Крупнообломочные грунты имеют широкое распространение на территории Российской Федерации в пределах горноскладчатых районов и щитов древних платформ, где слагают мощные (до нескольких десятков метров) толщи гравитационных, пролювиальных, элювиальных, аллювиальных и водно-ледниковых отложений [1].

Достаточно часто в практике строительства эти отложения являются естественным или насыпным основанием зданий и сооружений, линейных объектов (автомобильные и железные дороги), гидротехнических сооружений и др. [2]. В настоящее время наиболее достоверным из существующих методов определения деформационных характеристик крупнообломочных грунтов являются штамповые испытания [3–6].

В практике изысканий при глубине залегания исследуемых грунтов свыше 3,0–5,0 м или близком расположении от поверхности грунтовых вод применяются испытания в скважине штампом площадью 600 см2 в соответствии с ГОСТ 20276.1-2020 «Грунты. Метод испытания штампом» [7]. При этом используется два типа конструкций с плоским (тип III) и винтовым штампом (тип IV).

Для испытаний в крупнообломочных грунтах неприменима конструкция винтового штампа (тип IV). Это связано с тем, что практически невозможно завернуть штамп в массив таких грунтов без разрушения их структуры.

Основной проблемой испытаний плоским штампом типа III является невозможность качественной подготовки забоя для проведения статических испытаний с необходимой точностью выравнивания поверхности до 1–2 мм. Весьма перспективным для решения этой проблемы является использование промежуточного слоя, позволяющего обеспечить надежный контакт штампа с грунтом.

Принципиальная схема таких испытаний приведена на рис. 1.

В качестве контактного слоя может быть использован быстротвердеющий композитный материал (далее – БКМ), который должен обладать высокой пластичностью для заполнения неровностей поверхности забоя скважины; необходимым временем схватывания, в течение которого его можно доставить на дно скважины и провести монтаж штампа; высокой прочностью за небольшое время твердения. Из опыта проведения полевых штамповых испытаний это время должно быть 12–24 часа [8][9].

Кроме того, материал должен обладать незначительной сжимаемостью для обеспечения полной передачи нагрузки от штампа на грунт. Модуль деформации материала в диапазоне давлений до 1,0 МПа должен быть не ниже 200 МПа. Весьма важным является возможность его применения при температурах, характерных для глубин проведения штамповых испытаний. По данным проведенного анализа, температурный режим в грунтах основания на отметках испытаний от 5,0 до 30,0 м характеризуется стабильной температурой в диапазоне 8–10 °C.

Для разработки методики проведения штамповых испытаний с применением быстротвердеющих композитных материалов БКМ на контакте штампа с грунтом были проведены лабораторные и полевые экспериментальные исследования.

Лабораторные исследования включали выбор материала БКМ на основе исследований его пластичности, времени и температуры твердения, оценку деформационных свойств выбранного материала, изучение сил трения по боковой поверхности обсадных труб.

Полевые исследования включали разработку технологии доставки БКМ на забой скважины и параллельные штамповые испытания в различных грунтовых условиях с использованием БКМ и «эталонные», в качестве которых были взяты штампы площадью 5000 см2 при испытаниях с поверхности и винтовой штамп площадью 600 см2 при испытаниях в скважине.

Выбор материала для контактного слоя был сделан на основе анализа свойств полиэфирных смол, полимербетонов и безусадочных быстротвердеющих бетонных смесей. Полиэфирные смолы не подошли из-за высокой стоимости, полимербетоны – по требованиям высокой температуры для твердения. В наибольшей степени условиям, приведенным выше, соответствуют быстротвердеющие композитные материалы – бетонные смеси, применяемые в строительстве для ремонта ответственных конструкций: АРБ-10 (10 Ф), MasterFlow 928 и зимний состав наливного типа Иннолайн NC40 RF2.

На первом этапе в лабораторных условиях были проведены исследования пластичности, времени и температуры твердения этих материалов.

Исследования пластичности (способности заполнять поровое пространство между обломками) выполнены на моделях грунтов с размером обломков от 30 до 170 мм разной степени окатанности с песчаным и глинистым заполнителем [10]. Выполненные опыты показали, что с увеличением размера обломков увеличивается площадь контакта материалов с частицами грунта. Вместе с тем имеются существенные различия у материалов по способности заполнять поровое пространство. Для MasterFlow 928 зафиксировано от 79 до 91 % заполнения порового объема, для остальных – от 48 до 71 % (рис. 2).

С целью проверки способности создавать надежный контакт с обломками грунта были проведены исследования в лотке размером 600 × 600 × 500 мм на разрезанной пополам модели штампа в обсадной трубе, помещенной вплотную к прозрачной стенке (рис. 3). Исследования контакта выполнены с моделями грунтов с размером обломков 20–50 мм; 50–100 мм; 100–150 мм с использованием быстротвердеющего композитного материала БКМ MasterFlow 928.

Как видно из приведенной фотографии (рис. 3), при использовании БКМ достигается практически полный контакт штампа с грунтом.

Для всех рассматриваемых материалов: Mapei АРБ-10 (АРБ-10Ф), MasterFlow 928, Иннолайн NC40 RF2 – были выполнены исследования влияния времени твердения на значения модуля деформации. Исследования выполнены на цилиндрических образцах диаметром 75 мм и высотой 70 мм. Анализ графиков зависимости значений модуля деформации от времени твердения (рис. 4) показал, что по скорости набора прочности MasterFlow 928 значительно превосходит остальные материалы и может применяться уже через 12 часов после укладки на забой скважины.

На основании выполненных определений пластичности и скорости набора прочности для дальнейших исследований выбран материал фирмы BASF MasterFlow 928, который производится в различных регионах РФ.

Одной из важнейших характеристик для оценки способности БКМ по созданию контактного слоя грунтов со штампом является собственная сжимаемость материала. При очень высокой сжимаемости, соизмеримой с деформационными свойствами исследуемых грунтов, возникнет неопределенность в разделении осадки от приложенной к штампу нагрузки на осадку грунта и осадку за счет сжатия материала БКМ. По данным таких испытаний будет практически невозможно провести достоверное определение модуля деформации.

Для оценки собственной сжимаемости БКМ в лабораторных условиях был выполнен комплекс испытаний как цилиндрических образцов диаметром 75 мм и высотой 70 мм, так и образцов натурного размера диаметром 290–300 мм и высотой от 50 до 150 мм.

На образцах натурного размера, твердение которых осуществлялось при температуре 8–10 °C, соответствующей температурному режиму на глубине проведения штамповых испытаний, выполнены исследования сжимаемости образцов высотой 50, 100 и 150 мм при времени твердения 1–3 суток.

Диапазон 50–150 мм по толщине слоя БКМ был принят из условия возможности проведения штамповых испытаний крупнообломочных грунтов с размером обломков до 200 мм. Для валунных (глыбовых) крупнообломочных грунтов с размером частиц свыше 200 мм метод проведения штамповых испытаний в скважине площадью 600 см2 (диаметр 27,64 см) не применим вследствие того, что при таком размере обломков будет невозможно обеспечить равномерное нагружение основания. Были проведены две серии опытов: однородного материала БКМ и с обломками грунтов в нижней части (30 % по толщине образца). Полученная зависимость значения модуля деформации от толщины образца приведена на рис. 5.

Методика штамповых испытаний с применением БКМ предполагает заливку порции смеси в обсадную трубу и последующего приложения вертикальной нагрузки через штамп. При этом происходит перемещение слоя с соответствующей реализацией сил трения по боковой поверхности обсадных труб. В процессе лабораторных испытаний были выполнены измерения сил трения при применении обсадных труб из различных материалов: стальных по ГОСТ 32696-2014 [11] и пластиковых ПНД по ГОСТ 18599-2001 [12]. Измерения показали, что нельзя использовать стальные трубы без применения специальных полимерных вкладышей для снижения трения. Это связано с высокой адгезией БКМ к стали. При применении пластиковых обсадных труб наличие или отсутствие полимерного вкладыша не влияло на получаемые результаты.

На основе проведенных исследований был выполнен расчет дополнительных нагрузок, которые необходимо приложить при проведении испытаний для преодоления сил трения. Дополнительные нагрузки должны быть включены в первую ступень при проведении испытаний. Результаты расчета для обсадных труб внутренним диаметром 300 мм представлены в табл. 1.

На рис. 6 приведены полученные значения модуля деформации при испытаниях образцов толщиной 100 и 150 мм при времени твердения от 12 до 72 часов. Выбор этого временного интервала обусловлен технологией проведения штамповых испытаний. Как правило, испытание проводится на следующий день после бурение скважины и монтажа оборудования (через 12–24 часа). В том случае, если работы проводились в пятницу, то испытание начинается в понедельник, т. е. через 3 суток.

Как видно из приведенных данных, с увеличением времени твердения уменьшается сжимаемость БКМ. Зависимость может быть представлена в виде линейного уравнения (1):

E = 13,6 × t + 291,(1)

где Е – модуль деформации, МПа;

t – время твердения, час.

Полученные экспериментальные зависимости модуля деформации от толщины слоя и времени твердения БКМ были применены при разработке методики расчета модуля деформации по результатам штамповых испытаний, которая учитывает собственное сжатие контактного слоя.

Важной задачей была разработка технологии доставки БКМ на забой скважины для практической реализации предлагаемого метода при проведении изысканий. В настоящее время предложено два технологически простых способа доставки БКМ на забой скважины.

Первый способ заключается в использовании бурового инструмента – желонки или бурового стакана, на конце которых с помощью хомута устраивается временное дно из полимерной пленки толщиной 30–40 мк. Приготовленная порция БКМ заливалась внутрь желонки или стакана. При опускании инструмента в скважину производился его сброс с высоты 0,5–0,7 м от забоя и резкая остановка. Это приводит к разрушению временного дна, разрыву пленки и заливке БКМ на забой.

Второй способ заключается в доставке приготовленной порции БКМ в полимерном контейнере, который с помощью хомута закреплен на буровых трубах, через которые передается давление на штамп. Рекомендуемые размеры цилиндрического контейнера составили: диаметр основания – 400 мм, высота – 1000 мм, толщина полиэтилена – 40–60 мк в зависимости от веса доставляемой к забою порции смеси.

С целью оценки области применения штамповых испытаний с использованием быстротвердеющих композитных материалов были выполнены параллельные штамповые испытания штампами различных конструкций с применением БКМ и без него в наиболее характерных грунтовых условиях.

Полевые испытания проведены на трех опытных площадках и двух искусственно сформированных участках. На площадке № 1 были исследованы окатанные крупнообломочные грунты – галечниковые отложения с песчаным заполнителем; на площадке № 2 – неокатанные щебенистые отложения с глинистым заполнителем, на площадке № 3 – элювиальные щебенистые отложения, образовавшиеся при выветривании коренных известняковых пород. Опытный участок № 1 сформирован из тугопластичных суглинков с включением известкового щебня до 35–40 %, опытный участок № 2 – из известкового щебня с заполнителем из известковой муки.

На опытных площадках № 1–3 были выполнены параллельные испытания крупнообломочных грунтов штампами различных конструкций: плоским штампом типа III площадью 600 см2 без БКМ и 700 см2 с применение БКМ, а также винтовым штампом площадью 600 см2 типа IV по ГОСТ 20276.1-2020 [7] (на площадках № 1 и 2). На опытных участках были проведены штамповые испытания грунтов плоским штампом площадью 5000 см2 (тип I), плоским штампом типа III площадью 600 см2 без БКМ и 700 см2 с применением БКМ. Результаты параллельных штамповых испытаний приведены на рис. 7 и 8.

Как видно из представленных на рис. 7 и 8 данных, испытания плоским штампом без БКМ в большинстве случаев не позволяют выполнить расчет модуля деформации. На полученных графиках «осадка – нагрузка» прослеживается чередование участков плавного роста осадки с ее провалами. Это связано с непостоянством контакта штампа с обломками грунта, выступающими над плоскостью забоя скважины. В процессе нагружения происходит пространственная переориентация обломков с изменением площади контакта, что влияет на характер зависимости осадки штампа от приложенного давления.

По данным полевых штамповых испытаний, на опытных площадках получены следующие значения модуля деформации, которые изменяются для галечников с песчаным заполнителем от 46 до 59 МПа, для щебня с глинистым заполнителем от 35 до 46 МПа, для щебня элювиальных отложений с заполнителем из известковой муки от 73 до 79 МПа. Для искусственно сформированных крупнообломочных грунтов на опытных участках получены следующие результаты: на участке № 1, сложенном полутвердыми суглинками с включениями щебня до 35–40 %, модуль деформации варьирует в интервале 38–45 МПа; на участке № 2, сложенном щебнем, модуль деформации изменяется от 55 до 65 МПА.

Сопоставление данных параллельных испытаний показывает хорошую сходимость штампов с БКМ с результатами «эталонных» испытаний штампов площадью 5000 см2 при испытаниях с поверхности и винтовым штампом площадью 600 см2 при испытаниях в скважине. Максимальное расхождение полученных значений не превысило 14 %. На основе выполненных исследований была предложена методика испытаний плоским штампом типа III с применением быстротвердеюших композитных материалов БКМ на контакте штампа с грунтом. Метод рекомендуется применять для всех видов крупнообломочных грунтов с размером частиц до 200 мм и в глинистых и песчаных грунтах, содержащих 25–40 % крупнообломочных включений. Критерием целесообразности выбора предлагаемого метода для конкретных грунтовых условий может служить невозможность применения винтового штампа типа IV без нарушения структуры грунтов. Новая методика учитывает время набора прочности БКМ при твердении материала, а также величину усилия на преодоление сил трения по боковой поверхности обсадных труб, которое следует включать в первую ступень нагружения при проведении статических испытаний (табл. 2).

По полученному при штамповых испытаниях графику зависимости «осадка – нагрузка» (рис. 9) расчет модуля деформации проводится по формуле (2) с учетом собственного сжатия слоя быстротвердеющего композитного материала БКМ:

E = (1 – v2) × Кбкм × Ку × D × ∆p/∆S,(2) где v – коэффициент поперечного расширения (Пуассона), принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 – для песков и супесей; 0,35 – для суглинков; 0,42 – для глин; Ку – коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79;

Кбкм – коэффициент, учитывающий собственную сжимаемость БКМ, принимаемый при Е свыше 30 МПа по табл. 2, при Е менее 30 МПа равным 1,0;

D – диаметр штампа, см;

∆p – приращение давления на штамп равное рп – р0, МПа;

po – давление от собственного веса грунта на глубине штампового испытания;

рп – давление в конце линейного участка (3–4-я точка после po);

∆s – приращение осадки штампа.