Определение коэффициента уплотнения грунта. Методы, штампы, расчеты.

Коэффициент уплотнения грунта — это соотношение между фактической плотностью грунта в насыпи и его максимальной плотностью (после его определения в лаборатории). Максимальная плотность определяется при максимальном уплотнении скелета грунта (масса твёрдой составляющей грунта в единицу объёма грунта при естественном (ненарушенной) структуре) при его оптимальной влажности (максимально комфортной для уплотнения). Методика определения указана в ГОСТ 22733-2016 "Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности". Согласно ГОСТ 22733-2016, коэффициент уплотнения определяется для грунтов естественного (природного) и техногенного (изменённого) происхождения. 

Важно понимать, что коэффициент уплотнения применим только к мелкозернистым грунтам. С крупнообломочными грунтами можно только разровнять их на площадке, контролируя понижение слоя. 

Что такое плотность грунта?

Плотность грунта — это показатель, который выражается в процентах или долях от единицы. Например, если коэффициент уплотнения равен 0,93, то фактическая плотность грунта составляет 93% от максимально возможной.

В практике строительства важны два показателя: плотность грунта, отражающая его физические свойства, и коэффициент уплотнения грунта, который показывает, насколько сильно материал был сжат. Определение коэффициента уплотнения грунта на объекте — это важный этап контроля основания перед строительством зданий, дорог и других объектов. 

Коэффициент уплотнения рассчитывается по формуле:
КУ = ФП / МП, где
КУ - коэффициент уплотнения грунта
ФП - фактическая плотность сухого грунта
МП - максимальная плотность грунта 

Высокий коэффициент уплотнения говорит о том, что грунт стал плотнее и менее пористым. Это улучшает его механические свойства: грунт становится более прочным, устойчивым к деформациям, менее сыпучим и лучше удерживает воду.
Уплотнение грунта — важный этап во многих строительных проектах. Это процесс, при котором грунт становится более плотным и прочным. Благодаря уплотнению грунта создаётся надёжное основание для будущих дорог, плотин, зданий и других объектов инфраструктуры. Поэтому перед началом строительства всегда необходимо контролировать коэффициент уплотнения грунта. Так же, при разработке строительного проекта необходимо учитывать такие факторы, как естественное уплотнение грунта, модуль деформации E, статический модуль упругости и т.д. 

Определение коэффициента уплотнения на строительном объекте. Методы.

Метод режущего кольца (не допускается выполнять при наличии фракций более 40 мм по ГОСТ 22733—2016) применяется для определения плотности грунта. Для отбора проб используются стальные кольца с антикоррозионным покрытием. Одна сторона колец имеет режущую кромку. 

Процесс определения выглядит следующим образом:

  1. У заранее пронумерованных колец измеряют геометрические параметры (высоту и внутренний диаметр) с точностью до 0,1 мм и определяют массу колец;
  2. Рассчитывают объём каждого кольца;
  3. Кольцо вдавливают или забивают в грунт, вровень с верхней кромкой;
  4. Далее кольцо извлекают из грунта, закрывая торцы кольца пластинками (важно, чтобы при извлечении или перевозке, грунт не выпал из внутреннего рабочего объема кольца), и транспортируют в лабораторию;
  5. Далее отобранное кольцо обрезают по верхней и нижней грани и рассчитывают ρ грунта по стандартной формуле;
  6. Оформление протокола испытаний.

Набор режущих колец для отбора грунта
Набор режущих колец для отбора грунта


Процесс забивания режущего кольца в грунт
Процесс забивания режущего кольца в грунт


Отобранное кольцо со срезанными бортиками 
Отобранное кольцо со срезанными бортиками


Метод лунки (плотность грунтов методом замещения объёма) 

Если в грунте содержится более 15% частиц размером более 2 мм (это могут быть обломочные или окатанные частицы, замёрзшие комья и так далее), а также при создании насыпей из каменных материалов, рекомендуется контролировать уплотнение грунта с помощью метода замещения объёма, так же его принято называть "метод лунки", описанного в ГОСТ 28514-90 «Определение плотности грунтов методом замещения объёма».

Метод заключается в установлении отношения массы пробы грунта к его объему при условии, что из слоя конструкции отбирают пробу необходимого объема, которую замещают однородной средой с известной плотностью.

Этот метод применяется для определения плотности крупнообломочных и мёрзлых грунтов: 

  1. В испытываемой породе делают углубление в форме куба со сторонами 30 см; 
  2. Затем полученный материал извлекают и взвешивают с точностью до одного грамма;
  3. Далее углубление накрывают плёнкой и заполняют жидкостью, после чего плёнку с водой извлекают и измеряют объём жидкости;
  4. Чтобы определить плотность грунта, нужно разделить его массу на объём заполнителя;
  5. При выкапывании углубления важно не повредить его края и стенки рабочим инструментом, чтобы не увеличить объём углубления и не исказить результаты. 

Лунка для определения плотности грунтов методом замещения объёма
Лунка для определения плотности грунтов методом замещения объёма


Испытание определения плотности грунтов методом замещения объёма
Испытание определения плотности грунтов методом замещения объёма


Испытания грунтов штампами — это методы, которые позволяют определить относительную деформацию просадки глинистых почв, давление просадки и модуль деформации почв различного происхождения: минеральных, органических и органо-минеральных. 

Для проведения испытаний исследуемую толщу грунта постепенно нагружают, увеличивая нагрузку на штамп «блин». В качестве методологии используется ГОСТ 20276.1-2020.

В качестве груза используют стальной диск круглой формы, который равномерно воздействует на поверхность. При выборе диска учитывают вид поверхности (грунт, щебень, смешанные грунты и т.д.).

Методы измерения упругого прогиба одежды делятся на статические и динамические (метод кратковременного нагружения) в зависимости от способа передачи нагрузки на конструкцию. 

Определение коэффициента уплотнения динамическим плотномером (штампом)

Динамический модуль упругости — это характеристика грунта, которая показывает его способность сопротивляться нагрузкам и деформациям при быстро меняющихся воздействиях. Этот параметр важен для оценки поведения грунта под воздействием кратковременных нагрузок, например, при проезде транспорта или сейсмических колебаниях.

«Экспресс-метод» определения коэффициента уплотнения - это определение динамического модуля упругости при помощи легкого дефлектомера с падающим грузом (ZORN). Он работает по принципу ударного воздействия на грунт и измерения скорости распространения волн в грунте после удара. На основе этих данных прибор рассчитывает динамический модуль упругости. 

Лаборанту достаточно установить прибор на определенную точку основания и произвести замеры коэффициента уплотнения. Результаты испытания определяются мгновенно. Все расчеты «зорн» производит в автоматическом режиме. На выходе мы получаем фактический результат уплотнения (мПа). 

Применение прибора ZORN ZFG позволяет получить точные значения динамического модуля упругости, которые необходимы для проектирования фундаментов, дорог, аэродромов и других объектов, где важно учитывать поведение грунта при динамических нагрузках.

Методика проведения испытания. Для примеру указан динамический штамп ZORN ZFG 3.0 (используется НИИ ЛАДОР):

  1. Установка динамического штампа «блина» диаметром 300 мм на определяемой поверхности. Важно отметить, что коэффициент уплотнения глинистого грунта или суглинков, таким образом не получится. Их определяют уже статическим методом;
  2. Проводятся удары грузом (3 предварительных удара и 3 удара для определения коэффициента уплотнения);
  3. Получение результатов (на экране прибора или на чеке);
  4. Далее, в лаборатории, оформляется протокол испытаний. 

Zorn ZFG
Zorn ZFG


Испытание зорном непосредственно на объекте
Испытание зорном непосредственно на объекте


Приборная панель с выводом результатов коэффициента уплотнения
Приборная панель с выводом результатов коэффициента уплотнения


Определение коэффициента уплотнения статическим плотномером (штампом) по ГОСТ Р 59866-2022, ОДМ 218.6.1.005-2021 и ГОСТ 20276.1-2020

Статический модуль упругости — это характеристика грунта, которая показывающая его способность сопротивляться нагрузкам и деформациям при статическом воздействии. Этот параметр важен для оценки поведения грунта под постоянным давлением, например, под фундаментом здания или дорожным покрытием.

 

Статический штамп — это прибор, который используется для измерения статического модуля упругости грунтов. Он представляет собой круглую плиту, которую устанавливают на поверхность грунта и постепенно увеличивают нагрузку на неё. С помощью датчиков измеряются деформации грунта под нагрузкой, на основе которых рассчитывается статический модуль упругости.

Испытание статическим штампом Упор-1
Испытание статическим штампом Упор-1


Результаты испытаний статическим штампом
Результаты испытаний статическим штампом


Непосредственно на объекте все чаще используют метод статического штампа, который является наиболее достоверным способом определения деформационных характеристик. Хотя и является более длительным по сравнению с «экспресс-методом» - на одну точку может уходить от 40 минут реального времени. Но как показывается практика - без данных определений невозможно точно определить достаточно ли уплотнен грунт для дальнейших строительных работ (например сдачи котлована под здания или готовность дорожной одежды для укладки асфальтобетонной смеси). На основании статического штампа рассчитываются корректирующие коэффициенты на динамические методы. В ходе подачи системы давлений на опорную плиту датчик линейных перемещений фиксирует деформации покрытия.

На основе зависимости нагрузка/осадка вычисляются:
• Модуль общей деформации Ev1;
• Модуль упругой деформации Ev2;
• Соотношения вышеперечисленных показателей, характеризующего упруго-прочностные свойства основания, k= Ev2/Ev1;
Модуль деформации E.

Методика проведения испытания статическим штампом. Для примеру указан статический штамп Упор-1 (используется НИИ ЛАДОР):

  1. Установка штампа на подготовленное основание. Сначала поверхность выравнивается цементной смесью, чтобы избежать получения некорректных результатов испытания и деформации штампа. Размер плиты для нагружения может варьироваться в зависимости от того, где проводится испытание: на грунте, щебне, песке и так далее;
  2. Затем производится подготовка пригруза и реперной измерительной системы. После установки всех устройств снимаются первичные показания приборов;
  3. Первичное нагружение происходит с выдержкой до стабилизации нагрузок и выравнивания основания. Далее нагрузка на штамп «блин» увеличивается шагами, равными по величине. Нагрузка увеличивается только тогда, когда достигается критерий условной стабилизации – величина осадки, произошедшей за определенный промежуток времени, которая зависит от свойств грунта;
  4. Последующее нагружение сопровождается снятием показаний коэффициентов Ev1 и Ev2. Затем происходит разгружение и считывание показаний изменения параметров нагрузки и осадки. Полученные данные переносятся в акт замера статическим штампом. Эти данные являются основой для построения графика, отражающего зависимость осадки от давления, и расчета величины модуля деформации по выведенной формуле;
  5. По завершению испытаний в лаборатории оформляется протокол испытаний.
Существует 3 типа штампов, среди которых:
  • штамп 1-го типа круглого сечения, диаметром 300 мм
  • штамп 2-го типа круглого сечения, диаметром 600 мм
  • штамп 2-го типа круглого сечения, диаметром 762 мм 

Нагрузочная плита диаметром 300 мм


Нагрузочные плиты диаметром 600 мм и 762 мм


Выбор типа штампа зависит от глубины проверяемого слоя. При использовании этой методики важно учитывать толщину укладываемых слоёв, поскольку меньший диаметр штампа позволяет проверить меньшую глубину слоя.
Например, штамп диаметром 300 мм позволяет определить коэффициент уплотнения основания на глубине до 50-70 сантиметров, в то время как штамп диаметром 762 мм может достичь глубины до 1,5 метров

Метод измерения упругого прогиба прогибомером

Испытания проводят методом статического нагружения колесом автомобиля. При линейных испытаниях измерения упругого прогиба выполняют как методом статического, так и кратковременного нагружения. Для измерения обратимых прогибов методом статического нагружения используют прогибомеры. Наибольшее распространение получил длиннобазовый рычажный прогибомер, который обеспечивает точность измерений ±0,02 мм.  
Длиннобазовый рычажный прогибомер

Прогибомер представляет собой сборный рычаг, который поворачивается на оси, закреплённой в корпусе опоры. Рычаг состоит из переднего и заднего плеч. На переднем плече закреплён щуп с подпятником. Щуп размещается между скатами заднего сдвоенного колеса автомобиля под центром задней оси. 

Порядок испытаний прогибомером:

  1. Прогибомер устанавливают на полосе наката так, чтобы измерительный щуп находился строго между скатами сдвоенного колеса гружёного автомобиля. Нагрузка на заднюю ось должна составлять 30–50 кН.
  2. Клиновидную опорную подкладку устанавливают на покрытие так, чтобы её наклонная поверхность контактировала с концом стержня индикатора.
  3. Автомобиль выдерживают на точке измерения до тех пор, пока отсчет по индикатору i0 не будет изменяться за 10 секунд более чем на 0,005 мм. Полученное значение фиксируют.
  4. Автомобиль отъезжает вперёд на расстояние не менее 5 метров. После этого снова берут отсчет i.
  5. Вычисляют упругий прогиб дорожной одежды l в точке измерений.
  6. По результатам испытаний оформляется протокол. 

Длиннобазовый прогибомер

Согласно требованиям СП 78.13330.2012, оптимальным считается коэффициент уплотнения грунта в диапазоне от 0,94 до 0,98. Однако в соответствии с СП 45.13330.2012 для безопасной эксплуатации проектируемых и строящихся объектов капитального строительства этот показатель должен быть не менее 0,95. 

Нормативы по коэффициенту уплотнения определены в ГОСТе, строительных нормах и правилах, а также в проектной и рабочей документации. 

Высокий коэффициент уплотнения указывает на повышенную плотность грунта и улучшение его механических свойств. Это необходимо для создания надежного основания при строительстве дорог, зданий и других инфраструктурных объектов. 

Контроль коэффициента уплотнения перед началом строительства позволяет предотвратить возможные деформации и обеспечить долговечность сооружений. 

CRM-форма появится здесь