Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Грунтоведение

Особенности определения параметров физико-механических свойств переуплотненных грунтов

Расширение диапазона показателей свойств грунтов, получаемых по результатам лабораторных исследований, является одной из важнейших проблем инженерно-геологических изысканий. В связи с растущей тенденцией к международной кооперации при строительстве сложных подземных сооружений, высотных зданий, при освоении месторождений шельфа, российские инженеры-геологи и проектировщики нередко работают на зарубежных объектах, а иностранные специалисты привлекаются для инженерно- геологических изысканий и проектирования объектов, возводимых в России. Используемые при этом национальные стандарты имеют заметные отличия, поэтому анализ грунтовых условий, выполняемый с привлечением результатов интернациональных исследований, сопряжен с рядом сложностей, связанных с их интерпретацией. Наиболее существенными проблемами, как уже было отмечено, являются методические различия в определениях некоторых характеристик, различие подходов к классификации грунтов и невозможность прямого перевода классификационных терминов [1].

Зарубежные стандарты, в частности британский стандарт BS и американский ASTM, в большей степени, чем ГОСТ [17], связывают деформационные параметры с характеристиками состояния и с физическими свойствами грунтов. В зарубежной механике грунтов широко используются понятия нормально уплотненных и предуплотненных (или переуплотненных) грунтов, которые различаются по своим деформационным свойствам.

Одним из первых на переуплотненные грунты указал К. ерцаги. Нормально уплотненные грунты - это синоним грунтов, находящихся под бытовым давлением; недоуплотненные грунты имеют место, когда вышележащая толща не давит на нижележащие слои. Переуплотненным называется грунт, который при своем естественном формировании находился под действием нафузок - эффективных природных давлений о'с, превосходивших действующее в настоящее время бытовое давление. Переуплотнение грунта обычно имеет место, когда грунты полностью консолидированы под действием веса вышележащей толщи, впоследствии полностью или частично удаленных эрозией. Основными факторами переуплотнения являются [99]:

  • • эрозионный срез верхней рыхлой части нормально уплотненного массива грунта, в результате чего в кровле толщи обнажаются консолидированные отложения нижней его части;
  • • давление ледникового массива, вызывающее уплотнение основных морен и подстилающего субстрата;
  • • "усыхание" грунта в субаэральных условиях при выходе толщи выше уровня моря;
  • • эпигенетическое промерзание, приводящие к дегидратации в результате миграции влаги из глубины толщи к низкотемпературному фронту', находящемуся вблизи дневной поверхности;
  • • трансгрессии и регрессии моря и т. д.

Переуплотненные грунты широко распространены как на материковой части, так и на шельфе северных морей, в частности на арктическом и дальневосточном шельфе России. Осадочные грунты, такие как аргиллиты или алевролиты, выше которых отложения отсутствуют или имеют небольшую мощность, являются хорошими примерами переуплотненных грунтов.

Параметры деформируемости грунтов как в России, так и за рубежом определяются по результатам компрессионных и трехосных консолидированно-дренированных испытаний, а параметры консолидации - также по результатам трехосных консолидированно-недренированных испытаний.

Методики проведения компрессионных опытов практически идентичны, результаты представляются в виде графиков зависимости относительной деформации (я) или коэффициента пористости (е) от нагрузки (ϭ или lgϭ), а также от времени (lgt или t). Однако состав последующих оценок несколько различается. Согласно российскому нормативу по результатам компрессионных опытов определяются: коэффициент сжимаемости т. модуль деформации E, структурная прочность на сжатие pslr, а также коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации сv. и сa. Согласно ASTM и BS вычисляются только cv, коэффициент объемного сжатия mv и давление предуплотнения ϭ. по методу Казагранде.

Вместе с тем в зарубежной практике расчетов и проектирования в качестве деформационных характеристик широко применяются следующие коэффициенты, характеризующие сжимаемость грунта (рис. 8.69): Сс - коэффициент сжатия (compression index)-, Cs - коэффициент набухания (swelling index); Cr - коэффициент повторного нагружения (recompression, reloading index) и компрессионный модуль M. Поскольку эти параметры, гак же как и тп и коэффициент сжимаемости т, получают из методически близких испытаний (компрессионной кривой), при сопоставимых условиях можно использовать существующие аналитические зависимости для пересчета одних величин в другие.

image550

Рис. 8.69. Компрессионная кривая видаimage551

Согласно BS и ASTM характеристики деформируемости, так же, как и в отечественной практике, определяют из компрессионных (одометрических) испытаний грунтов на основе обработки графиков вида е - log<7 или е - log а. При этом методика проведения опытов обязательно предусматривает наличие этапов разгрузки и повторного нагружения образца. Максимальное значение нагрузки на образец должно быть выше давления переуплотнения а, величина которого также определяется по компрессионной кривой.

Определение частных значений о'с выполняется по компрессионным кривым методом Казагранде, для чего необходимо выполнить следующие построения. По полученным в каждом опыте результатам строится компрессионная кривая в полулогарифмическом масштабе (рис. 8.70). На графике определяется точка, соответствующая наибольшей кривизне кривой, через эту точку проводятся горизонтальная линия и касательная к кривой, затем биссектриса угла а между ними. Определяется точка пересечения биссектрисы угла а с продолжением прямолинейного участка компрессионной кривой, проекция которой на ось давлений а' и дает величину давления предуплотнения о (рис. 8.70). В случае если грунты не подвергались переуплотнению, найденное давление переуплотнения о соответствует бытовому давлению оg. Необходимо отметить, что на результаты влияет масштаб графиков и некоторый субъективизм при их построении. Методика определения структурной прочности грунта pslr, из результатов компрессионных испытаний совпадает с методом определения давления переуплотнения ϭ (BS, ASTM).

Определение давления переуплотнения &#1005;с методом Казагранде

Рис. 8. 70. Определение давления переуплотнения ϭс методом Казагранде

Определение а'с в первом приближении может производиться по результатам компрессионных испытаний пасты грунта (рис. 8.71). Перед испытанием определяются начальный коэффициент пористости естественного грунта <?0 и эффективное напряжение оу, на глубине z (в месте отбора образца грунта):, где ϒi – удельный вес вышезалегающего грунта.

Рис. 8.71. Результаты компрессионных испытаний пасты грунта и определение давления о'с

Из грунта нарушенной структуры, отобранного с глубины г, приготавливается паста мягкопластичной консистенции с коэффициентом пористости е, которая уплотняется в процессе стандартных компрессионных испытаний. После того, как грунт уплотнится до коэффициента пористости большего, чем коэффициент пористости естественного грунта, производится разгрузка на каждой ступени нагружения (рекомпрессия). Разгрузка во всех случаях производится до ок. Определяется положение точки А (рис. 8.71) с координатами еа и оя, соответствующими естественному СОСТОЯНИЮ грунта. Or точки А проводится линия рекомпрессии параллельно линиям рекомпрессии грунта до пересечения с компрессионной кривой (точка В). Координата точки В по оси а соответствует максимальному давлению <т'0 которым грунт был когда-то уплотнен. Кривая нагрузки-разгрузки образца 1-В-А повторяет историю уплотнения грунта [115].

Вертикальное эффективное давление переуплотнения грунта определяется в полевых условиях по испытаниям крыльчаткой [80]:

где си - недренированная прочность грунта, принимаемая равной максимальному сопротивлению грунта срезу, МПа, 1Р - число пластичности грунта, %.

Для пределов 1Р = 10...30 % принимают [80]:

где коэффициент к зависит от числа пластичности грунта /,,:

По предложению Шведского геотехнического института связь между сопротивлением недренированному сдвигу и лобовым сопротивлением при зондировании глинистых грунтов может быть выражена формулой:

где wL. - верхний предел пластичности.

Skempton (1957) предложил простое эмпирическое выражение, связывающее недренированную прочность и индекс пластичности нормально уплотненных глин, в виде

Давление переуплотнения а может быть также определено по результатам статического зондирования (СРТ) по удельному сопротивлению грунта под конусом зонда qc, МПа, учитывая тесную экспериментальную связь между си и qc в виде си = qc / 15. Для определения сопротивления недренированному сдвигу глинистых грунтов рекомендуется использовать следующие эмпирические зависимости (при отсутствии собственных корреляционных зависимостей, апробированных в конкретных инженерно-геологических услови-

ях) [37]: Карское морс: си = qc / 24 + 6; Печорское море: си = qc I 18 12; Черное море: си = qc /20 + 3.

Недренированную прочность грунта можно предварительно оценить по рис. 8.72 в зависимости от показателей пластичности [122].

Диаграмма для определения прочности недренированного сдвига по показателям консистенции глин [ 122]

Рис. 8.72. Диаграмма для определения прочности недренированного сдвига по показателям консистенции глин [ 122]

Давление ϭ'с, МПа, с учетом вышеприведенных значений к и с„ определяется но формуле

где λ - коэффициент, равный 0,45 при 1Р = 10%; 0,35 при 1Р = 20% и 0,30 при 1р = 30 %; qc - удельное сопротивление грунта под конусом зонда, МПа.

Кроме перечисленных способов давление переуплотнения определяется при помощи приборов трехосного сжатия, дилатометров и прессиомегров [121].

В случае если ранее грунт был переуплотнен, необходимо, наряду с другими параметрами, задавать в расчетах коэффициент переуплотнения грунта OCR (Over Consolidation Ratio), который определяется по формуле

где ϭс - максимальное вертикальное эффективное напряжение за весь период существования массива грунта; ϭ|у - вертикальное напряжение от собственного веса грунта в настоящий период (бытовое давление). Для нормально уплотненных грунтов OCR = 1, для грунтов переуплотненных OCR > 1.

Если неизвестны значения напряжений от собственного веса грунта, то коэффициент переуплотнения можно определить, используя физические характеристики грунтов, как отношение коэффициента пористости грунтовой пасты при влажности на пределе текучести к коэффициенту пористости грунта в естественном состоянии:[47].

В зарубежной инженерной практике для переуплотненных грунтов широко используется зависимость, связывающая характер изменения сопротивления недренированному сдвигу си по глубине с коэффициентом переуплотнения OCR:

где β = си/ ϭК для нормально уплотненных грунтов (OCR = 1,0); ох- вертикальное эффективное напряжение на расчетной глубине - бытовое давление; т - показатель степени. Как правило, величина β изменяется в диапазоне 0,2 < β< 0,5, а т - в диапазонах 0,7 < m < 0,8 при OCR > 2 и 0,8 < m < 1,0 при OCR < 2.

Многие исследователи отмечают, что коэффициент бокового давления £ представляющий собой отношение горизонтального эффективного напряжения к вертикальному, связан с изменением нагрузки на массив за весь период его существования, т. е. с историей нагрузки массива. Коэффициент бокового давления грунта нe является величиной постоянной, а зависит от вертикального давления (нагрузки), причем с увеличением вертикальной нагрузки значение коэффициента уменьшается. Коэффициент бокового давления может быть оценен эмпирически по результатам компрессии с учетом бокового давления или трехосных испытаний. Некоторые из наиболее широко используемых зависимостей для нормально уплотненных грунтов приведены ниже.

Jaky (1944):, уравнение может быть аппроксимировано в виде

Brooker & Ireland (1965) :

Bolton (1991):

Brick:

Для переуплотненных грунтов коэффициент бокового давления может быть определен по формуле[ 102] или через коэффициент ζ

Wroth (1965):

Schmidt (1966) (для глин после снятия нагрузки):где

Meyerhof (1976) предложил принять а = 0,5, что подходит для большинства грунтов, используемых в различных практических целях.

Pruska (1973):, где - коэффициент активного давления грунта, равныйгде φ' - угол внутреннего трения, определенный при эффектив

ном напряжении.

Для практического использования на основе испытаний грунтов на трехосное сжатие и результатов компрессионных опытов получена зависимость (Maine & Kulhawy, 1982) [121]:Сравнение значений ζ полученных по этой формуле, с результатами полевых испытаний прессиометрами и зондирования дают хорошие результаты.

В табл. 8.79 приведены типичные значения ζ которые рекомендуется учитывать при проектировании подземных сооружений.

Таблица 8.79

Значения коэффициента бокового давления для различных грунтов

Тип грунта

Значения коэффициента бокового давления ζ

Плотный песок

0,35

Рыхлый песок

0,6

Нормально консолидированные глины

0,5 0.6

Переуплотненные глины

1,0

Сильно переуплотненные глины

3,0

В зависимости от значения коэффициента переуплотнения различают зри значения коэффициента бокового давления грунта Г51:

  • в состоянии покоя ζ0 когда
  • активном состоянии ζ а, когда
  • пассивном состоянии £ζ р, когда

Из вышеизложенного следует, что при напряжениях, меньших или больших давления переуплотнения, различными будут и значения модулей деформации, которые, согласно BS и ASTM, определяются по формулам:

• при наїрузках, меньших давления переуплотнения:

где ϭс - напряжение переуплотнения, ϭlg - бытовое напряжение; Аϭ'- изменение напряжения на интервале oig - о ео~ значение коэффициента пористости при бытовом давлении; С - коэффициент (рис. 8.69), вычисляемый по ветви повторного нагружения по зависимости

• при нагрузках, больших давления переуплотнения:

где image587- полное приращение напряжения при активном нагружении, а'т - максимальное напряжение в образце при испытании); ес - значение коэффициента пористости при давлении переуплотнения; Сс - коэффициент, определяемый из компрессионной кривой (рис. 8.69) дня интервала давлений ϭ' > ϭ'с [4].

По отечественным нормам [17, 114] значения модулей деформации из компрессионных испытаний определяются по формуле

где Е - модуль деформации первичной или вторичной ветви компрессионной кривой, ;- коэффициент пористости грунта, соответствующий напряжению от собственного веса грунта в середине i-го слоя основания; ег - коэффициент пористости грунта, соответствующий суммарному напряжению(ϭzp - напряжение от веса сооружения в середине /-го слоя основания); v - коэффициент поперечного расширения грунта /-го слоя; т - поправочный коэффициент, является полуэмпирическим и отражает ряд факторов, в связи с чем состоит из двух коэффициентов: m = mг/ mс, где mpl - поправочный коэффициент, принимаемый в зависимости от типа грунта (от 1 до 3,5); mс коэффициент условий работы, зависящий от размеров сооружения.

В табл. 8.80 приведены значения модулей деформации грунта Е, рассчитанные по зарубежным и отечественным стандартам. Необходимо отметить, что разница в значениях показателей иногда довольно внушительная. Изложенное позволяет сделать следующие выводы: при определении модулей деформации Е по отечественным и зарубежным методикам и при дальнейшем их использовании в расчетах осадок необходимо учитывать, что зарубежными нормами предполагается прямое использование полученных модулей, а российскими - с применением дополнительных коэффициентов (mpi, mс). Поэтому прямое сопоставление значений Е, непосредственно полученных из испытаний, не всегда корректно, что видно из табл. 8.80 [4].

Таблица 8.80

Сопоставление значений модулей деформации грунта Е по зарубежным и отечественным стандартам [4]

№ скважины

Глубина, м

Давление бытовое ϭlg МПа

Давление переуплотнив о'с, МПа

OCR

Показатели

уплотнения

Модуль деформации Е. МПа

Сг

Cf

По ASTM

По СНиП

Н-2

6,1

0,111

0,327

2,9

0,018

0,057

20,1

23,6

Н-2

282

0.332

0.342

1.0

0.024

0,065

23.0

30.4

HR 2-1

6,2

0,112

0,991

8,8

0,014

0,112

21,2

23,6

Использование в зарубежных нормах значений давления переуплотнения позволяет подойти дифференцированно к расчету осадок. Консолидационная осадка слоя нормально уплотненного глинистого грунта определяется по формуле

(8.15)

где Сс - коэффициент консолидации, ориентировочное значение которого при отсутствии непосредственных определений может быть принято равным Сс = 0,009 (hv- 10 %); Нс - толщина рассчитываемого сжимаемого слоя; ео - начальный коэффициент пористости; ϭg - вертикальное напряжение в грунте на уровне подошвы фундамента от веса грунта; ^-дополнительное напряжение в грунте от нагрузки [80].

Для переуплотненных грунтов осадка консолидации определяется:

  • а) еслипо формуле (8.15) с заменой Сс на С„ равное 0,025;
  • б) если* - по формуле

Прочностные характеристики переуплотненных грунтов также имеют свои особенности: у нормально уплотненных грунтов практически отсутствуют силы сцепления, прочность переуплотненных грунтов характеризуется углом внутреннего трения и сцеплением.

Значения показателей прочности нормально уплотненных и переуплотненных грунтов приведены в табл. 8.81. Необходимо отметить, что дренированная прочность при испытаниях на сдвиг может быть меньше, чем недренированная.

Таблица 8.81

Значения показателей прочности грунтов

Недренированная прочность

Су, кПа

Твердые глинистые грунты

>150

Полутвердые глинистые грунты

-75... 150

Тугопластнчные глинистые грунты

-40...75

Мягкопластичные глинистые грунты

-20...40

Текучепластичные глинистые грунты

<20

Дренированная прочность

с, кПа

, град.

Плотные пески

0

35...45

Рыхлые пески

0

30...35

Прочность переуплотненных грунтов

Критическое состояние

0

-18...25

Пиковое состояние

-10...25

-20...28

Остаточная прочность

-0...5

-8... 15

Параметр си, характеризующий недренированную прочность, согласно действующим в России и за рубежом нормативным документам, определяется в полевых условиях вращательным срезом, при одноосном сжатии (как отношение си = ϭ / 2) и неконсолидированно-недренированным методом при трехосных испытаниях.

Значения недренированной прочности, полученные разными методами, также отличаются. Для получения значений недренированной прочности на сдвиг с„ результаты полевых опытов на вращательный срез крыльчаткой (здесь обозначим cfv от field vane) корректируются с помощью поправочного коэффициента:

где Сф - недренированная прочность, полученная по результатам полевых испытаний на сдвиг крыльчаткой; μ - поправочный коэффициент Бьеррума, зависящий от числа пластичности грунта, определенный поданным опытов, проведенных в конкретном регионе [126].

Определение поправочных коэффициентов, полученных па основе

Рис. 8.73. Определение поправочных коэффициентов, полученных па основе: а предела текучести для нормально уплотненных глин: б числа тастичности и эффективных вертикальных напряжений для сильно консолидированных глин

Для нормально уплотненных глин поправочный коэффициент р зависит от предела текучести или от числа пластичности и отношения cu/v / ag (рис. 8.73, а, б). Поправочный коэффициент, превышающий значение 1,2, не должен быть использован без дополнительных исследований. В трещиноватых глинах значение поправочною коэффициента может равняться 0,3. Недренированная прочность для таких грунтов, полученная при помощи крыльчатки, должна дублироваться другими методами.

Определение поправочных коэффициентов для разноуплотненных глин

Рис. 8.74. Определение поправочных коэффициентов для разноуплотненных глин: а схема разделения нормально консолидированных и чрезмерно консолидированных глин:

  • 1 - кривые с рис. 8.73. б: 2 - нижний предел "молодых" глин:
  • 3 - верхний предел "молодых" глин, нижний предел "старых" глин:
  • 4- диапазон нормально консолидированных глин (NC);
  • 5- диапазон чрезмерно консолидированных глин (ОС):

б корреляционная зависимость между р и си„. / О/^' 1 для нормально консолидированных (NC); 2 - переуплотненных глин (ОС)

Чтобы учесть влияние переуплотнения, необходимо определить (но рис. 8.74, а), в каком состоянии находится грунт. Если соответствующие параметры находятся в диапазоне между кривыми для "молодых" и "старых" глин, то такие глины считаются нормально консолидированными (М7), если же значения находятся над чертой "старых" глин, то такие грунты считаются чрезмерно консолидированными (ОС). Нормально консолидированные грунты затем корректируется в соответствии с приведенной на рис. 8.74, б кривой iVC, переуплотненные - по кривой ОС.

Для нормально консолидированных и слабоуплотненных глин поправочный коэффициент// может быть определен по формуле

где wl - предел текучести.

В переуплотненных глинах с коэффициентом OCR больше, чем 1,3, применяется поправочный коэффициент//, определяемый по формуле

где OCR - коэффициент переуплотнения грунтов [126].

Есликоэффициент OCR не был определен, то может быть использовано отношениетогда поправочный коэффициент// находится из выражения

Общие требования к приборам, точности измерений, методике подготовки образцов и проведению трехосных испытаний изложены в BS, ASTM, ГОСТ. Методики одноименных опытов отличаются, главным образом, скоростью наїружения и формулировкой критериев разрушения [5]. Программа определения прочностных и деформационных свойств грунтов в приборе трехосного сжатия должна включать следующие этапы: измерение боковых напряжений на глубине отбора монолитов грунта в процессе проведения инженерно-геологических изысканий; испытание образцов грунта в приборе трехосного сжатия при боковом давлении, равном найденному путем прямых измерений. Значение бокового давления назначается исходя из глубины отбора пробы грунта и принимается равным бытовому давлению. Тем самым полагается, что в природном состоянии распределение вертикальных и горизонтальных напряжений подчиняется гидростатическому закону. Принятие подобного начального напряженного состояния в естественных грунтовых отложениях может быть вполне оправданным, если они находятся на стадии своего формирования и процесс консолидации от собственного веса еще не завершен. К таким грунтам относятся илы, торф и водонасыщенные глинистые грунты в мягкопластичном или текучем состояниях. Как правило, переуплотненные глинистые грунты не могут быть полностью водонасыщены в лаборатории методом обратного давления из-за больших значений давления. В этом случае испытания по консолидированно-недренированной схеме не удается выполнить и приходится проводить консолидированно-дренированные испытания. При испытании образцов из монолитов, которые отобраны ниже уровня грунтовых вод (или поверхности воды моря или океана), в образце грунта необходимо создать поровое давление, равное природному. Далее испытания проводятся в эффективных напряжениях, которые определяются уровнем дополнительных напряжений от сооружения [140].

Таким образом, в западной практике проектирования базовыми параметрами грунтов основания, влияющими на значения показателей механических свойств, являются показатели природного напряженного состояния: давление переуплотнения &с и коэффициент переуплотнения OCR [4]. Российскими нормами определение показателей природного

напряженно-деформированного состояния грунтов рекомендуется, но эти характеристики и методы их определения не регламентируются нормативными документами в связи с недостаточной изученностью и, главное, в связи с неоднозначной интерпретацией этих параметров. Тем не менее, инженеру-геологу необходимо знакомиться с зарубежными методами проведения лабораторных и полевых работ, новыми приборами и оборудованием, чтобы понимать и принимать лучшие достижения мировой науки и практики, уметь интерпретировать результаты зарубежных исследований и избегать проблем, связанных с различиями в методиках, классификациях и терминологии.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы