книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

Приложение Б

ВТОРИЧНАЯ КОНСОЛИДАЦИЯ

Согласно СП 23 нестабилизированная осадка st к моменту времени t определяется по формуле

где U1, U2 – соответственно степень первичной и вторичной консолидации грунта; s – конечная осадка; δcrp,n и δ1,crp,n – параметры ползучести, определяемые по результатам компрессионных испытаний исходя из зависимости

где ε0,i – мгновенная деформация; εt,i – деформация за время t.

Степень вторичной консолидации U2 определяется с учетом свойств ползучести грунта. Для сооружений III и IV классов допускается опреде-

Программы для определения параметров U1, U2, δ1,crp, δcrp, δcrp,i, δ1,crp,t имеются в нормативной документации ВНИИГидротехники

им. Б.Е. Веденеева.

281

Лекция девятая МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

Введение

Начальный период формирования механики грунтов может свидетельствовать о преувеличенном в те годы представлении о возможностях теории упругости. Действительно, с позиций этой теории безразлично, как испытываются вещества, на сжимаемость или прочность, либо как взятый из массива образец и испытанный методом одноосного сжатия, в стабилометре, в компрессии, в сдвиговом приборе, либо как результат пробного испытания штампом, если при анализе тех и других испытаний используется соответствующая краевая задача той же теории. На первых этапах развития отрасли инженерно-строительных изысканий оценка свойств грунтов проводилась в основном лабораторными методами. Это объясняется относительной простотой аппаратуры и методики, а также стремлением получить в нуль-мерном эксперименте представление о свойствах грунтов, качественно отличающих их от свойств других материалов и, следовательно, способствующих развитию самой механики грунтов.

Лабораторным методам практически нет альтернативы при опре-

делении физических характеристик грунтов. Только иногда прибегают к определению в полевых условиях таких характеристик, как удельный вес (методом лунок), степень уплотнения (приборы стандартного уплотнения). Способы определения физических характеристик регламентированы системой государственных стандартов [1–7] и др. и подчиненных ему документов (пособий, рекомендаций и т.п. [8] и др.). Важнейшие характеристики физических свойств и способы их вычисления показаны в приложении А.

Что же касается механических характеристик грунтов, то было ус-

тановлено, что лабораторные испытания дают сильно заниженную оценку прочности и особенно – сжимаемости грунтов. Если часть расхождений лабораторных и полевых испытаний можно объяснить несовершенством приборов, нарушением структуры и др., то другая, бόльшая часть расхождений не имеет сколько-нибудь приемлемого объяснения с позиций подхода, основанного на линейном представлении поведения грунтов при силовом воздействии.

Поэтому несколько позднее другим, а в дальнейшем и ведущим направлением в оценке строительных свойств грунтов стали полевые методы испытаний в условиях естественного залегания («in situ»), которое возникло уже в 1930-е гг. Главным из них считаются испытания

282

штампами и сдвиговыми приборами. Преимущество полевых испыта-

ний – почти полное моделирование работы фундамента. Важнейшие характеристики механических свойств и способы их определения показаны в приложении Б.

Еще позднее, к 1950–60-м гг., выяснилось, что результаты испытаний штампами разного размера также различаются между собой, хотя и менее значительно, чем по сравнению с лабораторными опытами, что также необъяснимо с позиций линейного подхода.

В связи с высокой стоимостью и трудоемкостью полевых испытаний, ограниченным диапазоном их использования, особенно в слабых и обводненных грунтах, начиная с 1930-х гг. постоянно ведутся поиски других, более простых методов испытаний на сжимаемость и прочность. Это касается как оптимизации размеров штампов, так и поисков других методов полевых испытаний – сдвиговых испытаний, испыта-

ний прессиометрии, зондированием.

К концу 1960-х гг., с накоплением экспериментальных данных полевых испытаний, стали публиковаться справочные таблицы значений характеристик сжимаемости и прочности грунтов; одна из них впервые была включена в СНиП II-Б.1–62. А к концу ХХ в. появились таблицы для приблизительного, визуального определения основных характеристик состояния их свойств.

В следующих разделах лекции дается характеристика перечисленных выше методов полевых испытаний грунтов.

1 Сжимаемость грунтов

1.1 Полевые испытания на сжимаемость

Сначала пробные испытания грунтов нагрузками проводили только для определений прочности грунтов (допускаемой нагрузки), причем использовали штампы площадью от 20 20 до 40 40 см.

С1930-х гг. классическим стал считаться штамп площадью 10 000 см2, причем он предназначался преимущественно для оценки только характеристики сжимаемости грунтов – модуля деформации Е. Первые испытательные установки были громоздки, трудоемки, не свободны от ряда метрологических и методических погрешностей и, как отмечалось, имели ограниченный диапазон применения.

Сгодами постепенно отказались от штампов большой площади, заменив их сначала штампами площадью 5000 см2 (впервые этот размер был назван стандартным в 1930 г.), затем площадью 2500, 1000 см2

(с кольцевой пригрузкой) и наконец, почти повсеместно, площадью 600 см2, в виде плоского и винтового штампа. Соответствующие модули деформации обозначают Е10000, Е5000, Е1000 или Е600.

283

Конструкции установок показаны на рис. 9.1–9.3. Известны другие испытательные установки – анкерный штамп АШ-600 треста «УралТИСИЗ» (рис. 9.3, а). Винтовой штамп допускает погружение его непосредственно в массив грунта как с образованием (рис. 9.3, б, в), так и без образования скважин (рис. 9.3, г), что расширяет его возможности.

Способы полевых испытаний регламентированы системой государственных стандартов [2–4], которые предусматривают нагружение грунта ступенями давления р, выдержку каждой во времени t, до условной стабилизации деформаций, критерии которой в каждом грунте различны.

Рис. 9.3. Штампы площадью 600 см2: а – анкерный штамп АШ-600 треста «УралТИСИЗ»; б – плоский штамп в скважине; в – винтовой штамп

в скважине; г – винтовой штамп в массиве

284

1.1.1 Основные элементы метода испытания штампами.

Основные требования норматива [2]:

–ступени давления р = 0.025…0.1 МПа, принимаются: для крупнообломочных и песчаных грунтов – в зависимости от степени влажно-

сти Sr и крупности; для глинистых грунтов – от коэффициента пористости е и показателя текучести грунта IL; причем общее число ступеней должно быть не менее четырех, в частых случаях, которые обсуждаются далее – не менее пяти;

–каждая ступень р выдерживается до условной стабилизации – приращения осадки S ≤ 0.1 мм за время t = 0.5…2.0 для песков в зави-

линейном участке.

Кроме того, должны выполняться следующие условия:

1) если приращение осадок на 4-й точке будет в 2 раза больше приращения на 3-й точке (ΔS3–4 > 2 S2–3), в этом случае должно быть проведено испытание приложением давления, соответствующего 5-й точке; если приращение на 5-й точке будет не менее приращения на 4-й точке (ΔS4–5 ≥ S3–4), расчет модуля ведется по трем первым точкам (осредняющая линия а на рис. 9.4), а давление в третьей точке р3 принимается за критическое Ркр;

2) если приращение осадок на 4-й точке S3–4 ≤ 2 S2–3,расчет модуля ведется по четырем точкам (см. линию б на рис. 9.4); в этом случае приложения давления, соответствующего 5-й точке, не требуется, но приложение 5-й точки давления могло повысить вероятностьустановления Ркр;

3) при выполнении условий S3–4 ≤ 2 S2–3, но S4–5 ≥ 2ΔS3–4 расчет модуля также ведется по четырем точкам, а за критическое Ркр прини-

мается давление в четвертой точке р4;

4) наконец, при выполнении условий S3–4 ≤ 2 S2–3 и S4–5 ≤ 2ΔS3–4 расчет модуля ведется по пяти точкам, но в этом случае формально уста-

новить Ркр не представляется возможным.

285

1.1.2 Обсуждение правила. Основной режим испытания – нагружения грунта нагрузками, соответствующими 4–5 ступеням давления р – предполагает, с одной стороны, оптимизацию испытания, а с другой, допускает возможность определения по результатам опыта критического давления по формальному признаку: за Ркр следует принимать такое давление рi, при превышении которого выполняется условие

Si+1/ΔSi–1 ≥ 2, но более строго tg αi+1/tg αi–1 ≥ 2, если ступени давления p различны (еще более строго, если вместо tg αi–1 принять тангенс осред-

ненного угла на всемучастке давлений с 1-го до i-го, т.е. на участке р1– рi). Например, по рис. 9.4 за Ркр можно принять давление р3, если выполняется условие tg α3–4/tg α2–3 ≥ 2, либо давление р4, если было бы вы-

полнено tg α4–5/tg α3–4 ≥ 2.

Однако условие Si+1/ΔSi–1 ≥ 2 следует считать чрезмерно жестким. Фактически это условие означает применение ко всем грунтам параметра t = 2, названного в 5-й лекции об осадках фундаментов «скачком» производной S = f (р) при давлении Ркр.

В 4-й лекции было показано, как развиваются деформации в различных грунтах: в песчаных – со скачком в виде параметра от t = 1.1 до t = 1.25, в глинистых – до t = 2 и более.

Отсюда следует вывод о том, что по условию Si+1/ΔSi–1 ≥ 2 критическое давление Ркр практически недостижимо в большинстве грунтов. Например, если рассматривать заглубленный на глубину d = 2 м штамп А = 5000 см2, приложением 4–5 ступеней р = 0.1 МПа критическое давление почти не будет превышено только в песках и прочных грунтах, где Ркр = 0.35–0.5 МПа. В слабых грунтах, имеющих Ркр = 0.1…0.125 МПа, давление Ркр не будет превышено только при р = 0.025 МПа, но существенно превышено при р = 0.05 МПа, а получаемый модуль Е будет также неопределенно заниженным.

Более логичным было бы вместо правила для установления Ркр (ΔSi+1/ΔSi–1 ≥ 2) ввести более дифференцированное правило, например, Si+1/ΔSi–1 ≥ t, а значение t принять равным 1.25 для песков и крупнообломочных грунтов, 1.5 для супесей, 1.75 для суглинков и 2.0 для глин. Это следует рассматривать как предложение, требующее проверки в массовом эксперименте.

Формула для вычисления модуля деформации грунта в ГОСТ 20276 приведена в несколько отличном от приведенной на рис. 9.2 формулы

где ν = 0.27, 0.30, 0.35 и 0.42 – коэффициенты Пуассона соответственно для крупнообломочных грунтов, песков и супесей, суглинков и глин;

286

K1 = 0.79 – коэффициент для круглого штампа (0.88 для квадратного); D – диаметр штампа; p и S – приращение давления и осадки, осредненные на принятом участке графика S = f (р).

Формула (9.1) также содержит коэффициент заглубления штампа Kp, значения его в зависимости от относительной глубины испытания: от Kp = 1.0 при h/D = 0 до Kp = 0.7 при h/D = 5. Этот коэффициент используется только для винтовых штампов, завинчиваемых в массив грунта (см. рис. 9.3, г). Следует отметить, что проф. К.Е. Егоров [9] предлагал вводить коэффициент Кр = 0.7 на основе решения теории упругости о нагружении заглубленного штампа.

Модуль упругости Е0 вычисляется по той же формуле, с заменой

p и S на p0 и S0 (см. рис. 9.2).

Вывод. Высокую достоверность и надежность испытаний штампами определяет использование при анализе их результатов тех же расчетных схем, что и при расчете оснований; это означает меньшую зависимость результатов испытаний от применяемых расчетных схем и моделей. Поэтому результаты штамповых испытаний стали базой для оценки любых других методов испытаний – лабораторных и других полевых, отличных от штампов. Но, как отмечалось, сами результаты испытаний штампами разного размера также различаются между собой,

иэто обстоятельство служит предметом анализа следующего раздела.

1.1.3Анализ испытаний грунтов штампами разных размеров.

Вначале, когда не было накоплено достаточного числа сопоставитель-

ных модулей Е5000 и Е600, вопрос об их соотношении не обсуждался. Но к началу 1970-х гг. был накоплен достаточный материал о соот-

ношении модулей деформации, полученных при испытаниях штампами разных размеров. Заслуживает внимания работа В.М. Чижевского [10]. Позднее в статье В.В. Лушникова [11] анализ дополнен испытаниями более двухсот штампов разных размеров. В табл. 9.1 приведены сведения о количестве испытаний, полученных в основном на Среднем Урале, а в скобках – дополнительное число опытов, полученных В.В. Лушниковым после работ В.М. Чижевского.

287

сии изменились несущественно; одна из них для штампа А = 5000 см2 показана на рис. 9.5 пунктиром и стрелкой.

Устойчивая зависимость модуля Е от размера штампа подтверждает неоднократно напоминаемую условность применения к грунтам теории упругости, также требует оценки результатов других испытаний, отличных от штампа – компрессии, прессиометрии, зондирования.

1.1.4 Дополнительная оценка значений m.

1. В отличие от теории упругости, в решениях задач об осадках фундаментов на нелинейном основании (см. 5-ю лекцию) зависимости «осадка S – размер штампа-фундамента b, d» имеют ярко выраженную нелинейность – повышенную сжимаемость при малых размерах b и d (следствие пластических деформаций под краями) и постепенно понижающуюся с увеличением размеров штампа (следствие тормозящего влияния веса грунта). Если же рассмотреть области, относящиеся к размерам используемых в испытаниях штампов, можно

288

видеть, что соотношение осадок штампов бóльших и меньших размеров (и обратное – модулей Е) примерно соответствует приведенным

втабл. 9.2 значениям.

2.Норматив СП 23 [7] предполагает определение модуля деформации грунтов по результатам компрессионных испытаний по формулам

где Еp – компрессионный модуль деформации; β = 1–2 2/(1 – ); но

289

m = 2.1. Вероятно, для штампов размером d < 0.25 м зависимости S = f (d) будут повторять такие предположения: на рис. 9.7 на продолжении влево темных линий показаны осадки, рассчитанные при m = 2.34.

Коэффициенты m = Е5000/Е600 предлагается именовать коэффициентами или поправками Чижевского (по примеру поправок И. Агишева [14] и О. Игнатовой [15] к результатам компрессии) и рассматривать их не как «факторы торможения», а, напротив, как «факторы увеличения, роста» осадок при уменьшении размеров штампов против штампа А5000.

Это допускает принципиальную возможность использования для оценки сжимаемости грунтов результаты испытаний штампами меньших размеров [11].

Пример. Если за достоверное принять полученное выше значение параметра n = 0.528 и сохранить в качестве базового для оценки деформаций штамп площадью А1 = А5000, коэффициенты m (поправки Чижевского) при использовании штампов площадью 300 и 200 см2 следующие:

–для штампа А300 (ΔS1/ΔSо = d5000/d300 = 4.085; А1/Ао = 16.666) зна-

чение m = 2.1;

–для штампа А200 (d5000/d200 = 5; А1/А0 = 25) значение m = 2.34.

1.2Лабораторные испытания на сжимаемость

1.2.1Компрессионные испытания. Согласно ГОСТ 12248–2012 [1]

образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношение высоты к диаметру 1: 3.5. Основные показатели методики испытания (ступени, критерии стабилизации деформаций) приведены в табл. 9.3.

Критерийусловнойстабилизации деформации–0.01мм запоследние 4 ч наблюденийдля песков,16ч–дляглинистыхи24ч–дляоргано-минеральных и органических грунтов

Основная цель испытания – получение компрессионного модуля деформации Еk (Еoed), подлежащего последующей корректировке, и структурной прочности pstr, соответствующей, относительной дефор-

мации ε > 0005.

290