Испытания грунтов при инженерных изысканиях: методы, нормативы, интерпретация результатов

Зачем нужны испытания грунтов

Бурение и отбор керна — это только начало. Сам по себе столбик грунта в керновом ящике ничего не говорит проектировщику: ему нужны конкретные цифры. Модуль деформации, удельное сцепление, угол внутреннего трения, коэффициент фильтрации — именно эти параметры определяют тип фундамента, его глубину заложения, конструктивное решение и, в конечном счёте, бюджет строительства.

Испытания грунтов — это количественный мост между геологическим разрезом и проектом фундамента. Без них инженер-геолог выдаёт описание («суглинок тугопластичный, коричневый»), а с ними — числовые характеристики, которые проектировщик подставляет в расчётную модель.

Для объектов капитального строительства — многоэтажных жилых комплексов, бизнес-центров, промышленных зданий в Москве и Московской области — состав испытаний определяется программой инженерно-геологических изысканий в соответствии с СП 47.13330.2016 и СП 22.13330.2016, с учётом уровня ответственности сооружения по 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Без полного набора результатов испытаний отчёт может получить отрицательное заключение Мосгосэкспертизы или негосударственной экспертизы и вернуться на доработку.

Два контура: лабораторные и полевые испытания

Все методы делятся на два контура, и они не взаимозаменяемы — они дополняют друг друга.

Лабораторные испытания проводятся на образцах грунта (монолитах), доставленных из скважин в грунтовую лабораторию. Преимущество — полный контроль условий: температуры, влажности, скорости нагружения. Можно моделировать различные схемы нагружения. Ограничение — образец всегда меньше реального массива, и при отборе его структура может частично нарушаться.

Полевые испытания проводятся непосредственно в грунтовом массиве — в скважинах, шурфах, с поверхности. Преимущество — грунт испытывается в естественном состоянии, с учётом реальной структуры, напряжённого состояния и водонасыщения. Ограничение — меньшая гибкость в выборе схемы нагружения.

Нормативы (СП 22.13330.2016) требуют для объектов повышенного уровня ответственности уточнять лабораторные данные результатами полевых испытаний. На практике это означает: компрессионные испытания в лаборатории + штамповое испытание или статическое зондирование в поле.

Лабораторные методы: что и зачем

Лабораторные методы определения прочности и деформируемости грунтов установлены серией ГОСТ 12248 — это одиннадцать отдельных стандартов, от ГОСТ 12248.1-2020 до ГОСТ 12248.11-2020, введённых приказами Росстандарта от 14.10.2020 № 821-ст — 831-ст с 1 июня 2021 года взамен единого ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». Единого документа «ГОСТ 12248-2020» не существует: ссылаться нужно на конкретную часть. Талые дисперсные грунты закрывают части с первой по шестую — одноплоскостной срез, одноосное сжатие, трёхосное сжатие, компрессионное сжатие, суффозионное сжатие засоленных грунтов (ГОСТ 12248.5-2020), набухание и усадка. Мёрзлые грунты испытывают по частям с седьмой по десятую, оттаивающие — по ГОСТ 12248.11-2020.

Компрессионное сжатие (ГОСТ 12248.4-2020)

Образец грунта помещается в жёсткое кольцо (одометр) и нагружается вертикальным давлением ступенями. Боковое расширение невозможно — кольцо не даёт. Измеряется вертикальная деформация при каждой ступени нагрузки.

Что определяет: коэффициент сжимаемости, модуль деформации (одометрический), давление предуплотнения. Это базовые параметры для расчёта осадки фундамента.

Когда необходим: практически всегда. Компрессионное испытание — базовый метод для большинства объектов строительства. Для высотных зданий и глубоких котлованов — дополняется трёхосным сжатием.

Ограничение: одометр воспроизводит только одномерное сжатие — в реальности грунт под фундаментом деформируется сложнее. Поэтому одометрический модуль деформации может отличаться от полученного штампом, особенно для структурно-неустойчивых грунтов.

Одноплоскостной срез (ГОСТ 12248.1-2020)

Образец фиксируется в обойме из двух половин. Нижняя половина неподвижна, верхняя сдвигается горизонтальной нагрузкой. Испытание проводится при нескольких ступенях вертикального давления — минимум три образца при разных нормальных нагрузках.

Что определяет: удельное сцепление (c) и угол внутреннего трения (φ) — два ключевых параметра прочности, которые входят в формулу несущей способности основания по СП 22.13330.2016.

Ограничение: плоскость среза задана конструкцией прибора — в массиве грунт разрушается по наименее прочной поверхности, которая не обязательно горизонтальна. Для анизотропных и слоистых грунтов результат может быть неконсервативным.

Схемы испытания:

• Консолидированно-дренированный (медленный) — наиболее точный, моделирует длительную нагрузку
• Неконсолидированно-недренированный (быстрый) — моделирует условия строительного периода
• Консолидированно-недренированный — промежуточный вариант

Трёхосное сжатие (ГОСТ 12248.3-2020)

Образец цилиндрической формы помещается в камеру стабилометра, заполненную жидкостью под давлением. Создаётся всестороннее обжатие (боковое давление), затем прикладывается дополнительное вертикальное давление до разрушения.

Что определяет: прочностные и деформационные характеристики в условиях, максимально приближённых к реальному напряжённому состоянию грунта в основании сооружения.

Когда необходим:

• Здания высотой свыше 75 м
• Глубокие котлованы (свыше 5 м)
• Объекты на слабых грунтах
• При проектировании свайных фундаментов в сложных условиях
• Когда результаты одноплоскостного среза вызывают сомнения

Трёхосное сжатие дороже и занимает больше времени, но моделирует напряжённое состояние ближе к реальному, чем срез или компрессия. Для ответственных объектов экспертиза часто требует стабилометрические испытания. Результаты чувствительны к качеству образца — при нарушении структуры монолита данные могут оказаться менее достоверными, чем срез.

Физические испытания (ГОСТ 5180-2015)

Помимо механических испытаний, каждый образец проходит комплекс физических определений: естественная влажность, плотность, плотность частиц грунта, границы пластичности (для глинистых грунтов), гранулометрический состав (ГОСТ 12536-2014).

Результаты физических испытаний — основа для классификации грунта по ГОСТ 25100-2020 и для назначения нормативных характеристик по СП 22.13330.2016 (Приложение Б).

Полевые методы: испытания в массиве

Полевые испытания проводятся по серии ГОСТ 20276 — семь частей от ГОСТ 20276.1-2020 до ГОСТ 20276.7-2020, заменивших единый ГОСТ 20276-2012 (штамп, радиальный прессиометр, горячий штамп, срез целиков грунта, вращательный срез, лопастной прессиометр и прессиометр с секторным приложением нагрузки), — и по ГОСТ 19912-2012 (статическое и динамическое зондирование).

Статическое зондирование (ГОСТ 19912-2012)

Конусный зонд с муфтой трения вдавливается в грунт с постоянной скоростью: по ГОСТ 19912-2012 (пункт 5.4.5) она составляет (1,2 ± 0,3) м/мин, то есть около 2 см/с, а в прочных и мёрзлых грунтах допускается 0,5 м/мин. Непрерывно измеряются два параметра: сопротивление грунта под конусом (qc) и сопротивление на боковой поверхности муфты (fs).

Что даёт:

• Расчленение геологического разреза на слои без бурения
• Определение типа грунта по соотношению qc/fs
• Оценка модуля деформации, прочности, плотности сложения песков
• Прогноз несущей способности свай

Преимущества: высокая производительность (до 50–100 м зондирования в смену), непрерывный профиль, значительное снижение влияния субъективного фактора по сравнению с лабораторными методами (хотя калибровка оборудования и интерпретация результатов по-прежнему требуют квалификации). Позволяет оценить пространственную изменчивость грунтов на площадке, что особенно важно для вытянутых и крупных объектов.

Испытания штампом (ГОСТ 20276.1-2020)

Жёсткий круглый штамп устанавливают на дно котлована, шурфа или дудки либо в скважину. ГОСТ 20276.1-2020 (пункт 5.2.3) задаёт не диапазон площадей, а четыре номинала: тип I — плоская подошва 2500 и 5000 см², тип II — 1000 см² с кольцевой пригрузкой, дополняющей площадь до 5000 см², типы III и IIIa — 600 см² в забое опытной скважины диаметром 325 мм, тип IV — винтовой штамп 600 см² ниже забоя или в массиве без бурения. Тип и площадь назначают по таблице 1 стандарта — по виду грунта, его положению относительно уровня подземных вод и месту испытания. Нагрузка прикладывается ступенями через систему домкрат — упорная конструкция; измеряется осадка при каждой ступени.

Что определяет: модуль деформации грунта. Штамп — эталонный метод, но устанавливает это не ГОСТ 20276.1-2020, а СП 446.1325800.2019: «при определении деформационных характеристик грунтов и их корректировке в качестве эталонного метода следует принимать испытания штампом площадью 2500–5000 см², а также 600 см² (плоским или винтовым) в скважинах» (пункт 7.2.22.3 в редакции Изменения № 1). Сам ГОСТ 20276.1-2020 описывает только методику испытания и слова «эталонный» не содержит. Требование о корректировке в двух сводах правил сформулировано по-разному, и это стоит держать в голове. Для зданий повышенного уровня ответственности при нагрузках на основание свыше 0,25 МПа СП 22.13330.2016 (пункт 5.3.7 в редакции Изменения № 5) обязывает корректировать модуль деформации, полученный зондированием, дилатометром, компрессионными и трёхосными испытаниями, по параллельным штамповым или прессиометрическим испытаниям. СП 446.1325800.2019 (пункт 7.2.22.1) при том же пороге оставляет эталоном только штамп.

Ограничения: высокая стоимость, трудоёмкость, длительность (одно испытание может занимать 2–5 суток в глинистых грунтах). Для объектов повышенного уровня ответственности (КС-3) штамповые испытания включаются в программу изысканий и часто требуются экспертизой.

Прессиометрия (ГОСТ 20276.2-2020)

Радиальный прессиометр опускается в скважину. Эластичная камера расширяется давлением, нагружая стенки скважины. Измеряется зависимость деформации стенок от давления.

Что определяет: модуль деформации, а при достаточном давлении — и предельное сопротивление грунта.

Преимущества перед штампом: существенно дешевле и быстрее, может применяться на любой глубине (штамп ограничен глубиной шурфа). Недостаток — результат сильно зависит от качества бурения скважины: нарушение стенок при проходке или зашламование забоя искажают зависимость «давление — деформация» и снижают достоверность модуля деформации.

Как читать результаты: что важно для проектировщика

Технический отчёт по результатам испытаний содержит таблицы нормативных и расчётных характеристик грунтов. Ключевые параметры:

Модуль деформации (E, МПа) — главный параметр для расчёта осадки. Чем выше значение, тем менее сжимаем грунт. Ориентировочные диапазоны для предварительных оценок (конкретные значения зависят от состояния, плотности, влажности и метода определения): глины мягкопластичные — 5–10 МПа, суглинки тугопластичные — 15–25 МПа, пески средней плотности — 25–40 МПа, моренные суглинки — 20–40 МПа. Нормативные значения для расчётов — по результатам испытаний или по таблицам СП 22.13330.2016 (Приложение Б).

Удельное сцепление (c, кПа) и угол внутреннего трения (φ, градусы) — определяют несущую способность основания. Чем выше оба параметра, тем больше нагрузку выдерживает грунт. Критически важны для расчёта устойчивости откосов котлованов.

Коэффициент фильтрации (Kf, м/сут) — показывает, как быстро вода проходит через грунт. Определяет водоприток в котлован и необходимость водопонижения.

Расчётные значения получаются из нормативных с учётом коэффициента надёжности по грунту (γg), который зависит от количества определений и изменчивости результатов. Чем больше испытаний — тем ближе расчётное значение к нормативному, тем экономичнее фундамент.

Типичные ошибки и как их избежать

Недостаточный объём испытаний. Заказчик экономит — вместо 10 компрессионных испытаний делает 3. Результат: высокий коэффициент вариации, большой понижающий коэффициент γg, перезаложенный фундамент. Сэкономленное на лаборатории возвращается объёмом бетона: чем меньше определений, тем осторожнее приходится назначать расчётные характеристики и тем толще конструкция.

Нарушение методики отбора. Монолит извлечён с ударами, хранился без парафинирования, транспортировался без фиксации. Естественная структура нарушена — результаты испытаний занижают прочность и завышают деформируемость. Это одна из самых распространённых проблем при передаче образцов субподрядным лабораториям: контроль цепочки «скважина → керновый ящик → парафинирование → транспортировка → лаборатория» теряется.

Несоответствие схемы испытаний реальным условиям. Если грунт в основании здания будет нагружаться быстро (этап строительства), а испытание проведено по медленной (дренированной) схеме — прочность может быть завышена. Обратная ситуация тоже опасна: быстрый срез для глинистого грунта под длительной нагрузкой даст заниженное сцепление. Схему нагружения назначает инженер-геолог в программе изысканий, исходя из геотехнической категории объекта и условий работы основания.

Отсутствие полевого контроля. Лабораторные данные дают характеристики конкретного образца. Но геологический разрез неоднороден — линза слабого грунта между скважинами может остаться незамеченной. Статическое зондирование позволяет оценить изменчивость между скважинами и выявить зоны аномально слабых грунтов, которые были пропущены при бурении.

Как выбрать исполнителя

Качество результатов напрямую зависит от квалификации лаборатории и полевой бригады. При выборе подрядчика для инженерных изысканий проверьте пять пунктов.

Аккредитация лаборатории. Здесь надо различать норму и практику. Аттестат аккредитации выдаёт Росаккредитация, а ГОСТ ISO/IEC 17025-2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий» — не альтернатива аккредитации, а её основание: на нём построены критерии, по которым аттестат и выдаётся. Формулировка «аккредитована или аттестована по 17025» некорректна. При этом прямого требования об аккредитации грунтовой лаборатории ни СП 47.13330.2016, ни СП 446.1325800.2019 не содержат — слово «аккредитация» в них не встречается вовсе; СП 47.13330.2016 (пункт 4.9) обязывает исполнителя изысканий обеспечивать внутренний контроль качества и приёмку полевых, лабораторных и камеральных работ. Поэтому проверять надо не факт наличия аттестата, а область аккредитации: покрывает ли она те методы, которые вам нужны — трёхосное сжатие, компрессию, срез. Аттестат, в области которого нет стабилометрии, для высотного объекта бесполезен.

Оборудование. Для трёхосных испытаний нужен стабилометр с системой контроля порового давления. Для статического зондирования ГОСТ 19912-2012 допускает оба типа зондов — механический (тип I) и электрический (тип II), но на практике электрический предпочтительнее: непрерывная регистрация qc и fs по глубине, проще контроль точности, выше повторяемость результатов. Спросите о марке и годе поверки оборудования.

Контроль цепочки «скважина → лаборатория». Узнайте, как организован процесс: парафинируются ли монолиты в поле, есть ли фотофиксация, как оформляется акт отбора проб по ГОСТ 12071-2014, в какие сроки образцы попадают в лабораторию. Разрыв в этой цепочке — главная причина недостоверных результатов.

Опыт на аналогичных объектах. Испытания грунтов для высотного ЖК и для автомобильной дороги — задачи с разными программами, разными методами и разной глубиной проработки. Убедитесь, что подрядчик имеет портфолио на объектах вашего типа.

Опыт сопровождения экспертизы. Провести испытания и сдать отчёт — половина работы. Вторая половина начинается, когда эксперт МГЭ или негосэкспертизы задаёт вопросы по разделу или просит дополнения. Спросите подрядчика, сопровождал ли он объекты до защиты — это отдельная компетенция, без которой отчёт может зависнуть на этапе экспертизы.

Нормативная база

ГОСТ 12248.4-2020

Компрессионное сжатие: модуль деформации и сжимаемость для расчёта осадки фундамента

ГОСТ 12248.1-2020

Одноплоскостной срез: удельное сцепление c и угол внутреннего трения φ для несущей способности

ГОСТ 12248.3-2020

Трёхосное сжатие: прочность и деформируемость при напряжённом состоянии, близком к реальному

ГОСТ 20276.1-2020

Испытание штампом: методика, типы штампов и площади подошвы — 2500 и 5000, 1000 с пригрузкой, 600 см² в скважине

ГОСТ 19912-2012

Статическое зондирование: непрерывный профиль qc и fs, расчленение разреза без бурения

ГОСТ 25100-2020

Классификация грунтов по результатам физических испытаний для назначения характеристик

Итог

• Испытания грунтов — инструмент, который определяет точность проектных решений и экономику строительства
• Объём определений: малая выборка → большой понижающий коэффициент γg → перерасход на фундамент
• Качество отбора: нарушенный монолит → недостоверные результаты испытаний
• Полевой контроль: без зондирования лабораторные данные не показывают картину между скважинами
• Объекты на слабых грунтах, здания повышенного уровня ответственности, сложная гидрогеология — программу испытаний должен составлять геотехник с опытом на аналогичных объектах

АЛЬТЕРЭКО проводит полевые и лабораторные испытания грунтов — статическое зондирование, штамповые испытания, компрессию, срез, трёхосное сжатие — в аккредитованной грунтовой лаборатории. Программу составляем под геотехническую категорию объекта и сопровождаем отчёт до защиты в экспертизе.

Смежные услуги

Геология земельного участка Геотехнические изыскания Полевые испытания грунтов

Рассчитать стоимость изысканий