Лабораторные и полевые методы определения коэффициента фильтрации

Лабораторные	Полевые
Прямые	Косвенные	Виды грунтов	Прямые	Виды грунтов
Прибор Г. Н. Каменского	-	Песчаные и глинистые нарушенного и ненарушенного сложения	Опытные откачки из скважин и шурфов	Все виды, кроме глин и суглинков
Прибор Г. Тиме	-	Песчаные нарушенного сложения	Опытные наливы и шурфы	Песчаные и глинистые, кроме глин при глубоком залегании уровня грунтовых вод (4-6 м)
Трубка Г. Н. Каменского	-	Песчаные нарушенного сложения
Прибор КФЗ (трубка «Спецгео»)	-	Песчаные и глинистые нарушенного и ненарушенного сложения	Опытные нагнетания воды в скважину	Скальные, полускальные, трещиноватые и сухие гравийно-галечниковые
Прибор ПВ	-	Глинистые нарушенного и ненарушенного сложения
-	По результатам гранулометрического анализа	Песчаные однородные	Наблюдения за восстановлением уровня воды в скважинах	Все виды
По результатам компрессионных испытаний	Глинистые нарушенного и ненарушенного сложения

2.51. Показателями, характеризующими деформационные свойства грунтов, являются модуль упругости Е, модуль общей деформации Е₀, коэффициент бокового давления x , коэффициент сжимаемости a и коэффициент относительной сжимаемости a ₀ .

В практике инженерно-геологических изысканий наиболее часто определяется модуль общей деформации (или «модуль деформации») и коэффициент сжимаемости. Реже определяется коэффициент бокового давления, главным образом для расчета устойчивости стенок и кровли подземных горных выработок.

2.52. Модуль общей деформации грунтов может быть получен как по результатам лабораторных, так и полевых определений.

В лабораторных условиях применяются:

а) для скальных и полускальных грунтов - метод одноосного сжатия;

б) для песчаных и глинистых грунтов-метод компрессионных испытаний ¹.

____________

¹ Этим же методом определяется коэффициент сжимаемости грунтов a и коэффициент относительной сжимаемости a₀ .

В полевых условиях для всех видов грунтов применяются методы статических нагрузок и прессиометрии.

2.53. Метод одноосного сжатия для определения модуля деформации грунтов не стандартизован. Определения Е₀ для скальных грунтов могут производиться как на образцах круглого сечения ( d = 40-45 мм), так и квадратного (со сторонами 40-45 мм). Высота образца должна быть в 2,5-3 раза больше диаметра круглого или стороны прямоугольного образца.

Для полускальных грунтов и глинистых грунтов твердой консистенции могут использоваться керн диаметром и высотой 40-45 мм или кубики размером 50 ´ 50 ´ 50 мм.

При подготовке образцов следует особо следить за качеством пришлифовки рабочих поверхностей и их параллельностью, а при производстве опыта - за точностью измерения величины деформации по измерительным приборам и правильной центровкой образца, так как именно эти факторы являются главными источниками ошибок.

Технология проведения опытов по определению модуля деформации методом одноосного сжатия наиболее полно изложена в методическом руководстве В. Д. Ломтадзе ¹.

___________

¹ В. Д. Ломтадзе. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. Л., «Недра», 1972.

2.54. Метод компрессионных испытаний наиболее распространен для определения сжимаемости грунтов и последующего расчета модуля общей деформации.

Непосредственно по результатам компрессионных испытаний определяется коэффициент сжимаемости и коэффициент относительной сжимаемости.

Испытания образцов проводят либо по нормальной, либо по специальным схемам.

Нормальная схема дает возможность получить общую характеристику деформационных свойств и величины прочности структурных связей, коэффициента сжимаемости, коэффициента относительной сжимаемости, скорости уплотнения грунтов под заданной нагрузкой и т.д.

Специальные схемы применяются либо для изучения деформационных свойств грунтов в заданных условиях, исходя из конструктивных особенностей проектируемого сооружения и режима его строительства и эксплуатации, либо при изучении грунтов нарушенной структуры, определения просадочности лёссовых и набухаемости глинистых грунтов.

Метод компрессионных испытаний может быть использован для всех видов песчаных и глинистых грунтов естественного и нарушенного сложения, не содержащих грубообломочного материала.

Основные схемы компрессионных испытаний и определений сопротивления сдвигу приведены в табл. 7.

Главными источниками ошибок при проведении компрессионных испытаний являются:

нестрогая параллельность торцевых поверхностей образца;

зазоры между образцом и кольцом прибора;

неровности на торцевых и боковых стенках образца, помещенного в кольцо.

2.55. Расчет модуля деформации по результатам компрессионных испытаний производится по формуле

,

где Е₀ - модуль общей деформации, кгс/см²;

e ₁ - коэффициент пористости, соответствующий по компрессионной кривой нагрузке s ₁ ;

a - коэффициент сжимаемости, определяемый для интервала нагрузок s ₁ - s ₂ , кгс/см²;

b - коэффициент, физический смысл которого определяется особенностями поведения грунта при сжатии в условиях невозможности бокового расширения в отличие от естественных условий залегания. Численно b равно: для глин - 0,43, для суглинков - 0,57, для супесей - 0,72 и для песков - 0,26.

Таблица 7

Основные схемы испытаний глинистых грунтов лабораторными методами при инженерно-геологических изысканиях

Номенклатурный вид грунта и его физическое состояние	Компрессионные испытания	Сопротивление сдвигу
схема испытаний	область применения	схема испытаний	область применения
текучий В > 1; текучепластичный 0,75 < В < 1	Под водой малыми ступенями нагрузок	Для слабых водо-насыщенных грунтов и грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод	1. Быстрый сдвиг в естественном состоянии (без предварительного уплотнения) малыми вертикальными нагрузками 2. Медленный сдвиг с предварительным уплотнением (уплотнение производится малыми ступенями нагрузок)	Применяется для оценки прочности грунтов в начале строительного периода, когда отсутствует консолидация грунта под нагрузкой Схема соответствует периоду строительства или эксплуатации сооружения, когда в условиях возможности дренирования происходит полная консолидация грунта под нагрузкой
мягкопластичный 0,5 < В £ 0,75 тугопластичный 0,25 < В £ 0,5	а) без заливки воды; б) с насыщением водой в условиях неизменного или ограниченного объема;	Для грунтов, залегающих выше и ниже уровня грунтовых вод Для грунтов, претерпевающих увлажнение в период строительства и эксплуатации сооружений
1. Быстрый или ускоренный сдвиг в естественном состоянии, без предварительного уплотнения	Схема соответствует началу строительного периода, когда нет консолидации грунта под нагрузкой
полутвердый 0 < В £ 0,25 твердый В < 0	в) в условиях свободного набухания и последующего сжатия	Для оценки поведения грунта в котлованах, простоявших длительное время открытыми до возведения сооружений (толща грунта претерпевает разгрузки)	2. Медленный сдвиг с предварительным уплотнением (без воды)	Схема применяется для оценки прочности грунтов после их полной консолидации под нагрузками от сооружения, без взаимодействия грунтов с водой (конец строительного периода и период эксплуатации)
Медленный сдвиг без предварительного уплотнения	Схема соответствует поведению грунта в основании сооружений при обычных нагрузках (без водонасыщения)
Набухающий	а) с насыщением водой в условиях неизменного или ограниченного объема б) в условиях свободного набухания и последующего сжатия	Для оценки свойств набухающих грунтов, испытывающих дополнительное водонасыщение в условиях строительства	1. Быстрый или ускоренный сдвиг после предварительного свободного набухания 2. Быстрый, ускоренный или медленный сдвиг после ограниченного набухания (под заданными нагрузками)	Применяется для оценки прочности набухающих грунтов в котлованах и откосах выемок Применяется для оценки прочности набухающих грунтов, взаимодействующих с водой, под нагрузками от сооружения
Просадочные	а) по методу двух кривых при ступенчатом нагружении	Для предварительной оценки величины просадочности	1. Быстрый или медленный сдвиг грунтов в естественном состоянии (в зависимости от состояния и прочности грунтов)	Применяется для оценки прочности в их естественном физическом состоянии до замачивания
б) по методу одной кривой при ступенчатом нагружении под несколькими нагрузками	Для получения величины просадочности	2. Медленный сдвин после уплотнения и водонасыщения	Применяется для оценки прочности в стадии послепросадочных деформаций (в условиях замачивания и длительной эксплуатации сооружения)
в) по методу одной кривой при ступенчатом нагружении при длительных компрессионных испытаниях с непрерывной фильтрацией	Для определения величины послепросадочных деформаций	Примечание . Для оценки сопротивления сдвигу грунтов в стадии просадочных деформаций рекомендуется проводить быстрый сдвиг под малыми вертикальными нагрузками после замачивания грунта.

2.56. Метод статических нагрузок имеет две модификации - пробные нагрузки в шурфах, котлованах, штольнях и пробные нагрузки в скважинах. Выбор модификации метода зависит главным образом от необходимости проведения испытания на определенной глубине.

Метод статических нагрузок может быть использован для определения модуля деформации всех без исключения грунтов. Однако ГОСТ 12374-66 «Грунты. Метод полевого испытания статическими нагрузками» распространяется только на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты (кроме глинистых, просадочных и набухающих грунтов, а также глинистых грунтов текучей консистенции с коэффициентом пористости e ³ 1,5).

Для всех других грунтов (скальных, нескальных мерзлых, высокопористых глинистых текучей консистенции) схема испытаний статическими нагрузками и технология этих испытаний должны устанавливаться опытным путем с учетом условий работы грунта в основании сооружения или его среды.

Имеющиеся в практике изысканий установки для проведения статических нагрузок позволяют проводить испытания до глубины 10 м.

Обязательными условиями проведения опыта являются следующие:

сохранность природного сложения грунтов под штампом;

передача нагрузки на подошву штампа строго по его центру;

постоянство режима температуры и влажности грунтов в зоне действия штампа в процессе опыта;

строгое соблюдение режима нагрузок, определенного программой.

Проведение опыта статическими нагрузками должно предваряться бурением скважины на расстоянии 5-10 м (в зависимости от сложности строения геологического разреза) от точки проведения опыта с детальным послойным описанием состава грунтов. Глубина скважины должна определяться глубиной проведения опыта плюс 2 м (ориентировочная максимальная глубина влияния опыта).

При проведении опыта в шурфах с глубины установки подошвы штампа, в непосредственной близости от него, отбирается образец грунта ненарушенной структуры для определения комплекса физических и механических свойств в лаборатории.

2.57. Метод прессиометрии может быть использован для определения модуля деформации грунтов с поверхности и до глубины 25-50 м в зависимости от типа применяемого прибора.

Главное достоинство метода - возможность послойного определения модуля деформации. Ограничивающим фактором применения метода является мощность однородного по составу и состоянию слоя, которая должна быть больше длины рабочей камеры прессиометра. При резкой анизотропии свойств грунтов необходимо располагать количественными характеристиками анизотропии, которые можно получить только лабораторными методами испытанием в компрессионных приборах различно ориентированных образцов.

Модуль деформации определяется по линейному участку прессиометрической кривой, отвечающей стадии уплотнения грунта под приложенной нагрузкой.

При проведении опыта следует учитывать степень насыщенности грунта водой. В случае плотных и слабо влажных грунтов испытания проводятся но схеме быстрого деформирования (поровое давление воды можно не учитывать), в случае сильно влажных грунтов - по схеме медленного деформирования для создания возможности рассеивания перового давления.

2.58. Основными показателями прочностных свойств грунтов являются предел прочности на сжатие (временное сопротивление грунта при одноосном сжатии), величина сцепления и коэффициент внутреннего трения.

Предел прочности на сжатие в практике инженерно-геологических изысканий определяется лабораторными методами и этим показателем оцениваются в основном скальные и полускальные грунты. Кроме того, этот метод может быть рекомендован для сравнительной оценки прочности глинистых грунтов твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции. Величина сцепления и угол трения характеризуют прочность глинистых грунтов, а угол внутреннего трения - песчаных. Оба эти показателя могут быть определены как в полевых, так и в лабораторных условиях ¹.

___________

¹ Прочность на растяжение и скалывание для скальных и полускальных грунтов, прочность на сжатие и растяжение для глинистых грунтов в практике инженерно-геологических изысканий определяются весьма редко по специальным заданиям.

2.59. Определение предела прочности на сжатие скальных грунтов проводится на том же оборудовании, что и определение модуля деформации. Отличие состоит в том, что увеличением нагрузок образец грунта доводят до разрушения. Основные требования к размеру образцов и их обработке следующие:

для образца цилиндрической формы отношение диаметра к высоте должно быть близким к 1:1, с отклонением не более 5 %;

диаметр образца не может быть меньше 40 и больше 45 мм;

для образца кубической формы размер должен быть 50 ´ 50 ´ 50 мм;

точность измерения высоты образца не менее 0,1 мм;

торцы образцов должны быть тщательно пришлифованы и проверены на строгую параллельность.

Прочность скальных грунтов определяется в двух состояниях - воздушно-сухом и водонасыщенном.

Определение прочности на сжатие полускальных и других видов грунтов с временным сопротивлением при одноосном сжатии в водонасыщенном состоянии менее 50 кгс/см² производится в соответствии с ГОСТ 17245-71 «Грунты. Метод лабораторного определения временного сопротивления при одноосном сжатии».

Основными источниками ошибок определения временного сопротивления грунта сжатию могут быть нарушения условий по подготовке и обработке образцов, а также нарушение скорости нагружения образца и точность фиксации момента начала его разрушения.

При изучении временного сопротивления грунта сжатию для обоснования устойчивости сооружений достаточной точностью определения этого показателя можно считать:

для глинистых грунтов - до единиц, кгс/см² ;

для полускальных грунтов - до единиц, кгс/см² ;

для скальных грунтов - до десятков или сотен, кгс/см².

2.60. Изучение прочностных свойств глинистых и песчаных грунтов в лаборатории может проводиться на срезных приборах или приборах трехосного сжатия (стабилометрах) того типа, где образец в камере всегда может находиться под действием всестороннего давления, равного боковому (тип А).

Схемы испытаний на сдвиг различаются условиями предварительной подготовки образца, режимом и скоростью проведения опыта. Схемы опыта, сочетающие как определенный способ подготовки образца, так и режим его проведения, назначаются в каждом случае индивидуально и зависят от условий работы грунта во взаимодействии с проектируемым сооружением как в процессе его строительства, так и эксплуатации. Следует всегда помнить, что в зависимости от предварительной подготовки образца и режима проведения опыта параметры сопротивления сдвига для одного и того же грунта могут резко различаться. Для достоверного прогноза поведения грунта в основании сооружений необходимо стремиться к осуществлению подобия между режимом опыта и схемой подготовки образца с условиями будущей работы грунта.

Из всех режимов проведения сдвигового опыта стандартизован медленный сдвиг в условиях завершенной консолидации (ГОСТ 12248-66 «Грунты. Метод лабораторного определения сопротивления срезу песчаных и глинистых грунтов на срезных приборах в условиях завершенной консолидации»). Возможные схемы определения прочностных свойств грунтов на сдвиговых приборах приведены в табл. 7.

При изучении прочностных свойств песчано-глинистых грунтов в стабилометрах (определение сопротивления сдвигу в условиях трехосного сжатия) получается более достоверная модель поведения грунта в массиве при приложении к нему нагрузки. Наибольшее распространение имеют две схемы проведения опытов:

недренированные испытания, моделирующие работу грунта, когда при затрудненном оттоке воды и быстром нагружении он находится долгое время в неконсолидированном состоянии;

дренированные испытания, моделирующие работу грунта при сравнительно медленном приложении нагрузки и хороших условиях дренирования.

При назначении лабораторных исследований следует выбирать одну из этих схем исходя из конкретных геологических условий, конкретных условий проекта организации строительных работ проектируемого сооружения и характера его эксплуатации.

2.61. Для определения прочности грунтов в полевых условиях разработан ряд методов. Стандарты на них не установлены. Одни из этих методов позволяют раздельно определять угол внутреннего трения и сцепления (сдвиг в заданной плоскости), другие - только обобщенные показатели сдвига (обрушение, выпирание, крыльчатое зондирование). Все эти методы незаменимы при испытании грунтов, из которых невозможно отобрать образцы ненарушенной структуры или для которых лабораторные определения по разным причинам могут быть недостоверны. К таким грунтам в первую очередь относятся глинисто-щебнистые или гравийно-песчаные грунты, тонкослоистые песчано-глинистые и слабоглинистые грунты.

Таблица 8