Лабораторные испытания грунтов: какие числа получают и зачем
Коротко
- Классификация по ГОСТ 25100-2020 превращает «глину» в расчётный слой: у суглинка число пластичности 0,07–0,12, у глины выше 0,12, и от этого имени зависят сопротивление и пучинистость.
- Физические опыты дают влажность 0,18–0,32, плотность 1,55–2,05 т/м³, удельный вес 2,65–2,72 т/м³ и пористость 0,30–0,90 — из них считают собственный вес массива и осадку.
- Срезные опыты при нагрузках 100, 200 и 300 кПа дают угол внутреннего трения 18–24° и сцепление 20–45 кПа для мягкопластичного суглинка; для подпорной стены высотой 3 м разброс угла на 6° меняет давление на 40–60 %.
- Модуль деформации 9–25 МПа и коэффициент фильтрации 0,001–30 м/сут определяют, просядет ли плита на 4 или на 12 см и справится ли дренаж из труб 110 мм с притоком.
Классификация по ГОСТ 25100-2020: имя слоя — часть расчёта
Прежде чем считать прочность, грунт называют. Пески делят по размеру зёрен: крупный с преобладанием частиц крупнее 0,5 мм, средний 0,25–0,5 мм, мелкий 0,1–0,25 мм, пылеватый менее 0,1 мм; для глинистых грунтов работают числа пластичности — супесь до 0,01, суглинок 0,07–0,12, глина выше 0,12. У песчаного грунта дополнительно проверяют влажность: при отношении влажности к влажности на границе раскатывания больше 0,5 песок считают практически непучинистым, и подвал в нём стоит без дорогого пригруза. Ошибка в имени слоя стоит дороже самой лаборатории: «суглинок» и «супесь» различаются по сопротивлению сжатию в 1,5–2 раза, по глубине промерзания и по капиллярному подъёму воды на 0,3–1,0 м. Протокол классификации занимает полстраницы на слой, а стоит 150–400 ₽ за образец и без него не принимает ни одна экспертиза. Гранулометрию делают просеиванием и пипеточным методом, для песков — только просеиванием по набору сит с ячейками 0,1–2,0 мм; погрешность по сумме остатков не должна превышать 5 % массы.
Физические опыты: влажность, плотность, удельный вес, пористость
Влажность определяют весовым методом: образец сушат до постоянной массы при 105 градусах и считают потерю влаги; типичные значения 0,12–0,20 у песка, 0,18–0,32 у суглинка, выше 0,40 у мягкопластичной глины и торфа. Плотность меряют режущим цилиндром объёмом 100–200 см³ прямо в забое или по монолиту в лаборатории: пески средней плотности дают 1,55–1,80 т/м³, суглинки 1,55–2,05 т/м³. Удельный вес считают пикнометром, и он почти не зависит от состояния: 2,65–2,72 т/м³ для кварцевых грунтов. Из этих трёх чисел выводят плотность сухого грунта и пористость — коэффициент, по которому пески делят на плотные с пористостью меньше 0,55, средней плотности 0,55–0,70 и рыхлые выше 0,70. Разница между плотным и рыхлым песком одного состава — это сопротивление 300 против 120–150 кПа и осадка в 2–2,5 раза. По тому же набору чисел назначают пучинистость: супеси и суглинки при глинистых частицах больше 0,01 мм относятся к пучинистым, и лента в них работает на касательные силы 80–150 кПа.
Прочность: угол внутреннего трения и сцепление
Прочность снимают на приборе прямого среза, нагружая образец по очереди 100, 200 и 300 кПа, и по двум точкам строят линию прочности. Для песка средней крупности средней плотности угол внутреннего трения 30–34°, сцепление 3–5 кПа; для мелкого 26–28° и 2–4 кПа; для мягкопластичного суглинка 18–24° и 20–45 кПа; для твёрдой глины 22–26° и 30–70 кПа. Трёхосное сжатие даёт те же параметры точнее, но стоит вдвое и на объектах ИЖС нужно редко. Расчётные значения получают делением на коэффициент надёжности 1,05–1,10 по СП 22.13330.2016, и разница между нормативным и расчётным углом в 1–2° для стены подвала уже ощутима. Проверьте на подпорной стене высотой 3 м в суглинке: при угле 20° активное давление на грунт доходит до 22–26 кПа на глубине 3 м, при угле 26° — до 14–16 кПа, и это минус четверть объёма бетона и арматуры. Для склона крутизной 0,10 тот же разброс решает, устойчив он или требует свай и габионов.
Деформации: модуль деформации и компрессионные испытания
Осадку считают не по прочности, а по модулю деформации, и его получают из компрессионных испытаний: образец сжимают ступенями 100, 200 и 300 кПа и строят кривую уплотнения. Для мягкопластичного суглинка модуль 8–15 МПа, для твёрдого 15–25 МПа, для песка средней плотности 20–30 МПа, для торфа 1–3 МПа. Испытание большим штампом площадью 0,5–1,0 м² по ГОСТ 24846-2012 даёт модуль на 20–50 % выше лабораторного, потому что штамп нагружает массив, а не нарушенный образец, и в спорных случаях верят штампу. Предельная осадка для малоэтажного дома без гибких коммуникаций — 10 см, относительная разность осадок 0,002–0,004; при модуле 9 МПа плита 10 × 12 м под нагрузкой 250 кПа даёт 8–12 см, при 20 МПа — 4–5 см. Разница между этими вариантами — свайное поле за 180–320 тыс. ₽ против обычной плиты за 90–150 тыс. ₽. Компрессионные данные идут и в расчёт консолидации: глина с модулем 12 МПа уплотняется под плитой 8–14 месяцев, песок за неделю.
Фильтрация: коэффициент, расход дренажа и водопонижение
Коэффициент фильтрации определяют в приборе постоянного или переменного напора и используют в трёх расчётах. Песок крупный отдаёт 20–50 м/сут, средний 5–20, мелкий 0,5–5, пылеватый 0,1–0,5; супесь 0,05–0,3, суглинок 0,001–0,05, глина меньше 0,001 м/сут. От этой цифры зависит шаг дрена: в песке с коэффициентом 8–15 м/сут трубы 110 мм укладывают через 4–6 м с уклоном 0,005–0,01, в супеси достаточно 10–15 м. При устройстве котлована приток считают по формуле Дюппюя: для котлована 12 × 18 м в песке средней крупности при понижении на 2 м расход выходит 2–5 м³/ч, и это четыре-шесть скважин иглофильтра или две глубинные, стоимость понижения на месяц работ 40–90 тыс. ₽. В глине с коэффициентом 0,002 м/сут водопонижение почти не нужно, но верховодка над водоупором стоит на глубине 0,5–1,2 м и разрушает отмостку быстрее, чем напорный горизонт. Воду из скважин ещё и анализируют: по сульфатам больше 300 мг/л и по кислотности меньше 4 вода признаётся агрессивной к бетону, и марку бетона повышают с В15 до В25.
Полевые опыты по ГОСТ 24846-2012 и статистика: почему цифра не одна
Лаборатория работает с нарушенным образцом, и часть параметров честнее снимать в массиве. Малым штампом 0,25 м² пользуются в шурфах на глубине 1–2 м, большим 0,5–1,0 м² — на площадке; статическое зондирование по сопротивлению 40–250 кгс/см² описывает плотность песка на глубине 6–12 м; стабилометр даёт прочность обводнённого грунта в забое скважины без извлечения образца. Эти данные обрабатывают статистически по СП 22.13330.2016: на слой нужно не меньше трёх опытов, коэффициент вариации для прочности держат до 0,20–0,25, иначе ряд расценивают как бракованный и точку переделывают. Нормативное значение — среднее по ряду, расчётное получают делением на коэффициент надёжности 1,00–1,10 в зависимости от показателя. Расхождения между лабораторией и полем в 1,5 раза — норма для глинистых грунтов; расхождения в 3 раза означают, что образец высох или слой в скважине описали неверно, и тут помогают инженерно-геологические колонки. Если данные по воде вызывают сомнение, заказывают контрольный отбор проб и замеры уровня: подробности в тексте про уровень грунтовых вод на участке.
| Показатель | Как получают | Мягкопластичный суглинок | Где работает в расчёте |
|---|---|---|---|
| Влажность | Сушка до постоянной массы при 105 градусах | 0,22–0,30 | Пучинистость, консистенция, вес массива |
| Плотность и пористость | Режущий цилиндр, пикнометр | 1,60–1,90 т/м³, пористость 0,60–0,85 | Несущая способность, осадка, устойчивость склона |
| Угол трения и сцепление | Прямой срез при 100, 200 и 300 кПа | 18–24° и 20–45 кПа | Давление на подпорную стену, устойчивость откоса |
| Модуль деформации | Компрессия ступенями 100–300 кПа или штамп | 8–15 МПа | Осадка плиты и ленты, крен крыльца |
| Коэффициент фильтрации | Прибор постоянного или переменного напора | 0,001–0,05 м/сут | Дренаж, водопонижение, приток в котлован |
| Сопротивление сжатию | Зондирование, штамп, табличные проверки | 120–180 кПа | Глубина заложения ленты, размер подошвы |
Зачем повторять опыт на трёх образцах одного слоя?
Три опыта на одном слое дают разброс влажности 0,02–0,04, угла внутреннего трения 2–3°, сцепления на 15–25 %. По одному образцу слой записывают то в мягкопластичные, то в тугопластичные, и сопротивление меняется с 150 до 260 кПа. Статистическая обработка по СП 22.13330.2016 требует ряд наблюдений и коэффициент вариации до 0,20–0,25: без ряда значение считают справочной догадкой, и экспертиза такой отчёт не принимает.
Можно ли взять угол трения и сцепление из справочника, если состав известен?
Для плиты под баню — да, ошибка там 20–30 кПа и ничего не решает. Для дома с подвалом, стены в грунте или склона — нет: два суглинка одного состава по ГОСТ 25100-2020 различаются по влажности на 0,05 и по сцеплению в 1,5–2 раза, потому что один лежал под травой сто лет, а второй подсыпали три года назад. Стоимость среза 400–900 ₽ за точку против перерасхода бетона в 80–200 тыс. ₽.
Лаборатория дала модуль 9 МПа, а по соседнему отчёту 25 МПа: кому верить?
Смотрят не на цифру, а на то, как её получили. Модуль по компрессии нарушенного образца всегда ниже, чем по большому штампу в массиве, а для мягкопластичного грунта разница в 1,5–2 раза нормальна. Проверяют влажность и показатель текучести в протоколе: если влажность 0,28, модуль 25 МПа физически невозможен. Дальше заказывают два-три опыта со штампом 0,5 м² за 18–35 тыс. ₽ и пересчитывают фундамент.