Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

611

(а) (б)

Рис. 16.6. Параметр качества образца (а) и история напряжений (б)

в массиве глинистого грунта (Ladd et al., 2003)

Размер образца

Размер образца оказывает существенное влияние на прочность иссле"

дуемого грунта, особенно это касается твердых трещиноватых глин (Wright,

2005).

Для примера, Peterson et al. (1960) получили данные, приведенные в табл.

16.1,

из результатов испытания сильно переуплотненных твердых трещиноватых

глин. Они выполнили большое количество испытаний в условиях одноосного

сжатия с образцами диаметром 36 мм и 150 мм. Среднее значение прочности

двух диаметров образцов приведено в табл. 16.1 для двух инженерно"геологи"

ческих элементов (ИГЭ"1 и ИГЭ"2). Различие в прочности составляет до 6 раз.

Таблица 16.1

Значения одноосной прочности

Наименование

Прочность на одноосное сжатие, кПа

диаметр 36 мм диаметр 150 мм

ИГЭ"1 53(22

)20 (16

)

ИГЭ"2 300 (32

)50 (23

Примечание. В скобках со звездочкой указано количество испытанных

образцов.

Образцы с меньшим диаметром показывают большую прочность, по"ви"

димому, из"за того, что они имеют большую сплошность, по сравнению с

образцами большого диаметра, в объеме которых находится большее коли"

чество трещин.

Глава 16

612

Анизотропия

Многие глинистые грунты показывают некоторую степень анизотропии в

их недренированной прочности, которая проявляется в значениях прочности,

зависящих от ориентации плоскости сдвига. Большинство лабораторных

испытаний проводится при вертикальном положении образцов, совпада"

ющем с ориентацией монолитов в массиве при их отборе. При данной

ориентации образцов предельное состояние сопровождается образованием

плоскости сдвига, наклоненной к горизонтали под углом, примерно равным

(45 /2)°+

. В том случае, если образец вырезается из монолита не верти"

кально, а под определенным углом наклона и даже горизонтально, недрени"

рованная прочность оказывается переменной и положение плоскости сдвига

также будет различным. Это явление присуще не только глинистым грунтам,

но и песчаным грунтам (Tatsuoka, 1988) как для условий недренированного,

так и дренированного сдвига.

Типичная зависимость недренированной прочности от угла наклона

образцов в диапазоне от вертикали до горизонтали показана на рис. 16.7.

Значения прочности при различных углах наклона

()c

на этой зависимости

нормализованы относительно значения, полученного при вертикальном

положении оси образца

()

, т.е. при стандартных испытаниях. Из этой

зависимости видно, что минимальное значение прочности соответствует

горизонтальной плоскости сдвига, совпадающей с плоскостью отложения

частиц грунта при их формировании в массиве отложений. Разница в

значениях прочности может достигать 50 % и более.

Рис. 16.7. Влияние ориентации образца на недренированную прочность

(Skempton and Hutchinson, 1969)

Методы определения недренированной и дренированной прочности

613

Для большинства физически анизотропных грунтов их степень ани"

зотропии может быть обнаружена путем визуального осмотра монолитов.

Обнаружив наличие прослоек, физически отличающихся от основной

матрицы грунта, следует провести опыты с образцами, которые должны быть

вырезаны из монолита по направлению прослоек. В этом случае мы получим

меньшее значение недренированной прочности.

Для исключения эффекта частичного

разрушения структуры надо включить в

программу испытаний изотропную или

анизотропную реконсолидацию образцов

грунта в стабилометре до начала этапа

сдвига. Для того чтобы определить, в каком

случае следует выполнять изотропную или

анизотропную реконсолидацию образцов,

предварительно необходимо в полевых

условиях определить характер распреде"

ления природных горизонтальных

()

вертикальных

()

напряжений. Используя

эти значения, находят коэффициент боко"

вого давления

()

. Коэффициент бокового

давления вычисляется как отношение эф"

фективных горизонтальных напряжений к

эффективным вертикальным напряжениям.

Эффективное горизонтальное напряжение

определяется как

()pu−

; здесь

–

давление, создаваемое в камере прессио"

метра, а

– гидростатическое поровое дав"

ление в грунте. На рис. 16.8 приведен

пример изменения коэффициента бокового

давления по глубине массива грунта.

В большинстве случаев параллельно с

отбором монолитов, выполняются испы"

тания с использованием статического

зонда или дилатометра. Желательно, чтобы зонд или дилатометр позволяли

измерять не только горизонтальные напряжения, но и поровое давление. Учет

природного порового давления позволяет найти эффективную недрениро"

ванную прочность. В естественных условиях практически не встречается

случай изотропной консолидации, т.е. когда

00hv

σ=σ

, возможно, только в

водонасыщенных илах или торфах. Поэтому, если прямыми измерениями

получено, что

00vh

σ<σ или

00vh

σ>σ, испытания следует проводить в

стабилометре типа Б, задавая соответствующие значения

Рис. 16.8. Изменение коэффициента

бокового давления по глубине массива

переуплотненной глины

(Sabatini et al., 2002)

Глава 16

614

Ползучесть

Образцы, испытанные при длительно действующих нагрузках или при

очень медленном изменении нагрузки без дренирования, обычно показывают

меньшую прочность по сравнению с образцами, испытанными по стан"

дартной схеме и в течение времени, меньше одного часа. Снижение проч"

ности объясняется ползучестью, протекающей во времени при избыточном

поровом давлении от длительно действующей нагрузки (например вес на"

сыпи). Однако полагают (Wright, 2005), что практически всегда в естествен"

ных условиях в нагруженном массиве грунта имеет место дренирование, в

связи с чем эффектом ползучести можно пренебречь при определении недре"

нированной прочности. Если не учитывать ползучесть при недренированных

испытаниях, то мы получим большие лабораторные значения прочности.

Однако это завышение нивелируется при назначении рекомендуемого для

проектирования значения недренированной прочности, которое прини"

мается с коэффицентом надежности не менее 1,3.

Скорость нагружения

Одним из факторов, влияющих на результаты недренированных испы"

таний, является скорость сдвига. Все связные грунты показывают чувстви"

тельность значений недренированной прочности к большим скоростям

деформации сдвига. Величина чувствительности скорости деформации может

быть выражена следующим параметром (Ladd et al., 2003):

[( / )/ lg ,

ao u uo

=Δ Δε



(16.7)

где

– значение

при отсчетной скорости осевой деформации

11o

ε=ε



Большинство значений

aoε

получено из испытаний на сдвиг по траек"

тории (СТС) изотропно"консолидированных образцов нормально уплотнен"

ных глинистых грунтов.

На рис. 16.9 приведена зависимость

(/ )

uvm

′

(

′

– максимальное верти"

кальное природное напряжение) от логарифма осевой деформации для значе"

ния 0,5

aoε

= (т.е. для отсчетной скорости деформации



, равной 0,5 %/ч.

Для очень быстрой скорости деформации (



от 5 до 50 %/ч) параметр

чувствительности скорости деформации практически не зависит от OCR .

Однако на более низких скоростях деформации

0,5

уменьшается с

OCR

становится равным нулю при

8.OCR =

Приведенный пример свидетельствует

о том, что скорость сдвига должна быть выбрана в опытах равной или близкой

к наблюдаемой в основании реальных сооружений. В противном случае будут

получены некорректные значения недренированной прочности.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

615

Рис. 16.9. Зависимость нормализованной недренированной прочности (c

/σ

)

от скорости осевой деформации (Ladd et al., 2003)

Для КН" и КД"испытаний время, затрачиваемое на разрушение

может

быть оценено с использованием табл. 16.2. В этой таблице показан эффект

применения боковых дрен. В стандартном стабилометре фильтры находятся с

торцов образца, и дренирование поровой воды происходит в их направлении.

Для ускорения процесса дренирования вводятся дополнительные фильтры из

полосок бумаги, которые размещаются на боковой поверхности образца

грунта. В этом случае дренирование происходит как в вертикальном, так и в

радиальном направлениях. Значение

100

в табл. 16.2 соответствует времени,

затраченному на полную первичную (фильтрационную) консолидацию при

всестороннем обжатии образца грунта в стабилометре.

Таблица 16.2

Время

t до достижения разрушения (Head, 1986)

Тип испытаний Нет боковых дрен С боковыми дренами

КН

100

0,51 t

100

1, 8 t

КД

100

8,5 t

100

14 t

Для определения времени при 100 %"й консолидации грунта необходимо

до испытаний на сдвиг провести испытания на консолидацию в компрес"

сионном приборе.

Глава 16

616

Согласно стандарту ASTM 3080 в случае КД"испытаний на прямой срез

время, затрачиваемое на разрушение образца, определяется из выражения

50 90

50 11,7

tt t=⋅= ⋅, (16.10)

где

– время, требуемое для завершения 50 %"й и 90 %"й первичной

консолидации, соответственно. Это время также определяется из ком"

прессионных испытаний на консолидацию.

16.2.2. Корреляция между лабораторными и полевыми значениями

недренированной прочности

Обычно

недренированная прочность определяется из трехосных испы"

таний по траектории сжатия. В полевых условиях при оценке прочности

связных грунтов используется крыльчатка.

В некоторых случаях испытания крыльчаткой более предпочтительны по

сравнению с лабораторными испытаниями. Такие случаи возникают в связи

со сложностью отбора ненарушенных образцов текучих и текучепластичных

глинистых грунтов. Опыты показывают, что в большинстве случаев испы"

тания крыльчаткой показывают завышенную недренированную прочность.

Поэтому на практике используются корректирующие коэффициенты для

уменьшения значений недренированной прочности, полученных в полевых

условиях, с целью последующего их применения при оценке устойчивости

оснований. На практике широко применяется корректирующий коэффи"

циент, предложенный Bjerrum (1972), который зависит от числа пластичности

(

рис. 16.10). Несмотря на значительные отклонения, в большинстве случаев

использование среднего значения корректирующего коэффициента дает

вполне надежные результаты при оценке устойчивости откосов, котлованов и

насыпей (Wright, 2005). Для определения истинного значения недрени"

рованной прочности необходимо умножить значения, полученные в полевых

условиях, на корректирующий коэффициент

()

с использованием графика,

приведенного на рис. 16.10. Данная корректировка рекомендуется только для

испытаний крыльчаткой.

Неконсолидированно"недренированные трехосные испытания или поле"

вые испытания крыльчаткой с использованием корректирующего коэффи"

циента дают надежные значения прочности, которые могут быть применены

при расчете устойчивости откосов, насыпей, котлованов, подпорных стен и

ограждения котлованов. Однако в некоторых случаях, например на стадии

разработки проекта, когда нецелесообразно проводить испытания, можно

применять методы предварительной оценки недренированной прочности.

Для этой цели используются существующие зависимости между недрени"

рованной прочностью и физическими характеристиками грунтов. Все эти

Методы определения недренированной и дренированной прочности

617

зависимости получены для полностью водонасыщенных грунтов, полагая, что

мы имеем случай отсутствия трения (

) и что прочность обусловлена

только сцеплением.

Рис. 16.10. Определение корректирующего коэффициента для недренированной

прочности, полученной из испытаний крыльчаткой (Terzaghi et al., 1996)

В 1948 году Skempton высказал предположение, которое было под"

тверждено позднее различными исследователями, о том, что недре"

нированная прочность водонасыщенных нормально уплотненных глин

линейно возрастает с глубиной (рис. 16.11). Увеличение прочности с ростом

эффективного нормального давления обычно выражается отношением

′

, называемым коэффициентом недренированной прочности и

определяемый как отношение недренированной прочности

()

к эффек"

тивному вертикальному напряжению

()

′

. Этот коэффициент используется

для характеристики недренированной прочности глинистых грунтов.

Были предложены различные корреляционные зависимости между коэф"

фициентом

′

и физическими свойствами связных грунтов. Одной из

первых подобных корреляций является зависимость, предложенная Skempton

(1948),

между коэффициентом

′

и числом пластичности

I (рис. 16.12).

Позднее в монографии Terzaghi, Peck и Mesri (1996) предложили другую

зависимость, основанная на полевых испытаниях крыльчаткой (рис. 16.13).

Несмотря на существенный разброс данных, зависимость приведенная на

рис. 16.13, может быть рекомендована для предварительной оценки недре"

Глава 16

618

нированной прочности нормально уплотненных глинистых грунтов. Зна"

чение недренированной прочности определяется из графиков (рис. 16.12,

16.13)

умножением коэффициента

′

на величину эффективного быто"

вого напряжения (напряжение от собственного веса грунта, найденное с

учетом порового давления).

Рис. 16.11. Типичное изменение недренированной прочности с глубиной

для нормально уплотненной глины

Рис. 16.12. Зависимость между коэффициентом

′

и числом пластичности I

(Skempton, 1948)

Методы определения недренированной и дренированной прочности

619

Рис. 16.13. Зависимость между коэффициентом

′

и числом пластичности

по Terzaghi et al. (1996)

Рассмотренная корреляция для нормально уплотненной глины была

применена в дальнейшем к переуплотненным глинистым грунтам. Методика

испытаний и соответствующие выражения приведены ниже.

16.2.3. Определение недренированой прочности

методами SHANSEP и рекомпрессии

Одним

из методов испытаний грунтов, который учитывает влияние

истории бытовых напряжений и траектории напряжений, является метод

SHANSEP (Ladd and Foott, 1974; Seah and Lai, 2004).

Особенностью данного

метода является то, что в процессе лабораторных испытаний выполняются

тщательный контроль напряжжений, создаваемых в образце грунта при

консолидации, и контроль траектории напряжений в течение недрениро"

ванного сдвига. Эти испытания проводятся в различном диапазоне историй

напряжений и траекторий напряжений. История напряжений определяется

из анализа условий формирования грунтовых отложений, для чего

используется коэффициент переуплотнения

ОСR

, а траектория напряжений

выбирается в зависимости от вида здания или сооружения и условий

нагружения массива грунта в основании данного здания или сооружения.

Поэтому при проведении лабораторных испытаний образцов грунта стремятся

более полно моделировать условия поведения грунта в основании будущего

сооружения.

В методе SHANSEP используются следующие уравнения для описания

недренированной прочности грунтов при различных траекториях напря"

жений:

Глава 16

620

()

sOCR

=⋅

′

1/2sin ( )

OCR

=ϕ⋅

′

, (16.8)

где

– недренированная прочность;

′

– бытовое эффективное верти"

кальное напряжение;

– коэффициент нормализованной консолидации

⎛⎞

⎜⎟

′

⎝⎠

;

OCR

– коэффициент переуплотнения;

– экспонента, которая

обычно находится в пределах от 0,75 до 1,0.

Значение

ОСR

определяется из выражения:

max

vvtest

OCR =σ σ

, (16.9)

где

maxv

– максимальное вертикальное эффективное напряжение, которое

создано в образце грунта;

vtest

– вертикальное эффективное напряжение в

течение стадии сдвига.

Точность определения недренированной прочности в методе SHANSEP

зависит от точности измерения давления предварительного уплотнения

′

σ ,

которое, как правило, определяется из результатов компрессионных испы"

таний. Поэтому прежде чем приступить к испытаниям при недренированном

сдвиге, необходимо выполнить компрессионные испытания.

При определении параметров прочности и деформируемости грунтов в

условиях неконсолидированного сдвига используются два метода испытаний:

метод рекомпрессии и метод SHANSEP (история напряжений и

нормализация инженерных свойств грунтов).

Метод рекомпрессии был разработан в Норвежском институте геотех"

ники. Второй метод (SHANSEP) предложили Ladd and Foott (1974). При

испытания образцов методом рекомпрессии они уплотняются (консолидиру"

ются) эффективным бытовым напряжением (

′

), затем образцы подверга"

ются срезу при отсутствии дренирования.

В методе SHANSEP образцы консолидируются до уровня напряжжений,

которые в 1,5"2 раза больше давления предварительного уплотнения (

′

σ ),

затем разгружаются до требуемого давления (Ladd et al., 1977). В результате

выполненных трехосных испытаний авторы выявили, что некоторые гли"

нистые грунты показывают совпадающие значения недренированной проч"

ности, если ее нормализовать всесторонним давлением. На рис. 16.14,а

приведены зависимости осевой деформации от девиатора напряжений при

различном всестороннем давлении

, а на рис. 16.14,б – те же зависимости,

но каждое значение девиатора напряжения поделено на всестороннее

давление

σ . Данные, представленные на этой кривой, являются идеали"

зированной недренированной прочностью для нормально уплотненных

грунтов в условиях стандартного трехосного сжатия (траектория СТС).