"Руководство по лабораторному изучению характеристик набухания и усадки глинистых грунтов"

Излагаются вопросы методики и техники проведения экспериментов при изысканиях под гидротехнические, промышленные и гражданские сооружения, а также при исследовании глинистых грунтов как строительного материала.

Разработано с учетом основных положений главы СНиП II-15-74.

Для работников научно-исследовательских и изыскательских организаций.

Строительство на грунтах, проявляющих значительные деформации набухания при взаимодействии их с водой или усадки при их высушивании, сопряжено с трудностями прогноза поведения этих грунтов при изменении на них давления или температуры окружающей среды. В настоящее время отсутствуют нормативные документы в виде государственных стандартов, которые бы регламентировали метод определения характеристик набухания и усадки глинистых грунтов и способ их получения.

Действующие рекомендации по изучению набухающих грунтов распространяются на исследования грунтов оснований зданий и сооружений и не затрагивают вопросов проведения исследований при других видах строительства.

В институтах ПНИИИС Госстроя СССР, Гидропроект им. С.Я. Жука и на кафедре грунтоведения инженерной геологии Московского государственного университета накоплен опыт изучения набухающих и усадочных грунтов, который и послужил основанием для разработки настоящего Руководства.

В Руководстве излагаются вопросы методики и техники проведения экспериментов при изысканиях под гидротехнические, промышленные и гражданские сооружения, а также при исследовании глинистых грунтов как строительного материала.

Руководство разработано с учетом основных положений главы СНиП II-15-74 "Основания зданий и сооружений" под научным руководством д-ра геолого-минер. наук Р.С. Зиангирова коллективом авторов: канд. геолого-минер. наук Б.А. Снежкин (ПНИИИС), канд. геолого-минер. наук А.И. Котюжан, инж. Н.Н. Недумов (Гидропроект), канд. геолого-минер. наук. В.А. Мощанский (МГУ).

1.1. Настоящее Руководство распространяется на проведение лабораторных испытаний глинистых грунтов, которые служат основанием промышленных, гражданских и гидротехнических сооружений, залегают в откосах каналов или используются в качестве строительных материалов. Лабораторные исследования по определению показателей набухания и усадки глинистых грунтов выполняются на всех стадиях изысканий и строительства.

1.2. Набуханием называется увеличение объема грунта при взаимодействии его с водой или другими жидкостями. Процесс набухания происходит за счет образования вокруг частиц слоя связанной воды. Этот слой воды уменьшает величину сил взаимодействия между частицами. Процесс увеличения объема грунта при набухании обусловлен силами расклинивающего действия воды и другими действующими в структуре грунта между частицами.

1.3. Набухание грунтов определяют при ненарушенном и нарушенном сложении. Его характеризуют следующими показателями: величиной свободного набухания ; давлением набухания ; величиной набухания под нагрузками ; влажностью набухания (W_н); плотностью набухшего грунта . Величина свободного набухания и набухания под нагрузками выражается в процентах, давление - в кгс/см²; влажность набухания - в процентах, плотность набухшего грунта - в г/см³.

1.4. Набухание регистрируется по изменению линейных размеров исследуемого образца без возможности бокового расширения. Эти изменения называются деформациями набухания.

1.5. Силы, развиваемые грунтом при его водонасыщении в условиях, исключающих любые деформации образца, отнесенные к площади поперечного сечения, определяют давление набухания грунтов.

1.6. Влажность набухания характеризует максимальное количество связанной воды в грунте при его набухании.

1.7. Объемный вес скелета грунта, характеризующий конечное состояние грунта после набухания, называется плотностью набухшего грунта и выражается в г/см³.

1.8. Показатели набухания используются для прогноза прочности набухающих грунтов, их деформируемости при водонасыщении и непосредственно в расчетах при проектировании.

1.9. Свободное набухание и давление набухания служат классификационными показателями. Классификация по названным показателям приводится в таблице.

1.10. К набухающим грунтам относятся такие разности, при водонасыщении которых проявляются деформации свободного набухания больше 1%, а развиваемое при этом давление набухания превышает 0,25 кгс/см².

2.1. Свободное набухание грунта при его водонасыщении без возможности бокового расширения определяется отношением вертикальных деформаций к начальной высоте образца

где - показатель свободного набухания;

h - начальная высота образца, см;

h_к - конечная (после набухания) высота образца, см.

2.2. Определение свободного набухания выполняют в приборе Васильева на образце высотой в 1 см и площадью 26,5 см² (диаметром 5,83). Рабочие кольца приборов перед началом опытов должны быть протарированы (должен быть номер, вес, объем). Вертикальное давление от веса штампа и усилия пружины индикатора должно быть не более 0,006 кгс/см².

2.3. Для определения свободного набухания используют монолиты глинистых грунтов, отобранные из скважин или шурфов. Размер монолитов должен быть не менее чем на 2 - 3 мм больше линейных размеров колец.

2.4. Перед загрузкой грунта в кольца монолит тщательно зачищают от гидроизоляционного покрытия (парафина, марли и т.п.) и поверхность выравнивают. На зачищенную поверхность монолита устанавливают кольцо режущей частью.

На кольцо надевают специальную насадку и с помощью пресса любого типа кольцо задавливают в грунт. Погрузив кольцо на 2 - 3 мм, излишний грунт срезают вокруг него так, чтобы диаметр монолита был на 1 - 2 мм больше диаметра кольца. Затем кольцо снова задавливают на 2 - 3 мм и операцию повторяют до тех пор, пока грунт не выйдет за верхний край кольца на 2 - 3 мм.

Насадку снимают, грунт зачищают вровень с кольцом и на 1 - 2 мм ниже режущей часта с помощью струны отделяют от монолита.

Кольцо с грунтом зачищенной поверхностью помещают на предметное стекло и производят зачистку другой стороны грунта.

2.5. Кольцо с грунтом взвешивают с точностью до 0,01 г, торцовые поверхности покрывают фильтром и помещают в прибор. Устанавливают штамп и индикатор. Данные физических свойств грунта, регистрацию деформаций набухания во времени заносят в специальный бланк (прил. 1). Насыщение образцов производится дистиллированной водой при градиенте, меньшем 1. В момент заполнения ванны прибора (поддона) водой включают секундомер. Это считается началом опыта.

2.6. Отсчеты по индикатору производят через 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин, далее через каждый час до конца рабочего дня. В последующие сутки отсчеты берут один раз в начале рабочего дня до стабилизации деформаций. За условную стабилизацию процесса принимают деформацию, не превышающую 0,001 мм за сутки. В течение опыта строится график развития деформаций набухания во времени (рис. 1).

2.7. По окончании опыта прибор разгружают, кольцо с грунтом взвешивают с точностью до 0,01 г и, если не предусмотрены с образцом опыты по усадке, грунт помещают в термостат, где высушивают при температуре 105 °C.

3.1. Испытания рекомендуется проводить параллельно с испытаниями грунтов при ненарушенном сложении. Различие в определении свободного набухания грунтов с ненарушенным сложением от методики, описанной выше, заключается в способе подготовки образца к испытаниям.

3.2. Подготовка образцов грунта с ненарушенным сложением заключается в приготовлении образцов с заданными значениями плотности и влажности. При этом необходимо различать приготовление образцов из грунта воздушно-сухого состояния и грунта с нарушенным сложением без предварительного высушивания.

3.3. При приготовлении образцов грунта с нарушенным сложением после предварительного высушивания необходимо взять достаточное количество грунта, просеять его через сито в 1 мм.

Грунт поместить в эксикатор. Добавить воду в количестве, необходимом для получения заданной влажности (W_з) из расчета

где q - количество воды, г (мл);

p_в - вес воздушно-сухого грунта, г;

W - исходная влажность воздушно-сухого грунта;

W_з - заданная влажность.

Грунт в эксикаторе тщательно перемешивают и выдерживают в течение одних суток в закрытом эксикаторе для равномерного перераспределения влаги в агрегатах грунта.

3.4. При определении характеристики набухания глинистых грунтов нарушенного сложения с влажностью монолита необходимо отобрать пробу грунта. Пробу измельчить до агрегатов менее 3 мм. Подготовленную навеску грунта заложить в кольцо и уплотнить до заданной плотности под прессом.

3.5. Количество грунта, необходимое для получения образца заданной плотности, следует рассчитать по формуле

где Q - количество влажного грунта, г;

- требуемый объемный вес скелета грунта, г/см³;

- объемный вес грунта нарушенного сложения, равный по величине объемному весу грунта с естественным сложением;

W - влажность грунта, равная влажности монолита (при параллельном испытании образцов нарушенного и ненарушенного сложения; влажность в обоих случаях принимается тождественно равной);

V - объем приготавливаемого образца.

3.6. Методика проведения эксперимента по набуханию грунтов с нарушенным сложением производится согласно пп. 2.5 - 2.7, а расчет величины набухания - п. 2.1.

3.7. Объем набухшего грунта вычисляют по формуле

где V_к - конечный объем набухшего грунта, см³;

V_о - начальный объем грунта, см³;

S - площадь кольца, см²;

- приращение высоты грунта в результате набухания, см.

3.8. Объемный вес набухшего грунта рассчитывают по формуле

где q₂ - вес набухшего грунта, г;

V_к - конечный объем набухшего грунта, см³.

3.9. Влажность грунта после набухания определяют по формуле

где q₂ - вес набухшего грунта, г;

q₃ - вес грунта, высушенного при 105 °C.

3.10. Плотность скелета набухшего грунта рассчитывают по формуле

где - объемный вес грунта после опыта, г/см³;

W_н - влажность набухшего грунта;

q₃ - вес грунта, высушенного при 105 °C;

V_к - конечный объем набухшего грунта, см³.

4.1. Давление набухания следует определять в устройстве (рис. 2), которое состоит из основных узлов: одометра, динамометра, штока, индикаторов часового типа с ценой деления 0,001 мм, стоек с гайками, редуктора. В устройстве используется одометр с площадью кольца 40 (или 60) см² и высотой кольца 2 (или 2,5) см.

4.2. После загрузки колец, как это указано в разд. 2 и 3, торцовые поверхности покрывают фильтрами. Производят сборку одометра. Одометр арретируют. Адрес и данные физических свойств грунта записывают в журнал (прил. 2).

4.3. Динамометр подбирают в зависимости от ожидаемого давления набухания. Для грунтов монтмориллонитового состава и грунтов с высокой плотностью необходимо использовать динамометр на 3 т; для грунтов каолинитового состава и с низкой плотностью - 200 кг.

4.4. Производится монтаж устройства в следующем порядке: размещают одометр на станине, кладут шарик в углубление штампа, устанавливают шток и одновременно динамометр, вращением ручки редуктора плунжер вводят в соприкосновение с гнездом динамометра, устанавливают индикаторы с ценой деления 0,001 мм. Одометр снимают с арретира. Для удобства работы стрелки индикаторов устанавливают на показания 0,5 мм.

4.5. Через нижний штуцер одометра заливают воду до появления ее в отверстии для выпуска воздуха. Включают секундомер. Отверстие глушится винтом. Это считается началом опыта.

4.6. Производится наблюдение за показаниями индикаторов, регистрирующих изменение объема. В момент, когда индикаторы показывают деформацию в 0,001 мм, вращением ручки редуктора компенсируют эти деформации через динамометр. Динамометр при этом фиксирует величину развиваемого усилия. Компенсацию деформаций необходимо производить сразу же после ее возникновения. Однако регистрацию величины развиваемого усилия следует производить через 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин и далее через 1 ч в течение рабочего дня; в последующие дни отсчет производится один раз в сутки. По истечении первых 10 мин опыта воду заливают на верхний штамп. Результаты проведения опыта записывают в журнал (прил. 3).

4.7. К опытам по определению давления набухания необходимо приступать в начале рабочего дня. В нерабочее время образец арретируют. Для продолжения опыта необходимо снять арретир. Опыт продолжают до прекращения роста давления набухания. Критерием прекращения развития давления набухания служит отсутствие приращения усилия в течение суток. По результатам опыта строится график развития давления набухания во времени (рис. 3).

5.1. Величину набухания грунтов под нагрузками определяют в одометрах с высотой грунта 2 (2,5) см и площадью образца в 40 (60) см². Набухание грунтов под нагрузками определяют в интервале от до P = 0,025 кгс/см² после установления давления набухания. Нагрузки, при которых требуется оценить набухание грунтов, определяются типом сооружения и условиями его взаимодействия с грунтом. Нагрузки 0,025; 0,25; 0,5; 1 и 2 кгс/см² являются обязательными. Опыты при набухании грунтов в компрессионных приборах могут производиться двумя приемами: при нагружении образца через рычажную систему компрессионного прибора; при нагружении ступенями давления через динамометр.

5.2. Определение набухания под нагрузками в компрессионных приборах производится после выполнения опыта по установлению величины давления набухания и далее в следующем порядке. Одометр арретируют и производят замену индикаторов на индикаторы с ценой деления 0,01 мм. Одометр переносят в компрессионный прибор и устанавливают под рычажное устройство. На подвеске прибора размещают груз, создающий ступень вертикального давления, равную величине давления набухания. Одометр снимают с арретира и записывают показания индикаторов, которые принимают за начальное (прил. 4).

5.3. Устанавливают величину ступени вертикального давления, при которой необходимо определить величину набухания грунта. Включают секундомер. Наблюдают за деформациями набухания по изменению показаний индикаторов. Запись результатов набухания производится через 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 60 мин. Далее через 1 час до конца рабочего дня и один раз в сутки в продолжение опыта до достижения условного критерия стабилизации набухания грунта. За критерий стабилизации принимается деформация, не превышающая 0,01 мм за сутки. Опыт заканчивается испытанием грунта при ступени 0,025 кгс/см², которая соответствует величине давления, создаваемого весом штампа и измерительного оборудования, размещенного на нем.

5.4. Определение величины набухания под ступенями нагрузки, устанавливаемых по динамометру, выполняют в следующем порядке. По показанию индикатора динамометра (рис. 4) устанавливают первую ступень давления, для чего через редуктор "сбрасывают" давление до величины данной ступени. Включают секундомер. Регистрацию деформаций производят через интервалы времени, указанные в п. 5.3. Одновременно поддерживают постоянство показаний индикатора динамометра с помощью редуктора. Опыт продолжается до стабилизации процесса набухания.

5.5. Для каждой ступени нагрузки строят график изменения деформаций во времени (см. рис. 1). По полученным величинам деформаций под каждой ступенью нагрузки строят график , показывающий величину и характер деформаций с изменением напряженного состояния грунта (рис. 5).

5.6. По окончании опыта следует рассчитать значения объемного веса, коэффициента пористости и влажности грунта при каждой ступени нагрузки и результаты записать в журнал (прил. 10).

6.1. Усадкой называется свойство глинистых грунтов уменьшать свой объем при высыхании. При лабораторных исследованиях на усадку испытывают грунты ненарушенной и нарушенной структуры на всех стадиях изысканий. Рекомендуется проведение опытов на усадку для образцов грунта после исследования их набухания в приборах ПНГ <1>, набухания в компрессионных приборах под нагрузками или после компрессионного уплотнения.

--------------------------------

<1> Прибор для определения свободного набухания грунта.

6.2. Показателями усадочных свойств грунтов следует считать предел усадки, плотность грунта на пределе усадки, величину линейной усадки по высоте образца, величину линейной усадки образца по диаметру, величину объемной усадки. Они определяются в условиях трехмерной деформации образца.

6.3. При определении показателей усадки глинистых грунтов испарение воды из образцов необходимо производить с такой скоростью, чтобы не происходило нарушения сплошности образцов и образования трещин усыхания. Скорость испарения должна быть регулируемой.

6.4. Линейная усадка есть отношение изменения линейных размеров образца при высыхании (высоты, диаметра) к их начальным размерам. Обозначается l_n и l_d и выражается в процентах. Величина объемной усадки есть отношение уменьшения объема образца при высыхании к его начальному объему. Обозначается V_у и выражается в процентах.

6.5. Под пределом усадки следует понимать влажность, соответствующую точке перегиба графика зависимости изменения объема от изменения влажности при высыхании образца. Предел усадки характеризует постоянство объема образца или незначительное его изменение при уменьшении влажности. Определяется графически при проведении эксперимента. Обозначается W_у и измеряется в процентах.

6.6. Плотность грунта на пределе усадки характеризуется объемным весом скелета грунта. Обозначается и измеряется в г/см³.

7.1. Для определения усадки грунтов с ненарушенным сложением необходимо иметь: кольцо с внутренним диаметром 7,14 (или 8,74) см и высотой 2 (или 2,5) см; предметное стекло, покрытое тонким и ровным слоем парафина; приспособление для измерения линейных размеров образца (рис. 6); штангенциркуль с точностью измерения 0,05 мм. Сушка образца производится в емкости объемом до 1000 см³. Взвешивание образцов производят на технических весах с точностью до 0,01 г.

7.2. Загрузка колец производится, как описано в разд. 2 и 3. Далее грунт из кольца помещают на предметное стекло. За начальный объем (V) принимают объем рабочего кольца. Далее вычисляют объемный вес грунта. По результатам определения влажности при загрузке колец рассчитывают объемный вес скелета грунта. В журнал наблюдений (прил. 6) записывают все данные адреса образца, результаты измерений и взвешиваний, а также начальные значения влажности (ориентировочно) и вес твердой фазы грунта. Точные результаты расчетов получаются после высушивания всего образца и соответствующего пересчета влажности.

7.3. После приготовления образца создают такие условия для испарения воды, чтобы изменение веса образца в течение суток находилось в пределах 0,5 - 2 г. Это достигается либо путем регулирования конвективного влагообмена (регулирование зазора при открывании крышки), либо влагообмена за счет влагоемких сред (например, бумаги).

7.4. Измерение образцов производят в следующей последовательности: размечают три направления диаметра под углом в 60°; образец помещают на подкладку так, чтобы измерение диаметра производилось по средней части образца; производят измерение по трем намеченным направлениям и вычисляют среднее значение диаметра; образец устанавливают по образующей цилиндра и измеряют его высоту. По результатам измерений вычисляют объем по формуле

где - среднее значение диаметра по результатам измерений в трех направлениях, см;

h_i - измеренная высота образца, см.

7.5. Для достижения точности при измерениях высоты и диаметра необходимо пользоваться микрометрическим механизмом штангенциркулем. Для этого щечку штангенциркуля, связанную с нониусом, подводят к образцу на расстояние около 1 мм; далее, закрепив стопорный винт нониуса, производят вращение микрометрического винта до соприкосновения щечки с образцом. Измерения следует производить 2 - 3 раза в сутки.

7.6. Сушку образца при усадке производят в три этапа. На первом этапе сушку ведут в закрытом объеме при температуре 18 - 20 °C с изменением веса образца от 0,5 до 2 г в сутки. На втором этапе после преодоления предела усадки (что контролируется графиком, показанным на рис. 7 сушку образца ведут на воздухе при комнатной температуре 18 - 20 °C до постоянного веса. На этом этапе образец следует предохранять от резкого перепада температур. На третьем этапе производят высушивание всего образца в термостате при температуре 105 °C до постоянного веса сухого образца.

7.7. На первом этапе сушки должно быть получено не меньше шести точек измерений; на втором этапе не меньше пяти точек измерений. Точки измерения, размещаемые на графике, должны полно и равномерно отображать оба этапа усадки. В случае образования трещин, исключающих достоверное определение объема образца в течение опыта, опыт необходимо повторить.

8.1. Определение усадки грунтов с нарушенным сложением отличается способом приготовления образцов и методикой проведения опыта в начале первого этапа сушки образцов. В дополнение к оборудованию для проведения опытов по усадке грунтов, перечисленному в п. 7.1, необходимо иметь: гибкую измерительную линейку с нониусом (рис. 8), изготовленную из тонкой (0,01 мм) латунной фольги с припаянными держателями для пружинки; эластичную пружинку; перфорированный поддон для обеспечения испарения влаги с низу образца; верхний перфорированный штамп из латуни или оргстекла; индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм; держатель индикатора с основанием; шпатель.

Примечание. Гибкую измерительную линейку с нониусом изготавливают в виде ленты с размерами, указанными на рис. 8. Линейки с такими размерами позволяют вести исследования образцов, взятых после испытаний в компрессионных приборах с площадью 60 и 4, см², а также приборов ПНГ.

8.2. Для подготовки образца грунта с нарушенным сложением необходимо взять навеску грунта с естественной влажностью и объемом, в 1,5 - 2 раза превышающим объем рабочего кольца одометра. Грунт помещают в эксикатор. Добавляют дистиллированную воду ориентировочно в количестве, чтобы влажность грунта была равна или несколько больше влажности на пределе текучести. Грунт перемешивают и оставляют на сутки для перераспределения влажности между агрегатами.

8.3. Рабочее кольцо необходимо положить на предметное стекло и с помощью штапеля заполнить грунтом так, чтобы не допускать образования пустот. Далее кольцо следует зачистить по уровню верхнего края. Затем осторожным движением вверх снять рабочее кольцо.

8.4. Монтаж измерительной линейки, поддона, штампа индикатора произвести, как показано на рис. 9. Для этого по образующей цилиндра образца накладывается линейка, оборачивается вокруг образца и на держателях крепится пружинка. Сверху образца кладут поддон перфорированной частью к образцу. Затем предметное стекло и поддон переворачивают, и образец продолжает располагаться на поддоне. На верхнюю поверхность образца помещают штамп, на который опирают индикатор. Стрелку индикатора следует установить на показание 5 мм.

8.5. Отсчет показаний и взвешивание образцов производят, не касаясь к линейке, не реже трех раз в течение дня. В журнал наблюдений записывают адрес образца, результаты изменения высоты по показаниям индикатора и изменение длины окружности по показаниям линейки. По результатам измерений рассчитывают объем образца.

8.6. Расчет диаметра образца производят по изменению показаний линейки, согласно формуле

где D - начальный диаметр образца;

D_i - конечный диаметр образца или на любой момент опыта;

- конечная величина изменения длины окружности линейки или на любой момент опыта.

Расчет высоты образца производят по изменению показаний индикатора

где - изменение высоты грунта на любой момент опыта;

h_о - начальные показания индикатора;

n_i - показания индикатора на любой момент опыта;

h_i - высота грунта на любой момент опыта;

h - начальная высота грунта.

Расчет объема грунта на соответствующий момент опыта производится по формуле

8.7. По результатам измерений веса образца грунта, высушенного при температуре 105°, рассчитывают влажность грунта для каждой точки опыта

где q_i - вес влажного грунта, соответствующий моменту времени опыта;

g_с - вес сухого грунта.

8.8. Строят график зависимости изменения объема грунта при изменении его влажности в процессе сушки V = f(W), откладывая по оси абсцисс влажность грунта в процессе опыта, а по оси ординат соответствующие ей (влажности) объем образца. По точке перегиба графика на оси абсцисс определяют влажность, которая принимается за предел усадки (см. рис. 7).

8.9. По линейным измерениям высоты и диаметра образца рассчитывают с точностью до 0,1% величину усадки:

а) линейная усадка по высоте образца

где h - начальная высота образца;

h_к - конечная высота образца;

б) линейная усадка по диаметру образца

где d и d_к - соответственно начальный и конечный диаметры образца;

в) объемная усадка образца

где V и V_к - соответственно начальный и конечный объемы образца.