Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

601

стенкой), то прочность будет различной. Прочность грунта при расширении

оказывается меньше, чем при сжатии. Поэтому прочность грунтов в условиях

трехосного сжатия определяют как по траектории сжатия (СТС, ТС), так и по

траектории расширения (СТЕ, ТЕ).

В некоторых случаях на одном и том же основании необходимо оценивать

как кратковременную, так и длительную устойчивость. Например, в течение

строительства насыпи в основании водонасыщенных грунтов дренирование

будет практически отсутствовать, а после ее устройства в процессе консо"

лидации и дренирования прочность грунта будет изменяться. Отсюда

возникает необходимость определения как недренированной, так и

дренированной прочности. В первом случае следует проводить испытания как

неконсолидированно"недренированные, а во втором – как консолиди"

рованно"недренированные или консолидированно"дренированные.

В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с ис"

пользованием условия прочности Кулона (рис. 16.1) или Мора – Кулона

(

рис. 16.2). На рис. 16.1 приведена диаграмма прочности Кулона для связного

грунта. Из рис. 16.1 видно, что прочность грунта по Кулону линейно зависит

от нормального давления. В связи с тем что нормальное давление может быть

выражено через полные (σ ) и эффективные (

′

) напряжения, то и условие

прочности Кулона может быть представлено в виде двух уравнений:

tg cτ=σ

, (16.1)

tg c

′′′

τ=σ

, (16.2)

где

′

σ=σ−

;

– полное напряжение;

′

– эффективное напряжение; u –

поровое давление;

и c – сцепление и угол внутреннего трения – па"

раметры, определяющие прочность грунта в полных напряжениях;

′

–

сцепление и угол внутреннего трения – параметры, определяющие прочность

грунта в эффективных напряжениях.

Выбор первого или второго условия прочности при оценке прочности

грунтов и, следовательно, при определении параметров прочности в ла"

бораторных условиях зависит от условий нагружения и типа испытаний.

При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое

давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно

быстро рассеивается. Поэтому испытания на стадии сдвига проводят по от"

крытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца грунта ступе"

нями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поро"

вое давление измеряется, а это возможно только при полном водонасыщении

образцов и отсутствии дренирования, то, проведя опыты по схеме некон"

солидированно"недренированного или консолидированно"недренирован"

ного сдвига и использовав условие прочности (16.2), можно определить

параметры прочности в эффективных напряжениях.

Глава 16

602

(а) (б)

Рис. 16.1. Условие прочности Кулона для полных (а) и эффективных (б) напряжений не

полностью водонасыщенного грунта

(а) (б)

Рис. 16.2. Диаграмма прочности по Кулону в условиях одноосного сжатия (а)

и трехосного неконсолидированно"недренированного сдвига (б)

Параметры прочности, определенные в полных и эффективных напря"

жениях, различны и должны применяться при проектировании оснований

исходя из условий их нагружения и вида грунта. Фактически, если в расчетах

устойчивости склонов или несущей способности оснований фундаментов учи"

тывается поровое давление, то следует использовать параметры, определенные из

условия (16.2). В противном случае необходимо применять параметры

прочности, измеренные в полных напряжениях.

Какое из двух условий прочности выбрать при проектировании – решает

инженер"геотехник, основываясь на своем опыте, учитывая особенности ин"

женерно"геологических условий, вид сооружения или здания и стадию

возведения.

Приборы для определения параметров прочности в условиях прямого

среза, трехосного и одноосного сжатия были рассмотрены в главах 6, 7, 13.

Поэтому здесь остановимся на некоторых особенностях, которые не были

рассмотрены ранее.

16.1.1. Испытания в условиях прямого среза

Испытания

в приборе прямого среза позволяют определить параметры

прочности только в полных напряжениях. Это объясняется конструктивными

особенностями прибора, в котором невозможно обеспечить полную герме"

Методы определения недренированной и дренированной прочности

603

тичность образца грунта. Поэтому в опытах с водонасыщенными или час"

тично водонасыщенными грунтами при медленной скорости сдвига, допуская

рассеивание порового давления, можно определить параметры прочности ϕ и

с, но они будут различаться, если грунт имеет разную естественную

влажность.

В приборе прямого среза испытания по схеме неконсолидированно"

недренированного сдвига (НН) провести невозможно просто из его конструк"

тивных особенностей. Поэтому, если выполнить подобные испытания по

ГОСТ 12248"96 по схеме неконсолидированно"недренированного сдвига, в

этом же приборе мы получим параметры прочности

, которые коли"

чественно будут отличаться от их значений, установленных в условиях пол"

ного дренирования. Угол внутреннего трения будет значительно меньше, а

сцепление несколько возрастет. Поэтому прибор прямого среза не исполь"

зуется за рубежом для испытания грунтов по схеме НН. В связи с тем, что

испытания в разных приборах показывают отличающиеся друг от друга

значения недренированной прочности, ее принято обозначать разными

индексами. Например, испытания в условиях простого сдвига (direct simple

shear)

имеют индекс DSS и прочность обозначается как

uDSS

. В условиях

трехосного сжатия ее принято обозначать как

Испытания по схеме НН можно провести в приборе простого сдвига (см.

главу 6) или – что делается более часто – в приборе трехосного сжатия. Если

испытания выполняются в приборе простого сдвига, то полученное значение

недренированной прочности

uSS

представляет собой среднее из значений

недренированной прочности, установленных при трехосном сжатии и трех"

осном расширении, так же как и при сжатии и расширении в условиях

плоской деформации. Эта недренированная прочность

uSS

подходит для

прямого использования при оценке устойчивости склонов, насыпей и расчете

несущей способности водонасыщенных оснований (Larsson, 1980; Ladd,

1991).

В этом случае нормализованное значение недренированной прочности

рекомендуется определять для нетрещиноватых глинистых грунтов из

следующего выражения:

0,80

(/ ) 0,23

uvSS

сOCR

′

σ=

. (16.3)

Значение коэффициента 0,23 было получено из большого количества

испытаний в приборе простого сдвига. Для грунтов с резко выраженным

горизонтальным отложением частиц этот коэффициент равен 0,16. В своих

исследованиях Mayne (1988) выявил зависимость нормализованной проч"

ности нормально уплотненной глины

(/ )

uvNC

′

от угла внутреннего трения,

найденного из дренированных испытаний, в виде:

sin

(/ )

uvNC

′

σ=

. (16.4)

Глава 16

604

Поэтому уравнение (16.3) может быть записано следующим образом:

0,80

sin

(/ )

uvDSS

сOCR

′

σ=

. (16.5)

Для очень мягких глин, у которых степень переуплотения небольшая

(

2OCR <

), последнее выражение имеет следующий вид:

() 0,21

uDSS p

′

≈σ. (16.6)

Эти уравнения совместно с интерпретацией давления предварительного

уплотнения

′

и с целью создания профиля недренированной прочности для

связных отложений, при проведении как полевых, так и лабораторных

компрессионных испытаний. Профили недренированной прочности, постро"

енные согласно этим уравнениям, могут быть также использованы для

контроля данных лабораторных и полевых испытаний.

16.1.2. Испытания в условиях одноосного сжатия

Испытания

в условиях одноосного сжатия применимы только для водо"

насыщенных грунтов. В этом случае предельная прямая на диаграмме Кулона

является горизонтальной прямой (рис. 16.2, а). Когда грунт водонасыщен и

отсутствует дренирование (быстрое нагружение), прочность на сдвиг не

зависит от нормального давления, так как оно полностью воспринимается

поровой водой. Поэтому возрастание нормального давления не приводит к

росту эффективных напряжений и увеличению прочности грунта. В этом

случае прочность на сдвиг определяется только силами сцепления, а

прак"

тически равно нулю. Эта прочность называется недренированной и обозна"

чается как c

. Поэтому, если при проектировании учитывается параметр c

то

решение должно выполняться с применением полных напряжений.

Теоретически любое нормальное давление, даже небольшое, может быть

использовано для определения недренированной прочности водонасыщен"

ных грунтов. Однако в действительности прочность сдвигу даже полностью

водонасыщенных грунтов будет изменяться с ростом нормального давления, в

частности, из"за того, что в массиве грунта напряжения от собственного веса

могут быть больше напряжений, задаваемых при испытании образцов грунта.

Фактическая прочность при небольших нормальных давлениях оказывается

также меньше задаваемой прочности из"за эффекта нарушения структуры

монолитов при их отборе. Прикладывая большие нормальные давления, сле"

дует ожидать увеличения прочности из"за частичного восстановления ранее

нарушенной структуры при рекомпрессии образца. Как правило, недрениро"

ванная прочность из одноосных испытаний, по сравнению с другими типами

испытаний, оказывается заниженной. Поэтому ее применение при проекти"

ровании дает заниженную оценку устойчивости оснований.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

605

16.1.3. Испытания в условиях трехосного сжатия

Трехосные

испытания дают более надежную оценку как недренированной,

так и дренированнной прочности грунтов. Это объясняется следующим. Во"

первых, испытания можно провести в условиях полного отсутствия дрениро"

вания, так как резиновая оболочка обеспечивает герметичность образца. Во"

вторых, в образце грунта можно создать напряженное состояние, соответст"

вующее природному, на стадии консолидации, а на стадии сдвига реализовать

различные условия нагружения, моделируя внешнюю нагрузку в зависимости от

вида сооружения и управляя процессом дренирования и стабилизацией

деформаций сдвига.

В неконсолидированнонедренированных испытаниях дренирование не

допускается ни на стадии консолидации, ни на стадии сдвига образца грунта.

Поровое давление не измеряется, а его значение и, следовательно, эффек"

тивные напряжения не известны. Для того чтобы измерить величину избы"

точного порового давления, необходимо допустить возможность дрениро"

вания, что не предусматривается схемой испытаний. Результаты НН"испы"

таний обрабатывают с использованием кругов напряжений Мора и полных

напряжений, так как поровое давление не известно. Если грунт водонасыщен,

то предельная огибающая к кругам Мора является прямой линией (рис. 16.2,

б). Поровое давление воспринимает любое возрастание всестороннего давления

вследствие того, что грунт не может сжиматься при отсутствии дренирования. В

результате возрастание всестороннего давления не вызывает изменения

эффективных напряжений, и поэтому прочность грунта с ростом всестороннего

давления не изменяется. Для водонасыщенных грунтов прочность на сдвиг

определяется только силами сцепления и выражается как недренированная

прочность с

при

= 0.

Если грунт будет не полностью водонасыщен, то при возрастании все"

стороннего давления грунт будет сжиматься в объеме, равном объему воздуха

в его порах. В этом случае прочность будет возрастать с ростом всестороннего

давления. Если испытать не полностью водонасыщенный грунт при различ"

ном всестороннем давлении по схеме НН, то мы получим криволинейную

предельную огибающую к кругам Мора, такую, как показана на рис. 16.3. Для

расчета устойчивости не полностью водонасыщенных грунтов рекомендуется

или кусочно"линейная аппроксимация криволинейной огибающей

(

рис. 16.3, а), или аппроксимация отрезком прямой (рис. 16.3, б). В первом

случае параметры прочности ϕ и с будут переменными и будут зависеть от

всестороннего давления. Во втором случае параметры прочности будут

постоянными. Следует иметь в виду следующее обстоятельство. Если всесто"

роннее давление в опытах будет принято меньшим бытовых напряжений, то

будут получены заниженные значения прочности из"за того, что эти напря"

жения не смогут компенсировать разупрочнение монолита при его отборе из

Глава 16

606

массива и нарушение структуры, возникающее при вырезании образца из

монолита. Поэтому принимаемое в опытах всестороннее давление должно

быть не меньше бытовых напряжений.

(а) (б)

Рис. 16.3. Предельная огибающая не полностью водонасыщенных глинистых грунтов (а) и ее

аппроксимация отрезком прямой (б)

Кусочно"линейная аппроксимация предельной огибающей в последнее

время стала использоваться в ряде программ численного расчета устойчи"

вости склонов. Это программы Geo"Slope, UTEXAS (www.xmswiki.com) и др.

При проведении консолидированнодренированных (КН) испытаний грунту

позволяют дренировать полностью как при действии всестороннего давления,

так и при его сдвиге. Как и в случае прямого среза, всестороннее давление и

девиатор напряжения надо прикладывать достаточно медленно, чтобы в образце

грунта было обеспечено полное дренирование поровой воды и чтобы не

возникало избыточное поровое давление. Также необходимо полностью водо"

насыщать образцы с целью исключения капиллярного всасывания, что может

привести к увеличению эффективных напряжений и завышению прочности.

Вследствие того что в опытах допускается дренирование, значение

порового давления остается в процессе сдвига постоянным, равным его зна"

чению в начале испытания. Таким образом, можно представить результаты

КД"испытаний в эффективных напряжениях, как показано на рис. 16.4.

Рис. 16.4. Предельная прямая в эффективных напряжениях

для случая консолидированно"дренированных испытаний

Методы определения недренированной и дренированной прочности

607

В некоторых случаях (например, при испытании эллювиальных глин)

предельная огибающая к кругам Мора может быть криволинейной, а не

прямой линией, как показано на рис. 16.4. Обычно в аналитических реше"

ниях при расчете устойчивости используется прочность, найденная с

использованием прямолинейной огибающей. В некоторых численных про"

граммах расчета устойчивости применяют криволинейную огибающую, вводя

в программу ряд значений предельных касательных напряжений и соответ"

ствующих им средних напряжений. Следует иметь в виду, что если прочность

грунта в лаборатории определена в эффективных напряжениях, то и в

расчетах должны использоваться эффективные, а не полные напряжения.

В течение консолидированнонедренированных (КН) испытаний образец

грунта уплотняется всесторонним давлением. В течение первой стадии испы"

таний допускается дренирование поровой воды, и поэтому грунт уплотняется.

Эта стадия называется стадией консолидации образца грунта. На второй

стадии, стадии сдвига, не допускается дренирование, и поровое давление,

возникающее в образце, не измеряется или измеряется, в зависимости от

программы испытаний. Если предполагается использование результатов

испытаний для определения параметров прочности в эффективных напряже"

ниях, то измерение порового давления должно выполняться.

Несмотря на то что КН"испытания проводятся в условиях отсутствия

дренирования при сдвиге, нагружение образца девиатором напряжений должно

быть достаточно медленным для того, чтобы качественно измерить избыточное

поровое давление. Вследствие неоднородности деформаций по высоте образца,

поровое давление развивается неравномерно в объеме образца. В большинстве

случаев поровое давление измеряется вне образца с использованием контрол"

леров давление – объем или датчиков порового давления, размещаемых у

торцов образца. Поэтому для стабилизации порового давления в объеме образца

грунта и назначается низкая скорость нагружения.

Результаты КН"испытаний могут быть представлены различным образом.

Наиболее часто КН"испытания проводятся с целью измерения прочности

грунтов как функции эффективных напряжений для последующего использо"

вания при проектировании оснований, когда при их нагружении возможно

дренирование. Эффективная предельная огибающая при полном дрениро"

вании была показана на рис. 16.4 при обсуждении консолидированно"

дренированного нагружения. Главное ограничение КД"испытаний заключа"

ется в том, что для их проведения требуется значительное время, в осо"

бенности если испытываются глинистые грунты с низкой проницаемостью и

малой скоростью дренирования. КН"испытания могут быть выполнены

значительно быстрее, чем КД"испытания. Результаты сравнительных испы"

таний свидетельствуют о том, что КД" и КН"испытания дают практически

одинаковую прочность, если она получена в эффективных напряжениях.

Глава 16

608

Таким образом, результаты КН"испытаний можно использовать для расчета

устойчивости оснований, если при их нагружении возможно дренирование.

Известно несколько практических задач (Wright, 2005), когда КН"ис"

пытания выполняют с целью измерения прочности грунтов, допуская их

консолидацию, а затем недренированное нагружение. Первая задача – это

постадийное нагружение основания весом насыпи, когда отсыпается только

часть полной насыпи и грунту основания позволяют консолидироваться

прежде, чем добавляется следующая часть насыпи. Вторая задача – это когда

выполняется резкое понижение грунтовых вод вблизи откоса и возникает

процесс консолиации грунта от возросших бытовых напряжений. Третий

случай – это когда КН"испытания используются при решении задач, предпо"

лагающих недренированное нагружение, является уменьшение эффектов

нарушения структуры грунта, возникающих при отборе монолитов для испы"

таний на недренированную прочность. Для этого применяется процедура

SHANSEP,

которая была предложена Ladd and Foott (1974) и которая будет

приведена ниже. В этом методе реализуется специальная процедура для

реконсолидации (рекомпрессии) образцов перед сдвигом с целью снижения

эффектов нарушения структуры при их отборе.

16.2. Определение недренированной прочности

связных грунтов

Условия, при которых прочность грунта практически не зависит от нор"

мального давления, возникают при достаточно быстром нагружении слабых

(

мягкопластичных и текучепластичных) глинистых грунтов при степени их

водонасыщения 85"90 % и более. К таким грунтам обычно относят нормально

уплотненные или слегка переуплотненные глины. Величина параметра недре"

нированной прочности в общем случае определяет устойчивость сооружений

на слабых водонасыщенных грунтах. К таким сооружениям относятся

насыпи, дамбы, плотины, т.е. те сооружения, которые возводятся быстрыми

темпами. При этом устойчивость может потерять не только основание, но и

сама насыпь. В случае медленного или контролируемого нагружения слабые

грунты консолидируются и прочность их возрастает. Однако при определен"

ных условиях, например при водонасыщении материала насыпи, его

прочность может во времени уменьшаться, что и приводит к потере

устойчивости тела насыпи.

Недренированная прочность глинистых грунтов зависит от вида грунта и

его структуры, влажности, истории напряжений при их формировании

(

коэффициент переуплотнения

ОСR

и условия консолидации), а также от

траектории напряжений в течение недренированного сдвига. Классические

решения, применяемые при расчете прочности оснований, не учитывают

эффекты истории напряжений и траектории напряжений при оценке

Методы определения недренированной и дренированной прочности

609

прочности грунта и определении его поведения в основании сооружений.

Исследования показывают, что история напряжений и траектория напря"

жений оказывают большое влияние на недренированную прочность глинис"

тых грунтов, что приводит к возникновению существенных ошибок при

определении недренированного поведения глинистых отложений в осно"

ваниях зданий и сооружений.

Недренированная прочность обычно определяется из трехосных испы"

таний с использованием схемы неконсолидированно"недренированного

нагружения. Ниже рассматриваются основные факторы, которые практи"

чески не учитываются при проведении испытаний в рамках ГОСТ 12248"96.

16.2.1. Факторы, влияющие на недренированную прочность

Нижеперечисленные

факторы оказывают влияние на значение недре"

нированной прочности и должны учитываться при проведении испытаний,

интерпретации результатов и выборе значений для целей проектирования:

•

нарушение структуры грунта при отборе монолитов;

•

размер образца;

•

анизотропия;

•

ползучесть;

•

скорость сдвига.

Нарушение структуры при отборе монолитов

В большинстве случаев из"за несовершенства технологии бурения при

отборе монолитов из скважин имеет место нарушение естественной струк"

туры грунта, которое дополняется разупрочнением монолитов при снятии

бытовых напряжений. Эти факторы, как и дополнительные, проявляющиеся

при подготовке образцов грунта из монолитов, снижают прочность сдвига у

глин, суглинков и супесей. Снижение прочности сдвига более выражено в

условиях недренированного сдвига и значительно менее – в условиях

дренированного сдвига. В последнем случае прочность грунта возрастает при

действии нормального давления, в отличие от условий недренированного

сдвига, когда нормальное давление на образец грунта не вызывает

консолидации образца.

На рис. 16.5 приведены значения недренированной прочности, измерен"

ные по результатам испытаний образцов грунта из монолитов (отбор в виде

блоков из шурфов) и кернов (отбор тонкостенным грунтоносом Shelby).

Прочность грунта, оцененная из керна, оказывается на 30 % меньше проч"

ности, полученной при испытании тщательно вырезанных образцов из

монолитов.

Глава 16

610

Рис. 16.5. Влияние нарушения структуры на недренированную прочность глины

(Terzaghi et al., 1996)

Эффект нарушения структуры глины при отборе монолитов и подготовке

образцов можно оценить, используя величину вертикальной деформации

()

, получаемую в процессе рекомпрессии образцов давлением, равным

природному давлению, в условиях компрессионного сжатия. Terzagi et al.

(1996)

ввели параметр качества (SQD), который изменяется от хорошего

качества (А) до плохого качества (Е), и сделали вывод, что для получения

достоверных лабораторных данных испытаний необходимы образцы с

параметром SQD качества В или А, для глин с 35OCR <−. На рис. 16.6,а

показан профиль параметра качества SQD, характер которого меняется по

глубине массива, а на рис. 16.6,б – зависимость природных эффективных

напряжений

()

′

и эффективного давления предварительного уплотнения

()

′

также от глубины массива глины. Из рис. 16.6,а видно, что если

вертикальная деформация

меньше 2 %, то образцы грунта можно считать

с небольшим нарушением структуры, и, следовательно, опыты на сдвиг дадут

более достоверные значения прочности, чем опыты с образцами, у которых

больше 2 %.