Приложение 2. Методики полевых исследований физико-механических свойств слабых грунтов

Приложение 2

Методики полевых исследований физико-механических свойств слабых грунтов

Исследование слабой толщи методом статического зондирования

Метод статического зондирования основан на том, что грунты в зависимости от их структурных особенностей, состава и состояния оказывают различное сопротивление прониканию зонда с рабочим наконечником, имеющим обычно форму конуса. При зондировании глубина погружения наконечника всегда превышает его высоту.

Применительно к болотным грунтам наиболее удобен метод статического зондирования, так как для вдавливания зонда в толщу болотных грунтов достаточно усилия 200 - 500 Н (20 - 50 кгс), т.е. вдавливание зондового пенетрометра могут производить 1 - 2 чел.

Зондирование позволяет получать непрерывную информацию о строении залежи по глубине, наличии слабых слоев, что не всегда удается при обычном бурении.

Для болотных грунтов рекомендуется применять пенетрометр П-4 конструкции Калининского политехнического института (рис. 1). Пенетрометр П-4 включает конусный наконечник, состоящий из двух частей, стержень для оценки трения штанг о грунт, соединительные штанги, упор и рукоятку, витую пружину и индикатор часового типа. Штанги прибора П-4 унифицированы со штангами сдвигомера крыльчатки СК-8 и взаимозаменяемы.

Задавливание конуса в грунт производят вручную. Оператор на определенных глубинах фиксирует показание индикатора . Скорость вдавливания должна быть умеренной и по возможности стабильной ( см/с).

Для учета возможного трения штанг о грунт (которое иногда бывает при большой глубине зондирования, например, из-за кривизны штанг и т.п.) следует перед каждым последующим погружением зонда слегка приподнимать прибор (на 20 - 30 мм), тогда стержень 2 выдвигается из конуса 1. При последующем погружении в пределах этих 20 - 30 мм индикатор будет фиксировать только величину трения штанг по грунту.

Усиление зондирования вычисляют по формуле

, (1)

где - показание индикатора (общее); - показание индикатора при отключении конуса (для учета трения); n - постоянная характеристика упругой пружины силоизмерителя.

Тарировка прибора и правила его эксплуатации изложены в инструкции, прилагаемой к прибору.

В качестве показателя статического зондирования принято удельное сопротивление зондированию q, равное отношению усилия зондирования Р к квадрату высоты конического наконечника

. (2)

По результатам испытаний строят график изменения по глубине усилия зондирования, удельного сопротивления зондированию (рис. 2).

Испытание грунтов на сдвиг в условиях природного залегания приборами лопастного типа

Испытание заключается в измерении максимального крутящего момента, возникающего при срезе грунта во время вращения в нем крестообразной лопасти.

Для массовых испытаний при зондировании торфяных залежей, пластов сапропелей и илов рекомендуется использовать прибор сдвигомер-крыльчатку конструкции Калининского политехнического института СК-8 или сдвигомер-крыльчатку БЕЛДОРНИИ.

Методика испытаний грунтов сдвигомером-крыльчаткой СК-8 (рис. 3) заключается в следующем. Измерительная головка надевается на переходник, в отверстие переходника и упора завинчивается стопорный винт. Затем при помощи рукояток крыльчатка задавливается в грунт до полной ее высоты. Перед поворотом проверяется положение стрелки индикатора и циферблат устанавливается на нуль. После указанных операций и проверки вертикального положения штанги обеими руками осуществляется поворот измерительной головки по часовой стрелке. По мере роста угла поворота отклонение стрелки индикатора возрастает. В процессе поворота следят за стрелкой индикатора до тех пор, пока не прекратится ее отклонение и не начнется спад. Положение стрелки, соответствующее началу ее обратного движения, представляет собой искомое значение. Эта величина записывается в журнал. Обычно разрушение грунта происходит при углах поворота от 20 до 60°.

Влияние трения по штангам учитывается следующим образом. После задавливания крыльчатки до заданной глубины прибор слегка поднимают (на 10 - 15 мм) при помощи ручек. При этом лопасти отключаются от штанг. Далее осуществляется поворот штанг с фиксацией по индикатору усилия, идущего на преодоление трения штанг о грунт. После этого штанги опускаются и приводятся в зацепление с крыльчаткой. Далее осуществляется поворот с включенной крыльчаткой.

По окончании испытания прибор извлекается из грунта. Для отвинчивания штанг можно пользоваться стопорным винтом. При задавливании и извлечении прибора необходимо следить за тем, чтобы движение штанг осуществлялось по вертикали. Если при задавливании и повороте крыльчатки встречаются пни или камни, то необходимо извлечь прибор из грунта и попытаться задавить прибор в другом месте.

Крыльчатки имеют следующие размеры: Н = 100, = 54 и = 75 мм.

Сдвигомер-крыльчатка БЕЛДОРНИИ (рис. 4) состоит из трех основных узлов: рабочего наконечника (крыльчатки), комплекта штанг и динамометрического устройства.

Прибор комплектуется двумя крыльчатками одинаковой высоты (100 мм), но с различными диаметрами - 54 и 75 мм. Четырехлопастная крыльчатка является сварной деталью, состоящей из металлических лопастей толщиной 2,5 мм, приваренных к штанге. Для обеспечения процесса задавливания и извлечения крыльчатки из грунта верхние и нижние торцы лопастей затачивают. Длина наконечника в сборе (с крыльчаткой и полумуфтой) составляет 400 мм.

В качестве гарнитуры, несущей крыльчатку, используют стандартные штанги ручного бура с конусными резьбовыми соединениями. Диаметр штанг 34 мм. Рабочая длина штанги составляет 2 м.

Динамометрическое устройство предназначено для создания и измерения крутящих моментов. Оно состоит из следующих основных узлов (рис. 5): пружинного динамометра, ведущего рычага, ведомого рычага.

Пружинный динамометр состоит из одной пружины 9, шкалы 7 и указателя 8. Пружина шарнирно крепится между ведомым и ведущими рычагами. В комплект к прибору входят три пружины, усилие на растяжение которых составляет соответственно 300, 400 и 500 Н.

Ведущий рычаг 1 свободно вращается на оси. Ведомый рычаг жестко укреплен на штанге независимо от ведущего рычага. Рычаги связаны только пружинным динамометром.

В качестве ведомого рычага могут использоваться жимки бурового комплекта. Ведомый рычаг служит также для задавливания гарнитуры с крыльчаткой в торф и их извлечения после окончания испытаний. Благодаря наличию зажимного устройства он легко перемещается по штанге вместе со всем динамометрическим устройством и может устанавливаться на любой высоте в процессе работы. Для определения величины деформации пружины имеются указатель и шкала.

Крыльчаткой ЦНИИС (рис. 6) могут быть обследованы небольшие участки, когда верхние слои слабой толщи осушены и уплотнены или перекрыты пластами более плотных и прочных грунтов и уплотнены их весом, что требует больших усилий при задавливании крыльчатки, и проводить испытания без бурения невозможно. Испытания указанным прибором ведут в скважинах.

Бурение скважины заканчивают выше отметки очередного испытания с таким расчетом, чтобы крыльчатка при испытании находилась ниже забоя скважины не менее чем на 5D (D - ширина лопастей крыльчатки).

Крыльчатку, опущенную на забой скважины на штангах, вдавливают в грунт до заданной отметки, вращают с помощью головки, установленной над устьем скважины и соединенной с крыльчаткой штангами. Вращая крыльчатку со скоростью 0,1 - 0,2 град/с, срезают грунт и фиксируют значения максимального крутящего момента. Затем производят два-три полных оборота крыльчатки и фиксируют крутящий момент, соответствующий прочности грунта нарушенной структуры на сдвиг.

По окончании испытания на заданной глубине прибор снимают,

крыльчатки и штанги извлекают, а скважину углубляют для испытания.

Для вычисления сопротивляемости грунта сдвигу в измеренный крутящий момент вносят поправку из тарировочной таблицы прибора. Лопастной прибор конструкции ЦНИИС комплектуют крыльчатками четырех размеров:

         Д, мм                         55       75      76       100

         Н, мм                         110     150      200      200

По результатам испытаний вычисляют сопротивляемость грунта сдвигу, именуемую условным сцеплением,

, (3)

где - значение крутящего момента, устанавливаемого по тарировочной кривой (по оси ординат откладывают показания индикатора , а по оси абсцисс в зависимости от значения ; - показания индикатора (максимальное число делений в процессе поворота крыльчатки в грунте ненарушенной структуры); - максимальное число делений при отклонении стрелки индикатора в процессе поворота штанг без крыльчатки (при необходимости учета трения грунта о штанги); - постоянная прибора, определяемая по выражениям: при повороте крыльчатки у поверхности толщи или на дне скважины (при срезе одной торцовой поверхностью крыльчатки); при срезе в толще грунта обеими торцовыми поверхностями крыльчатки; Н, D - высота и диаметр крыльчатки.

Результаты испытаний представляют в виде эпюр изменения сопротивляемости сдвигу по глубине (рис. 7). Количество точек испытаний по глубине назначают с учетом слабой толщи и особенностей ее геологического строения.

Обычно испытания проводят через 0,5 - 1 м по глубине; при этом в каждом слое мощностью не менее 1 м следует назначать не менее трех точек по глубине в пределах одной скважины.