Как читать протокол лабораторных испытаний грунта: ключевые показатели и что они значат для проекта

Сначала проверьте, к какому грунту относятся цифры

До характеристик найдите идентификацию образца.

В протоколе должны быть понятны как минимум место отбора, номер образца, скважина или точка отбора, глубина и вид проведенного испытания. Для инженерных изысканий особенно важна привязка образца к инженерно-геологическому элементу — ИГЭ.

ИГЭ объединяет грунт одного происхождения и сходных свойств, для которого после обработки результатов назначают нормативные и расчетные характеристики. ГОСТ 20522-2012 предусматривает статистическую обработку данных именно для таких элементов.

Если перед вами просто строка «суглинок, E = 12 МПа», но непонятно, с какой глубины взят образец и к какому слою он относится, использовать такую цифру для проектных выводов рано.

Для фундамента имеет значение не среднее свойство грунта вообще, а характеристики слоев, находящихся непосредственно под подошвой и в пределах сжимаемой толщи.

Почему одной цифры недостаточно

Показатели грунта работают вместе.

Например, природная влажность глинистого грунта оценивается вместе с границами пластичности. Плотность связана с пористостью. Модуль деформации характеризует способность грунта сопротивляться деформациям, а сцепление и угол внутреннего трения нужны для оценки прочности.

Поэтому протокол лучше читать группами:

Общий перечень лабораторных методов и характеристик установлен ГОСТ 30416-2020, а классификация грунтов выполняется по ГОСТ 25100-2020.

Влажность: сколько воды находится в грунте

Природная влажность обычно обозначается буквой w и приводится в процентах.

Показатель определяют по отношению массы воды к массе сухого грунта. Методика определения физических характеристик, включая влажность, установлена ГОСТ 5180-2015.

Но смотреть только на процент нельзя.

Для песка влажность в первую очередь влияет на состояние материала, уплотнение и технологию земляных работ. Для глины, суглинка или супеси она тесно связана с консистенцией.

Один и тот же показатель влажности может означать совершенно разное состояние двух разных грунтов.

Поэтому для глинистых грунтов рядом с природной влажностью ищите:

• влажность на границе текучести;
• влажность на границе раскатывания;
• число пластичности;
• показатель текучести.

Именно их сочетание помогает понять, находится грунт ближе к твердому, пластичному или текучему состоянию.

Для проекта: изменение влажности способно менять прочность и деформируемость основания. Особенно внимательно этот фактор оценивают при высоком уровне подземных вод, возможном замачивании, устройстве котлована и эксплуатации объекта с риском утечек.

Плотность: сколько грунта приходится на единицу объема

В протоколах можно встретить несколько похожих показателей:

ρ — плотность грунта;
ρs — плотность частиц грунта;
ρd — плотность сухого грунта.

Это разные величины.

Обычная плотность учитывает твердые частицы, воду и поры в естественном состоянии образца. Плотность частиц характеризует непосредственно минеральную часть. Плотность сухого грунта показывает массу твердых частиц в единице общего объема без учета воды.

Последний показатель особенно полезен при контроле уплотнения насыпей, обратной засыпки и подготовленных оснований.

На сайте Центра проектирования и инжиниринга для грунтов также указаны определения влажности, плотности, пористости и других физических характеристик. Для строительного контроля и получения фактических данных можно использовать услугу испытания грунтов основания, песка и щебня.

Для проекта: плотность участвует в расчетах собственного веса грунта и напряжений в основании, а при земляных работах помогает контролировать качество уплотнения.

При этом правило «чем плотнее, тем лучше» применять ко всем грунтам нельзя. Для проектирования важен весь набор характеристик конкретного слоя.

Пористость и коэффициент пористости: сколько свободного пространства между частицами

Внутри грунта есть поры. Они могут быть заполнены воздухом, водой или одновременно водой и воздухом.

В протоколах встречаются два близких показателя:

n — пористость;
e — коэффициент пористости.

Пористость показывает отношение объема пор к общему объему грунта. Коэффициент пористости — отношение объема пор к объему твердых частиц.

Для неспециалиста достаточно запомнить основной смысл: эти показатели помогают оценить плотность сложения и потенциальную способность грунта изменять объем.

При прочих равных более рыхлая структура с большим количеством пор часто связана с большей сжимаемостью. Но делать проектный вывод только по значению e нельзя — нужно учитывать вид грунта, влажность и результаты механических испытаний.

Для песков коэффициент пористости также используется при классификации состояния по плотности сложения. Для глинистых грунтов он связан с их физическим состоянием и деформируемостью.

Для проекта: показатели помогают оценивать работу основания под нагрузкой и используются вместе с другими характеристиками при классификации грунтов и расчетах.

Степень водонасыщения: насколько поры заполнены водой

Степень водонасыщения обычно обозначается Sr.

Она показывает, какая часть порового пространства заполнена водой.

Это не то же самое, что влажность.

Два образца могут иметь близкую влажность, но отличаться по структуре, плотности и объему пор. Поэтому степень водонасыщения дает дополнительную информацию о состоянии грунта.

Для проекта этот показатель особенно интересен там, где поведение основания меняется при насыщении водой. Это может иметь значение при прогнозировании просадки, морозного пучения и других процессов.

Гранулометрический состав: из каких частиц состоит грунт

Для песчаных и крупнообломочных грунтов один из главных блоков протокола — распределение частиц по размерам.

Методы лабораторного определения гранулометрического состава установлены ГОСТ 12536-2014. Стандарт действует и применяется при исследовании грунтов для строительства.

В таблице обычно показывают процент частиц различных фракций.

По результатам можно определить, с каким грунтом мы имеем дело: например, с крупным, средним, мелким или пылеватым песком.

Почему это важно?

Крупный и хорошо дренирующий песок обычно ведет себя иначе, чем пылеватый песок с большим содержанием мелких частиц. Различаются фильтрационные свойства, уплотняемость, реакция на воду и механические характеристики.

Для проекта гранулометрический состав влияет на:

При работе с песчаным основанием стоит обязательно сопоставлять гранулометрию с плотностью сложения и водонасыщением.

Число пластичности: насколько выражены глинистые свойства

Для глинистых грунтов одним из основных классификационных показателей является число пластичности Ip.

Оно рассчитывается по разнице между влажностью на границе текучести и влажностью на границе раскатывания.

Чем шире интервал влажности, в котором грунт сохраняет пластичное состояние, тем сильнее выражены его глинистые свойства.

Число пластичности используется при классификации дисперсных грунтов по ГОСТ 25100-2020.

На практике значение Ip нельзя трактовать как прямой показатель несущей способности. Оно прежде всего помогает определить разновидность грунта и понять характер его поведения.

Для проекта: вместе с другими характеристиками число пластичности помогает правильно классифицировать грунтовый слой, а уже от классификации и результатов механических испытаний переходят к расчетным параметрам.

Показатель текучести: в каком состоянии находится глина или суглинок

Показатель текучести обозначают IL.

Это один из самых полезных показателей для быстрого понимания состояния глинистого грунта. Он связывает природную влажность с границами пластичности.

Говоря проще, IL показывает, насколько фактическое состояние образца приблизилось к более мягкому и текучему.

Высокое значение обычно соответствует более мягкому состоянию глинистого грунта, низкое — более твердому. Но границы конкретных разновидностей нужно оценивать по действующей классификации, а не по приблизительной таблице из интернета.

Для проекта: показатель помогает понять, насколько чувствительным к нагрузке может оказаться глинистое основание и какие значения характеристик следует рассматривать дальше.

Особенно настороженно стоит относиться к ситуации, когда проектировщик получил характеристики грунта в одном состоянии, а во время строительства возможно значительное замачивание.

Удельное сцепление: способность грунта сопротивляться сдвигу

В протоколе удельное сцепление обозначают буквой c и обычно выражают в кПа.

Упрощенно этот показатель можно представить как часть сопротивления грунта сдвигу, которая не связана напрямую с нормальным давлением.

Для связных грунтов сцепление может играть заметную роль в расчетах.

Но здесь есть принципиальный нюанс: значение c зависит от вида грунта, состояния образца и схемы испытания. Поэтому цифру нельзя оценивать в отрыве от метода, указанного в протоколе.

Характеристики прочности определяют, в частности, методом одноплоскостного среза по ГОСТ 12248.1-2020 или трехосного сжатия по ГОСТ 12248.3-2020. Оба стандарта являются действующими.

Для проекта: сцепление используется при расчетах прочности основания, устойчивости откосов, подпорных сооружений и других геотехнических задач.

Угол внутреннего трения: насколько грунт сопротивляется сдвигу за счет трения частиц

Угол внутреннего трения обозначают φ и указывают в градусах.

Особенно значим этот параметр для песчаных грунтов, где сопротивление сдвигу в большой степени связано с взаимодействием частиц.

Вместе c и φ образуют ключевую пару прочностных характеристик.

СП 22.13330.2016 относит угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации к основным параметрам механических свойств, определяющим несущую способность основания и его деформации.

Простое правило «чем больше φ, тем лучше» может использоваться только для общего понимания. Для реального расчета значение рассматривают вместе с типом грунта, плотностью, напряженным состоянием и схемой испытаний.

Для проекта φ влияет на:

Модуль деформации: насколько сильно грунт будет сжиматься

Модуль деформации обычно обозначается E и выражается в МПа.

Это один из показателей, на который проектировщик смотрит в первую очередь.

В бытовом понимании его можно читать так: чем выше жесткость грунта, тем меньше он деформируется при сопоставимом нагружении.

Именно деформационные характеристики нужны для прогноза осадки основания.

Но здесь особенно опасно сравнивать цифры без контекста.

В протоколе могут встречаться:

ГОСТ 12248.4-2020 регулирует определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия и предусматривает расчет одометрического модуля в заданном интервале давлений.

То есть надпись «E = 10 МПа» без указания метода и диапазона напряжений говорит гораздо меньше, чем кажется.

Для проекта: модуль деформации нужен прежде всего для расчетов осадки. Он помогает оценить, насколько основание сожмется под зданием и насколько равномерными будут деформации.

Для реконструкции этот показатель особенно важен, если нагрузки на существующий фундамент увеличиваются.

Коэффициент сжимаемости: как грунт реагирует на рост давления

В компрессионных испытаниях кроме модуля можно встретить коэффициент сжимаемости.

Он отражает изменение состояния грунта при увеличении давления.

Если модуль деформации удобнее воспринимать как характеристику жесткости, то коэффициент сжимаемости описывает противоположную сторону процесса — склонность грунта деформироваться.

ГОСТ 12248.4-2020 предусматривает определение коэффициента сжимаемости по результатам компрессионного испытания.

Для заказчика этот показатель обычно менее нагляден, чем E. Для геотехника он помогает анализировать компрессионную кривую и прогнозировать деформации в требуемом диапазоне нагрузок.

Коэффициент фильтрации: насколько легко через грунт проходит вода

Коэффициент фильтрации обозначают k.

Он показывает способность грунта пропускать воду.

Для хорошо фильтрующих песков вода перемещается быстрее. Для слабопроницаемых глинистых грунтов фильтрация идет медленнее.

Значение особенно важно, если проект связан с:

Ошибка — считать, что низкая водопроницаемость всегда полезна. Слабопроницаемый грунт может, наоборот, задерживать воду и создавать неблагоприятные условия около подземных конструкций.

Просадочность, набухание и пучение: показатели, которые нельзя пропускать

Стандартного набора «влажность + плотность + c + φ + E» бывает недостаточно.

Для определенных грунтов и условий назначают специальные исследования.

Просадочность показывает способность грунта давать дополнительную деформацию при замачивании под нагрузкой.

Набухание характеризует увеличение объема грунта при взаимодействии с водой.

Морозное пучение связано с увеличением объема грунта при промерзании и миграции влаги.

Такие свойства способны влиять на конструкцию фундамента сильнее, чем небольшая разница в обычной плотности или влажности.

Если геологические условия площадки предполагают специальные свойства грунтов, отсутствие соответствующих испытаний стоит обсудить с инженером-геологом.

Метод испытания — не формальность в шапке протокола

Одна из самых полезных привычек при чтении протокола — всегда смотреть, как именно получен показатель.

Например, прочностные характеристики могут быть получены при одноплоскостном срезе или трехосном сжатии. Для деформационных свойств применяются компрессионные и другие испытания.

ГОСТ 30416-2020 прямо связывает определяемые характеристики с конкретными методами испытаний и областями их применения.

Результаты разных схем нельзя механически считать взаимозаменяемыми.

Имеет значение и состояние образца. Монолит с сохраненной природной структурой способен дать другую информацию, чем нарушенная проба, подготовленная заново в лаборатории.

Поэтому рядом с интересующей цифрой ищите:

Для сложного объекта эта информация иногда важнее второй цифры после запятой в итоговом значении.

Протокол и расчетные характеристики — не одно и то же

Это один из главных моментов, который часто теряется в популярных материалах.

Лабораторный протокол показывает результат испытания конкретного образца.

Проектировщику же нужны характеристики грунтового массива или инженерно-геологического элемента.

Поэтому отдельные результаты обрабатываются статистически. ГОСТ 20522-2012 предусматривает оценку неоднородности грунтов, выделение ИГЭ и определение нормативных и расчетных значений характеристик.

Упрощенная цепочка выглядит так:

образец → лабораторное испытание → частное значение → группа результатов по ИГЭ → статистическая обработка → нормативные и расчетные характеристики → расчет основания.

Отсюда следует практический вывод.

Если заказчик получил один лабораторный протокол, это еще не означает, что значение из строки c, φ или E нужно самостоятельно передавать конструктору как окончательный расчетный параметр.

Для проектирования обычно используют данные технического отчета по инженерно-геологическим изысканиям, где результаты уже систематизированы по слоям и инженерно-геологическим элементам.

Как связать лабораторные показатели с проектом

Для быстрого чтения можно использовать такую схему:

Главная ошибка — искать в этой таблице один «главный» показатель.

Для расчета осадки критичен модуль деформации, но без правильной геологической модели здания даже хороший E не спасет расчет. Для несущей способности нужны прочностные характеристики, но они должны относиться именно к грунту под проектируемым фундаментом.

Пять вопросов, которые стоит задать при проверке протокола

Перед передачей результатов проектировщику полезно проверить следующее.

1. Понятно ли, откуда взят образец?
Должны прослеживаться точка отбора и глубина.

2. Понятно ли, какой грунт испытывался?
Название должно соответствовать классификации и исходным данным.

3. Указан ли метод?
Без метода значения механических характеристик трудно интерпретировать корректно.

4. Есть ли необходимые для проекта показатели?
Физические характеристики не заменяют прочностные и деформационные испытания, если последние нужны для расчета.

5. Это частные или уже расчетные значения?
Цифра одного испытания и характеристика, принятая для ИГЭ после статистической обработки, — не одно и то же.

Если ответы на эти вопросы есть, протокол становится намного понятнее даже без глубокого знания грунтоведения.

Когда стоит попросить лабораторию или геолога о пояснении

Дополнительная проверка нужна, если значение резко отличается от соседних образцов, не указаны единицы измерения или методика, характеристики не совпадают с описанием грунта либо один и тот же ИГЭ показывает очень большой разброс результатов.

Повод задать вопросы есть и тогда, когда для проектируемого фундамента в материалах присутствуют только влажность, плотность и пластичность, но отсутствуют необходимые механические характеристики.

Еще один тревожный сигнал — попытка сравнивать результаты разных лабораторий без проверки методики испытаний и состояния образцов.

Для надежного проекта важна не максимальная длина лабораторной таблицы, а то, насколько хорошо программа испытаний отвечает реальной геотехнической задаче.

Именно поэтому протокол стоит воспринимать не как готовый расчет основания, а как источник исходных данных. Его задача — показать свойства образцов. Задача инженера-геолога — собрать из этих результатов модель грунтового массива, а проектировщика — использовать корректные расчетные характеристики при выборе и проверке фундамента.

Вопросы и ответы