ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИМЕНИ Н. М. ГЕРСЕВАНОВА

РУКОВОДСТВО

ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

Москаа— I 978

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИИ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИИ ИМЕНИ Н. М. ГЕРСЕВАНОВА

РУКОВОДСТВО

ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

Москва Стройиздат 1975

£ти испытания могут выполняться одним из следующих методов: «одной кривой», «двух кривых», «упрощенным». Метод испытания назначается в зависимости от задач по определению деформационных характеристик, объема испытаний и т. п. с учетом технических возможностей указанных методов, приведенных в пп. 2.2, 2.3 и 2.6 и в подразделе «Обработка результатов испытаний» настоящего Руководства.

Примечание. Компрессионные испытания уплотненных лёссовых грунтов выполняются, как правило, по методу «одной кривой».

2.2. Просадочные, а также уплотненные лёссовые грунты испытываются методом «одной кривой» на одном

образце грунта. Образец нагружается ступенями со стабилизацией осадки на каждой ступени до заданного максимального давления, принимаемого равным фактическому (п. 1.12). После стабилизации осадки на последней ступени нагрузки производится замачивание образца, которое продолжается до стабилизации просадки (см. рис. 1).

Испытания методом «одной кривой» позволяют определять относительную просадочность при заданном давлении (см. пп. 1.6, 2.29) и характеристики сжимаемости грунта с природной влажностью (см. пп. 1.9, 2.27).

Испытания просадочных грунтов данным методом целесообразно производить в тех случаях, когда фактические давления на той или иной глубине в основании проектируемых фундаментов заранее известны (например, при определении просадки грунта от его соб-

ственного веса, при известных нагрузках и размерах фундаментов и т. п.), а другие необходимые характеристики — начальное просадочное давление, характеристики сжимаемости грунта в водонасыщенном состоянии — определены предшествующими испытаниями или будут определены в последующей стадии изысканий.

Просадочные грунты испытываются также методом «одной кривой» при необходимости определения относительного послепросадочного уплотнения лёссовых грунтов, происходящего при длительной и постоянной фильтрации воды за счет процессов ползучести, химической и механической суффозии.

2.3.    Испытания методом «двух кривых» производятся на двух образцах, отобранных из одного монолита с учетом требований, приведенных в п. 2.12. Один образец грунта с природной или заданной влажностью нагружается ступенями до заданного конечного давления со стабилизацией осадок на каждой ступени. После этого образец замачивается до стабилизации просадки. Другой образец замачивается перед нагружением (без применения арретира) до полного водонасыщения, а затем при непрерывном замачивании нагружается ступенями до заданного конечного давления (рис. 2).

Испытания данным методом позволяют определить все указанные в пп. 1.5—1.9 деформационные характеристики просадочных грунтов за исключением начальной (критической) влажности и сопоставить величины относительной просадочности, получаемые методами «одной кривой» и «двух кривых».

2.4.    При определении относительной просадочности в случаях неполного водонасыщения грунтов (например, при устройстве маловодопроницаемых экранов, медленном повышении влажности и т. п.) испытания проводятся по методу «двух кривых» при повышении влажности второго образца до заданного значения.

2.5.    При определении начальной (критической) влажности испытания методом «двух кривых» дополняются испытаниями при тех же ступенях нагрузки еще двухтрех идентичных образцов при повышении их влажности до промежуточных значений, разделяющих предел ее изменения от природной влажности до полного водонасыщения, примерно, на равные интервалы.

Результаты испытаний по определению начальной (критической) влажности используются также для опре-

11

йоЬкте Р.пПа

№

№

* Q06

ООО

0)

QJ7

Рис. 2. График зависимости относительного сжатия просадочного грунта от давления по испытаниям методом «двух кривых>.

1 — относительно* сжатие грунта в при-родиоА влажностью: Т — атиоагтедыюе сжатие грунта ■ водоиасыщсииом состоянии; 3 — относительная просадонвость грунта (разность ординат крнвих 2 и 1): 4 — относительная просадояиосгь грунта на последив ступени нагрузки; р_яр — напал ьиое просадочвое давление.

деления относительной просадочности при неполном во-донасыщении грунта.

2.6. «Упрощенный» метод представляет собой простую модификацию метода «двух кривых» и позволяет испытывать на одном образце грунт с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии.

Образец грунта с природной влажностью нагружается ступенями со стабилизацией осадки на каждой ступени до заданного промежуточного давления на грунт д<₃, близкого к величине начального просадочного или природного давления, но не менее 0,1 МПа. После стабилизации осадки образец грунта при этом давлении замачивается.

При достижении стабилизации просадки продолжается загружение образца ступенями до заданного давления при непрерывном замачивании (аналогично образцу, испытываемому в водонасыщенном состоянии по методу «двух кривых»). Деформации образца с природной влажностью при давлении, большем д,-₃, и в водонасыщенном состоянии при давлении, меньшем д,-₃, определяются экстраполяцией согласно рекомендациям п. 2.33 (см. рис. 3).

Примечание. Просадочные грунты допускается испытывать по «упрощенному методу» при степени влажности, не превышающей 0,5.

Требования к компрессионным приборам и подготовке образцов грунта для испытаний

2.7. Компрессионные приборы (одометры) для испытаний просадочных грунтов должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к приборам для испытаний обычных (непросадочных) грунтов.

Компрессионные приборы изготовляются из нержавеющего металла и состоят из следующих основных частей:

рабочего кольца, в котором производится сжатие грунта;

цилиндрической обоймы, в которую заключается рабочее кольцо;

перфорированного штампа, служащего для передачи вертикального давления на образец грунта;

механизма нагрузки (обычно рычажная система), создающего необходимое давление на образец;

13

поддона с полостью для воды и перфорированной крышкой, на которую устанавливается рабочее кольцо;

измерителей вертикальных деформаций грунта (обычно индикаторы часового типа).

2.8. Для испытаний просадочных грунтов используются компрессионные приборы с рабочим кольцом площадью не менее 40 см² (диаметром не менее 7,1 см) и высотой не менее 2 см, например- приборы НИСа Гидропроекта, ЦНИИ МПС, при условии, чтобы диаметр кольца был в 3—5 раз больше его высоты.

Конструкция прибора должна обеспечивать: возможность подачи воды к образцу (с учетом предпочтительности замачивания снизу) и ее отвода от образца;

центральное приложение к штампу и вертикальность передаваемой нагрузки;

возможность передачи нагрузки ступенями по 0,025— 0,05 МПа;

постоянное давление на грунт на каждой ступени нагрузки;

допустимость приложения нагрузок до 0,5 МПа; неподвижность рабочего кольца в процессе испытаний;

измерение вертикальных деформаций образца с точностью до 0,01 мм.

Примечание. Однородные просадочные грунты, а также уплотненные лёссовые грунты допускается испытывать в приборах с рабочим кольцом площадью не менее 25 см² (диаметром не менее 5,6 см), например приборы ППЛ-9.

2.9.    Приборы, используемые для испытаний, должны быть протарированы с целью учета их собственных деформаций при определении деформаций образца. При тарировке прибора вместо грунта в кольцо закладывается специальный металлический диск с двумя бумажными фильтрами, смоченными водой. Нагружение производится ступенями с выдерживанием нагрузки в течение 2 мин до давления на диск 0,5 МПа. На каждой ступени по индикаторам определяются деформации прибора, которые должны учитываться в дальнейшем при определении деформаций грунта по результатам испытаний.

2.10.    Подготовка образцов просадочного грунта ненарушенной структуры для -испытаний в компрессион-

Н

ном приборе включает зарядку рабочего кольца испытываемым грунтом, определение физических характеристик грунта в соответствии с п. 2.12 и сборку прибора.

Предварительно измеряется высота кольца (или начальная высота образца) и его внутренний диаметр с точностью до 0,1 мм, затем определяется масса кольца с точностью до 0,01 г, подсчитывается его площадь и объем с точностью соответственно 0,1 см² и 0,1 см³.

2.11.    Зарядка рабочих колец испытываемым грунтом производится ручным винтовым прессом в соответствии с требованием ГОСТ 5182-64 «Грунты. Методы лабораторного определения объемного веса» в следующем порядке: на верхнюю сторону монолита, гладко зачищенную ножом, ставится острым краем кольцо прибора;

на кольцо надевается металлическая насадка с отверстиями для выхода воздуха;

грунт вокруг кольца подрезается острым ножом так, чтобы под кольцом образовался столбик грунта диаметром, несколько большим диаметра кольца;

кольцо «надевается» на столбик грунта путем плавной передачи усилий от винтового пресса, не допуская перекосов кольца и образования зазоров между его стенками и грунтом;

после заполнения грунтом кольца и части насадки столбик грунта на 10—15 мм ниже кольца подрезается;

избыток грунта с обеих сторон кольца срезается тонкими слоями и затем поверхности образца тщательно зачищаются в уровень с краями кольца ножом с прямым лезвием.

Сразу же после зарядки кольцо с грунтом взвешивается, покрывается с обеих сторон кружками фильтровальной бумаги, устанавливается на крышку поддона компрессионного прибора. Далее производится сборка прибора: завинчивается соединительная муфта, устанавливается штамп и над ним укрепляются индикаторы деформаций грунта. Начальные показания индикаторов записываются в рабочем журнале.

2.12.    Для испытываемых образцов грунта определяются объемная масса, объемная масса скелета, влажность, коэффициент пористости и степень влажности, значения влажности на границах раскатывания и текучести, число пластичности.

15

ВВЕДЕНИЕ

Полученные в последние годы результаты по изучению особенностей деформации лёссовых просадочных грунтов позволили усовершенствовать расчеты просадок оснований и в новых Строительных нормах и правилах (СНиП П-15-74) развить прогрессивный принцип проектирования оснований, фундаментов и зданий на просадочных грунтах по предельным состояниям.

Достоверность расчета возможных величин просадочных деформаций и расчета зданий на неравномерные деформации основания в значительной степени зависит от правильности определения физико-механических характеристик просадочных грунтов.

В связи с этим при проведении инженерно-геологических изысканий особое внимание должно обращаться на обоснованность методики, тщательность и оптимальный объем определений деформационных и прочностных характеристик просадочных грунтов, включая и те новые характеристики, которые раньше в расчетах не использовались.

Проектирование оснований, фундаментов и зданий на просадочных грунтах по предельным состояниям связано с определением следующих деформационных характеристик: относительной просадочности при фактическом давлении (во многих случаях зависимости ее от давления и влажности); начального просадочного давления; начальной (критической) влажности; модулей деформации грунта с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии, коэффициента изменчивости сжимаемости основания, а также прочностных характеристик — угла внутреннего трения и удельного сцепления просадочных грунтов с природной влажностью, в водонасыщенном состоянии, и после их уплотнения различными методами.

В настоящее время для получения характеристик просадочных грунтов служат в основном лабораторные испытания, результаты которых при необходимости кор-

3

ректируют на основе полевых испытаний или вводят коэффициенты условий работы в расчетные формулы.

В результате исследований, проведенных НИИ оснований, ДИИТом, РИСИ и другими организациями, обобщения опыта ведущих производственных организаций в настоящем Руководстве даются научно обоснованные рекомендации по методике, технике выполнения и обработке результатов испытаний просадочных грунтов лабораторными методами.

Руководство разработано НИИ оснований (кандидаты техн. наук В. И. Крутов, И. Г. Рабинович и А. Г. Божко) с учетом основных положений главы СНиП II-15-74 и замечаний на Руководство, полученных от изыскательских, проектных, научно-исследовательских организаций и вузов.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящее Руководство распространяется на лабораторные испытания по определению деформационных и прочностных характеристик просадочных грунтов природной структуры и после их уплотнения различными методами.

Руководство составлено в развитие глав СНиП II-15-74 «Нормы проектирования. Основания зданий и сооружений» и СНиП II-A.13-69 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» с учетом требований ГОСТов по грунтам.

Примечание. Вопрос об отнесении грунтов площадки к просадочным решается на основе результатов инженерно-геологических изысканий, а также изучения местного опыта строительства в соответствии с номенклатурой грунтов, приведенной в главе СНиП 11-15-74.

1.2.    Лабораторные испытания просадочных грунтов для определения деформационных и прочностных характеристик производятся на образцах ненарушенного сложения. Монолиты грунта для получения образцов отбираются из шурфов в соответствии с требованиями ГОСТ 12071-72 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов».

Количество, расположение и глубина шурфов устанавливаются заданием и программой инженерно-изыскательских работ в соответствии с нормативными документами с учетом сложности геологического строения толщи просадочных грунтов, инженерно-геологической изученности района (площадки), стадии проектирования, класса и конструктивных особенностей зданий и сооружений.

Примечание. Допускается производить отбор монолитов из скважин при условии применения грунтоносов, обеспечивающих сохранение естественной структуры и влажности грунтов.

1.3.    Лабораторные испытания уплотненных лёссовых грунтов производятся на образцах грунтов, отобранных из уплотненного массива, или на образцах грунтов, уп-

5

лотненных в лабораторных условиях при заданной влажности до требуемой плотности.

Рекомендации по приготовлению образцов уплотненного лёссового грунта приведены в приложении 3.

1.4.    Лабораторные испытания для определения деформационных характеристик просадочных грунтов природной структуры и после их уплотнения различными методами проводятся в компрессионных приборах (одометрах), а прочностных характеристик — в одноплоскостных срезных приборах.

Примечание. Руководство не распространяется на испытания просадочных и уплотненных лёссовых грунтов в приборах трехосного сжатия (стабилометрах).

1.5.    Деформационные характеристики просадочных грунтов, определяемые комплексно лабораторными испытаниями в компрессионных приборах, следующие: относительное сжатие грунта с природной (естественной) или заданной влажностью 6_е, относительное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии б_в, коэффициент изменчивости сжимаемости апр, относительная просадочность 6„р, начальное просадочное давление рщ> и начальная (критическая) влажность №_пр.

Деформационные характеристики уплотненных лёссовых грунтов следующие: относительное сжатие грунта с влажностью в процессе уплотнения 6_еу и в водонасыщенном состоянии беу, коэффициент изменчивости сжимаемости (Тву-

Примечания: 1. В качестве деформационных характеристик просадочных и уплотненных лёссовых грунтов могут использоваться также коэффициент сжимаемости (уплотнения) а или модуль деформации по компрессионным испытаниям Е_к.

2. Для относительного сжатия б следует указывать давление, при котором оно определено, для коэффициента сжимаемости а и модуля деформации Е_к — соответствующий интервал давления.

1.6.    Относительная просадочность бпр представляет собой отношение изменения толщины слоя грунта (высоты образца) в результате замачивания при заданном вертикальном давлении к его толщине в природном залегании (высоте образца при природном давлении).

Относительная просадочность является одной из основных характеристик просадочных грунтов и используется для расчета возможных величин просадок как в деформируемой зоне основания фундаментов, так и под нагрузкой от собственного веса грунта, для общей оцен-

ки просадочных свойств грунтов, определения типа грунтовых условий по просадочности, критериев начала развития просадки — начального просадочного давления Рщ) и начальной (критической) влажности №_Пр.

1.7.    Начальное просадочное давление р_Пр представляет собой минимальное давление от нагрузки фундаментов или собственного веса грунта, при котором начинает проявляться просадка грунта при его полном водонасыщении. За начальное просадочное давление, по данным компрессионных испытаний, принимается величина вертикального давления на образец, при котором относительная просадочность б_пр составляет 0,01.

Начальное просадочное давление используется при определении расчетного давления на просадочный грунт, глубины деформируемой зоны, типа грунтовых условий, глубины, с которой происходит просадка грунта от собственного веса, назначении необходимой глубины уплотнения просадочных грунтов в основании фундаментов и в других случаях.

1.8.    Начальная (критическая) влажность И7цр, т. е. минимальная влажность, при которой под действующим давлением проявляется просадка грунта (относительная просадочность бпр=0,01); W_np используется при определении зависимости просадочных свойств от степени повышения влажности, возможности проявления просадки лёссовых грунтов при повышении их влажности не до полного водонасыщения, например, под экранами из уплотненного грунта и т. п.

1.9.    Относительное сжатие б, определяемое отношением осадки образца грунта при заданном давлении к высоте образца при природном давлении (см. п. 2.25), служит для оценки сжимаемости грунта. Исходя из значений относительного сжатия вычисляются коэффициент сжимаемости а по формуле (10) и модуль деформации по компрессионным испытаниям Е_к — по формуле (11).

При введении поправочных коэффициентов, определяемых в результате полевых испытаний грунтов штампами, значения Е_к используются для расчетов осадок фундаментов, по данным испытаний грунта с природной влажностью, а также суммарных величин осадок и просадок, по данным испытаний грунта в водонасыщенном состоянии. Кроме того, как отношение значений характеристик сжимаемости грунта с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии определяется коэффици-

7

ент изменчивости сжимаемости просадочного грунта ащ> по формуле (16), который используется в расчетах конструкций зданий на неравномерные просадки грунтов в основании.

1.10.    Прочностными характеристиками просадочных грунтов природной структуры и после их уплотнения различными методами, определяемыми испытаниями на сдвиг в срезных приборах, являются угол внутреннего трения ср и удельное сцепление с. Эти характеристики используются для определения величины расчетного давления на грунты основания, устойчивости оснований и определяются, как правило, для грунтов в водонасыщенном состоянии. В тех случаях, когда замачивание грунтов в основании проектируемых фундаментов исключается, прочностные характеристики определяются при природной влажности грунта, а при низком ее значении (менее влажности на границе раскатывания) — при влажности на границе раскатывания.

1.11.    Необходимый для проектирования оснований и фундаментов комплекс отмеченных в пп. 1.5—1.10 характеристик, число испытаний, интервалы определения характеристик по глубине устанавливаются заданием и программой инженерно-геологических изысканий в соответствии с требованиями главы СНиП П-15-74 и нормативных документов по изысканиям для строительства с учетом сложности геологического строения толщи просадочных грунтов на площадке строительства, типа грунтовых условий по просадочности, стадии проектирования, класса и конструктивных особенностей зданий и сооружений, нагрузок на фундаменты и их размеров и т. п.

1.12.    Лабораторные испытания, проводимые с целью определения относительной просадочности и начального просадочного давления, выполняются, как правило, для каждого характерного по литологическим признакам слоя грунта, входящего в просадочную толщу, но не реже чем через 2 м по глубине.

Относительная просадочность грунта бпр определяется при фактическом давлении на грунт, равном сумме давлений от нагрузки фундамента и собственного веса грунта в водонасыщенном состоянии.

В тех случаях, когда размеры фундаментов и давления по их подошве не известны, целесообразно по результатам исследований для каждого литологического

слоя грунта в пределах деформируемой зоны приводить зависимость относительной просадочности от давления на грунт в интервале его изменения от природного до 0,3—0,4 МПа ¹

Начальная (критическая) влажность Wnp определяется по специальному заданию для двух-трех характерных слоев просадочной толщи, в том числе в пределах деформируемой зоны.

Прочностные характеристики ф и с определяются, как правило, для слоев, залегающих в пределах деформируемой зоны, в том числе непосредственно под подошвой фундаментов.

1.13. Число частных определений деформационных и прочностных характеристик просадочных грунтов устанавливается заданием и программой инженерно-геологических изысканий и должно быть достаточным для вычисления нормативных и расчетных значений характеристик грунтов.

Нормативные значения деформационных характеристик просадочных грунтов природной структуры и после их уплотнения различными методами вычисляются как средние значения результатов их определения в компрессионных приборах. Расчетные значения деформационных характеристик принимаются равными их нормативным значениям.

Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик просадочных грунтов природного сложения и после их уплотнения различными методами назначаются в соответствии с требованиями главы СНиП II-15-74.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

Методы испытаний

2.1. Испытания по определению деформационных характеристик просадочных грунтов в компрессионных приборах заключаются в последовательном нагружении образцов с замачиванием и измерением осадок и просадок грунта в процессе нагружения и замачивания.

1

Физические величины выражены в «Международной системе единиц» (СИ). Единицы системы СИ, используемые в Руководстве, и их соотношения со «старыми» единицами приведены в приложении 1.

9