Способ контроля деформационных характеристик армированного вертикальными элементами слабого грунта Российский патент 2023 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области строительства, в частности к технологиям испытания армированного грунта вертикальными элементами из бетона, грунтобетона или грунтоцемента, с целью преобразования свойств слабого грунта для строительства зданий и сооружений.

Известен способ контроля деформационных характеристик армированного грунта путем проведения штамповых испытаний (Свод Правил 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», п. 18.1, с. 111-112).

Известен способ испытания грунтоцементных конструкций путем сквозного бурения грунтоцементных элементов с отбором и последующим испытанием кернов на одноосное сжатие с определением модуля упругости материала армирующего элемента (Свод Правил 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования» п. 8.2 с. 19-20).

Недостатком указанных способов является то, что с помощью штампового испытания получаем деформационные характеристики армированного грунтового массива лишь в пределах зоны влияния штампа, а при испытании кернов на одноосное сжатие получаем характеристики лишь для материала армирующего элемента, что также не является достаточным для достоверности контроля деформационных характеристик армированного грунта.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения деформируемости основания из армированного щебеночными вертикальными элементами слабого грунта, включающий компрессионное сжатие штампом образца грунта с армирующим элементом и измерение параметров грунта, по которым судят о деформируемости основания, причем компрессионное сжатие образца производят после погружения в грунт массива основания соосно армирующему щебеночному элементу металлической трубы, длиной, равной длине армирующего элемента, диаметром, равным их шагу в массиве грунта основания, с образованием образца из армирующего щебеночного элемента, окруженного слоем уплотненного грунта и слоем естественного грунта, ограниченного стенкой трубы, а компрессионное сжатие осуществляют путем воздействия штампа на образец с одновременным измерением параметров грунта образца, и определением модуля деформации грунта, по которому судят о сжимаемости всего массива основания (см. патент РФ №2631617, МПК G01N 33/24, опубл. 25.09.2017. Бюл. №27).

Недостатком указанного способа является, невозможность определения деформационных характеристик армированного грунта ниже зоны влияния штампа, которая составляет до двух его диаметров, что в большинстве случаев армирования грунтов значительно меньше глубины армирования, что снижает достоверность и точность контроля деформационных характеристик на любой глубине армированного грунтового массива.

Так как инженерно-геологического разрез по глубине представлен различными инженерно-геологическими элементами (ИГЭ), и их физико-механические свойства по глубине не одинаковые, в том числе деформационные свойства (модуль деформации грунта), то в армированном грунте еще большое значение имеет оценка деформационных характеристик грунтового массива по всей глубине при контроле и приемке работ по армированию грунтов.

Технической задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение достоверности и точности контроля деформационных характеристик, грунтов на любой глубине армированного грунтового массива, армированных вертикальными армирующими элементами из бетона, грунтобетона или грунтоцемента.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе контроля деформационных характеристик армированного вертикальными элементами слабого грунта, включающего штамповое испытание грунтового массива с армирующим элементом и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, дополнительно осуществляют значения модуля деформации армированного грунта на любой глубине армированного грунтового массива, путем сквозного бурения вертикального армирующего элемента колонковым способом с отбором керна, и полевого испытания грунта, расположенного между вертикальными армирующими элементами, статическим зондированием, после чего проводят испытание штампом и вычисляют корреляционный коэффициент, как отношение штампового модуля деформации армированного грунта в пределах первого метра глубины армирования к расчетному модулю деформации армированного грунта, а модуль деформации армированного грунта на любой глубине армирования определяют по формуле: , где - корреляционный коэффициент; Е_ai - модуль упругости армирующего элемента (МПа) на i-ой глубине; Е_гi - модуль деформации грунта между армирующими элементами (МПа) на i-ой глубине; α - коэффициент армирования.

Техническим результатом является повышение эффективности контроля деформационных характеристик армированного грунта с возможностью получения значения модуля деформации армированного грунта на любой глубине грунтового массива, исходя из модуля упругости армирующих элементов, модуля деформации грунта, расположенного между армирующими элементами, модуля деформации армированного грунта по результатам штампового испытания, при котором в зону влияния штампа попадает армирующий элемент и грунт вокруг армирующего элемента, посредством аналитической взаимосвязи и корреляционной зависимости, используемых методов контроля деформационных характеристик в составе настоящего способа.

Заявляемое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен фрагмент схемы расположения вертикальных армируемых элементов, на фиг. 2 - разрез фрагмента армированного грунта вертикальными элементами, на фиг. 3 - общая схема установки, при выполнении испытания плоским штампом, на фиг. 4 - инженерно-геологический разрез участка испытаний, на фиг. 5 - процесс сквозного бурения вертикального армирующего элемента, на фиг. 6 - испытание статическим зондированием, на фиг. 7 - испытание плоским штампом круглой формы.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - вертикальные армирующие элементы;

2 - скважина от сквозного бурения;

3 - точка статического зондирования грунтов;

4 - штамп;

5 - керн, отобранный во время сквозного бурения для определения модуля упругости армирующего элемента;

6 - зона влияния штампа;

7 - фунт вокруг армирующих элементов;

8 - анкер;

9 - продольная балка;

10 - прогибомер системы Аистова;

11 - реперная система;

12 - домкрат;

13 - поперечная балка;

14 - песчано-гравийная подушка.

Способ реализуется следующим образом.

В армированном грунте выполняется скважина 2 (фиг. 1, 2) путем сквозного бурения вертикального армирующего элемента 1 колонковым способом, со сплошным отбором керна 5 для последующего изготовления образцов и определения модуля упругости (E_ai) материала армирующего элемента на каждый метр глубины вертикального армирующего элемента 1. Сквозное бурение скважины 2 следует выполнять в возрасте вертикального армирующего элемента 1 не менее 56 сут. колонком диаметром от 44 до 150 мм. Отбор, транспортирование и хранение керна 5 выполняется в соответствии с ГОСТ 12071. После выполнения сквозного бурения скважины 2 керны 5 торцуются и подготавливаются образцы цилиндрической формы непосредственно для испытаний. На каждый метр длины керна 5 изготавливается по три образца. Диаметр образцов должен соответствовать внутреннему диаметру колонка, высота - от 0,8 до 2,0 диаметра. Каждому образцу присваивается индекс, отражающий глубину армирования, в пределах которой изготовлен образец.

Испытания на одноосное сжатие образцов проводят согласно ГОСТ 12248.2 и ГОСТ 24452 с определением модуля упругости (E_ai). В результате испытаний образцов устанавливаются значения модуля упругости материала армирующего вертикального элемента 1 в пределах каждого метра его длины. Во время испытания образцы нагружаются осевой сжимающей нагрузкой ступенями, равными 5% от разрушающей нагрузки с измерением в процессе нагружения осевых деформаций.

По итогам испытания составляется диаграмма «напряжение - продольная относительная упругомгновенная деформация». В результате чего, вычисляется модуль упругости E_ai образцов, отобранных с i-ой глубины армирующего элемента, по формуле:

где - приращение напряжения от условного нуля до уровня внешней нагрузки, равной 30% от разрушающей; Р₁ - соответствующее приращение внешней нагрузки (кН); F - площадь поперечного сечения образца (м²); ε_1у - приращение упругомгновенной относительной продольной деформации образца (д.е.), соответствующее уровню нагрузки Р₁=0,3 ⋅ Р_р, где Р_р - ожидаемое значение разрушающей нагрузки (кН), и измеренное в начале каждой ступени ее приложения.

Затем выполняется полевое испытание грунта 7 в точке 3 вокруг армирующих элементов 1 статическим зондированием и определяют модуль деформации грунта, расположенного между армирующими элементами в пределах каждого метра глубины армирования (E_ri).

Статическое зондирование грунтов (фиг. 1, 2) выполняется по ГОСТ 19912 на всю глубину армирования грунта с применением зонда второго типа. Обработку данных статического зондирования производят по СП II-105-97 с определением модуля деформации грунта (E_ri) в пределах каждого i-го метра глубины армирования путем статистической обработки массива значений удельного сопротивления грунта под наконечником (конусом) зонда по формуле: где Е_гi - модуль упругости грунта на i-ой глубине армирования (МПа); q_3i - удельное сопротивление грунта под наконечником зонда на i-ой глубине армирования (МПа).

После этого выполняется полевое испытание армированного грунта плоским штампом 4 круглой формы и определяют штамповый модуль деформации армированного грунта (E_ш) в пределах зоны влияния штампа 6 за счет совместной работы вертикального армирующего элемента 1 и окружающего его грунта 7.

Штамповое испытание армированного грунта выполняется с использованием методики ГОСТ 20276.1-2020.

Перед монтажом штампа выполняется срезка верхнего слоя грунта на глубину 10-15 см и выравнивается площадка для установки штампа 4 песчано-гравийной смесью, уложенной с послойным уплотнением до коэффициента уплотнения не менее k_уп=0,98. Плоский жесткий штамп 4 (фиг. 1, 2, 3) (площадь определяется коэффициентом армирования а, но не менее 5000 см², из расчета, что отношение площади поперечного сечения армирующего элемента к площадки штампа должно быть не больше значения а), устанавливается соосно над армирующим элементом 1 (фиг. 1, 2, 3), затем притирается для плотного прилегания штампа к поверхности песчано-гравийной подушки 14 (фиг. 3). Для восприятия реактивного усилия по обе стороны от штампа завинчиваются анкера 8 (фиг. 3) конвертом 1,2×,2 м в грунт 7 между армирующими элементами 1 (фиг. 2, 3), которые соединяются при помощи двух поперечных балок 13 (фиг. 3) с продольной балкой 9 (фиг. 3), между балкой и штампом на конце патрубка штампа 4 устанавливается гидравлический домкрат 12 (фиг. 3), усилия от которого фиксируется манометром насосной станции. Перемещение штампа измеряется двумя прогибомерами «Аистова» 10 (фиг. 3), зафиксированными на неподвижных диаметрально расположенных реперах 11 (фиг. 3).

Максимальная нагрузка при штамповом испытании должна быть установлена с учетом предполагаемого фактического давления в основании фундамента, которое равно сумме давлений от нагрузки сооружения и собственного веса грунта в насыщенном водой состоянии. Ступени нагружения на штамп 4 должны обеспечивать создание давления под подошвой штампа 4 равного 1/10 от максимальной нагрузки. Нагрузка на каждой ступени выдерживается до условной стабилизации, равной не более 0,1 мм за последний час наблюдения, затем передается последующая ступень нагрузки.

По данным испытаний строят график зависимости осадки штампа 4 от давления под подошвой штампа. Модуль деформации вычисляют в диапазоне давлений от Р₀ до Р_n. Испытания армированного массива в соответствии со схемой экспериментов должны выполняться с поверхности армированного грунта.

Модуль деформации армированного грунта вычисляется по формуле (в соответствии с ГОСТ 20276.1-2020 п. 5.5.2 формула 1):

где v - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,3 при армировании песков и супесей, 0,35 - при армировании суглинков, 0,42 - при армировании глин; K₁ - коэффициент, принимаемый равным 0,79; D - диаметр штампа, см; ΔР - приращение давления на штамп (МПа), равное P_n - Р₀; ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее ΔР (см).

Затем определяют корреляционный коэффициент К_f по формуле:

где E_агр - расчетный модуль деформации армированного грунта (в соответствии с СП 22.13330.2016 п. 6.10.20 формула 6.44),

Е_а1- модуль упругости материала вертикального армирующего элемента 1, Е_г1 - модуль деформации грунта 7 вокруг армирующих элементов, α - коэффициент армирования, характеризующий объемную долю армирующих элементов в массиве грунта, а модуль деформации армированного грунта на i-ой (любой) глубине армирования E_ari определяют по формуле:

где K_f - корреляционный коэффициент, Е_ai - модуль упругости материала армирующего элемента на i-ой глубине армирования (МПа), E_ri - модуль деформации грунта на i-ой глубине армирования, определяемый по результатам статического зондирования (МПа).

Пример

На исследуемой площадке в соответствии с исходными материалами инженерно-геологических изысканий выделены 4 инженерно-геологических элемента (ИГЭ). Инженерно-геологический разрез представлен на фиг. 4. Наименование ИГЭ и их деформационные характеристики представлены в таблице 1.

Исходный модуль деформации грунта (Е_г), принятый по результатам инженерно-геологических изысканий, необходим при проектировании и назначении параметров армирования грунтового массива.

Согласно техническому заданию на проектирование усиленного грунтового массива, необходимо было запроектировать армирование грунтов, обеспечивающее достижение модуля деформации Е_агр=25 МПа на глубину 6,0 м от отметки подошвы фундаментов.

Шаг армированных элементов назначен - 0,8 м, диаметр - 250 мм, глубина - 6,0 м. В качестве материала армированных элементов назначен грунтоцементный раствор.

Контроль деформационных характеристик армированного грунта выполнялся следующим образом.

Было выполнено сквозное бурение армирующего элемента с отбором кернов буровой установкой ПБУ-2 на базе а/м КаМАЗ колонковым способом на всю длину вертикального армирующего элемента.

Процесс сквозного бурения вертикального армирующего элемента представлен на фиг. 5.

Далее в лаборатории из кернов изготавливались образцы для испытания по ГОСТ 12248.2-2020 и ГОСТ 24452-80 для определения модуля упругости (E_ai) материала армирующего элемента на i-ой глубине.

Результаты лабораторных испытаний образцов армирующего элемента приведены в таблице 2.

Затем выполняли полевое испытание грунта, расположенного между армирующими элементами, статическим зондированием и определяли модуль деформации грунта, расположенного между армирующими элементами в пределах каждого метра глубины армирования (E_ri).

Процесс выполнения статического зондирования представлен на фиг. 6. Результаты статического зондирования приведены в таблице 2.

После этого выполнялось полевое испытание армированного грунта плоским штампом круглой формы (площадь штампа 5000 см²). Для восприятия реактивного усилия по обе стороны от штампа в грунт между армирующими элементами были завинчены четыре шнека диаметром 180 мм конвертом 1,2×2,2 м и определяли штамповый модуль деформации армированного грунта в пределах зоны влияния штампа за счет совместной работы вертикального армирующего элемента и окружающего его грунта (E_агш).

Процесс испытания приведен на фиг. 7.

По формуле 3 при проведении полевых штамповых испытаний площадью 5000 см² вычислили значение модуля деформации армированного грунта (Е_aгш).

Расчетный модуль деформации армированного грунта (E_агр) вычислили по формуле 5.

По формуле 4 вычислили корреляционный коэффициент, позволяющий определить значение модуля деформации армированного грунта на любой глубине армированного грунтового массива: K_f=28,1/51,2=0,55

После чего, определяли модуль деформации на любой глубине по формуле 6.

Все значения, полученные при испытаниях и расчетные значения сведены в таблицу 2.

Анализируя таблицу, можно утверждать, что модуль деформации армированного грунта был достигнут в ходе усиления грунтов основания не только в верхней зоне влияния штампа, но и по всей глубине усиления.

Как видно из таблицы расчетный модуль деформации армированного грунта (Е_агр) почти в 2 раза отличается от значения модуля деформации армированного грунта (Е_агш), определенного в ходе штампового испытания. Что подтверждает необходимость уточнения и контроля этих характеристик.

Предлагаемый способ доказывает свою эффективность. С помощью него повышается достоверность и точность контроля деформационных характеристик армированных грунтов вертикальными армирующими элементами из бетона, грунтобетона или грунтоцемента на любой глубине армированного грунтового массива.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечивать повышение достоверности и точности контроля деформационных характеристик армированных грунтов вертикальными армирующими элементами из бетона, грунтобетона или грунтоцемента на любой глубине армированного грунтового массива.

Изобретение относится к способу контроля деформационных характеристик армированного грунта. Способ включает штамповое испытание грунтового массива с армирующим элементом и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют определение значения модуля деформации армированного грунта на любой глубине армированного грунтового массива путем сквозного бурения вертикального армирующего элемента колонковым способом с отбором керна и полевого испытания грунта, расположенного между вертикальными армирующими элементами, статическим зондированием, затем, после испытания штампом вычисляют корреляционный коэффициент, как отношение штампового модуля деформации армированного грунта в пределах первого метра глубины армирования к расчетному модулю деформации армированного грунта, а модуль деформации армированного грунта на любой глубине армирования определяют по формуле 1, где K_f - корреляционный коэффициент; Е_ai - модуль упругости армирующего элемента (МПа) на i-й глубине; Е_ri - модуль деформации грунта между армирующими элементами (МПа) на i-й глубине; α - коэффициент армирования. Технический результат - повышение достоверности и точности контроля деформационных характеристик, грунтов на любой глубине армированного грунтового массива, армированных вертикальными армирующими элементами из бетона, грунтобетона или грунтоцемента. 7 ил., 2 табл., 1 пр.

1

Способ контроля деформационных характеристик армированного вертикальными элементами слабого грунта, включающий штамповое испытание грунтового массива с армирующим элементом и измерение параметров грунта, по которым определяют деформируемость основания, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют определение значения модуля деформации армированного грунта на любой глубине армированного грунтового массива путем сквозного бурения вертикального армирующего элемента колонковым способом с отбором керна и полевого испытания грунта, расположенного между вертикальными армирующими элементами, статическим зондированием, затем после испытания штампом вычисляют корреляционный коэффициент, как отношение штампового модуля деформации армированного грунта в пределах первого метра глубины армирования к расчетному модулю деформации армированного грунта, а модуль деформации армированного грунта на любой глубине армирования определяют по формуле:

где

K_f - корреляционный коэффициент;

Е_ai - модуль упругости армирующего элемента (МПа) на i-й глубине;

Е_ri - модуль деформации грунта между армирующими элементами (МПа) на i-й глубине;

α - коэффициент армирования.