СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК E02D1/02 G01N33/24 

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания грунта и определению механических характеристик грунтов статическим зондированием при инженерно-геологических изысканиях.

Известен релаксационно-ползучий способ испытания грунта методом статического зондирования, при котором в процессе прекращения задавливания зонда на заданной глубине, нагрузка на зонд и скорость его погружения в результате релаксации и ползучести окружающего зонд грунта плавно снижаются с уменьшающейся интенсивностью. В процессе испытания могут дополнительно измеряться осадка, температура зонда, поровое давление и др. Продолжительность испытания, как правило, составляет не менее 5-10 мин и определяется задаваемым условным критерием стабилизации одного из измеряемых параметров или задаваемым временем стабилизации /1/.

Недостатками известного способа является следующее:

1) Способ не позволяет определять параметры релаксации грунта, используемые для прогноза изменения контактного давления подземной конструкции (фундамента) с грунтом. Объясняется это тем, что в процессе стабилизации измеряемые сопротивления грунта под конусом зонда и вдоль его боковой поверхности (муфты трения) отражают одновременно протекающие в грунте как процессы ползучести (длительное деформирование грунта во времени под действием нагрузки), так и релаксации (снижение напряжений при неизменных деформациях) грунта. Ползучесть грунта происходит в результате перемещения зонда в процессе его стабилизации, которая обусловлена начальным изгибом (на момент прекращения задавливания зонда) и последующим выпрямлением штанг (в процессе стабилизации зонда) и, как следствие, перемещением зонда.

В связи с этим в сопротивлениях грунта под конусом зонда и вдоль его боковой поверхности нельзя выделить части, отражающие отдельно процессы релаксации и ползучести грунта и соответственно определить по ним параметры релаксации.

2) Способ не позволяет определять эффективные параметры релаксации и природное поровое давление в грунте, используемые для расчетов оснований, фундаментов и подземных сооружений.

В настоящее время параметры релаксации грунта оценивают в лабораторных условиях, на образцах грунта, отобранных из инженерно-геологических скважин. Это длительно и трудоемко. Природное поровое давление в грунте сегодня определяется с помощью стационарных пьезометров, устанавливаемых в скважину, что достаточно дорого и длительно.

Кроме того, известный способ не позволяет определять коэффициент трения грунта на контакте боковой поверхности зонда с грунтом, поскольку в процессе испытаний не измеряется давление грунта на боковую поверхность зонда - коэффициент трения грунта равен отношению сопротивления грунта вдоль боковой поверхности зонда к давлению грунта на боковую поверхность зонда. Коэффициент трения грунта используется для определения сопротивления грунта вдоль боковой поверхности трубопроводов, трубчатых свай, рабочих органов землеройной техники, при их перемещении (задавливании) или в статическом состоянии (в состоянии покоя).

В настоящее время коэффициент трения грунта оценивают в лабораторных условиях, на образцах грунта, отобранных из инженерно-геологических скважин. Это длительно и трудоемко. Также используют обобщенные таблицы с приближенными значениями, учитывающие только вид грунта, что существенно снижает точность определения коэффициента трения грунта.

Техническая задача заключается в возможности определения параметров релаксации, эффективных параметров релаксации, коэффициента трения грунта и природного порового давления методом статического зондирования в полевых условиях.

Поставленная задача определения параметров релаксации, эффективных параметров релаксации, коэффициента трения грунта и природного порового давления грунта реализуется таким образом, что в способе испытания грунта, включающем периодическое погружение зонда в массиве грунта с остановками и измерение сопротивления грунта внедрению зонда во времени, согласно изобретению, при остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда, по которому определяют параметры релаксации и коэффициент трения грунта. Также при дополнительном измерении порового давления возможно определении эффективных параметров релаксации, коэффициента трения грунта и природного порового давления в грунте.

Предлагаемый способ отличается тем, что при остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда, по которому определяют параметры релаксации и коэффициент трения грунта. Кроме того, при остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда и поровое давление, по которым определяют эффективные параметры релаксации, коэффициент трения грунта и природное поровое давление в грунте.

Таким образом, выполняют измерения во времени полного и порового давления, по которым возможно определить физико-механические свойства грунтов в полевых условиях для выполнения геотехнических расчетов.

Способ поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен график релаксации полных давлений грунта; фиг. 2 - график релаксации полных давлений грунта и порового давления.

Определение параметров релаксации грунта осуществляется следующим образом.

Во время задавливания зонд останавливают на заданной глубине и фиксируют во времени t с определенным интервалом (например, 1 секунда) в течение заданного промежутка времени (5-10 мин) давление на боковой поверхности зонда σ_i. Затем по полученным данным строят график изменения давления во времени (фиг. 1).

Далее, по формуле (1), используя методы математической статистики, вычисляют время релаксации полного давления T_r (характеризует интенсивность снижения давления во времени) и конечное полное давление σ_k (характеризует контактное полное давление, соответствующее равновесному состоянию системы «зонд - грунт»).

где σ_i - полное давление в момент времени i; σ_k - полное конечное давление; σ₀ - полное начальное давление; t - время; T_r - время релаксации полного давления.

Параметры релаксации T_r и σ_k определяют в результате статистического регрессионного анализа, путем аппроксимации пар данных σ_i и t уравнением (1).

Определение коэффициента трения грунта осуществляется следующим образом.

Одновременное измерение нормального давления грунта на боковой поверхности зонда σ_i и удельного сопротивления грунта на муфте трения ƒ_s позволяет определить коэффициент трения материала зонда о грунт μ.

Коэффициент трения скольжения материала зонда о грунт находится по формуле (2):

где ƒ_s - удельное сопротивление грунта вдоль муфты трения, измеряемое при задавливании зонда; σ - нормальное давление грунта на боковой поверхности задавливаемого зонда, измеряемое при задавливании зонда.

Коэффициент трения покоя рассчитывается по формуле (2а):

где ƒ_ss - удельное сопротивление грунта вдоль муфты трения, измеряемое в процессе стабилизации зонда (через 5-10 мин); σ_s - нормальное давление грунта на боковой поверхности задавливаемого зонда, измеряемое в процессе стабилизации зонда (через 5-10 мин).

Если одновременно с измерением нормального давления грунта во времени на боковую поверхность зонда, на этом же участке, дополнительно измеряют поровое давление, то становится возможным определить эффективные параметры релаксации и природное поровое давление.

Определение эффективных параметров релаксации грунта осуществляется следующим образом.

Во время задавливания зонд останавливают на заданной глубине и фиксируют во времени t с определенным интервалом (например, 1 секунда) в течение заданного промежутка времени (5-10 мин) давление на боковой поверхности зонда σ_i и поровое давление на контакте «зонд-грунт» .

По полученным данным строят графики изменения полного и порового давлений во времени (фиг. 2) и вычисляют эффективные давления по формуле (3).

где - эффективное давление в момент времени t; σ_i - полное давление в момент времени i; - поровое давление в момент времени i.

Эффективные параметры релаксации и определяют в результате статистического регрессионного анализа, путем аппроксимации пар данных и t уравнением (4)

где - эффективное давление в момент времени i; - конечное эффективное давление; - начальное эффективное давление; t - время; - время релаксации эффективного давления.

Определение природного порового давления грунта осуществляется прямым или расчетным способами.

Прямой способ

Стабилизацию зонда выполняют не менее четырех часов, до тех пор пока изменение порового давления не прекратится. Стабилизированное значение порового давления принимают за природное поровое давление грунта.

Расчетный способ

В результате статистического регрессионного анализа, путем аппроксимации пар данных и t уравнением (5) рассчитывают природное (до задавливания зонда) поровое давление грунта:

где - поровое давление в момент времени i; - природное поровое давление; - начальное поровое давление; t - время; - время релаксации порового давления.

Источники информации

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

Изобретение относится к строительству, а именно к способам испытания грунта. Способ испытания грунта методом статического зондирования, включающий периодическое погружение зонда в массиве грунта с остановками и измерение сопротивления грунта внедрению зонда во времени. При остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда, по которому определяют параметры релаксации и коэффициент трения грунта. Технический результат заключается в упрощении определения параметров релаксации, эффективных параметров релаксации, коэффициента трения грунта и природного порового давления при статическом зондировании грунта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ испытания грунта методом статического зондирования, включающий периодическое погружение зонда в массиве грунта с остановками и измерение сопротивления грунта внедрению зонда во времени, отличающийся тем, что при остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда, по которому определяют параметры релаксации и коэффициент трения грунта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при остановке зонда измеряют во времени полное давление грунта на боковую поверхность зонда и поровое давление, по которым определяют эффективные параметры релаксации, коэффициент трения грунта и природное поровое давление в грунте.