Способ испытания грунта штампом и устройство для его осуществления

 

Использование: в строительстве для исследования деформационных свойств грунтов массива при инженерно-геологических изысканях. Сущность изобретения: рабочую поверхность штампа погружают и деформируют грунт на заданной отметке грунтового массива в горизонтальном направлении под (по крайней мере) одним углом к горизонту, отличным от прямого. Рабочий наконечник снабжен датчиком замера угла наклона рабочей поверхности штампа к вертикальной плоскости. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к строительству, конкретно к методам и устройствам для исследования деформационных свойств грунтов в массиве при инженерно-геологических изысканиях.

Известен способ прессиометрического испытания грунта в скважине радиальным прессиометром, заключающийся в последовательном, погружении цилиндрического эластичного штампа в вертикальном, а затем горизонтальном направлении, радиальном деформировании грунта на отметке испытания, замере давления и соответствующих радиальных деформаций горизонтальной выработки с последующей обработкой полученных данных (1).

Известен способ испытания грунта, заключающийся в погружении горизонтальной плоскости штампа на заданной отметке грунтового массива на забое вертикальной выработки, деформировании грунта штампом ступенями последовательно возрастающего давления, замере деформаций грунта под штампом, обработке полученных данных с определением модуля деформации грунта в вертикальном направлении (2).

Недостатком известного способа испытаний грунта штампом является его высокая трудоемкость, связанная с необходимостью производства вертикальной грунтовой выработки большого сечения и, как правило, на ограниченную глубину, с необходимостью тщательной подготовки забоя выработки под штампом, а также с надежной анкеровкой нагрузочного устройства. Испытания вертикальными штампами подводных грунтовых отложений в условиях водных акваторий практически не производится с плавсредств, а возведение намывных искусственных островов - весьма дорогостоящий процесс.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ испытания грунта лопастными прессиометрами, заключающийся в погружении вертикальной плоскости распорных штампов на заданную отметку грунтового массива, деформировании грунта плоскостью штампов в горизонтальном направлении, замере параметров сжимающей нагрузки и деформации грунта под штампом, обработке полученных данных с определением модуля деформации грунта в горизонтальном направлении (3).

Недостатком известного способа испытаний грунта лопастными прессиометрами является невозможность определения параметров сжимаемости грунта в вертикальном направлении, отражающем работу фундамента возводимых сооружений на грунтовом основании. Корректирующий коэффициент определяемый по результатам сопоставительных испытаний грунта вертикальными штампами прессиометра и горизонтальным штампом 5000 см², выполняемых не менее, чем с двухкратной повторяемостью для каждой разновидности грунта неопpеделим для грунтовых условий, где штампоопыты проводить невозможно: на глубинах свыше 10 м, ниже уровня подземных вод, в акваториальных условиях и др. Фактически, корректирующий коэффициент включает в себя и коэффициент анизотропии грунта, характеризующий отношение модулей деформации, вычисленных по вертикальному и горизонтальному направлениям. Коэффициент анизотропии при прессиометрических исследованиях грунта в скважине не определяют, что приводит к неопределенности значений переходного коэффициента и грубым ошибкам при расчете фундаментов по горизонтальным модулям деформации грунта, малоинтересующим проектировщиков. Ориентирование распорных штампов лопастных прессиометров в пространстве на отметке испытания для изучения анизотропных свойств грунтового массива не проводится.

Известно устройство для испытания грунта - радиальный прессиометр, содержащий рабочий наконечник с радиальным эластичным штампом камерного типа, колонну штанг, нагрузочное и контрольно-измерительное приспособление, механизм поворота рабочего наконечника из вертикального в горизонтальное положение относительно колонны штанг (1).

Известно устройство для испытания грунта, включающее горизонтально установленную штамповую плиту, колонну труб, нагрузочное и контрольно-измерительное приспособление, анкеры (2).

Недостатком известного устройства является большая трудоемкость проведения испытаний грунта, связанная с необходимостью создания выработки большого сечения с укреплением ее боковых стенок, надежного обеспечения анкеровки нагрузочного приспособления. Глубина испытания грунта горизонтальными штампами ограничена площадью самих штампов, мощностью и технологическими возможностями буровых станков, глубиной постановки обсадных труб для защиты стенок выработок от обрушения грунта, свойствами самого грунта, гарантирующими устойчивость стенок выработок. Точность испытания на больших глубинах снижается за счет трудности зачистки забоя скважин для плотного контакта с плоскостью штампа, а также за счет неконтролируемости степени нарушенности грунта на отметке испытания при создании и обсадке выработки. Поэтому, по-прежнему эталонными остаются испытания грунта в выработках большого сечения на ограниченной глубине штампами большой площади 5-10 тыс.м², характеризующиеся большой продолжительностью проведения опытов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство лопастного прессиометра, состоящего из рабочего наконечника с вертикально установленной плоскостью параллельных распорных штампов, колонны совмещенных штанг, нагрузочного и контрольно-измерительного приспособлений (3).

Недостатком известного устройства является низкая точность определения характеристик сжимаемости грунта в направлении работы фундамента сооружения, интересующих проектировщиков, так как лопастными прессиометрами возможно получение лишь горизонтального модуля деформации грунта, отличного от вертикального в зависимости от анизотропных свойств грунта основания. Поэтому, имея значительные преимущества в возможности безанкерного и сравнительно быстрого проведения испытаний штампами малого размера на значительных глубинных отметках грунтового массива, лопастные прессиометры не позволяют получать эталонные данные о сжимаемости грунта в вертикальном направлении без учета анизотропных свойств грунта на отметке испытания, сведения о которых получают путем отбора монолита и выреза из него образцов грунта ненарушенной структуры в вертикальном и горизонтальном направлении для последующего испытания на сжимаемость в компрессионных приборах.

Цель изобретения - повышение точности испытаний при определении характеристик сжимаемости грунта в направлении работы фундамента проектируемого сооружения путем определения анизотропии сжимаемости грунта на отметке испытания.

Цель достигается тем, что в способе испытания грунта штампом, включающем погружение его рабочей поверхности на заданную отметку грунтового массива под прямым углом к горизонту, деформирование грунта штампом в горизонтальном направлении, измерение сжимающих нагрузок и соответствующих им деформаций грунта под штампом и расчет по полученным данным модуля общей деформации грунта в горизонтальном направлении, согласно изобретению, дополнительно установку рабочей поверхности штампа и деформирование грунта производят по крайней мере под одним углом к горизонту, отличным от прямого с соответствующими измерениями нагрузок и деформаций, дополнительно рассчитывают по всем измеренным данным модуль общей деформации грунта в вертикальном направлении и по отношению модулей деформации грунта в горизонтальном и вертикальном направлении определяют коэффициент анизотропии сжимаемости грунта, а также цель достигается тем, что в устройстве для испытания грунта, включающем рабочий наконечник с продольно установленной рабочей поверхностью штампа, колонну штанг, нагрузочное и контрольно-измерительное приспособление, согласно изобретению, рабочий наконечник снабжен датчиком замера угла наклона рабочей поверхности штампа к вертикали.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа испытания грунта в наклонной скважине прессиометром с одной парой распорных штампов; на фиг. 2 - график зависимости изменения модуля деформации E_i грунта, испытываемого распорными штампами, повернутыми в скважине под соответствующими углами ϕ_i к вертикали; на фиг. 3 представлена конструктивная схема устройства для испытания грунта штампом.

Устройство, например, скважинный прессиометр, содержит одну пару распорных штампов 1, состоящих из двух полуцилиндрических секций, смонтированных через эластичную цилиндрическую оболочку 2 на опорных пластинах 3, рабочий наконечник в виде сердечника 4 с полой втулкой 5, ось (АБ), отверстия которой перпендикулярна оси сердечника, механизм выдвижения распорных штампов 1 в виде гидроцилиндра 6, корпус которого жестко соединен через опорную пластину 3 и эластичную оболочку 2 с одной полуцилиндрической секцией штампов, а шток 7 - с другой, свободно размещен в сквозном отверстии сердечника 5 и соединен с источником давления (на чертеже не показан) посредством двух рукавов 8, 9, концевые секции 10, 11, жестко закрепленные на сердечнике 4 рабочего наконечника, а также нагрузочное приспособление - насосная станция (на чертеже не показано) и контрольно-измерительные приспособления - датчики перемещений распорных штампов 1 и манометр замера давления в гидросистеме (на чертеже не показаны). Причем в полости 12 сердечника 4 рабочего наконечника увеличенного диаметра в области концевой секции 11 установлен датчик 13 замера угла ϕ_i наклона к вертикали оси (АБ) гидроцилиндра 6, и распорные штампы 1 установлены заподлицо с концевыми секциями 10 и 11 с возможностью вращения вокруг продольной оси рабочего наконечника.

Датчик 13 выполнен в виде вращающейся на оси (СД) рамки из двух спаренных утяжеленных полуколец 14 и отвеса 15, шарнирно закрепленного по центру полукольца 14 на оси (СД) и между полукольцами 14 рамки. Полукольца 14 представляют собой колодки из диэлектрического материала, по обеим сторонам которых параллельно друг другу расположены контактные пластины. Отвес 15 выполнен в виде контактного штыря, взаимодействующего с контактными пластинами колодок и работающего аналогично инклинометру. Датчик 13 установлен в полости 12 сердечника 4 рабочего наконечника так, чтобы ось (СД) рамки инклинометра была строго параллельна оси (АБ) гидроцилиндра 6.

Способ реализуется следующим образом. В наклонно пробуренную под углом, например, 45^о к вертикали скважину опускают на заданную отметку испытаний грунтового массива цилиндрический прессиометр с одной парой диаметрально противоположно расположенных распорных штампов 1, состоящих из двух полуцилиндрических секций. На отметке испытаний путем вращения прессиометра вокруг оси скважины производят ориентирование распорных штампов 1 так, чтобы ось (АБ) их выдвижения совпадала с горизонталью. Ориентирование штампов 1 в пространстве осуществляют по показаниям наземной станции, соединенной электрическим кабелем 16 с датчиком 13 замера угла наклона к вертикали оси (СД), параллельной оси (АБ). При показаниях наземной станции ϕ₁=90^о производят деформирование грунта в горизонтальном направлении заданными ступенями давления Р₁ путем создания в гидросистеме нагрузочного приспособления давления, например, с помощью насосной станции (на чертеже не показана) и передачи его по рукаву 9 на поршень штока 7 гидроцилиндра 6 механизма выдвижения распорных штампов 1. Деформацию грунта регистрируют деформометром, показывающим величину S₁ перемещения распорных штампов 1 относительно друг друга (на чертеже не показан). По осредняющей прямой графика S₁= f(P₁) определяют горизонтальный модуль деформации Е_г грунта. Далее, создавая давление в рукаве 8 гидросистемы нагрузочного устройства, распорные штампы 1 возвращают в исходное положение и поворачивают на угол 90^о так, чтобы показания наземной станции 16 соответствовали углу, например, ϕ₃=45^о наклона скважины к горизонтали, равному углу деформирования грунта к вертикали. Под углом ϕ₃=45^о грунт деформируют ступенями давления Р₃ и по показаниям S₃ деформометра строят график S₃=f(P₃) по осредняющей прямой которого определяют модуль деформации Е₃ грунта. По возвращении распорных штампов 1 в исходное положение, вращая прессиометр в обратную сторону, распорные штампы 1 устанавливают в скважине под промежуточным углом, например, ϕ₃= 75^о к вертикали, что фиксируется показаниями наземной станции, и грунт деформируют ступенями давления P₂ с замером деформометром его стабилизированных осадок S₂. По осредняющей прямой графика S₂=f(P₂) определяют модуль деформации грунта Е₂. Штампы возвращают в исходное положение, исследования на данной отметке грунтового массива завершают. По графику E_i=f( ϕ_i) способа наименьших квадратов определяют вертикальный модуль деформации Е_в грунта по выражению: E_в= где E_i - значения модулей деформации, рассчитанных для испытаний грунта распорными штампами, повернутыми вокруг оси скважины и под соответствующими углами ϕ_i к вертикали, n - число определений E_i.

Так, при рассчитанных модулях деформации грунта Е₁=Е_г=10,0 МПа Е₂=9,5 МПа, Е₃=9,0 МПа для соответствующих углов испытания грунта распорными штампами ϕ₁=90^о, ϕ₂=75^о и ϕ ₃=45^о вертикальный модуль деформации составляет при расчете по предложенному выражению Е_в= 8,4 МПа. Коэффициент анизотропии грунта A = = 1,2 Способ испытания грунта штампами впервые позволяет получать механические характеристики сжимаемости грунтов в интересующем проектировщиков и изыскателей вертикальном направлении, т.е. в направлении работы сооружений на грунтовом основании. Впервые непосредственно в грунтовом массиве на заданной отметке испытаний способ позволяет определить коэффициент анизотропии грунта. Изобретение резко повышает достоверность и значимость прессиометрических модулей деформации грунтов, полученных методом прессиометрии на интересующих проектировщиков глубинах грунтового массива с активной сжимающей толщей под сооружениями, достигающей 50 м и более, что невозможно при других известных методах испытания грунтов. Устройство - скважинный прессиометр радиального типа, реализующее способ, прост в конструкции и эксплуатации, оснащен стандартным датчиком замера угловых параметров, например инклинометром.

Формула изобретения

1.Способ испытания грунта штампом, включающий погружение его рабочей поверхности на заданную отметку грунтового массива под прямым углом к горизонту, деформирование грунта штампом в горизонтальном направлении, измерение сжимающих нагрузок и соответствующих им деформаций грунта под штампом и расчет по полученным данным модуля общей деформации грунта в горизонтальном направлении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности испытаний при определении характеристик сжимаемости грунта в направлении работы фундамента проектируемого сооружения путем определения анизотропии сжимаемости грунта на отметке испытаний, дополнительно установку рабочей поверхности штампа и деформирование грунта производят по крайней мере под одним углом к горизонту, отличным от прямого, с соответствующими измерениям нагрузок и деформации, дополнительно рассчитывают по всем измеренным данным модуль общей деформации грунта в вертикальном направлении и по отношению модулей деформации грунта в горизонтальном и вертикальном направлениях определяют коэффициент анизотропии сжимаемости грунта.

2.Устройство для испытания грунта штампом, включающее рабочий наконечник с продольно установленной рабочей поверхностью штампа, колонну штанг, нагрузочное и контрольно-измерительное приспособления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности испытаний при определении характеристик сжмаемости грунта в направлении работы фундамента проектируемого сооружения путем определения анизотропии сжимаемости на отметке испытаний, рабочий наконечник снабжен датчиком замера угла наклона рабочей поверхности штампа к вертикали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3