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

Нормальное напряжение  передают ступенями по 0,05 МПа до суммарной величины 0,2 МПа и далее по 0,1 МПа.

Каждую ступень для песчаных грунтов выдерживают 2 мин; для глинистых грунтов - 5 мин. Конечную ступень для песчаных грунтов выдерживают 5 мин; для супесей - 30 мин; суглинков и глин - 1 ч.

Примечание. Если предварительное уплотнение образца грунта производилось в подводном состоянии, то перед разгрузкой образца удаляют воду из ванны уплотнителя и после разгрузки освобождают образец от арретира, а ванну срезной коробки заполняют водой после передачи напряжения  = 0,1 МПа.

а) если ' сообщается ступенями, то устанавливают индикатор, измеряющий деформации среза l мм, и отмечают его показание; присоединяют к срезной коробке срезающее устройство и передают с помощью его ступени ', снимая показания индикатора через 1 мин с момента приложения каждой ступени до условной стабилизации.

По данным условно стабилизированных значений l строят график зависимости l = f ('), вычитая из каждого значения  поправку на трение в приборе.

Величину поправки находят по заранее построенной тарировочной кривой.

Примечание. Массу Q ступеней ' вычисляют по формуле:

Q = 0,05 ·  · F · a,

где F - площадь поперечного сечения кольца-обоймы, см²; a - отношение плеч рычага-ворота срезающего устройства (например, a = 1:10);

7.17.2.30. За сопротивление образца грунта срезу  принимают максимальное значение ', найденное на графике l = f (') или диаграмме среза на отрезке l, не превышающем 5 мм. Если ' возрастает монотонно, то за  принимают ' при l = 5 мм.

7.17.2.31. Нормативные параметры среза tg и c вычисляют по формулам в соответствии с указаниями раздела 10:

, (82)

, (83)

где n - число определений ;  - величина угла.

7.17.2.32. Результаты вычисления  и c сопровождаются указаниями номенклатурного наименования вида грунта, состояния по сложению (ненарушенное или нарушенное), условий определений  (в водонасыщенном состоянии, с применением или без применения арретира для набухающих грунтов, при сохранении природной или заданной влажности), величин , при которых было получено каждое значение , а также характеристик e, c и W до предварительного уплотнения и e после предварительного уплотнения.

В тех случаях, когда консолидация глинистых грунтов происходит значительно медленней, чем возведение сооружения, а также при особых случаях нагружения рекомендуется производить опыты по определению характеристик прочности, соответствующих нестабилизированному состоянию грунтов, т.е. быстрые сдвиги (по схеме 1) при разной степени консолидации образцов. Опыты по схеме быстрого сдвига проводятся при разном времени уплотнения под вертикальной нагрузкой, в том числе и без всякого уплотнения. Сдвигающее усилие прикладывается к образцу непрерывно или ступенями в течение 2-3 мин.

Для всех опытов на срез производится определение влажности и плотности сухого грунта до и после опыта. После опыта определение влажности производится на пробах из зоны сдвига.
7.17.3. Испытание грунтов в приборах трехосного сжатия
7.17.3.1. При изучении характеристик прочности грунтов их испытание важно производить в условиях силовых воздействий, аналогичных или близких к природным. Этим условиям в известной мере удовлетворяет метод испытания пород в приборах трехосного сжатия, называемых стабилометрами (ГОСТ 26518-85).

7.17.3.2. В стабилометрах образец грунта цилиндрической формы в тонкой резиновой оболочке помещают в камеру прибора между верхним и нижним штампами (рис. 25). Всестороннее (в стабилометрах типа А) или только боковое (в стабилометрах типа Б) давление на образец передается при помощи воды, глицерина или другой жидкости, нагнетаемой в камеру. В стабилометрах типа А помимо всестороннего давления (равного боковому) через шток при помощи пресса, на образец передается осевое давление. Следовательно, в таких стабилометрах осевое давление не может быть меньше бокового. В стабилометрах типа Б, в отличие от типа А, боковое давление не является одновременно и всесторонним. Осевое давление на образец здесь передается непосредственно через поршень независимо от бокового и, в частности, может быть меньше последнего.

Если в стабилометрах всестороннее или боковое давление поддерживать постоянным, а осевое постепенно увеличивать, то образец грунта можно довести до разрушения. Этого же можно достичь, если осевое давление сохранять постоянным, а всестороннее уменьшать.

Рис. 25. Схема конструкции стабилометров

а) - типа А; б) - типа Б; 1 - шток; 2 - верхний и нижний поршни; 3 - резиновая оболочка;

4 - камера; 5 - краны; 6 - образец.
7.17.3.3. Испытаниям в приборах трехосного сжатия для определения прочности могут подвергаться скальные, полускальные, песчаные и другие рыхлые несвязные и глинистые грунты. Особенно целесообразно применять такие испытания для слабых водонасыщенных глинистых и илистых грунтов, т.к. это позволит наиболее правильно определить характеристики прочности грунта в неконсолидированном состоянии.

7.17.3.4. Для испытания глинистых грунтов методом раздавливания рекомендуются приборы трехосного сжатия (с диаметром образца не менее 4 см и высотой не менее двух диаметров), оснащенные аппаратурой для измерения порового давления в образце в процессе опыта. Конструкция прибора должна обеспечивать возможность проведения опытов как в условиях открытой системы (свободный отток воды из образца при его уплотнении), так и в условиях закрытой системы (отсутствие оттока воды из образца). Основные схемы испытаний образцов в приборах трехосного сжатия следующие:

а) раздавливание консолидированных образцов. Испытания проводятся в условиях открытой системы с дренированными образцами. Образцы уплотняются всесторонним давлением, равным максимальному для данной серии опытов, до стабилизации (полного рассеивания порового давления). Раздавливание образцов производится при нескольких (не менее трех) величинах давления всестороннего сжатия. Величина максимального давления всестороннего сжатия определяется в соответствии с глубиной отбора образца, а также внешней нагрузкой. Испытания надлежит производить не менее чем при трех вертикальных давлениях величиной до 1 МПа; при давлениях, превышающих 1 МПа, ступени нагрузок должны быть не более 0,5 МПа. Признаками разрушения образца при раздавливании следует принять непрерывное увеличение осадки при постоянном вертикальном давлении, а также визуальное наблюдение (образование "бочки" для слабых грунтов и хрупкое разрушение для плотных грунтов);

б) раздавливание неконсолидированных образцов. Испытания проводятся в условиях закрытой системы с обязательным измерением порового давления в образце. Приемник прибора порового давления рекомендуется устанавливать в центральной части образца. Опыты на раздавливание проводятся при различных величинах всестороннего давления (без предварительного обжатия образцов максимальным давлением), которым образец обжимается до стабилизации порового давления в нем. Приложение вертикальной нагрузки к образцу производится ступенями (также как и при раздавливании консолидированных образцов, см. схему 1). Влажность и плотность сухого грунта определяются до и после опыта. После опыта влажность и плотность сухого грунта определяются по пробам, взятым в середине образца и на торцевых участках.

7.17.3.5. По результатам всех опытов для данного вида грунта и соответствующей схемы испытаний методом наименьших квадратов строится прямолинейная зависимость между величинами всестороннего сжатия ₃ и вертикальным давлением ₁. Затем при трех-четырех величинах ₃ по этой зависимости находят соответствующее значение ₁. По этим данным строятся круги Мора, прямолинейная огибающая к которым и определяет tg и c (приложение 9).

7.17.3.6. Сопротивление сдвигу крупнообломочных грунтов следует определять на крупномасштабных установках:

а) на строительстве Нурекской и Чарвакской плотин был сооружен большой сдвиговой прибор (рис. 26, а) [108]. Прибор рассчитан на исследование сопротивляемости сдвигу крупнообломочных грунтов с включением фракций крупностью до 200 мм, при вертикальном давлении   1 МПа. Прибор состоит из: нижней подвижной каретки 1 размерами 1600х1000х410 мм; верхней каретки 2 - 1500х1000х410 мм; вертикального упора 3; домкратов 4 типа ДГ-200; горизонтального упора 5 _max = 2 МПа.

Верхняя каретка имеет свободу вертикальных перемещений и подвижность в горизонтальном направлении.

Зазор между каретками может изменяться до  = 200 мм.

Величина допускаемого зазора  должна назначаться в зависимости от гранулометрического состава испытываемого грунта по следующей формуле:

 / d₁₀  1,8, (84)

где d₁₀ - диаметр частиц, масса которых в изучаемом грунте составляет 10%.

б) Во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева создан и успешно эксплуатируется большой сдвиговой прибор БСП-620. На рис. 26 представлен разрез этого прибора. Его конструкция такова: 1 - лабораторный испытательный пресс ПСУ-500; 2 - пульт управления прессом; 3 - прямоугольная жесткая стальная рама, огибающая в плане пресс и предназначенная для упора в нее горизонтального домкрата; 4 - толстостенная стальная обойма, состоящая из двух одинаковых колец (нижнего и верхнего) диаметром 620 мм; 5 - вкладыши для стальных упоров в раме; 6 - круглые стальные штампы для сжатия образца сверху и снизу, имеющие возможность свободно входить в сдвижные обоймы; 7 - роликовые тележки между опорными плитами пресса и штампами для практического устранения трения между ними при сдвиге; 8 - гидравлические домкраты, рассчитанные на усилие 100 или 200 т (ДГ-100, ДГ-200); 9 - насосная станция домкрата (НСР-400 м); 10 - деревянные ряжевые опоры под стальную раму; 11 - винтовые домкраты для поддержания рамы в горизонтальном положении и на разных уровнях; 12 - деформометры; 13 - манометры; 14 - колонны пресса. Для поддержания заданной высоты зазора между сдвижными кольцами служат катки-ролики нескольких диаметров.

Рис. 26

а) сдвиговой полевой прибор (габариты 1500х1000х850 мм);

б) большой сдвиговой прибор БСП-620
При подготовке прибора к испытаниям сначала устанавливают на нижней роликовой тележке 7 нижнюю половину обоймы 4 со штампом 6, пользуясь временными деревянными упорами, а затем - верхнюю половину, создавая необходимые зазоры катками-роликами.

Обойму загружают крупнообломочным грунтом, и на него помещают верхний штамп, а сверху - вторую роликовую тележку. После этого на образец передают прессом вертикальное давление ₂ = 0,1 МПа и освобождают нижнее кольцо от временных упоров, т.к. трение между грунтом и обоймой удерживает их в отрегулированном положении. В таком состоянии вся установка готова к проведению опыта.

В дальнейшем передаваемое на образец вертикальное давление фиксируется станцией управления прессом 2, а горизонтальное давление - манометрами, установленными на насосной станции 9 и на домкрате. Осадка образца и горизонтальные перемещения определяются по струнным деформометрам, имеющим точность 0,01 мм.

Круглая в плане форма для образца при значительных размерах в диаметре (620 мм) и высотой (400 мм) позволяет определять прочностные характеристики материала крупностью до 80 мм.

В приборе БСП-620 можно не только исследовать свойства каменной наброски при сдвиге под значительным нормальным давлением (_н = 0,12,5 МПа), но также проводить и компрессионные испытания этого материала под высоким давлением (_z = 0,110 МПа) без включения в работу горизонтального домкрата или делать это одновременно с передачей на образец заданной нормальной нагрузки.

Сопоставление результатов испытаний одинаковых грунтов на установке БСП-620 и на стабилометре большого размера показало идентичность получаемых механических характеристик.

в) В ряде лабораторий имеются большие стабилометры СШ-240 и ПТС-300 (Гидропроект, ВНИИГ), на которых можно проводить испытания крупнообломочных материалов в условиях определенного ограничения бокового расширения испытуемого образца [138]. В приложении 9 описаны методы исследования прочностных свойств крупнообломочных материалов на приборе ПТС-300.

На рис. 27 дана схема прибора СШ-240. Сущность конструкции этого стабилометра заключается в том, что жидкость, регистрирующая боковое давление образца, заключена в шланг, спирально проложенный по внутренней стенке металлического цилиндра и опоясывающий образец грунта во время испытания. Стабилометр СШ-240 состоит из металлического цилиндра 1, съемного днища 2, шланга 3, спирально уложенного по всей высоте цилиндра, направляющего кольца 4, штампа 5, двух штуцеров с кранами 6, опорной рамы 7, манометров 8, прогибомеров 9, мерного цилиндра 10, защитной оболочки 11.

Для проведения опыта грунт укладывается в камеру с послойным уплотнением до заданной плотности. Пустота между витками шланга, цилиндром и защитной оболочкой заполняется водой, которая может свободно изливаться в мерный цилиндр. В процессе опыта по объему поступившей в мерный цилиндр воды определяется боковая объемная деформация грунта.

Опыт проводится со ступенчатым увеличением осевого давления. После приложения каждой последующей ступени нагрузки регистрируется величина бокового давления, а также осевая и боковая деформации образца.

При такой схеме испытания увеличение осевого давления выводит образец из предельного состояния, достигнутого им от предыдущей ступени нагрузки. Деформации образца в созданных условиях их ограничения происходят до тех пор, пока не наступит предельное состояние грунта.

Указанный метод позволяет получить в одном опыте зависимость параметров сопротивления сдвигу от нагрузки в достаточно широком диапазоне. Этот метод применим для сыпучих грунтов нарушенной структуры, в процессе ограниченного деформирования которых не происходит существенных изменений их свойств, оказывающих влияние на сопротивление сдвигу.
7.18. Определение коэффициента фильтрации грунта без учета влияния нагрузки
7.18.1. Общие положения
7.18.1.1. Коэффициент фильтрации характеризуется скоростью фильтрации воды в грунте при градиенте напора, равном единице.

7.18.1.2. Коэффициент фильтрации в лабораторных условиях определяется с помощью специальных приборов на образцах естественного и нарушенного сложения.

7.18.1.3. Отбор, транспортировка и хранение образцов грунта должны производиться в соответствии с п.7.4.1. Водонасыщение рабочей жидкостью следует производить с точностью ±0,01 г, с соблюдением порядка взвешивания образцов. Результаты определения коэффициента фильтрации должны сопровождаться данными о гранулометрическом составе (ГОСТ 12536-79) и физических свойствах (ГОСТ 5180-84).

7.18.1.4. Минимальное допускаемое число частных определений коэффициента фильтрации для каждого инженерно-геологического элемента (слоя) должно составлять 6. Количество испытаний или частных определений коэффициента фильтрации допускается уменьшать при наличии ранее проводившихся определений на той же площадке.

7.18.1.5. В зависимости от применяемых приборов лабораторные определения могут быть разделены на две группы. Первую группу представляют приборы, определение коэффициента фильтрации в которых производится без учета влияния нагрузки. Вторую группу составляют приборы, которые при определении коэффициента фильтрации позволяют учесть влияние нагрузки (компрессионно-фильтрационные приборы)
7.18.2. Прибор Г.Н. Каменского
7.18.2.1. Для определения коэффициента фильтрации нескальных грунтов применяется прибор Г.Н.Каменского (рис. 28). Этот прибор применим для испытания пород нарушенного и естественного сложения. Прибор Г.Н.Каменского состоит из цилиндра 1 и распределительного резервуара 9, присоединенного к цилиндру болтами по фланцам 8. Цилиндр отделен от распределительного резервуара металлическим диском 6, который вместе с резиновыми прокладками зажимается между фланцами. На диске 6 с верхней стороны напаяно кольцо 5, внутри которого имеется дырчатая решетка 7. Напаянное кольцо 5 имеет болты с резьбой. При испытаниях в кольцо 5 на диске 6 на решетку 7 устанавливают режущий цилиндр 4 с породой. Диаметр цилиндра 10 см, высота 5, 10 или 15 см. После установки режущего цилиндра 4 на него надевают второе кольцо, имеющее отверстия, в которые пропускают болты с резьбой. На болты навинчивают гайки, которые стягивают кольца и зажимают находящуюся между ними круглую резиновую прокладку и режущий цилиндр.

Цилиндр 1 сбоку имеет два отверстия, в которые впаяны штуцера 2 и 3. Нижний штуцер 3 через резиновую трубку присоединен к стеклянному пьезометру 13а, а верхний 2 служит для поддержания постоянного уровня воды в приборе. Распределительный резервуар 9 имеет два отверстия со штуцерами 10 и 11, из которых к одному (10) через резиновую трубку присоединен второй стеклянный пьезометр 13б, а к другому (11) присоединена резиновая регулирующая трубка 12, служащая для насыщения породы водой при загрузке прибора и для регулирования напора и стока фильтрующей воды во время опыта.

Стеклянные пьезометры 13а и 13б укреплены на деревянной панели с миллиметровой шкалой. Ноль шкалы должен находиться в нижней части панели. Прибор устанавливают на столе; выше, на специальной подставке или полке устанавливают бутыль с тубусом 16, от которого отходит подводящая трубка 15 с зажимом 14. Резиновую регулирующую трубку 12 прибора укрепляют на штативе.

Рис. 28. Прибор Каменского для определения коэффициента фильтрации песчаных и глинистых пород
Последовательность определения
7.18.2.2. Установив прибор на столе, нижнюю часть его до решетки 7 заливают водой через резиновую регулирующую трубку 12, которую для этой цели присоединяют к подводящей трубке 15 бутыли с водой.

7.18.2.3. Из монолита с помощью режущего цилиндра 4 вырезают образец и помещают его внутрь цилиндра 1 на решетку 7, на которую положена мелкая металлическая сетка или марля.

При испытании грунта нарушенного сложения его загружают в прибор, трамбуя и насыщая водой.

Насыщение производят снизу периодическим открыванием зажима 14 у подводящей трубки. Загружать прибор необходимо до уровня верхнего края режущего цилиндра 4. Зная объем режущего цилиндра и массу грунта (например, песка), загруженного в цилиндр, вычисляют плотность грунта в естественном и сухом состояниях. При отсутствии специального задания коэффициент фильтрации песков следует определять при их рыхлом и плотном сложениях. Испытуемый в приборе грунт следует прикрыть слоем гравия толщиной в 2-3 см, чтобы предохранить его от размыва при поступлении воды в прибор сверху.

7.18.2.4. По окончании загрузки прибора грунтом подачу воды снизу прекращают. Регулирующую трубку 12 отсоединяют от подводящей трубки 15 и закрепляют на штативе на уровне верхнего бокового отверстия со штуцером 2. Подводящую трубку 15 переводят на верх прибора и, приоткрыв зажим 14, заполняют прибор водой до верхнего бокового отверстия со штуцером 2.

7.18.2.5. Подготовив прибор к опыту, производят проверку работы пьезометров. Если регулирующая резиновая трубка 12 закреплена на уровне верхнего бокового отверстия со штуцером 2, движения воды через грунт не должно происходить, поэтому уровень воды в обоих пьезометрах (13а, 13б) должен находиться на одной и той же высоте. Если уровни воды в пьезометрах не устанавливаются на одной высоте, то это означает, что один из них неисправен: или пропускает воду, или засорился, или в нем имеются пузырьки воздуха. Неисправности пьезометров необходимо устранить.

7.18.2.6. Проверив работу пьезометров, приступают к опыту, для чего регулирующую резиновую трубку 12 устанавливают на высоте половины верхней трети испытуемого столба грунта, загруженного в прибор. При таком положении регулирующей трубки 12 в приборе создается напорный градиент, под влиянием которого вода начинает фильтроваться через грунт и стекать через регулирующую трубку 12.

7.18.2.7. Для поддержания постоянного уровня воды в приборе и, следовательно, постоянного напорного градиента открывают зажим 14 у подводящей трубки 15, через которую из бутыли вода поступает в прибор. Поступление воды и прибор стараются отрегулировать зажимом так, чтобы ее хватило для фильтрации через грунт, и уровень ее в приборе держался постоянным. Последнее достигается, если вода одновременно с фильтрацией через грунт будет также каплями или слабой струйкой стекать через верхнее боковое отверстие прибора со штуцером 2.

7.18.2.8. После установления постоянного положения уровня воды в пьезометрах при фильтрации воды через грунт производят: отсчеты показаний по пьезометрам и вычисляют разность уровней воды в пьезометрах; замер температуры воды в приборе; замер расхода воды, стекающей из регулирующей трубки 12, за время t (с), необходимое для наполнения мерного цилиндра объемом V_c (см³), подставляемого под регулирующую трубку. Отсюда расход будет равен:

Q_f = V_c / t, см³/с. (85)

7.18.2.9. По полученным данным вычисляют коэффициент фильтрации по следующей формуле:

где Q_f - расход воды, фильтрующейся через площадь поперечного сечения f в единицу времени, замеренный в процессе опыта, см³/с; f - площадь поперечного сечения образца грунта через которую фильтруется вода, см²; I - напорный градиент, равный отношению среднего напора к длине пути фильтрации l_f, т.е. I = h / l_f, где h - высота образца грунта, см; K - коэффициент фильтрации, м/сут; 864 - переходный коэффициент, см/с или м/сут.

7.18.2.10. Для приведения результатов опыта к постоянной температуре, например к 10 °С или какой-либо другой, вычисляют и учитывают температурную поправку по формуле Пуазейля:

ТП = 1 + 0,0337 Т + 0,000221 Т². (87)

Для приведения результатов опыта к необходимой температуре полученный коэффициент фильтрации умножают на поправку, соответствующую той температуре воды, к которой нужно привести полученный коэффициент, и делят на поправку, отвечающую температуре, при которой было произведено определение коэффициента фильтрации

Чтобы не производить каждый раз вычислений температурной поправки ТП по формуле (87), в табл. 38 приведены поправки (ТП) по Пуазейлю для различных температур

7.18.2.11. Вычислив коэффициент фильтрации после первого опыта, испытания повторяют еще при двух различных напорных градиентах. Для этого регулирующую резиновую трубку 12 при втором опыте устанавливают на высоте половины, а при третьем опыте на высоте половины нижней трети испытуемого образца грунта, загруженного в прибор. При испытании грунта нарушенного сложения опыты повторяют в той же последовательности, но грунт в прибор загружают при заданной плотности.