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

Член Коллегии В. И. Сычев

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.

1.1. 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.

2.1. 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/см^2;

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.

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;

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 Р_{1, равной природному давлению грунта Рб на глубине установки штампа (в первую ступень нагрузки Р1 = Рб включается вес штампа и деталей установки, несбалансированных противовесами);}

2-й этап - уплотнение оттаявшего грунта ступенчато-возрастающей нагрузкой, которой соответствуют ступени давления Р2, Р3 ,..., Рn. 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.

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

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

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

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.