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

Рис. 9.16. Результаты испытаний штампами площадью А = 5000 и 600 см2 и прессиометрами в зависимости от глубины испытания Z (цифрами в кружках показаны средние коэффициенты Кr)

С накоплением результатов сопоставительных испытаний в стандарты с 1985 г. стали водиться коэффициенты как для медленного, так и для быстрого режима. Первоначально принятые коэффициенты

(см. ГОСТ 20276–2012 [3]) приведены в табл. 9.7 и 9.8.

Таблица 9.7 Значения Кr для медленного режима нагружения*

* При глубинах свыше 20 м корректирующий коэффициент Кr допускается принимать: для песков и супесей 1.30, для суглинков 1.35, для глин 1.42.

301

Впоследней редакции ГОСТа [28] включены значения Кr, приведенные в табл. 9.9 и 9.10.

Как отмечалось, прессиометрический модуль Еr фактически стал наравне со штамповым эталоном при оценке результатов других испытаний, например, компрессией или зондированием.

Впоследней редакции СП 22 включены следующие положения, разрешающие использование метода прессиометрии при проектировании объектов высокой (I и II уровней) ответственности:

– п. 5.3.4 «Модули деформации E песчаных и глинистых грунтов, не обладающих выраженной анизотропией их свойств в горизонтальном

ивертикальном направлениях, могут быть определены по испытаниям прессиометрами в скважинах или массиве (ГОСТ 20276)»;

– п. 5.3.6 «В лабораторных условиях модули деформации глинистых грунтов могут быть определены в компрессионных приборах и приборах трехосного сжатия (ГОСТ 12248). Для сооружений I и II уровней ответственности значения E по лабораторным данным должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта штампами, прессиометрами».

Вновом ГОСТ 20276.2–2020 «Грунты. Метод испытания радиальным прессиометром» [28] расчетная формула несколько другая и соответственно меньшие значения Кr (табл. 9.9, 9.10):

где µ – коэффициент Пуассона.

302

Можно отметить существенное повышение коэффифицентов Kr для медленного режима – от 2.60–3.55 против 2.0 и 3.0 для глубин до 10 м и от 1.95–2.84 против 1.5 для глубин более 10 м.

Таблица 9.9

Значения Кr для медленного режима (в скобках – с учетом множителя 1 + µ)

В ГОСТе [28] значения Кr для быстрого режима не приводятся, но их можно получить из табл. 9.9 путем введения ранее полученного значения Kt (для примера Kt = 0.76).

Таблица 9.10 Значения Кr для быстрого режима (без учета множителя 1 + µ)

При проведении испытаний по медленному режиму других генетических типов грунтов, не предусмотренных табл. 9.10, коэффициент Кr допускается принимать равным:

при глубинах до 10 м: при ε ≤ 0.8 – 2.2; при ε > 0.8 – 1.8;

при глубинах более 10 м: при ε ≤ 0.8 – 2.0; при ε > 0.8 – 1.5.

3.3Предложения по дальнейшему развитию метода

1.Необходимо продолжить работу по уточнению переходных ко-

эффициентов типа Кr, имея в виду отмеченную выше условность применения теории упругости к расчетам грунтовых оснований, неопреде-

ленность эталона для получения коэффициентов Кr (зависимость модулей Е от размера штампов). Объективным эталоном для оценки должны служить деформации реальных объектов; вероятнее всего, существую-

щие значения коэффициентов Кr могут быть существенно повышены. Подчеркивается важность этой проблемы в связи с возрастанием доли высотного строительства.

303

2.Как отмечалось, метод прессиометрии допускает принципиальную возможность получения из опыта не только деформационных, но также и прочностных характеристик грунтов; для этого необходимо, кроме нелинейного участка, получить еще 4–5 точек в нелинейной области зависимости R = f (p). Однако попытки использования для этой цели предложений Л. Менарда не привели к устойчивому результату,

аперспективные предложения на этот счет [26] и др. пока не получили развития. Кроме того, реализация этого предложения требует заметного увеличения времени испытания.

3.Метод прессиометрии также допускает принципиальную возможность ускорения испытаний. Вероятно, можно по примеру Л.Менарда сократить продолжительность выдержки каждой ступени давления до минимума (например, не до стабилизации, а до 5–10 мин) и по результатам таких «сверхбыстрых»испытанийискатьновыекоэффициентыпереходатипаКr.

4.С учетом многообразия грунтов на территории страны перспективны исследования по применению метода прессиометрии для испытаний особых разновидностей грунтов: просадочных с замачиванием, мерзлых с оттаиванием и др.

5.Также перспективно использование прессиометрического принципа нагружения в других испытательных установках – зондах, показанных далее приборах поступательного сдвига и др.

3.4 Конструкции приборов

Прессиометрические устройства имеют разные конструкции: прессиометры воздушного типа, прессиометры для испытаний слабых грунтов, зонды-прессиометры, поворотные тензометрические зонды, приборы кольцевого среза (рис. 9.17).

3.4.1 Прессиометры воздушного типа. В связи с холодными климатическими условиями страны наибольшее распространение получили однокамерные приборы с воздушной системой нагружения и дистанционным измерением радиальных перемещений – прессиометр ПЭВ (рис. 9.17, а, также рис. 9.18). Зонд прибора с эластичной оболочкой помещается в скважину под защитой трубы; электрические датчики для измерения радиальных перемещений R под давлением р размещены в центральной части зонда, с тем чтобы уменьшить влияние краевых эффектов, которые исключаются в трехкамерных гидравлических приборах Л. Менарда. Показания датчиков передаются через электрические провода внутри шланга и фиксируются измерительным прибором.

Другой вариант прессиометра воздушного типа – пневматический (рис. 9.17), предполагает измерения деформаций на основе фундаментальной зависимость между давлением, объемом и температурой газа (уравнения Менделеева – Клапейрона).

304

Для испытаний мерзлых грунтов прибор оснащается нагревательным устройством – для создания зоны оттаявшего грунта радиусом, равным 2–3 радиусам скважины. В ходе опыта измеряются деформации при оттаивании (для определения коэффициента оттаивания) и при последующем нагружении слоя оттаявшего грунта давлением – для определения коэффициента сжимаемости.

Для испытаний лессовых грунтов вокруг зонда образуют зону замоченного грунта. В ходе опыта измеряются деформации в процессе замачивания – для определения коэффициента просадочности, и при последующем нагружении замоченного грунта давлением – для определения модуля деформации.

3.4.2 Прессиометры для испытаний слабых грунтов. Основную и наиболее актуальную проблему представляют слабые грунты, стенки скважин в которых неустойчивы. Наибольший интерес представляет са-

ется непосредственно в массив грунта без образования скважины, что обеспечивает сохранение структуры грунтов и природного напряженного состояния. К сожалению, производство приборов такого типа

вРоссии не ведется.

Внеустойчивых грунтах применяется одна из технологий установки прессиометра, показанных на рис. 9.20 и 9.21. Первая из них предполагает использование разрезной обсадной трубы с гибкими элементами, которые позволяют установить камеру и осуществить испытание.

Суть второй технологии: вначале в скважину, закрепленную обсадной трубой, погружается зонд прибора со смазкой на оболочке зонда; далее на внутренние стенки обсадной трубы передается давление,

306

307

Сопротивление срезу τ определяется по величине момента М и относится к величине нормального давления σ, вычисленного для границы срезаемого цилиндра.

Для получения значений τi при существенно различных значениях нормального давления σi испытания проводятся с зондами различного диаметра либо одним зондом, но на различных глубинах.

3.4.5 Приборы кольцевого среза. Приборы кольцевого среза под давлением (ППС – прессиометр поступательного сдвига), основанный на принципе прессиометрического нагружения (см. рис. 9.17, д), рассматривается в следующем разделе.

3.5Программа определения деформационных

ипрочностных характеристик

Прикладная программа URAL–1 (обратная) предназначена для вычисления деформационных (модуля деформации Е5000) и прочностных (удельного сцепления с и угла внутреннего трения φ) характеристик грунтов. В программе реализован алгоритм решения обратной инженерной задачи методом направленного спуска с относительным шагом оптимизации, существо которого поясняется на рис. 9.22.

Полученная в опыте прессиометрическая кривая ri = f (pi) показана на рис. 9.22, а (поз. 1), а соответствующие расчетные кривые – на верхнем (2) и на нижнем (3) пределах параметров. Границы возможного изменения параметров модели (с, φ) показаны на рис. 9.22, б.

Рис. 9.22. Пояснение алгоритма программы определения параметров с и φ по результатам прессиометрического опыта: а: 1 – экспериментальная кривая r = f (р); 2, 3 – расчетные кривые при значениях характеристик с и φ на верхней и нижней границах областей возможных значений; 4 – расчетная кривая при j-й итерации; б: реализация алгоритма направленногоспуска:поискначинаетсясточкиАпри1-мприближениипараметров со; φо, в заштрихованную область возможных погрешностей кривой 1; нормативные значения сn; φn принимаются соответственно положению точки В (при минимуме дисперсии DL.ij); области 5 соответствуют различным уровням дисперсии DL.ij; 6 – область

остаточной дисперсии DL; 7 – границы возможных изменений параметров с и φ

308

Итерации начинаются с произвольной точки А (см. рис. 9.22, б). При значениях параметров в этой точке вычисляется расчетная кривая 4, причем она преобразуется таким образом, чтобы начальный участок ее совпадал с начальным участком экспериментальной зависимости 1. Поэтому одна из главных искомых характеристик (модуль деформации Е) здесь является зависимым параметром.

Несовпадение кривых 1 и 2 оценивается остаточной дисперсией DL,ij = Σ (rj – ri)2, причем суммирование производится в пределах j = i = 1…n, где n – общее число точек на кривых. Далее последовательно методом координатного спуска, изменением параметров модели с, φ осуществляется приближение к экспериментальной зависимости до получения минимальной дисперсии DL,min. Искомые (нормативные) значения параметров с, φ, а также Е5000 принимаются на нижней границе области остаточной дисперсии DL (в точке В на рис. 9.22, б).

Для получения достоверных значений характеристик требуется не менее 10–12 точек (Δri; pi) зависимости ri = f (pi) в медленном режиме, в том числе не менее 6–8 точек в нелинейной части кривой.

Программа URAL–1 проходит широкую экспериментальную проверку, а результаты расчетов сравниваются с характеристиками, полученными в других стандартных испытаниях. Уже сейчас имеется достаточно свидетельств высокой достоверности получаемых прочностных характеристик.

3.6 Метод поступательного среза

Прибор поступательного сдвига (кольцевого среза под давлением) ППС-89, основанный на принципе прессиометрического нагружения (рис. 9.23), в 1980-е гг. получил достаточно широкое применение. Была выпущена небольшая серия приборов, изданы два стандарта на использование приборов (сначала ГОСТ 21719, затем ГОСТ 20279–99). Но в последнюю редакцию ГОСТ 20276–2020 метод не включен, поскольку массового производства приборов, к сожалению, не было организовано.

Основная модель ППС-89 предназначена для испытаний песчаных и глинистых грунтов в скважинах диаметром 89 мм. Корпус зонда оснащен жесткими раздвижными элементами, имеющими горизонтальные лопасти, которые внедряются в стенки скважины под внутренним дав-

лением [21, 27].

При испытании после передачи на грунт заданного нормального давления рi лопасти могут расширяться до 116 мм в зависимости от сжимаемости грунта.

Далее с помощью домкрата через трос осуществляется сдвиг цилиндра грунта, которому соответствует усилие среза Q, а диаметр цилиндра соответствует положению концов лопастей.

309

Работами Л. Менарда открыто новое чрезвычайно интересное и эффективное направление в области геотехники, теории и практике инженерных изысканий грунтов, которое получило широкое развитие в СССР и России. Оно дало толчок к дальнейшему развитию методов исследований грунтов, проведению ряда новых научных разработок, направленных на расширение возможностей прессиометрии в самых разнообразных грунтовых условиях: в слабых, мерзлых и лессовых грунтах, на морском шельфе, которые широко представлены в стране.

Принцип прессиометрического нагружения использован при создании принципиально новых испытательных установок – приборов кольцевого среза, зондов-прессиометров, поворотных зондов.

Исследования Л. Менарда способствовали развитию теории механики грунтов, решению ряда новых задач о напряженно-деформирован- ном состоянии грунтового массива при различных видах нагружения и с учетом различной сопротивляемости сжатию, растяжению и разгрузке.

310