Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

641

Аппроксимация зависимости, приведенной на рис. 16.35, через логарифм

эффективного всестороннего давления имеет следующий вид:

sec 0

⎛⎞

′

′′ ′

ϕ=ϕ−Δϕ

⎜⎟

⎝⎠

, (16.13)

где

′

– секущий угол внутреннего трения при всестороннем давлении

′

= 100 кПа;

′

– изменение (уменьшение) значения секущего угла внут"

реннего трения при возрастании всестороннего давления;

– отсчетное

атмосферное давление.

Остаточная прочность

Остаточная прочность характеризует прочность связных грунтов при

больших деформациях. Касательное напряжение, вызывающее предельное

состояние на плоскости сдвига при достижении остаточной прочности,

обозначено на рис. 16.31 как

rest

(точка 4). При достижении остаточной

прочности вследствие того, что к этому моменту грунт подвергался большим

деформациям сдвига, минералы грунта ориентируются плоскостью друг к

другу. В результате сцепление практически полностью исчезает, а сопротив"

ление сдвигу определяется только трением между частицами грунта. Остаточ"

ная прочность может быть представлена в виде уравнения

rest rest

′′

τ=σ

. (16.14)

В геотехнических лабораториях определение остаточной прочности вы"

полняется с помощью приборов прямого или кольцевого среза. Обычно при

применении приборов прямого среза остаточный угол внутреннего трения

определяют, используя 8"10 циклов сдвига одного и того же образца, но при

одном и том же направлении сдвига и постоянной нормальной нагрузке.

На рис. 16.36 показана корреляционная зависимость секущего оста"

точного угла внутреннего трения от влажности на границе текучести при

различных значениях нормального давления и процентного содержания

глинистых частиц. Эта зависимость может быть аппроксимирована логариф"

мической функцией. В этом случае можно использовать уравнение,

предложенное (Wright, 2005):

sec,

52,5 21,3 lg( ) 3 lg

⎛⎞

′

ϕ= °− ° −°

⎜⎟

⎝⎠

, (16.15)

где

– влажность на границе текучести;

′

σ –

эффективное напряжение

при разрушении.

Глава 16

642

Рис. 16.36. Зависимость остаточного угла внутреннего трения от влажности на границе

текучести, процентного содержания минералов глины и всестороннего давления

(Wright, 2005)

Параметры, определяемые при остаточной прочности глинистых грунтов,

применяют при расчете устойчивости склонов, насыпей, котлованов в том

случае, если в массиве грунта уже имеются сдвиги, т.е. часть массива грунта

уже находится в предельном состоянии. Это характеризуется смещением

грунта и образованием видимых поверхностей скольжения или трещин.

Поэтому эти параметры нельзя использовать для первичной оценки устой"

чивости оснований.

16.4. Выбор недренированных параметров прочности

в полных напряжениях при проектировании оснований

При решении задач, где имеет место кратковременная устойчивость в

нормально уплотненных и слегка переуплотненных глинистых грунтах,

используется недренированная прочность,

. Профиль изменения

зависимости от глубины отбора образцов должен быть разработан для не"

скольких точек площадки изысканий. Так как

неоднозначно определяется

различными методами, то и профили будут отличаться друг от друга. Обычно

на практике профиль недренированной прочности строится на основе

лабораторных НН" и КН"испытаний. В том случае, если невозможно

отобрать образцы ненарушенной структуры, профиль строится по резуль"

татам испытаний в полевых условиях крыльчаткой.

Методы определения недренированной и дренированной прочности

643

При определении недренированной прочности с целью построения ее

профиля следует учитывать следующие рекомендации (Sabatini et al., 2002):

•

прочность, измеренная с использованием лабораторной крыльчатки,

ручного пенетрометра или полученная из одноосных испытаний, не может

быть рекомендована для целей проектирования. Значения прочности опреде"

ляются из результатов консолидированно недренированных трехосных испы"

таний и полевых испытаний с последующей их интерпретацией;

•

все полученные данные измерений недренированной прочности

должны быть связаны с глубиной отбора образцов или результатами полевых

испытаний. На каждом профиле должен быть указан тип испытаний;

•

данные о прочности должны быть дополнены физическими харак"

теристиками грунтов (влажность, пределы пластичности, гранулометричес"

кий состав, плотность грунта);

•

КН"испытания нормально уплотненных и слегка переуплотненных

глин, в ходе которых наблюдается образование дефектов структуры образцов

грунта (см. рис. 16.6), должны быть дополнены по крайней мере одним

испытанием с давлением консолидации, равным четырем значениям эффек"

тивного давления предварительного уплотнения

′

σ ;

•

недренированная прочность из КН"испытаний соответствует эффек"

тивному давлению консолидации, прикладываемому к образцу в опытах. Эти

эффективные давления (напряжения) должны соответствовать природным

эффективным напряжениям на соответствующей глубине отбора монолита

грунта. Для этого необходимо оценить величину порового давления на

данной глубине;

•

профиль давления предварительного уплотнения

′

σ (

или

OCR

) дол"

жен быть разработан и применен при определении недренированной

прочности.

График недренированной прочности строят, откладывая по горизонталь"

ной оси значение недренированной прочности, а по вертикальной оси –

глубину отбора монолита или глубину, на которой были выполнены полевые

испытания. Лабораторные значения недренированной прочности представля"

ются на профиле одновременно для КН" и НН"испытаний. Обычно значения

КН прочности оказываются больше, чем значения НН прочности; этот факт

используется для оценки точности проводимых испытаний. Результаты

полевых испытаний также отображаются на данном профиле. Данные

измерений, выполненных различными методами (крыльчатка, статический

пенетрометр, динамический пенетрометр, дилатометр), должны быть

обозначены на графике как точки, без соединения их линиями. Это облегчает

визуальную идентификацию верхней и нижней границы случайных значений

данных измерений. Нижняя граница определяется значениями недре"

нированной прочности, полученными согласно уравнению (16.4), когда

Глава 16

644

1OCR =

. Поэтому данные, лежащие ниже этой линии, должны быть исклю"

чены при интерпретации результатов.

Практика испытаний свидетельствует о том, что лучшие результаты при

определении недренированной прочности могут быть получены при консо"

лидации образцов грунта напряжениями, равными бытовым напряжениям в

полевых условиях. Поэтому в опытах желательно давление консолидации

принимать равным бытовым напряжениям с учетом взвешивающего действия

грунтовых вод, если природные грунты находятся в водонасыщенном

состоянии. Более точные результаты могут быть получены, если известно

бытовое поровое давление. Зная его величину, можно найти эффективное

нормальное бытовое давление и его уже прикладывать к образцу грунта.

Следует заметить, что результаты испытаний могут иметь разброс до 40 %

(Duncan, 2000).

Это означает, что стандартное отклонение в недренированной

прочности может быть равно 40 % от среднего значения. Поэтому получить

надежный профиль зависимости недренированной прочности от глубины

практически невозможно. Обычно принимают наихудший профиль,

учитывая, что значение недренированной прочности будет использоваться

при оценке устойчивости оснований. Инженер, выполнив расчет устойчи"

вости, примет решение, при котором коэффициент надежности больше

единицы (как правило, его принимают от 1,15 до 1,4). Естественно, при

построении профиля прочности аномальные значения должны быть исклю"

чены из анализа данных.

Для сильно переуплотненных глинистых грунтов (

36OCR >−

) значение

недренированной прочности, найденное из полевых испытаний, оказывается

больше (до 50 %) лабораторных значений из"за наличия в образцах массива

грунта микротрещин, которые обусловлены физическим состоянием отложе"

ний, а также микротрещин, появившихся вследствие дополнительного

разрушения структуры, возникающего при отборе монолитов и вырезании из

них образцов. В лаборатории влияние трещиноватости образцов может быть

уменьшено путем испытания образцов с диаметром, равным диаметру грунто"

носа. При высоких бытовых давлениях в процессе реконсолидации образцов

влияние нарушения структуры на прочность снижается.

Существует мнение (Sabatini et al., 2002), что у переуплотненных,

трещиноватых глин следует определять дренированную прочность для целей

проектирования, так как наличие микротрещин способствует дренированию

этих грунтов при нагружении, и дренированная прочность оказывается мень"

ше недренированной. Поэтому при оценке устойчивости оснований из

переуплотненных, трещиноватых глин следует использовать минимальное

значение прочности, найденное из дренированных или недренированных

испытаний.

На рис. 16.37 показан график зависимости недренированной прочности от

вертикальных эффективных напряжений для НН" и КН"испытаний. На этом

Методы определения недренированной и дренированной прочности

645

же графике приведены значения недренированной прочности, определенные

с использованием уравнений (16.3) и (16.5). Уравнение (16.3) получено из

анализа данных испытаний, проводившихся в приборе простого сдвига. При

вычислении

применены значения

OCR

, приведенные на втором графике,

и значение дренированного угла внутреннего трения, равное 18,2

. Этот угол

определен из испытаний в приборе прямого среза.

Рис. 16.37. Профили давления предварительного уплотнения, коэффициента

переуплотения и недренированной прочности (Sabatini et al., 2002)

Как видно из рис. 16.37, значения недренированной прочности из НН"ис"

пытаний последовательно ниже значений, полученных для КН"испытаний и

с использованием уравнения (16.3). Основываясь только на результатах

лабораторных НН" и КН"испытаний, можно построить средний профиль

прочности. В тоже время зависимость (16.5) дает близкие значения к

значениям НН"испытаний.

На рис. 16.38 показаны графики зависимости нормализованной недрени"

рованнной прочности от коэффициента переуплотнения глины. Эти графики

свидетельствуют о целесообразности использования уравнения (16.5) для

определения недренированной прочности.

Глава 16

646

Рис. 16.38. Нормализованная прочность для различных методов определения

(Sabatini et al., 2000)

16.5. Выбор эффективных параметров прочности

при проектировании

Параметры прочности в эффективных напряжениях (

′

) следует

определять из дренированно"консолидированных испытаний в приборе пря"

мого среза, консолидированно"дренированных трехосных испытаний по траек"

тории сжатия или консолидированно"недренированных трехосных испытаний с

измерением порового давления. В лабораторных испытаниях скорость сдвига

должна быть достаточно медленной, такой, чтобы в процессе сдвига

возникающее избыточное поровое давление рассеивалось в процессе

дренированного сдвига или полностью выравнивалось внутри образца при

выполнении недренированных испытаний. Опыты необходимо проводить до

достаточно больших перемещений, до достижения устойчивого послепикового

состояния напряжений сдвига. Выбор пиковой, критической или остаточной

прочности зависит от поведения грунта в основании реального сооружения.

Решение об использовании сцепления (с

′

) при оценке длительной устой"

чивости естественных связных отложений должно приниматься с осторож"

ностью. Ранее было показано, что сцепление уменьшается существенно с

ростом деформации сдвига и может быть нулевым особенно это характерно

для глин с высокой пластичностью. Поэтому с целью обеспечения надежно"

сти проектируемых оснований сцеплением в расчетах следует пренебрегать.

647

Глава 17. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ

ЗАДАЧ ГЕОТЕХНИКИ

В этой главе рассматриваются основные методы проектирования ин"

женерных оснований и приводятся рекомендации по использованию соответ"

ствующих параметров прочности и деформируемости для их расчетов.

Методы испытаний на прочность и деформируемость, как и необходимое для

этого оборудование, были рассмотрены в главах 5–9.

При расчете несущей способности фундаментов мелкого и глубокого

заложения, определении расчетного сопротивления грунта, оценке устой"

чивости откосов и насыпей, определении пассивного и активного давления

на поверхности подпорных стен используются параметры прочности. Эти

параметры входят в различные условия прочности, одним из которых

является условие прочности Мора – Кулона. Условие прочности характери"

зует такое предельное состояние в грунте, при котором в некотором объеме

грунта касательные напряжения превышают его прочность. Прочность

грунта, которая оценивается при проектировании оснований, может быть

различной: дренированной или недренированной, пиковой, критической,

остаточной, статической или динамической. Она также зависит от условий

нагружения, скорости нагружения и граничных условий.

Выбор соответствующих параметров прочности при проектировании

оснований зданий и сооружений должен быть, как минимум, основан на

решении следующих вопросов:

как быстро будет нагружаться основание из водонасыщенных или

неводонасыщенных грунтов (недренированная и дренированная прочность);

как условия нагружения внешней нагрузкой будут оказывать влияние

на прочность грунта;

какой уровень деформаций сдвига будет иметь место в основании

будущих сооружений и при каком уровне деформаций следует определять

параметры прочности.

Выбор метода испытания грунтов для определения параметров прочности

и деформируемости зависит от конкретной задачи проектирования зданий

или сооружений и метода расчета их оснований.

Например, проектирование фундаментов гражданских и промышленных

зданий на естественных основаниях с помощью методов строительных норм

(

СП 50"101"2004) предусматривает использование прочностных и деформа"

ционных параметров грунта при расчете оснований и фундаментов по двум

группам предельных состояний: несущей способности и деформации. Расчет

несущей способности выполняется с использованием прочностных парамет"

Глава 17

648

ров

и выражения (1.5). В общем случае для расчета осадки фундамента

необходимо определить два параметра – модуль деформации E и модуль

упругости

. Затем расчет осадки осуществляется согласно выражению (1.1)

с применением модели грунта в виде линейно"деформируемой среды. В то же

время, если использовать иные модели грунта, допуская, что мы имеем в

случае нелинейного поведения грунтовой среды, то в зависимости от выбран"

ной модели грунта может потребоваться определение дополнительных

параметров из испытаний образцов грунта. Вид выбираемой модели грунта

зависит от вида грунта и условий его нагружения в основании зданий и

сооружений. В главе 1, табл. 2 приведены модели грунта, которые исполь"

зуются в некоторых программах численного расчета оснований зданий и

сооружений. Графическое представление различных условий прочности или

моделей грунта показано на рис. 17.1.

Для каждой модели грунта необходимо определить из опытов соответст"

вующие параметры прочности и деформируемости. Количество определя"

емых параметров зависит от принятой модели грунта. Так, например, при

использовании упругой модели грунта следует найти всего два параметра

деформируемости: модуль упругости и коэффициент Пуассона. Если же

выбрана нелинейно"упругая модель грунта, то установленная в ходе опытов

зависимость

ε= σ

()f

полностью вводится в программу расчета. В то же

время при использовании моделей семейства «Сар» в программу необходимо

ввести параметры как деформируемости, так и прочности. Кроме того, если

применяется неассоциированный закон течения для оценки величины

пластической деформации, то следует определить угол дилатансии и ввести

его в программу. В некоторых моделях грунта количество параметров,

определяемых из опытов, может быть более десяти. Например, для расчета

нелинейного поведения грунтов основания с помощью модели №147 в

программе LSDYNA, необходимо определить 18 параметров, в том числе и

физические характеристики, такие, как плотность грунта, плотность частиц

грунта и естественная влажность.

Наиболее дешевыми и простыми испытаниями, проводимыми с целью

определения параметров прочности, являются испытания образцов связных

грунтов и скальных пород в условиях одноосного сжатия и только грунтов в

условиях неконсолидированно"недренированного трехосного сжатия. Эти

испытания позволяют сравнительно легко определить недренированную

прочность связных грунтов

. Однако этот параметр не может характеризо"

вать точно прочность грунта из"за влияния ряда факторов на результаты

испытаний, таких, как скорость нагружения образца грунта, степень на"

рушения его структуры и отсутствие условий полного недренирования в

реальных массивах грунтов. Поэтому этот параметр не может быть рекомен"

дован как единственный для применения при проектировании, но может

быть использован как оценочный совместно с данными полевых испытаний,

выполняемых, например, методом пенетрации или среза крыльчаткой.

Определение параметров прочности и деформируемости

649

(а) (б)

(в)

(г) (д)

(е)

Рис.17. 1. Условия прочности

(

модели грунта):

а – Друкера – Прагера в пространстве

главных напряжений; б – Друкера"

Прагера и Мора – Кулона в девиаторной

плоскости; в – Сар в программе Abaqus;

г – Сар в программе Z"Soil; д,е – мо"

дифицированная Cam"Clay (программа

Crisp)

Глава 17

650

Для точного определения параметров прочности образцы грунта должны

быть, в идеальном случае, реконсолидированы таким образом, чтобы устра"

нить при этом эффекты разуплотнения и разрушения структуры, проявля"

ющиеся при отборе монолитов из массива грунта и последующей подготовке

из них образцов. Как правило, для этого рекомендуется воссоздать в испы"

таниях начальное эффективное напряженное состояние, прикладывая к об"

разцу бытовые вертикальные

()

и горизонтальные

()

напряжения, для

этого можно использовать процедуру SHANSEP, рассмотренную в главе 16.

В большинстве геотехнических лабораторий испытания на прочность

проводятся в стабилометрах типа А, в которых возможно реконсолидировать

образец грунта только в условиях изотропного сжатия, когда главные

напряжения равны. В действительности, например, для переуплотненных

глин бытовые вертикальные напряжения оказываются меньше горизонталь"

ных. В этом случае начальное напряженное состояние является анизотроп"

ным, и для его создания необходимо использовать стабилометры типа Б. В

обоих случаях принимается, что горизонтальные напряжения равны, т.е.

σ=σ

. Однако в некоторых природных анизотропных грунтах может

оказаться, что бытовые напряжения в горизонтальной плоскости не равны

друг другу, и поэтому образцы грунта в опытах следует реконсолидировать

при условии

σ≠σ≠σ

123

. Последнее возможно только при испытании образ"

цов грунта в приборах истинного трехосного сжатия. Подобные опыты, как

правило, значительно дороже стабилометрических и редко используются на

практике.

Для создания начального напряженного состояния в образце грунта необ"

ходимо знать значения природных вертикальных и горизонтальных напряже"

ний. Применяемые сегодня методы определения горизонтальных природных

напряжений в полевых условиях (дилатометр Марчетти, динамометрический

зонд, пенетрометры) позволяют измерить одно горизонтальное напряжение

()

по одной из осей (Х или Y). Отсюда, выполняя процедуру

реконсолидации, при проведении испытаний в стабилометре принимают, что

горизонтальные напряжения по обеим осям равны, т.е. σ=σ

hx hy

В большинстве случаев начальное напряженное состояние в процессе

изысканий не определяется, и в стабилометрических испытаниях его создают,

полагая, что горизонтальные напряжения равны вертикальным. В этом случае

реализуется изотропное начальное напряженное состояние, позволяющее

создать необходимое боковое давление, в стабилометре типа А. В то же время

при использовании стабилометра типа Б можно создать такое начальное

напряженное состояние, при котором горизонтальные напряжения не равны

вертикальным. Горизонтальные напряжения определяются из выражения

(5.20)

путем умножения вертикальных бытовых напряжений на коэффициент

бокового давления в состоянии покоя.