осадка, не затухающая в течение суток и более при общем её значении не более 40 мм.
Иногда программа испытаний предусматривает нагружение осевыми выдергивающими нагрузками. При этом надо иметь в виду, что сопротивление грунта по боковой поверхности при вдавливании выше, чем при выдергивании.
Испытание горизонтальной нагрузкой (рис. 1.11). Ступени нагружения принимают равными не более 0,1 предполагаемой разрушающей. За условную стабилизацию принимают приращение перемещений не более 0,1 мм за последние 2 ч наблюдений.
Отсчёты по приборам на каждой ступени принимают в той же последовательности, что и при испытании вдавливающей нагрузкой. Испытания прекращают при непрерывном увеличении перемещений под постоянной нагрузкой, достижении горизонтального перемещения в уровне поверхности не менее 50 мм и при поломке свай. По графику u = f(Q) за предельное сопротивление сваи принимают нагрузку на одну ступень меньше нагрузки, без увеличения которой перемещение сваи непрерывно возрастает.
Полевые методы испытаний грунтов

Несущую способность сваи по результатам статических испытаний вдавливающей, выдергивающей и горизонтальной нагрузками определяют по формуле
Fd = γc Fu/γg,

где γc - коэффициент условий работы, принимаемый в случае вдавливающих, или горизонтальных нагрузок равным 1, а в случае выдергивающих - по указаниям СНиП 2.02.03-85; Fu - нормативное значение предельного сопротивления сваи; γg - коэффициент надёжности по грунту.
Если число испытанных свай меньше шести, то за нормативное значение предельного сопротивления принимают наименьшее предельное сопротивление, т.е. Fu = Fu min и γg = 1. При большем числе испытанных свай Fu и γg определяют путём статистической обработки частных значений предельных сопротивлений.
Испытания свай в просадочных грунтах. Испытания проводят с локальным или интенсивным замачиванием основания. В первом случае объём насыщаемых водой грунтов ограничивают расстоянием от свай до 5d при забивных и 3d при набивных сваях. Во втором случае грунты насыщают водой на всю глубину просадочной толщи до полного проявления просадки от собственного веса и сил негативного трения. Испытания свай с локальным замачиванием проводят в грунтах I и II типа по просадочности, с интенсивным замачиванием - только в грунтах II типа.
Локальное замачивание начинают после устройства свай и продолжают вплоть до окончания статических испытаний. Замачивание осуществляют через траншеи, устраиваемые по периметру опытных свай на расстоянии 1 м от боковой поверхности. Глубина траншеи составляет 1...1,5 м, ширина не менее 0,5 м. При длине сваи 8 м со дна траншеи пробуривают не менее трёх дренажных скважин диаметром ≥ 20 см и длиной 0,8l. Скважины и траншеи заполняют щебнем. На протяжении всего периода испытания в траншее поддерживают постоянный уровень воды. Расход воды принимают не менее 20 м3 на 1 п.м. длины сваи. Продолжительность замачивания перед испытанием принимают из расчёта одних суток на каждый метр длины сваи. При этом степень влажности должна быть не менее 0,8.
Интенсивное замачивание проводят из котлована, сторона которого должна быть не менее глубины залегания просадочной толщи и длиной не менее 20 м. Послойные деформации грунтов в пределах просадочной толщи определяют по глубинным и поверхностным маркам. Глубинные марки устанавливают в центре котлована через каждые 2...3 м, а поверхностные - по двум взаимно перпендикулярным створам через каждые 3 м в плане на расстоянии 1,5 от центра котлована. Испытания проводят после замачивания грунтов, но до начала просадки от собственного веса. Сваи нагружают постоянной в течение всего испытания нагрузкой, составляющей 60% предельного сопротивления сваи при локальном замачивании. Для измерения касательных напряжений по длине ствола и нормальных под нижним концом сваи предварительно оборудуют приборами.
Испытание свай на сейсмические воздействия. Цель испытаний — экспериментально установить коэффициент снижения несущей способности свай при сейсмических воздействиях Кeg, на который должна умножиться несущая способность свай, определённая по результатам испытаний свай без сейсмических воздействий.
Между домкратом и упорной конструкцией устанавливают виброизолятор в виде пружин или катков. Сваю загружают гидравлическими домкратами до усилия F0, соответствующего осадке, равной s = ξ sult. Не позднее чем через сутки после стабилизации осадки при нагрузке осуществляют сейсмическое воздействие требуемой интенсивности с помощью замедленных взрывов ВВ. Заряды ВВ помещают в скважинах, расположенных на определённом расстоянии от опытной сваи. Продолжительность сейсмического воздействия должна быть не менее 7 с. Перерыв между отдельными взрывами t принимают в интервале
2Т ≤ t ≤ 3Т,

где Т - период колебаний грунта возле опытных свай.
Вертикальные ускорения колебаний поверхности грунта должны быть не менее 2 м/с2 при расчётной сейсмичности 7 баллов, 4 м/с2 - 8 и 7 м/с2 баллов. В опытах фиксируют горизонтальные составляющие колебаний грунта в двух взаимно перпендикулярных направлениях, осадку сваи Δs, уменьшение давления в гидродомкрате.
Коэффициент
Кeg = m1m2,

где m1 и m2 — коэффициенты снижения несущей способности сваи на вертикальную и горизонтальную нагрузку;
Полевые методы испытаний грунтов

где и F1 и F0 - величины вертикальной статической нагрузки до начала и после окончания сейсмических воздействий; s0 - осадка сваи при нагрузке F0; s1 — дополнительная осадка сваи в результате испытаний на сейсмовзрывные воздействия.
При испытании на горизонтальные динамические воздействия сваю сначала нагружают вертикальной статической нагрузкой. Затем вибратором направленного действия, установленным на катках и жёстко связанным со сваей, создают горизонтальные динамические воздействия в течение не менее 10 с. Горизонтальное раскачивание сваи выполняют с постоянной амплитудой в уровне поверхности
А ≥ 1,2у0 ≥ 3 мм,

где у0 - горизонтальное перемещение сваи в уровне поверхности при статическом приложении расчётной сейсмической нагрузки к свайному фундаменту;
y0 = gH/α∈3EJ,

где g - коэффициент, зависящий от степени защемления сваи в ростверк и от типа ростверка; Н - расчётная горизонтальная сейсмическая нагрузка на сваю; α∈ - коэффициент демпфирования.
Коэффициент
m1 = F2/F0 s0/s0+s2,

где F2 и F0 - значения вертикальной статической нагрузки на сваю до начала и после окончания горизонтальных динамических воздействий; s0 - осадка сваи при нагрузке перед испытаниями на горизонтальные динамические воздействия; s2 - дополнительная осадка сваи за время испытаний на горизонтальные динамические воздействия.
Динамический метод определения несущей способности свай. Метод основан на рассмотрении баланса энергии системы «молот-свая». Энергия удара молота в основном затрачивается на полезную работу по погружению сваи в грунт, на упругие деформации сваи и грунта, на неупругие деформации головы сваи и наголовника, на преодоление вредных сопротивлений сваебойного оборудования.
Несущую способность сваи при остаточном отказе sα≥2 мм определяют по формуле
Полевые методы испытаний грунтов

где η - коэффициент, принимаемый в зависимости от материала сваи, кН/м2; А - площадь поперечного сечения сваи, м2; М - коэффициент, принимаемый при забивке свай молотами ударного действия равным единице, а при вибропогружении - в зависимости от вида грунта (для песков крупных и средней крупности 1,2; мелких 1,1; пылеватых 1,0; супесей пластичных, твёрдых суглинков и глин 0,9; полутвёрдых суглинков и глин - 0,8; тугопластичных суглинков и глин 0,7); Еd - расчётная энергия удара молота или расчётная энергия вибропогружателя, кДж; m1 - масса молота или вибропогружателя, т; m2 - масса сваи и наголовника, т; m3 - масса подбабка (при вибропогружении свай m3 = 0), т; m4 - масса ударной части молота, т; ε - коэффициент восстановления удара; при забивке железобетонных свай молотами ударного действия с применением наголовника с деревянным вкладышем ε2 = 0,2; при вибропогружателе ε2 = 0.
Величину коэффициента η принимают для железобетонных свай с наголовником - 1500, для деревянных свай без подбабка - 1000 и с подбабком - 800.
Расчётную энергию удара Еd принимают: для молота одиночного действия GH, трубчатого дизель-молота 0,96 H, штангового дизель-молота 0,46Н, где 6H - энергия падающего молота массой G с высоты H.
Эквивалентную расчётную энергию удара вибропогружения принимают в зависимости от возмущающей силы (табл. 1.4).
Расчётный отказ сваи вычисляют по формуле
Полевые методы испытаний грунтов

где γg = 1,4 - коэффициент надёжности по грунту.
Полевые методы испытаний грунтов

При sα < 0,002 м следует подобрать молот с большей энергией удара. В случае невозможности замены сваебойного оборудования и sα < 2 мм несущую способность сваи вычисляют по формуле
Полевые методы испытаний грунтов

где sα - остаточный отказ; sel - упругий отказ; m4 - масса ударной части молота
Полевые методы испытаний грунтов

где np, nf - коэффициенты перехода от динамического сопротивления грунта к статическому, с*м/кН, соответственно равные для грунта под нижним концом сваи np = 0,00025 и по боковой поверхности nf = 0,025; Af - площадь боковой поверхности, соприкасающейся с грунтом; g - ускорение свободного падения; Н - фактическая высота падения ударной части молота; h - высота первого отскока ударной части дизель-молота, принимаемая для штанговых молотов 0,6 м, для трубчатых - 0,4; для других h = 0.
Отказы определяют после окончания процессов упрочнения глинистых, пылеватых и мелкопесчаных грунтов и после завершения процессов возможного разупрочнения крупнопесчаных и гравелистых грунтов. Величину отказа, определённую до завершения этих процессов, называют ложной, после завершения - истинной. Для правильного определения несущей способности сваи, необходимо провести испытания после «отдыха» свай. Испытания свай, забитых в песчаные грунты, проводят не менее чем через 3 суток, в глинистые - не менее чем через 6 суток после забивки. При испытании одиночными ударами молота за отказ принимают среднюю величину осадки от залога в 10 ударов, а при испытании вибропогружателем — величину осадки сваи от работы погружателя в течение 1 мин.
Тип молота (штанговые, трубчатые дизель-молоты, гидромолоты, сваебойные установки на базе трактора и автомобиля) выбирают, исходя из несущей способности сваи и её массы. Минимальная энергия удара молота
Еd = 1,75αN,

где α - коэффициент, равный 25 Дж/кН; N - расчётная нагрузка, допустимая на сваю по проекту, кН.
Молот с расчётной энергией удара должен удовлетворять условию
(m1+m2+m3)/Еа ≤ Кm,

где Кm - коэффициент, принимаемый для железобетонных свай при трубчатом дизель-молоте и молоте двойного действия не более 6, при молоте одиночного действия и штанговом дизель-молоте - 5, при подвесном молоте - 3.
Вибропогружатель подбирают по отношению
K0/gQB,

где К0 - момент эксцентриков, кН см; QB - суммарная масса сваи, наголовника и вибропогружателя, т.
Упругие и остаточные отказы измеряют отказомерами различной конструкции (рис. 1.12). Напряжения, возникающие в голове сваи, передаются нижнему концу, постепенно затухая из-за сопротивления грунта по боковой поверхности. Если энергия удара недостаточная, то упругие перемещения относятся лишь к перемещению головы и верхней части сваи. В практике колебания сваи чаще всего записывают с помощью вибрографов. Известны конструкции отказомеров, в которых к свае крепятся кронштейн с пером. Перо оставляет след на вращающемся барабане.
Несущую способность забивной висячей сваи по результатам динамических испытаний определяют по формуле
Fd = γcFu,p/γg,

где γc - коэффициент условий работы; Fu,p - нормативное значение предельного сопротивления сваи, кН; γg - коэффициент надёжности по грунту.
Исследование сопротивления грунта основания при горизонтальных колебаниях свай. Колебания свай создают вибратором направленного действия при определённых значениях момента эксцентриков Q0ε (Н*м). В опытах снимают амплитудно-частотные характеристики. Горизонтальные колебания свай записывают с помощью вибродатчика И001 на светочувствительную плёнку осцилографа Н-115. Испытания проводят при нескольких значениях моментов Q0ε. Частоту колебаний постепенно увеличивают до определённого значения и затем снижают до нуля. В зонах, близких к резонансу, колебания теряют устойчивость и происходит срыв амплитуды.
Полевые методы испытаний грунтов

Зондирование. Применяют статическое и динамическое зондирование. Определяют: характер напластования грунтов различного литологического состава; границы между слоями; предельные удельные сопротивления грунтов под нижним концом R и на боковой поверхности свай f; физические и механические характеристики грунтов; глубину залегания кровли несущего слоя грунта.
Статическое зондирование заключается во вдавливании в грунт зонда с измерением сопротивления грунта под наконечником и по боковой поверхности. Применяют три типа зондов (рис. 1.13).
Площадь основания конуса составляет 10 см2, угол при вершине конуса - 60°. Зонд вдавливают установками С-979, СП-59, С-832 и др. В настоящее время успешно применяют измерительный комплект аппаратуры для статического зондирования ПИКА-9 конструкции НИИОСПа. Скорость вдавливания зонда составляет 1 ± 0,3 м/мин. Максимальное усилие вдавливания составляет 100 кН при предельно допустимом сопротивлении под наконечником зонда 50 МПа.
Полевые методы испытаний грунтов

Зондирование позволяет получить непрерывные картины изменения сопротивления по глубине (рис. 1.14). В зависимости от соотношения сопротивления грунта на муфте трения fs и под наконечником зонда qs можно приближённо оценить тип грунта.
При fs/qs = 2% грунт является песком, 2...3% - супесью, более 3% -суглинком и глиной.
Для определения характеристик грунта используют следующие эмпирические зависимости:
- показатель текучести Iω = 0,65 - 0,013qs;
- коэффициент пористости е = 0,765 - 0,185 lg (qs/qs0), qs0 = 1 МПа;
- модуль деформации для песков E = 3qs;
- модуль деформации для глинистых грунтов Е = 7qs;
- удельное сцепление с = 0,0116qs + 0,0125;
- тангенс угла внутреннего трения tgφ = 0,045 qs + 0,26.
Полевые методы испытаний грунтов

Сопротивление грунта под нижним концом сваи R определяют по формуле
R = β1qs,

где β1 - переходный коэффициент; qs - среднее значение сопротивления грунта под наконечником зонда, получаемое из опыта на участке, расположенном в пределах одного d выше и 4d ниже отметки нижнего конца проектируемой сваи со стороной d
β = 0,6 + 1,4 qs0/qs.

Сопротивление грунта на боковой поверхности
f = β2fs,

где β2 - переменный коэффициент перехода к fs; fs - среднее удельное сопротивление грунта на боковой поверхности; β2 = 1,15 + 4,3fs0 (для песчаных грунтов); β2 = 0,53 + 2,7fs0/fs (для глинистых грунтов).
Динамическое зондирование состоит в забивке в грунт зонда и измерении глубины погружения от определённого числа ударов молота. Наконечник зонда (рис. 1.15) изготавливают диаметром 74 мм с углом при вершине 60°.
Полевые методы испытаний грунтов

Результаты испытаний представляют в виде графиков изменения по глубине условного динамического сопротивления Pd (рис. 1.16):
Pd = Акn/h,

где А - удельная энергия зондирования в зависимости от типа применяемой установки; к - коэффициент учёта потерь энергии при ударе молота о наковальню и на упругие деформации штанг, определяемый в зависимости от типа установки и глубины зондирования; Ф - то же, на трение штанг о грунт; n - число ударов молота в залоге; h - глубина погружения зонда за залог.
Полевые методы испытаний грунтов

В практике используют следующие эмпирические зависимости:
Полевые методы испытаний грунтов

Несущую способность забивной висячей сваи по результатам испытаний грунтов эталонной сваей, сваей-зондом или статического зондирования определяют по формуле
Полевые методы испытаний грунтов

где γc = 1 - коэффициент условий работы; n - число испытаний или точек зондирования; - частное значение предельного сопротивления.
Определение величины порового давления. Давление, возникающее в жидкой и газообразной фазах грунта при приложении к нему внешней нагрузки, называют поровым. При увеличении порового давления снижается величина эффективного напряжения и, следовательно, прочность грунта. Для измерения порового давления в полевых условиях применяют пьезометры, пьезоманометры, приборы с дистанционными манометрами и приборы с электродинамометрами.
Полевые методы испытаний грунтов

Испытание грунтов сваями малого сечения. Этот метод испытаний стандартизирован. Сваи погружают на ту же глубину, что и натурные сваи. Эталонные сваи состоят из наконечника с углом при вершине 60° и составной металлической трубы диаметром 114 мм. Длина свай достигает 12 м (рис. 1.15). Конический наконечник соединяют со стволом наглухо с измерением общего сопротивления грунтов вдавливанию (I тип), свободно (II тип) или через датчик усилия (III тип) с измерением сопротивления под нижним концом и на боковой поверхности свай.
Эталонные сваи применяют многократно, с использованием более лёгкого и мобильного оборудования для забивки и испытания (рис. 1.17, 1.18) последовательно динамическими и статическими нагрузками. При забивке проводят динамические испытания, определяя число ударов молота на каждый метр погружения сваи, а на последнем метре - на 10 см. Результаты представляют графиками зависимости числа ударов N и отказов от глубины погружения (рис. 1.19).
Полевые методы испытаний грунтов

После отдыха сваю испытывают статическими ступенчато-возрастающими нагрузками с выдержкой по времени на каждой ступени до условной стабилизации перемещения свай. Продолжительность отдыха и величины ступеней в осях S = f(F) и S = f(t) для каждой ступени. Предельное сопротивление натурной сваи Fu определяется по эмпирической формуле
Fu = (U/Us)Fus,

где Fus, Fu - предельное сопротивление эталонной и натурных свай при осадке Δ, определяемой по п. 5.5. СНиП 2.02.03.-85 ; U/Us - периметр натурной и эталонной сваи.
По данным испытания эталонной сваи III типа можно определить предельное сопротивление натурной по формуле
Fu = γCRRsA + γcffsUh,

где γCR и γsf - коэффициенты условий работы, определяемые по табл. 5.1; при слоистом основании
γcf = γ'cfΣh'i + γ''cfΣh''i/h,

Σh' и Σh''i - суммарные толщины слоев песчаных и пылеватоглинистых грунтов; γ'cf и γ''cf - коэффициенты условий работы для песчаных и пылевато-глинистых грунтов.
Испытания грунтов дилатометром. Дилатометр представляет собой пластину в форме лопатки размером 96x14 мм, заостренной снизу. В боковой стенке расположена тонкая стальная мембрана диаметром 60 мм. Пластина соединена шлангом с размещённым в нём электрическим кабелем с источником избыточного давления и контрольно-измерительной аппаратурой. С помощью установки статического зондирования (рис. 1.17) буровой дилатометр погружают в массив грунта. Простота конструкции и малые размеры прибора незначительно изменяют природное напряжённо-деформированное состояние грунта. Поверхность мембраны находится заподлицо со стенкой дилатометра. Под действием сжатого воздуха мембрана вдавливается в грунт. Измеряют начальное давление, вызывающее движение мембраны, и необходимое для перемещения на 1 мм (рис. 1.18).
В Фундаментпроекте разработана другая конструкция дилатометра. Вместо мембраны укреплён запрессованный в резиновое кольцо стальной штамп диаметром 70 мм и толщиной 3 мм. В герметичной полости за штампом расположен тензометрический датчик перемещения штампа. В полость подают сжатый воздух, а сигналы от тензометрических датчиков к измерительному прибору (цифровой измеритель деформации ИДЦ-1).
Полевые методы испытаний грунтов

Предварительно проводят градуировку дилатометра для получения масштабных коэффициентов перехода от показаний прибора к значениям деформации грунта и давлению сжатого воздуха. Кроме того, определяют давление сжатого воздуха, затрачиваемое на преодоление упругости резинового кольца при выдвижении штампа в свободном состоянии.
Дилатометр погружают с поверхности земли или с забоя предварительно пробурённой скважины до заданной глубины. Затем давление повышают со скоростью 0,02...0,06 МПа/мин. Испытание заканчивают при вдавливании штампа в грунт на 2,5...3 мм или доведении давления сжатого воздуха до 1 МПа.
Модуль деформации определяют по формуле Шлейхера
Ед = 0,79(1-v2)dΔр/ΔU,

где Δр = рn-р0, p0, рn - давления, соответствующие началу и концу линейного участка графика U=f(р), равное вертикальному природному на отметке испытания, т.е. р0 = γН; ΔU - приращение перемещения штампа, соответствующее Δр.
Корреляционные зависимости между Е3{ (полученные при испытании штампа) и Е , рассчитанные методом наименьших квадратов, выражены линейным уравнением
Еst = АЕA + В = 0,77Ед + 4,6.

Связи между Еst и Е тесные и для испытанных суглинков не зависят от генезиса.
Геофизические методы исследования. Основными методами инженерной геофизики являются электроразведка и сейсморазведка. При изучении вертикальных разрезов используется электрическое зондирование (ВЭЗ) и сейсморазведка по методу преломления волн (МПВ). Зондированием определяют глубины залегания границ между отложениями, отличающимися по своим электрическим сопротивлениям и поляризуемости. При интерпретации результатов электрических зондирований используют теоретические графики, которые сравнивают с наблюдаемыми кривыми.
Сейсморазведка по методу преломления волн даёт возможность определять глубины залеганий границ раздела пород, отмеченных по своим упругим свойствам. Выделяют границы, на которых происходит изменение скоростей распространения сейсмических волн.
Глубины залегания грунтовых вод определяют по данным электрических зондирований методом сопротивлений и методом вызванных потенциалов (ηк). Удельное электрическое сопротивление в области полного водонасыщения ниже, чем в зоне аэрации. По спаду кривой устанавливают глубину этой границы. Вызванные потенциалы в зоне полного водонасыщения выше, чем в зоне аэрации. В этом случае уровень грунтовых вод определяют по подъёму кривой ηк. На границе между зоной аэрации и зоной полного водонасыщения в рыхлых отложениях, в 1,3-1,4 раза увеличивается скорость распространения продольных упругих волн. Скорости поперечных волн почти не меняются.
Геофизические методы широко используют для изучения карста, оползней, многолетней мерзлоты. По своим физическим свойствам (удельное электрическое сопротивление, плотность, скорость распространения продольных и поперечных сейсмических волн, нестабильность границ и свойств грунтов во времени) эти породы отличаются от окружающих геологических образований. Наиболее результативным методом при изучении карста является электроразведка (профилирование, зондирование). Условия залегания изучают методами электроразведки и сейсморазведки.
Целью этих методов является изучение строения массива - расчленение разреза, определение кровли, установления уровня грунтовых вод (вертикальное электрическое зондирование, электропрофилирование, метод преломления волн);
- установление и прослеживание зон тектонических нарушений трещиноватости (электропрофилирование, вертикальное электрическое зондирование, стандартный каротаж, сейсмоакустические методы, эмонационная съёмка);
- определение направления, скорости течения и разгрузки подземных вод (метод заряженного тела, резистивиметрия, расходометрия, тернометрия);
- определение коррозионной активности и интенсивности блуждающих токов (вертикальное электрическое зондирование, электропрофилирование, метод естественного поля);
- сейсмическое микрорайонирование (сейсмоакустические методы, радиоизотопный метод, сейсмологические методы);
- прогнозирование геологических процессов динамики уровня грунтовых вод, изменения влажности глинистых и лёссовых грунтов, загрязнения подземных вод, изменения напряжённого состояния и уплотнения грунтов, изменения мощности слоя протаивания, температуры и свойств мёрзлых грунтов.
По результатам геофизических исследований строятся: карты электросопротивлений; геоэлектрические разрезы, карты типов кривых электрического зондирования, сейсмологические разрезы, карты граничных скоростей и др.
Радиоизотопные и пенетрационно-каротажные методы исследования. Достоинством ядерных методов является возможность получения непрерывной количественной информации по глубине разреза.
Радиоизотопные и пенетрационно-каротажные методы исследований. К числу ядерных методов относят: поглощения гамма-излучения, рассеянного гамма-излучения, радиоактивный каротаж, пенетрационно-каротажный, активационный анализ, радиоизотопные индикаторы.
Сущность метода поглощения гамма-излучения состоит в том, что гамма-излучение, проходя через вещество, поглощается им в зависимости от массы вещества между источником и детектором излучения.
Метод рассеянного гамма-излучения применяют для определения плотности грунта. Он основан на функциональной зависимости между рассеянным гамма-излучением и плотностью рассеивающей среды.
Метод рассеянного нейтронного излучения основан на зависимости аномального замедления быстрых нейтронов до тепловой энергии водородсодержащей среды. Тарировочные графики строят в координатах «регистрируемое излучение-параметр плотности или влажности».
Методы радиоактивного каротажа включают в себя гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж, нейтрон-нейтронный каротаж. При гамма-каротаже регистрируют естественную радиоактивность пород. Количественное содержание u235, u238, Тu232, К зависит от типа породы, её происхождения и химического состава. Так, увеличение содержания глинистых частиц в карбонатах сопровождается ростом содержания в них тория и калия. Радиоактивность песков целиком зависит от количественного содержания глинистых частиц.
Сущность метода гамма-гамма-каротажа состоит в регистрации рассеянного породой гамма-излучения, которое испускается источником гамма-квантов. При этом получают диаграмму распределения плотности вдоль скважины. Оптимальная длина зонда составляет 40 см.
Нейтрон-нейтронный каротаж заключается в регистрации рассеянного нейтронного излучения, испускаемого источником быстрых нейтронов. Различают нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (НК-Т), по надтепловым нейтронам (ННК-Н) и нейтронный гамма-каротаж (НГК).
Пенетрационно-каротажные методы отличаются тем, что каротажный зонд на колонне штанг вдавливают в исследуемую среду, т.е. совмещены методы радиоактивного каротажа и статического зондирования. При этом оказывается возможным построить диаграммы распределения по глубине: плотности, влажности, пористости, статического сопротивления пенетрации грунта по боковой поверхности зонда.
Активационный метод основан на изучении эффекта облучения грунта ядерными частицами с образованием радиоактивных изотопов. Последние распадаются во времени, испуская бетта- и гамма-излучения определённой энергии. По величине наведённой активности судят о количественном содержании элементов, вступивших в ядерную реакцию.
Сущность метода радиоактивных индикаторов (метод меченых атомов) состоит в определении местонахождения введённого в поток подземных вод радиоактивного индикатора и его количества. В результате устанавливают направление фильтрационного потока и его скорость.
Метод поглощения гамма-излучения. Сущность метода состоит в том, что гамма-излучение поглощается в зависимости от массы грунта между источником и детектором излучения. Метод позволяет определить удельный вес грунта с точностью 0,1 кН/м3. В практике нашли применение три схемы определения удельного веса. Первая схема отличается тем, что измерения проводят в двух параллельных скважинах. В одной на штанге помещают источник излучения гамма-квантов, а в другой - детектор. Проводят горизонтальное просвечивание и радиометром измеряют интенсивность излучения. По второй схеме проводят вертикальное просвечивание слоя, по третьей - горизонтальное.
Метод рассеянного гамма-излучения. Приборы состоят из источника излучения, экрана, детектора и регистратора. Удельный вес грунта определяют поверхностным плотномером, в скважине и при вдавливании зонда в грунт (рис. 1.20). Метод основан на функциональной зависимости между регистрируемым рассеянным гамма-излучением и плотностью рассеивающей среды. Точность определения плотности 0,3 кН/м3.
Полевые методы испытаний грунтов

Метод рассеянного нейтронного излучения. Предназначен для определения влажности грунта. В промышленных образцах нейтронных влагомеров в качестве источников нейтронов используют радий-бериллиевые, полониа-бериллиевые, актиний-бериллиевые. Измерение влажности основано на функциональной зависимости аномального замедления быстрых нейтронов от тепловой энергии водородсодержащей среды.
Радиоактивный каротаж. Методы радиоактивного каротажа включают в себя гамма-каротаж (ГК), гамма-гамма-каротаж (ГГК) и нейтрон-нейтронный каротаж (ННК).
При гамма-каротаже регистрируется естественная радиоактивность пород, связанная с наличием в них таких радиоактивных элементов, как и235, и239, К40 и продуктов их распада. Увеличение содержания глинистых частиц сопровождается увеличением в них тория и калия. Радиоактивность песков целиком зависит от количественного содержания глинистых частиц.
Гамма-гамма-каротаж (ГГК). Метод заключается в регистрации рассеянного породой гамма-излучения, которое испускается источником гамма-квантов, размещённым в каротажном зонде при перемещении его по скважине. По результатам ГГК получают диаграмму распределения объёмной массы породы вдоль скважины.
Нейтронно-каротажный метод (ННК). Заключается в регистрации рассеянного нейтронного излучения, испускаемого источником быстрых нейтронов, размещённым в каротажном зонде и перемещаемым по скважине. В результате ННК получают диаграмму распределения влагосодержания пород по разрезу.
Измерение коррозионной активности грунтов. Основными факторами коррозионной активности грунтов являются: сопротивление, потенциал окисления-восстановления, влажность, показатель pH.
Сопротивление измеряют путём создания в грунте фиксированного тока и регистрацией падения напряжения на заданных расстояниях.
В одном из способов измерения сопротивления устанавливают четыре электрода в грунт по одной линии. Ток пропускают между наружными электродами и измеряют разности потенциалов между парой внутренних электродов. Кажущееся сопротивление грунта
Рa = (2аπΔV/Ic) = 2πаR,

где Рa - сопротивление, Ом*см; а - расстояние между электродами, м; Ic - ток между внешними электродами, А; ΔV - измеренное значение разности потенциалов, В; R - удельное сопротивление.
Потенциал окисления-восстановления даёт информацию о наличии сильно различающихся грунтов или о резком снижении характеристик грунтов, обусловленном присутствием сульфатопоглощающих бактерий. Он определяется как величина электродвижущей силы между поверхностью платиновых электродов и реверсивным электродом, которые находятся в непосредственном контакте с грунтом (рис. 1.21).
Полевые методы испытаний грунтов

Величина потенциала окисления-восстановления может быть определена из выражения
Ei = Ep + 250 + 60 (pH - i),

где Ei - потенциал окисления-восстановления, мВ; Еp - потенциал платинового зонда, мВ; pH - показатель концентрации водородных ионов в жидкой фазе материала засыпки.
В качестве порового значения влажности, при котором поверхность металла становится активной, принимается влажность в 30%.
Показатель pH (кислотная или щелочная среда) ограничивается диапазоном, который благоприятен для цинка (оцинкованная сталь широко применяется для арматуры).
Исследование загрязнения грунтовых вод. Под загрязнением подземных вод понимается изменение их химического состава, физических свойств и бактериологических показателей по сравнению с естественным состоянием. Различают химическое, бактериальное, тепловое и радиоактивное загрязнение. При химической и машиностроительной промышленности основными загрязнителями являются: сульфиды, циониды, непредельные углеводороды, пиридны, фенолы, анилин, бензол, толуол, метанол, формальдегид, нефтепродукты.