Лабораторные испытания грунта: задачи и методы проверки

Лабораторная проверка почвы – обязательный этап при анализе площадки для застройки и других работ. Данные необходимы для своевременного принятия мер по уплотнению и обеспечению несущей способности за счет усиления, частичной замены грунта. Это гарантирует устойчивость объекта и его безопасную эксплуатацию. Исследования при помощи стандартизированных методик позволяют оценить физические и механические свойства массы для проектирования, инженерных расчетов. К основным параметрам грунтов, которые учитывают при строительстве, относят: плотность, содержание влаги, гранулометрический состав, уровень пористости, прочность при сжимании.

Зачем анализировать почву?

При строительстве объектов, их эксплуатации здания, конструкции, магистрали влияют на породу, что может спровоцировать деформацию. Уровень изменений определяется свойствами грунта. Их изучение позволяет спрогнозировать и снизить риски проседания объекта, его смещения, появления трещин и других дефектов. Тестирование проводят до обустройства фундамента. Геологическая разведка – это постоянный мониторинг и проверка таких характеристик:

• плотность земельной массы с учетом гранулометрического состава породы, коэффициента уплотнения, фильтрации;
• химический состав, агрессивность, влияние на бетон, металлическую арматуру и другие элементы фундамента;
• несущие возможности и прочность;
• геологический разрез;
• предел сжатия;
• стойкость пластов к динамическому воздействию при насыщении водой;
• склонность породы к пучению при снижении температуры;
• уровень прослойки воды, линз.

Эти данные учитывают при проектировании расчете фундамента для новых зданий, при реконструкции существующих объектов, чтобы выбрать для усиления подходящие инженерные приемы. Точный перечень параметров зависит от типа грунта, стадии проектирования, уровня сложности здания, сооружения.

Проверка на сдвиг

Чтобы оценить способность земли к сдвигу, в отобранных образцах оценивают физико-механические свойства. Для каждого предусмотрено буквенное обозначение для дальнейшего применения в расчетных формулах:

• Т – сопротивление основы усилию сдвига. Силы прилагают в противоположные стороны, при этом на пласт постоянно воздействует еще и нагрузка по вертикали.
• С – коэффициент удельного сцепления фрагментов материала. Он показывает молекулярные связи в структуре земли.
• φ – угол внутреннего трения. Он относится к косвенным параметрам, показывает допустимый угол, под которым можно рыть котлован или обустраивать насыпь.

Образцы испытывают при вертикальных и горизонтальных нагрузках одновременно до тех пор, пока проба цилиндрической формы полностью не разрушится.

Оценка плотности материала

Предварительную оценку плотности горных пород выполняют при полевых изысканиях непосредственно на площадке под застройку. Чтобы более детально оценить свойства материала, полевое тестирование комбинируют с изучением в лаборатории по установленным стандартам.

Проверка плотности в лаборатории

В исследовательских центрах применяют две методики – компрессионную и стабилометрическую. Компрессионная технология позволяет:

• оценить устойчивость земляного основания;
• изучить несущую способность пластов;
• спрогнозировать деформацию породы.

Это основной метод изучения материала, что критически значимо для расчета фундамента и нагрузок от зданий. Задача исследования – узнать, как горные породы будут меняться под воздействием вертикальной нагрузки. По результатам тестирования можно спрогнозировать процессы деформации, просадки.

Стабилометрическая методика необходима для проверки физико-механических параметров грунта под действием усилий. При испытаниях проверяют, как деформируется и сопротивляется образец под вертикальными силами заданного уровня. Результат работ – данные о предельных возможностях материала, что важно для прогнозирования устойчивости скатов, риска оседания.

Камеральная диагностика

Она в геотехнике является завершающим этапом. Всю информацию, параметры специалисты обрабатывают и анализируют, интерпретируют, чтобы составить общую картину о состоянии и возможностях грунтов в пятне застройки. Она объединяет результаты полевых опций и тестирования в лабораторных условиях.

От точности интерпретации значений зависит правильность принятие решений при проектировании и на всех стадиях строительства, выполнение сметы и других отчетов. Это способ упорядочить массив данных, предоставить их в удобной для восприятия форме, сформировать структурированный отчет.

Что включает отчет?

Специально оборудованные испытательные центры тестируют образцы по перечню обязательных параметров и составляют отчет об инженерно-геологическом мониторинге участка. Анализ включает такие характеристики:

1. Просадочность – степень деформации горной породы под давлением. Методика регламентирована ГОСТ 23161-78.
2. Изменение земли с учетом уровня насыщения влаги. Набухание или усадку (уменьшение навески в размере) проверяют по ГОСТ 24143-80.
3. Прочностные характеристики по ГОСТ 12248-06. К ним относится несущая способность, механическая прочность, способность противостоять пластическим деформационным процессам.

Кроме этих свойств, исследуют фильтрационные возможности почвы – как быстро и сколько воды она может пропустить сквозь частицы естественным образом (под действием гравитации) либо после приложения нагрузки.

Методики для полевой проверки

Лабораторный анализ обычно комбинируют с полевыми манипуляциями, когда отобранные пробы тестируют непосредственно на площадке. Полевые испытания – первый шаг в оценке пятна застройки. В таких условиях определяют:

1. Деформируемость – способность горной породы менять объем под статическим влиянием сил. Методика испытаний стандартизированная, предусмотрена в ГОСТ 20276-85.
2. Предельное горизонтальное усилие – появление среза, когда прибор опускают в основу либо достают из скважины. Порядок тестирования и применяемое оборудование описаны в ГОСТ 21719-80.
3. Предельное срезающее усилие – характеристика, необходимая для диагностики скальных пород. Анализ выполняют в соответствии с ГОСТ 21719-80.

Если на площадке почва склонна к осадке в течение времени, дополнительно оценивают ее свойства при погружении зонда неподвижного типа.

Базовые методы исследования почвы

При полевых работах полученные пробы передают на анализ в сертифицированные лаборатории. Оценку выполняют по 4 базовым методам.

Компрессионное тестирование

Самый распространенный прием для диагностики материала. На пробу воздействует вертикальная нагрузка в виде штампа. Условия имитируют влияние на площадку подошвы фундамента объекта. Такие манипуляции показывают индекс удельного сжимания при постоянном влиянии статической нагрузки, уровень абсолютной сжимаемости.

В ходе испытаний рассчитывают модуль деформации частиц. который обозначают буквой Е, оценивают общие механические и прочностные свойства грунта, несущую способность его структуры.

Стабилометрическая методика

Это наиболее точный прием для контроля, поскольку, кроме вертикальной силы от штампа, на пробу действуют горизонтальные силы со всех сторон. Для этого используют трехосные приборы, определяют такие характеристики:

• сопротивление поперечному сдвигу в плоскости из-за влияния боковых усилий;
• глубина сжатия пласта основания, когда на почву оказывает действие комбинация от статической нагрузки здания и вес массива земли;
• глубинная плотность, которая возникает из-за малого коэффициента плотности и пластических деформаций нижерасположенных пластов и верхних слоев.

Применение штампа

Диагностику используют  для таких материалов:

• пластичные глинистые породы;
• песок мелкой и крупной фракции;
• твердые супеси и суглинки;
• основание со скальной породой с крупными фрагментами.

Площадку заранее подготавливают, фиксируют пресс и воздействуют им на поверхность. Усилие от штампа контролируют при помощи динамометра. Такой контроль обязателен, если на участке грунтовые воды расположены высоко, поскольку при работах можно оценить сжимаемость грунта при его насыщении влагой.

Использование свай

Анализ включает комплекс действий для всесторонней оценки:

1. Несущие возможности площадки проверяют за счет влияния статических сил на оголовок сваи.
2. После погружения и подъема висячего элемента узнают коэффициент трения по боковым граням.
3. Для тестирования смятия площадки к оголовку столба прикладывают горизонтальные усилия.
4. Сваи забивают молотом и одновременно проводят динамический анализ, определяют глубину погружения от одного удара.

Контроль выполняют при помощи обычных строительных свай и за счет эталонов составного типа, изготовленных из металла.

Применяемое оборудование

Сотрудники лаборатории и инженеры в полевых условиях используют специализированные приборы, которые регулярно проходят поверку, чтобы данные были точные. Для каждого способа диагностики стандарты предписывают отбирать определенное количество образцов (от 3 до 10), проводить анализы с повторением, чтобы получить достоверные результаты.

Оснащение лабораторий

Для статической проверки в испытательных организациях устанавливают трехосные машины. Вертикальные нагрузки изучают при помощи штамповой машины по стандартизированным методикам.

Для стабилометрических приемов применяют стабилометр – контейнер, оснащенный упругими бортами. Когда к пробе земли прикладывают нагрузку, на стенках установленные тензометры покажут боковое давление элементов породы. Нормируемые вертикальные силы обеспечивает одометр с прессом гидравлического типа. Это, как и стабилометр, емкость со стенками, куда вносят образцы породы, но у одометра стенки жесткие. За счет них при работе пресса (штампа) частицы основы пребывают в статической позиции.

Техника для полевых работ

В полевых условиях геологи работают со штампами двух категорий: для проходок шуфрами и котлованов, малого габарита для исследования скважин. Дополнительно инженеры используют шток, который передает нагрузку на штамп, динамометры, тензометры и другое оборудование.

Проверка сваями

Технология подразумевает работу со сваями погружного и забивного типа. Чаще контроль выполняют при помощи составного металлического элемента (эталона). Кроме этой основной детали для тестирования необходимы и другие приспособления:

• зонд для испытаний;
• конструкция из металла (опора балочного либо стержневого типа) для установки штампа, давления на основание;
• пресс или домкрат гидравлического типа, чтобы создавать усилие;
• поверенные приборы для замера и снятия данных;
• техника для оценки температуры на поверхности и в глубинных слоях для работы на мерзлой почве.

Стоимость испытаний

Изучение и оценка характеристик грунта – основной этап для начала проектирования. Анализ дает полное представление о площадке под строительство, свойствах, особенности почв, чтобы создать прочный фундамент. Показатели и результаты расчетов представляют в виде отчета, где отображена визуальная проверка, данные о физических параметрах и химическом составе земли, рекомендации о возможности монтажа на территории, методы для усиления. Дополняет пакет документов план местности, где отмечены точки для бурения, схемы расположения пластов горных пород.

Цена проверки зависит от объема работ – перечня характеристик, которые необходимо определить, поскольку каждый из параметров требует использования подходящего оборудования, квалифицированного персонала. Для полевых изысканий учитывают удаленность объекта и условия работы. Стоимость формируется при составлении технического задания, что содержит перечень действий, график, сроки. На проведение изысканий заключается договор, что гарантирует своевременное выполнение обязательств.