Физическая природа грунтов
1.1. Природа образования грунтов и виды грунтовых отложений
Верхний слой земной коры (литосфера), мощность которого часто достигает нескольких сотен метров, представляет собой кору выветривания
(рис. 1,1)

Выветривание — это процессы разрушения и изменения горных пород под воздействием различных факторов, например, замерзания воды в порах, колебания температуры и т.д. Основной особенностью выветривания горных пород является постепенное разрушение верхних слоев литосферы, в результате чего минералы и горные породы изменяют свой химико-минералогичес­кий состав, подвергаясь дроблению, рыхлению, переносу водой и воздушными потоками, и, как следствие, ухудшаются их строительные свойства.
В процессе выветривания горные породы подвергаются физическому (механическому), термическому (температурному) и химическому разрушениям.
Физическое выветривание связано с механическими воздействиями на породы, которое возникает вследствие температурного воздействия, давления на породы утолщающихся корней деревьев, роста кустарников и др.
Температурное выветривание обусловливает неравномерное остывание пород, отсюда неравномерное уменьшение их объема и, как следствие, разрушение. Колебания температуры летом и зимой, днем и ночью обусловливают попеременное расширение и сжатие горных пород, что приводит к ослаблению сцепления между минеральными зернами и их растрескиванию. Наибольшие величины разрушения достигаются в районах пустынь, где разница температуры днем и ночью достигает 40—50 °С. В холодных областях и высокогорных районах можно наблюдать морозное выветривание, вызываемое замерзанием воды в трещинах и порах пород. Вода обладает большой разрушительной силой, при замерзании она увеличивается в объеме примерно на 9% и создает давление на стенки пород до 200 МПа. Явление морозного выветривания можно наблюдать в виде крупноглыбовых и щебеночных развалов и россыпей.
Химическое выветривание происходит под воздействием воды, которая содержит кислород и углекислый газ, а также под воздействием воздуха. Химическое воздействие воды с растворенными в ней веществами приводит к изменению состава пород и появлению вторичных минералов.
Химическое выветривание приводит к появлению в составе грунта тонкодисперсных и коллоидных глинистых частиц. Особенно богаты тонкодисперсными и коллоидными частицами верхние почвенные слои грунтовой толщи, где наряду с минеральными частицами в коллоидном состоянии накапливается также органическое вещество почвы — перегной (гумус).
Процессы образования земной коры продолжались в течение многих миллионов лет. В табл. 1.1 приведена геохронология последовательного накопления осадочных пород земли и смена геологических эр и периодов.
В качестве оснований зданий и сооружений, а также строительного материала часто используются четвертичные осадочные грунты, которые подразделяются на генетические типы (табл. 1.2).
Так как свойства грунтов во многом зависят от их происхождения (генезиса), то все горные породы разделяются на три группы (рис. 1.2).
Породы осадочного происхождения занимают всего 5 % объема земной коры, однако по занимаемой площади (75%) они самые распространенные, вследствие чего являются основанием для строительства большинства зданий и сооружений.
Если проследить историю формирования понятия о материалах, составляющих основание сооружений, а также используемых для насыпей, то можно заметить, что отсутствует единое мнение различных специалистов об их названии. Приведем некоторые из названий, взятых из опубликованных в разное время работ ряда авторов.
Таблица 1.1 Геохронологическая таблица (по Н.М. Дорошкевичу, 1972)

Таблица 1.2 Генетические типы грунтов четвертичного возраста

И.М. Герсеванов употребляет термин «упругая почва», «грунтовая масса»; Н.П. Пузыревский — «землистые грунты»; Ф.П. Саваренский — «грунт — любая горная порода как рыхлая, так и твердая, находящаяся в сфере природного или искусственного воздействия на нее».
В работах Н.А. Цытовича— «грунт— все рыхлые породы коры атмосферы»; В.А. Флорина — встречаются понятия «земляная среда», «земляная масса»; В.В. Соколовский и В.Г. Березанцев употребляют термин «сыпучая среда»; М.Н. Гольдштейн — «лессовидные группы»; в то же время В. А. Приклонский называет аналогичные группы «лессовыми породами». Интересно отметить, что Ю.К. Зарецкий в работе, выполненной под редакцией Н.А. Цытовича, относит к грунтам «все горные породы, как скальные, так и дисперсные», что несколько противоречит приведенному определению Н.А. Цытовича.
Кроме того, в работах всех перечисленных авторов широко используется и термин «грунт», хотя вкладываемые в него понятия иногда отличаются друг от друга.
Так, В.А. Флорин поддерживает трактовку о грунте, данную Н.А. Цытовичем, в которой из понятия «грунт» исключается почвенный слой (по В.В. Докучаеву, почва — поверхностно лежащее, минерально-органическое образование). Некоторые из авторов, в частности Е.М. Смирнов, включают в понятие «грунт» и почвенный слой.
Согласно ГОСТ 25100—95 «Грунты. Классификация» понятие «грунт» трактуется следующим образом. Грунт — любая горная порода или почва (а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека), представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые как основание, среда или материал для возведения зданий и инженерных сооружений.
По своему генетическому происхождению и условиям формирования грунты подразделяются на три основных класса: континентальные, ледни­ковые и морские.
На рис. 1.3 приведена схема генетических типов грунтов. Из них наиболее распространены континентальные (материковые), поэтому более подробно остановимся на этих грунтах (рис. 1.4).

Элювий. Название «элювий» происходит от латинского «вымываю». Образование элювиальных отложений связано с действием всех форм выветривания: физического, химического и биологического. В результате этого Материнская порода исчезает, и на ее месте появляется новая (вторичная). Так, например, из гранита формируются глинистые грунты (рис. 1.4; 1,5,а).

Элювий отличается отсутствием слоистости и сортировки материала. Накапливается он на горизонтальных и близких к ним поверхностях, имеет различный состав: от глыб до глин.
Делювий. Делювиальные отложения (от латинского «смываю») образуются в результате смыва, переноса и осаждения частиц первичных пород
дождевыми водами и периодически действующими водными потоками под воздействием силы тяжести (рис. 1.5,б).
Основные строительные свойства делювия зависят от условий его образования. Состав и структура грунта формируются из смываемых пород; в делювии имеется косая слоистость прослоев; частицы отсортированы по крупности в зависимости от интенсивности смыва; в сухом климате делювиальные осадки недоуплотнены, имеют высокую пористость и склонны к появлению просадки при загружении и дополнительном увлажнении.
Как естественные основания делювиальные грунты можно использовать после проведения тщательных инженерно-геологических исследований.
В делювиальных косослойных отложениях, расположенных у подошвы крутых склонов и состоящих из глинистых грунтов, могут развиваться оползневые явления. Для таких территорий необходимо разрабатывать противооползневые мероприятия, которые рассматриваются ниже.
Алювий. Представляет собой наносы, образующиеся в пределах речной долины в результате геологической деятельности текущих вод; разрушения первичных пород, переноса и отложения грунтовых частиц и формирования вторичного осадка.
Они состоят из окатанного и сортированного рыхлого обломочного материала — галечника, гравия, песка, суглинка, глины. Эти отложения сильно различаются в зависимости от характера водотоков, размываемых горных пород, геоморфологических условий водосброса. В обнажениях аллювия всегда видна его косая слоистость, созданная струями разной скорости и изменением их направления. Аллювий слагает поймы и надпойменные речные террасы, равнины, долины. Долина равнинной реки включает русло, пойму, старицы, террасы и коренные склоны.
Формируемые речные осадки (рис. 1.6) обладают специфическими свойствами.
Русловой аллювий (нанос) образуется в зонах понижения скоростей потока, особенно после спада паводковых вод и сильных ливней, когда в русло попадает много взвешенных частиц разной крупности. В русле появляются перекаты, мели, косы и заливы. Обломочный материал сортируется по крупности и отлагается в виде слоев гравия и песка разной крупности. На мелях и в заливах отлагаются мелкодисперсные прослои супеси и суглинка, речного ила. Аллювиальные песчаные и гравийные отложения достаточно уплотнены и являются хорошим основанием сооружений. Они с успехом используются как заполнитель для бетонов и растворов, в подготовках под фундаменты и полы, для оснований дорог.
Пойменный аллювий формируется на заливных поймах в паводок из мелких взвешенных частиц, которые менее отсортированы (рис. 1.7).

—основание — для зданий и сооружений;
—материал — для плотин, дамб, насыпей и дорог;
—среда — для тоннелей, каналов, лотков, трубопроводов и других подземных сооружений.
1.2. Строительная классификация грунтов
В соответствии с государственным стандартом (ГОСТ 25100—95) в целях правильного использования свойств и особенностей различных грунтов и унификации их определений при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве зданий и сооружений грунты классифицируются с учетом их наиболее важных признаков.
Грунты разделяют на два класса: с жесткими связями и без жестких связей между твердыми частицами. Однако правильнее их называть грунтами с прочными связями и грунтами без прочных связей. Под прочными следует понимать связи, прочность которых близка, равна или больше прочности самих частиц.
К грунтам с прочными связями относят магматические, метаморфические породы и часть осадочных пород. В строительной практике их называют скальными грунтами.
К скальным грунтам относятся магматические (граниты, базальты, туфы и др.), метаморфические (гипсы, мраморы и др.) и осадочные сцементированные (песчаники, алевролиты), в виде сплошного или трещиноватого массива.
Скальные грунты подразделяются на разновидности в зависимости от предела прочности, степени размягчаемости, степени засоленности и Степени растворимости (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Разновидности скальных грунтов

Разновидность грунта	Показатель
По пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии К„, МПа
Очень прочные Прочные Средней прочности Малопрочные Пониженной прочности     -"1 .   ,   д . . Низкой прочности                г"   § § 3 '-.   I              н      XЯ' Весьма низкой прочности  _)         °	Дс>120 ПО>ЯС>50 50>КС>15 15>Ке>15 5ИКС>1 3>КС>\ Кс<1
По степени рязмягчаемости в воде, характеризуемой коэффициентом размягчаемости Лет, (отношение пределов прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном и воздушно-сухом состоянии):
Неразмягчаемые Размягчаемые	^0,>0,75 Лга, <0,75
По степени засоленности полускальные л	эунты:
Незасоленные Засоленные	Содержание легко- и среднерастворимых солей менее 2 % по массе абсолютно сухого грунта Тоже, более 2%
По степени растворимости, г/л, в воде осадочные сцементированные грунты:
Нерастворимые Труднорастворимые Среднерастворимые Легкорастворимые	Растворимость менее 0,01 0,01-1 1-10 Более 10                                :

Скальные грунты, подверженные процессам природного выветривания, становятся трещиноватыми и разрушаются, что ухудшает их свойства. Фильтрация воды в растворимых породах приводит, к образованию карстовых полостей.
Осадочные породы без прочных связей называют нескальными грунтами (табл. 1.4).
В каждом из классов выделяются:
—группы и подгруппы грунтов — по условию их происхождения (генезиса);
— типы — по петрографическому, минеральному и гранулометрическому составу, степени неоднородности и числу пластичности;
— виды — по структуре, плотности и другим признакам;
— разновидности — по физико-механическим, физическим и химическим свойствам и состоянию.
Таблица 1.4
Схема классификации грунтов осадочного происхождения

Класс (по типу внутренних связей)	Группы	Генетический тип	Вид	Основные определяющие признаки
Грунты связные с эластичными, обратимыми, преимущественно водно-коллоидными связями	I. Глинистые и пылеватые	Элювиальные, делюви­альные, пролювиаль-ные, водно-ледниковые, эоловые и др.	Глины, суглинки, супе­си	Пластичность и некоторые водно-физические свойст­ва (размокание, набуха­ние, липкость и др.).
Грунты несвязные. Связи между частицами отсутствуют; существует лишь сила трения и зацепления между отдельными	П. Обломочные несцементиро­ванные (раздель­но-зернистые)	Элювиальные, аллюви­альные, морские, вод­но-ледниковые, ледниковые, озерно-	Валуны; галька, ще­бень, гравий, дресва, гравелистые, крупные, средние, мелкие, тон-	Форма и характер поверх^ ности частиц. Коэффици­ент фильтрации, грануло­метрический состав
зернами		ледниковые, озерные,	кие и пылеватые пески
		эоловые и др.
Грунты скальные и полускальные с жесткими цементацион	Ш. Осадочные сцементирован-	Сингенетические, эпи­генетические, диагене-	Конгломераты, песча­ники, алевролиты,  .	Структура, тип цемента. Прочность
ными связями различной кре-	ные	тические	аргиллиты
пости и водостойкости пре-
имущественна вторичного    ;-.
происхождения Грунты скальные и полускаль-ные с жесткими кристаллиза-	IV. Осадочные биогенные и ,	Сингенетические	Известняки, доломиты, мергели, мел, кремни-	Структура, текстура, тип цемента, минеральный
ционными связями различной	хемогенные		стые породы	состав, растворимость      .
крепости ''", Грунты от текучепластичных до твердых. Связи врднокол-	V. Особого со­става, состояния,	Органогенные	Торф, заторфованные грунты и илы	Пористость, влажность, количество органических
лоидные; кристаллизационные	свойств			веществ            -    . " '




Класс скальных грунтов подразделяется на группы магматических, метаморфических, осадочных сцементированных и искусственных сцементированных (укрепленных) грунтов.
Так как нескальные грунты используются в строительстве более часто и в значительных объемах, то они рассматриваются подробнее.
Класс нескальных грунтов подразделяется на две группы: осадочных несцементированных и искусственных несцементированных грунтов.
Первая группа подразделяется на подгруппы:
— крупнообломочных;
— обломочных, песчаных;
— обломочных, пылеватых и глинистых, в том числе лессовых и илистых грунтов;
— биогенные отложения, включающие сапропели, заторфованные песчаные или глинистые грунты и торфы, содержащие не полностью
разложившиеся отмершие болотные растения;
— почвы различного генезиса и гранулометрического состава.
Во второй группе рассматриваемого класса выделяют три подгруппы искусственных грунтов:
— уплотненные в природном залегании;
— насыпные;
—намывные.
Грунты каждой из этих подгрупп могут характеризоваться различным гранулометрическим и химическим составом и часто являются материалами, укрепляемыми различными вяжущими веществами и используемыми для устройства различных сооружений.
Поскольку строительные свойства грунтов в значительной степени предопределяются размерами и минералогическим составом слагающих их твердых частиц, последние принято классифицировать по размерам частиц (табл. 1.5).
Группа частиц определенного диапазона размеров называется фракцией. Весовое содержание фракций, имеющихся в грунте, называется гранулометрическим, или зерновым, составом.
По крупности частицы делятся на крупнообломочные, песчаные и глинистые (см. табл. 1.5).
В природных условиях грунты однородные по составу и строительным свойствам встречаются редко, чаще грунты представляют собой смесь из песчаных, пылеватых и глинистых частиц. Наибольшее влияние на свойства грунтов оказывают глинистые частицы, поэтому грунты следует классифицировать в зависимости от их количества (табл. 1.6).
Таблица 1.5 Классификация минеральных частиц по крупности

Наименование фракций	Размеры грунтовых частиц, мм
Крупнообломочные: Валуны (окатанные) и глыбы (угловатые) Галька (окатанная) и щебень (угловатый) Гравий (окатанный) и дресва (угловатая)	>200 200-10 10-2
Песчаные: крупные средней крупности мелкие пылеватые	2-0,5 0,5-25 0,25-0,05 0,05-0,005
Глинистые	<0,005

Таблица 1.6 Классификация грунтов по количеству глинистых частиц

Наименование грунтов	Содержание глинистых	частиц, %
Глина Суглинок Супесь Песок	>30 30-10 10-3 <3




1.3. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов
Физико-механические свойства грунтов одного и того же пласта непостоянны в силу неоднородности грунтов, поэтому определение характеристик по результатам испытаний одного образца дают лишь частные значения искомой величины. Для получения наиболее достоверных значений физи­комеханических характеристик грунтов используют статистическую обработку результатов лабораторных или полевых испытаний.
Поскольку грунты не однородны и анизотропны и частные значения могут существенно отличаться друг от друга, объем грунта со сходным составом, состоянием, а также структурными и текстурными особенностями удобно характеризовать некоторым обобщенным показателем. В общем случае наиболее достоверное значение этого показателя было бы получено при изучении бесконечно большого числа частных показателей, отличающихся друг от друга.
Количество определений характеристик грунтов, необходимое для вычисления их нормативных и расчетных значений, устанавливается в зависимости от степени неоднородности грунтов, требуемой точности вычисления характеристики и класса здания или сооружения. Количество одноименных частных определений n для каждого инженерно-геологического элемента должно быть n ? 6. За нормативные значения характеристики принимают среднее арифметическое значение X результатов частных определений.
Одной из основных задач при статистической обработке результатов определения характеристик является расчленение геологического разреза на отдельные элементы (в простейшем случае — слои). За инженерно-геологический элемент (ИГЭ) по ГОСТу 20522-96 принимается некоторый объем грунта одного и того же номенклатурного вида при условии, что характеристики грунта изменяются в пределах элемента незакономерно, либо существующая закономерность в изменении характеристик при данной доверительной вероятности незначима и ею, при соответствующем обосновании, можно пренебречь. В ряде случаев отдельные слои грунта одного номенклатурного вида, но разного происхождения, могут быть объединены в один.
Таким образом, основной грунтовой единицей для статистической обработки является ИГЭ, а расчетный грунтовый элемент (РГЭ) может включать часть или несколько ИГЭ.
Предварительное расчленение грунтов на отдельные элементы производится с учетом их возраста, происхождения, текстурно-структурных особенностей и номенклатурного вида. Далее производится анализ с целью выделения значений характеристик, резко отличающихся от большинства значений статистического ряда. Предполагается, что анализируемые характеристики получены единым методом. Главнейшие характеристики грунтов, подлежащие анализу, следующие:
• для крупнообломочных грунтов — зерновой состав; если они имеют глинистый заполнитель, то дополнительно определяют общую влажность
и влажность заполнителя;
•для песчаных грунтов— зерновой состав, коэффициент пористости и степень влажности;
• для глинистых грунтов — характеристики пластичности, влажность и коэффициент пористости.
Статистическую обработку опытных данных начинают с исключения минимального и максимального значения Хi, что позволяет избежать грубых ошибок при определении характеристик грунтов. При исключении значений Xi, должно выполняться следующее условие:
(1,1)
где X — среднее арифметическое (нормативное) значение искомого показателя, определяется по формуле
(1.2)
где X" — нормативное значение характеристики грунта;
v — статистический критерий (квантиль) распределения максимального относительного отклонения, зависящий от числа определений и принимается по табл. 1.7;
Sdis — смещенная оценка среднего квадратического отклонения:
(1.3)
При статистической обработке опытных данных пользуются значениями среднего квадратического отклонения S и коэффициента вариации V, которые характеризуют изменчивость исконных показателей грунта.
Таблица 1.7 Значения статистического критерия

Число определений	V	Число определений	V	Число определений	V
6 7 8 9 10 11 12	2,07 2,18 2,27 2,35 2,41 2,47 2,52	13 14 15 16 17 18 19	2,56 2,60 2,64 2,67 2,70 2,73 2,75	20 25 30 35 40 45 50	2,78 2,88 2,96 3,02 3,07 3,12 3,16

Среднее квадратическое отклонение определяется по формуле
(1-4)
Коэффициент вариации определяется по формуле
(1-5)
либо определяется по табл. 1.8
Таблица 1.8
Значения коэффициента вариации и показателя точности оценки характеристики


Характеристика грунта	Коэффициент вариации V	Показатель точности оценки характеристики
Удельный вес	0,01	0,004
Плотность	0,05	0,015
Природная влажность	6,15	0,05
Влажность на границе текучести	0,15	0,05
и раскатьтания
Модуль деформации	0,30	0,10
Сопротивление срезу в лабораторных
условиях при одном значении уплотняющего
давления	0,20	0,10
Временное сопротивление при одноосном
сжатии скальных грунтов	0,40	0,15




Оценка среднего значения Х (в абсолютных единицах), или относительная ошибка:                                                                                      
(1.6)
Точно определить искомую величину при статистической обработке данных нельзя, поэтому нужно знать хотя бы величину его максимального отклонения от истинного значения, ее вероятную достоверность. Последняя оценивается доверительной вероятностью ?и означает, что результат измерений не выходит за пределы доверительного интервала.
Определяется доверительный интервал, характеризующий область вокруг среднего значения, в пределах которой с заданной вероятностью находится «истинное» среднее значение:                
(1.7)
где t? — коэффициент, принимаемый по табл. 1.9 в зависимости от заданной вероятности (надежности) ?и числа определений;
Х — показатель точности оценки среднего значения характеристики для ХХХ                                                        .
Величина доверительного интервала в расчетах оснований зависит от степени влажности и возможности наступления ожидаемого события. При расчетах устойчивости грунтов принимают ? = 0,95, а при расчетах деформации ? = 0,85. Такое различие объясняется тем, что потеря устойчивости грунта опаснее осадки. Принятые доверительные вероятности означают, что в первом случае только 5%, а во втором — 15% значений частных определений будет больше или меньше принятого значения искомой характеристики.
По найденным значениям показателя точности определяется коэффициент надежности по грунту:
(1.8)
Таблица 1.9
Значения коэффициента t? при односторонней доверительной вероятност


Число определении п-1	(а, при «равном
	0,85	0,90	0,95	0,98	0,99
2	1,34	1,89	2;92	4,87	6,96
3	1,25	1,64	'. 2,35	'3,45      .	4,54
4	1,19	1,53	2,13	•      3,02	3,75
.5	1,16	1,48 -	2,01	2,74    .	3,36
6	'1,13'	1,44	•1,94	2,63	3,14
7	1,12	1,41	1,90	2,54	3,00
8	1,11	1,40	1,86	2,49	. 2,90
9	1,10	1,38	1,83	2,44	2,82
10	1,10	'      1,37	1,81	2,40	2,76
11	1,09	1,36	1,80	2,36	2,72
12	1,08	1,36	1,78	.2,33	2,68
13	1,08	1,35	1,77	2,30	2,65
14	1,08	1,34	1,76	2,28	2,62
15	1,07	1,34	•    1,75	2,27	2,60
20	1,06	1,32	1,72	2,22	2,53
25	1,06	1,32	.     1,71	2,19	2,49
30	1,05	1,31	1,70	2,17	2,46
40	1,05	1,30	1,68	2,14	2,42
60	1,05	1,30	1,67	2.12	2,39




Знак в знаменателе формулы (1.8) перед показателем точности принимается тот, который в расчетной схеме устойчивости или деформации обеспечивает большую надежность основания или сооружения в целом. Например, в расчетах на устойчивость сооружения Х следует принимать со знаком «+», а для части грунта, оказывающей давление, — со знаком «-».
Расчетные значения характеристики вычисляют по формуле
(1.9)
или
(1.10)
Изложенная методика статистической обработки опытных данных принимается для определения физических характеристик и модуля деформации грунтов.
Для прочностных характеристик грунтов — угла внутреннего трения Х и удельного сцепления с — методика статистической обработки имеет свою особенность, заключающуюся в том, что нормативные значения tg Х и Х определяются как параметры линейной зависимости сопротивления срезу от давления и вычисляются методом наименьших квадратов для всей совокупности опытных величин Х при общем числе определений n.
Вычисления нормативного значения определяемых характеристик и среднего квадратичного отклонения производится по формуле:
для коэффициента трения:
(1.11)
(1.12)
для удельного сцепления:
(1.13)
(1.14)
Среднее квадратическое отклонение величин сопротивления грунта срезу, входящее в формулы (1.12) и (1.14), находится из выражения
(1.15)
В формулах (1.11)—(1.15) приняты следующие обозначения:
Х— вертикальное давление, при котором проводилось i-е испытание;
Х— сопротивление срезу в i-м испытании;
n — число определенных значений Х.
Коэффициенты вариации Х и с вычисляются по формуле (1.5), а показатели точности по выражениям:
(1.16)
Расчетные значения характеристик грунта Х, Х, Х, с обозначают Х, Х, Х, Х для расчетов по несущей способности, а для расчетов по деформациям — Х, Х, Х, Х.
Пример 1.1. Определить расчетную плотность утрамбованного песка средней крупности в лотке размерами 4,0x4,0 м. Для оценки плотности производится отбор проб грунта, предварительно разбив всю площадь лотка на квадраты с размерами сторон 0,3 ширины штампа (фундамента) и отбираются пробы в точках, показанных на рис. 1.8.


Рис. 1.8. Схема отбора проб для оценки однородности основания




Решение. Для оценки утрамбованного грунта сделано 14 определений плотности песка (см. рис. 1.8). С целью исключения ошибки в совокупности опытных данных проводится статистическая проверка по формуле (1.1), которая для данной характеристики грунта записывается в следующем виде:
Данные расчетов приведены в табл. 1.10.
Таблица 1.10
Результаты определения характеристик грунта

№ опыта	р,- , г/см3	(/о -д.), г/см3	(р-р,.)2,г/см3
1	1,68	0,01	0,0001
2	1,69	0,00	0,0000
3	1,73	-0,04	0,0016
4	1,69	0,00	0,0000
5	1,68	0,01	0,0001
6	1,66	0,03	0,0009
7	1,70	-0,01	0,0001
8	1,66	0,01	0,0001
9	1,67	0,02	0,0004
10	1,70	-0,01	0,0001
11	1,72	-0,03	0,0009
12	1,69	0,00	0,0000
13	1,68	0,01	0,0001
14	1,71	-0,02	0,0004
•^р. =23,68                      Х(Р-Р/)2 =0,0048


Далее вычисляем среднее арифметическое нормативное значение характеристики по формуле
(1.2):
Производим смещенную оценку среднего квадратического отклонения плотности песка по формуле
(1.3):
По табл. 1.7 для n = 14 находим V = 2,60, тогда V • Sdis = 0,048. Наибольшее абсолютное отклонение Х, от среднего значения Х (опыт № 3, см. табл. 1.10) составляет 0,04, что меньше 0,048. Таким образом, ни одно из опытных значений не следует исключать как грубую ошибку.
Определяем среднее квадратическое отклонение по формуле
(1.4):
Определяем коэффициент вариации по формуле
(1.5)
Поскольку плотность грунта используется для расчета основания по несущей способности и по деформациям, то определяем для доверительной вероятности равной ?= 0,95 и? = 0,85.
Для ?= 0,95 и n - 1 = 13 по табл. 1.9 находим t? = 1,77.
Тогда по формуле
(1.7)
Коэффициент надежности по грунту
(1.8)
c ледовательно, по формуле (1.9) получаем
Для ? = 0,85, n - 1 = 13 по табл. 1.9 получаем t? = 1,08.
Тогда
Плотность песка средней крупности при расчетах оснований по деформациям
Пример 1.2. Для инженерно-геологического элемента, сложенного покровными суглинками, было выполнено 15 лабораторных определений природной влажности (табл. 1.11). Вычислить нормативные и расчетные значения влажности.
Таблица 1.11
Результаты определений характеристик грунтов


№ опыта	о);, дол. ед.	(со- о/), дол. ед. ч	(со- а),-)2, дол. ед.
1	0,19	-0,01	0,0001
2	0,16	0,02	0,0004
3	0,20	-0,02	0,0004
4	0,21	-0,03	0,0009
5	0,18	0,00	0,0000
6	0,19	-0,01	0,0001
1	0,17	0,01	0,0001
8	0,16	0,02	0,0004
9	0,19	-0,01	0,0001
10	0,15	0,03	0,0009
11	0,22	-0,04	0,0016
12	0,19	-0,01	0,0001
13	0,18	0,00	0,0000
14	0,14	0,04	0,0016
15	0,21	-0,03	0,0009




Решение. Определяем среднее арифметическое нормативное значение влажности по формуле
(1.3):
Проводим смещенную оценку среднего квадратического отклонения природной влажности суглинка по формуле
(1.3):
По табл. 1.7 для n = 1,5 находим V = 2,64, тогда V • Sdis = 0,06. Как видно из табл. 1.11, наибольшее абсолютное отклонение влажности 0,04 меньше 0,06. Следовательно, ни одно из значений не следует исключать, как грубую ошибку.
Согласно п. 2.69 пособия к СНиП 2.02.01—83 для влажности коэффициент надежности по грунту Х принимается равным 1, тогда
Пример 1.3. Для инженерно-геологического элемента, сложенного четвертичными покровными глинами, было выполнено 24 лабораторных определения сопротивления грунта сдвигу Х при трех значениях нормального давления Х = 0,1; 0,2 и 0,3 МПа. Полученные при этом значения сведены в табл. 1.12. Необходимо вычислить нормативные и расчетные значения удельного сцепления с и угла внутреннего трения Х.
Решение. Определяем среднее арифметическое (нормативное) значение сопротивления грунта срезу по формуле (1.2):
при
при
при
Производим смещенную оценку среднего квадратического отклонения сопротивления грунта срезу по формуле
(1.3):
при
при
при
По табл. 1.7 для n = 8 находим V = 2,27, тогда V • Sdis = 0,027 при Х = 0,1 МПа; 0,023 — при Х = 0,2 МПа и 0,018 — при Х = 0,3 МПа. Таким образом, проверка показывает, что грубых ошибок в определениях Х, при нормальных давлениях, соответствующих Х = 0,1; 0,2 и 0,3 МПа, не допущено.
Для удобства расчеты нормативных и расчетных значений с и Х сведены в табл. 1.13.
Таблица 1.12
К примеру 1.3

№ опыта	сг= 0,1 МПа			ст = 0,2 МПа			а = 0,3 МПа
	г,- , МПа	г -г,	(г -г,)2 -Ю-4	Г; , МПа	т -т,	(г -г,.)2 -Ю-4	г,, МПа	Г  -Т;	(г -г,.)2 -Ю-4
'. 1	0,078	0,013	1,69	0,135	0,004	0,16	0,165	0,010	1,00
2	0,072	0,019	3,61	0,120	0,019	3,61	0,167	0,008	0,64
3	0,084	0,007	0,49	0,130	0,009	0,81	0,178	0,003	0,09
4	0,093	-0,002	0,04	0,142	0,003	0,09	0,169	0,006	0,36
5	0,087	0,004	0,16	0,138	0,001	0,01	0,183	0,008	0,64
6	0,105	-0,014	1,96	0,145	0,006	0,36	0,174	0,001	0,01
7	0,110	-0,019	3,61	0,152	0,013	1,69	0,188	0,013	1,69
8	0,098	-0,007	0,49	0,149	0,010	1,00	0,179	0,004	0,16
2> 0,727			12.05Х10-4	1,111		7,73-Ю"1	1,403		4,59- Ю-4

Таблица 1.13
К примеру 1.3


№ опыта	г(, МПа	0>. МПа	а]	ад-Ю'2	г = <т(%р„+С„, МПа	(т-т,)\0-\ МПа	(г-г,.)21(Г3, МПа
1	0,078	0,1	0,01	0,78	0,08944	11,44	0,1308
2	0,072	ОД	0,01	0,72	0,08944	17,44	0,3042
3	0,084	0,1	0,01	0,84	0,08944	5,44	0,0300
4	0,093	0,1	0,01	0.93	0,08944	-3,56	0,0127
5	0,087	0,1	0,01	0,87	0,08944	2,44	0,0060
6 .	0,105	0,1	0,01	1,05	0,08944	-15,56	0,2421
7	0,110	0,1	0,01	1,10	. 0,08944	-20,56	0,4227
8	0,098	0,1	0,01	0,98	0,08944	-8,56	0,0733
9	0,135	0,2	0,04	2,70	0,13504	0,04	0,0000
10	0,120	0,2	0,04	2,40	0,13504	15,04	0,2262
11	0,130	0,2	0,04	2,60	0,13504	5,04	0,0254
12	0,142	0,2	0,04	2,84	0,13504	-6,96	0,0484
13	0,138	0,2	0,04	2,76	0,13504	-2,96	0,0088
14	0,145	0,2	0,04	2,90	0,13504	-9,96	. 0,0992
15	0,152	0,2	0,04	3,04	0,13504	-16,96	0,2876
16	0,149	0,2	0,04	2,98	0,13504	-13,96	0,1949
17	0,165	0,3	0,09	4,95	0,18064	15,64	0,2446
18	0,167	0,3	0,09	5,01	0,18064	13,64	0,1860
19	0,178	0,3	0,09	5,34	0,18064	2,64	• 0,0070
20	-0,169	0,3	0,09	5,07	0,18064	11,64	0,1355
21	0,183	0,3	0,09	5,49	0,18064	-2,36	0,0056
22	0,174	0,3	0,09	5,22	0,18064	6,64	0,0441
23	0,188	0,3	0,09	5,64	0,18064	-7,36	0,0542
24	0,179	0,3	0,09	5,37	0,18064	1,64	0,0027
27	3,241	4,8	1,12	71,58-10~2	—	—	2,792-Ю"3




Определяем нормативное значение угла внутреннего трения по формуле
(1.11):
Также определяем нормативное значение удельного сцепления по формуле
(1.13):
Уравнение прямой графика Х = Х(Х) будет иметь вид
Проверим уравнение подстановкой средних значений Х  и Х , которые определяются по формулам
Сходимость результатов свидетельствует о правильности вычислений ХХХХ.
Заполнив табл. 1.13, определяем среднее квадратичное отклонение по формуле
(1.15):
затем по формулам (1.12) и (1.14) вычисляем среднее квадратичное отклонение угла внутреннего трения и удельного сцепления:
Определяем коэффициент вариации:
Находим расчетные значения (Х и с для расчетов по второму предельному состоянию. Для ?= 0,85 и числа степеней n - 2 = 22 по табл. 1.9 находим, что t? = 1,06. Тогда по формуле (1.16) определяем
Определяем коэффициент надежности по грунту по формуле
(1.8):
Тогда
Находим расчетные значения Х и с для расчета по первому предельному состоянию:
для ххххххххх
Тогда получим
В настоящее время составлены таблицы нормативных значений удельного сцепления с, угла внутреннего трения Х и модуля общей деформации для песчаных и глинистых грунтов (табл. 1.14—1.16).
Табличные нормативные значения прочностных и деформационных характеристик применяют для предварительных расчетов основания, а также для окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов.
Расчетные значения характеристик определяют в этом случае при следующих значениях коэффициента надежности по грунту: в расчетах оснований по деформациям Х = 1,0; в расчетах оснований по несущей способности — для удельного сцепления — Х =1,5; для угла внутреннего трения песчаных грунтов — ХХ = 1,1; то же — для глинистых — ХХ = 1,15.
При пользовании табл. 1.14—1.16 необходимо иметь в виду, что:
— для определения значений Х,Х и Е используются нормативные значения коэффициента пористости, показателя текучести и степени влажности (соответственно е,Jl, и Sr);
— для грунтов с промежуточными значениями Х, Х, Х и Е определяют интерполяцией;
— если грунты имеют значения е, Jl и Sr меньше нижних пределов, то в запас прочности допускается принимать Х, Х, и Е, соответствующие нижним пределам;
— если значения е,Jl и Sr выходят за пределы, предусмотренные табл. 1.14—1.16, то характеристики Х, Х и Е следует определять по результатам непосредственных испытаний этих грунтов.
Таблица 1.14
Нормативные значения удельного сцепления сХ, кПа, угла внутреннего трения Х, град. и модуля деформации Е, МПа песчаных грунтов четвертичных отложений

 

Песчаные грунты	Обозначения характеристик грунта	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости
		0,45	0,55	0,65	0,75
Гравелистые и крупные	^ <Рп Е„	2 43 50	1 40 40	38 30	-
Средней крупности	^ 9>„ Е„	3 40 50	2 38 40	1 36 30	-
Мелкие	с„ (р,, Е„	6 38 48	4 36 38	2 32 28	28-18
Пылеватые	с„ <?п Е„	8 36 39	6 34 28	4 30 18	2. 26 П


Таблица 1.15
Нормативные значения удельного сцепления сХ, кПа, угла внутреннего трения ХХ, град., глинистых нелессовых грунтов четвертичных отложений

 

Наименование грунтов и пределы нормативных зна­чений их текучести		Обозначение характеристи­ки грунтов	Характеристики грунтов при коэффициенте пористости, ра.вном
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
Супеси	0<Л<0,25	С, <р„	21 30	17 19	15 27	13 24	~	~	~
	0,25 <Л-< 0,75	С„ <Рп	19 28	1.5 26	13 24	11 21	9 18
Суглинки	0<Л<0,25	с„ <Рп	47 26	37 25	31 24	25 23	22 22	19 20
	0,25 <Л< 0,50	с„ <Рп	39 24	34 23	28 22	23 21	18 19	15 17	--------
	0,50 <Л< 0,75	с„ <р„	--------	Т"	25 19	20 18	16 16	14 14	12 12
Глины	0<Л^О,25	с„ ч>„	--------	81 21	68 20	54 19	47 18	41 16	36 14
	0,25 <Л^ 0,50	С, ч>„	--------		57 18	50 17	43 16	37 14	32 11
	0,50 <Ул< 0,75	с„ <р«			45 15	41 14	36 12	33 10	29 7


Таблица 1.16
Наименование значения модуля деформации глинистых нелессовых грунтов

 

 

 

 

Происхождение и возраст грунтов		Наименование грунтов и пределы нормативных значений их показателей текучести	Модуль деформации Е, МПа при коэффициенте пористости е, равном
			0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05
ЧЕТВЕРТИЧНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ	Аллювиальные, делювиальные Озерные иозерно-аллювиальные	Супеси 0<Л20,75	32	24	16	10	7   -;•-	_	_
		Суглинки 0<Л<0,25 0,25 <Л< 0,50 0,50 <Л< 0,75	34 32	27 25	22 . 19 17	17 14 12	.14 11 8	11 8-6	5.
		Глины 0<Л<0,25 0,25 <Л< 0,50 0,50 <Л2 0,75	—	28	24 21	21 18 15	18 15 12	15 12 9	12 9 7
	Флювиогляци-альные	.     Супеси 0<Л<0,75	33	24	п  ;	11	7	•__	;-._:•'
		Суглинки 0<Л<0,25 0,25 < ^ < 0,50 _0,50<Л^О,75	40 35        ;	33 28	: 27 22 :  П	21 17 В	14 10	7	—




1.3.1. Лабораторные методы определения характеристик грунтов
Для обеспечения прочности, устойчивости и долговечности зданий и сооружений проводят инженерные изыскания, которые состоят из экономических и технических изысканий. Экономические изыскания проводят для определения целесообразности строительства объекта в данном географическом пункте (районе). Технические изыскания заключаются в изучении природных условий района для наиболее рационального размещения зданий и сооружений с учетом инженерно-геологических условий. Инженерно-геологические изыскания в большинстве случаев выполняются в два этапа: на стадии проектного задания (на площадке в целом) и на стадии рабочих чертежей (под пятном будущего сооружения).
В комплекс инженерно-изыскательских работ входят: топографо-геодезические, инженерно-геологические, почвенные, гидрологические, климатические изыскания, а также исследования грунтов, выполняемые в лаборатории и на строительной площадке.
Виды инженерно-геологических изысканий приведены в табл. 1.17.
Практика показывает, что даже в благоприятных инженерно-геологических условиях на изучение свойств грунтов затрачивается 44% всего срока изысканий, причем на полевые работы — свыше 50% этого срока (Миронов В.А., 1988).
Ввиду сложности инженерно-геологических условий могут иметь место различные сочетания и комбинации применяемых видов работ в зависимости от степени изученности строительной площадки, напластования грунтов, температурного и водного режима. Инженерно-геологические изыскания проводятся в два этапа. В качестве примера на рис. 1.9 приведена общая схема инженерно-геологических изысканий.
Физические характеристики грунтов определяются, как правило, преимущественно лабораторными методами. Полевые методы (зондирование, радиоактивный каротаж и др.) применяются только в тех случаях, когда отбор образцов необходимого качества затруднителен или практически невозможен.
Таблица 1.17


Вид и цель изысканий	Состав основных работ	Размещение задач проектирования
1	2	3
Сбор, обобщение имеющихся материалов и природных условий района строительства. Разработка рабочей гипотезы об инженерно-геологических условиях. Определение их сложности, обоснование направленности изысканий, необходимого состава работ, опти­мальных объемов и рациональ­ных методов их производства. Инженерно-геологическая рекогносцировка.	Анализ и обобщение материалов изысканий про­шлых лет и опыта строительства в определенном районе	Сравнение и оценка вариантов возможного размещения площадки в определенном районе. Составление схем генерального плана строительства
Оценка качества и уточнения собранных материалов, проводимых на начальных этапах изысканий. Сравнительная оценка инженерно-геологических условий по намеченным вариантам. Получение данных, необходимых для предварительной оценки возможного естественного развития и физико-геологических процессов и изменений геологической среды под воздействием строительства и эксплуатации предприятий, зданий и сооружений.	Маршрутные наблюдения, при необходимости-проходка отдельных горных выработок, зондирование, геофизические работы, опробование грунтов и подземных вод с выборочным определением классификационных показателей свойств грунтов, типизацией их по литологическим видам и оценкой прочностных и деформационных свойств с использованием таблиц, уравнений корреляционных зависимостей и аналогов. Выявление ориентировочных контуров площади распространения и развития неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, наличие деформированных зданий и сооружений	Обоснование возможности строительства в определенных природных условиях; технико-экономические сравнения вариантов и принятие основных проектных решений. Определение стоимости строительства

















 




'Инженерно-геологическая съемка. Комплексное изучение инженерно-геологических условий для общей оценки предназначенной для строительства территории. Границы проведения инженерно-геологической съемки в различных масштабах устанавливают из необходимости выявления и изучения компонентов природной среды, определяющих условия строительства объекта и намечаемых объемно-планировочных решений зданий и сооружений	Дешифрование аэрофотоматериалов и аэровизуальные наблюдения; проходка горных выработок (скважин, шурфов и др.); полевые исследования свойств грунтов, включая статическое и динамическое зондирование; лабораторные исследования состава и свойств грунтов и химического состава подземных вод; опытно-фильтрационные работы; стационарные наблюдения; специальные виды инженерно-геологических исследо­ваний (ИГИ) в районах распространения специфических по составу и состоянию грунтов и развитию неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, включая при необходимости обследования оснований деформированных зданий и сооружений; камеральная обработка	Компоновка зданий и сооружений проектируемого строительства; выбор типов и предварительные расчеты оснований и фундаментов. Предварительный прогноз оценки степени и характера изменения в состоянии и свойствах грунтовых оснований для проектируемых зданий и сооружений в период их возведения и эксплуатации
Инженерно-геологическая разведка. Получение на завершающих этапах инженерно-геологических изысканий исходных данных, необходимых для расчета оснований и фундаментов и для количественного прогноза изменения геологической среды, когда точно установлено местоположение здания или сооружения и определены его основные, конструктивные особенности, а также режим	Проходка горных выработок; полевые исследования свойств грунтов; геофизические исследования; лабораторные исследования состава и свойств грунтов и химического состава подземных вод; опытно-фильтрационные работы; стационарные наблюдения; специальные виды ИГИ, предусмотренные программой изысканий; камеральная обработка	Решение конкретных вопросов, возникающих в процессе проектирования крупных и сложных пред­приятий или при проектировании крупных и сложных предприятий или при проектировании отдельных объектов, возводимых в особо сложных природных условиях




  Прочностные характеристики грунтов определяются лабораторными или полевыми методами. При этом полевые методы должны обязательно применяться в тех случаях, когда затруднительно отобрать образцы грунтов с ненарушенной структурой или когда грунты.содержат большое число крупнообломочных включений, размеры которых близки к размерам образцов.


Рис. 1.9. Схема видов работ, выполняемых при инженерно-геологических изысканиях.




Деформационные характеристики грунтов следует определять преимущественно полевыми методами. Лабораторные методы могут применяться для оценки изменения свойств грунтов во времени, а также с целью сокращения объема полевых исследований грунтов, если для конкретных строительных площадок установлены достаточно надежные корреляционные связи между деформационными характеристиками грунтов, рассчитанными по результатам полевых и лабораторных испытаний.
Лабораторные испытания грунтов проводятся согласно ГОСТ 30416—96. В качестве примера в табл. 1.18 приведены некоторые виды исследований грунтов и условия их применения.
Кроме обычных определений, представленных в табл. 1.18, в состав лабораторных исследований в качестве обязательных дополнительно включаются определения:
•для набухающих грунтов (ГОСТ 24143—80) — относительного набухания (Esw), давления (Psw) и влажности (Wws) набухания, относительной усадки (Esh), минералогического состава;
•для просадочных грунтов (ГОСТ 23161—78) — относительной просадочности (Esl), начального просадочногр давления (Psl) и влажности (Wsl;),
общего содержания и состава водорастворимых солей;
• для элювиальных грунтов — коэффициента выветрености;
• для засоленных грунтов — относительного суффозного сжатия (Esf), начального давления суффозного сжатия (Psf), количественного содержания легко-и cреднерастворимых солей;
• для заторфованных грунтов и торфа— относительного содержания и степени разложения органических веществ, зольности, коэффициента
консолидации.
Таблица 1.18
Лабораторные исследования грунтов (по Справочнику проектировщика, 1985)


 

Вид харак­терис­тики	Определяемая характеристика	Грунт				гост
		скаль­ный	крупнообло­мочный (для заполнителя)	пес­чаный	глинис­тый
Физическая	Природная влаж­ность	С	+	: +	'+   •.'	5180-84
	Влажность гигро­скопическая	-•''	С	+	С	-«-
	Плотность частиц грунта	' " С	':'     " :'  '•'	• +	• - ' +	•••-«-'.      •
	Плотность грунта	+ ,	[  . '   • С	+	+	-«-
	Границы текучести и раскатывания		•; . с'.	'  +	••' .+ ';':''	-«-
	Гранулометриче­ский состав	-	с	+ '	с	12536-79
Де-фор-маци-онная	Сжимаемость	-	с	С	'+•	23908-79
Проч­ност­ная	Прочность при одноосном сжатии	+	.'-    , ••,'	-	с	21153-75 (для скальных грунтов) 17245-79 (для полу­скальных грунтов)
	Сопротивление срезу	..-	с	С	+   •	12248-96
Примечание. Условные обозначения: «+» - обязательно выполняются; С — по специ­альному заданию; «-»- не выполняются.       . v




В табл. 1.19 приведены основные виды лабораторных определений показателей состава и свойств грунтов, а также объемы проб, необходимые
для производства анализа. Методика определения показателей физико-механических свойств грунтов выбирается в зависимости от состава и состояния грунта, условий работы в основании сооружений с учетом изменения свойств в процессе эксплуатации здания или сооружения.
Таблица 1.19
Виды лабораторных определений показателей грунтов


Показатель состава и свойств грунтов	Объем пробы, см3	Правила определения	Область применения показателя
1	2	3	4
Гранулометрический (зерновой) и микроагрегатный состав	Глинистые -50-250, песчаные -200-500, гравелистые -600-3000	ГОСТ 12536-79	Классификация грунтов: приближенное вычисление коэффициентов фильтрации; подбор оптимальных смесей грунта и материалов для обратных фильтров; выбор отверстий фильтров; определение механической суффозии, однородности грунтов и т.д.
Природная влаж­ность	30-50	ГОСТ 5 180-84	Определение относительной характеристики грунта, консистенции глинистых грунтов; вычисление плотности сухого грунта
Плотность грунта	Глинистые -1000, песчаные -500	ГОСТ 5180-84	Определение давления грунта; вычисление плотности сухого грунта
Плотность частиц грунта	30-50	ГОСТ 5 180-84	Вычисление пористости, коэффициента пористости, полной влагоемкости, степени водонасыщения
Пластичность	100	ГОСТ 5 180-84	Классификация грунтов; определение консистенции грунтов, показателей глинистых грунтов
Сопротивление грунтов срезу	Монолит -20x20x20 см	ГОСТ 12248-96	Определение устойчивости основания; расчет устойчивости бортов откосов и давления на подпорную стенку
Предел прочности (временное сопротивление) грунтов при одноосном сжатии	Монолит — 1000	ГОСТ 17245-79	Определение прочности скальных грунтов или нескальных в мерзлом состоянии
Просадочность грунтов	Монолит -20x20x20 см	ГОСТ 23 16 1-78	Определение просадочности грун­тов; расчет величины просадочности; определение типа грунтовых условий, начального давления просадочности
Набухание и усадка	Монолит -10x10x10 см или проба объемом 1000	ГОСТ 24243-80	Определение набухаемости грунтов; расчет величин набухания, давления набухания и усадки

Окончание табл.1.19.


1	2	3	4
Засоленность грунтов	500	Ведомственные указания по химическому анализу водной вытяжки	Определение типа и степени засоленности грунтов
Коэффициент фильтрации	1000	ГОСТ 25584-90	Проектирование защитных мероприятий от подтопления
Содержание органических веществ	—	ГОСТ 23740-79	Классификация грунтов
Максимальная плотность	Не менее 10000	ГОСТ 22733-77	Определение уплотняемости грунтов
Суффозионная сжимаемость	Монолит — 10x10x10 см	ГОСТ 25585-83	Расчет осадки грунтов оснований сооружений
Прочность и деформируемость при трехосном сжатии	Монолит -20x20x20 см	ГОСТ 265 16-85	Расчет несущей способности грунтов оснований сооружений




Для изучения в лабораторных условиях свойств грунтов, слагающих основание, на строительной площадке в процессе инженерно-геологических изысканий отбирают образцы грунтов как естественной, так и нарушенной структуры. Образцы грунта естественной (ненарушенной) структуры— это пробы с полным сохранением целостности, внутренних структурных связей и природной влажности, соответствующих условиям залегания в массиве основания. При разрушении структурных связей между частицами проба грунта будет иметь ненарушенную структуру. Проба с ненарушенным сложением и естественной влажностью называется монолитом.
Образцы грунта в виде монолитов или проб отбираются в шурфах, котлованах, скважинах и в естественных отложениях.
Достоверность получаемых в процессе лабораторных исследований показателей будет тем большей, чем меньше нарушается структура монолита в процессе отбора, перевозки и хранения до момента проведения исследований.
Количество отобранного грунта должно быть таким, чтобы состав и свойства пробы соответствовали составу и свойствам опробуемого слоя. Чем более неоднороден грунт, тем больше должна быть отбираемая проба. Размер пробы или монолита должен соответствовать технологическим требованиям лабораторных исследований (см. табл. 1.19), в соответствии с которыми диаметр или площадь грани монолита должна быть больше поперечного сечения пробоотобранного кольца стандартных лабораторных приборов, а общая масса отобранного материала— достаточной для всего комплекса лабораторных определений.
В водонасыщенных, песчаных, слабых грунтах и при исследовании грунтов на большей глубине пробы отбирают в скважинах. Монолиты цилиндрической формы диаметром не менее 80 мм с глубины от 10 до 30 м отбирают с помощью грунтоносов различной конструкции. Диаметр грунтоноса обусловлен размером колец, применяемых в стандартных компрессионных, сдвиговых и других приборах.
Грунтонос состоит из штанги, цилиндра, разрезанного по диаметру на две части и имеющего в верхней части нарезку; башмак-ножа, верхней своей частью навинчивающегося на цилиндр; муфты, служащей для соединения грунтоноса со штангой; гильз, вставленных внутрь цилиндра для помещения в них образца грунта. Для отбора монолитов в буровых скважинах металлические цилиндры грунтоносов забуриваются, залавливаются или забиваются в грунт на дне скважины. Отрывают монолит от породы вращением штанги. После поднятия грунтоноса на поверхность цилиндр разнимается, гильза с грунтом извлекается и закрывается крышками.
Для вырезанного монолита должна быть правильно установлена его ориентация в массиве грунта, так как связные грунты анизотропны, т.е. имеют различное расположение частиц в естественном залегании и различные свойства в различных направлениях (разная водопроницаемость, сжимаемость и т.д.). Для этого на верхнюю грань монолита как до парафинирования, так и после него укладывают паспорт пробы, в котором указывают: наименование фирмы, производящей изыскание; название местности, пункта и строительного объекта; название выработки (шурф, скважина) и ее номер; глубину, в которой отобран образец; результаты визуального осмотра грунта (вид и состояние образца); дату отбора образца; должность и фамилию (с подписью) лица, отобравшего образец.
Все виды работ по отбору, упаковке, транспортированию и хранению образцов необходимо производить в соответствии с ГОСТ 12071—84.
На основании инженерно-геологических изысканий по данным бурения и шурфирования составляют вертикальные геометрические разрезы для каждой выработки, указывая наименование грунта, мощность слоя, отметки кровли и подошвы каждого слоя, уровень грунтовых вод и т.д.
После изучения и анализа отдельных геологических выработок составляют общий геолого-литологический разрез изучаемой строительной площадки (рис. 1.10).


Рис. 1.10.Геологический разрез строительной площадки (по Слюсаренко, 1982): 1 — суглинок темно-бурый; 2 — песок мелкий; 3 — суглинок полутвердый с щебнем; 4 — песок крупный с гравием; 5 — галька, гравий с песком; 6 — глина пластичная, серая; 7 — известняк белый средней прочности




Точность определения физико-механических характеристик грунтов зависит от методики определения, конструктивных особенностей приборов, квалификации исполнителей, точности вычислений и других факторов (табл. 1.20).
Определение гранулометрического состава. Заключается в разделении грунта на фракции и установлении в пробе их процентного содержания. Совокупность частиц грунта с приблизительно одинаковыми размерами называется фракцией. Методы гранулометрического анализа грунтов могут быть различны в зависимости от крупности частиц, слагающих грунт.
Для проведения анализа грунт предварительно подготавливают одним из следующих способов:
• дисперсный, при котором пробу доводят до состояния максимального диспергирования, т.е. все водостойкие и водонестойкие агрегаты (совокупности частиц) разрушают до минимальных размеров. Для этого пробу тщательно растирают, обрабатывают соляной кислотой и промывают. Если в грунте содержится более 10% органических веществ, то гранулометрический состав не определяется;
• микроагрегатный, или полудисперсный который достигается путем физического и механического воздействий. Предварительно пробу грунта
замачивают, растирают в присутствии стабилизатора (пирофосфорно-кислого натрия, аммиака и др.), а затем кипятят;
• агрегатный, который заключается только в физическом воздействии на грунт. Для этого пробу замачивают в воде с целью разрушения водонестойких агрегатов.
Для гранулометрического анализа грунта наиболее часто применяют следующие методы:
• прямые (ситовый, пипеточный, Сабанина и др.), которые позволяют выделить фракции, взвешивать их и определять процентное содержание в
грунте;
• косвенные (ареометрический, Рутковского и др.), которые не предусматривают выделения фракций.
При определении гранулометрического состава несвязных грунтов наиболее распространенным является ситовый метод. Сущность его заключается в рассеивании пробы грунта на отдельные фракции при помощи комплекта сит размерами отверстий 10; 7; 5; 2; 1,0; 0,5; 0,25; 0,1 мм. Наименование песчаного грунта присваивается по ГОСТ 25100—95.
Различают два вида ситового метода: с промывкой и без промывки грунта водой.
Для определения гранулометрического состава глинистых грунтов используется пипеточныи метод. При этом методе выделяют частицы крупнее 0,1; 0,1-0,05; 0,05-0,01; 0,01-0,005; 0,005-0,001 и не менее 0,001 мм.
Этот метод основан на различии скорости падения в воде частиц разного диаметром. Зерновой состав пипеточным методом определяется в два этапа. На первом этапе определяется содержание крупных фракций ситовым методом, на втором — содержание частиц менее 0,1 мм непосредственно пипеточным методом.
Содержание в грунте фракций менее 0,1 мм определяется ареометрическим методом. Он основан на измерении ареометром плотности суспензии, которая меняется при выделении из нее частиц различного диаметра в течение определенного времени после взмучивания. По мере изменения плотности суспензии ареометр, помещенный в суспензию, будет погружаться. Чем выше плотность суспензии, тем меньше глубина погружения ареометра. Результаты анализа заносят в журнал согласно ГОСТ 12536-79. По специальной номограмме ведут пересчет показаний ареометра с учетом поправок на процентное содержание в грунте фракции того или иного размера.
Гранулометрический анализ можно проводить также по методу Сабанина. Он основан на отборе из водного раствора проб через определенные промежутки времени и определении сухого остатка путем выпаривания и взвешивания. Этот метод более трудоемок и требует больше времени, чем ареометрический, а также большого количества дистиллированной воды.
Результаты гранулометрического анализа изображаются графически в полулогарифмической шкале (см. рис. 2.2).
Определение влажности грунтов. В лабораторных условиях для определения влажности применяют весовой метод (ГОСТ 5180—84).
В заранее взвешенный стеклянный или алюминиевый стаканчик с открытой крышкой помещают около 15 г грунта, взвешивают и ставят в сушильный шкаф, в котором образец высушивают до постоянной массы при
температуре 105±2 °С.
Весовой влажностью называется отношение массы воды, находящейся в грунте, к массе абсолютно сухих грунтовых частиц данного объема.
Весовая влажность (в дол.ед) определяется по формуле
(1.17)
где т1, — масса влажного образца с бюксом;
т0 — то же высушенного образца с бюксом;
т — масса бюкса.
Абсолютная величина гигроскопической влажности (в дол. ед.) вычисляется по формуле
(1,18)
где т2 — масса образца в воздушно-сухом состоянии (высохшем на воздухе) с бюксом.
Весовая влажность большинства рыхлых грунтов изменяется в пределах 0,01—0,4, а для отдельных грунтов (например, торфы, илы) может значительно превышать единицу.
Определение плотности частиц грунтов. Согласно ГОСТ 5180—84 различают определение плотности незасоленных и засоленных фунтов.
Для определения плотности частиц незасоленных грунтов образец грунта воздушно-сухого состояния растирают в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. После тщательного перемешивания отбирают пробу в 15 г и высушивают до постоянной массы при температуре 105 ±2 °С. В предварительно высушенный и взвешенный пикнометр насыпают взятую навеску и взвешивают.
Затем в пикнометр наливают до 1/3 объема дистиллированной воды, осторожно несколько раз взбалтывают до получения суспензии и кипятят на песчаной бане в течение 30 мин пески и супеси и 60 мин — суглинки и глины.
Охладив пикнометр с суспензией до комнатной температуры, доливают в него дистиллированную воду до мерной черты, нанесенной на горлышке и взвешивают.
Плотность частиц грунта вычисляют по формуле
(1.19)
где т0 — масса сухого грунта;
т1— масса пикнометра с грунтом и водой;
т2 — масса пикнометра с водой;
ХХ — плотность воды, определяемая по табл. 1.21.
Таблица 1.21
Значения плотности воды при различной температуре

Температура Г,°С	Плотность воды /зш, г/см3	Температура г,°С	Плотность воды ри, Г/СМ3	Температура 1,°С	Плотность воды /7Ш,Г/СМ3
10	0,999727	18	0,998621	26	0,996808
И	0,999632	19	0,998430	27	0,996538
12	0,999524	20	0,998229	28	0,996258
13	0,999404	21	0,998017	29	0,995969
14	0,999271	22   '	0,997795	30	0,995672
15	0,999126	23	0,997563	31	0,995366
16	0,998969	24	0,997321	32	0,995051
17	0,998800	25	0,997069	33	0,994728




Производится не менее двух определений и находится среднее арифметическое значение ХХ, причем расхождение между двумя параллельными определениями не должно превышать 0,02 г/см3 при плотности до 2,75 г/см3 и 0,03 г/см3 при плотности более 2,75 г/см3.
Для определения плотности частиц засоленных грунтов, т.е. грунтов, которые содержат в своем составе легко- и суперрастворимые соли, выполняются все те же операции, что и для незасоленных грунтов с той лишь разницей, что в пикнометр вместо дистиллированной воды наливают керосин.
Плотность частиц засоленного грунта вычисляют по формуле
(1.20)
где т0, т1и т2 — масса соответственно сухого грунта, пикнометра с керосином и грунтом, пикнометра с керосином;
Х — плотность керосина (Х = 0,79—0,82 г/см3).
Определение плотности грунта. Существует несколько лабораторных методов определения плотности грунта. Чаще всего применяют методы режущих колец и парафинирования (гидростатического взвешивания).
Метод режущих колец применяют для связных грунтов, легко поддающихся извлечению из толщи грунта, когда форма и объем образца могут быть сохранены при перевозке в лабораторию.
При использовании данного метода применяют режущее кольцо со специальными насадками.
Диаметр колец колеблется от 50 до 100 мм в зависимости от вида грунта. Высота кольца должна быть не более одного и не менее половины диаметра.
Предварительно определяют размеры и объем кольца по формуле
(1.21)
где d — внутренний диаметр кольца;
h — высота кольца.
Затем заполняют режущее кольцо грунтом, последовательно вдавливая его в грунт легким нажатием на верхнюю тугую кромку кольца-насадки.
Когда кольцо заполнено, насадку снимают, избыток грунта срезают вровень с тупой кромкой кольца и покрывают стеклянной пластинкой. Столбик грунта подрезают ниже режущей кромки кольца на 8—10 мм и при помощи лопаточки-мастерка подхватывают и переворачивают на пластинку. Выступающую часть грунта тщательно зачищают вровень с режущей кромкой кольца и снова покрывают пластинкой.
Далее взвешивают грунт с кольцом и пластинами и определяют плотность грунта по формуле
(1.22)
где то — масса грунта;
т — масса кольца с грунтом и покрывающими пластинами;
т1— масса кольца;
т2 — масса покрывающих пластин;
V— объем грунта в кольце.
Метод парафинирования (гидростатического взвешивания) применяется для связных грунтов, содержащих твердые включения или склонных к выкрошиванию. Для определения плотности грунта вырезают образец объемом не менее 30 см3 так, чтобы по возможности его поверхность стала округлой. Взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Взвешенный образец опускают в расплавленный при 60 °С парафин, чтобы в течение 1—2 с он покрылся парафиновой оболочкой толщиной 0,5—1,0 мм. Появляющиеся пузырьки воздуха между слоем парафина и образцом удаляют, прокалывая их тонкой иглой и заглаживая места прокола. Парафин с заранее известной плотностью не должен содержать посторонних примесей. Запарафинированный образец взвешивают, а затем опускают в предварительно взвешенный стакан с водой (рис. 1.11) и снова взвешивают в воде. Взвешенный запарафинированный образец извлекают из воды, обсушивают фильтровальной бумагой и еще раз взвешивают для проверки герметичности парафиновой оболочки. Если разность во взвешевании до погружения образца в воду и после его извлечения будет более 0,2 г, то образец считается забракованным.


Рис. 1.11. Схема к определению плотности грунта: 1 - квадрантные весы; 2 - стакан с водой; 3— образец грунта; 4— штатив с держателем; 5 — стол


Плотность грунта определяют по формуле
(1.23)
где т — масса образца грунта до парафинирования;
Х — плотность воды принимается равной 1,0 г/см3 при температуре 20 °С;
Х — плотность парафина принимается равной 0,9 г/см3;
т1 — масса запарафинированного образца;
т2 — масса запарафинированного образца в воде.
Более подробно методики определения плотности связных и несвязных грунтов описаны в ГОСТ 5180—84.
Определение влажности глинистого грунта на границе текучести. Граница текучести характеризует влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в полужидкое— текучее. При этой влажности связи между частицами нарушаются благодаря наличию свободной воды, из-за чего частицы грунта легко смещаются и разъединяются. В результате этого сцепление между частицами становится незначительным и грунт теряет свою устойчивость.
Определение границы текучести производят в соответствии с ГОСТ 5180—84 с помощью балансирного конуса Васильева (рис. 1.12), погружаемого рукояткой 3 и конусом 4 в приготовленное грунтовое тесто.


Рис. 1.12. Балансирный конус Васильева




Для определения влажности на границе текучести образец грунта объемом приблизительно 100 см3 растирают в фарфоровой чашке, пропускают через сито с отверстием 1 мм, предварительно отобрав растительные остатки и увлажняют до состояния мягкопластичной грунтовой массы. Фарфоровую чашку с грунтовой массой помещают в закрытый стеклянный сосуд и выдерживают не менее 2 ч. После этого грунтовую массу перемешивают и наполняют ею тигель. Поверхность грунта в тигеле тщательно сглаживают шпателем вровень с его краями. Тигель с образцом грунта помещают на подставку 7 и к поверхности грунта подносят острие балансирного конуса массой 75 г. Медленно разжимая пальцы, позволяют конусу свободно погружаться в грунтовую массу под действием собственного веса. Погружение конуса в тесто до метки 2 (на 10 мм) в течение 5 с указывает на достижение искомой границы текучести. В том случае, если глубина погружения конуса не достигнута 10 мм, то необходимо доувлажнять грунтовое тесто. С этой целью грунтовую массу вынимают из тигеля, добавляют воду, перемешива­ют и повторяют испытание. Погружение конуса на глубину более 10 мм показывает, что влажность грунта превышает искомую, и грунт следует подсушить.
При достижении влажности на границе текучести (Х) из тигеля взять навеску грунта массой 15 г и определить соответствующую весовую влажность. Для каждого образца производить не менее двух определений влажности. Расхождение в результатах опытов должно быть не более 2%
Весовая влажность на границе текучести определяется по формуле
(1.24)
где то, т1 и т2 — масса соответственно бюкса, влажного грунта с бюксом и высушенного образца с бюксом.
Определение влажности глинистого грунта на границе раскатывания.
Граница раскатывания соответствует влажности, при которой грунт находится на границе перехода из твердого состояния в пластичное. При дальнейшем увеличении влажности (Х >Х) грунт становится пластичным и начинает снижать свою устойчивость под нагрузкой.
Подготовка образца грунта для определения границы раскатывания такая же, как и при определении границы текучести. Из увлажненного грунта скатывают шарик диаметром 1 см и раскатывают в тонкий шнур длиной около 10 см и толщиной около 3 мм, при этом жгут должен распадаться на кусочки длиной 3—10 мм по поперечным трещинам. Если грунт не раскатывается в шнур заданной длины и толщины, то он считается пластичным. В этом случае необходимо немного высушить грунт и опыт повторить заново. Затем раскрошившиеся кусочки собирают в бюкс и определяют влажность на границе раскатывания по формуле (1.24).
При влажности, равной или немного меньшей границы раскатывания, грунт пригоден для производства земляных работ при отсыпке насыпей и разработке выемок, а также при увлажнении земляного полотна.С переходом в пластичное состояние грунт начинает налипать на рабочие органы землеройных машин, и производство земляных работ становится затруднительным, а иногда и невозможным.
1.3.2. Полевые методы испытания грунтов
Проведение инженерно-геологических изысканий в полевых условиях определило появление термина «полевые методы» в отличие от «лабораторных методов», когда изучаются отдельные образцы (монолиты, пробы грунта) часто нарушенной структуры, извлеченные из буровых скважин или строительных котлованов (Дудлер И.В., 1979).
К полевым методам испытаний грунтов (ГОСТ 30672—99), основанных на моделировании процессов, протекающих при работе основания, относятся: испытания грунтов штампами, прессиометрами, зондированием, вращательным срезом, сдвигами целиков грунта и др.
В табл. 1.22 приведена общая классификация (Дудлер И.В., 1979) полевых методов инженерно-геологического изучения грунтов. Согласно табл. 1.22 выделяются четыре типа полевых методов изучения грунтов:
I — обследование и описание;
II — разведка и опробование;
III — испытание;
IV — натурные наблюдения за возведенными сооружениями.
Таблица 1.22
Общая классификация полевых методов инженерно-геологического изучения грунтов (по И.В. Дудлеру, 1979)

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод	Класс	Группа	Подгруппа	Виды
1	2	3	4	•5                ••....
I. Обследование и описание	Дистанци­онно-обзорные	Аэромет­рические	Визуальные	Аэровизуальные наблюдения
			Инструменталь­ные	Аэрофотосъемка
	Местные	Наземные	Маршрутные	Маршрутная съёмка (площадная, масштабная)
			Локальные	Описание естественных отложений, торных выработок, котлованов.
П. Разведка и опробование	Геофизические .	Радиоизо­топные	Некаротажные	Поглощение: -гамма-излучения, - рассеянного гамма-излучения,   . - рассеянного нейтронного излучения
			Каротажные	Гамма-каротаж. Гамма-гамма-каротаж. Нейтрон-нейтронный каротаж
		Физиче­ских про­цессов	Электроразведка	ЭлектрОпрофилирование. Вертикальное электрозондирование
			Сейсморазведка	Сейсмозондирование. Сейсмопросвечивание. Сейсмокаротаж
	Проходче­ские (с- отбором проб)	Буровые	Скважинные	Бурение скважины сплошным забоем. Бурение скважины кольцевым забоем -           -           -   " : -                        •"    •
Ш. Испытания	Экспрессные	Зондиро-вочные	Динамические	Динамическое зондирование конусом. Динамическое зондирование пробо­отборником. Вибрационное зондирование конусом
			Статические	Статическое зондирование конусом. Статическое зондирование сваей
		Пенетра-ционные	Пенетрационно-каротажные	Надводные пенетрационнокаротаж-ные исследования. Подводные пенетрационно-каротажные исследования
			Микропенетра-ционные	Микропенетрационное испытание пород в обнажениях и выработках. Микропенетрационное испытание керна и монолитов


Продолжение табл. 1.22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1	2	3	4	:-     •   5   '
: Ш. Испытания	Опытные	Статические	Деформационные	Статические нагрузки на штамп в шурфах и в скважинах. Прессиометрические испытания
			Прочностные	Сдвиг целиков по заданной плоскости. Сдвиг целиков обрушением призм. Сдвиг целиков выдавливанием призм. Сдвиг целиков раздавливанием призм. Сдвиг по заданной поверхности лопа­стными приборами в скважинах. Сдвиг штампа по грунту
		Динамиче­ские	Вибрационные	Виброштамповые
			Импульсные	Стандартный камуфлетный взрыв, взрывное зондирование
		Фильтра­ционные	Фильтрационные	Опытные откачки
			Инфильтрационные	Налив воды в шурф. Нагнетание воды в скважины
		Модельно-конструк-тйвные	Испытание опыт­ных фундаментов	Статические и динамические нагру-жения.                              г .  •   • Сдвиги нагруженных блоков
			Испытания свай	Статические. Динамические
		Модельно-техно-логические	Испытание основа­ний	Опытное замачивание. Опытное уплотнение. Опытное укрепление. Опытное оттаивание
			Опытное возведе­ние фрагмента сооружения	Опытный намыв, отсыпка, уплотнение и закрепление грунтов. Опытная выемка и водопонижение
IV. Натурные наблюдения	Натурные наблюдения на застроен­ных территориях	Стационарные и режимные	Гидрогеологиче­ские	Измерение влажности грунтов в зоне аэрации.                                       \ : Замеры уровней подземных вод. Определение химического состава подземных вод. Измерение температуры подземных ВОД---'  •'•-:   -•     .'•             "             ' : '••'.•  - -
			Тензометрические	Замеры напряжений. Замеры параметров динамических воздействий. Замеры порового давления воды
			Геодезические	Замеры осадок и горизонтальных смещений, кренов, прогибов и т.д.


Окончание табл. 1.22

 

 

1	2	3	4	5
	Натурные наблюдения за возведенными земляными сооружениями		Визуальные   -	Наблюдения за состоянием откосов земляных плотин и дамб
			Геодезические	Замеры деформаций и перемещений сооружений
			Грунтоведческие	Определение изменений состава и состояния грунтов. Изучение процесса консолидации грунтов. Изучение динамики изменения свойств грунтов

Основные виды полевых исследований грунтов и условия их применения приведены в табл. 1.23.
Объем исследований грунтов, как и состав, должен назначаться в зависимости от ответственности и конструктивных особенностей проектируемого здания или сооружения, но, кроме того, еще и от размеров в плане и сложности грунтовых условий.                                  .
В зависимости от геологического строения, гидрогеологических условий, а также от состава и состояния грунтов испытания производят в шурфах и скважинах. Шурфом называется выемка в земле для осмотра испытуемого грунта и взятия его образцов. Шурфы бывают крупного сечения — «дудки» (диаметром 65—100 см) и прямоугольного сечения (не менее 100x120 см).
Испытания грунта выполняют с помощью штампов, размеры которых приведены в табл. 1.24.                                                       .
Характеристики свойств грунтов, определяемые полевыми методами, а также наименование грунтов, для исследования которых применяют эти методы, приведены в табл. 1.25.
Согласно квалификации различают, с одной стороны, прямые и косвенные методы испытания грунтов; с другой — точные и грубые.
Прямым методом принято называть испытание, которое приводит к получению искомой характеристики сжимаемости или прочности непосредственно. Косвенный метод базируется на использовании какихлибо эмпирических зависимостей между результатом испытания и искомой характеристикой.
Точныеи грубые методы различаются степенью влияния случайных ошибок, сопровождающих испытания. В точных методах доля случайной ошибки невелика, в результате чего среднее квадратическое отклонение измеряемой величины характеризует в основном естественный разброс данного показателя (см. разд. 1.3).
Таблица 1.23
Полевые исследования грунтов
ХХХХХХХХХХХХХ
Таблица 1.24
Минимальные размеры штампов

Тип штампа	Площадь, см2	Диаметр или длина стороны, мм	Тип выработки и ее . размеры, по дну
Круглый Квадратный	5000 5000   '	798 707	Шурф сечением 225x225 см
Круглый штамп для скважин	600	277	Скважина диаметром 325 мм


Таблица 1.25
Основные методы полевых исследований свойств грунтов при инженерно-геологических работах


Изучение характеристики	Полевые методы	Грунты
Динамическое и статическое сопротивление пенетрации, предельное направление сдвига, сопротивление резанию и другие показатели свойств, используемые для характеристики геологического строения грунтов и пространственной изменчивости их свойств	Динамическое зондирование. Статическое зондирование. Пенетрацйонно-каротажный. Микропенетрация	Глинистые
Деформационные характеристики грунтов	Опытные нагрузки в шурфах и скважинах. Прессиометрия	Глинистые, крупнообломочные и трещиноватые скальные
Прочностные характеристи­ки грунтов	Опытные сдвиги на полевых приборах и установках	Трещиноватые скальные и полускальнЫе, обломочные, песчано-глинистые
	Опытные обрушения и выпирания в шурфах. Прессиометрия	Обломочные с глинистым заполнителем, полускальные и выветрелые скальные
	Крыльчатое зондирование	Глинистые
Водонепроницаемость грунтов	Опытные откачки из скважин	Трещиноватые, скальные, несвязные
	Опытные наливы в шурфы	Глинистые
	Опытные нагнетания в сква­жины	Трещиноватые, несвязные




В грубых методах влияние случайных ошибок приводит к заметному увеличению среднего квадратического отклонения измеряемой величины.
Испытания сжимаемости грунтов. Испытания грунтов опытными нагрузками в скважинах производятся специальными установками, приведенными на рис. 1.13 (Справочник по механике..., 1987).
Наиболее проста установка КРУ-600 конструкции Урал ТИСИЗ (см. рис.1.13,в). Усилие на штамп передается через стойку при помощи загруженного рычага с грузовым сегментом. Рычаг свободно вращается на оси, закрепленной на раме, которая крепится на опорных балках, связанных с анкерными сваями.                                         
Для испытания грунтов бурят скважину диаметром 325 мм (см. табл. 1.24), верхнюю часть которой обсаживают трубами, а оголовок цементируют. Скважину не доводят до испытуемого слоя на 10—20 см и подготавливают к опыту. В забой опускают круглый штамп площадью 600 см2. На рычаг
подвешивают груз для создания требуемого давления. Испытания грунтов опытными нагрузками в шурфах выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-99.


Рис. 1.13. Конструкции установок для испытания грунтов в скважинах: а — штамп с анкерными сваями; б — штамп с грузовой платформой; в — канатно-рычажная установка КРУ-600; 1 — штамп; 2 — стойка; 3 — домкрат; 4 — балка; 5 — свая; 6 — платформа; 7— рама; 8— рычаг; 9— сегмент для груза; 10— груз




Нагружение штампов осуществляется гидравлическими или механическими домкратами, системой натяжных блоков и реже — специально подготовленными грузами, размещаемыми на платформах.
Установка для испытания грунтов включает штамп, нагрузочное устройство, устройство для измерения деформаций (осадок) штампа и приспособление для крепления стен шурфов и скважин. Некоторые схемы испытания грунтов опытными нагрузками в шурфах приведены на рис. 1.14.
При испытании грунтов нагрузку увеличивают ступенями до стабилизации осадки от каждой ступени, общее число которых должно быть не менее
четырех. Значение ступеней нагрузки рекомендуется принимать в зависимости от зернового состава, степени влажности Sr и плотности сложения песчаных грунтов (табл. 1.26), показателя текучести Jl, и коэффициента пористости е глинистых грунтов (табл. 1.27). Считается, что стабилизация достигнута, если приращение осадки за 1 сут. не превышает 1 мм. Иногда (по специальному заданию) нагрузку увеличивают до достижения предельного (критического) значения, фиксируемого:                                              .
— по появлению валика выпирания или трещин вокруг штампа;
— по деформированию грунта с постоянной скоростью, продолжающейся не менее 1 сут.;
— по резкому увеличению осадки при незначительном увеличении, нагрузки (в 5 раз и более по сравнению с осадкой от предыдущей ступени нагрузки).


Рис. 1.14. .Конструкции установок для испытания грунтов в шурфах: а — распорный штамп; б — штамп с грузовой платформой; в—штамп с анкерными сваями; 1 — штамп; 2 — домкрат; 3 — подкос; 4 — стенка ограждения; 5 — грузовая платформа; 6 — свая; 7 — стойка; 8 — рычаг; 9 — центрирующее устройство; 10 — ферма


Таблица 1.26
Зависимость значения ступеней загружения от показателя текучести и коэффициента пористости

Показатель текучести глинистых грунтов	Значение ступени нагрузки (в кПа): при коэффициенте пористости (е)				Время условной стабилизации 1, ч
	50,5	0,5-0,8	0,8-1,1	>1,1
<0,25 0,25-0,75 0,75-1,00 >1,00	100 100 . 50 50	100 50 25 .-..-. 25	50 50 25 10	50 ,     .25 . 10 10	1 2 2 3


Таблица 1.27
Зависимость значения ступеней загружения от степени влажности и плотности сложения грунта


 

Грунты	Степень влажности 5,	Значение ступени нагрузки (в кПа) при плотности сложения грунтов			Время условной стабилизации 1,4
		плотные	средней плотности	рыхлые
Крупнообломочные Пески: крупные средней крупности и мелкие пылеватые тоже	<1,0      : <1,0 20,5 0,5-1,0 50,5. : 0,5-1,0	100 100 100, 50 50	100 50 50 50 1  25 25	25 25 25  : Ю 10	0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 2,0




Снятие нагрузки (разгрузку) ведут теми же ступенями, что и при загрузке. Причем после снятия каждой ступени нагрузки в течение 1 ч производится наблюдение за разуплотнением грунта.
По результатам опытных нагрузок строится график зависимости осадки от нагрузки, который позволяет определить модуль деформации по одной из следующих формул:
1. Формула Буссинеска для круглого штампа
(1.25)
где Х — коэффициент Пуассона, принимаемый равным для:
крупнообломочных грунтов....... 0,27,
для песков и супесей................. ..0,3,
для суглинков.......................... 0,35,
для глин........................... .....0,42;
N — полная нагрузка на штамп, принимаемая по прямолинейному участку графика S=f(Р), Н;
S — осадка, соответствующая нагрузке, см;
d — диаметр штампа, см.
2. Формула Шлейхера
(1.26)
где Х — безразмерный коэффициент, зависящий от жесткости штампа и формы его подошвы (табл. 1.28);                                                    
Р — среднее давление по подошве штампа, кПа;
А — площадь штампа, см2.
3. Формула НИИОСП (Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений)
Таблица 1.28
Значения коэффициента Х

 

Значения Х при форме штампа
Круг	Квадрат	Прямоугольник с соотношением сторон l/b
		1,5	•• - г •	з :•',-••	,, 4	>       5	10
0,79	0,88	1,08	1,22	1,44	1,61	1,72	2,12


(1.27)
где ? — поправочный коэффициент, учитывающий развитие деформации при испытаниях в шурфах и скважинах;
k — коэффициент, определяемый по формуле
(1.28)
Значения коэффициентов Х и k приведены в табл. 1.29.
Таблица 1.29
Значение коэффициентов Х и k

 

Условия испытания и размер шурфа	Площадь штампа А, см2	Песок		Глинистый грунт
		а	1с	а	1с
В скважинах с круглым штампом В шурфах с квадратным штампом	600 5000	0,7 1,0	0,0131 0,0115	0,7 1,0	0,2970 0,0103

4. Формула для определения модуля деформации при наличии на графике S = f(Р) участков с разными наклонами
(1.29)
где Nn+1 и Nn— конечная и начальная нагрузка на рассматриваемом участке;Sn+1 и Sn — соответствующие им деформации.
Пример 1.4. Определить модуль деформации глинистого грунта (супеси) порезультатам полевого испытания (рис. 1.15).
Данные испытания грунта предоставлены в табл. 1.30 (выписка из документации испытания).
Решение. Из очертания кривой 1 (рис. 1.15) видно, что определение модуля деформации может быть сделано в пределах давления до 200 кПа (предел пропорциональности). При давлении 200 кПа под штампом площадью А = 5000 см2 общая нагрузка на штамп будет равна
N = РА = 200x5000= 100 кН.
Диаметр круга, равновеликого по площади штампу d = 798 мм = 0,798 м. Осадка после стабилизации штампа под давлением 200 кПа равна
S= 10,7мм = 1,07см.
Коэффициент Пуассона, как было выше сказано, для супеси равен 0,3.


Рис. 1.15. График зависимости осадки от нагрузки: 1 — общая кривая осадки штампа


Таблица 1.30
Зависимость между давлениями на штамп и его осадками

Давление Р, кПа	Начальная осадка, мм	Осадка после стабилизации штампа 51, мм		Давление Р, кПа	Начальная осадка, мм	Осадка после стабилизации штампа 5, мм
0,0	0	0		200	8,9	10,7
50	1,4	2,0		250	11,1	15,2
100	3,2	5,2		300	17,2	20,3
150	6,2	8,3

Тогда по формуле (1 .25) определяем модуль деформации
ХХХХХХХХ
Для испытаний сжимаемости грунтов, кроме методов в шурфах и в скважинах, используется метод в строительных котлованах. Для этого применяется установка, использующая в качестве штампов и загрузочного материала сборные железобетонные конструкции (фундаментные подушки, блоки, балки и др.). Установка (рис. 1.16) предполагает применение штампов 1 размерами в плане 0,6x2,4 или 0,8x2,4 м, которые располагаются параллельно друг другу на расстоянии 5 — 6 м. По верху блоков-штампов устанавливают двутавровые балки 2, на которые укладываются нагрузочные элементы (конструкции) 3. Достоинство этой установки состоит в возможности оценки изменчивости деформационных свойств в плане (Трофименко Ю.Г., ВоробковЛ.Н., 1981)


Рис. 1.16. . Схема установки из сборных блоков для испытания грунта в строительном котловане: 1 — блок-штамп; 2 — двутавровая балка; 3 — сборные элементы




Испытания прессиометрамн. Сущность прессиометрического метода испытаний заключается в обжатии грунта в скважине равномерным давлением и в измерении соответствующих этим давлениям деформаций.
Порядок проведения прессиометрических испытаний и обработка их результатов регламентируются ГОСТ 20276—99.
Принцип работы прессиометра (рис. 1.17) основан на радиальном расширении эластичного баллона, помещенного в скважину и оказывающего давление на ее стенки с помощью жидкости или газа, подаваемых извне. Замеряя величину радиального перемещения грунта в стенках скважины и величину давления, определяют модуль деформации грунта.
Прессиометр состоит из зонда, опускаемого в скважину, устройств для создания и измерения давления в камерах зонда, а также для радиальных перемещений оболочки камеры зонда. Длина каждой камеры зонда должна быть не менее четырех ее внешних диаметров. Диаметр зонда может изменяться от 76 до 127 мм. При бурении скважин обеспечивается максимальное сохранение природного сложения грунтов.
В скважину на необходимую глубину опускается зонд, состоящий из трех камер с эластичными стенками. Верхняя 8 и нижняя 10 камеры являются вспомогательными, средняя 9— рабочей. Сообщающиеся между собой бачок и измерительный цилиндр соединены через редуктор 2 с газовым баллоном 1 для создания давления.


Рис. 1.17. Схема прессиометра: 1 — газовый баллон; 2 — редуктор; 3 — манометр; 4 — крантройник; 5 — измерительный цилиндр; 6— бачок; 7— шланги; 8—10— камеры (8— вспомогательная верхняя; 9 — рабочая; 10— вспомогательная нижняя)




Радиальные перемещения определяют путем измерения объема жидкости или непосредственного замера радиуса камеры зонда дистанционными датчиками.
По данным испытаний грунтов составляют график (рис. 1.18) и по линейному его участку вычисляют модуль деформации по формуле Ляме
(1.30)
где Х — коэффициент Пуассона;
r0 — начальный радиус скважины, соответствующий значениям Рн и ХХ на графике испытания (см. рис. 1.18);


Рис. 1.18. График испытания грунта прессиометром




ХХ — приращение значения давления на стенку скважины между двумя точками, взятой на усредненной прямой;
ХХ — приращение перемещения стенки по радиусу, соответствующее ХХ.
Испытание прочности грунтов. Способы испытаний грунтов на сдвиг в полевых условиях (шурфах, скважинах и опытных котлованах) отличаются значительным разнообразием. Для всех этих способов общим является сам процесс испытания, при котором сдвиг (срез) грунта осуществляют поступательным перемещением по заранее заданной поверхности (плоской, цилиндрической) или по произвольной поверхности скольжения.
В зависимости от условий, в которых грунт в натуре будет оказывать сопротивление воздействию предельных нормальных Х и касательных Х напряжений, различают два основных типа испытаний (Цытович Н.А., 1983):
1. Консолидированно-дренированный (КД), или эффективный, сдвиг. При таком испытании, называемом сдвигом по открытой системе, или медленным сдвигом, уплотняющее нормальное давление выдерживается до стабилизации деформаций, которые затем полностью воспринимаются скелетом грунта. Таким образом, каждая ступень нагрузки прикладывается до тех пор, пока не произойдет сдвиг.
2.Неконсолидированно-недретроватый (НН), или нейтральный, сдвиг. При этом виде испытаний, называемом сдвигом по закрытой системе, или быстрым сдвигом, характеристики грунта (плотность и влажность) не изменяются, т.е. консолидация, которая связана с отжатием воды из грунта, отсутствует как при нормальном загружении, так и при сдвиге. Испытания на сдвиг согласно ГОСТ 21719—80 проводят следующими способами:
•срезом по фиксированной горизонтальной или вертикальной поверхности (рис. 1.19);
•срезом целиков грунта в клиновых обоймах (рис. 1.20);
•обрушением (рис. 1.21), или выпиранием прислоненных грунтовых призм (рис. 1.22).


Рис. 1.19. Схемы сдвиговых установок для среза (Справочник по механике..., 1987): а, в — по фиксированной горизонтальной поверхности; б — по вертикальной поверхности; 1 — упорная балка; 2 — тележка; 3,7 — динамометры; 4,9 — домкраты; 5 — штамп; 6, 8— подвижная и неподвижные стенки; 10— скользящая связь (направляющая); 11 — обойма с грунтом; 12 — каток; 13 — направляющие пластины; 14 — кольцевая обойма; 15 — динамометр; 16 — система для создания давления; 17 — пригрузки; 18 — стойка; 19 — опорная пята; 20 — винт; 21 — ножи; 22 —грунт; 23 — кольцевая обойма; 24 — тележка; 25 — трос




Рис. 1.20. Схема установки для испытания грунта на сдвиг методом косого среза в клиновой обойме: а — установка в сборе; б — схема клиновой обоймы; .1 — винтовой пресс; 2 — динамометр; 3 — штамп; 4 — клиновые обоймы; 5 — индикатор; 6 — тележка; 7 — направляющая втулка; 5 — винт; 9 — шток; 10 — режущее кольцо (надевается при отборе грунта в обойму)




Рис. 1.21. Испытания грунта на сдвиг обрушением: а — схема установки; б — схема действующих усилий и кривая обрушения; 1 — штамп; 2 — нагрузка; 3 — упорная балка; 4 — динамометр; 5 — домкрат; 6 — целик; 7— поверхность обрушения; I,II, III — отсеки призмы обрушения; ХХХ — сдвигающие усилия; ХХХ — нормальные давления в плоскости обрушения; ХХХ — массы отсеков




Рис. 1.22. Испытания грунта на сдвиг выпиранием: а — схема установки; б — схема усилий, действующих при выпирании; 1,2—соответственно неподвижная и подвижная вертикальные стенки; 3 — поверхность скольжения; 4 — домкрат с червячной передачей; 5 — динамометр; 6 — выпираемый массив (призма) грунта; /—/V— отсеки сдвигаемой призмы (клина); L1—L4 — длины дуг поверхности скольжения каждого отсека; q1—4 — массы отсеков; d1,—d4 — углы между нормальным давлением в плоскости выпирания и равнодействующей массы отсека

Испытания грунтов на сдвиг по заданной плоскости (см. рис. 1.19) выполняются путем заключения целика грунта в специальную обойму и последующего сдвига приложением горизонтального сдвигающего усилия при постоянной уплотняющей нагрузке. Сдвигающее усилие прикладывают ступенями с интервалом времени, необходимым для снятия показаний с приборов. Опыт считается оконченным, если смещение кольца составляет 3—4 см. Для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления опыт выполняется не менее чем на трех целиках, при строгом сохранении стабильности условий.
При испытаниях по произвольной плоскости (см. рис. 1.20—1.22) поверхность сдвига не задается, а образуется в процессе сдвига и может иметь различные очертания в зависимости от состава и свойств грунтов.
Обрушение целиков (см. рис. 1.21) осуществляется направленным вниз усилием, которое передается домкратом на штамп, затем строят кривую обрушения (см, рис. 1.21,б), которая служит основой для составления уравнения равновесия (1.31). Таким же образом проводится обрушение второго целика и составляется второе уравнение равновесия (1.32):
(1.31)
(1.32)
где Х — сдвигающее напряжение;
N — нормальное вертикальное усилие в плоскости обрушения;
ХХХ — коэффициент внутреннего трения;
А1, А2 — площади поверхности скольжения соответственно первого и второго целиков;
с — удельное сцепление.
Решив систему этих уравнений, определяют прочностные показатели грунта — угол внутреннего трения и удельное сцепление.
Выпирание призм (рис. 1.22) заключается в смещении грунта под действием горизонтального усилия, приложенного к массиву грунта шириной b и высотой h, отделенному от основной части грунта в выработке прорезями и вертикальной подвижной стенкой. Сдвиг осуществляется установкой с одним или двумя домкратами, упираемыми в стенку шурфа и передающими усилие на упорную плиту. В процессе испытаний замеряют максимальное усилие Qmax в момент сдвига и минимальное усилие Qmin, когда блок уже сдвинут и происходит горизонтальное перемещение грунта (приблизительно на 10—15 см).
Область применения рассмотренных способов и установок для схем КД и НН сдвигов приведена в табл. 1.31.
Таблица 1.31
Применение сдвиговых установок при испытаниях грунта для схем КД и НН сдвигов (по Швецу В.Б., Пушникову В.В., Швец Н.С., 1981)

 

Грунты	Установки для испытаний (рис. 1 .20) по фиксированной (плоской) поверхности сдвига целика грунта с площадью среза, см2		Клиновые обоймы (рис. 1.21)	Обрушение (рис. 1.22), выпирание (рис. 1.23)
	600	1200
Крупнообломочные	КД	КД	-	КД
Крупные и средние пески, глинистые грунты приЛ<0,25	КД	КД	КД	КД
Мелкие и пылеватые пески, глинистые 0,25 <Л <0,75	НН	НН	кд,нн
Глинистые с^^> 0,75	НН	НН	кд,нн	_
Наибольшее (в % по массе) содержание включений ча­стиц размером от 2 до 10 мм	Не ограничено	Не ограничено	50	Не ограничено
Наибольший размер крупных включений, мм	50.	80	15	80




Испытания на сдвиг в скважинах. Сдвиг по заданной поверхности в буровых скважинах применяется для определения сопротивления сдвигу грунтов с нарушенной и ненарушенной структурой (ГОСТ 21719—80).
Испытания на сдвиг в скважинах производят установками, позволяющими определить параметры с и Х раздельно в условиях передачи давления на стенки скважины и общее сопротивление сдвигу Х путем вращательного среза грунта крестообразной лопастью-крыльчаткой в забое скважины.
Сущность метода кольцевого среза в скважинах под давлением заключается в срезе при заданном горизонтальном давлении грунтового цилиндра, образуемого вокруг скважины. Прибор (рис. 1.23) для проведения испытания выполнен в виде нагрузочной цилиндрической камеры с эластичной оболочкой, окруженной с наружной стороны жесткими продольными элементами, расширяющимися при создании давления внутри камеры. Продольные элементы имеют внедряемые в грунт поперечные (рис. 1.24,а) или продольные (см. рис. 1.24,б) лопасти небольшой толщины. После создания заданного нормального давления на грунт осуществляется срез грунтового цилиндра по кольцевой поверхности поступательного смещения (установка ПС) или поворота (установка ВС) рабочего органа.


Рис. 1.23. Схемы рабочих элементов — срезывателей установок кольцевого среза под давлением: а - поступательного среза (ПС); б— вращательного среза (ВС); 1 — нагрузочная камера; 2 — жесткие продольные элементы; 3 — поперечные (а) или продольные (б) срезывающие лопасти; 4- срезываемая поверхность; 5 — датчики деформации; 6- эластичная оболочка




Рис. 1.24. Схема установки вращательного среза СП-52 конструкции фундаментопроекта: а — установка в сборе; б — четырехлопастная крыльчатка; 1 — винтовая свая; 2 — штурвал; 3 — измерительное устройство; 4 — станина; 5 — штанга с муфтами; 6 — центрирующее устройство; 7—крыльчатка




Для получения параметров сдвига Х и с проводят не менее трех опытов на срез при различных значениях нормального к поверхности среза давления.
Сопротивление сдвигу т определяется по формуле
(1.33)
где 0,95 — коэффициент, учитывающий влияние сопротивления грунта перед лидирующей лопастью;
Q — максимальное сдвигающее усилие;
d — диаметр рабочего органа;
Н — высота срезывателя, которая принимается не менее трех размеров диаметра.
Вращательный срез крестообразной лопастью-крыльчаткой (см. рис. 1.24) заключается в сдвиге по цилиндрической поверхности некоторого объема грунта (высотой H и диаметром d), соответствующего внешним размерам крыльчатки и измерении при этом крутящего момента.
Согласно ГОСТ 21719—80 в зависимости от вида и состояния грунта используются следующие виды крыльчатки:
•большая (Н = 200 мм; d = 100мм)— при испытаниях илов, торфов, заторфованных и пылевато-глинистых грунтов текучей и текучепластичной консистенции;
•средняя (H = 175 мм; d = 75 мм) — при испытаниях пылевато-глинистых грунтов мягкопластичной консистенции и уплотненных торфов;
• малая (H = 120 мм; d = 60мм) — при испытаниях пылевато-глинистыхгрунтов тугопластичной консистенции и заторфованных грунтов.
Крыльчатку обычно заглубляют в грунт ниже дна забоя скважины на глубину более 2,5d.
Сопротивление сдвигу X определяют по формул
(1.34)
где Ммах — максимальный крутящий момент;
В — постоянная крыльчатки
(1.35)
где d — диаметр крыльчатки;
H — высота крыльчатки