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

Проблема корректировки компрессионных испытаний подробно рассмотрена в 5-й лекции.

1.2.2 Испытания в стабилометрах. Проблема соотношения

«стабилометр – штамп» менее известна и почти не обсуждается в литературе. Несмотря на то, что стабилометр имеет некоторые преимущества перед компрессией (бóльшую высоту образца, возможность измерения бокового давления и др.), какого-либо приближения модулей Ест к штамповым Е по результатам испытаний грунтов почти не получено.

Таблица 9.4

Значения mст (элювиальные грунты)

Тенденция систематического и устойчивого занижения, подобного описанному выше для компрессии в одометрах, сохраняется за небольшими различиями.

В частности, судя по результатам 15 испытаний, выполненных автором [11] на элювиальных суглинках, приведенные в табл. 9.4, соотношения mст = E/Eст остается примерно постоянным независимо от коэффициента пористости грунтов (в сравнении с коэффициентами mк = E/Eк, приведенными для суглинков в последней строке таблицы).

Для практических расчетов из осторожности рекомендуются те

же, что и в компрессии, повышающие коэффициенты mк (или moed), но проблема «стабилометр – штамп» требует дальнейшего изучения.

2 Прочность грунтов

2.1 Полевые испытания на прочность

Согласно ГОСТ 20276–2012 [3] устанавливаются правила испытания на сдвиг методом среза целиков грунта. Конструкции установок показаны на рис. 9.8.

Наиболее распространены испытания путем среза образцов (целиков) грунта в горизонтальной плоскости (рис. 9.8, а). Конструкция на рис. 9.8, б, разработанная трестом «УралТИСИЗ», применяется редко, а ранее широко пропагандируемая установка для среза грунта методом выпирания (рис. 9.8, в) сейчас почти неизвестна (более подробно о ней см. [12, 13]).

291

Нормальные р и касательные τ напряжения и нагрузок по результатам не менее чем трех испытаний целиков грунта вычисляют по формулам: р = Р/А и τ = Q/А (А – площадь среза).

Типичные графики показаны на рис. 9.9: а – графики τ = f (р) для глин и песков, б – графики τ = f (Δl) и τ = f (р) для грунтов без жестких структурных связей. Особенность сдвига грунтов со структурными связями в том, что в части опытов она может проявиться в виде максимальной (пиковой) и установившейся прочности (см. рис. 9.9, в), что может вызвать неопределенность при обработке результатов – строить график τ = f (р) по трем (поз. 1) или четырем точкам (поз. 2 и пунктир).

Рис. 9.9. Построения графиков испытания на сдвиг τ = f (Δl) и τ = f (р): а – различие графиков τ = f (р) для глин и песков; б – графики для бесструктурных суглинков; в – то же, с частичным нарушением структуры

Угол внутреннего трения φ и удельное сцепление с определяют по графику τ = f (р), а по нему методом наименьших квадратов или графически с учетом выбранного числа точек определяют удельное сцепление с и тангенс угла внутреннего трения tg φ.

2.2 Лабораторные испытания прочности

Согласно ГОСТ 12248–2012 [1] диаметр кольца срезного прибора D должен быть не менее 70 мм, высота (1/3–1/2) D. Для однородных глинистых грунтов допускается меньший диаметр – до 56 мм. Так же, как в полевом испытании, проводится предварительное уплотнение образца непосредственно в кольце или в уплотнителе.

Испытание грунта может проводиться как при естественной влажности, так и при полном насыщении грунта водой. Для полного водонасыщения образцы грунта необходимо предварительно замочить водой.

Время насыщения принимается от 10 мин для песков, от 3 до 12 ч для супесей и суглинков и до 36 ч – для глин; время выдержки ступеней предварительного уплотнения р от 5 до 30 мин, время условной стабилизации деформаций по критерию l ≤ 0.01 мм/мин – от 30 мин для песков, 3–12 ч для супесей и суглинков и до 18 ч – для глин.

Условия испытания на срез:

– ступени давления р = 0.025…0.1 МПа, число их не менее трех;

293

–время стабилизации осадки при предварительном уплотнении – приращение S ≤ 0.01 мм за время t = 30 мин для песков и 18 ч для глинистых грунтов;

–максимальное значение сопротивления срезу τ на i-й ступени фиксируется при мгновенном срезе одной части образца по отношению

кдругой либо при деформации l, на 10 % больше по сравнению с деформацией li–1, от предыдущей ступени; для сравнения: в полевых ис-

пытаниях – при деформации l = 50 мм.

2.3 Дополнительные оценки

Имеет место значительное различие в степени консолидации грунтов в полевых и лабораторных опытах на срез: как следствие, в полевых опытах углы трения φ глинистых грунтов, как правило, существенно занижены, а удельного сцепления с, напротив, существенно завышены.

В качестве примера на рис. 9.10 приведены результаты параллельных испытаний водонасыщенных элювиальных грунтов в основном полутвердой консистенции на консолидированно-дренированный срез, проведенных В.В. Лушниковым в 1970–80-е гг.

Рис. 9.10. Сравнение результатов полевых и лабораторных испытаний элювиальных суглинков на срез

Одному полевому испытанию поставлено в соответствие не менее 3–4 испытаний в срезных приборах. Если результаты лабораторных испытаний достаточно хорошо согласуются с табличными значениями по СП 22 [6], то завышение сцепления с и соответствующее занижение угла φ возрастает с ростом пористости и водонасыщения до 20–25 %.

Изменение значений расчетного сопротивления R и предельного давления Рпр в зависимости от характеристик грунтов – максимального при е=0.95 и минимального при е=0.65 по рис.9.10 – для квадратного фундаменташиринойb =1и3м,глубинойзаложенияd =2мпоказановтабл.9.5.

294

Таблица 9.5 Значения R и Рпр для фундаментов глубиной заложения d = 2 м

Различия в величинах рассчитанных значений R относительно невелики (до 20 %), но для Рпр различия достигают при е = 0.95 до 46–50 %,

при е = 0.65 до 31–33 %.

Отмеченная неопределенность подчеркивает необходимость продолжения исследований в этом направлении.

3 Метод прессиометрии

Сущность метода прессиометрии – приложение к участку скважины всестороннего давления, измерение перемещений стенки скважины и вычисление модуля деформации с использованием сначала формулы Ляме, а позднее – других ее модификаций. Преимущество прессиометров – при испытании не возникает реактивных усилий при нагружении грунта, что не требует анкерных устройств. Приборы легко помещаются на большую глубину даже в неустойчивых грунтах. Их можно оснастить дополнительными устройствами для замачивания, нагревания или охлаждения грунта, создания динамических воздействий.

Впервые метод привлек внимание в 1930–50-е гг. благодаря работам Ф. Кёглера (Kögler [16]) и К. Терцаги (Тerzaghi [17]). В эти же годы было опубликовано несколько работ отечественных ученых – А. Ктаторова [18], Н.А. Цилюрика [19].

Второе рождение прессиометрического метода в 1960–80-е гг. было связано с работами французского инженера Л. Менарда (Menard) [20], первая публикация которого появилась в переводе в 1964 г. Это был трехкамерный прессиометр (рис. 9.11), центральная часть рабочей камеры которого (поз. 9) служит для измерения перемещений стенок скважины (по понижению уровня воды в наземной части прибора), а две крайние (поз. 8), нагруженные тем же давлением, что и центральная, предотвращали выпоры грунта по краям загруженного участка, а также обеспечивали условия, близкие к плоской задаче (для этого длина прибора была в 4–5 раз больше его диаметра).

295

1979 (памяти Кёглера) [23], «Pressio 2005» в Париже (к 50-летию метода Менарда) [24] и «Pressio 2016» в Тунисе. Наиболее полная характеристи-

ка метода приведена журнале «International Journal Geotechnics» [25]. Ис-

следования завершились изданием государственных стандартов, причем ГОСТ 20276 с небольшими изменениями издавались 4 раза – в 1974, 1985, 1999 и 2012 гг.

Обоснование нормативов содержится в работах [21–27] и др.

В ГОСТах метод получил название метода радиальной прессиометрии – в отличие от метода лопастной прессиометрии, который по существу представляет собой разновидность метода испытаний горизонтальным штампом малых размеров; поэтому он здесь не обсуждается.

Таким образом, прессиометрия стала единственным методом, вошедшим в строительные нормативы в ХХ в. наравне с ранее существовавшими методами испытаний – штампами, компрессией, зондированием.

Результирующий график испытания прессиометром (рис. 9.12) имеет все особенности графика вдавливания в грунт штампа. Это говорит о реализации не только объемных, но и больших сдвиговых деформаций. Следовательно, в прессиометрии открываются возмож-

296

ности определения из опыта не только деформационных, но и прочностных характеристик. Здесь легко обеспечить схему плоскодеформированного состояния, что упрощает решения задач не только в прямой, но и в обратной постановках. Это позволяет вложить больше информации в решение задач, учесть наиболее существенные свойства грунтов (например, физическую анизотропию – различие

деформируемости при сжатии, растяжении и разгрузке), которые в задаче о нагружении штампа практически недоступны учету.

Серьезным препятствием на первых этапах исследований было убеждение многих ученых о существовании значительной геометрической анизотропии – различия сжимаемости грунтов в вертикальном и горизонтальном направлениях. Однако вывод множества исследований геометрической анизотропии следующий: в абсолютном большинстве нескальных грунтов различия сжимаемости не более 20–30 %; исключение составляют слоистые грунты (ленточные глины, лессы), у которых различие наблюдается только на начальных этапах нагружения, причем оно редко превышает 20–30 %. Для таких грунтов согласно СП 22, 2016 [6] вводятся поправки по соотношению одометрических модулей в вертикальном (Eк или Eoed) и горизонтальном (EкН или EoedH)

направлениях: Ka = Eк/EкН или Eoed/EoedH.

Другим фактором неопределенности служит отсутствие достоверных сведений о существующем в грунте горизонтальном давлении. Несомненно, что это давление играет огромную роль при проведении, интерпретации опытов и общей оценке метода прессиометрии.

Общепринятой относительно горизонтального давления σху,g является гипотеза геостатики, согласно которой давление σху,g соответствует состоянию покоя σху,g = ξ σzg, доле от вертикального σzg с коэффициентом ξ = μ / (1 – μ). Другие гипотезы предполагают равенство горизонтального и вертикального давления (гипотеза гидростатики) либо превышение горизонтального давления над вертикальным (гипотеза геостатики), которую объясняют существованием над грунтом «доисторического» давления (от ледника или ранее существовавшего рельефа). Убедительных аргументов в пользу одной из гипотез для нескальных грунтов пока нет. В прессиометрии же общепринятой признана гипотеза геостатики.

297

3.1 Режимы испытаний

Ставилась задача получения из опыта модуля деформации, соответствующего эталону (Е5000), т.е. результатам испытаний штампом преимущественно площадью А = 5000 см2.

В соответствии со стандартом (ГОСТ 20276) испытания штампами проводятся путем ступенчатого нагружения грунта (по 10–50 кПа) с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации деформаций – приращения осадки не более 0.1 мм за 1–2 ч в зависимости от состояния грунта. Поэтому, в отличие от методики кратковременного нагружения грунта по Л. Менарду, прессиометрические опыты стали проводиться так же, как и штампами – до условной стабилизации деформаций – приращения радиуса скважины R = 0.1 мм на каждой ступени в зависимости от вида и состояния грунта за разное время:

–по медленному режиму, принятому за основной, – за 15–60 мин;

–по быстрому режиму, первоначально рассматриваемому как вспомогательный, – за 3–6 мин.

Сравнение результатов испытаний по медленному и быстрому режимам на одной из ступеней давления приведено на рис. 9.13 для двух

разновидностей суглинка с показателями текучести IL = 0.72 и IL = 0.12. Продолжительность опытов при быстром режиме составила 18 и 35 мин, при медленном – 40 и 60 мин. Время испытания при быстром режиме сократилось соответственно на 42 и 30 %.

Рис. 9.13. Сравнение продолжительности прессиометрического опыта по медленному и быстрому режимам

Описываемые далее результаты параллельных испытаний грунтов (штампами и прессиометрами) в первые годы проводились исключительно в медленном режиме.

Быстрый же режим обязательно сопровождался выборочными испытаниями тех же грунтов по медленному режиму, а сравнением полу-

298

чаемых модулей устанавливались переходные коэффициенты к модулям по быстрому режиму. Например, если при быстром режиме получали модуль Еб = 7.5 МПа, а при медленном Ем = 5.7 МПа, тогда отношение Kt = Ем = 5.7 / 7.5 = 0.76 вводилось как поправка к модулю Еб, и он рассматривался наравне с полученным по медленному режиму: Ем = Еб Kt = = 7.5 · 0.76 = 5.7 МПа.

Поскольку длительность испытаний по медленному режиму составляла 1–2 суток, иногда более, в дальнейшем возникла идея так называемого условно-медленного режима, когда испытание проводится по быстрому режиму, затем методом экстраполяции (как правило, экспонентой) находится значение перемещения, соответствующее как бы медленному режиму (по приращению в r = 0.1 мм не за t = 3…6 мин, а за t = 30…60 мин), затем вторую ступень, тоже быстрого режима, прикладывают не к своей первой ступени быстрого режима, а к условному перемещению условно-медленного режима. Вторую, третью и последующие ступени быстрого режима также экстраполировали по тому же принципу. Пояснение принципа условно-медленного режима приведено на рис. 9.14.

Рис. 9.14. Пояснение принципа условно-медленного режима

На рис. 9.15 представлено сравнение продолжительности и величин получаемых модулей деформации прессиометрических опытов по медленному, быстрому и условно-медленному режимам. Продолжительность испытания по медленному режиму для 7 ступеней давления составила 300 мин, по быстрому – 120 мин (меньше на 60 %), а по ус- ловно-медленному – 215 мин (меньше на 28 %), но получаемые значения модулей различаются незначительно: при медленном режиме

Е= 5.1 МПа, при условно-медленном Е = 5.1 МПа, при быстром режиме

Е= 6.9 МПа.

299