Испытания прессиометром поступательного сдвига ППС

Прессиометр поступательного сдвига ППС, разработанный Уральским политехническим институтом (В.В. Лушников, О.Н. Жидков), предназначен для определения прочностных свойств грунтов и позволяет проводить испытания в скважинах на глубинах до 20 метров. ППС позволяет получать информацию о свойствах грунтов в пределах практически всей сжимаемой толщи большинства зданий и сооружений. Это существенно повышает точность расчетов оснований и надежность технических решений в фундаментостроении.

Установка выгодно отличается от известных установок для радиального определения прочностных характеристик нескальных грунтов четкостью схемы загружения и сдвига грунтов, широким диапазоном использования по глубине, климатическим условиям, видам исследуемых грунтов, а в ряде случаев (при испытании обводненных грунтов) на глубине более 7-10 метров является единственной работоспособной установкой.

Испытания грунтов оснований зданий и сооружений проводятся в буровых скважинах диаметром 89 (108) мм на глубине от 1 до 20 м путем сдвига грунтового цилиндра вдоль оси скважины при трех существенно различных значениях нормального к поверхности среза давления.

Испытаниям подвергаются слои литологически однородного грунта мощностью не менее 1,5 м при проведении трех опытов на различных глубинах и мощностью не менее 0,5 м при проведении трех опытов на одной глубине методом повторных сдвигов.

Прочностные испытания грунтов могут проводиться по методике «быстрого» (неконсолидированного) или «медленного» (консолидированного) сдвигов в зависимости от скорости приложения нормального и сдвигающего напряжений.

Прессиометр поступательного сдвига (ППС) включает следующие элементы: рабочий орган, упорно-вытяжной механизм, систему создания давления и устройство для измерения деформаций (см. рис. 5.5).

Рис. 5.5. Прессиометр поступательного сдвига ППС

Рабочий орган включает внутреннюю трубу с отверстиями для подачи сжатого воздуха, по концам которой закреплена эластичная оболочка. Оболочка окружена секторными продольными элементами с поперечными лопастями, подвижно соединенными на фланцах с возможностью радиального расширения при создании внутреннего давления. Между лопастями продольных элементов размещены фиксирующие эластичные кольца, служащие для возвращения элементов в исходное положение после опыта. Рабочий орган связан тросом с упорно-вытяжным механизмом и шлангом – с источником давления.

Система создания давления включает источник давления (автомобильный насос, баллон), головку, соединенную с рабочим органом шлангом. Головка снабжена образцовым манометром с пределом измерений до 6 кг/см².

Система измерений деформаций включает два размещенных внутри рабочего органа потенциометрических датчика и электрический прибор, которые соединены проводами, проходящими внутри шланга и манометрической головки. Стыки шлангов и проводов выполнены с применением стандартных разъемов, герметически соединяемых в строго фиксированном положении.

Электрический измерительный прибор, питаемый сухими батареями типа «Марс» с общим напряжением 6 В, позволяет осуществить снятие показаний каждого датчика отдельно с предварительной калибровкой тока.

Техническая характеристика установки ППС-89(108)

- диаметр рабочего органа:

минимальный, мм 87(102);

максимальный, мм 124(150);

- длина рабочего органа, мм 280;

- размеры лопастей:

толщина, мм 0,5(0,1);

высота, мм 10;

интервал, мм 40;

- площадь обжатия и среза

минимальная, см² 870(1050);

максимальная, см² 1100(1320);

- система создания давления – пневматическая (источник – насос, баллон);

- система создания сдвигового усилия – механическая (от червячного домкрата);

- максимальное нормальное давление на грунт, кг/см² 5-6;

- максимальное усилие, кг 3000;

- система замеров деформаций грунта – электрическая, потенциометрическими датчиками (источник тока – сухие элементы);

- точность замера деформаций стенок скважины, мм 0,15;

- диаметр опытной скважины, мм 89+10(108+10);

- предельная глубина испытания, м 20;

- вес установки в сборе, кг 40(60).

Методика проведения испытания грунтов

Испытания заключаются в проведении трех опытов на срез при существенно различных значениях нормального давления на грунт σ₁ < σ₂ < σ₃ по кольцевой поверхности среза, наружный диаметр которой определяется положением внедренных в грунт при давлении лопастей.

Испытания проводятся методом «быстрых» или «медленных» сдвигов. При «быстрых» испытаниях время уплотнения и продолжительность сдвигающего напряжения назначаются с таким расчетом, чтобы исключить уплотнение грунта в зоне сдвига. При «медленных» испытаниях время уплотнения и продолжительность среза назначаются из условия достижения заданной степени уплотнения грунта в зоне сдвига, что обеспечивается фильтрацией поровой воды к рабочему органу установки и контролируется по наступлению состояния условной стабилизации деформаций сжатия и сдвига.

Рекомендуемые значения нормального к поверхности среза давления σ, полученные на основании статической обработки большого числа проведенных прессиометрических опытов, приведены в табл. 5.8 в зависимости от состояния грунта и глубины испытания.

Таблица 5.8

Нормальное давление σ, кг/см², к поверхности среза

Примечание: при содержании в грунте включений крупных обломков до 20% по весу значение нормального давления увеличивается по сравнению с указанными в табл. 5.8 на 0,5 – 1,0 кг/см².

Давление во внутренней полости рабочего органа Р_в, в каждом опыте контролируемое по манометру, определяется с учетом постоянных установки, тарировочных поправок на растяжение оболочек и положения уровня воды в скважине.

Каждую ступень давления ∆Р_в выдерживают в зависимости от принятой методики испытаний на сдвиг.

При проведении испытаний по методике «быстрого» сдвига время выдержки каждой ступени ∆Р_в принимают 0,5-1 мин (время, необходимое для снятия показаний датчиков).

При проведении испытаний по методике «медленного» сдвига каждую ступень выдерживают до состояния условной стабилизации деформаций уплотнения грунтов в зоне предполагаемого сдвига. За условную стабилизацию деформаций принимают приращение диаметра рабочего органа, не превышающее 0,15 мм за время:

- для глинистых грунтов при В < 0,25, маловлажных и влажных песков – 5 мин;

- для глинистых грунтов при В = 0,25 – 0,75 и водонасыщенных песков – 10 мин;

- для глинистых грунтов при В > 0,75 – 20 мин.

Обработка результатов испытания

В процессе обработки результатов испытания определяются параметры сопротивления грунтов сдвигу – угол внутреннего трения φ и удельное сцепление (параметр линейности) С, соответствующие заданным в опыте условиям испытания.

Для определения параметров С и φ строится график сдвига по предельным значениям нормального σ и сдвигающего τ напряжений по поверхности сдвига в каждом из трех опытов (см. рис. 5.5).

Значение сдвигающего напряжения τ, кг/см², соответствующее состоянию сдвига при заданном нормальном давлении σ, определяются по формуле

, (5.4)

При отсутствии прибора для определения деформаций рабочего органа сдвигающее напряжение в грунте определяется по формуле

, (5.5)