Трёхосные испытания грунта: что показывают и когда необходимы

Грунт под фундаментом не сжимается только сверху. Вес здания создаёт вертикальную нагрузку, а окружающий массив ограничивает боковое расширение. Одновременно в порах может изменяться давление воды. Поэтому для расчёта сложных и ответственных объектов важно исследовать грунт в условиях, приближенных к его работе в основании.

Трёхосное испытание позволяет управлять боковым и вертикальным напряжениями, дренированием и поровым давлением. По его результатам определяют прочностные и деформационные характеристики грунта, необходимые для расчёта осадок, устойчивости оснований, подпорных конструкций, откосов и котлованов.

В России лабораторные испытания дисперсных грунтов методом трёхосного сжатия проводят по ГОСТ 12248.3-2020. Стандарт действует с 1 июня 2021 года и распространяется на определение характеристик прочности и деформируемости грунтов для строительства.

Что такое трёхосное испытание грунта

Образец грунта цилиндрической формы помещают в эластичную оболочку и устанавливают в герметичную камеру стабилометра. Жидкость в камере создаёт всестороннее давление, моделирующее обжатие грунта окружающим массивом. Через шток к образцу прикладывают дополнительную вертикальную нагрузку.

В ходе опыта система регистрирует осевую деформацию, приложенную нагрузку, а в зависимости от выбранной схемы — изменение объёма и порового давления. Вертикальное напряжение постепенно увеличивают до разрушения образца или до достижения заданной деформации.

Главное отличие от испытания в компрессионном приборе заключается в том, что образец может деформироваться в боковом направлении. При одноплоскостном срезе заранее задана плоскость разрушения, а в стабилометре она формируется в самом образце под действием напряжений. Это позволяет подробнее проследить поведение грунта при сложном напряжённом состоянии.

Трёхосное испытание не является «улучшенной версией» любого другого метода. Оно решает определённые расчётные задачи, а состав исследований должен соответствовать инженерно-геологическим условиям и заданию проектировщика.

Как проходит испытание

Перед началом опыта лаборатория изучает задание, условия залегания грунта и предполагаемые нагрузки. Для связного грунта обычно используют образец ненарушенного сложения, вырезанный из монолита. Несвязный грунт формируют с заданными значениями плотности и влажности.

По ГОСТ образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 35 мм, а отношение высоты к диаметру — от 1,85 до 2,25. Размер подбирают с учётом включений. Качество отбора, упаковки и транспортирования особенно важно: трещины, потеря влажности или разуплотнение способны заметно исказить результат. Подробнее об этом мы рассказали в материале «Отбор и доставка образцов грунта в лабораторию».

Схема 1. Путь образца в стабилометре

1. 01

   Подготовка

   Что делает лаборатория

   Из монолита вырезают цилиндрический образец, измеряют его размеры и массу

   Зачем это нужно

   Сохранить природное сложение и получить исходные данные

2. 02

   Установка

   Что делает лаборатория

   Образец помещают между торцевыми элементами, закрывают мембраной и подключают дренажные линии

   Зачем это нужно

   Отделить грунт от жидкости в камере и управлять оттоком воды

3. 03

   Водонасыщение и восстановление состояния

   Что делает лаборатория

   При необходимости восстанавливают фазовое состояние и насыщают образец противодавлением

   Зачем это нужно

   Приблизить состояние образца к условиям водонасыщенного массива

4. 04

   Консолидация

   Что делает лаборатория

   Создают заданное всестороннее или анизотропное напряжение

   Зачем это нужно

   Воспроизвести напряжённое состояние на глубине отбора

5. 05

   Сдвиг

   Что делает лаборатория

   Увеличивают вертикальное напряжение и регистрируют нагрузку, деформации, объём или поровое давление

   Зачем это нужно

   Определить прочность и деформируемость грунта

Конкретная последовательность зависит от схемы испытания. Например, при недренированном сдвиге выход воды из образца перекрывают, а при дренированном обеспечивают отток и выбирают такую скорость нагружения, чтобы избыточное поровое давление успевало рассеиваться.

Схемы НН, КН и КД: в чём разница

ГОСТ 12248.3-2020 предусматривает три основные схемы: неконсолидированно-недренированную, консолидированно-недренированную и консолидированно-дренированную. Выбор определяется типом грунта, характером строительства, скоростью приложения нагрузки и расчётной моделью.

Неконсолидированно-недренированная схема — НН

При схеме НН образец не консолидируют под заданным давлением перед сдвигом, а дренаж во время нагружения закрыт. Испытание моделирует быстрое приложение нагрузки, когда вода не успевает выйти из пор грунта.

Схему применяют прежде всего для оценки недренированной прочности водонасыщенных связных грунтов. Основной результат — сопротивление недренированному сдвигу cᵤ. Такие данные могут потребоваться при анализе кратковременной устойчивости основания, начального этапа строительства или быстрой отсыпки насыпи.

Консолидированно-недренированная схема — КН

Сначала образец консолидируют при заданных напряжениях с открытым дренажем. Затем дренаж перекрывают и выполняют сдвиг. Если установка измеряет поровое давление, результаты позволяют оценить напряжения в скелете грунта и получить эффективные параметры прочности.

КН-схема сочетает воспроизведение предварительного уплотнения массива с относительно быстрым этапом сдвига. Она полезна, когда важно учитывать историю нагружения и реакцию водонасыщенного грунта на нагрузку без оттока воды непосредственно во время разрушения.

Консолидированно-дренированная схема — КД

При КД-схеме дренаж открыт и на стадии консолидации, и во время сдвига. Нагружение выполняют достаточно медленно, чтобы избыточное поровое давление рассеивалось. Лаборатория регистрирует осевые и объёмные деформации.

Испытание соответствует длительной работе основания, когда вода успевает перераспределяться в порах. По КД-схеме можно определять эффективные характеристики прочности и параметры деформируемости, включая угол дилатансии. Опыт занимает больше времени, особенно для слабопроницаемых глинистых грунтов.

Схема 2. Как выбрать режим испытания

Таблица показывает общий принцип, но не заменяет программу испытаний. Окончательный выбор должен делать специалист с учётом этапности строительства, фильтрационных свойств грунта, глубины отбора и используемой расчётной модели.

Какие характеристики определяют

В зависимости от программы работ результаты трёхосного сжатия позволяют определить:

• угол внутреннего трения φ;
• удельное сцепление c;
• сопротивление недренированному сдвигу cᵤ;
• модуль деформации E;
• секущий модуль деформации E₅₀;
• модуль повторного нагружения Eᵤᵣ;
• коэффициент поперечной деформации ν;
• угол дилатансии ψ.

Не каждый опыт автоматически даёт весь перечень. Схема, траектория нагружения, оборудование и количество образцов должны быть заранее увязаны с требуемыми параметрами. Для определения частных значений угла внутреннего трения и сцепления ГОСТ предусматривает серию не менее чем из трёх испытаний идентичных образцов при разных эффективных напряжениях консолидации. Если получить три образца из одного монолита невозможно, потребуется больше образцов.

Результаты могут использоваться не только в классических расчётах по модели Мора—Кулона. Расширенная программа трёхосных испытаний помогает подбирать параметры для численного моделирования, например для услуги моделирования упрочняющегося грунта. Однако набор опытов для расчётной модели необходимо согласовать до начала лабораторных работ.

Когда трёхосные испытания особенно полезны

Метод целесообразно включать в программу исследований, если:

• проектируется многоэтажное, промышленное или другое ответственное сооружение;
• основание сложено слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами;
• рассчитывается устойчивость глубокого котлована, откоса, насыпи или подпорной конструкции;
• нагрузки велики или меняются по этапам строительства;
• необходимо учитывать поровое давление и эффективные напряжения;
• выполняется численное геотехническое моделирование;
• табличных или корреляционных характеристик недостаточно для обоснования проекта;
• требуется оценить разгрузку и повторное нагружение грунта.

Для небольшого объекта в простых инженерно-геологических условиях трёхосное сжатие может быть избыточным. Но экономия на испытаниях не должна приводить к назначению характеристик без достаточного обоснования. Решение принимают после анализа геологического разреза, уровня ответственности сооружения и задач расчёта.

Чем трёхосное сжатие отличается от других методов

Компрессионное испытание показывает деформируемость грунта при невозможности бокового расширения. Одноплоскостной срез позволяет получить прочностные характеристики при перемещении одной части образца относительно другой по заданной плоскости. Трёхосное сжатие создаёт контролируемое боковое давление и позволяет изменять условия дренирования.

Методы не всегда являются взаимозаменяемыми. На практике они могут дополнять друг друга: определение механических свойств грунта формирует комплекс данных для расчёта основания, а конкретный состав работ устанавливают программой исследований.

Что влияет на достоверность результата

Сохранность образца

Нарушение структуры при отборе, вибрация при перевозке, разгерметизация упаковки и высыхание изменяют свойства грунта ещё до установки в прибор. Для трёхосного испытания это критично, поскольку метод чувствителен к плотности, влажности и природному строению образца.

Правильно заданные напряжения

Давление в камере и режим консолидации должны отражать природное и проектное напряжённое состояние. Если взять произвольные значения, лаборатория получит корректный результат опыта, который может оказаться мало полезным для конкретного расчёта.

Условия дренирования и скорость нагружения

Открытый или закрытый дренаж определяет поведение поровой воды. Слишком быстрое КД-испытание перестаёт соответствовать дренированному режиму, а неверная подготовка КН-образца влияет на эффективные параметры.

Достаточное количество образцов

По одному опыту нельзя надёжно построить огибающую прочности и определить φ и c. Необходима серия испытаний при разных уровнях обжатия, а образцы должны относиться к одному инженерно-геологическому элементу и быть сопоставимыми по состоянию.

Что должно быть в задании лаборатории

Чтобы результаты можно было напрямую использовать при проектировании, желательно передать:

1. описание объекта и стадии проектирования;
2. номера скважин, глубины отбора и принадлежность проб к инженерно-геологическим элементам;
3. предполагаемые нагрузки и отметки фундаментов или подземных конструкций;
4. требуемые схемы НН, КН или КД;
5. перечень определяемых характеристик;
6. уровни консолидации и траектории нагружения, если они назначены проектировщиком;
7. требования расчётной программы к исходным параметрам;
8. необходимость циклов разгрузки и повторного нагружения.

Если часть параметров ещё не определена, программу лучше согласовать с лабораторией и проектировщиком до подготовки образцов. Это помогает избежать ситуации, когда испытания уже выполнены, но их режим не соответствует принятой расчётной схеме.

Что получает заказчик

По ГОСТ отчёт об испытании включает идентификацию и исходные характеристики образца, способ его подготовки, размеры до и после консолидации, принятую схему, таблицы «нагрузка — деформация», графики и числовые значения полученных характеристик.

Для проектировщика важны не только итоговые φ, c или E, но и условия, при которых они получены. Протокол должен позволять понять, какое состояние грунта моделировалось и к какой расчётной ситуации относятся результаты.

Главное

Трёхосное сжатие воспроизводит совместное действие вертикальных и боковых напряжений и позволяет управлять дренированием образца. Благодаря этому метод даёт более полное представление о прочности и деформируемости грунта в основании сооружения.

Надёжность результата зависит от всей цепочки: корректного задания, качественного монолита, правильной схемы НН, КН или КД, обоснованных уровней напряжений и профессиональной интерпретации. Заказать трёхосные и другие лабораторные исследования механических свойств грунтов можно в грунтовой лаборатории ГлавГеоЛаб. Специалисты помогут согласовать состав испытаний под проектную задачу и подготовят результаты для использования в расчётах.

Нормативная основа: ГОСТ 12248.3-2020 «Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трёхосного сжатия»; ГОСТ 30416-2020 «Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения»; ГОСТ 12071-2014 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов»; СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».