Какие свойства грунтов определяются в лабораторных условиях

Лабораторные исследования грунтов и воды помогают узнать, как участок будет вести себя в условиях статической нагрузки и динамического воздействия извне: для этого искусственно создают нагрузку, соответствующую уровню той, что появится в месте строительства после возведения объекта. Все свойства, выявленные в лаборатории, отличаются достоверностью и высокой точностью.

Какую информацию дают лабораторные исследования грунтов?

Обязательный этап любого строительства — это проведение инженерных изысканий. При проведении этих работ грунт исследуют в полевых условиях и набирают образцы для лабораторного анализа. Это нужно, чтобы протестировать пробы в условиях, которые нельзя воссоздать на участке: бывает так, что имитация воздействия нужного масштаба на поле невозможна.

Во время лабораторных испытаний грунт проверяют не только статичными нагрузками, но и динамическими. Для этого искусственно создают воздействие, уменьшенное по силе пропорционально объему грунта, и фиксируют результаты испытаний.

В каких случаях нужно нельзя провести полевые испытания

К воздействию извне, которое нельзя отследить в месте естественного залегания грунтов, относят, например, снижение нагрузки при рытье котлована под фундамент и последующее возрастание давления, которое возникает при строительстве.

Тесты на динамическое воздействие нужны, если возле будущего объекта пролегают трамвайные линии, железнодорожные пути или шоссе с большой проходимостью. Не важно, на в каком состоянии инфраструктура — уже есть или строительство путей начнется в отдаленном будущем, — рассчитать дополнительную динамическую нагрузку, которую дает такое соседство, возможно только в искусственно смоделированных условиях.

Лабораторные исследования грунтов

Выявление физических свойств грунта

Исследование этих показателей позволяет выявить параметры, которые опасно игнорировать при проектировании: если заложить объект, который даст нагрузку больше, чем способен вынести участок, грунт сместится, и начнется разрушение здания.

Когда почва проседает под весом здания, возникает асимметрия, и давление перераспределяется. Это происходит неравномерно, фундамент и стены могут дать трещины, и тогда дальнейшая эксплуатация постройки станет опасной или вовсе невозможной.

Чтобы не допустить неграмотного проектирования, определяют следующие физические параметры грунтов:

• минеральный состав: это важно, потому что почва состоит из сотен различных минералов, каждый из которых имеет собственный химический состав и строение;
• естественная влажность — она определяется влагой, которая есть в порах. Как правило, нормальный показатель колеблется в рамках 3–8%;
• порозность и плотность почвы: показатели дают представление о физико-химических процессах, которые происходят в грунтах;
• предрасположенность горных пород к набуханию и усадке: эти два аналогичных процесса могут значительно повредить фундаменту сооружения, т.к. в случае изменения объема грунта под основанием происходит деформация.

Все эти данные позволяют определить или подтвердить вид и послойный состав грунтов, что, в свою очередь, поможет рассчитать максимально допустимые значения нагрузок и оптимально подобрать строительные материалы.

Определение химического состава

Залог надежного сооружения — это его фундамент. Основание объекта неизбежно подвергается воздействию окружающих его веществ — химических соединений, которые содержатся в грунте. Чтобы определить, насколько агрессивно его слои ведут себя по отношению к металлическим и бетонным конструкциям, определяют химические показатели проб, взятых на участке. Также специалисты выявляют липкость слоев, измеряют, насколько каждый из них водопроницаем и подвержен размытию, и рассчитывают вероятность размягчения грунтов.

Все нормативы проведения химического исследования грунтов закреплены в соответствующих документах — ГОСТ 25100-2011, ГОСТ 12248-2010, ГОСТ 12536-79, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 25584-90, ГОСТ 12148-96.

Для химического анализа берут три пробы грунта на каждый из необходимых инженерно-геологических элементов. Чтобы оценить коррозионную активность по отношению к стали, алюминию и свинцу, проводят анализ не менее, чем трех образцов грунтовых вод.

Во время выполнения тестов особое внимание уделяют ряду параметров:

• определяют, насколько устойчивы горные породы к размыванию;
• тестируют пробы на содержание карбонатов;
• проверяют наличие и концентрацию растворимых в воде солей;
• выявляют общий состав веществ, которые содержит грунт, и определяют их количество.

Физико-химические параметры грунтов на участке могу сыграть против строительства, поэтому выбирать материалы наугад категорически нельзя. Чтобы найти оптимальное решение, следует отталкиваться от результатов лабораторного исследования.

Для химического анализа берут три пробы грунта на каждый из необходимых инженерно-геологических элементов

Определение механических параметров

Изучение механических свойств грунта главным образом помогает выявить деформационные характеристики.

Лабораторные методы исследования грунтов для выявления физико-механических качеств направлены на получение перечисленных ниже данных.

Уровень прочности:

• при компрессии почвы в одну ось;
• при растяжении почвы в одну ось;
• в процессе сдвига.

Деформативные характеристики почвы:

• измерение просадочного давления и моделирование ситуации с его увеличением — чтобы просчитать просадку грунта в этих условиях;
• изучение угла откоса, который возникает в естественных условиях;
• собственно, способность к деформации каждого из слоев.

Знание этих особенностей позволит спрогнозировать поведение почвы в разных условиях: застройщик будет точно знать максимально допустимую нагрузку на участке, и это позволит спроектировать безопасное сооружение.

Изучение механических свойств грунта

Как выбрать исполнителя работ?

Прежде чем сдавать образцы на лабораторные исследования грунтов, нужно выбрать проверенного подрядчика, который для вас эти образцы добудет. Выгоднее заказывать две услуги одновременно — брать пробы во время проведения инженерно-геологических изысканий. Специалисты пригонят на участок технику и проведут полевые испытания, в ходе которых и наберут нужное количество образцов. Оптимален вариант, когда компания, которая выполняет изыскания, занимается и лабораторными работами: так заказчик получает все необходимые сведения в одном отчете, который в итоге пойдет на согласование в надзорные органы и поможет спроектировать безопасное сооружение.

Лицензии — это не просто бумага

Технический отчет имеет юридическую силу, если у компании, которая его выдала, есть все необходимые разрешающие документы. Если отчет будет выдан фирмой без лицензии или с просроченными документами, документ не будет считаться действующим.

Лабораторные исследования дают исчерпывающую информацию о свойствах грунтов и позволяют спрогнозировать их поведения в условиях нагрузки, которую даст будущий объект. В совокупности с геологическими, геофизическими и другими инженерными изысканиями результаты лабораторных испытаний помогут самым точным образом спроектировать надежное и безопасное сооружение.

Больше материалов читайте на сайте.

—

Обзор подготовили специалисты компании ОмгГео.

Путем определения физических и механических свойств грунтов удается принять рациональные решения по проектированию объектов и выбрать технологию строительных работ. Заказчику передаются результаты инженерно-геологических исследований, а также прогноз на возможные изменения данных под влиянием внешних факторов.

ГОСТ 5180-2015 и ГОСТ 12248-2010 регламентируют определение физико-механических свойств грунтов.

В статье рассмотрим, какие различают физико-механические свойства грунтов, расскажем, как проводятся лабораторные исследования для их определения, а также представим формулы для расчетов.

Физические свойства грунтов

Под физическими свойствами грунтов понимают особенности их поведения в естественных условиях, а также при взаимодействии с продуктами хозяйственной и инженерной деятельности человека. Они подлежат исследованию до начала строительных работ для определения способности выдерживать нагрузку здания. Физические свойства грунтов могут меняться как при механических воздействиях, так и под влиянием влаги, низких, высоких температур и других природных факторов.

Различают следующие физические свойства грунтов:

• плотность — отношение общей массы (твердых частиц и влаги) к занимаемому объему;

• удельный вес — отношение веса грунта к занимаемому объему;

• относительное содержание твердых частиц — отношение объема твердых компонентов к общему объему;

• влажность — содержание воды в грунте, которое определяется путем высушивания пробы (отношение массы влаги к массе твердых частиц);

• пористость — отношение объема пор в грунте к его общему объему;

• водонасыщение — степень заполнения промежутков между твердыми частицами водой.

Физические свойства, характерные для отдельных видов грунтов:

• набухание — способность увеличиваться в объеме при воздействии влаги (свойственно глинистым грунтам);

• размокаемость — потеря связности между частицами при воздействии воды (размокают глинистые, песчаные и другие грунты со слабо связанными компонентами);

• просадочность — уменьшение объема при удаления влаги (выражено у биогенных и глинистых грунтов);

• размягчаемость — потеря прочности скальными и полускальными грунтами под воздействием воды.

От физических свойств грунта, в частности, зависят механические характеристики, которые позволяют оценить его несущую способность перед осуществлением строительных работ.  

Механические свойства грунтов

Под механическими свойствами грунтов понимают особенности их поведения под воздействием нагрузок. Для строительства имеют значения следующие характеристики:

• сжимаемость — способность уменьшаться в объеме под воздействием давящей силы;

• прочность — степень сопротивления разрушениям под воздействием механических напряжений;

• деформируемость — способность грунта менять форму без разрушения под влиянием внешних сил;

• угол внутреннего трения — значение линейной зависимости сопротивляемости сдвигу от нагрузки;

• удельное сцепление — прямая зависимости сопротивления почвы срезу от вертикального давления.

Для определения механических свойств предварительно устанавливают отдельные физические характеристики грунта. 

Определение физических свойств грунтов: лабораторные исследования

Лабораторные исследования грунтов с целью определения их физических свойств проводятся по ГОСТу 5180-2015. Международный стандарт введен в действие с 1.04.2016, а его переиздание состоялось в феврале 2019 года.

Основные условия и рекомендации, которые требуют изучения до начала проведения лабораторных работ:

• определение плотности мерзлого грунта проводят при отрицательных температурах — оттаивание недопустимо;

• физические параметры определяют для двух, как минимум, проб, отобранных в одном месте — рассчитывают среднее значение;

• при массе пробы до 1 кг погрешность не должна превышать 0,02 г, если масса выше 1 кг, допускается погрешность до 5 г.

Для определения влажности грунта используется метод высушивания. Применяется следующее оборудование:

• сушильный шкаф;

• бюксы (весовые стаканчики) из металла или стекла;

• лабораторные весы;

• шпатель.

Для исследования отбирают пробу массой до 50 г. Грунт помещается в предварительно взвешенный бюкс. Это необходимо для последующего определения чистой массы пробы. Весовой стаканчик плотно закрывают крышкой. При использовании пробы нарушенной структуры грунт тщательно перемешивают для равномерного распределения влаги. Если для исследования применяется почва ненарушенной структуры, делать это не обязательно.

Бюкс взвешивают на лабораторных весах. Затем помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 105 °С (загипсованный грунт высушивают при 80 °С) до тех пор, пока масса пробы перестанет уменьшаться. Весовой стаканчик с исследуемым материалом остужают до температуры окружающей среды и снова взвешивают. Для определения влажности сначала вычисляют массу воды путем установления разницы между результатами взвешивания до и после высушивания. Затем вычисляется масса твердого сухого вещества с помощью вычитания массы самого бюста. Влажность — отношение содержания воды к сухому веществу, выраженное в процентах.

Для определения плотности грунта используются следующие методы:

• режущего кольца;

• взвешивания в воде;

• взвешивания в нейтральной жидкости.

Размеры режущего кольца-пробоотборника выбирают в зависимости от типа грунта (согласно табл. 1 ГОСТа 5180-2015). С внутренней стороны его смазывают тонким слоем вазелина. До начала исследования определяют объем (умножение его высоты на диаметр в квадрате и число “пи” — 3,14) и массу кольца-пробоотборника. После отбора пробу взвешивают вместе с инструментом. Из полученного значения вычитают массу кольца. Плотность — отношение массы грунта к объему.

В основе определения плотности грунта следующим методом лежит взвешивание пробы в воде после обработки жидким парафином. Для этого воскоподобную смесь нагревают до температуры 60 °С. После отбора пробе грунта придают округлую форму, обвязывают нитью, взвешивают, а затем погружают в горячий парафин. Образовавшиеся пузырьки воздуха прокалывают. После получения плотной парафиновой оболочки образец остужают и определяют его массу. Затем снова взвешивают следующим образом: подвешивают нить к серьге весов и опускают в сосуд с водой. Проба не должна касаться стенок емкости, но полностью погружается в воду.

Расчет плотности осуществляется по формуле:

где m — масса пробы грунта до обработки парафином, г;

m1 — масса образца после парафинирования, г;

m2 — результат, полученный после взвешивания в воде, г;

pр — плотность парафина (0,900 г/см);

pw — плотность воды, определяемая в соответствии с ее температурой по справочным данным, г/см.

Метод определения плотности путем взвешивания в нейтральной жидкости применяется для мерзлых грунтов. Суть лабораторного исследования не отличается от предыдущего, за исключением отсутствия обработки парафином. Нейтральной жидкостью, в которую опускают пробу, является керосин или лигроин. Причем, она должна иметь отрицательную температуру, как и испытываемый образец грунта.

Определение остальных физических характеристик осуществляется по формулам. Как правило, для этого используется плотность.

Результаты записывают с специальные журналы, образцы которых представлены в ГОСТ 5180-2015.

Определение механических свойств грунта

Определение механических свойств грунта регламентируется ГОСТом 12248-2010.

Согласно действующему стандарту, для определения механических параметров используются следующие методы лабораторных испытаний:

• одноосное сжатие — применяется для исследования полускальных грунтов;

• одноплоскостный срез, трехосное, одноосное, компрессионное, суффозионное сжатие, свободное набухание — для дисперсных почв;

• испытание при помощи шарикового штампа, одноосное сжатие, одноплоскостный срез — для мерзлых грунтов.

Метод одноплоскостного среза применяется для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления. Проба грунта равномерно срезается в наклонной или горизонтальной плоскости, а затем ее части сдвигаются относительно друг друга касательной нагрузкой. Одновременно происходит нагружение образца. Для испытаний используются специальные приборы, которые по завершении выдают зафиксированные результаты.

Методом одноосного сжатия определяют прочность образца. Для полускальных грунтов по просьбе заказчика таким способом можно определить коэффициенты деформации. Предел прочности в данном случае определяется как отношение приложенной нагрузки, которая способствует разрушению пробы, к площади поперечного сечения. Для исследования используется образец ненарушенного сложения. Испытание проводится до разрушения пробы, в момент которого будет определена максимальная вертикальная нагрузка.

Чтобы установить коэффициент деформации, образец не доводят до разрушения. Разгрузка проводится сразу после нагружения или через некоторое время после задержки механического давления.

Метод одноосного сжатия применяется для испытаний грунта с хорошей сцепляемостью частиц и способностью сохранять свою первоначальную форму. Принцип трехосного сжатия состоит в механическом воздействии на образец на каждый единичный объем. Используется прибор стабилометр.

Компрессионное сжатие — распространенный вид лабораторных испытаний, позволяющий определить коэффициент сжимаемости и деформации грунта. Суть метода состоит в уплотнении пробы с полным вытеснением воздуха. Нагрузка увеличивается постепенно.

Метод суффозионного сжатия грунта заключается в воздействии нагрузки на образец при предварительном удалении солей.

Для определения прочностных характеристик грунта также используется шариковый штамп, который оказывает вертикальную нагрузку на пробу. Испытания проводятся кратковременно и в длительном режиме. Сила нагрузки устанавливается в зависимости от вида почв (табл. 6.1 ГОСТа 12248-2010).

Для исследований грунта методом набухания используется компрессионный прибор. Испытание происходит путем насыщения пробы водой или химическим раствором, в результате чего твердые частицы могут увеличиться в объеме (набухать). Почва теряет связность и становится рыхлой, что приводит к снижению прочности.

Отчет о проведенных испытаний

По результатам испытаний составляется отчет. Он содержит следующие данные:

• номер буровой скважины, испытания, пробы, глубина отбора;

• начальные размеры пробы (высота, поперечное сечение, объем и прочее);

• способ подготовки образца (нарушенное или ненарушенное сложение, водонасыщение до начала испытаний);

• физические параметры;

• таблица с полученными результатами после испытаний нагрузкой;

• график исследований;

• значения в виде чисел, полученные при расчетах механических параметров.

Возможно дополнение итогового отчета дополнительной информацией, если это необходимо.

Выводы

Определение физико-механических свойств грунтов — один из важных этапов подготовки к строительству. Его игнорирование может привести к разрушению здания, если оказываемая нагрузка окажется выше той, которую способна выдержать почва. Для обеспечения надежности и безопасности сооружения необходимы инженерно-геологические изыскания, которые под силу только профессионалам.

Эксперты «Гектар Групп» предоставляют полный комплекс услуг по изучению грунтов на месте планируемого строительства. Для проведения работ используется специальное оборудование, регулярно проходящее нормативные тестирования. Испытания осуществляются согласно действующим ГОСТам.

Оставьте заявку на сайте или позвоните по телефону для получения консультации от специалиста!