Методы изучения напряжений и давления в грунтах

Лекция № 7

Методы изучения напряжений и давления в грунтах

Многообразие факторов, определяющих поведение грунтов под воздействием нагрузки, зачастую затрудняет создание достоверной аналитической модели их напряженного состояния. Действительную картину напряженного состояния может вскрыть лишь метрологически обеспеченный эксперимент, позволяющий проводить длительные статические или динамические исследования (диагностику) грунта и изучение явлений на контакте сооружения или конструкции с грунтом. Перед проведением диагностики, как правило, предшествует общее обследование оснований и фундаментов.

Итак, рассмотрим подробнее данные вопросы.

7.1. Общее обследование и диагностика оснований и фундаментов

Рекомендуемые материалы

Общее обследование оснований и фундаментов

Деформации грунтов основания и неисправности фундаментов зданий устанавливают в процессе осмотров надземных строительных конструкций. При этом учитывается, что признаками деформаций грунтов и неисправности фундаментов являются:

- смещение по вертикали, наклоны или перекосы колонн, связей или других конструкций каркаса здания;

- смещение опор несущих элементов перекрытий и в первую очередь в подвалах.

Дополнительно оцениваются трещины, разрывы, повреждения в соединениях несущих конструкций около опор, мест заделки или других узлов сопряжений, раскрытие или сужение деформационных швов, меняющиеся по высоте здания; крен какой-либо стены или здания в целом; вертикальные или наклонные трещины в стенах, распространяющиеся не менее чем на 2/3 высоты здания; искривления рядов кладки, перемычечных участков, карнизов или других горизонтальных элементов в плоскости стены; трещины в железобетонных перемычках, перемычечных блоках или панелях, как правило, около мест заделки, особенно в подвалах и на первых этажах.

Особое внимание обращается на отрыв внутренних стен от наружных; трещины в швах по периметру стеновых панелей или крупных блоков стен, сколы вертикальных сопрягающих граней; разрывы или деформации креплений стеновых панелей; искривления, крены перегородок, трещины в перегородках подвала или первого этажа бесподвальных зданий; трещины и проседания полов подвала; разрушения приямков, входов в подвал; сколы сопрягающих граней несущих плит перекрытий или покрытия здания.

При этом фиксируются перекосы или смещения опор маршей либо площадок лестничных клеток; просадки, перекосы крылец, входов и заклинивание дверей вследствие перекоса проемов; заклинивание лифтов вследствие перекосов лифтовых шахт; отрывы от стены отмостки, примыкающего тротуара или дорожного покрытия.

При осмотрах подвалов, приямков и подполий зданий особое внимание должно быть обращено на места увлажнения стен и образования на них плесени и высолов; отслаивания штукатурки или защитных слоев бетона на поверхности фундаментов, стен, расслаивания кладки стен и выпадения камней из нее; повреждения заполнений оконных и дверных проемов; неплотностей в сопряжениях стен между собой и с полами; просадок полов и грунта.

Если меры по проветриванию помещений подвалов и искусственной сушке не устраняют избыточной влажности материалов стен, следует произвести вскрытие и проветрить состояние гидроизоляции.

Различают разрушение гидроизоляции следующих элементов: прижимной защитной стенки, защитного слоя, мест примыканий, одного, двух, трех и т.д. слоев гидроизоляции, полное разрушение гидроизоляционного ковра.

Признаками аварийного состояния гидроизоляции являются сплошные протекания воды, а критерием – наличие сплошных повреждений, занимающих более 40 % площади гидроизоляции.

Обследование состояния гидроизоляции включает визуальный осмотр и инструментальные замеры. До начала осмотра подземных помещений здания необходимо провести обследование состояния сантехнических коммуникаций, проходящих в этом помещении, чтобы их протекания не учитывать как нарушения гидроизоляции.

Внутреннюю гидроизоляцию помещений осматривают непосредственно, выявляя места протечек, их характер и интенсивность, наличие на поверхности следов от механических повреждений – выбоин, сколов, трещин.

Состояние наружной гидроизоляции здания определяют по наличию или отсутствию следов протекания на стенах и полу изолированного подземного помещения. При этом также определяют места протеканий, характер протеканий, их интенсивность, места сколов и коррозии арматуры на стенах помещения. Инструментальное обследование проводят в случае значительных осадок подземных строительных конструкций и прилегающего к ним грунта. В основном фиксируются ширина и глубина раскрытия трещин.

В процессе осмотра фундаментов и стен подвалов выявляется наличие пустых швов облицовки, местных разрушений, раковин, каверн, пор и других дефектов. Все выявленные дефекты и разрушения детально описываются, зарисовываются или фотографируются.

При обследовании необходимо установить конструкцию кладки фундаментов. Особое внимание необходимо обратить на облегченные и смешанные кладки. При выявлении фундаментов такой конструкции должны быть выделены границы несущих участков и ненесущего заполнения. Конструкция фундаментов и стен подвалов может быть определена путем контрольного зондирования кладки.

Признаками наличия критических дефектов оснований и фундаментов являются: прогрессирующие сквозные трещины на всю высоту здания с раскрытием свыше 40-50 мм и значительные неравномерные осадки фундаментов, сопровождающиеся разрушение цоколя, перекосами проемов, сдвижкой плит и балок с опор.

Детальное обследование (диагностика) оснований и фундаментов

Объем выполнения инженерно-геологических изысканий и обследований фундаментов определяется исходя из предполагаемого вида ремонта или реконструкции, технического состояния и характера деформаций конструктивных элементов (фундаментов, стен, столбов).

Случаи, когда необходимо выполнить инженерно-геологические изыскания, и примерный состав выполняемых работ приведены в таблице 1.

Контрольные шурфы отрывают в зависимости от местных условий с наружной или внутренней стороны фундаментов.

При детальном обследовании оснований и фундаментов необходимо также: определить тип фундаментов, их форму в плане, размер, глубину заложения, выявить выполненные ранее подводки усиления и другие устройства, а также ростверки и искусственные основания; исследовать прочность конструкции фундаментов с установлением размеров повреждений; отобрать пробы для лабораторных испытаний материалов фундаментов; установить состояние гидроизоляции, а также отобрать пробы грунта основания и грунтовой воды для лабораторного анализа.

Число отрываемых шурфов следует принимать в зависимости от размера здания в секциях (площадь секции составляет не более 400 м²):

- 1 секция – 3;

- 2 секции – 5;

- 3-4 секции – 7;

- более 4 – 10.

Таблица 7.1

Инженерно-геологические

изыскания и состав работ по оценке оснований и фундаментов

При этом руководствуются следующими положениями о расположении шурфов:

- в каждой секции по одному у каждого вида конструкции в наиболее нагруженном и ненагруженном участках;

- при наличии зеркальных или повторяющихся (по плану и контурам) секций – в одной секции отрываются все шурфы, а в остальных – один-два в наиболее нагруженных местах;

- в местах, где предполагается установить дополнительные промежуточные опоры, в каждой секции отрывают по одному шурфу;

- дополнительно отрывают для каждого строения 2-3 шурфа в наиболее нагруженных местах с противоположной стороны стены, там, где имеется выработка.

- при наличии деформаций стен и фундаментов шурфы в этих местах отрывают в обязательном порядке, при этом в процессе работы назначаются дополнительные шурфы для определения границ слабых грунтов оснований или границ фундаментов, находящихся в неудовлетворительном состоянии; в случае свайного основания шурфы отрываются от свай.

Глубина шурфов, расположенных около фундаментов, не должна превышать глубины заложения подошвы больше чем на 0,5 м.

Обследование фундаментов зданий и сооружений предпочтительно осуществлять в летний период.

Минимальная площадь сечения шурфов в зависимости от глубины заложения фундамента составит:

- до 1,5 м – 1,25 м²;

- 1,5-2,5 м – 2 м²;

- более 2,5 м – 2,5 м² и более.

При значительной ширине фундаментов размер шурфа в плане можно увеличить. Длина обнажаемого ленточного фундамента должна быть не менее 1 м.

Оборудование, способы проходки и крепления выработок (скважин) инженерно-геологического назначения следует выбирать в зависимости от геологических особенностей и условий подъезда транспорта, наличия коммуникаций, стесненности площадки, свойств грунтов, поперечных размеров шурфов и глубины выработки.

Для исследования грунтов ниже подошвы фундаментов рекомендуется бурить скважину со дна шурфа.

Число разведочных выработок (скважин) должно устанавливаться заданием и программой инженерно-геологических работ.

В зависимости от количества секций число разведочных выработок (скважин) определяется:

- 1-2 – 4;

- 3-4 – 6;

Более 4 – 8.

Указанное число выработок может быть уменьшено при наличии материалов изысканий и для участков с простым геологическим строением.

Глубина заложения выработок скважин (h, м) определяется по формуле (7.1):

h = h₁ + h_a + c,                                                 (7.1)

где:   h₁ – глубина заложения фундаментов от поверхности земли, м;

h_a – глубина активной зоны основания, м;

с – постоянная величина, равная 2 м для зданий до трех этажей, 3 м – свыше трех этажей.

Глубина заложения выработок должна назначаться исходя из глубины активной зоны основания с учетом класса и конструктивных особенностей здания, а в сложных геологических условиях также глубиной термоактивной зоны, зоны набухания, зоны присадочных грунтов и т.д.

При обследовании оснований — грунтов, залегающих под фундаментами и воспринимающих от них нагрузку, необходимо обратить внимание на характеристики грунтов. Нужно изучить проектно-изыскательские  материалы, акты на скрытые работы при проведении фундаментов, выявить характер грунтов, степень их пучинистости или просадочности, глубину промерзания, уровень грунтовых вод. Для этого отрывают шурфы и берут пробы грунта для лабораторных исследований.

Различают грунты: нормальные, пучинистые и просадочные. При нормальных грунтах равномерная и небольшая осадка не вызывает деформации зданий. Опасными для здания являются пучинистые грунты (глинистые и пылеватые грунты), которые при увлажнении и промерзании увеличиваются в объеме на 10 %. Под воздействием сил кристаллизации, льда находящейся в грунте воды, они передают нормальные силы снизу вверх на подошву фундамента и касательные силы при смерзании пучинистых грунтов с поверхностями фундаментов и стен подвала.

Нормальные силы пучения N_н, действующие на подошву фундаментов можно определить по следующей приближенной формуле (7.2):

N_H = nRA_n*h₁                                                                        (7.2)

 где п — коэффициент перегрузки, равный 1,1;

 R — эмпирический коэффициент, принимаемый 0,06 кг/см³;

А_n —  площадь подошвы фундамента;

 h₁ —  высота мерзлого слоя грунта, см.

Если есть защита грунтов от избыточного увлажнения и промерзания (отмостки, теплозащитные подушки) и масса вышележащих конструкций превышает силы пучения, то разрушения фундаментов и стен здания не происходит. Промерзание грунта также опасно при последующем оттаивании грунтов и неравномерной осадке фундаментов (рис.7.1 и 7.2).

  

   

Рис. 7.1. Деформации зданий, вызванные неравномерной осадкой оснований

а - прогиб;  б – выгиб

Причиной деформаций зданий могут быть повреждения инженерных коммуникаций, из которых агрессивные воды попадают в грунты. Плохое качество гидроизоляции также вызывает коррозию стен фундаментов.

Рис. 7.2. Деформации излома и скалывания

 а - излом; б - скалывание

При высоком уровне грунтовых вод и отсутствии дренажа конструкции фундаментов и стены подвала находятся в воде, зачастую агрессивной, что вызывает их разрушение. В водном бассейне находится и грунт основания, возможна фильтрация и перемещение грунта из-под фундаментов. Разработка вблизи зданий котлованов изменяет влажностный режим грунтов и уровень грунтовых вод. Это вызывает деформацию грунтов и, как следствие, трещины в фундаментах и стенах здания (рис.7.3, 7.4, 7.5).

Фундаменты разрушаются при действии агрессивных грунтовых вод, насыщенных щелочными, сульфатными и другими химическими веществами. При этом отслаивается защитный слой бетона и корродирует арматура.

Динамические нагрузки от технологического и подъемно-транспортного оборудования также вызывают колебания и разрушения фундаментов.

 

Рис. 7.3. Суффозионнос разрушение фунта под существующими фундаментами при открытом водоотливе:

а - без ограждающего шпунта; б - при шпунте, не забитом до водоупора или недостаточно заглубленном ниже дна котлована; 1 - существующий фундамент; 2 - котлован возводимого здания; 3 - области возможного образования пустот; 4 - грифоны;

5 - насос; 6 - шпунт; h - глубина погружения шпунта ниже отметки дна котлована

Рис. 7.4. Деформация здания вследствие понижения уровня подземных вод иглофильтровой установкой

1 – здание; 2 – шпунт; 3 – иглофильтр; 4 – уровень подземных вод до водопонижения; 5 – то же, после водопонижения

 

Рис. 7.5. Деформация жилого дома, вызванная открытым водоотливом из смежной с ним траншеи

 

Под воздействием блуждающих токов происходит электрохимическая коррозия арматуры в бетоне. В одном из электролитных цехов предприятия цветной металлургии через 5 лет эксплуатации оказались в аварийном состоянии: подземные конструкции, стены и колонны подвалов, фундаменты. В них полностью разрушился защитный слой бетона, прокорродировала арматура, износ достиг своего предела, за которым следует авария.

Воздействие смазочных материалов (масел) на фундамент снижает его прочность за счет интенсивного ослабления сцепления арматуры с бетоном.

Причиной разрушения фундаментов могут быть: нарушение режима работы технологического оборудования, неучтенные при проектировании сочетании нагрузок и, особенно, влияние динамических нагрузок.

Под безотказностью работы системы «основание—фундамент» понимают способность сохранять работоспособность (все элементы системы прочны, надежны, устойчивы и долговечны) в определенных условиях эксплуатации. Полная или частичная утрата надежности системы называется отказом. Различают признаки отказов оснований и фундаментов:

- явные - вызывают полное обрушение здания или отдельных его конструкций, недопустимые крены, провалы и обвалы, выход из строя обо­рудования;

- неявные - осадки, просадки, подъемы, трещины в фундаментах и стенах, искривления и деформации элементов, отслоение и коррозия арматуры, нарушение вертикальности стыков и сопряжений элементов. Неявные признаки являются сигналом для принятия необходимых мер, иначе последуют явные признаки.

Существует несколько видов дефектов фундаментов:

1) расслоение кладки фундамента вследствие недостаточной перевязки швов каменной кладки и недостаточной прочности;

2) разрушение фундамента от воздействия агрессивной среды в грунте и применения нестойких к агрессии материалов;

3) разрыв фундамента по высоте вследствие морозного пучения грунта и неправильного конструирования (малой прочности материала фундамента и швов);

4) трещины в плите фундамента от недостаточных размеров или увеличения нагрузки на фундамент, а также увлажнения основания;

5) просадка фундамента при слабых фунтах (просадочных, плывунах) или недостаточном уплотнении грунта, малой глубине заложения фундамента и изменения уровня грунтовых вод.

Характерные повреждения оснований фундаментов и грунтов, снижение их несущей способности вызваны ошибками при изысканиях и проектировании, недостаточным уходом в процессе строительства и подтопления основания грунтовыми, атмосферными и технологическим водами, а также срезки грунта вдоль здания или отрывке ям вблизи котлована.

Физико-механические характеристики грунтов определяют по образцам, отбираемым в процессе обследования. Количество и размеры образцов грунта должны быть достаточными для проведения комплекса лабораторных испытаний.

Интервалы определения характеристик по глубине, число частных определений деформационных и прочностных характеристик грунтов должны быть достаточными для вычисления их нормативных и расчетных значений по СНиП 2.02.01-88. «Основания зданий и сооружений».

Гидрогеологические скважины проходят с целью изучения фильтрационных свойств грунтов, поисков и определения характеристик подземных вод, режимных наблюдений за изменениями уровня грунтовых вод и др. В качестве гидрогеологических скважин допускается использовать пробуренные контрольные скважины.

Скважины бурятся в установленных визуально местах действия источника увлажнения. На расстоянии около 10 м от здания бурят контрольную скважину, влажность грунта из которой принимается за естественную. Пробы грунта для определения его влажности отбирают с каждого метра глубины скважины.

Ширину подошвы фундамента и глубину его заложения следует определять натурными обмерами. В наиболее нагруженных участках ширина подошвы определяется в двухсторонних шурфах, в менее нагруженных допускается принимать симметричное развитие фундамента по размерам, определенным в одностороннем шурфе. Отметка заложения фундамента определяется нивелированием.

Обследование материалов фундаментов должно выполняться неразрушающими методами или лабораторными испытаниями. Пробы материалов фундаментов для лабораторных испытаний отбирают в тех случаях, когда их прочность является решающей при определении возможности дополнительной нагрузки или в случае обнаружения разрушения материала фундамента.

Пробы допускается отбирать только из ленточных и сплошных фундаментов. В исключительных случаях допускается взятие проб  из отдельных фундаментов на естественном основании и ростверков свайных фундаментов.

Отбор проб необходимо производить без снижения несущей способности фундаментов. Способы взятия и изготовления образцов должны обеспечивать неизменяемость структуры материала, его характеристик и связанных с этими факторами прочностных показателей исследуемого материала.

После отбора образцов места отбора зачищают и заделывают бетоном на крупном заполнителе.

После окончания шурфования и бурения выработки должны быть тщательно засыпаны с послойным трамбованием и восстановлением покрытия. Во время рытья шурфов и обследования необходимо принимать меры, предотвращающие попадание в шурфы поверхностных вод.

Результаты инженерно-геологических изысканий должны содержать данные, установленные СНиПом 2.02.01-88. «Основания зданий и сооружений», и необходимые для решения вопросов:

- определения свойств грунтов оснований для возможности надстройки дополнительных этажей, устройства подвалов и т.п.;

- выявление причин деформаций и определения мероприятий по усилению оснований, фундаментов, других надфундаментных конструкций;

- выбора типа гидроизоляции подземных конструкций, подвальных помещений;

- установления вида объема гидромелиоративных мероприятий на площадке.

Материалы инженерно-геологического обследования должны представляться в виде геолого-литологического разреза основания. Классификация грунтов проводится по ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». Пласты грунтов должны иметь высотные привязки. В процессе выполнения обследования ведется рабочий журнал, содержащий все условия проходки, атмосферные условия, зарисовки конструкций фундаментов, размеры и расположение шурфов и т.д.

Результаты лабораторных исследований оформляются протоколами и заносятся в рабочий журнал.

7.2. Методы измерения напряжений и давления в грунтах

Для изучения поведения грунтов и оснований необходимо определять напряжения, деформации, поровое давление, физико-механические и фильтрационные характеристики грунта в основаниях сооружений, при изменении внешних воздействий на сооружение.

Методы измерения напряжений в грунте

Напряженное состояние грунта определяют совокупностью контактных взаимодействий между зернами скелета грунта, внутренних напряжений в зернах скелета и давлением воды в порах грунта. Понятие напряженного состояния в грунте относится к некоторой конечной, но малой зоне. Если в этой зоне известны любые шесть независимых компонентов напряжения (например, шесть значений нормальных напряжений на шести различно ориентированных площадках), то напряженное состояние в зоне считается полностью определенным.

Нормальные напряжения в грунте измеряют путем помещения в заданную зону искусственного тела - датчика нормальных напряжений, деформации или изменение объема которого могут быть преобразованы в регистрируемый (чаще всего электрический) сигнал. Датчик должен иметь размеры, позволяющие усреднять все факторы, определяющие неоднородность напряжений в рассматриваемой зоне.

Идеальный датчик должен обладать деформативными характеристиками, схожими с деформативными характеристиками грунта, чтобы снизить влияние неоднородного включения. Однако деформативные характеристики грунта зависят от ряда факторов, из которых влажность, история нагружения и характер напряженного состояния являются определяющими. Датчик напряжений в грунте, если его механические характеристики отличаются от характеристик среды, является концентратором напряжений в прилегающей к нему зоне, что является причиной погрешности при определении напряжений.

Если необходимо определить пространственную картину напряженного состояния грунта, то в нем располагают (рис.7.6) несколько датчиков 1, нормали 2 которые ориентированы в разных направлениях.

Возможно расположение датчиков по одной оси (рис.7.6,a) или их пространственная ориентация (рис.7.6, б).

При изучении работы ответственных сооружений создается проект размещения измерительной аппаратуры с учетом трасс прокладки линий измерительной цепи, коммутаторов, мест расположения регистрирующей аппаратуры. Проект определяет последовательность проведения всех работ и является частью проекта сооружения. Для получения достоверных результатов необходимо, чтобы способ укладки и уплотнения грунта в измерительной зоне и в прилегающих к ней зонах не отличались. Датчики должны устанавливаться одновременно с укладкой грунта в контролируемую зону. В местах установки датчиков следует отобрать пробы грунта с тем, чтобы определить его физико-механические характеристики. Поскольку добиться соответствия  деформативности датчика и грунта не удается, выбор параметров измерительных преобразователей (датчиков) должен обеспечить требуемую точность измерения напряжений в грунте.

Рис. 7.6. Схема измерения объемного напряженного состояния в грунтах

Экспериментально доказано, что в условиях одноосной деформации, датчик должен обладать наибольшей жесткостью и наименьшей толщиной. На рис.7.7 приведены наиболее часто применяемые схемы датчиков напряжений в грунтах: а -с гибкой мембраной, б -мембранный с жесткой шайбой 1, в- поршневой, г- типа “грибок”. Во всех конструкциях внутренняя полость датчика может быть заполнена жидкостью, изменение давления которой преобразовывается в электрический сигнал при помощи упругого элемента с наклеенными тензорезисторами. Датчики могут выполняться в виде сплошных шайб из пьезокристаллов или из магнитострикционных материалов. При одноосном напряженном состоянии, если ось датчика совпадает с направлением главного напряжения, ошибки результатов не превышают 10-15%.

Рис. 7.7. Конструкции датчиков напряжений в грунтах

При наличии напряжений, действующих в плоскостях датчика, обладающего большой жесткостью, искажения выходного сигнала могут достигать 100%. Для тонкого эластичного датчика (тонкая плоскость, заполненная жидкостью) эти искажения не превышают 15%.

При изменении угла между направлениями нормали к рабочей поверхности жесткого датчика и осью максимального напряжения выходной сигнал также претерпевает искажения в пределах 20-25%. Исследования влияния двух главных напряжений sr и sz, действующих в плоскости рабочей поверхности датчика, при измерении третьего главного напряжения, действующего по нормали к поверхности датчика, с учетом влияния режима нагружения позволили установить картину взаимодействия жесткого датчика и грунта. Концентрация напряжений в грунте для жестких дисковидных датчиков при наличии значительных деформаций в грунте может изменяться в значительном диапазоне (в песке плюс 70-100% и минус 30-50%) и зависит от режима нагружения. Повышенную концентрацию напряжений вызывают жесткие грунтовые ядра, возникающие за счет сил трения грунта на поверхности датчика.

Эластичный датчик напряжений в грунте обладает минимальной сжимаемостью и толщиной, достаточной площадью, позволяющей усреднять напряжения в заданной области. Эластичный датчик представляет собой резиновый тонкий диск, пронизанный сообщающимися полостями, заполненными малосжимаемой жидкостью.

Конструкция эластичного датчика (рис.7.8) представляет собой прямоугольную тонкую трубку, уложенную двойной спиралью, или два диска , соединенные по контуру и во множестве точек по поверхности 1.

Рис. 7.8. Эластичный датчик напряжений в грунте

Объем жидкости составляет 6-10% объема датчика, а площадь поперечного сечения по жидкости 75-80% от площади датчика. Внутренняя полость соединена со струнным измерителем давления 2. Напряжения, возникающие в грунте, создают в рабочей жидкости датчика давление, которое измеряется струнным преобразователем 4. Колебания струны создаются электромагнитом 3. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при малой толщине диска в однородном поле напряжений погрешность измерения нормальных напряжений не превышает ±15%.

На рис. 7.9 представлена кривая 1 погрешности измерения s_д нормальных к плоскости датчика напряжений в зависимости от отношения значений главных напряжений  s_r  и s_z, действующих в плоскости датчика. Кривая 2 дает аналогичную  зависимость для жесткого датчика при сходных режимах нагружения. Максимальная погрешность для эластичного датчика составляет 15%.

Для получения достоверных данных о напряжениях в грунтах необходимо проводить метрологические испытания датчиков напряжения на специальных испытательных установках. В этих установках воспроизводят заданные давления на рабочую поверхность датчика гидравлическим или пневматическим способом.

Чувствительность датчиков напряжения к температуре определяют в термостатах, оснащенных термометрами.

Для измерения напряжений на контакте сооружения с грунтом применяют струнные жесткие датчики (рис.7.10) с деформативностью, близкой к деформативности бетона. Давление грунта передается с контактной площадки 12 внешней мембране 10 через гидравлическую полость 11 на рабочую мембрану 8.

Рис. 7.9. Погрешность эластичного и жесткого датчиков напряжений грунта

Датчики устанавливают в жестко забетонированные в конструкцию закладные гнезда или обоймы так, чтобы рабочая поверхность датчика совпадала с поверхностью конструкции. При изучении взаимодействия монолитных фундаментов с грунтом обоймы предварительно бетонируют в небольшие блоки, которые после установки в них датчиков располагают  в нужных зонах. Чтобы уменьшить влияние напряжений, возникающих в бетоне при твердении, боковую поверхность датчика защищают материалом с низким модулем упругости.

В некоторых конструкциях датчиков применяют тензорезисторные преобразователи, наклеиваемые на упругий элемент. Малогабаритные датчики с тензорезисторными преобразователями находят применение в модельных исследованиях при статических и динамических испытаниях.

Рис. 7.10. Схема датчика напряжений

Струна 7 крепится к мембране нижним струнодержателем 9 и к защитному кожуху 4 верхним струнодержателем 3. Колебания струны возбуждаются электромагнитом 5. Кожух 2 имеет заливное отверстие 1 и резьбу 6 для установки датчика в сооружение. Выходной сигнал измеряется частотомером.

Для измерения нормальных и касательных напряжений используется комбинированный датчик, схема которого при-ведена на рис.7.11. При воздействии давления грунта N по нор-мали к рабочей диафрагме 3, она деформируется и тензо-резистор TR, наклеенный в центре внутренней поверхности диафрагмы, преобразует деформацию в электрический сигнал, пропорциональный нормальному давлению грунта.

Для компенсации температурных воздействий в полости прибора на поверхность пластины 5, не подвергающуюся силовым воздействия, наклеен компенсационный тензорезистор TR_к. При появлении сдвиговых усилий Q, действующих в горизонтальном и вертикальном направлении, силы трения на поверхности диафрагмы деформируют упругий элемент 7, жестко закрепленный в корпусе прибора 1. При этом тензорезисторы TR₁ и Tr₂ воспринимают вертикальное касательное усилие, тензорезисторы TR₃ и TR₄ - горизонтальное усилие. Диск диафрагмы 4, жестко закрепленный на свободном конце 6 упругого элемента, за счет зазора 2 имеет возможность перемещаться относительно корпуса 1.

Рис. 7.11. Схема датчика для измерения нормальных и касательных напряжений в грунтах

В приборе, схема которого изображена на рис.7.12, нормальное N и поперечное Q усилия приложены к рабочей поверхности чувствительного элемента. Действие эксцентрично приложенной нормальной силы деформирует упругие элементы, на внутреннюю поверхность которых наклеены тензорезисторы ТR₁ и ТR₂. Касательные усилия вызывают изгиб упругих тонких элементов, на которых установлены тензорезисторы ТR₃ и ТR₄. Такая система позволяет определять эксцентриситет е, а также значения Р, Q_y и Q_z.

Рис. 7.12. Схема прибора для измерения нормальных и касательных напряжений в грунтах

Методы измерения давления в грунтах

Полное напряжение в грунте складывается из напряжений в скелете грунта, порового давления в жидкой и газообразной фазах. Значения этих величин зависят от относительного содержания твердой, жидкой и газообразной фаз в единице объема грунта. Измерение порового давления в грунте необходимо для оценки напряженного состояния. Основным инструментом для измерения порового давления являются пьезометрические датчики (пьезометры).

Рис. 7.13. Схемы пьезометров

На рис.7.13, а представлен пьезометр с пористой набивкой 4. Обсадная труба 3, закрытая деревянной торцевой крышкой 5, опускается в скважину, а свободное пространство заполняется песчаной набивкой 4. Низ трубы перфорирован по длине l. Сверху имеется бетонная заливка 2 и крышка 1. Пьезометр с водонепроницаемой набивкой (рис.7.13, б) имеет аналогичную конст­рукцию, только ниже и выше перфорированного участка производится набивка водонепроницаемого грунта 6.

Жидкость, проникающая через фильтр, создает в полости давление, соответствующее поровому, которое может быть измерено гидростатическим, пневматическим или электрическим преобразователем давления. Пьезометры должны измерять как положительное, так и отрицательное давление, вносить минимальное искажение в структуру и физико-механические свойства грунта в исследуемой зоне, обладать достаточно быстрой реакцией на изменение порового давления, давать стабильные показания. Основные погрешности измерения порового давления обусловлены инерционностью измерительной схемы. Часто встречающимся источником, приводящим к ошибке измерения порового давления, является накопление воздушных пузырьков в зоне фильтра пьезометра или в подводящих трубках. Предусматривается специальная система воздухоудаления, зачастую достаточно сложная. При измерении порового давления должны быть исключены утечки жидкости в соединениях измерительной системы и влияние температуры (особенно зимой). Кроме того, необходимо обеспечить чистоту фильтров, соответствующий подбор их коэффициентов фильтрации и отсутствие посторонних включений в рабочей жидкости пьезометров.

В лабораторных и натурных дистанционных измерениях все больше применение находят электрические пьезометры (рис.7.14).

Принцип работы данного прибора основан на воздействии давления воды в рабочей полости пьезометра на диафрагму 3, перемещение которой пропорционально давлению преобразуется при помощи тензометрического индуктивного или струнного преобразователя 4 и 5 в электрический сигнал (1 - корпус, 2 - фильтр, 6 - изоляция, 7 - провод). Позволяет проводить динамические измерения, т.к. является малоинерционным.

Рис. 7.14. Электрический струнный пьезометр

Общее и детальное обследование оснований и фундаментов является составной частью всего комплекса обследований строительных конструкций зданий и сооружений. От состояния оснований и фундаментов, как мы убедились в данной лекции, зависит состояние всей строительной конструкции.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назовите признаки деформации грунтов и неисправности фундаментов.

2. Как проводится обследование состояния гидроизоляции?

3. Какие виды работ по обследованию оснований и фундаментов выполняются при инженерно-геологических изысканиях?

4. Приведите формулу глубины заложения выработок скважин.

Люди также интересуются этой лекцией: 41 Социальное управление и управление социальной сферой.

5. На какие группы делят грунты?

6. Назовите дефекты фундаментов.

7. Как документально оформляется обследование оснований и фундаментов?

8. Какие параметры необходимо определить для изучения поведения грунтов и оснований?

9. Каким образом измеряют нормальные и касательные напряжения в грунтах?

10. Назовите приборы, использующиеся для измерения порового давления в грунтах.