ГОСТ 24143-80 «Грунты

ГРУНТЫ
МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК НАБУХАНИЯ И УСАДКИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА
Москва

Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений имени Н.М. Герсеванова Госстроя СССР

Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве

Е.А. Сорочан. д-р техн. наук; Л.Н. Теренецкий. канд. техн. наук; А.Р.Горлова ; Р.С. Зиангиров. д-р геол.-минер. наук; Б.А. Снежкин. канд. геол.-минер. наук; Л.Е. Темкин

ВНЕСЕН Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений Н.М. Герсеванова Госстроя СССР

Зам. директора В.В. Михеев

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 22 апреля 1980 г. № 55

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки

Soils. Laboratory methods for determination of swelling and shrinking characteristics

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 22 апреля 1980 г. № 55 срок введения установлен

Настоящий стандарт распространяется на глинистые грунты природного и нарушенного сложения и устанавливает методы лабораторного определения их набухания и усадки.

Стандарт не распространяется на глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения размерами зерен более 5 мм, и на глинистые грунты в мерзлом состоянии.

1.1. Характеристики набухания и усадки грунта следует определять по относительной деформации: набухание - в условиях, исключающих возможность бокового расширения при насыщении грунта водой или химическим раствором; усадку - в условиях свободной трехосной деформации при высыхании грунта. Испытание для определения характеристик набухания следует производить до прекращения поглощения образцом грунта воды (или раствора), а усадки - до полной потери им влажности.

1.2. За показатели, характеризующие набухание грунта, принимаются свободное набухание ( d _о ), набухание под нагрузкой ( d _н ), давление набухания ( r _н ), влажность грунта после набухания ( W _н ); за показатели, характеризующие усадку грунта, принимаются величины усадки по высоте ( d_h ), диаметру ( d_d ), объему ( d_v ) и влажность на пределе усадки ( W_y ).

1.3. Образцы грунта природного сложения для испытаний свободного набухания, набухания под нагрузкой, давления набухания и усадки следует вырезать из одного монолита грунта; образцы грунта нарушенного сложения следует приготовлять с заданными величинами плотности и влажности.

Свободное набухание определяется испытанием одиночного образца грунта.

Набухание под нагрузкой и давление набухания определяется испытанием серии образцов-близнецов, вырезаемых из одного монолита грунта, путем обжатия их давления и последующего водонасыщения.

Величины ступеней давления и их количество должны быть определены заданием и программой исследований.

При отсутствии таких данных испытания надлежит производить в диапазоне полуторакратных величин условных расчетных давлений на глинистые грунты, руководствуясь табл. 2 и 4 приложения 4 к главе СНиП II-15-74.

1.4. Образцы грунта при испытании на набухание следует заливать грунтовой водой, взятой с места отбора грунта, водной вытяжкой или водой питьевого качества. В случаях, определяемых программой исследований, допускается применение дистиллированной воды и искусственно приготовленных растворов заданного химического состава.

При усадке испарение воды (или раствора) из образца грунта не должно вызывать образование на нем усадочных трещин.

1.5. Монолиты грунтов для определения показателей набухания и усадки следует отбирать из открытых горных выработок: шурфов, котлованов, расчисток и пр. а их отбор, транспортирование и хранение надлежит производить по ГОСТ 12071 -72.

Отбор образцов из скважин допускается производить при помощи грунтоносов, обеспечивающих сохранение природного сложения и влажности грунта.

1.6. Термины и определения приведены в справочном приложении 1.

2.1. Приборы для определения свободного набухания грунтов (ПНГ) должны включать следующие основные узлы и детали:

рабочее кольцо внутренним диаметром не менее 50 мм, высотой не менее 20 мм;

вкладыш, обеспечивающий высоту образца в кольце не менее 10 мм;

перфорированный верхний штамп;

ванночки для жидкости;

основания прибора и держателя индикатора;

индикатор часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

2.1.1. Конструкция ПНГ должна быть выполнена из материалов, стойких против коррозии, и обеспечивать:

неподвижность рабочего кольца при испытании;

подачу воды к образцу снизу и отвод ее;

величину вертикального давления от штампа, измерительного оборудования, расположенного на нем, и других неуравновешенных деталей не более 0,0006 МПа (0,006 кгс/см 2 ).

2.2. Показатели набухания грунта под нагрузкой и давления набухания следует определять в компрессионных приборах, состоящих из следующих основных узлов и деталей:

рабочего кольца внутренним диаметром более 71 мм и высотой более 20 мм с соотношением высоты к диаметру 1:3,5;

поддона с емкостью для воды и перфорированного вкладыша под кольцо;

двух индикаторов с ценой деления шкалы 0,01 мм для измерения вертикальных деформаций образца грунта; допускается применение одного индикатора при условии установки его в центре штампа;

механизма вертикальной нагрузки на образец грунта.

2.2.1. Конструкция компрессионного прибора должна быть выполнена из материалов, стойких против коррозии, и обеспечивать:

подачу воды к образцу снизу и отвод ее;

центрированную передачу нагрузки на штамп (образец грунта);

передачу на образец грунта давления ступенями от 0,0125 МПа (0,125 кгс/см 2 );

постоянство давления на каждой ступени;

неподвижность рабочего кольца при испытаниях;

измерение вертикальных деформаций грунта с погрешностью 0,01 мм;

давление на образец, создаваемое штампом и закрепленным на нем измерительным оборудованием и другими неуравновешенными деталями, не более 0,0025 МПа (0,025 кгс/см 2 ).

2.3. Для определения усадки грунтов необходимо иметь:

рабочее кольцо компрессионного прибора внутренним диаметром более 71 мм и высотой более 20 мм с соотношением высоты к диаметру 1:3,5;

предметное стекло, покрытое тонким и ровным слоем парафина;

емкость с крышкой (стеклянный колпак или эксикатор) объемом не более 1 л для сушки образцов;

штангенциркуль с погрешностью измерения 0,05 мм и приспособление для измерений, показанное в рекомендуемом приложении 2 ;

3.1. Приборы для проведения испытаний должны устанавливаться на жестком основании, исключающем вибрацию. Горизонтальность установки приборов проверяют по уровню. В помещении во время испытаний должна поддерживаться положительная температура.

Не допускается попадание прямых солнечных лучей на образцы грунта во время испытаний усадки.

Для тарировки ПНГ в рабочее кольцо следует заложить два бумажных фильтра, установить индикатор и замочить фильтры. По индикатору зарегистрировать деформацию ( m ). Для данной партии фильтров тарировочную поправку принимают как среднее арифметическое значение деформаций трех пар фильтров.

3.2.1. При тарировке компрессионного прибора в рабочее кольцо следует заложить специальный металлический вкладыш, покрытый с двух сторон бумажными фильтрами, смоченными водой и нагружать его ступенями давления 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2 ), выдерживать их по 2 мин, до максимального давления на вкладыш 1 МПа (10 кгс/см 2 ), замеряя по индикаторам деформации прибора.

Тарировку производят при трехкратном нагружении прибора, каждый раз с заменой фильтров на новые.

По результатам тарировки компрессионного прибора следует составить таблицу величин деформаций ( m ) при различных давлениях.

3.3. Для каждого прибора следует определять: высоту и диаметр рабочего кольца, толщину предметного стекла, покрытого тонким слоем парафина (с погрешностью ± 0,05 мм), их массу (с погрешностью ± 0,01 г) и удельное давление от штампа, расположенного на нем измерительного оборудования и неуравновешенных деталей, ± 0,0001 МПа ( ± 0,001 кгс/см 2 ).

3.4. Образец грунта для испытания на набухание или усадку вырезают режущим кольцом в соответствии с требованиями ГОСТ 5182-78, при этом зазоры между грунтом и стенкой рабочего кольца не допускаются.

Для испытываемых грунтов должны быть определены плотность (объемный вес) по ГОСТ 5182-78, плотность минеральной части (удельный вес) по ГОСТ 5181-78, влажность по ГОСТ 5180 -78, границы текучести и раскатывания по ГОСТ 5183-77 и гранулометрический состав по ГОСТ 12536-79. Результаты записывают в журнал испытаний (см. рекомендуемые приложения 3 - 5 ).

3.5. Грунт в кольце следует покрыть с двух сторон фильтрами и поместить:

а) при определении свободного набухания - в ПНГ;

б) при определении набухания под нагрузкой и давления набухания - в компрессионные приборы.

В журнале испытаний следует записать начальные показания индикаторов ( n_o ).

3.6. При испытании грунта на усадку образец грунта следует извлечь из кольца и поместить на предметное стекло, покрытое тонким ровным слоем парафина. Затем измеряют высоту в центре образца, а его диаметр ¾ по трем, заранее размеченным направлениям. Результаты измерений записывают в журнале испытаний (см. рекомендуемое приложение 5 ).

3.7. Характеристики набухания глинистого грунта нарушенного сложения следует определять на образцах с заданной величиной коэффициента пористости (е ), вычисляемого по формуле

где r_s - плотность минеральной части грунта, г/см 3 ;

r _с - плотность скелета грунта, г/см 3. определяемая по формуле

где r _о - плотность грунта, г/см 3 ;

W _з - заданная влажность грунта в долях единицы.

3.8. При определении характеристик усадки грунта нарушенного сложения следует применять образец грунта влажностью на 5 - 10 % больше влажности грунта на границе текучести. Грунт следует выдержать в пустом эксикаторе в течение суток. Затем при помощи шпателя заполняют грунтом рабочее кольцо, внутренняя поверхность которого предварительно смазана тонким слоем технического вазелина. Образование пустот при подготовке образца не допускается.

Приготовленный образец на предметном стекле следует поместить под стеклянный колпак или в емкость с крышкой. За начальные размеры образца принимаются размеры кольца по высоте и внутреннему диаметру.

4.1. В ПНГ следует налить жидкость и наблюдать за развитием деформаций во времени, записывая показания индикаторов в журнал испытаний (см. рекомендуемое приложение 3 ).

4.2. Ступени давления при определении набухания грунта под нагрузкой и давления набухания должны быть: на первом компрессионном приборе - около 0,0025 МПа (0,025 кгс/см 2 ), что соответствует давлению от массы штампа и смонтированного на нем измерительного оборудования; на втором - 0,025 МПа (0,25 кгс/см 2 ); на третьем - 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2 ); на четвертом - 0,1 МПа (1 кгс/см 2 ) и далее с интервалом 0,1 - 0,2 МПа (1 - 2 кгс/см 2 ) на каждый прибор до необходимых пределов.

После нагружения образов грунта в компрессионных приборах их следует выдержать до условной стабилизации деформаций, после чего образцы надлежит замочить.

4.3. Как при свободном набухании, так и в компрессионных приборах после замачивания образцов следует регистрировать деформации через 5; 10; 30; 60 мин, далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций.

В случае отсутствия набухания замачивание производят в течение трех суток.

За начало набухания следует считать относительную деформацию ( d ), превышающую 0,001.

4.4. За критерий условной стабилизации деформаций свободного набухания глинистых грунтов или деформаций набухания под нагрузкой при данной ступени давления в компрессионных приборах следует принимать деформацию не более 0,01 мм за 16 ч.

4.5. После завершения набухания образца грунта необходимо: слить воду (или раствор) из прибора; кольцо с влажным грунтом (без фильтров) взвесить и произвести контрольное измерение высоты образца грунта в кольце; грунт из кольца высушить в термостате при температуре (105 ± 2) ° С. Все результаты измерений надлежит записать в соответствующий журнал испытаний (см. рекомендуемые приложения 3 и 4 ).

4.6. Испытание усадки грунта следует проводить в три этапа.

На первом и втором этапе испытания измерение высоты, диаметра и массы образца грунта, помещенного в эксикаторе, следует производить не реже двух раз в сутки и результаты заносить в журнал испытаний (см. рекомендуемое приложение 5 ).

Критерием условного завершения испытания на первом этапе является отсутствие изменений в линейных размерах образцов в двух последовательных измерениях.

На втором этапе сушка образца грунта производится на воздухе.

Критерием условного завершения испытания на втором этапе, после 5 - 6 измерений, является отсутствие изменений в массе образца грунта.

На третьем этапе сушку образца грунта производят в термостате при температуре (105 ± 2) ° С в соответствии с требованиями ГОСТ 5180 -78 до постоянной массы и в конце испытания производят контрольное измерение линейных размеров образца грунта.

5.1. На основании записей в журналах испытаний грунта в ПНГ или компрессионных приборах (см. рекомендуемые приложения 3 и 4 ) следует определить:

а) величину абсолютной деформации грунта ( D h ) в мм, вычисленную как разность среднеарифметических значений конечных ( n_i ) и начальных ( n_o ) показаний индикаторов за вычетом поправки на деформацию приборов и фильтров при набухании согласно п. 3.2 ;

б) величину относительной деформации образца ( d ) с погрешностью 0,001 по формуле

5.2. По величинам относительной деформации следует построить график зависимости относительных деформаций от вертикального давления d = f ( p ) (см. обязательное приложение 6 ). Точки графика, соответствующие ступеням давления, следует соединить лекальной кривой.

Величина давления набухания (р_н ) соответствует точке пересечения кривой с осью давления (р ) (см. график 1 приложения 6 ) или точке предполагаемого пересечения продолжения кривой графика d = f ( p ) с осью давления (р ) (см. график 2 приложения 6 )

5.3. По результатам испытаний усадки на основании записей испытаний грунта (см. рекомендуемое приложение 5 ) следует:

а) определить объем грунта на каждый момент измерения по формуле

где d_i - диаметр образца в момент измерения, определенный как среднее арифметическое значение измерений в трех направлениях, см;

h_i - высота образца в момент измерения, см;

б) рассчитать влажность грунта на каждый момент измерения по формуле

где g_i - масса образца грунта на момент измерения, г;

g - масса образца сухого грунта, г;

в) рассчитать усадку по высоте, диаметру и объему по формулам соответственно:

где h. d. V и h _к . d _к . V _к - соответственно начальные и конечные значения высоты, диаметра, см, и объема образца грунта, см 3 .

5.4. По величинам объема и влажности на каждый момент времени следует построить график зависимости изменения объема образца от влажности V = f ( W ) (см. обязательное приложение 7 ).

За величину влажности на пределе усадки ( W_y ) следует принять влажность, соответствующую точке перегиба графика V = f ( W ) (см. график 1 приложения 6 ). Допускается нахождение точки перегиба путем восстановления перпендикуляра к графику из точки пересечения касательных к двум ветвям кривой (см. график 2. приложения 6 ), соответствующим первому и второму этапам сушки образца.

Организация ________________ Объект _______________ Сооружение _____________

Лабораторный _________________________ Номер стекла ________________________

Шурф № ___________ глубина от _____ до _____ м Структура ______________________

Визуальное описание грунта в лаборатории _____________________________________

Условия проведения испытаний _______________________________________________

(условия испарения и т.д.) ____________________________________________________

Наименование определяемых параметров

График усушки образца грунта в xl

К набухающим относятся глинистые грунты, которые, находясь в напряженном состоянии от действия нагрузки или от собственного веса, способны при замачивании водой или растворами увеличиваться в объеме, при этом величина относительно набухания в случае свободного набухания образца без приложения внешней нагрузки ε 0 _{s ω} ≥ 0,04 [7 ].

Набухающие грунты характеризуются большим содержанием глинистых частиц и высокими значениями влажности на границе текучести и числа пластичности; при этом природная влажность их менее влажности на границе раскатывания. Для предварительной оценки набухающих грунтов используется показатель П = (e_L – е )/(1 + е ). который для этих грунтов составляет более 0,3.

Набухающие грунты классифицируются следующим образом: слабонабухающие 0,04 ≤ ε 0 _{s ω} ≤ 0,08; средненабухающие 0,08 < ε 0 _{s ω} ≤ 0,12; сильнонабухающие ε 0 _{s ω} > 0,12.

При уменьшении влажности набухающих грунтов возникают деформации усадки, имеющие объемный характер. Увеличение влажности набухающих грунтов в основании фундаментов приводит к подъему последних, а уменьшение — к их осадке, что должно учитываться при проектировании, сооружений. Кроме того, возможны горизонтальные деформации грунта, вызывающие возникновение горизонтального давления набухания, которое следует учитывать при проектировании заглубленных частей или всего сооружения.

Причинами набухания грунта в основании являются: увлажнение грунта подземными и производственными водами; повышение влажности за счет подъема уровня грунтовых вод; накопление влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушений природных условий испарения при застройке (экранирование массива грунта сооружениями); изменение водно-теплового режима под действием сезонных климатических факторов.

Усадка грунта вызывается в основном уменьшением влажности под действием температуры от технологических установок или климатических факторов.

Проектирование оснований на набухающих грунтах производится на основе инженерно-геологических изысканий, которые должны отражать:

• – характер напластования и толщину слоя набухающих грунтов;
• – расчетные характеристики набухания и усадки, полученные по данным лабораторных испытаний и полевых работ на площадке, включая данные испытания свай;
• – гидрогеологические условия площадки с учетом возможных изменений в процессе эксплуатации сооружения.

Расчетными характеристиками набухания и усадки грунта являются [2. 4 ] следующие.

1. Относительное набухание, определяемое по формуле

где h_sat — высота образца после его набухания (в случаях невозможности бокового расширения) за счет замачивания грунта до полного водонасыщения; h_n — исходная высота образца до его замачивания.

Набухание может быть свободным, когда замачивание грунта производится без приложения внешней нагрузки, ε 0 _{s ω} и под нагрузкой ε_{s ω}. Относительное набухание грунта под нагрузкой определяется на образцах, вырезаемых из одного монолита, при ступенях нагрузки 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом в 0,1—0,2 МПа до необходимых пределов. Кроме того, испытывается образец под давлением, вызванным весом штампа и измерительного оборудования. На каждой ступени нагрузки испытывается не менее четырех образцов. Результаты испытаний обрабатывают методом наименьших квадратов и строят осредненную зависимость ε_{s ω} = f (p ) (рис. 10.7, а ). При определении этой зависимости по данным испытаний штампами в полевых условиях допускается использование единичных значений относительного набухания, полученных при различных давлениях,

2. Давление набухания psω, возникающее при замачивании грунта и характеризуемое давлением, передаваемым на образец в условиях, исключающих возможность бокового расширения, когда деформации набухания равны нулю. Давление набухания принимается на основе кривой ε_{s ω} = f (р ) и соответствует точке пересечения этой кривой с осью давления (см. рис. 10.7, а ).

Рис. 10.7. Зависимости относительного набухания от давления (а ), изменения объема от влажности (б ), горизонтального давления набухании во времени (в )

3. Влажность набухания, за которую принимается влажность грунта после завершения его набухания в условиях, исключающих возможность бокового расширения, при отсутствии нагрузки ε 0 _{s ω} или при обжатии заданным давлением ε 0 _{s ω} .

4. Усадка грунта, определяемая по высоте, диаметру и объему по формулам:

где ε_{s ω.max} — относительное набухание грунта, соответствующее максимальному значению горизонтального давления, %; t — период достижения максимального значения горизонтального давления, сут.

Прибор, рекомендуемый для определения горизонтального давления, показан на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Прибор для определения горизонтального давления при набухании

1 — штамп; 2 — стакан; 3 — боковые штампы; 4 — динамометр сжатия; 5 — упорная система динамометра; 6 — плита; 7 — винтовая площадка; 8 — трубка для замачивания; 9 — дно стакана

Расчетной характеристикой основания является зона набухания глубиной Н_{s ω}. нижняя граница которой принимается:

• а) при инфильтрации атмосферных и производственных вод — на глубине, где суммарное давление на слой грунта σ_z.tot равно давлению набухания грунта р_{s ω} ;
• б) при наличии подземных вод — на 3 м выше установившегося уровня подземных вод, но не ниже установленного по п. «а»;
• в) при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима — на глубине, установленной по экспериментальным данным для данного климатического района; при отсутствии таких данных — на глубине 5 м от уровня планировки.

ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристики набухания и усадки

Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений

Сорочан Е.А. Строительство сооружений на набухающих грунтах

СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений