Штамповые испытания грунтов по ГОСТ 20276.1-2020: определение модуля деформации E плоскими и винтовыми штампами

Штамповые испытания грунтов основания по ГОСТ 20276.1-2020 являются прямым и наиболее достоверным («эталонным») методом определения модуля деформации грунтов ($E$). В отличие от лабораторных компрессионных испытаний образцов в одометрах, где неизбежно нарушается природная структура и снимается естественное боковое обжатие массива, штамповые испытания моделируют напряженно-деформированное состояние реального грунтового массива под подошвой фундамента в масштабе 1:1.

Согласно требованиям СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и СП 47.13330.2016, для зданий и сооружений повышенного и нормального уровней ответственности (КС-3 и КС-2), а также при проектировании плитных и свайно-плитных фундаментов, модуль деформации грунтов $E$ должен определяться преимущественно полевыми испытаниями жесткими штампами либо корректироваться по их результатам.

Рис. 1. Нормативный регламент проведения штамповых испытаний грунтов по ГОСТ 20276.1-2020: конструктивные типы штампов, ступенчатое нагружение и формула расчета модуля деформации E.

1. Нормативно-техническая база и физический смысл испытаний

С 1 января 2021 года в действие введен ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Методы полевых испытаний штампами», заменивший устаревший ГОСТ 20276-2012 в части вертикальных статических нагрузок. Стандарт регламентирует методику полевого определения модуля деформации $E$ дисперсных несвязных (песчаных, гравелистых, крупнообломочных) и связных (глинистых, органоминеральных) грунтов.

2. Классификация штампов: типы, площади и геометрия

ГОСТ 20276.1-2020 жестко дифференцирует параметры штампов в зависимости от гранулометрического состава грунта, консистенции и глубины заложения испытательного горизонта:

Рис. 2. Подготовка шурфа и контрольного горизонта грунта основания под установку штампового оборудования.

3. Конструкция испытательного стенда и измерительное оборудование

Испытательная установка для статических испытаний штампом включает четыре взаимосвязанные подсистемы:

1. Опорно-упорная система (реактивная балка): служит для восприятия реактивного усилия гидродомкрата. В качестве упора используется грузовая платформа с тарированным балластом (блоки ФБС, плиты), тяжелая строительная техника (автокран массой от 25–40 тонн, гусеничный экскаватор) либо система анкерных свай с распределительными балками.
2. Нагрузочный узел: гидравлический домкрат (например, серий ДГ или ДГА с грузоподъемностью 20–50 тс), ручная или электрогидравлическая насосная станция высокого давления, манометр с классом точности не ниже 0,4–0,6 или электронный тензометрический силоизмерительный датчик, внесенный в Госреестр СИ.
3. Независимая реперная система: жесткие балки или пространственные фермы, на которых монтируются датчики перемещений. Точки опирания реперной системы должны отстоять от оси штампа и от опор упорной системы на расстояние не менее:
   • $1,5$ м — при площади штампа $A = 2500\text{ см}^2$;
   • $2,0$ м — при площади штампа $A = 5000\text{ см}^2$;
   • $2,5$ м — от выносных опор тяжелой техники.
4. Система измерения вертикальных деформаций: не менее двух индикаторов часового типа (ИЧ-50) с ценой деления 0,01 мм, расположенных симметрично относительно центра штампа на одинаковом радиусе, либо цифровые датчики перемещений (LVDT) с автоматической регистрацией в контроллере.

4. Пошаговый регламент испытаний по ГОСТ 20276.1-2020

Этап 1: Подготовка забоя (основания)

Зачистка дна шурфа или забоя скважины производится вручную непосредственно перед монтажом штампа, чтобы предотвратить пересыхание или намокание грунта. Толщина срезаемого вручную слоя — не менее 10–15 см. Для плотного прилегания штампа к основанию укладывается выравнивающая песчаная подушка из сухого мелкого или средней крупности песка толщиной 10–20 мм (для плоских штампов). При испытаниях винтовым штампом штамп завинчивается в забой скважины ниже ее забоя на величину не менее одного диаметра штампа ($d$).

Этап 2: Нагружение ступенями давления

Нагрузка на штамп прикладывается ступенями. Величина ступени давления $\Delta p$ назначается в программе испытаний в зависимости от расчетного сопротивления грунта $R_0$ и его генезиса:

• Пески крупные и гравелистые: $\Delta p = 0,05\text{ МПа}$;
• Пески мелкие и пылеватые, супеси: $\Delta p = 0,025 — 0,035\text{ МПа}$;
• Суглинки и глины: $\Delta p = 0,025\text{ МПа}$;
• Торфы, илы, заторфованные грунты: $\Delta p = 0,01 — 0,015\text{ МПа}$.

Суммарное количество ступеней нагрузки до достижения проектного давления должно составлять не менее 5–6 ступеней.

Этап 3: Снятие отсчетов и критерий условной стабилизации деформации

Отсчеты по всем индикаторам деформации на каждой ступени давления берутся:

• В первый час: через 10, 20, 30, 45 и 60 минут;
• Во второй час: каждые 15 минут;
• Далее — каждый час до достижения условной стабилизации.

5. Расчет модуля деформации E по формуле Шлейхера

По результатам испытаний строится график зависимости осадки от давления $S = f(p)$. На графике выделяется прямолинейный (квазилинейный) участок упруго-пластических деформаций, ограниченный начальным давлением $p_n$ (давление от собственного веса грунта на глубине испытания) и конечным давлением $p_k$ (соответствующим пределу пропорциональности).

Модуль деформации грунта $E$ (МПа) рассчитывается по формуле:

где:

• $\nu$ — коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона) грунта, принимаемый по СП 22.13330.2016:
  — крупнообломочные грунты: $0,20 — 0,25$;
  — пески и супеси: $0,27 — 0,30$;
  — суглинки: $0,35$;
  — глины: $0,42$;
• $\omega$ — безразмерный коэффициент, зависящий от формы и жесткости подошвы штампа: для круглого жесткого штампа $\omega = \frac{\pi}{4} \approx 0,79$ (для квадратного $\omega = 0,88$);
• $d$ — диаметр штампа, см;
• $\Delta p = p_k — p_n$ — приращение давления между выбранными точками квазилинейного участка, МПа;
• $\Delta S = S_k — S_n$ — приращение осадки штампа, соответствующее интервалу $\Delta p$, см;
• $K_p$ — поправочный коэффициент, зависящий от типа штампа и отношения глубины заложения к диаметру (для шурфов глубиной менее диаметра $K_p = 1,0$; для винтовых штампов в скважинах принимается по таблице 5.1 ГОСТ 20276.1-2020).

Пример расчета модуля деформации для суглинка:

Исходные данные: штамп типа II ($A = 2500\text{ см}^2$, $d = 56,4\text{ см}$). Грунт — суглинок полутвердый ($\nu = 0,35$). Интервал давления $\Delta p = 0,25 — 0,10 = 0,15\text{ МПа} = 1,5\text{ кгс/см}^2$. Приращение осадки $\Delta S = 4,2 — 1,8 = 2,4\text{ мм} = 0,24\text{ см}$.

Расчет:

$$E = (1 — 0,35^2) \cdot 0,79 \cdot 56,4 \cdot \frac{0,15}{0,24} \cdot 1,0 = 0,8775 \cdot 0,79 \cdot 56,4 \cdot 0,625 = 24,44\text{ МПа}.$$

6. Корреляция модуля E со статическим зондированием и одометром

СП 22.13330.2016 допускает определение модуля деформации методами статического зондирования (CPT) или компрессионного сжатия, но обязывает калибровать их по результатам эталонных штамповых испытаний:

7. Типичные ошибки при полевых штамповых испытаниях

• Нарушение природной структуры дна выработки: механизированная зачистка экскаваторным ковшом приводит к разуплотнению верхнего слоя грунта на глубину 10–20 см. Допускается только ручная срезка зачистным ножом непосредственно перед установкой штампа.
• Отсутствие песчаной подушки или ее избыточная толщина: подушка свыше 25 мм начинает работать как податливый деформируемый слой, искажая кривую осадки штампа на первых ступенях.
• Близость опор реперной балки к упорным колесам/аутригерам техники: если реперные стойки находятся в зоне передачи реактивного давления (ближе 2,0–2,5 м), происходит подъем или осадка самой реперной балки, из-за чего индикаторы показывают ложные значения деформации.
• Температурный дрейф под прямым солнечным светом: суточный перепад температур вызывает удлинение стальных штанг и балок репера, что дает погрешность до 0,2–0,5 мм. Испытательный стенд обязательно закрывается защитным тентом или палаткой.
• Эксцентриситет приложения нагрузки: перекос домкрата относительно центральной оси штампа вызывает перекос подошвы и разброс показаний между противоположными индикаторами более чем на 50%.

8. Состав технического отчета и оформление журнала испытаний

По результатам полевых измерений формируется комплект исполнительной геотехнической документации по ГОСТ 20276.1-2020 (Приложения А и Б):

1. Полевой журнал штампового испытания: паспорт точки, дата, отметка забоя, тип штампа, схема установки, таблица почасовых отсчетов по каждому индикатору, вычисление средней осадки на каждой ступени, температура воздуха.
2. Паспорт испытания грунта штампом: физико-механические характеристики грунта по сопутствующему отбору проб (влажность $W$, плотность $\rho$, плотность частиц $\rho_s$, коэффициент пористости $e$, границы текучести $W_L$ и раскатывания $W_p$, показатель текучести $I_L$).
3. График $S = f(p)$ и графики развития осадки во времени: графическое отображение с выделением линейного участка деформирования и доверительного интервала.
4. Свидетельства о поверке СИ: действующие поверки на манометры, гидродомкрат, датчики перемещений или индикаторы часового типа.