Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

231

Рис. 5.33. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений

конструкции ООО «Геотек» (www.geoteck.ru)

Нагружение образцов грунта производится ступенями исходя из условий,

которые приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6

Значения ступеней вертикального давления

Глубина отбора образцов, м Величина ступени вертикального

давления, МПа

До 5 0,02

5–10 0,02–0,04

Более 10 0,05

За стабилизацию деформации сжатия образца принимается ее при

ращение, не превышающее 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков,

16 ч – для глинистых и 24 ч – для органоминеральных и органических

грунтов.

В режиме релаксации нагружение образца грунта производится дискретно

путем задания образцу принудительного перемещения. Величина заданного

перемещения определяется начальной плотностью грунта и назначается

исходя из следующих условий.

Каждую ступень заданного перемещения следует выдерживать до

установления стабилизированных значений вертикальных и боковых давлений.

За стабилизированное значение принимаются давления, которые для песчаных

грунтов сохраняются постоянными в течение последних 30 минут и для

глинистых грунтов – в течение последних 2 часов.

Глава 5

232

Таблица 5.7

Значения перемещения штампа

Вид грунта Величина перемещения, мм

Плотный песок, твердые и полутвердые

глины 0,1–0,15

Пески средней плотности, глинистые грунты

тугопластичные 0,15–0,25

Рыхлые пески, глинистые грунты

мягкопластичные и текучепластичные 0,25–0,5

Коэффициент бокового давления

определяется из выражения (5.20).

Используя

, находят значение коэффициента Пуассона:

ξ+

=ν

. (5.28)

Модуль общей деформации вычисляют из выражения

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ν−

−=

(5.29)

где

– соответственно вертикальное давление и вертикальная

относительная деформация на

iй ступени нагружения.

Среднее напряжение в образце определяют из уравнения

ср

σ+σ

=σ

. (5.30)

Интенсивность касательных напряжений находят из уравнения

σ−σ

σ=

. (5.31)

Структурную прочность глинистого грунта определяют, используя

зависимость

)(

zх

f σ=σ

которая является билинейной. Значение верти

кального давления

в точке перелома соответствует структурной прочности

грунта

str

или давлению предварительного уплотнения σ

Результаты испытаний

В работах Лазебника (1967), Жамбакиной (1989), Голли (2003) и др. была

показана возможность определения механических характеристик грунтов (не

только деформируемости, но и прочности) в одометре с измерением боковых

напряжений.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

233

В 1999 году на одной из строительных площадок г. Пензы были отобраны

монолиты с глубины 1,5; 3 и 5 м от дна котлована строительной площадки

вблизи реки Суры. Из этих монолитов были вырезаны образцы и проведены

испытания в одометре конструкции В.Ф.Сидорчука.

Испытание образцов глинистого грунта проводилось в два этапа. На

первом этапе образцы нагружались вертикальной нагрузкой равной при

родному давлению, действующему на глубине отбора монолита. Нагрузка

выдерживалась в течение суток, а затем полностью снималась. Второй этап

нагружения осуществлялся в соответствии с методикой приведенной ранее.

Результаты испытаний представлены на рис. 5.34 – 5.37 и табл. 5.8.

(а) (б)

Рис. 5.34. Результаты измерения боковых напряжений (Болдырев и Сидорчук, 2003):

а – на глубине 3 м; б – на глубине 1,5 м

Необходимо отметить, что выполненные лабораторные испытания моно

литов грунта, отобранных с помощью колонковой трубы при бурении

скважины, следует рассматривать как испытания образцов грунта нару

шенной структуры, так как при бурении колонковой трубой существенно

искажается начальное напряженное состояние.

Из рис. 5.34 видно, что для всех испытанных образцов грунта, отобранных

с различной глубины, зависимость боковых напряжений от вертикальных

напряжений является билинейной. Оба участка деформации (0a и ab)

Глава 5

234

являются практически линейными, но с различным углом наклона. Точка

перегиба данной зависимости соответствует структурной прочности грунта

str

. Можно полагать, что эта точка соответствует также значению давления

предварительного уплотнения

Модуль деформации, полученный из этих испытаний, имеет два

значения: первый характеризует деформируемость грунта при напряжениях,

меньших структурной прочности грунта,

str

, а второй – при напряжениях в

грунте от внешней нагрузки, которые больше структурной прочности грунта.

Как видно из табл. 5.8, модуль деформации при напряжениях, меньших

структурной прочности грунта, почти в два раза больше модуля деформации

грунта при напряжениях, превышающих структурную прочность грунта. Из

рис. 5.40 видно, что величина структурной прочности глинистого грунта

изменяется в зависимости от глубины отбора образца, а значения коэф

фициента бокового давления получаются различными для первого и второго

участков кривой деформирования. При давлении, меньшем структурной

прочности грунта, коэффициент бокового давления имеет минимальное

значение.

Таблица 5.8

Результаты испытаний в компрессионном приборе

с измерением боковых напряжений

Глуби

на от

бора

от дна

котло

ванна, м

Коэф

фици

ент

порис

тости

Давле

ние

предва

ритель

ного

уплот

нения,

кПа

Коэф. боко

вого давле

ния ξ

Коэф. боко

вого расши

рения ν

Параметры

прочности

Модуль

деформации,

E, МПа

1й

учас

ток

2й

учас

ток

1й

учас

ток

2й

учас

ток

ϕ,

град.

с,

кПа

1й

учас

ток

2й

учас

ток

1,5 1,49 70 0,12 0,42 0,10 0,30 17 41 13,5 5,4

3,0 1,52 94 0,33 0,46 0,25 0,31 16 15 6,3 3,2

5,0 0,98 112 0,31 0,40 0,31 0,40 14 8 4,9 2,7

Во всех проведенных испытаниях в зависимостях )(

zх

f σ=σ и )(

fs σ=

наблюдаются два участка с различной интенсивностью приращения боковых

давлений и осадки штампа прибора. Первый участок от 0 до нагрузки,

соответствующей структурной прочности грунта (давление предварительного

уплотнения), характеризуется меньшим значением приращения

и s по

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

235

мере роста

а второй участок – большей интенсивностью приращения

и s. Значения модуля деформации для этих участков приведены в табл. 5.8.

Выполненные исследования свидетельствуют о том, что рассмотренная

методика определения механических свойств грунтов в компрессионном

приборе с измерением боковых напряжений позволяет определять не только

деформационные, но и прочностные характеристики грунтов. Как было

показано в работе З.М. Жамбакиной (1989), значения параметров условия

прочности Мора – Кулона, полученные из рассмотренных испытаний,

совпадают с результатами испытаний на прямой срез. Жамбакина З.М.

выполнила более 850 опытов с песком плотным и рыхлым и лессовидным

суглинком. Испытания были проведены в компрессионном приборе

конструкции В.Ф.Сидорчука на сжатие и в стандартном приборе прямого

среза конструкции института «Гидропроект» на сдвиг. Оказалось, что

поведение песчаных грунтов существенным образом зависит от начального

напряженного состояния, созданного в процессе формирования плотных

)52,0( =e и рыхлых )82,0( =e образцов песка. В плотных образцах возникают

остаточные вертикальные и горизонтальные напряжения после формирова

ния образцов. В отличие от песков рыхлого сложения, для плотного песка

зависимость бокового давления от вертикального в условиях компрессии

характеризуется двумя линейными участками как и глинистых грунтов (см.

рис. 5.34). Точка перелома соответствует вертикальным напряжениям,

которые приложены в процессе формирования образца песка в одометре.

Жамбакина З.М. и Сидорчук В.Ф. высказали предположение о том, что

при создании каждой ступени нормального давления в образце грунта в

одометре возникают микродеформации сдвига, интенсивность которых

уменьшается с ростом нормального давления. Полагая далее, что эти дефор

мации сдвига соответствуют предельному состоянию по Мору – Кулону, они

предложили использовать одометр с измерением боковых напряжений для

определения параметров прочности

и c. На рис. 5.35 показаны предельные

огибающие построенные по результатам испытания плотного мелкого песка

)52,0( =e в одометре и приборе прямого среза. Две предельные прямые на

рис. 5.35, б характеризуют предельное состояние при уровне напряженного

состояния до точки перелома и после нее. На первом участке напряженного

состояния предельная прямая исходит из начала координат (ϕ=40,5°, c=0), на

втором же участке вторая предельная прямая показывает наличие сил

сцепления, равных 0,019 МПа, а ϕ=29

. Те же значения в условиях прямого

среза (рис. 5.35, а) равны 0,018 МПа и 41

, соответственно.

Глава 5

236

(а)

(б)

Рис. 5.35. Предельные прямые для плотного песка, построенные двумя методами

(Жамбакина, 1989):

а – испытания в одометре; б – испытания на срез

Испытания рыхлого (e = 0,82) песка (рис. 5.36) показывают более близкое

совпадение результатов, полученных в одометре и в срезном приборе. Зави

симость )(

zх

f σ=σ для рыхлого песка линейная, без изменения угла наклона.

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

237

(а)

(б)

Рис. 5.36. Предельные прямые для рыхлого песка, построенные двумя методами

(Жамбакина, 1989):

а – испытания в одометре; б – испытания на срез

Аналогичные опыты проводились с образцами лессового грунта различной

влажности (w=2, 12, 18 %). Сдвигающие усилия в срезном приборе

прикладывались со скоростью, близкой к компрессионному нагружению

продолжительностью 10 мин, после чего регистрировались величины полу

ченных перемещений. На рис. 5.37 показаны результаты испытаний лессовых

грунтов ненарушенной структуры в одометре и приборе прямого среза. Опыты в

условиях прямого среза проводились при нормальном давлении, которое ниже

структурной прочности, и при нормальном давлении, превышающем

структурную прочность. В первом случае угол внутреннего трения (w=2 %)

равен 33°, а силы сцепления – 0,34 МПа. Во втором диапазоне нормальных

давлений получено большее значение угла внутреннего трения, равное 44

, а

силы сцепления составили 0,27 МПа. Эти же значения в одометре оказались

Глава 5

238

равными: 31° – для первого участка и 45° – для второго. было установлено, что

угол внутреннего трения, определенный по результатам компрессионных

испытаний при нагрузках, меньших структурной прочности, близок к углу,

полученному в условиях прямого среза при нормальных давлениях, превы

шающих структурную прочность.

(a)

(б)

Рис. 5.37. Предельные прямые для лессового грунта, построенные двумя методами

(Жамбакина, 1989):

а – испытания в одометре; б – испытания на срез

Испытания в условиях невозможности бокового расширения

239

5.5. Компрессионные испытания с непрерывным нагружением

Природные глинистые грунты показывают сложное поведение, и поэтому

важно определить различия между их поведением в естественных и лабора

торных условиях. Параметры сжимаемости, определяемые различными мето

дами в лаборатории и полевых условиях, не должны отличаться. Однако

различия существуют и зависят не только от структуры грунтов, но и скорости

деформации при нагружении. При испытании образцов грунта в одометрах

скорость деформации принимается в интервале 5⋅10

8

–5⋅10

6

1

. Например, для

образцов, взятых из основания дамб или насыпей, – 5⋅10

12

–1⋅10

8

1

. Про

должительные измерения осадок в полевых условиях с последующим перес

четом позволяют найти более точные значения параметров сжимаемости,

однако использование данного приема при проектировании практически

невозможно, так как одинаковые инженерногеологические условия встреча

ются очень редко.

В строительной практике Великобритании прочность стабилизированных

глин определяют на седьмой день (BS 1924) и используют эту прочность при

проектировании. Это время установлено исходя из требования между

сокращением времени испытаний и ростом прочности. Прочность образцов

будет увеличиваться и после семи дней, но стоимость испытаний будет также

возрастать с течением времени. Пока прочность является основным пара

метром, который используется при проектировании ряда сооружений. В то же

время сжимаемость грунта может быть определяющей при проектировании

оснований фундаментов по деформациям.

Имеется несколько методов измерения сжимаемости грунтов в лабора

тории. Нагружение ступенями, применяемое в одометре, является

общепринятым, а продолжительность испытаний занимает несколько дней.

Одометр Rowe позволяет измерить поровое давление образцов относительно

большого размера – диметром 150 мм и высотой 40 мм. Нагружение

жидкостью через гибкую мембрану позволяет создать однородные напря

жения в образце грунта. Оценить сжимаемость грунта также можно в

стабилометрах с измерением локальной деформации, используя датчики

деформации, закрепленные на поверхности образца (Боткин, 1940; Jardine et

al., 1984).

Испытания в стабилометре могут продолжаться несколько суток

или даже недель, так как каждое приращение нагрузки сохраняется

постоянным до тех пор, пока поровое давление не стабилизируется или не

будет достигнута заданная величина стабилизации деформации.

Испытания в одометре при нагружении ступенями не подходят для

искусственно упрочненных грунтов, так как их жесткость возрастает не

только по мере увеличения нагрузки, но и в процессе старения композитного

материала, которым является упрочненный грунт. Когда испытываются

упрочненные грунты, эффект зависимости стабилизации от времени может

Глава 5

240

влиять на определяемые характеристики сжимаемости, в особенности если

испытания продолжительны.

Альтернативными испытаниями являются испытания с постоянной

скоростью деформации (CRS), позволяющие оценить сжимаемость грунта в

зависимости от эффективных напряжений за более короткое время. Метод

данных испытаний в одометрах с постоянной скоростью консолидации был

предложен Smith and Wahls (1969) и позднее Sheahan and Watters (1996). В этих

опытах избыточное поровое давление допускается, но при условии, что оно

небольшое или приращения нагрузки небольшие и вызывают только упругие

деформации. Следует заметить, что испытания в действительности являются

испытаниями с постоянной скоростью перемещения, так как высота образца не

стандартизирована. Высота образца изменяется в течение опытов, но дефор

мация выражается через начальную высоту, которая остается постоянной.

Следовательно, постоянная скорость деформации является приемлемой только

для одного образца. Скорость деформации должна быть медленной, такой,

чтобы поровое давление не влияло на результаты испытаний.

CRS

испытания являются стандартными испытаниями естественных

грунтов в Швеции, Норвегии, Соединенных штатах (ASTM D 418697) и

Франции. Hamilton and Crawford (1959) были первыми, кто описал CRSис

пытания, но Smith and Wahls (1969) первыми предложили методику

интерпретации данных испытаний. Скорость деформации в испытаниях

шаговым нагружением (ступенями) изменяется со временем, а скорость

деформации в CRSиспытаниях является постоянной и отличается от первой.

Поэтому сопоставление результатов испытаний, полученных с использо

ванием двух разных методов, следует проводить с осторожностью, только

если скорость деформации одинакова.

CRS

испытания были вначале разработаны для определения параметров

сжимаемости, но не параметров консолидации, зависящих от времени. Это

было обусловлено тем, что параметры сжимаемости являются основными при

расчете деформации оснований. Однако в некоторых случаях более важно

определить не конечную осадку, а изменение осадки со временем (скорость

осадки). В этом случае оригинальную методику использовать нельзя, так как

она основана на отсутствии избыточного порового давления. Сравнительно

недавно разработан метод анализа, способный учитывать некоторую вели

чину избыточного порового давления (Lee and Sills, 1979); поэтому сегодня

можно определять параметры консолидации из CRSопытов.

При проектировании слабых водонасыщенных оснований часто исполь

зуется прием горизонтального или вертикального дренирования для ускорения

процесса консолидации глинистых грунтов. При решении этой задачи

необходимо определить период стабилизации, для чего используются коэф

фициенты консолидации как в горизонтальном, так и в вертикальном

направлении. Обычно значение коэффициента консолидации в вертикальном