Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

211

где

αtg

называется коэффициентом сжимаемости с обозначением

. При

расчетах осадок грунтов используется величина, которая называется коэффи

)

циентом относительной сжимаемости

. (5.12)

Используя значение коэффициента относительной сжимаемости, ком

прессионный модуль деформации можно определить как

, (5.13)

где

β – коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения

грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле (5.8). При

определении коэффициента

ν используются результаты испытаний в

приборах трехосного сжатия, а при отсутствии экспериментальных данных

(ГОСТ 1224896) допускается принимать его равным: 0,30–0,35 – для песков

и супесей; 0,35–0,37 – для суглинков; 0,2–0,3 при (

); 0,30,38 (при

25,00 ≤≤

); 0,380,45 (при

0,125,0 ≤≤

) – для глин. При этом меньшие

значения

принимают при большей плотности грунта. В монографии Н.А.

Цытовича (1963) для приближенного определения коэффициента поперечной

деформации глинистых грунтов рекомендуется использовать следующее

выражение:

0,05 0,45

≈+

, (5.14)

где

– показатель текучести.

Испытания грунта в компрессионном приборе проводят не только

нагружая грунт по ветви первичного нагружения 1–2, но и разгружая его

путем постепенного уменьшения давления по ветви 2–3 (табл.5.5, п.1).

Вследствие того что при уплотнении грунт деформируется неупруго, по ветви

разгрузки можно найти величину упругой деформации и упругий модуль

деформации с использованием также коэффициента относительной сжима

емости, выбрав интервал давлений на ветви 23. Как видно из первого

рисунка табл. 5.5, при разгрузке коэффициент пористости увеличивается, но

изза наличия остаточных деформаций объем образца полностью не

восстанавливается; и поэтому кривая разгрузки находится ниже кривой

нагружения. При повторном нагружении ветвь разгрузки 23 не совпадает с

ветвью повторной нагрузки 3А, образуется петля гистерезиса. При давлении,

большем давления разгрузки, процесс сжатия происходит по кривой

первичного нагружения 124, но несколько смещенной ниже (участок А4).

Точка перегиба на кривой первичного нагружения определяет максимальное

Глава 5

212

давление, которое испытывал грунт при предыдущем нагружении. Это давле

ние называется историческим

или давлением предварительного уплотнения σ

Таблица 5.5

Компрессионные зависимости при нагрузке и разгрузке

12 – первичное нагружение

23 – разгрузка

12 – первичное нагружение

23 – разгрузка

34 – повторное нагружение

Давление, испытываемое в данный момент времени грунтом на некоторой

глубине от собственного веса, называется природным

или бытовым σ

5.3.2. Начальное напряженное состояние

Под начальным напряженным состоянием в массиве грунта понимается

характер распределения вертикальных и горизонтальных напряжений от его

собственного веса. Значения этих напряжений необходимы как при

испытании образцов грунта в стабилометре, так и при расчете деформации

грунта в основании зданий и сооружений. В первом случае образец грунта

перед сдвигом консолидируется найденными значениями вертикальных и

горизонтальных напряжений. Во втором случае при расчете оснований по

деформациям задается начальное распределение напряжений от собственного

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

213

веса грунта, а затем на это поле напряжений накладываются дополнительные

напряжения от веса зданий или сооружений.

Начальное напряженное состояние зависит не только от полных и

эффективных вертикальных и горизонтальных напряжений, но и от давления

предварительного уплотнения. Вертикальные напряжения зависят от силы

гравитации и определяются массой вышележащих грунтов. Горизонтальные

напряжения и давление предварительного уплотнения обусловлены историей

формирования грунтов.

Грунты, у которых историческое давление было больше, чем современное

природное давление, т.е. грунты, разгруженные от ранее уплотнившей их

нагрузки, например в виде ледника (рис. 5.17), называются переуплотненными.

Если историческое давление равно природному (грунты современного

отложения), то они называются нормально

уплотненными.

Рис. 5.17. Формирование переуплотненных грунтов:

maxv

′

– максимальное природное эффективное напряжение в прошлом;

′

– текущее

природное эффективное напряжение

Историю нагружения массивов грунта принято оценивать, используя

значение коэффициента переуплотнения

maxv

OCR

, (5.15)

где

maxv

– максимальное вертикальное напряжение за весь период сущест

вования массива грунта;

– вертикальное напряжение от собственного веса

грунта в настоящий период.

Глава 5

214

Если неизвестны значения напряжений от собственного веса грунта

maxv

то коэффициент переуплотнения

(OCR) рекомендуется определять,

используя физические характеристики грунтов (, 1978). Месчян С.Р.

предлагает определять его как отношение коэффициента пористости

пасты при

к коэффициенту пористости грунта в естественном

состоянии

. Для нормально уплотненного грунта коэффициент уплотнения

равен единице, а для переуплотненных грунтов

Для слабых водонасыщенных грунтов распределение начальных напря

жений близко к гидростатическому. У нормально уплотненных глинистых

грунтов

)1( =OCR

горизонтальные напряжения меньше вертикальных, в то же

время у переуплотненных глинистых грунтов

)1( >OCR горизонтальные на

пряжения больше вертикальных. Распределение горизонтальных напряжений

в плоскости по направлению осей

X и Y может быть различным, как

симметричным, так и несимметричным у анизотропных грунтов.

Переуплотненным называется грунт, при естественном формировании

которого эффективных природных давлений было больше, чем в настоящее

время. Например, на поверхности грунта находился мощный слой ледника,

который впоследствии сместился или растаял (см. рис. 5.17). Переуплотнение

обычно имеет место, когда породы полностью консолидированные под

действием веса вышележащей толщи, впоследствии полностью или частично

удалены эрозией. Осадочные породы, такие, как аргиллиты или алевролиты,

выше которых отложения отсутствуют или имеют небольшую мощность,

являются хорошими примерами переуплотненных пород.

Большинство нормально уплотненных грунтов имеет низкую прочность, а

переуплотненные грунты отличаются высокой прочностью и меньшей

деформируемостью.

Из рис. 5.18 видно влияние процесса формирования грунтовых отложений

на их напряженное состояние от собственного веса. Векторами на этом

рисунке показаны направление и величина главных вертикального и двух

горизонтальных напряжений. На рис. 5.18, а изображен начальный процесс

формирования грунтовых отложений. Отложения находятся в недоуплот

ненном или нормально уплотненном состоянии. При этом горизонтальные

напряжения меньше вертикальных. При движении ледника эти отложения

доуплотняются (рис. 5.18, б, в), что сопровождается не только изменением

значений главных напряжений, но и их вращением. После таяния ледника

грунты переходят в переуплотненное состояние (рис. 5.18, г).

При многократном нагружении и разгрузке грунта до одной и той же

величины давления остаточные деформации все время уменьшаются, и после

некоторого числа циклов грунт испытывает только упругую деформацию.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

215

(а) (б) (в) (г)

Рис. 5.18. Влияние ледника на значения главных напряжений, (Feeser, 1988)

Испытания грунтов в компрессионном приборе по ГОСТ 1224896

позволяют определить структурную прочность грунта

str

. За структурную

прочность принимается такое давление, до которого практически не

изменяется начальное значение коэффициента пористости, т.е. объем грунта

практически не изменяется (рис. 5.19). После разрушения структурных связей

наблюдаются резкое возрастание деформации и сжатие грунта. Прочность

структурных связей зависит от вида глинистого грунта и имеет наибольшее

значение в грунтах с кристаллизационными связями. В стандарте ASTM опре

деляется не параметр структурной прочности, а эквивалентный ему параметр

, называемый давлением (напряжением) предварительного уплотнения.

Определение этого параметра выполняется различными методами, один из

первых был предложен Казагранде.

Вертикальные

напряжения

При горизонтальной поверхности грунта полные вертикальные (при

родные) напряжения определяются из выражения

vo vo o

′

σ=σ−

, (5.16)

где

– поровое давление в грунтовой воде, а

– напряжение от

собственного веса грунта, определяемые как

()

ow w

uzz=

−

;

Глава 5

216

σ=

; (5.17)

здесь

– расстояние от поверхности до рассматриваемой глубины;

–

расстояние от поверхности до уровня грунтовых вод;

γ – удельный вес грунта.

Для грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, удельный вес

грунта определяется с учетом взвешивающего действия воды из выражения:

1 e

sut

−

=γ

, (5.18)

где

– удельный вес воды;

– удельный вес частиц;

– начальное

значение коэффициента пористости.

Выше уровня грунтовых вод грунты могут

быть сухими, частично водонасыщенными или

полностью водонасыщенными вследствие ка

пиллярного поднятия воды. В этом случае, для

чистых непылеватых песков, полагают, что

песок является сухим и его удельный вес опре

деляется из выражения

γ=

. (5.19)

Для полностью сухих грунтов поровое дав

ление равно нулю. Поэтому полные и эффек

тивные напряжения от собственного веса грунта

равны. В глинах, однако, капиллярные эффекты

могут создать полное водонасыщение высотой

до 10 м или выше уровня грунтовых вод. В этом

случае удельный вес глинистых грунтов прини

мается в водонасыщенном состоянии. Соответ

ствующее отрицательное гидростатическое по

ровое давление возникает выше фреатической

поверхности (уровень поверхности воды в без

напорном водоносном горизонте) и вычис

ляется из условия (5.17). Отрицательное поровое

давление увеличивает эффективные напря

жения.

Горизонтальные

напряжения

Эффективные горизонтальные напряжения

′

связаны с вертикальными

напряжениями коэффициентом бокового давления

ho vo

′′

σ=

. (5.20)

Рис. 5.19. Определение

структурной прочности грунта:

1 – грунт ненарушенной струк

туры; 2 – грунт нарушенной

структуры; 3 – структурноне

устойчивый грунт

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

217

Значение коэффициента бокового давления

ξ зависит не только от вида

грунта, но и от истории его формирования, а также от уровня вертикальных на

пряжений. Этот коэффициент определяется как в лабораторных, так и полевых

условиях. Из испытаний в одометре и стабилометре получено, что для

нормально уплотненных грунтов значение

ξ в состоянии покоя ξ

(без нагрузки

на поверхности грунта от веса сооружений) может быть найдено из условия

1sin

′

=−

, (5.21)

где

ϕ′ – эффективный угол внутреннего трения.

Величина

возрастает при разгрузке грунта (разработка котлованов) и мо

жет быть более единицы для

4>OCR

. Для переуплотненных пылеватоглинис

тых грунтов значение

может быть вычислено из следующего уравнения:

′

−=ξ

sin

)sin1( OCR

. (5.22)

В зависимости от значения коэффициента переуплотнения различают три

значения коэффициента бокового давления грунта:

– в состоянии покоя

, когда

1=OCR

′

−=

sin1

;

– активное состояние

, когда

1<OCR

ϕ+

′

−

=ξ

sin1

; (5.23)

– пассивное состояние

, когда

1>OCR

′

−

′

=ξ

sin1

где

′

– критическое значение угла внутреннего трения.

Предполагается, что у нормально уплотненных грунтов

1=OCR

коэффициент бокового давления определяется из выражения (5.21). Для

слегка переуплотненных, разгруженных грунтов при

2<OCR

используется

следующее эмпирическое выражение:

0, 0

(1)

OCR

−ν

ξ= ⋅ξ−

−ν

, (5.24)

где

ν – коэффициент Пуассона.

Wroth’s (1972) предложил определять коэффициент бокового давления для

переуплотненных глинистых грунтов следующим образом:

0,022895 1,22

, (5.25)

где

– число пластичности, %.

Выражение (5.21) получено путем упрощения решения, предложенного в

1944 г. Джейки:

(1 sin )(1 sin )

1sin

′′

−

ξ=

′

+ϕ

. (5.26)

Глава 5

218

Последнее выражение неприменимо для переуплотненных глин, у

которых

может расти до значений, соответствующих значению коэф

фициента переуплотнения, равному 5 и выше, вплоть до

= 2,5 для весьма

переуплотненных грунтов, и даже еще выше для глин подвергнутых машин

ному механизированному уплотнению.

Результаты экспериментального определения

существенно зависят от

уровня напряжений в массиве как при извлечении из него образца для

последующих лабораторных испытаний, так и при внедрении в него

измерительного прибора – (дилатометра, прессиометра, динамометрического

зонда) – в полевых условиях.

Испытания грунтов в условиях трехосного сжатия проводятся при

заданном всестороннем (боковом) давлении или постоянном среднем

напряжении. Значение бокового давления назначается исходя из глубины

отбора пробы грунта и принимается равным природному 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 иные

водонасыщенные глинистые грунты в мягкопластичном или текучем

состояниях. Однако встречаются грунтовые отложения, в которых начальное

напряженное состояние не подчиняется гидростатическому закону

распределения, т.е. горизонтальные напряжения не равны вертикальным

напряжениям на рассматриваемой глубине массива грунта.

5.3.3. Определение давления предварительного уплотнения

В Российской Федерации в настоящее время действует ГОСТ 1224896, в

котором рекомендован метод испытаний песчаных и глинистых грунтов на

сжимаемость с целью определения их деформационных свойств. В этом

методе нагрузка прикладывается ступенями с выдержкой во времени на

каждой ступени до стабилизации деформаций.

В США используются два метода определения параметров сжимаемости.

Наиболее часто применяются метод ступечатого нагружения образцов в

одометре (ASTM D 2435), подобный методу ГОСТ 1224896, и метод

испытания при нагружении с постоянной скоростью деформации (ASTM D

4186). Во втором методе нагрузка прикладывается непрерывно, в то время как

нормальное напряжение и поровое давление измеряются датчиками. При

этом продолжительность испытаний сокращается от 1–2 недель при

ступенчатом нагружении до 1 дня при непрерывном нагружении.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

219

Рис. 5.20. Определение параметров

,,,

rcsp

CCC

′

Из результатов испытаний (рис. 5.20) по стандарту ASTM D 2435 (ASTM

D 4186) определяют три параметра в соответствующем диапазоне вер

тикальных эффективных напряжений. Это коэффициент рекомпрессии

коэффициент первичной компрессии

и коэффициент набухания или раз

грузки

. В некоторых случаях результаты испытаний представляют в иной

зависимости, откладывая на оси ординат значения

)1/(

ee +Δ=ε

. В этом

случае параметры рекомпрессии

)1/(

orr

eCC +=

, а параметр первичной

компрессии

)1/(

occ

eCC +=

В отечественном стандарте, используя компрессионную кривую (см.

табл. 5.4, п.4), определяют коэффициент сжимаемости

при нагрузке или

разгрузке.

При определении давления предварительного уплотнения принимают,

что оно разделяет две области деформирования грунта – область практически

упругого поведения и область первичной консолидации. Иногда говорят, что

это давление, соответствующее переходу от упругого поведения к пласти

ческому, при котором возникают остаточные деформации. Из испытаний в

одометре находят также три дополнительных параметра: компрессионный

модуль

)/1/(

vvv

mD =εΔσΔ=

; коэффициент первичной консолидации

коэффициент вторичной консолидации

В руководстве (Sabatini et al., 2002) рекомендуется при определении

количества образцов для компрессионных испытаний использовать профиль

Глава 5

220

изменения вертикальных эффективных напряжений

′

с глубиной

(рис. 5.21). Положение каждого образца ненарушенной структуры опре

деляется на этом профиле скважиной и вертикальным эффективным быто

вым напряжением. Компрессионные испытания должны проводиться до

уровня напряжений, который намного больше оценочного значения

давления предварительного уплотнения, для того, чтобы найти точное

значение действительного давления предварительного уплотнения и далее

определить параметры

rcs

CCC

. Может оказаться, что в программе испы

таний на компрессию выбранный интервал вертикального давления будет

меньше давления предварительного уплотнения, в особенности у сильно

переуплотненных глин. Результаты будут отражать поведение грунта только

при его упругой деформации, первичной консолидации не будет.

Рис. 5.21. Профиль давления предварительного уплотнения

(Sabatini et al., 2002)

Важность определения параметра предварительного уплотнения объяс

няется еще и тем, что при расчете деформации оснований инженер исполь

зует решения для определения упругой и остаточной осадки. В расчетах

переход от упругого к неупругому поведению грунта основания определяется