Випробування гвинтовим штампом

Недоліків плоских штампів позбавлений гвинтовий штамп (рис. 2.5). Цей штамп є різновидом круглого штампа для випробування ґрунтів у свердловинах. Він складається з одновиткової лопаті площею 600 см² і стовбура-штанги.

Рис. 2.5. Гвинтовий штамп

Достоїнства методу:

- можливість проведення досліджень нижче РПВ;

- глибина дослідження до 50 м;

- послідовні дослідження на різних глибинах;

- збереження напруженого стану ґрунтів у масиві.

Недоліки методу:

- жорсткі вимоги щодо вертикальності загвинчування лопаті-штампа;

- жорсткі вимоги до механізму створення і виміру тиску на лопать-штамп, а також виміру переміщень лопаті-штампа;

- неминуча втрата наконечника гвинтового штампа на глибині.

Заняття № 3

ПРЕСІОМЕТРІЯ

Пресіометр - це прилад для визначення деформаційних і міцносних властивостей нескельних ґрунтів у свердловинах при відсутності яскраво вираженої геометричної анізотропії характеристик.

Пресіометричний метод являє собою різновид методу випробування ґрунтів статичними навантаженнями, однак має додаткові можливості, а саме:

а) визначення, крім деформаційних, ще й міцносних властивостей ґрунтів;

б) визначення деформаційних і міцносних властивостей особливих різновидів ґрунтів - водонасичених, слабких, просадкових;

в) розширення можливостей польової дослідної техніки (можливість проведення зсувних випробувань і ін.).

За конструктивним виконанням пресіометри поділяються на такі види:

а) радіальні;

б) лопатеві.

Радіальні пресіометри

Принцип діїрадіальних пресіометрів такий: обтиснення певної ділянки свердловини рівномірним радіальним тиском за допомогою м'якої еластичної гумової оболонки і вимір переміщень ґрунту, що виникають.

Розрізнюють такі типи радіальних пресіометрів:

а) пневматичні (повітряні, рис 3.2, б);

б).гідравлічні (водяні чи масляні, рис 3.2, а);

в) змішані (повітряно-гідравлічні).

Прилади та устаткування:

- прилад (зонд з гумовими оболонками);

- пристрій для створення і виміру тиску в оболонці;

- пристрій для виміру переміщень оболонки.

Методика проведення досліджень аналогічна проведенню штамподослідів. Тиск, що постійно збільшується передають на стінки свердловини з виміром їх переміщень

За критерій стабілізації для радіальних пресіометрів приймають швидкість збільшення радіуса свердловини, що не перевищує 0,1 мм за визначений відрізок часу.

У залежності від способу досліджень (швидкий чи повільний) часовий критерій може значно змінюватися (дивись табл. 3.1.).

Таблиця 3.1

Критерії стабілізації для радіальних пресіометрів

Рис.3.1. Графік пресіометричних випробувань

На ділянці 2 модуль деформації Е визначається за формулою

E= К_r r₀ ΔР/ Δr;

де К_r - коригувальний коефіцієнт;

r₀ = r_пр + Dr₀ - початковий радіус свердловини (см);

r_пр - радіус пресіометра;

Δr₀ - збільшення радіуса пресіометра, що відповідає Р₀;

ΔР - збільшення тиску на стінку свердловини між двома точками,

узятими на осередненій прямій, МПа;

Δr - збільшення переміщення стінки свердловини (по радіусу),

відповідне ΔР, см.

Достоїнства методу:

- компактність і транспортабельність установок;

- можливість проведення досліджень нижче РПВ;

- висока швидкість проведення досліджень (у "швидкому" режимі);

- можливість проведення досліджень на кількох горизонтах в одній свердловині;

Недоліки методу:

- обмеження по ґрунтах (виключаються великоуламкові та мерзлі);

- обмежена глибина випробувань (до 15 м);

- жорсткі вимоги до умов проведення дослідів;

- занижені значення отримуваних деформаційних характеристик.

а – гідравлічний, б - пневмоелектричний;

1 - гумова оболонка зонда, 2 – штанга, 3 - водовимірювальні трубки, 4 - датчики деформації, 5 - гнучкий шланг, 6 – кабель,

7 - пристрій для зняття показників

Крім пресіометрів, що опускаються в попередньо пробурену свердловину, існують самозабурювальні пресіометри, призначені для проведення досліджень у слабких і особливо слабких ґрунтах, коли попередня проходка свердловини неможлива чи утруднена.

Лопатеві пресіометри

Принцип діїлопатевих пресіометрів. Жорсткі металеві лопаті-штампи вдавлюються в стінки свердловини чи в масив ґрунту та виміряються відповідні переміщення ґрунту.

За конструктивним виконанням розрізняють такі лопатеві пресіометри:

а) механічні (ричажні);

б) гідравлічні.

Прилади й устаткування:

- наконечник зі штампами-лопатями;

- пристрій для створення і виміру тиску на штампи-лопаті;

- пристрій для виміру переміщень штампів-лопатей (індикатори годинникового типу).

Методика проведення дослідів аналогічна випробуванню ґрунтів радіальними пресіометрами.

Обробка результатів дослідів. Після закінчення польового досліду будується графік залежності S=f(Р), (див. рис. 3.3)

Визначення модуля деформації Е на лінійній ділянці розраховують за формулою

де К_л - коригувальний коефіцієнт;

n - коефіцієнт Пуасона;

b - ширина штампа-лопаті;

ω – коефіцієнт, залежний від форми та розмірів штампа-лопаті;

ΔР - приріст тиску на штамп-лопать;

ΔS - приріст переміщення штампа-лопати.

Можливі схеми застосування лопатевих пресіометрів наведено на рис. 3.4.

Достоїнства методу:

- проведення досліджень нижче РПВ;

- велика швидкість проведення дослідів (у "швидкому режимі");

- проведення досліджень у масиві ґрунту без попередньої проходки свердловини (занурення приладу методом задавлювання, рис. 3.4, в);

- можливість проведення випробувань на декількох горизонтах в одній свердловині;

- можливість дослідження великоуламкових ґрунтів (гідравлічним пресіометром);

- проведення досліджень на глибині до 20 м (механічним пресіометром).

Недоліки методу:

- складність конструкції;

- жорсткі вимоги до умов проведення досліду (тарировки пристроїв, герметичності системи та ін.);

- занижені значення отримуваних деформаційних властивостей ґрунтів;

- обмеження по глибині для гідравлічних пресіометрів (до 15 м).

Установки:

а) механічні - ЛПМ 14...22;

б) гідравлічні - ЛГП-42.

Рис.3.4. Схеми випробувань лопатевим пресіометром

а - у стінках свердловини; б - нижче забою бурової свердловини;

в - в масиві

Дилатометрія

Дилатометр -цеприлад для прямого визначення модуля деформації шляхом вертикального вдавлення тонкої плоскої пластини спеціальної форми з гострим нижнім краєм, що ріже. На поверхні пластини розташована ємкість з мембраною, заповнена повітрям і зв'язана повітряною магістраллю з системою створення, підтримки та виміру тиску (див. рис 3.5)

Рис. 3.5. Плоский дилатометр

У дилатометрах останніх конструкцій повітряна мембрана замінена тензометричними датчиками. Визначення числових значень модуля деформації відбувається безпосередньо в момент вдавлення пластини - шляхом перетворення зусиль тензодатчика в електричні сигнали, які передаються в обчислювальний блок. Розраховані значення Е₀ висвітлюються на спеціальному табло та записуються на паперовій стрічці.

Заняття № 4

ТЕМА: "Визначення властивостей ґрунтів зондуванням"

Основні поняття

Зондування– це експрес-метод польових досліджень властивостей нескельних ґрунтів, що полягає в задавлюванні чи забиванні в них металевого стрижня малого діаметра з спеціальним наконечником-зондом. За величиною опору ґрунту вдавлюванню зонда визначають характеристики грунту:

а) однорідність;

б) щільність;

в) деформаційні властивості;

г) міцносні властивості ґрунту.

За допомогою зондування можна також визначити:

а) зміну розрізу по глибині;

б) розташування слабких лінз і прослоїв;

в) ступінь зміцнення та ущільнення штучних ґрунтів (насипних, намивних);

г) несучу здатність паль.

За способом занурення наконечника зонда розрізняють:

а) статичне зондування (СЗ) - вдавлення зонда механічним чи гідравлічним домкратом;

б) динамічне зондування (ДЗ)- забивання зонда вільно падаючим молотом чи безпружинним вібратором (маса молота та висота його скидання регламентується ДСТУ).

За характером занурення наконечника зонда в ґрунт розрізняють:

а) власне зондування - безперервне занурення зонда з конічним наконечником на проектну глибину;

б) пенетрацію - вдавлювання в ґрунт зонда на невелику глибину (в межах конусної частини).

Зондування ґрунтів виконується в комплексі з іншими видами польових дослідницьких робіт. Точки зондування розташовуються не ближче 1 м і не далі 3 м від розвідницької свердловини.

Статичне зондування

Прилади та устаткування для статичного зондування такі:

• зонд з наконечниками;

• вдавлюючий пристрій (домкрат);

• штанги;

• вимірювальні пристрої (динамометр, манометр, індикатор, тензодатчики з поверхневою апаратурою).

Основні показники зондування:

R = Q + F,

де R.- загальний опір зондуванню, кН (кгс);

Q- опір зануренню конуса, кН (кгс);

F- опір тертя по бічній поверхні, кН (кгс).

Використовуються в розрахунках:

q₃ =Q / S_кон - питомий опір проникненню конуса наконечника, МПа;

де S_кон - площа конуса, см²;

Q- опір зануренню конуса;

f₃ =F / S_муф - питомий опір тертю по бічній поверхні (по муфті тертя), Мпа;

де S_муф - площа поверхні муфти тертя в см².

Так, за значенням q_З можна визначити щільність ґрунту (див. табл.. 4.1).

Таблиця №4.1

Дані для визначення щільності пісків при статичному зондуванні конусом-зондом за значеннями q_З

В залежності від способу вимірювання опору тертя ґрунта застосовуються зонди трьох типів (рис.4.1.).

Конструкція зонда першого типу дозволяє вимірювати опір по всій боковій поверхні та під нижнім кінцем (конусом) зонда.

Зонди другого та третього типу дозволяють вимірювати опір ґрунту під конусом та локальний опір на ділянці бокової поверхні, муфті тертя.

Рис.4.1. Типи наконечників для статичного зондування

1 - конус; 2 - кожух; 3 - штанга; 4 - муфта тертя; 5 - розширювач

Проведення польових досліджень та обробка результатів виконується відповідно до вимог ДСТУ Б В.2.1-9-2002 -"Грунти. методи польових випробувань статичним і динамічним зондуванням". Приклад графіка статичного зондування наведено на рис. 4.2.

Обробка результатів. За результатами досліджень будується графік зміни показників зондування по глибині (рис. 4.2). Графік співставляється з геологічним розрізом найближчої розвідницької свердловини. Потрібні масштаби графіків наведено в ДСТУ. Оцінку властивостей ґрунтів роблять обрахуванням результатів дослідів методами математичної статистики.

За даними статичного зондування визначають:

а) піски за щільностю складу;

б) глини за консистенцією;

в) міцносні властивості пісків;

г) деформаційні властивості (модулі деформації):

- для пісків Е = 3 q₃;

- для суглинків і глин Е =7 q₃.

Достоїнства методу:

- швидкість проведення дослідів;

- комплексність визначення характеристик;

- можливість суміщення дослідів з іншими видами польових робіт.

Недоліки методу:

• складність технічного пристрою;

• наближеність визначень отримуваних показників;

• обмеження по глибині (до 20 м);

• обмеження по ґрунтах (виключаються великоуламкові, просадкові, мерзлі, засолені, набухаючі);

• жорсткі вимоги до якості проведення досліду.

Установки, що використовуються при статичному зондуванні:

а) самохідні (З-832 м, СП-59);

б) буксирні (З-979);

в) начіпні (ВСЗ-15, УСЗ-15);

г) переносні (ПССЗ-2/4).

Динамічне зондування

При динамічному зондуванні використовуються такі прилади та устаткування:

• зонд (роз’ємна штанга з конічним наконечником);

• ударний пристрій (молот чи безпружинний вібратор);

• опорна рама з направляючими стійками;

• вимірювальний пристрій.

Основним показником при цьому методі зондування є умовний динамічний опір ґрунту Р_Д (МПа)

,

де А- питома енергія зондування в Н/см (визначається по таблиці ДСТУ);

К- коефіцієнт, який враховує втрати енергії при ударі молота об ковадло та втрати на пружні деформації штанг (визначається по таблиці ДСТУ);

Ф- коефіцієнт, який враховує втрати енергії на тертя штанг об ґрунт (визначається дослідним шляхом):

n - кількість ударів молота в заставі (в одній серії ударів);

h - глибина занурення зонда за одну заставу, см.

У залежності від величини Р_Д установки поділяються на такі:

Р_Д < 0,7 - легкі;

0,7 < Р_Д ≤ 17,5 - середні (основні);

Р_Д > 17,5 - важкі.

Рис.4.3. Графіки результатів динамічного зондування

Обробка результатівдинамічного зондування. Результати досліду оформляються у вигляді безперервного ступінчастого графіка зміни по глибині динамічного опору грунта Р_Д , або числа ударів n на 10 см занурення конуса (див. рис.4.2). Отримані графіки співставляються з геологічним розрізом найближчої свердловини.

За даними зондування можливо визначити:

а) піски за щільностю складу (табл. 4.2);

б) міцносні властивості пісків;

в) деформаційні властивості (модулі деформації):

- для пісків - з спеціальних таблиць;

- для суглинків і глин Е = 6 Р_Д.

Таблиця №4.2

Дані для визначення щільності пісків при динамічному зондуванні конусом-зондом за значеннями Р_Д

Достоїнствадинамічного зондування:

• простота конструкції;

• швидкість проведення дослідів;

• більш широкий діапазон випробовуваних ґрунтів у порівнянні зі статичним зондуванням;

• можлива більша глибина досліджень, ніж при статичному зондуванні.

Недолікиметоду:

• обмеження по ґрунтах (виключаються насичені водою пилуваті піски та глинисті ґрунти м`якопластичної і текучопластичної консистенції);

• наближені визначеня характеристик;

• значні спотворювання результатів при випробуванні водонасичених дрібних і пилуватих пісків.

При динамічному зондуванні використовуються причепні установки УПБ-15, УПБ-15м та ін.

Заняття № 5

ТЕМА:" Методи польових визначень показників

міцності ґрунтів"

Основні поняття

Визначення показників міцності ґрунтів необхідне для розрахунку основ будівель і споруд за несучою здатністю.

Необхідність у подібних розрахунках виникає в наступних випадках:

а) розрахунок підпірних стінок на стійкість;

б) розрахунок основ будівель і споруд на крутих схилах;

в) розрахунок основ на слабких ґрунтах.

Основним критерієм стійкості ґрунтів основи внаслідок того, що крім нормальної складової навантаження "Р" є ще й дотична її складова "Q" (рис. 5.1),є їх опір зсуву.

Рис.. 5.1. Схема зсуву

Опір зсуву характеризує міцність ґрунтів, тобто їх спроможність чинити опір руйнуванню.

У піщаних і глинистих ґрунтах природа сил опору зсуву різна. У піщаних ґрунтах переважною силою опору зсуву є внутрішнє тертя. У глинистих ґрунтах переважає зчеплення, тобто сила структурних зв'язків між глинистими частками. У змішаних ґрунтах (глинистому піску, піщаних глинах, супісках, суглинках, лесі) присутні обидві складові сили опору зсуву.

Опір ґрунтів зсуву слід визначати як дотичне напруження τ, при якому цілик ґрунту зрізається по фіксованій площині при дії нормального тиску (напруженні) р, що ущільнює. Значення τ та р визначаються за формулами

τ = Q/F, р=Р/F;

де F – площа зсуву.

Залежність між напруженнями τ і р може бути виражена як графічно (рис. 5.2), так і аналітично (у вигляді формул).

Рис. 5.2. Графіки залежностей ”р - t”

а – для піщаних ґрунтів; б - для глинистих ґрунтів

де φ - кут внутрішнього тертя, град.;

с - загальне зчеплення, МПа.

Значення f = tqφ відповідає значенню коефіцієнта внутрішнього тертя.