С 1 июля 2013 г. введён в действие ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости». В целом, стандарт претерпел существенные изменения: ряд методов был из него исключён (метод испытания самозабуривающимся лопастным прессиометром гирляндного типа, методы поступательного и кольцевого срезов), некоторые переведены в раздел рекомендуемых (метод испытания лопастным прессиометром и метод испытания плоским дилатометром), туда же был добавлен метод испытания грунта прессиометром с секторным приложением нагрузки.
Применительно к методу среза целиков грунта остались практически без изменений положения, касающиеся подготовки к испытаниям и схем их проведения. Следует отметить лишь три факта:
- Консолидированно-дренированные испытания органо-минеральных и органических грунтов теперь прописаны в стандарте отдельной строкой как при выборе значений нормальных давлений и ступеней давления при предварительном уплотнении (что было и раньше), так и при определении длительности выдерживания каждой ступени и времени стабилизации деформаций уплотнения и сдвига.
- Критерий стабилизации деформаций при уплотнении теперь не является абсолютной скоростью (0,1 мм за определённый промежуток времени), а связан с относительной деформацией образца (0,05% за время, зависящее от состава и состояния грунта).
- В случае пластического разрушения его критерием является не абсолютная деформация сдвига равная 50 мм, а относительная, измеряемая 10%.
Принципиально новым стало включение в стандарт положения о возможности проведения испытаний отделённых от массива монолитов в крупногабаритных срезных установках (п. 8.1.3). Дело в том, что действовавшие последние 33 года и определявшие порядок проведения испытаний стандарты ГОСТ 23741-79 «Грунты. Методы полевых испытаний на срез в горных выработках» и ГОСТ 20276-99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости» предусматривали возможность определения характеристик прочности лишь по результатам среза целика грунта в выработке. Для этой цели были разработаны и выпускались стационарные установки, в том числе разработанные институтом Фундаментпроект, УралТИСИЗом, Уральским политехническим институтом и другими организациями.
Наряду с ними, как следует из методических, справочных и учебных материалов 70-90-х годов XX века, во многих организациях в этот период использовалось крупногабаритное оборудование, размещаемое не в шурфах, котлованах и других подобных выработках, а на поверхности земли. Это позволяло исключить проблемы, связанные с необходимостью анкерения, благодаря чему такие установки получили название стендовых или мобильных. К их числу относятся установки РПС, ДИИТ, ПУС-1, СУ-2, а также используемая в настоящее время мобильная сдвиговая установка МСУ-2 и др.
Однако ГОСТы 23741-79 и 20276-99 фактически не допускали их применения в изысканиях, т.к. прямо указывали на то, что «характеристики определяют по результатам среза целика грунта в выработке …». Вместе с тем, испытания образцов большого размера естественного сложения и влажности сразу после их отбора и в непосредственной близости от горной выработки позволяют получать результаты, идентичные тем, которые дают стационарные установки. Важно и то, что последние исключают возможность ориентировать поверхность сдвига иначе, чем горизонтально, в то время как при работе с мобильными модификациями рабочее кольцо при вырезании может быть ориентировано под углом к горизонту в направлении предполагаемого смещения грунта — вдоль плоскости скольжения оползня, внутри ослабленного прослоя с учётом элементов его залегания и пр. На рисунке показан пример опробования зоны нарушения внутри массива аргиллитов, сложенной «глинкой трения».
Возможность задания произвольной ориентировки плоскости сдвига в стендовых установках позволяет с их помощью исследовать роль анизотропии в формировании прочности грунтов. Подобная задача, в частности, решалась на примере аргиллитов района г. Сочи. Результаты свидетельствуют о том, что в зависимости от соотношения ориентировок структуры аргиллитов и плоскости сдвига показатели сцепления (С) и угла внутреннего трения (α) для данных грунтов изменялись в диапазоне соответственно 13 - 38 кПа и 24 - 32°, иначе говоря, сопротивление сдвигу (ϕ) в направлении перпендикулярном слоистости оказалось более чем в 2 раза выше, чем при совпадении ориентировки названных плоскостей.
Другой новацией рассматриваемого ГОСТа является то, что «в крупногабаритной срезной установке при определении показателей прочностных свойств крупнообломочных грунтов допускаются испытания грунтов нарушенного сложения с заданной плотностью и влажностью» (п.п. 8.1.3. и 8.1.5). Подобные задачи возникают, в частности, при необходимости прогноза поведения грунтов, слагающих насыпи, дамбы, подпорные стенки и иные инженерные сооружения, в которых грунты используются как материал для их возведения. На установке МСУ-2, в частности, были получены прочностные характеристики крупнообломочных грунтов обратной засыпки ряда подпорных стенок в долине р. Мзымты, а также грунтов зоны дробления скальных массивов некоторых месторождений в связи с оценкой устойчивости горных выработок при разработке месторождений.
Говоря о крупнообломочных грунтах, следует заметить, что впервые в стандарте оговаривается предельный размер включений — он не должен превышать 1/5 диаметра образца. Важным дополнением в описание конструкции установки стало внесение положения о том, что в её состав должно входить «кольцо с внутренним диаметром D ≥ 200 мм и высотой кольца Н = (1/3 ÷ 1/2) D» (п. 8.2.1). Напомним, что стандарты 1979 и 1999 годов жёстко ограничивали геометрические параметры кольца: его внутренний диаметр должен был быть равен 400 мм, а высота — 220 мм. Какие новые возможности открываются в связи с подобным «послаблением»? Прежде всего, оно позволяет во многих случаях сократить объёмы испытаний. В частности, это оказывается возможным, если исследуемые массивы представлены однородными и изотропными глинистыми грунтами. Результаты изучения аллювиальных суглинков I н/п террасы р. Москвы (район Звенигорода) свидетельствуют о том, что значения сопротивления грунтов сдвигу при изменении его площади от 600 до 1200 см2 остаются практически постоянными. Вместе с тем, уменьшение площади образцов данных грунтов до 300 см2 сопровождается некоторым возрастанием сопротивления, что может быть связано с особенностями структуры грунтов и, в итоге, проявлением масштабного эффекта.
Наряду с существенным расширением возможностей, которые новый ГОСТ предоставляет при определении показателей прочности грунтов, он содержит и одно, по нашему мнению, существенное ограничение. Оно связано с исключением из стандарта положения о возможности выполнения испытаний для грунтов природного сложения с замачиванием до полного водонасыщения. Действительно, трудно найти в литературных источниках методику, да и сложно представить, каким образом в горной выработке можно было бы выполнить замачивание грунтов в условиях их естественного залегания, сохранив при этом условия для надёжного анкерения установки и обеспечения упора сдвигающего домкрата.
Однако этих проблем не возникает при использовании стендовых установок, в частности, МСУ-2. Образец, находящийся в кольце, перед испытанием замачивается в специальной ёмкости, позволяющей контролировать процесс водонасыщения, после завершения которого кольцо помещается на сдвиговую платформу для выполнения эксперимента. Сопоставить результаты испытания грунтов при естественной влажности и в условиях полного водонасыщения позволяет рис. 5: для дресвяно-щебенистого грунта с суглинистым заполнителем величина сцепления уменьшилась в 8 раз, а угол внутреннего трения более чем в 2 раза. Этот факт не только свидетельствует о том, что определение показателей прочности грунтов при их полном водонасыщении является важным с точки зрения получения расчётных показателей, но и указывает на необходимость разработки единого методического подхода.
Таким образом, ГОСТ 20276-2012 в целом может рассматриваться как актуализированный нормативный документ, а в части, касающейся метода среза целиков грунта, он существенно расширяет перечень задач, которые могут быть решены в ходе инженерных изысканий.