Испытания штампами. Штамповые испытания (стр. 1 из 3)
.
В полевых условиях исследование деформационных свойств грунтов производится поэтапным нагружением жестких штампов, установленных в породах, которые будут находится в пределах сферы взаимодействия с сооружением, и заключается в измерении осадок штампа от каждой ступени нагрузки, а также в изучении характера деформации во времени, Методика испытания пород штампами отличается сложностью я трудоемкостью, что связано с монтажом тяжелого оборудования, специальной подготовкой грунтов к испытаниям; значительными затратами времени на изучение характера осадки. Поэтому испытания пород штампами производится лишь на последних стадиях инженерно-геологических исследований под строительство, когда выбрано место "посадки", установлены габариты и ориентировка сооружения, а также передаваемые на грунты нагрузки, тип и глубина заложения фундамента, геологическое строение участка и прочее. Производство испытаний штампами и интерпретация результатов регламентируется ГОСТ 12374-77.
В соответствии о представлениями Н.М. Герсеванова (1930) процесс осадки, проекающий в грунте под жестким фундаментом и моделируемый с помощью нагрузок на штамп, характеризуется несколькими стадиями (рис. 1).
Стадия уплотнения (участок 1) характеризуется деформациями сжатия скелета грунта, выражающимися в уменьшении пористости. Эту стадию характеризует прямолинейная (либо близкая к ней) зависимость S =f (P ).
Стадия сдвигов (участок 2) соответствует предельному равновесию грунта. Кривая S =f (Р) приобретает криволинейный характер, что свидетельствует о возникновении местных сдвигов, развивающихся в первую очередь по краям подошвы фундамента.
Стадия разрушения (участок 3) характеризуется полным разрушением боковых стенок грунта, т.е. отвечает деформациям, сопутствующим образованию поверхностей скольжения. Конусообразный уплотненный объем грунта перемещается со штампом вниз, почти не встречая сопротивления, а боковой выпор пород из-под штампа происходит свободно. Этот процесс сопровождается резким возрастанием деформаций при незначительном увеличении нагрузок либо незатухающими деформациями при постоянном значении нагрузок.
Н.А. Цытович считает, что существует не три, а две стадии данного процесса. Первая и вторая стадии (по Н.М. Герсеванову) четко не различаются, а прочность и устойчивость оснований не нарушаются даже при возникновении локальных сдвигов. Ю.Г. Трофименко и Л.Н. Воробков отмечают, что это положение зафиксировано в СНиП, согласно которым несущая способность основания, сложенного нескальными грунтами, должна определяться, исходя из условия, что в грунте образуются поверхности скольжения, охватывающие всю подошву фундамента или сооружения.
В соответствии с ГОСТ 12374-77, прямолинейный участок графика S = f (Р) (см. риc . 1) попользуют для вычисления модуля деформации по формуле:
где μ - коэффициент Пуассона, принимаемый равным для скальных пород 0,15, для полускальных пород - 0,25, для крупнообломочных грунтов - 0,27, для песков и супесей - 0,30, для суглинков - 0,35, для глин - 0,42, w- безразмерный коэффициент, зависящий от формы и жесткости штампа (для жесткого штампа круглой формы - w = 0,79); d - диаметр штампа, cм; ΔP - приращение давления на штамп между предельным (Рп) и бытовым (Рб) давлением, МПа (кгс/см2 ); ΔS- приращение осадки штампа, соответствующее ΔP, см.
Поскольку модуль деформации является показателем cжимаемоcти грунтов, поведение которых описывается теорией линейно-деформируемых тел, определять величину Е можно только для начального прямолинейного участка S= f(Р) . Модуль деформации, являющийся при принятых ограничениях величиной постоянной для грунта данного состава и состояния, при данной методике испытания (размерах штампа, скорости приложения нагрузки) служит для вычисления осадок сооружений. Его принимают за эталон при оценке модуля деформации, полученного по данным зондирования и прессиометрических испытаний. Кроме определения модуля деформации по данным испытаний грунтов статическими нагрузками на штамп можно оценить осадку грунта под нагрузкой, упругую деформацию грунта, характер развития деформации пород под нагрузкой во времени, критическую (разрушающую) нагрузку, дополнительную осадку (просадку) в просадочных грунтах при их увлажнении под нагрузкой.
Накопленный к настоящему времени опыт исследований грунтов статическими нагрузками свидетельствует о значительном влиянии размеров штампа на деформацию изучаемых пород. Впервые такие опыты осуществил Пресс (1930) на сухих мелкозернистых песках и влажных песчаных глинах с помощью квадратных штампов разной площади. Он показал, что для песков осадка не зависит от площади штампа с размерами от 18 х 18 см до 30 х 30 см, а при уменьшении или увеличении площади штампа по сравнению с производной осадка возрастает при одинаковых удельных, давлениях, передаваемых на штамп. Для глин размеры такого штампа оказались значительно меньше 30x30 cм.
Аналогичная картина была получена институтом Фундаментпроект для влажных пылеватых суглинков Тайшета, но минимальная осадка была зарегистрирована у штампа площадью 1200 см2.
Наиболее достоверные данные могут быть получены при испытаниях опытных фундаментов с площадями равными площадями проектируемых фундаментов, но такие испытания проводятся в исключительных случаях вследствие их высокой стоимости. Поэтому при массовых исследованиях грунтов применяются штампы со значительно меньшими (по сравнению с проектными) размерами. В СССР стандартными для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях и других горных выработках считаются жесткие, круглые, плоские (толщиной 12-15 мм) и глухие штампы площадью 2500, 5000, 10000 см2, а также штампы площадью 1000 см2 с жестким кольцом, дополняющим площадь штампа до 5000 см2, а для испытаний в скважинах применяют круглые штампы площадью 600 см2 (диаметр 27,7 см).
В зависимости от типа (вида) и состояния грунтов (ГОСТ 12374--77) рекомендуют использовать штампы следующих размеров для испытания:
в плотных песчаных и глинистых грунтах с консистенцией IL≤0,25 - штампы площадью 2500 см2 (диаметр - 56,4 см);
в крупнообломочных, песчаных средней плотности и рыхлых, а также глинистых грунтах с консистенцией IL> 0,25 - штамп площадью 5000 см2 (диаметр - 79,8 см).
 Рис. 2. Схема установки для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах: 1 - штамп; 2 - обсадная труба; 3 - упорная балка; 4 - анкерные сваи; 5 - шток домкрата; 6 - маслонасос |
ОБОРУДОВАНИЕ
Основным оборудованием для испытания грунтов статическими нагрузками являются штамп, установка для нагружения и измерительная аппаратура.
Штампы. Наиболее распространенные в настоящее время конструкции штампов стандартных размеров для испытания грунтов в шурфах и скважинах приведены выше. Отметим, что при испытаниях грунтов в скважинах штамп устанавливают в закрепленную обсадными трубами скважину диаметром 325 мм. Нагрузка на штамп передается через штанги, выходящие на поверхность.
Установки для нагружения. Передача усилий на штамп в установках для испытания грунтов осуществляется, при помощи гидравлических домкратов пневматических камер, тарированным грузом через платформу, установленную непосредственно на штампе либо через систему рычагов.
Для упора гидравлических или пневматических домкратов применяются устройства, смонтированные на винтовых анкерных сваях. (рис. 2), а также с упором в грузовую платформу или в стенки шурфа.
Установки для нагружения штампа с упором в стенки шурфа (рис. 3) рассчитаны на применение их при испытаниях в шурфах на глубине 3-5 м штампом площадью 5000 см2 до предельного давления на грунт 0,5 МПа (5 кгс/см2).
Установка для нагружения штампа с упором в стенки шурфа более сложна в монтаже и оборудовании, чем установка с винтовыми сваями, но ее применение в меньшей степени зависит от свойств слагающих верхнюю часть разреза грунтов. Целесообразность её применения очевидна, когда винтовые сваи не могут быть погружены вследствие высокой плотности грунтов.
 Рис. 3. Схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа: 1 - нагружающий гидравлический домкрат; 2 - упорная траверса; 3 - винтовые распоры упорной траверсы; 4 - вертикальные стойки; 5 - распорные гидравлические домкраты; 6 - горизонтальные распоры; 7 - штамп |
Установка с упором в грузовую платформу громоздка и трудоемка в монтаже, но простота в техническом исполнении. Испытания такого типа могут быть проведены на строительной площадке, куда доставлены детали строительных конструкций (бетонные блоки и т.п.), которые могут быть применены в качестве упора.
Установки с нагружаемой платформой, передающей осевое усилие на штамп, для испытаний грунтов в шурфах не применяются, так как требуют монтажа громоздкой платформы и наличия удобно укладываемого тарированного груза, но они применяются при испытаниях пород штампами 600 см2 в скважинах, требующих меньшего веса нагружающего устройства для создания удельного давления.
Более широко используются, особенно для испытаний пород в скважинах, канатно-рычажные установки Уральского треста Инженерно-строительных изысканий (Урал ТИЗИС): КРУ-600, КРУ-25ОО и КРУ-5000 соответственно для штампов площадью 600, 2500 и 5.000 см2 . Ниже приведена техническая характеристика установки КРУ-600:
| Максимальное усилие на штамп, Н | 5∙104 |
| Соотношение плеч рычажной установки | 1:30 |
| Площадь штампа, см2 | 600 |
| Размеры установки, м: высотадлинаширина | 1,20,43-4 |
| Масса, кг: грузаустановки без груза и анкеровобщая | 17090474 |
В дополнение к изложенному, приведем техническую характеристику устройства для определения деформационных свойств грунтов УДПШ-60, разработанного и выпускающего УралТИСИЗ, в котором в качестве нагружающего механизма на штамп 600 см2 применяется пневмокамера. Это устройство может найти широкое применение в инженерно-геологической практике, так как для создания давления в пневмокамерном цилиндре используется сжатый воздух, хранящийся в баллоне, или же ручной автомобильный насос.