Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве

8.9.3.2. Установки статического зондирования в большинстве случаев состоят из следующих узлов: зонда (включающего наконечник и штанги), домкрата или домкратов (винтовых, реечных, гидравлических или др.) для вдавливания зонда; анкерных свай (или балласта) для нейтрализации реактивного давления; измерительной аппаратуры для регистрации общего сопротивления пенетрации и сопротивления пенетрации наконечнику зонда. Наиболее распространенными и совершенными являются установки: СПК, разработанная ВСЕГИНГЕО; УЗК-3 конструкции института Фундаментпроект; С-832 БашНИИстроя; С-979 (СП-36) и СП-59.

Основные параметры оборудования для определения статического зондирования приведены в табл. 50.
Таблица 50

Состав оборудования и его характеристика	Основные параметры оборудования
Головка зонда:
геометрическая форма конструкции	Конус с углом при вершине 60°
диаметр основания, мм	36
Штанги зонда:
диаметр, мм	36
Механизм вдавливания
предельные величины усилия вдавливания, кг:
конуса в грунт	Не менее 5000
зонда в целом	Не менее 10000
Скорость погружения зонда, м/мин	0,2-3,0
Приборы регистрации зондирования
схема измерения сопротивления грунта	Общее сопротивление грунта по боковой поверхности зонда или сопротивление грунта на участке боковой поверхности, примыкающем к конусу
специальная рейка	Цена деления шкалы рейки 1 см

Примечание: конструкция зонда должна обеспечивать раздельное определение сопротивления грунта конусу и по боковой поверхности зонда.

- равномерное вдавливание зонда с периодической - через 20 см (при резких изменениях сопротивления грунта конусу зонда p_к - через 10 см) регистрацией величины сопротивления грунта вдавливанию или непрерывной автоматической записью этих величин на диаграммных лентах приборов;

- поднятие штока домкрата (или захватывающего устройства) в верхнее положение и наращивание (по мере необходимости) следующего звена штанг.

8.9.3.4. Для определения характеристик грунтов и несущей способности свай скорость погружения зонда должна сохраняться постоянной - около 0,5 м/мин. Скорость извлечения зонда не ограничивается.

8.9.3.5. Результаты статического зондирования следует оформлять в виде совмещенных графиков изменения по глубине удельного сопротивления грунта конусу зонда p_к и общего сопротивления грунта боковой поверхности зонда p₀, или на графиках следует показать значения удельного сопротивления грунта на участке боковой поверхности зонда на данной глубине p_h.

8.9.3.6. Графики статического зондирования следует выполнять, как правило, в следующих масштабах:

по вертикали - глубина зондирования - 1:100;

по горизонтали - удельное сопротивление грунта конусу зонда p_к в 1 см - 2 МПа;

по горизонтали - общее сопротивление грунтов трению по боковой поверхности зонда p₀ в 1 см - 0,5 т;

по горизонтали - удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности зонда на данной глубине p_h в 1 см - 1 т/м².

8.10.2. При заглублении крыльчатки в грунт ниже дна выработки на величину более h_l срез грунта происходит по полной поверхности цилиндра высотой h_l и диаметром D_l.

При заглублении крыльчатки в грунт ниже дна выработки на величину менее h_l срез происходит по боковой поверхности цилиндра, имеющего высоту, равную заглублению крыльчатки, и его нижнему основанию диаметром D_l.

8.10.3. Для глинистых грунтов текучей и мягкопластичной консистенции испытания лопастным прибором являются единственным методом определения сопротивления сдвигу, так как отобрать из них образцы грунта для лабораторных испытаний практически невозможно.

8.10.4. Испытания лопастными приборами связных грунтов позволяют определить две их характеристики:

а) сопротивление сдвигу, которое оказывается близким по величине прочности на сдвиг, определяемой испытаниями одноосным сжатием;

б) чувствительность (структурную прочность), которая характеризует влияние нарушения структуры на прочность грунта и определяется отношением между сопротивлением грунта сдвигу в ненарушенном и нарушенном состояниях.

При этом следует учитывать, что испытания лопастным прибором не позволяют определять раздельно величины сцепления c и угла внутреннего трения .

8.10.5. Используя данные испытаний грунта лопастными приборами для грунтов текучей и мягкопластичной консистенции, в расчетах обычно принимают, что получаемое общее сопротивление сдвигу равно сцеплению грунта; это близко к действительности, так как для этих грунтов угол внутреннего трения очень мал.

8.10.6. Испытания грунтов лопастным прибором чередуются с бурением скважины, необходимость обсадки которой определяется состоянием проходимых грунтов. Глубина испытаний обычно ограничивается 10-12 м. Бурение скважины заканчивают выше отметки очередного испытания с тем, чтобы крыльчатка при испытании находилась ниже забоя скважины не менее чем на 5 D_l.

8.10.7. Крыльчатку, опущенную в забой скважины на штангах, вдавливают (или забивают) в грунт до заданной глубины испытания. Вращают крыльчатку с помощью специального устройства-головки, устанавливаемой под устьем скважины и соединяемой с крыльчаткой штангами. Вращая крыльчатку со скоростью 0,1-0,2° в 1 с, производят срез грунта в ненарушенном состоянии и фиксируют значение максимального крутящего момента.

8.10.8. После окончания испытания по определению сопротивления грунта сдвигу производят пять-шесть полных оборотов крыльчатки и фиксируют значение крутящего момента, соответствующее прочности грунта на сдвиг в нарушенном состоянии, затем прибор снимают, крыльчатку и штанги извлекают, а скважину доуглубляют для последующего испытания.

В тех случаях, когда срез грунта крыльчаткой происходит по полной поверхности цилиндра, сопротивление грунта сдвигу определяется по формуле:

 = M_max,к / K_к (157)

где  - сопротивление грунта сдвигу, МПа; M_max,к - максимальный крутящий момент, кг·см; K_к - постоянная, зависящая от ширины лопасти D_l и высоты h_l крыльчатки, см³:

. (158)

8.10.9. Чувствительность грунта определяется как отношение сопротивлений грунта сдвигу в ненарушенном и нарушенном состояниях или отношение максимального крутящего момента к моменту, зафиксированному после пяти-шести полных оборотов крыльчатки.

По степени чувствительности глинистые грунты подразделяют на следующие:

малочувствительные (чувствительность 1-4);

чувствительные (чувствительность 4-8);

сверхчувствительные (чувствительность более 8).

8.10.10. Наиболее распространенными лопастными приборами являются: СП-52, разработанный Фундаментпроектом; лопастной прибор конструкции ВНИИ транспортного строительства; сдвигомер СК-8, сконструированный в Калининском политехническом институте.
9. КОНТРОЛЬ ЗА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАЗНОЗЕРНИСТЫХ ГРУНТОВ, УКЛАДЫВАЕМЫХ В СООРУЖЕНИЯ ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
9.1. Для возведения каменно-земляных плотин (ядер, экранов, призм, переходных зон, фильтров) используются грунтовые материалы с большим значением коэффициента разнозернистости K_60,10 (K_60,10 = d₆₀ / d₁₀), причем коэффициент разнозернистости грунтов, укладываемых в различные зоны плотины, изменяется в очень больших пределах. Например, для галечниковых призм Нурекской плотины (табл. 51) коэффициент разнозернистости изменяется от 25 до 600. При таком большом диапазоне изменения коэффициента разнозернистости очень трудно назначать начальную плотность укладываемого грунта и не менее трудно разработать методику контроля за грунтом, вкладываемым в призмы плотины. В табл. 51 приводятся данные изменения физико-механических характеристик грунтов, уложенных в Нурекскую плотину.

9.2. Известно, что при одинаковой форме частиц грунта, входящих в его состав, с увеличением коэффициента разнозернистости плотность сухого грунта увеличивается и уменьшается пористость грунта. Для того, чтобы осуществлять контроль за плотностью грунта, укладываемого в сооружение (при большом диапазоне изменения его коэффициента разнозернистости), следует пользоваться зависимостями:

для сыпучих грунтов _d = f (K_60,10),

для глинистых грунтов _d = f (P_%),

где K_60,10 = d₆₀ / d₁₀ - коэффициент разнозернистости; P_% - процентное содержание мелкозема.

Зависимости _d = f (K_60,10) и _d = f (P_%) могут быть получены в самый начальный период укладки грунтов непосредственно в профильные объемы сооружения. Для построения этих зависимостей необходимо иметь не менее 50 характеристик гранулометрического состава грунтов, уложенных в сооружение, и соответствующие этим составам грунта: плотность сухого грунта _d, коэффициент разнозернистости K_60,10, влажность W, процентное содержание мелкозема P_% (только для связных грунтов), плотность частиц _s материала грунта. По перечисленным выше данным расчетным путем определяются следующие величины:

- пористость грунта n, по формуле (112);

- коэффициент пористости e, по формуле (111);

- приведенный коэффициент пористости e_0e, по формуле

(159)

По полученным данным строятся следующие кривые обеспеченности (рис. 59):

- коэффициент разнозернистости;

- плотности сухого грунта;

- приведенного коэффициента пористости;

- влажности для глинистых грунтов;

- мелкозема в составе глинистого грунта.

Таблица 51

№№ пп.	Материал	s, т/м3	d, т/м3, 50% обеспеченности	K60,10 50% обеспеченности	50% обеспеченности	n	e = n / (1 - n) 50% обеспеченности	e0e 50% обеспеченности	d т/м3 10% обеспеченности	d т/м3 90% обеспеченности	K60,10 ВП	K60,10 НБ	x	Пf	
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	19
1	Низовой фильтр	2,7	1,93	11,0	1,49	0,29	0,410	0,610	2,10	1,88	9,0	15,0	1,83	0,294	0,34
	II слой
2	Пригрузка откоса	2,7	2,00	11,0	1,49	0,26	0,357	0,530	2,14	1,87	18,0	7,0	1,59	0,290	0,34
3	Низовой фильтр	2,7	2,10	40,0	1,85	0,22	0,282	0,520	2,20	1,99	100,0	5,0	1,56	0,250	0,26
	I слой
4	Верховой фильтр	2,7	2,11	150,0	2,30	0,20	0,251	0,575	2,20	2,06	100,0	100,0	1,73	0,212	0,17
5	Галечниковая призма	2,7	2,23	600,0	2,90	0,18	0,220	0,64	2,46	2,19	300,0	25,0	1,90	0,192	0,34

, %	K60,10 = d60 / d10		d
10		10
20		20
.	.	.	.
.	.	.	.
.	.	.	.
90		90

По данным столбцов 2 и 4 табл. 52 строится график _d = f (K_60,10) (рис. 60). По кривым обеспеченности, приведенным на рис. 59, составляется табл. 53.

Таблица 53

, %	d		P%
10		90	P90%
20		80	P80%
.	.	.	.
.	.	.	.
.	.	.	.
90		10	P10%

По данным столбцов 2 и 4 табл. 53 строится график _d = f (P_%), рис. 61. По кривым обеспеченности, приведенным на рис. 59, составляется табл. 54

, %	d		W%
10		90	W90%
20		80	W80%
.	.	.	.
.	.	.	.
.	.	.	.
90		10	W10%

По данным столбцов 2 и 4 табл. 54 строится график _d = f (W), рис. 62.

На графиках, построенных по данным табл. 52, 53, 54, необходимо нанести кривые (2 и 3), ограничивающие допускаемые отклонения.

График _d = f (K_60,10) на рис. 60 должен иметь ограничения по минимальному допускаемому значению плотности (_d,min) и по минимальному допускаемому коэффициенту разнозернистости грунта (K_60,10,min). Минимальная плотность грунта определяется из условия обеспечения прочностных (сдвиговых) характеристик материала, а минимальный коэффициент разнозернистости - из условия деформативности (поскольку при малых значениях коэффициента разнозернистости грунта и при больших давлениях происходит раздавливание, а также большое смятие камней, что влечет за собой большие деформации). Проведенные исследования показали, что для несвязных грунтов коэффициент разнозернистости следует принимать K_60,10,min  20.

График _d = f (P_%) на рис. 61 должен иметь ограничение по минимальному (P_%min) и максимальному (P_%max) содержанию мелкозема, а также по минимальному значению плотности _min.

График _d = f (W) на рис. 62 должен иметь ограничение по допускаемой минимальной (W_min) и максимальной (W_max) влажности, а также по минимальной допускаемой плотности.

Для контроля глинистых грунтов можно по данным табл. 53 и 54 построить совмещенный график, показанный на рис. 63. Графики, построенные на рис. 60-63, служат основой для контроля физико-механических характеристик разнозернистых грунтов, укладываемых в сооружение. На этих графиках имеются заштрихованные зоны I, II и III. Площадью этих зон ограничивается допускаемое отклонение характеристик уложенных грунтов, контролируемый в полевых условиях.

9.3. Для оценки неоднородности физико-механических характеристик грунтов, укладываемых в сооружения, может быть использован следующий упрощенный способ определения коэффициентов неоднородности:

а) коэффициент неоднородности коэффициента разнозернистости грунтов:

; (160)

б) коэффициент неоднородности плотности сухого грунта:

в) коэффициент неоднородности влажности грунта:

г) коэффициент неоднородности процентного содержания мелкозема:

д) коэффициент неоднородности приведенного коэффициента пористости, характеризующей степень уплотнения грунта:

где П_i - процент обеспеченности в долях единицы.

Аналогично приведенным выше могут быть построены кривые обеспеченности и кривые связи для других физико-механических характеристик грунтов.

При укладке в плотины разнозернистых сыпучих и глинистых грунтов получается большая неоднородность их физико-механических характеристик. Отсутствие надлежащего контроля за технологией разработки грунтов в карьерах и укладки их в сооружения (разравнивание на карте, увлажнения, уплотнения и т.п.) может существенно влиять на неоднородность характеристик уложенных грунтов.

Для того, чтобы сооружение было возведено из грунтов с большими коэффициентами разнозернистости, но с однородными физико-механическими характеристиками, необходимо, чтобы значения коэффициентов неоднородности _, _W, , , _p и другие изучаемые и контролируемые характеристики были бы постоянными (с учетом допускаемых отклонений) в любой точке тела сооружения.

По графику обеспеченности приведенного коэффициента пористости находятся три значения , , .

Подставляя эти значения в формулу

, (165)

можно построить кривые, ограничивающие допускаемые отклонения (кривые 2 и 3 на рис. 60). Кривая, построенная при значении будет совпадать с кривой, построенной по данным табл. 52. По кривой обеспеченности можно брать любые значения приведенного коэффициента пористости в пределах 10 %   90% обеспеченности.

Для того, чтобы обеспечить равномерную деформативность уложенных грунтов в призмы, обратные фильтры, переходные зоны плотины, необходимо, чтобы значения приведенных коэффициентов пористости были бы одинаковыми в любой точке грунта, уложенного в сооружение.

Из табл. 51 (столбец 9) видно, что значения приведенного коэффициента пористости e_0e различных по своему грансоставу грунтов, уложенных в тело Нурекской плотины, почти одинаковы и в среднем равны = 0,57. Поскольку e_0e является почти постоянной величиной для всех грунтов, уложенных в тело плотины, можно сделать вывод, что степень уплотнения грунтов везде одинакова. Следовательно, и их деформативные свойства будут одинаковыми при одинаковых условиях их работы в сооружении.

				d, т/м3
5	1,30	1,87	3,51	1,88
10	1,47	2,04	3,97	1,95
50	1,92	2,49	5,18	2,08
100	2,15	2,72	5,80	2,13
200	2,42	2,99	6,54	2,19
300	2,59	3,16	7,00	2,21
400	2,72	3,29	7,34	2,23
500	2,82	3,39	7,60	2,24
600	2,90	3,47	7,83	2,26
700	2,98	3,55	8,05	2,27

почти не отличаются от значений пористости, полученной по опытным данным. Такое совпадение значений пористости грунтов, уложенных в тело Нурекской плотины, подтверждает возможность использования формулы (166) для нахождения пористости при известном гранулометрическом составе грунта.

В табл. 51 (столбец 14) приводятся данные значений коэффициента раскладки, а в столбце 16 - коэффициента неоднородности плотности грунтов, уложенных в тело Нурекской плотины.

9.4. Для оценки деформативных свойств несвязных грунтов, уложенных в плотины, необходимо определять величину относительной плотности I_d по формуле (2).

Значения коэффициентов пористости e_max и e_min, входящие в формулу (2), определяются опытным путем с помощью мерного бака. Размеры бака зависят от гранулометрического состава исследуемого грунта и должны удовлетворять условию (107).

В мерный бак два раза засыпается исследуемый грунт и определяется плотность сухого уложенного грунта. Сначала грунт насыпается послойно, равномерно (без сбрасывания его с высоты), совсем не уплотняется и определяется плотность сухого насыпного грунта, т.е. _dmin; затем грунт насыпается в бак второй раз и после максимально возможного его уплотнения определяется плотность сухого грунта _dmax.

Коэффициенты пористости определяются по формулам:

e_max (_s - _dmin) / _dmin; (167)

e_min (_s - _dmax) / _dmax; (168)

e_x = (_s - _d,x) / _d,x; (169)

где _s - плотность частиц укладываемого грунта; e_max - коэффициент пористости грунта при рыхлом сложении; e_min - коэффициент пористости грунта при плотном сложении; e_x - коэффициент пористости уложенного грунта.

Практически для горной массы и гравийно-галечных грунтов определять e_max и e_min с помощью мерного бака почти невозможно.

С достаточной для практических целей точностью можно пользоваться данными исследований по изучению модельных грунтов. Модельный грунт должен подбираться с различными значениями коэффициента разнозернистости. Форма частиц модельного грунта должна соответствовать форме частиц укладываемого грунта (т.е. модельный грунт должен подбираться из грунта, укладываемого в плотину).

Подробно об определении коэффициента относительной плотности I_d (выраженного через приведенные значения коэффициента пористости) изложено в приложении 4.