Методы испытания грунтов: полевые и лабораторные

Свойства грунтовых оснований служат важнейшим критерием при выборе проектного решения. Для оценки структуры, химических свойств породы применяются полевые и лабораторные методы испытаний. Ошибки в расчетах могут привести к появлению трещин и преждевременному разрушению фундамента, поэтому важно доверить работу специалистам.

Влияние грунта на устойчивость зданий и сооружений

Статические нагрузки в период эксплуатации строений неизбежно вызывают усадку основания. При расчете вероятности смещения, риска разрушения ориентируются на сочетания важнейших характеристик грунтового массива:

• прочности и сжимаемости;
• границ геологического раздела;
• контуров водных прослоек;
• химического состава;
• стойкости к давлению при насыщении водой;
• устойчивости к воздействию перепада температур.

Оценка характеристик в ходе испытаний и последующих расчетов позволяет определить несущую способность породы, найти оптимальное решение для строительства или выявить причину деформации готового фундамента.

Общую классификацию грунтов устанавливает ГОСТ 25100-2020:

1. Скальные породы. Отличаются прочностью, которая однако в значительной степени зависит от минерального состава. Максимально устойчивы к деформации монолитные массивы магматического и метаморфического происхождения. Известняки, доломиты относятся к частично растворимым. В их толще возможно образование карстовых пещер.
2. Дисперсные грунты. Образуются из скальных пород путем выветривания, перемещения и смешивания с мелкодисперсными минеральными, органическими грунтами. Связь между частицами различного размера может быть чисто механической, как у несвязной крупнообломочной группы или у песков. В глинистых и органоминеральных грунтах примеси обеспечивают дополнительные физико-химические связи.
3. Мерзлые грунты. Представляют собой дисперсную фазу, связанную льдом в различных процентных соотношениях. В замороженном состоянии несущая способность грунта остается на высоком уровне, но после таяния прочность существенно снижается. Строительство в широтах вечной мерзлоты ведется с условием ее сохранения в основании сооружения. Проект должен предусматривать ряд защитных мероприятий.

Внутри каждого класса выделяют типы, группы, виды и разновидности. Грунты систематизируют по происхождению породы, количественному и качественному составу, преобладанию физических, механических или физико-химических связей, а также состоянию и свойствам.

 Скальные грунты пригодны для строительства благодаря жесткости. Породы без пустот и трещин обладают необходимой прочностью, но лишены пластичности. Дисперсные грунты различаются по пригодности к нагружению:

1. Песчаные грунты способны выдерживать существенную нагрузку. Чем крупнее частицы и меньше примесей, тем надежнее массив.
2. Крупнообломочные сочетают надежность с пластичностью.
3. Глинистые состоят из мелких чешуек и в силу своей пористости склонны к промерзанию и вспучиванию. Сухие глины, под которыми нет подземных вод, могут использоваться в качестве пластичного основания.
4. Органоминеральные группы, среди которых торф, ил, сапропель, характеризуются низкой несущей способностью. Сюда же можно отнести лёссовые грунты, склонные к проседанию и вымыванию грунтовыми водами.
5. Намывные грунты используют в качестве основы для строительства или прокладки дорожного полотна. Насыпные являются структурно неоднородными, поэтому недостаточно устойчивы и подходят только для возведения небольших строений.

Для укрепления массива применяют различные способы. Свод правил для земляных сооружений, фундаментов СП 45.13330.2017 предусматривает цементирование, армирование, укрепление сваями. Насыпную плотность грунта увеличивают трамбованием, укаткой, вибрацией.

Методики испытаний грунтов

Инженерно-геологические исследования включают стационарное наблюдение за состоянием массива, инструментальные испытания в лаборатории и на месте строительства. Работы выполняются в соответствии с требованиями государственных стандартов.

Испытания в полевых условиях

Исследования по ГОСТ 30672-2019 предусматривают использование методик в зависимости от типа грунта. Испытания проводят на расчищенной площадке или в выработке — шурфе, котловане, скважине с ненарушенным сложением, естественными плотностью и влажностью.

Испытание штампом

Наиболее доступный и высокорезультативный метод занимает минимум времени. Плоским или винтовым штампом моделируется реальная нагрузка на почву. Давление увеличивается до появления просадки или деформации. Показатель характеризует устойчивость грунта в период эксплуатации проектируемого сооружения.

Зондирование

Метод статического или динамического зондирования используют для расчета свайного фундамента. Применяется на дисперсных, мерзлых, насыпных грунтах. Механический или оборудованный электрическими датчиками зонд погружают в почву. Благодаря измеренному сопротивлению грунта можно рассчитать его прочность.

Прессиометрия

Цель измерений та же, что и при зондировании, но применяется метод бокового давления. В скважину опускается прибор. Стенки его камеры расширяются и оказывают давление на боковой срез почвы. Фиксируется максимальное давление, при котором склон начинает деформироваться.

Метод вращательного среза

Прочность пластичных грунтов, рыхлых песчаных, торфяного массива определяется крыльчаткой. Оборудование позволяет сделать срез бережно, максимально сохраняя структуру. Применяется для определения сопротивления сдвигу, удельного сцепления.

Лабораторные испытания

 Отбор образцов породы осуществляют по ГОСТ 12071-2014. Грунт выбирают открытым способом или с помощью буровых установок. При транспортировке важно упаковать пробу таким образом, чтобы сохранить исходные характеристики, целостность, структуру.

Объем исследований зависит от вида и уровня ответственности проектируемого здания, геологических условий, стадии работ. ГОСТ 30416-2020 регламентирует методику подготовки образцов к испытаниям, способы определения нормативных характеристик для каждой группы грунтов.

В лаборатории изучаются естественная влажность грунта, пористость, способность поглощать влагу и уровень набухания, просадочность, зернистость и минеральный состав. Основной задачей является определение максимальной плотности грунта и его оптимальной влажности. От этих показателей зависит несущая способность грунта, материальная затратность проекта.

Метод сжатия

Механические и физико-химические свойства выявляют с помощью одноосных и трехосных сжатий. Таким образом степень уплотнения грунта становится аналогичной сжатию массива под фундаментом.

Компрессионный или одноосный метод применяется для определения:

• структурной прочности;
• общей деформации;
• уровня сжатия;
• коэффициента относительной сжимаемости.

Трехвекторный или стабилометрический метод анализа почвы для фундамента по ГОСТ 12248.3-2020 позволяет выяснить прочность и сопротивление деформации любых дисперсных грунтов. Пробу изготавливают с максимальной плотностью грунта, испытывающего расчетную нагрузку. Для органоминеральных, органических и глинистых грунтов применяют консолидированно-недренированный способ. Образец проверяют на сдвиг в условиях водонасыщения и на прочность при отсутствии стабилизации.

Определение плотности методом замещения

ГОСТ 28514-90 предусматривает 2 способа замещения объема грунта — с помощью пескозагрузочного аппарата или устройства с резиновым баллоном. Принцип подсчета основан на том, что плотность заместителя однородна и известна. Из образца выбирается определенный объем грунта и заполняется песком или водой. Плотность подсчитывается, исходя из массы удаленного грунта, массы наполнителя и его плотности.

Определение максимальной плотности и других физических характеристик

Максимальную плотность по ГОСТ 22733-2016 выполняют для природных и техногенных дисперсных грунтов. Отобранный образец подсушивают и готовят к анализу. Производят предварительные расчеты. Пробу помещают в прибор для уплотнения.

Производят последовательно несколько уплотнений, добавляя в грунт воду. Испытание будет закончено при максимальной плотности водонасыщенного грунта, когда при ударе груза из пробы начнет выходить вода или выделяться разжиженный грунт. Результаты заносят в журнал. На их основе вычисляют плотность сухого грунта, строят график зависимости изменения показателя от влажности, находят значение максимальной плотности и оптимальной влажности.

ГОСТ 5180-2015 определяет методики определения влажности, плотности для дисперсных глинистых, песчаных, мерзлых грунтов. По результатам исследований делают вывод о прочности и деформируемости породы.

«Инженер Эксперт» производит инженерно-геологические изыскания для целей строительства и реконструкции зданий и сооружений. Компания располагает собственной лабораторией испытания грунтов и материальной базой, позволяющей производить необходимые испытания. Итоговый отчет, который получает заказчик, содержит детальную информацию о визуальном обследовании площадки, описание методов испытаний и результаты. Кроме физико-химических характеристик грунта, отчет дополняется схемой грунтовых слоев, планом местности с обозначением выработки или бурения.