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

8.6.4.2. Для проведения опыта устраивается центральная скважина, в которую нагнетается вода, и наблюдательные скважины, в которых наблюдается уровень воды, устанавливающийся в зависимости от напора и расхода. Расчетная схема определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом опытных нагнетаний представлена на рис. 52.

Определение коэффициента фильтрации методом опытных нагнетаний должно производиться специализированной организацией на основании соответствующих инструкций.

где v_g - истинная скорость движения воды в грунте; v - скорость фильтрации; n - пористость, определяемая по формуле (112).

8.6.5.2. Определение действительных скоростей (v_g) движения грунтовых вод производится с помощью индикаторов. В качестве индикаторов применяются различные красящие вещества, например флуоресцин, который придает воде желто-красную окраску. Также применяются различные соли, наличие которых в воде определяется химическим путем или же по изменению электропроводности грунтовой воды. Применяются также пахучие вещества, как например, нашатырь, хлороформ, керосин и т.д.

8.6.5.3. Для проведения опыта делается центральная скважина, куда загружается индикатор, и несколько наблюдательных скважин, из которых через установленные промежутки времени берутся пробы воды. По взятым пробам воды в зависимости от загружаемого индикатора определяется содержание его в воде.

Расстояния наблюдательных скважин от центральной скважины зависят от водопроницаемости пород. На практике эти расстояния составляют 1-7 м.

8.6.5.4. Истинную скорость движения воды в порах изучаемого грунта можно определить по зависимости:

где l_s - расстояние между наблюдательной скважиной и центральной; t - промежуток времени от начала загрузки индикатора в центральную скважину до момента появления его в наблюдательных скважинах.

Имея карту гидроизогипс, можно определить направление движения потока и гидравлический градиент I. Зная гидравлический градиент и истинную скорость движения воды в грунте, по одной из вышеприведенных формул (138), (139) можно определить значение коэффициента фильтрации.

8.6.5.5. Таким образом, полученное значение коэффициента фильтрации (если определение его основано на местной скорости движения воды) может характеризовать в основном только участок, ограниченный наблюдательными скважинами. Поэтому метод индикаторов мало применяется при проведении инженерно-гидрогеологических изысканий. Самое главное в этом методе это точно определить время прохождения воды с индикатором от центральной скважины к наблюдательным при нагнетании, и от наблюдательных скважин к центральной - при откачках. Этот метод может быть использован лишь при наличии установившейся фильтрации в исследуемом грунте.

8.6.6.2. В соответствии с поставленной задачей экспериментальные исследования должны обеспечить возможность проследить за процессами, которые будут происходить в грунте ненарушенной структуры под воздействием фильтрационного потока. В данном случае для исследований принята схема, соответствующая случаю вертикальной фильтрации сверху вниз (рис. 53).

а) крышку прибора 1, в которой установлен манометр 2, термометр 3, трубу для удаления воздуха 4, а также переходный фланец напорной трубы 5;

б) металлический цилиндр 6, диаметр и высота которого определяются в зависимости от крупности частиц исследуемого грунта;

в) для наблюдения за пьезометрическим давлением по высоте цилиндра установлены пьезометрические оголовки 7, которые через трехходовые краники и штуцеры посредством резиновых шлангов соединяются со стеклянными трубками 8, смонтированными на щите;

г) напор на исследуемый образец грунта создается напорным баком 9, посредством наращивания фланцев напорной трубы. Перегородка 10 в напорном баке обеспечивает постоянство напора при исследовании;

д) вода из бака 11 насосом подается в напорный бак. Лишняя вода сливается из напорного бака через переливную стенку в сливной мерный бак 12;

е) минимальный диаметр прибора составляет 70 см, но не менее пяти диаметров фракций, содержащихся в исследуемом грунте в количестве 90% по массе.

8.6.6.4. Прежде чем приступить к установке прибора, определяется плотность грунта ненарушенной структуры и его гранулометрический состав. Берется не менее трех проб. Высота исследуемого образца грунта должна быть не менее его диаметра (или полутора диаметров). Сначала устраивается круговая траншея на требуемую глубину (ширина ее должна быть достаточной для работы). Стенки траншеи с наружной стороны могут быть наклонными.

Диаметр грунтового столба должен быть на 10-15 см меньше диаметра цилиндра.

Для этого необходимо изготовить шаблон по внутреннему диаметру столба грунта, чтобы в период отрывки траншеи можно было бы постоянно вести контроль. Необходимо также следить за тем, чтобы стенки столба грунта были вертикальными. После отрывки траншеи аккуратно устанавливается металлический цилиндр таким образом, чтобы зазор между столбом грунта и внутренней стенкой цилиндра получился приблизительно везде одинаковым. Сбоку цилиндра имеется шахта, в которой монтируется пьезометрический щит. Высота щита определяется величиной максимального напора.

До начала бетонирования пространства между цилиндром и столбом грунта гнезда пьезометрических оголовков на резьбе доводятся вплотную до исследуемого грунта. То же самое необходимо проделать и с монтажным винтом (рис. 54). Хорошее сцепление бетона с исследуемым грунтом обеспечит отсутствие контактной фильтрации.

Рис. 54. Конструкция пьезометрического оголовка

1 - гнездо пьезометрического оголовка; 2 - монтажный винт; 3 - корпус цилиндра; 4 - бетон;

5 - исследуемый образец грунта; 6 - штуцер; 7 - трехходовой кран; 8 - пьезометрический оголовок.
Расстояние между пьезометрами должно быть не менее 100 мм при исследовании мелких и среднезернистых грунтов и не менее 300-500 мм при исследовании крупнозернистых галечниковых грунтов. После затвердения бетона монтируются пьезометры и постепенно круговая траншея заливается водой до отметки верха испытуемого образца грунта, т.е. образец как бы исследуется в затопленном состоянии. Отметка уровня воды в траншее должна поддерживаться постоянной в течение всего опыта.

Напорный бачок устанавливается на требуемой высоте. Из бачка производится подача воды для замачивания образца грунта. При заданном напоре с течением времени должен наступить установившийся режим фильтрации.

8.6.6.5. Во время исследований при заданном напоре необходимо проводить следующие замеры и записи: показания пьезометров, температуры воды, давления по манометру, количества подаваемой воды в напорный бачок W_n и количество сливаемой воды W_s в сливной бак за время t. Количество профильтровавшейся воды W_f за время t определяется следующим образом:

W_f = W_n - W_s, см³; (142)

фильтрационный расход будет равен:

В пределах цилиндра (по его высоте) фильтрационные токи взаимно параллельны, поэтому площадь исследуемого образца грунта равна площади поперечного сечения потока. Делением фильтрационного расхода на площадь поперечного сечения потока (т.е. площадь исследуемого образца грунта) определяем среднюю скорость фильтрации, т.е.

где _g - площадь исследуемого образца грунта, которая определяется следующим образом:

_g = _c - _b, см², (145)

_c - площадь цилиндра; _b - площадь бетона.

8.6.6.6. На основании показаний пьезометров при заданном градиенте напора определяются потери напора на всю высоту исследуемого образца грунта h_ВБ-П1, а также их местные величины h_ВБ-П6, h_П6-П5, h_П5-П4, h_П4-П3, h_П3-П2 и h_П2-П1. Обозначим расстояние между пьезометрами ВБ-П1 через L, а расстояния между отдельными пьезометрами через l. Расстояния между пьезометрами лучше делать одинаковыми. Можно вычислить средний I_s и местные I_m градиенты напора по зависимостям:

I_s = h_ВБ-П1 / L; (146)

I_m = h_ВБ-П6 / l = h_nx-ny / l. (147)

8.6.6.7. При известных значениях средней скорости фильтрации, средних градиентов напора и местных градиентов можно определить значение среднего коэффициента фильтрации K_s и местные величины K_m по формулам:

Исследование продолжается до тех пор и при таких градиентах, пока не произойдет механическая суффозия. О начале суффозии можно судить по изменению величин местных градиентов и местных значений коэффициентов фильтрации.

8.6.6.8. После окончания опыта определяется (известными способами) плотность исследуемого образца грунта и его гранулометрический состав. Сравнивая гранулометрические кривые исследуемого грунта до и после опыта, можно определить, какие частицы были вымыты фильтрационным потоком.
8.6.7. Определение коэффициентов фильтрации грунтов расчетным методом
8.6.7.1. Перед тем, как определять коэффициент фильтрации грунтов в натурных условиях, рекомендуется находить его расчетным методом по формуле:

, см/с (150)

где v - коэффициент кинематической вязкости воды, см²/с; g - ускорение силы тяжести, см/с²; K_60,10 - коэффициент разнозернистости; n - пористость (см. формулу 112); d₁₇ - диаметр частиц 17%-обеспеченности, содержащихся в грунте, см.

Для определения коэффициента кинематической вязкости воды v построен график на рис. 55, где по оси абсцисс отложено значение температуры воды, а по оси ординат значение v.

Рис. 55. График зависимости коэффициента кинематической вязкости воды от температуры
8.6.7.2. По формуле (150) можно, при известном гранулометрическом составе грунта и его пористости, определить значение коэффициента фильтрации мелкозернистых, крупнозернистых, песчано-гравелистых, гравелистых, щебенистых и галечниковых грунтов (т.е. всех несвязных грунтов), а также смеси грунтов с любым значением коэффициентов разнозернистости, т.е. при K_60,10  1.

По этой же формуле можно с достаточной для практических целей точностью определить коэффициент фильтрации моренных грунтов, используемых для устройства противофильтрационных элементов плотин, возводимых на Крайнем Севере.

8.6.7.3. Было собрано большое количество данных по определению коэффициентов фильтрации грунтов методами, изложенными в пп.8.6.2-8.6.6. Эти данные нанесены на график рис. 56, где по оси абсцисс отложены величины коэффициента фильтрации, а по оси ординат диаметр частиц, содержащихся в грунте 17 % (d₁₇ мм и меньше). На этом же графике нанесено большое количество точек, полученных при определении коэффициента фильтрации грунтов лабораторными методами на установках типа Дарси. Там же нанесены значения коэффициентов фильтрации щебенистых грунтов.

Рис. 56. Экспериментальная зависимость коэффициента фильтрации от величины d₁₇ область рыхлой смеси грунта: K_60,10 > 1; область плотной смеси грунта: K_60,10 > 1;

1 - коэффициент фильтрации щебенистого грунта, полученный в лабораторных условиях;

2 - грунты, коэффициент фильтрации которых получен в натурных условиях;

3 - грунты, коэффициент фильтрации которых получен в лабораторных условиях.
8.6.7.4. Как видно из графика рис. 56, все точки значений коэффициента фильтрации, определенного в натурных условиях, а также лабораторными методами, лежат в области, границы которой представлены двумя линиями. Причем эти границы в двойных логарифмических координатах имеют линейную зависимость. Точки, нанесенные на график, охватывают большой диапазон значений коэффициента разнозернистости грунтов, который колебался в пределах 1  K_60,10  1200. На графике выделены две области:

область I: рыхлые смеси грунта;

область II: плотные смеси грунта.

Следовательно, по графику рис. 56 можно достаточно точно при известном гранулометрическом составе найти по средней линии значение коэффициента фильтрации. На основании вышеизложенного следует, что для определения коэффициента фильтрации нет необходимости всегда проводить дорогостоящие натурные опыты, а находить его следует расчетным методом или по графику рис. 56. Определение коэффициента фильтрации песчано-гравелистых, гравелистых и галечниковых грунтов, а также щебенистых и всех суффозионных грунтов производить только по зависимости (150).

8.7.2. Испытаниям подвергают все основные несущие слои грунтов. Мощность испытываемого слоя не должна быть менее полутора-двух диаметров (ширины) штампа. При неоднородных напластованиях испытания производятся послойно. Для каждого слоя грунта значение модуля деформации принимается равным среднему из результатов нескольких определений.

8.7.3. Испытание грунта статическими нагрузками производят в открытых или подземных горных выработках (шурфах, котлованах, буровых скважинах, штольнях, штреках и т.п.) путем загружения штампа. Испытания в шурфах, котлованах, штольнях, штреках и т.п. выполняют для грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод; в буровых скважинах - только для песчаных и глинистых грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод на глубинах не более 15 м, при отсутствии грунтовых вод на глубинах от 6 до 15 м, считая от отметки устья скважин.

8.7.4. Для испытаний в шурфах, котлованах, штольнях, штреках и т.п. применяют жесткий круглый плоский глухой штамп площадью F:

2500 см² - в плотных песчаных грунтах и глинистых грунтах, имеющих показатель текучести I_L  0,25;

5000 см² - в крупнообломочных грунтах и песчаных грунтах средней и рыхлой плотности, а также в глинистых грунтах, имеющих показатель текучести I_L > 0,25.

Примечание: Допускается применение штампа площадью 1000 см², но обязательно с жесткой кольцевой пригрузкой грунта по площади, дополняющей площадь штампа до 500 см². Пригрузка должна быть равной природному давлению p_b МПа на грунт (давление массы столба грунта от отметки рельефа места испытания до отметки подошвы штампа).
8.7.5. Для испытания в буровых скважинах применяют жесткие круглые штампы площадью 600 см²:

плоский глухой штамп - в песчаных грунтах, залегающих выше уровня грунтовых вод, и в глинистых грунтах, имеющих показатель текучести I_L  0,75;

плоский фильтрующий штамп - в глинистых грунтах, имеющих показатель текучести 0,75 < I_L  1,0;

штамп, совмещенный с ножами - зачистителями забоя, - в песчаных грунтах, залегающих ниже уровня грунтовых вод и в глинистых грунтах, имеющих показатель текучести I_L > 1,0.

8.7.6. Испытания выполняют с предварительным уплотнением грунта нагрузкой, равной природному давлению p_b, МПа на грунт на отметке подошвы штампа, но не менее 0,05 МПа. Предварительное уплотнение грунта и последующую загрузку штампа производят ступенями нагрузок p, МПа:

для крупнообломочных и плотных песчаных грунтов - по 0,1 МПа;

для песчаных грунтов средней плотности - по 0,05 МПа и рыхлых - по 0,025 МПа;

для глинистых грунтов в зависимости от величин I_L и e - по табл. 43.

Примечание. В первую ступень нагрузки предварительного уплотнения включают вес деталей установки, не снимаемых противовесами и оказывающих давление на штамп.
Таблица 43

Показатель текучести грунта IL	Величины ступеней нагрузок p, МПа, при коэффициенте пористости
	0,5	0,5-0,8	0,8
IL < 0,25	0,1	0,1	0,05
0,25  IL  0,75	0,1	0,05	0,05
IL > 0,75	0,05	0,025	0,025

8.7.7. При предварительном уплотнении грунта каждую ступень нагрузки p выдерживают:

для крупнообломочных и песчаных грунтов - 5 мин,

для глинистых грунтов - 30 мин.

Конечную ступень нагрузки p предварительного уплотнения выдерживают до условий стабилизации осадки. За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа, не превышающее 0,1 мм, за время:

для крупнообломочных и песчаных грунтов - 1 ч,

для глинистых грунтов - 2 ч.

При последующей загрузке штампа каждую ступень нагрузки p выдерживают до условий стабилизации осадки, но не менее времени выдерживания предыдущей ступени нагрузки p. Общее количество ступеней нагрузок, включая конечную ступень нагрузки предварительного уплотнения, соответствующую p_b, должно быть не менее пяти.

8.7.8. Осадку штампа измеряют как среднее арифметическое из показаний двух прогибомеров, фиксирующих осадку двух противоположных сторон штампа. Измерение осадок производят с точностью 0,1 мм.

Прогибомеры, измеряющие осадку штампа, должны иметь паспорт, подтверждающий точность измерения 0,1 мм и прохождение государственной проверки. Для соединения штампа с прогибомером применяют нить (проволоку), предварительно подвергнутую оттягиванию в течение двух дней грузом 4 кг.

8.7.9. Отсчеты по прогибомерам после приложения каждой ступени нагрузки (включая и нагрузку конечной ступени предварительного уплотнения) производят:

при испытании крупнообломочных и песчаных грунтов - через каждые 10 мин в течение первого часа и через каждые 20 мин в течение второго часа. Далее через каждый час до условной стабилизации (п.8.7.7);

при испытании глинистых грунтов - через каждые 15 мин в течение первого часа и через 30 мин в течение второго часа. Далее через каждый час до условной стабилизации (п.8.7.7).

8.7.10. Нагрузки на штамп передают гидравлическим домкратом грузоподъемностью не более 50 т или любым тарированным грузом. При передаче нагрузки тарированным грузом для его укладки применяют платформу, снабженную с нижней стороны стойкой, центрированной по отношению к платформе. Гидравлический домкрат или стойку платформы устанавливают на штамп строго по центру последнего.

8.7.11. Модуль деформации (сжимаемости) E, МПа, грунта вычисляют для прямолинейного участка зависимости осадки S_h, см, штампа от удельной ступени нагрузки p, МПа, по формуле:

E = (1 - ²)  · d (p / S_h), (151)

где  - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 - для крупнообломочных пород, 0,30 - для песков и супесей, 0,35 - для суглинков и 0,42 - для глин;  - безразмерный коэффициент, зависящий от местности штампа и формы его подошвы, принимаемый равным 0,8; d - диаметр штампа, см; p - приращение удельной ступени нагрузки на штамп между p_b и p, МПа: S_h - приращение осадки штампа, см, соответствующее p.

8.7.12. Для вычисления модуля деформации E, МПа, в процессе проведения испытаний строят график зависимости S_h = f(p), откладывая на оси абсцисс величины p и по оси ординат - соответствующие им условно стабилизированные значения S_h (п.6). Масштаб графика принимают:

для p (по горизонтали) 0,1 МПа равен 40 мм;

для S_h (по вертикали) 1 мм равен 10 мм.

Через четыре опытные точки, нанесенные на график, проводят рассчитанную методом наименьших квадратов осредняющую прямую. За начальные значения p₀ и S₀ (первая опытная точка, включаемая в осреднение) принимают удельную нагрузку, равную p_b (п.8.7.6), и осадку, соответствующую этой нагрузке. За конечные значения p_n и S_n принимают значения p_i и S_i, соответствующие четвертой точке.

В случае, когда при нагрузке p_i приращение осадки будет вдвое больше, чем для предыдущей ступени нагрузки p_i-1, a при последующей ступени нагрузки p_i+1 приращение осадки будет равно или больше приращения осадки при p_i, за конечные значения p_n и S_n принимают p_i-1 и S_i-1. При этом количество точек, включаемых в осреднение, должно быть не менее трех. В противном случае при испытании грунта необходимо применять меньшие по величине ступени удельных нагрузок (п.8.7.6).

Примечание: для построения осредняющей прямой допускается использование графических методов.

8.7.14. Место испытания должно быть расположено вблизи технической выработки (не далее 10 м) и иметь высотную отметку, увязанную с репером. Количество повторных испытаний устанавливается заданием на проведение изысканий. Монтаж и демонтаж установки производят в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию установки.