ГОСТ 23253-78. Грунты. Методы полевых испытаний мерзлых грунтов.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ГРУНТЫ

МЕТОДЫ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ГОСТ 23253-78

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА

РАЗРАБОТАН Государственным комитетом СССР по делам строительства

ИСПОЛНИТЕЛИ

Н. П. Чубарова. канд. геол.-минер. наук; А. П. Старицын, канд. техн. наук; В. М. Водолазкин

ВНЕСЕН Государственным комитетом СССР по делам строительства

Член Коллегии В. И. Сычев

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государст­венного комитета СССР по делам строительства от 8 августа 1978 г. № 158

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ГРУНТЫ

Методы полевых испытаний мерзлых грунтов ГОСТ

Soils. Method of field investigation 23253¾78

frosen soils

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 8 августа 1978 г. № 158 срок введения установлен

с 01.07. 1979 г.

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

Настоящий стандарт распространяется на грунты в мерзлом состоянии и устанавливает методы полевых испытаний при ис­следовании их для строительства.

Стандарт не распространяется на крупнообломочные и сильновыветрелые скальные грунты с обломками размером более 15 см.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Полевые испытания следует проводить для определения механических характеристик мерзлых, оттаивающих и промерза­ющих грунтов.

1.2. Испытания следует проводить непосредственно на поверх­ности грунта или в открытых и подземных горных выработках.

1.3. Размеры сечения горной выработки в плане следует устанавливать с учетом необходимости возведения крепи выработ­ки и обеспечения удобства производства работ, но не менее 2 X 2 м.

1.4. Высота горной выработки при проведении испытаний грунтов в штольне (штреке) определяется габаритами установки, применяемой для испытаний, и должна быть не менее 1,8 м.

1.5. Площадка, выбранная для проведения испытаний грунтов или заложения горной выработки, должна быть спланирова­на и оконтурена водоотводной канавой. Размеры площадки устанавливают из условий необходимости размещения горной вы­работки и установки для испытаний.

1.6. Проходку горных выработок надлежит осуществлять до требуемой то условиям испытаний глубины, но не менее глуби­ны максимального сезонного оттаивания, а в условиях несливающейся вечномерзлой толщи — до верхней границы этой толщи.

1.7. Технологию проходки выработки следует принимать из условий сохранения естественного сложения мерзлых грунтов.

1.8. Термины и определения приведены в приложении 1.

1.9. В процессе проходки горных выработок следует вести документацию (приложение 2) литологического и криогенного строения грунтов с тщательным замером ледяных включений и определением физических характеристик мерзлых грунтов по 2—3 монолитам, отобранным из испытываемого слоя в угловых точках выработки, весом не менее 5—10 кг.

2. МЕТОД ИСПЫТАНИЯ ГОРЯЧИМ ШТАМПОМ

2.1. Метод полевого испытания горячим штампом следует при­менять для определения характеристик оттаивающих грунтов — коэффициентов оттаивания А и сжимаемости а.

Коэффициенты оттаивания А и сжимаемости а надлежит оп­ределять по величине относительной деформации, полученной по результатам испытаний горячим штампом грунтов под природным давлением и последующим уплотнением их ступенчато-возрас­тающей нагрузкой.

2.2. Аппаратура

2.2.1. В состав установки для испытаний грунтов должны входить следующие основные узлы:

штамп с внутренним обогревом;

обогревающее устройство;

устройство для нагрузки штампа;

измерительная система для регистрации величин нагрузок и осадок штампа и температуры грунта;

насос для откачки воды.

2.2.2. Конструкции установок должны обеспечивать:

нагрузки на штамп ступенями давления 0,5—2 кгс/см²;

центрированную передачу нагрузки на штамп;

постоянство каждой ступени давления;

исключение продольного изгиба штанг (крепление штанг при большой глубине испытаний по четырем направлениям).

2.2.3. Штамп следует применять жесткий круглый плоский со сплошной подошвой площадью F = 5000 см².

Конструкция штампа должна обеспечивать равномерный наг­рев его днища электронагревателями или горячей водой до темпе­ратуры не более 90 °С.

2.2.4. Обогревающее устройство для расширения зоны оттаивания должно быть расположено по периметру штампа шириной кольца 0,3 его диаметра и обеспечивать равномерное оттаивание грунта под штампом. При испытании грунтов с суммарной влажностью выше границы текучести должна быть предусмотре­на пригрузка обогревающего устройства, равная природному давлению на отметке установку штампа.

2.2.5. Нагрузку на штамп надлежит осуществлять домкра­тами (или тарированным грузом), обеспечивающими постоянное заданное давление.

2.2.6. Манометры для контроля давления жидкости в дом­кратах и динамометры при применении тарированного груза должны иметь верхний предел измерений на 10—15% выше зна­чения максимальной нагрузки на штамп.

2.2.7. Измерительная система должна обеспечивать точность измерений:

вертикальных перемещений штампа (индикаторами часового типа, индуктивными датчиками или прогибомерами) 0,1 мм;

температур грунта под штампом 0,1 °С.

2.2.8. Реперная система с датчиками деформаций должна быть закреплена в мерзлый грунт устья или забоя горной выработки (при условии обеспечения полной неподвижности системы) и за­щищена от воздействия солнечных лучей, ветра и атмосферных осадков.

2.3. Подготовка к испытанию

2.3.1. Перед установкой штампа забой горкой выработки сле­дует тщательно выровнять и зачистить до ненарушенного мерзлого грунта. Для обеспечения надежности контакта с грунтом под штамп следует сделать подушку толщиной не более 2 см из маловлажного песка средней крупности.

2.3.2. На подготовленный забой горной выработки по ее цент­ру следует установить штамп с обогревающим устройством, смон­тировать загрузочное устройство для передачи на штамп стати­ческой нагрузки, оборудовать реперную систему и установить все необходимые приборы и приспособления.

2.3.3. После полного завершения подготовки установки к испытаниям необходимо провести проверку правильности и надеж­ности монтажа установки и ее отдельных узлов, а также усло­вий безопасности работы во время испытаний.

2.3.4. Перед началом испытаний для достижения полного кон­такта штампа с грунтом, обжатия всех конструктивных элемен­тов установки и для исключения разуплотнения мерзлого грун­та следует приложить на штамп (без включения его обогрева) нагрузку обжатия, равную природному давлению на горизонте установки штампа (с учетом собственного веса штампа и деталей установки, несбалансированных противовесами), но не менее 0,5 кгс/см². Нагрузку следует выдерживать до условной величины стабилизации осадки штампа. Затем (без сброса нагрузки обжатия) установить датчики деформаций на нулевые деления и записать значения их как исходные в журнале испытаний (при­ложение 2).

2.3.5. Контроль глубины оттаивания грунта поя штампом над­лежит проводить с помощью температурных датчиков и металли­ческого щупа. Температурные датчики следует устанавливать с интервалом в 10 см в 2 скважины, пробуренные по .краям штам­па, диаметром 3—4 см и глубиной до 80 см. Скважины необходи­мо тщательно гидроизолировать охлажденным глинистым грун­том.

2.4. Проведение испытания

2.4.1. Испытание вечномерзлых грунтов статическими нагруз­ками с использованием горячего штампа следует выполнять в два этапа:

1-й этап — создание под штампом зоны оттаявшего грунта на глубину 0,5 диаметра штампа под нагрузкой Р₁, равной природ­ному давлению грунта Р_б на глубине установки штампа (в пер­вую ступень нагрузки Р₁ = Р_б включается вес штампа и деталей установки, несбалансированных противовесами);

2-й этап — уплотнение оттаявшего грунта ступенчато-возрастающей нагрузкой, которой соответствуют ступени давления Р₂, Р₃ ,..., Р_n. Общее количество ступеней давления должно быть не менее пяти.

2.4.2. На 1-м этапе испытаний надлежит включить обогрев штампа и обогревающего устройства.

Обогрев штампа и обогревающего устройства следует производить до тех пор, пока глубина оттаивания под штампом не ста­нет равной 25—30 см. После этого обогрев прекращают и даль­нейшее оттаивание грунта до глубины 0,5 диаметра штампа (при­мерно 40 см) происходит за счет запаса тепла в оттаявшем слое.

При понижении температуры грунта на глубине 40 см ниже 0 °С следует производить кратковременный обогрев штампа, обеспечивающий поддержание оттаивания грунта под штампом в течение испытаний до глубины, равной 0,5 диаметра штампа.

2.4.3. Отсчеты по температурным датчикам необходимо про­изводить на 1-м этапе испытаний сначала через каждый час, а по мере приближения границы оттаивания к глубине 40 см — через каждые 15 мин. На 2-м этапе испытаний отсчеты по тем­пературным датчикам снимают одни раз перед очередной сту­пенью давления.

2.4.4. Замеры глубины оттаивания грунта металлическим щу­пом (п. 2.3.5) следует производить на 1-м этапе испытаний дважды: после прекращения прогрева и при достижении нулевых температур на глубине 40 см, а на 2-м этапе — один раз перед очередной ступенью давления.

2.4.5. После стабилизации осадки оттаявшего грунта под при­родным давлением (1-й этап испытаний) на штамп дают ступенчато-возрастающие нагрузки (2-й этап испытаний). Нагрузку на каждой ступени давления следует производить только после ста­билизации осадки от предыдущей ступени.

2.4.6. Измерение вертикальных перемещений штампа датчика­ми деформаций необходимо производить на обоих этапах испы­таний для всех грунтов через 10, 20, 30 и 60 мин от начала испы­таний и далее через каждый час до условной стабилизации осад­ки штампа на каждой ступени давления.

2.4.7. За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа за 1 ч не более 0,05 мм для глинистых грун­тов и 0,1 мм для песчаных, крупнообломочных и сильновыветрелых скальных грунтов.

2.4.8. Величину ступени давлений на штамп на 2-м этапе ис­пытаний следует принимать: для глинистых грунтов — 0,5 кгс/см², для песчаных грунтов — 0,75 кгс/см², для крупнообломочных грунтов —1,0 кгс/см², для сильновыветрелых скальных пород — 2 кгс/см².

2.4.9. После окончания испытания установку следует демонти­ровать, с поверхности оттаявшего грунта под штампом удалить верхний слой толщиной 10 см и отобрать два-три монолита для лабораторных определений необходимых характеристик оттаяв­шего и уплотненного грунта. После этого следует удалить та­лый грунт, замерить и зарисовать чашу оттаявшего грунта под штампом (приложение 3).

2.4.10. Осадку штампа надлежит определять как среднее арифметическое показаний трех датчиков, регистрирующих перемещение равноотстоящих друг от друга крайних точек штампа.

2.5. Обработка результатов

2.5.1. Результаты испытаний следует обрабатывать отдельно для каждого исследуемого слоя. Вычисляют среднее значение глу­бин оттаивания грунта (под центром и краями штампа) Н и при­ращение абсолютной осадки штампа DS_i для каждой ступени давления.

2.5.2. Для каждой ступени давления следует вычислить сред­нее значение приращения относительной осадки Dd_i и полной величины относительной осадки слоя по формулам:

причем d₁ = Dd₁.

Совокупность величин d_i каждого слоя представляют в виде графика прямолинейной зависимости (см. чертеж).

Построение графика d_i = f(P_i) выполняют в масштабе: для Р 1 кгс/см² = 50 или 30 мм, для d 0,01 = 50 или 30 мм. За началь­ные значения Р₁ и d₁ (первая точка, включаемая в обработку) принимают такие значения, которые соответствуют природному давлению для исследуемого слоя грунта, за конечные значения Р_п и d_п (последняя точка, включаемая в обработку) — такие, при которых нагрузка вызывает приращение осадки, превышаю­щей ее значение на предыдущей ступени не более чем в два раза. Через нанесенные на график точки по методу наименьших квад­ратов проводят осредняющую прямую. Для построения осредняющей прямой допускается использование графических методов.

2.5.3. Коэффициент оттаивания А следует определять по гра­фику d_i = f(Р_i ) и принимать равным отрезку, отсекаемому осредняющей прямой на оси ординат.

Коэффициент сжимаемости а, см²/кгс, следует определять по формуле

где Dd — устанавливаемое по графику приращение значения относительной осадки на осредняющей прямой, соот­ветствующее интервалу давления DР, кгс/см²;

К — безразмерный коэффициент напряженно-деформативного состояния грунта, который принимают равным для крупнообломочных грунтов и сильновыветрелых скальных пород — 1,35; для песков и супесей — 1,30, для суглинков — 1,20, для глин — 1.

При необходимости по полученным значениям а вычисляют мо­дуль деформации грунта Е по формуле

где b — коэффициент, значения которого принимают равным для крупнообломочных грунтов и сильновыветрелых скаль­ных пород — 0,8; для пестов и супесей — 0,74; для суглин­ков — 0,62; для глин — 0,40.

2.5.4. Результаты испытаний и определений характеристик грун­тов следует регистрировать в журнале испытаний (приложение 2) с указанием вида и состава грунта, его криогенной текстуры, льдистости, суммарной влажности и объемного веса скелета грун­та до и после оттаивания. Коэффициент А необходимо опреде­лять с точностью до одной тысячной, а коэффициент а — до одной десятитысячной.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ЖУРНАЛ

испытаний мерзлых грунтов методом горячего штампа

Испытание № __________

Наименование организации Пункт ______________________

______________________________

______________________________ Объект _____________________

Площадь штампа ________ см² Сооружение _________________

Площадь обогревающего устройства

________________ см² Дата испытания:

Тип обогреваемого штампа и начало ______________________

кольца ________________________

Абсолютная отметка: окончание ___________________

подошва штампа ____________ м

устье выработки _____________ м

Глубина залегания испытываемого слоя грунта _______________________м

Наименование испытываемого грунта и его краткая характеристика

________________________________________________________________

_______

________________________________________________________________

Краткая характеристика установки для испытаний _____________________

Ответственный исполнитель _______________________________________

Наблюдатели ____________________________________________________

Адрес организации _______________________________________________

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПРИБОРОВ

Домкрат № ______________________________________________________

Его грузоподъемность _____________________________________________

Площадь плунжера ________________________________________см²

Манометр № ___________ и его краткая характеристика ________________

_________________________________________________________________

Датчики деформаций и их краткая характеристика _____________________

_________________________________________________________________

Температурные датчики и их краткая характеристика ____________________

__________________________________________________________________

Схематический план расположения и геологическое описание горной выработ­ки ________________________________________________________________

СТРАНИЦЫ ЖУРНАЛА

Дата

Глубина проведе-ния

Наимено-вание грунта

Этап испытаний (оттаива-

Время проведе-ния

Интервал времени Dt

Показания мано-метра,

Нагрузка на штамп, tс

Давление Р по подошве

Показание датчиков деформаций

Поправка в показания датчиков деформаций

Исправленные показания датчиков деформаций

Среднее значение осадки

Глубина протаивания под штампом (по чаше оттаивания)

Относительная

осадка штампа

Примечание

испыта-ний, м

ние и нагрузка)

испытаний t, ч

(продол-житель-ность испыта-ний), мин

кгс/см²

штампа, кгс/см²

Н_ц ¾ под центром

под краями

Принятая в расчет Н

мм

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Дата замера, ч, мин

Глубина заложения темпера-турных датчиков, см

0,0

10

20

30

40

50

60

70

80

Примечание

Показания,

Место заложения температурных датчиков под краями штампа

°С

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

Л

П

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Величина

Место контрольного замера

Дата замера,

ч, мин

ступени давления,

кгс/см²

у края штампа

у внешнего края обогревающего устройства

на расстоянии

20 см от обогревающего устройства

1

2

3

4

5

Глубина

кровли

Наименование

Давление

Глубина протаивания

Приращение осадки за ступень

Относительная

Коэффициенты

Дата

испытанного слоя

грунта

номер ступени

t

Величина P_i, кгс/см²

грунта под штампом

H_i, мм

абсолютной DS_i, мм

относительной Dd_i

осадка

d_i

оттаивания

А

сжимаемости а, см²/кгс

Глубина, м

Наимено-вание грунта

Влажность Wсум

Объемный вес

грунта

Объемный вес скелета грунта

Удельный вес g₀

Степень водонасы-щенности

Пористость

Коэффи-циент пористости

М

Т

М

Т

М

Т

М

Т

М

Т

М

Т

%

гс/см³

%