СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА СТАТИЧЕСКИМ ЗОНДИРОВАНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК E02D1/02 

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий для строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, основания которых используются для строительства зданий в оттаянном или оттаивающем состоянии.

Известен метод испытания грунтов методом статического зондирования с использованием стандартного электрического зонда с конусом и муфтой трения, включающий периодические погружение и остановку зонда в массиве грунта с измерением сопротивлений грунта под конусом зонда и вдоль муфты трения /1/.

Данный метод с использованием стандартного электрического зонда получил широкое распространение для оценки физико-механических свойств и несущей способности грунтов при инженерно-геологических изысканиях, однако он не позволяет определять механические свойства и несущую способность мерзлых грунтов в оттаянном состоянии.

Наиболее близким по технической сущности является способ испытания грунтов методом статического зондирования с использованием специального электрического зонда с конусом, муфтой трения и датчиком температуры /2/.

Недостатками известного способа являются:

1. Способ не позволяет выполнять статическое зондирование через слои прочных мерзлых грунтов. В этом случае задавливают зонд на максимально возможную глубину, извлекают его, пробуривают прочный слой мерзлого грунта, возобновляют зондирование с забоя пройденной скважины. Это увеличивает стоимость, сроки испытаний и трудоемкость.

2. Для определения механических свойств мерзлых грунтов с учетом их оттаивания требуется выполнить сначала первый цикл статического зондирования мерзлых грунтов на заданную глубину, затем оттаивание мерзлых грунтов (с помощью специальных установок электрооттаивания, парооттаивания или за счет других источников тепла) на глубину зондирования, после чего второй цикл статического зондирования оттаянных грунтов на заданную глубину.

Это увеличивает стоимость и сроки испытаний. Кроме этого результаты испытаний имеют отклонения от действительных параметров. Во-первых, погружение в грунт (устройство) специальных установок для оттаивания грунтов изменяет природное напряженно-деформированное состояние грунта. Во-вторых, первый и второй циклы статического зондирования выполняются в соседних точках, отстоящих на расстоянии не менее 1,5 м (чтобы зондировочная скважина от первой точки зондирования не влияла на результаты зондирования на второй точке). Из-за неоднородности грунта результаты зондирования в соседних точках на одной и той же глубине не позволяют определить механические свойства мерзлых грунтов с учетом их оттаивания для одной и той же локально-точечной зоны грунта.

Техническая задача заключается в возможности определения механических свойств и несущей способности многолетнемерзлых грунтов с учетом их оттаивания по результатам испытания грунтов методом статического зондирования, повышение точности и снижение трудоемкости испытаний.

Поставленная задача реализуется таким образом, что в способе испытания мерзлого грунта, включающем периодическое погружение с остановкой зонда в массиве грунта и измерением сопротивления грунта внедрению зонда и температуры грунта, согласно изобретению при остановке, после измерения температуры мерзлого грунта, выполняют оттаивание грунта на заданную глубину с помощью установленного в зонде нагревательного элемента, после чего зонд додавливают в пределах зоны оттаивания грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта внедрению зонда. Причем, оттаивание мерзлого грунта могут выполнять в процессе остановки зонда с помощью нагревательного элемента, установленного в конусе зонда, при этом мощность и продолжительность нагрева устанавливают в зависимости от температуры, физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта, а после оттаивания грунта зонд додавливают на 0,9 глубины оттаивания с измерением сопротивлений грунта под конусом зонда, после чего останавливают и измеряют температуру в зоне оттаянного грунта. Или оттаивание мерзлого грунта могут выполнять в процессе остановки зонда с помощью нагревательного элемента, установленного в муфте трения, при этом грунт вдоль муфты трения оттаивают на заданную ширину, а после оттаивания грунта зонд додавливают в пределах зоны оттаянного грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта вдоль муфты трения, после чего останавливают и измеряют температуру в зоне оттаянного грунта.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что в процессе остановки, после измерения температуры грунта с помощью установленного в зонде температурного датчика, выполняют оттаивание грунта с помощью установленного в зонде нагревательного элемента, зонд додавливают, измеряют сопротивление оттаянного грунта зондированию и для контроля состояния его температуру.

Если требуется измерить сопротивление оттаянного грунта под конусом, то температурный датчик и нагревательный элемент располагают в конусе. При этом мощность и продолжительность нагрева устанавливают в зависимости от измеренной природной температуры, физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта. Их подбирают таким образом, чтобы за заданный промежуток времени нагрева грунт под конусом оттаял на глубину 4 диаметров зонда (зонд представляет собой малую модель забивной сваи; согласно большинству исследований активная зона взаимодействия грунта и забивной сваи составляет примерно 3-4 ее диаметра) /3/. Грунт под конусом зонда оттаивают на глубину 4 его диаметров. После чего зонд додавливают на глубину 0,9 глубины оттаивания с измерением сопротивлений оттаянного грунта под конусом, останавливают и измеряют температуру грунта с целью контроля и подтверждения того, что грунт в интервале додавливания зонда находится в оттаянном состоянии.

Сопротивление оттаянного грунта под конусом, на основании предварительно установленных корреляционных зависимостей, используют для определения прочностных и деформационных свойств оттаянного грунта, а также несущей способности оттаянного грунта под нижним торцом сваи или подошвой ленточного или столбчатого фундамента.

Если требуется измерить сопротивление оттаянного грунта вдоль муфты трения, то температурный датчик и нагревательный элемент располагают в муфте трения. При этом мощность и продолжительность нагрева устанавливают в зависимости от измеренной природной температуры, физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта. Их подбирают таким образом, чтобы за заданный промежуток времени нагрева грунт вдоль муфты трения оттаял на ширину 4 диаметров зонда. Грунт вдоль муфты трения зонда оттаивают на ширину 4 его диаметров. После чего зонд додавливают на глубину, равную 2 см, с измерением сопротивлений оттаянного грунта вдоль муфты трения, останавливают и измеряют температуру грунта. При додавливании, во-первых, необходимо зафиксировать максимальное (пиковое) сопротивление грунта, соответствующее моменту срыва (сдвига) оттаянного грунта относительно муфты трения (так называемую сдвиговую прочность грунта по контакту «муфта трения - грунт»), во-вторых, додавливание необходимо выполнять в пределах гарантированно оттаянной зоны, в-третьих, интервал додавливания должен быть не менее интервала (для большинства грунтов не превышает 2 см), на котором происходит срыв.

Сопротивление оттаянного грунта вдоль муфты трения, на основании предварительно установленных корреляционных зависимостей, используют для определения несущей способности оттаянного грунта по боковой поверхности сваи.

Температурный датчик и нагревательный элемент, для повышения их компактности и возможности совместного расположения в ограниченном объеме, могут быть выполнены в виде единого элемента двойного назначения (например, в виде термопреобразователя сопротивления).

Способ реализуется с помощью устройства (зонда) для статического зондирования грунтов. В устройстве для статического зондирования грунта, включающем наконечник, состоящий из конуса, муфты трения, тензометрического устройства и температурного датчика, и штангу, согласно изобретению наконечник снабжен нагревательным элементом с возможностью определять механические свойства и несущую способность мерзлых грунтов с учетом их оттаивания.

Предлагаемый способ позволит в процессе статического зондирования определять механические свойства и несущую способность мерзлых грунтов с учетом их оттаивания; снизить трудоемкость, стоимость и сроки инженерно-геологических изысканий, выполняемых для строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, основания которых используются в оттаянном или оттаивающем состоянии.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены общие виды устройства для статического зондирования грунтов соответственно для вариантов расположения температурного датчика и нагревательного элемента в конусе и муфте трения.

Устройство включает наконечник 7, состоящий из конуса 4, муфты трения 3, тензометрического устройства 2 и температурного датчика 5, и штангу 1. В конусе 4 или муфте трения 3 размещают нагревательный элемент 6 совместно с температурным датчиком 5. Нагревательный элемент 6 и температурный датчик 5 могут выполняться в виде единого элемента двойного назначения (например, в виде термопреобразователя сопротивления). Устройство может иметь два температурных датчика и два нагревательных элемента, расположенных в конусе и муфте трения.

Способ реализуется следующим образом.

Вариант 1 - температурный датчик и нагревательный элемент расположены в конусе

Усилие залавливающего устройства (не показано) передается на штангу 1 и далее на наконечник 7, вдавливая его в массив мерзлого грунта. По мере погружения наконечника, с использованием конуса 4, муфты трения 3, тензометрического устройства 2 и температурного датчика 5 измеряют сопротивление мерзлого грунта под конусом и вдоль боковой поверхности муфты трения, а также температуру конуса. После достижения глубины 1 м, задавливание наконечника прекращают и испытание переводят в релаксационно-ползучий режим (выполняют «стабилизацию» наконечника), сопровождаемый вмерзанием наконечника в мерзлый грунт. Данный режим продолжают до достижения конусом природной температуры мерзлого грунта. Затем, с помощью нагревательного элемента 6, выполняют оттаивание мерзлого грунта под конусом на глубину 4 его диаметров. Время нагрева указывается в программе испытаний. Оно выбирается с учетом мощности нагревательного элемента, установленного в конусе, измеренной природной температуры грунта, а также физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта /4/. После чего зонд додавливают на глубину 0,9 глубины оттаивания с измерением сопротивлений оттаянного грунта под конусом, останавливают и измеряют температуру грунта с целью контроля и подтверждения того, что грунт в интервале додавливания зонда находится в оттаянном состоянии. Если измеренная температура грунта выше температуры начала замерзания грунта, то грунт считается оттаянным, если нет - мерзлым. В последнем случае зонд долавливается ниже, все испытания повторяют вновь, но время нагрева увеличивают. После этого наконечник с постоянной скоростью, с интервалом по глубине 1 м, поочередно залавливают на глубины 2 м, 3 м, … h м (h - заданная глубина зондирования массива грунта согласно программе работ) и все операции на каждой из глубин повторяют вновь. Сопротивления мерзлых и оттаянных грунтов под конусом, а также мерзлого грунта вдоль муфты трения, на основании предварительно установленных корреляционных зависимостей, используют для определения прочностных и деформационных свойств мерзлых и оттаянных грунтов, несущей способности мерзлого и оттаянного грунта под торцом сваи и мерзлого грунта вдоль ее боковой поверхности.

Вариант 2 - температурный датчик и нагревательный элемент расположены в муфте трения.

Усилие задавливающего устройства (не показано) передается на штангу 1 и далее на наконечник 7, вдавливая его в массив мерзлого грунта. По мере погружения наконечника, с использованием конуса 4, муфты трения 3, тензометрического устройства 2 и температурного датчика 5 измеряют сопротивление мерзлого грунта под конусом и вдоль боковой поверхности муфты трения, а также температуру муфты трения. После достижения глубины 1 м, задавливание наконечника прекращают и испытание переводят в релаксационно-ползучий режим (выполняют «стабилизацию» наконечника), сопровождаемый вмерзанием наконечника в мерзлый грунт. Данный режим продолжают до достижения муфтой трения природной температуры мерзлого грунта. Затем, с помощью нагревательного элемента 6, выполняют оттаивание мерзлого грунта вдоль муфты трения на ширину 4 ее диаметров. Время нагрева указывается в программе испытаний. Оно выбирается с учетом мощности нагревательного элемента, установленного в муфте трения, измеренной природной температуры грунта, а также физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта. После чего зонд додавливают на заданную глубину, равную 2 см, с измерением сопротивлений оттаянного грунта вдоль муфты трения, останавливают и измеряют температуру грунта с целью контроля и подтверждения того, что грунт в интервале додавливания зонда находится в оттаянном состоянии. Если измеренная температура грунта выше температуры начала замерзания грунта, то грунт считается оттаянным, если нет - мерзлым. В последнем случае зонд долавливается ниже, все испытания повторяют вновь, но время нагрева увеличивают. После этого наконечник с постоянной скоростью, с интервалом по глубине 1 м, поочередно залавливают на глубины 2 м, 3 м, … h м (h - заданная глубина зондирования массива грунта согласно программе работ) и все операции на каждой из глубин повторяют вновь. Сопротивления мерзлых грунтов под конусом, а также мерзлых и оттаянных грунтов вдоль муфты трения, на основании предварительно установленных корреляционных зависимостей, используют для определения прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов, несущей способности мерзлого грунта под торцом сваи и мерзлых и оттаянных грунтов вдоль ее боковой поверхности.

Источники информации

1. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием.

2. СП 25.13330.2012 «СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» /прототип/.

3. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Высшая школа, 2004 г., 566 с.

4. Рекомендации по использованию электронагревателей для оттаивания вечномерзлых грунтов. НИИОСП. М., 1982 г., 24 с.

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий для строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, основания которых используются для строительства зданий в оттаянном или оттаивающем состоянии. Способ испытания мерзлого грунта включает периодическое погружение с остановкой зонда в массиве грунта и измерением сопротивления грунта внедрению зонда и температуры грунта. При остановке, после измерения температуры мерзлого грунта, выполняют оттаивание грунта на заданную глубину с помощью установленного в зонде нагревательного элемента, после чего зонд додавливают в пределах зоны оттаивания грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта внедрению зонда. Технический результат состоит в обеспечении возможности испытания мерзлого грунта с определением механических свойств и несущей способности многолетнемерзлых грунтов с учетом их оттаивания в процессе статического зондирования грунтов, повышении точности, снижении трудоемкости испытаний. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ испытания мерзлого грунта, включающий периодическое погружение с остановкой зонда в массиве грунта и измерением сопротивления грунта внедрению зонда и температуры грунта, отличающийся тем, что при остановке, после измерения температуры мерзлого грунта, выполняют оттаивание грунта на заданную глубину, с помощью установленного в зонде нагревательного элемента, после чего зонд додавливают в пределах зоны оттаивания грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта внедрению зонда.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оттаивание мерзлого грунта выполняют в процессе остановки зонда, с помощью нагревательного элемента, установленного в конусе зонда, при этом мощность и продолжительность нагрева устанавливают в зависимости от температуры, физических и теплофизических характеристик мерзлого грунта, а после оттаивания грунта зонд додавливают на 0,9 глубины оттаивания с измерением сопротивлений грунта под конусом зонда, после чего останавливают и измеряют температуру в зоне оттаянного грунта.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оттаивание мерзлого грунта выполняют в процессе остановки зонда, с помощью нагревательного элемента, установленного в муфте трения, при этом грунт вдоль муфты трения оттаивают на заданную ширину, а после оттаивания грунта зонд додавливают в пределах зоны оттаянного грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта вдоль муфты трения, после чего останавливают и измеряют температуру в зоне оттаянного грунта.