Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов

Подождите немного. Документ загружается.

Определение параметров прочности и деформируемости

651

Испытания в условиях изотропной консолидации для большинства

грунтов позволяют определить эффективный угол внутреннего трения

′

если проводить их с измерением порового давления при условии практически

полного водонасыщения

>−(0,90,95)

. Однако недренированная прочность

грунта, определенная в стабилометре типа А, в условиях изотропной консо"

лидации образцов грунта, оказывается несколько выше значений, которые

должны использоваться при проектировании насыпей, фундаментов и

подпорных стен (Mayne, 1988).

17.1. Откосы, насыпи, выемки

Оценка устойчивости естественных или пригруженных склонов, откосов,

насыпей и выемок, сложенных водонасыщенными слабыми глинистыми

грунтами (от мягкопластичной до текучей консистенции), выполняется с

использованием недренированной прочности.

Недренированная прочность должна быть использована при проек"

тировании сооружений в зависимости от направления траектории напря"

жений. Для примера, на рис. 17.2 показана насыпь с предполагаемой поверх"

ностью скольжения. Смещаемый объем грунта можно разделить на три

области. В первой области имеет место активное состояние грунта, в третьей

–

пассивное состояние грунта, а во второй – промежуточное состояние. В

соответствии с этим, в пределах каждой области на соответствующих участках

поверхности скольжения находятся элементы грунта, в которых присутствуют

различные условия нагружения. В первой области прочность грунта обус"

ловлена его сжатием и испытания образцов грунта в данной области следует

проводить в условиях трехосного сжатия по траектории сжатия (СТС). В

третьей области имеет место расширение грунта по направлению к свободной

ненагруженной поверхности осно"

вания, и, следовательно, испытания

образцов грунта в данной области

следует проводить в условиях трехос"

ного расширения по траектории рас"

ширения (СТЕ). В переходной,

второй, области массива грунта де"

формация элемента грунта, подобна

той, которая имеет место в условиях

прямого среза или простого сдвига.

Поэтому прочность грунта, в данной

области следует определять из испы"

таний образцов в условиях прямого

среза или простого сдвига.

Рис. 17.2. Схема потери устойчивости

основания насыпи

Глава 17

652

Как правило, при расчете устойчивости насыпей, склонов или подпорных

стен напряженное состояние в их основании принимается соответствующим

условиям плоской деформации, в связи с их большой протяженностью и

постоянством нагрузки по длине. Поэтому, испытания образцов грунта более

правильно проводить в условиях плоской деформации, а не в условиях трех"

осного сжатия. Однако в большинстве коммерческих геотехнических лабора"

торий приборы для испытаний грунтов в условиях плоской деформации

отсутствуют и испытания проводятся с использованием стандартных при"

боров – стабилометра и прибора прямого среза. Как было показано ранее (см.

главу 2), прочность грунта получается различной в условиях плоской и

трехосной деформации. Поэтому приме"

нение параметров прочности, которые оп"

ределены из условий трехосной деформа"

ции, к краевым задачам в условиях плоской

деформации будет некорректным.

При проектировании насыпей их устой"

чивость оценивается различными методами.

Наиболее часто на практике используется

метод круглоцилиндрической поверхности

скольжения.

Методом круглоцилиндрической по"

верхности скольжения устойчивость скло"

нов, насыпей или выемок определяется с

использованием расчетной схемы, которая

приведена на рис. 17.3.

Откос считается устойчивым, если выполняется условие

αϕ+

=≥÷

∑

cos tg( )

1,1 1, 5

sin

Pcl

, (17.1)

где

P – вес i"го отсека грунта; α

– угол наклона к горизонту i"го прямо"

линейного, длиной l, отрезка поверхности скольжения в пределах отсека

грунта;

и c – расчетные значения угла внутреннего трения и сил сцепления.

При определении коэффициента устойчивости

параметры прочности

принимаются, как правило, постоянными на поверхности скольжения, не

зависящими от траектории напряжений. Теоретически можно c помощью

схемы, приведенной на рис. 17.1, определить в лаборатории значения

параметров прочности для областей 1, 2 и 3, а затем найти коэффициент

устойчивости из выражения (17.1) при переменных значениях параметров

прочности. На практике используются значения параметров прочности,

полученные из испытаний на прямой срез или трехосное сжатие, или

Рис. 17.3. К расчету устойчивости

откосов (Цытович Н.А., 1979)

Определение параметров прочности и деформируемости

653

принимается среднее значение параметров из трех видов испытаний:

трехосного сжатия, прямого среза и трехосного расширения, что более точно.

Следует заметить, что параметры прочности

и c будут зависеть не

только от траектории напряжений, но и от условий испытания образцов

грунта в условиях трехосного сжатия. Испытания по схеме неконсоли"

дированно"недренированного сдвига дают только один параметр прочности

. В этой схеме испытаний второй параметр прочности, угол внутреннего

трения

, получается равным нулю. Поэтому, если оценивать устойчивость

откосов с использованием параметра недренированной прочности с

, мы

получим заниженное значение коэффициента устойчивости. Недрениро"

ванная прочность с

определяется в полных напряжениях и не зависит от

порового давления.

На практике рекомендуется определять параметры прочности из

консолидированно"дренированных испытаний с учетом изменения порового

давления. В этом случае параметры прочности

и c называются эффектив"

ными параметрами прочности, зависят от эффективных напряжений и

обозначаются, как

′

. Эти параметры принимаются как отсчетные при

сопоставлении с параметрами прочности, полученными из испытаний на

прямой срез или простой сдвиг.

На рис. 17.4 приведен пример оценки устойчивости основания, сло"

женного мягкопластичными связными грунтами, при поэтапном его нагру"

жении весом насыпи с довольно широкой бермой и относительно тонким

слоем слабого грунта (Ladd et al.,

2003).

В части основания насыпи,

на участке длиной (PVD), с целью

ускорения процесса консолидации

основания при отсыпке насыпи

устроены вертикальные дрены.

При нагружении основания на пер"

вом этапе устройства насыпи ее

максимальная безопасная высота

определяется из выражения (17.1) с

использованием недренированной

прочности

, что позволяет мак"

симально использовать эффект консолидации слабого основания от веса насыпи

первого этапа, прежде чем перейти к производству работ второго этапа. Это

означает, что создаваемое весом насыпи вертикальное эффективное давление

′

()

в основании должно быть больше давления предварительного уплотнения

′

во всей толще слабого основания. Для определения давления пред"

варительного уплотнения следует провести компрессионные испытания (см.

подраздел 5.3.3). Компрессионные испытания необходимы также для

Рис. 17.4. Пример оценки устойчивости

основания и насыпи (Ladd et al. 2003)

Глава 17

654

определения скорости консолидации в зоне основания с вертикальными

дренами, так как на втором этапе строительства коэффициент устойчивости

будет зависеть от высоты насыпи и степени консолидации (

= /

Uss

Цытович Н.А., 1963) основания в зоне 2. Так как насыпь первого этапа

вызовет уплотнение слабого основания, то при оценке устойчивости осно"

вания, уплотненного от веса насыпи второго этапа строительства необходимо

использовать параметры прочности, полученные из КН"испытаний. В любом

случае (НН или КН) при определении недренированной прочности

учитывают историю начального напряженного состояния, что позволяет

вычислять профиль прочности, используя, например, процедуру SHANSEP

для первого (НН"испытания) или второго (КН"испытания) этапа.

17.2. Фундаменты мелкого заложения

Прочность грунта определяют на глубине, которая не меньше 2/3

ширины подошвы фундамента (рис. 17.5). Для оценки жесткости грунта

(

параметры деформируемости

) необходимо провести испытания

образцов, взятых на глубине не меньшей глубины сжимаемой толщи H

Рис. 17.5. Зоны определения параметров прочности и жесткости:

1 –

зона расчетного сопротивления и несущей способности; 2 – зона расчета деформации

основания линейными и нелинейными методами

Практика выполнения расчетов показывает, что глубина активной зоны

сжатия не превышает 10"15 м при давлении под подошвой фундаментов до

300

кПа. При большем давлении глубина активной зоны возрастает и должна

назначаться из предварительных расчетов при выборе глубины отбора

образцов для исследования грунтов. Для этого целесообразно первоначально

Определение параметров прочности и деформируемости

655

выполнить статическое зондирование, выделить слои грунтов и определить

модуль деформации по СП 11"105"97, приложение И. Далее по формуле (1.1)

из расчета осадки находится глубина сжимаемой толщи, и принимается

равная ей глубина отбора образцов для исследования физических, дефор"

мационных и прочностных свойств грунтов.

Параметры прочности

и c необходимы для определения ширины

подошвы фундамента по зависимости (1.4) с использованием расчетного

сопротивления грунтов. Для маловлажных грунтов параметры прочности

должны устанавливаться из испытаний образцов грунта по схеме консоли"

дированно"дренированного сдвига. В связи с тем что испытания на прямой

срез дают меньшие значения параметров прочности по сравнению с испы"

таниями в условиях трехосного сжатия, при определении расчетного сопро"

тивления следует использовать результаты трехосных испытаний. Приме"

нение испытаний на прямой срез дает консервативную оценку расчетного

сопротивления и, следовательно, большее значание ширины подошвы

проектируемых фундаментов.

При определении расчетного сопротивления водонасыщенных пластич"

ных глинистых грунтов необходимо использовать данные, полученные из

неконсолидированно"недренированных испытаний, при

= 0

, а

Расчет несущей способности оснований выполняется согласно выраже"

нию (1.5), в которое входят коэффициенты несущей способности

NNN,

определяемые по табл. 5.10 СП"50"101"2004 и зависисящие от расчетного

значения угла внутреннего трения грунта. Кроме того, в третий член данного

выражения входят силы сцепления c . В связи с тем что величина деформации

массива грунта под фундаментом в предельном состоянии не превышает

2–3

ширины подошвы фундаментов, параметры прочности рекомендуется

определять только в пределах ИГЭ, попадающих на эту глубину.

При определении параметров прочности, используемых для расчета

несущей способности оснований, возможны следующие случаи.

В основании залегают маловлажные глинистые или песчаные грунты. В

этом случае угол внутреннего трения

и силы сцепления

следует

определять из испытаний образцов грунта по схеме консолидированно"

дренированного сдвига, в полных напряжениях. Испытания проводятся в

приборе прямого среза, трехосного сжатия или простого сдвига.

Если в основании залегают водонасыщенные глинистые грунты при

степени влажности

≥ 0,85

, то параметры прочности

′

(рис. 17.6, б)

следует определять по схеме консолидированно"недренированного сдвига, в

эффективных напряжениях. Испытания проводятся в приборе трехосного

сжатия или приборе простого сдвига. Прибор прямого среза применять

нельзя, так как в нем невозможно измерить поровое давление.

Глава 17

656

(а) (б) (в)

Рис. 17.6. Деформация грунта в предельном состоянии и параметры прочности:

а – схема деформации грунта в предельном состоянии; б – параметры прочности при

дренированном нагружении; в – параметры прочности при недренированном нагружении

3. В основании залегают водонасыщенные глинистые грунты, причем

сооружение возводится быстрыми темпами, а в проектируемом основании

отсутствуют дренирующие слои грунта или дренирующие устройства. Из

испытаний грунтов, которые проводятся по схеме неконсолидированно"

недренированного сдвига, определяется параметр недренированной проч"

ности

, а

= 0

(рис. 17.6, в). В этом случае несущая способность

вычисляется из выражения (1.5), но первые два члена отсутствуют, так как

= 0, а силы сцепления c заменяются значением

. Испытания проводятся

в приборе трехосного сжатия или приборе простого сдвига.

Следует обратить внимание на следующее обстоятельство. Для расчета

несущей способности основания и оценки расчетного сопротивления грунтов

не требуется определять параметры прочности в пределах всей сжимаемой

толщи. Достаточно провести изыскания на глубину, равную трем значениям

ширины подошвы проектируемого фундамента. Это объясняется тем, что

призма выпора (рис. 17.6, а), в пределах которой наблюдается деформация

грунтов основания, имеет ограниченное развитие по глубине, в большей

степени – по ширине, в особенности у фундаментов мелкого заложения при

d/b=0,5–1,5.

В отличие от расчета несущей способности оснований, для расчета осадки

необходимо определить параметры деформируемости E и

в пределах

глубины, которая не меньше глубины ожидаемой сжимаемой толщи. Для

расчета осадки с использованием гипотезы линейно"деформируемого полу"

пространства (выражение (1.1)) необходимо определить только E и

. В то

же время, если применяются нелинейные методы расчета осадки, а давление

под подошвой фундамента превышает расчетное сопротивление грунтов, то

следует определять как E и

, так и параметры прочности

. В зави"

симости от принятой модели грунта могут потребоваться и другие параметры.

Таким образом, если здание или сооружение проектируется с исполь"

зованием решений СП"50"101"2004, то при проведении инженерно"гео"

логических изысканий нет необходимости определять параметры прочности в

пределах всей глубины изысканий. Достаточно определить параметры

прочности под подошвой фундамента на глубине не более 3b .

Определение параметров прочности и деформируемости

657

17.3. Фундаменты глубокого заложения

К фундаментам глубокого заложения относятся конструкции, заглуб

ленные в грунт при относительной глубине заложения d/b>3, где d – глубина

заложения подошвы фундамента, а

– ее ширина. Конструктивно это

буровые опоры, оболочки, опускные колодцы и кессоны. К этому же классу

фундаментов относят свайные ленточные и свайные столбчатые ростверки,

плитносвайные фундаменты и фундаменты типа «стена в грунте».

Эти фундаменты устраиваются преимущественно с выемкой грунта при их

погружении или путем бурения скважин и заполнения их бетоном. Как правило,

бурение скважин большого диаметра

приводит к релаксации бытовых напря

жений и разрушению структуры грунта,

что сопровождается снижением прочности

грунтов по отношению к природной

прочности. Величина релаксации напря

жений и степень разрушения структуры

будут зависеть от типа конструкции фунда

мента, вида грунта, степени его водона

сыщения и скорости рассеивания избы

точного порового давления.

Прочность грунта значительно изме

няется за время после устройства и на

гружения свайного фундамента. Зави

симость прочности от времени (назы

ваемого отдыхом) наблюдается в водо

насыщенных нормально уплотненных,

слегка переуплотненных глинистых и

плотных песчаных грунтах. Поэтому проч

ность должна быть определена с учетом ее

изменения во времени. Несущая способ

ность свай зависит от прочности грунта,

которая может изменяться в зависимости

от изменения уровня грунтовых вод.

На рис. 17.7, а приведена расчетная

схема для определения предельного дав

ления под подошвой буровой опоры или

опускного колодца, а на рис. 17.7, б –

расчетная схема для определения несу

щей способности свай и осадки свайного

фундамента. В обоих случаях для расчета

осадки необходимо определить модуль

деформации в слоях грунта ниже по

дошвы фундаментов, а для расчета

несущей способности свай – только

показатели пластичности I

, I

(а)

(б)

Рис. 17.7. Фундаменты глубокого

заложения:

а – буровая опора; б – свайный фундамент

Глава 17

658

Глубина отбора образцов для исследования свойств грунтов принимается

не менее 1,5 диаметра сваи или буровой опоры ниже их подошвы, если

выполняется только расчет несущей способности свай (зона 1 на рис. 17.7, б).

В том случае, если необходимо определить осадку свайного фундамента, глу"

бина отбора образцов для исследования свойств грунтов увеличивается и

должна быть не меньше сжимаемой толщи (зона 2, на рис. 17.7, б). В этой

зоне необходимо определить модуль деформации грунтов.

Для оценки несущей способности забивных свай и свай"оболочек необ"

ходимо определить силы трения на ее боковой поверхности и силы

сопротивления под ее острием. Эти усилия находятся по табл. 1, 2 СНиП

2.02.03"85 «

Свайные фундаменты» с использованием показателей грануломет"

рического состава и текучести для песчаных грунтов средней плотности и

пылевато"глинистых грунтов, соответственно. Фактически нет необходи"

мости определять параметры прочности

при проведении испытаний

образцов грунтов. В то же время при оценке несущей способности пирами"

дальной, трапецеидальной и ромбовидной свай кроме гранулометрического

состава песчаных грунтов и показателя текучести для глинистых грунтов надо

определить компрессионный модуль деформации.

Таким образом, для расчета несущей способности следует провести испытания

с целью классификации песчаных грунтов по гранулометрическому составу

(

гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие, пылеватые) и определить

показатель текучести

, а для расчета осадки надо измерить модуль деформации,

который должен быть приведен к штамповому модулю деформации.

17.4. Подпорные стены

При проектирования негравитационных и заанкеренных подпорных стен

необходимо определить значения активного и пассивного давления на их

поверхности. Для недренированных условий нагружения некоторых гли"

нистых грунтов могут быть обнаружены большие различия в значениях недре"

нированной прочности в области активной и пассивной деформации.

Прогибы стенки подпорной конструкции могут оказать существенное

влияние на показатели пиковой прочности, падение прочности (разупроч"

нение) и остаточной прочности ряда грунтов; поэтому такие конструкции

следует проектировать с учетом соответствующих условий прочности. В

большинстве случаев для этой цели используется условие прочности Мора –

Кулона, а параметры

определяются из испытаний в условиях прямого

среза или трехосного сжатия. Однако этих параметров недостаточно и тре"

буется дополнительно найти три коэффициента бокового давления: в со"

стоянии покоя (

); в активном состоянии (

) и в пассивном состоянии (

В состоянии покоя, когда отсутствует движение грунта,

определяется

прямым методом из компрессионных испытаний грунтов (см. главу 3) или из

выражения

== =−

σ−ν

1sin

, (17.2)

Определение параметров прочности и деформируемости

659

где

– горизонтальное напряжение от собственного веса грунта;

–

вертикальное напряжение от собственного веса грунта;

– коэффициент

Пуассона;

– угол внутреннего трения.

Уравнение (17.2) используется для случая нормально уплотненной глины

и песчаных грунтов, когда

= 1OCR

. Для переуплотненных глинистых грунтов

при

> 1OCR

применяется другое выражение:

ξ= − ϕ

sin

(1 sin )

OCR . (17.3)

Значение степени переуплотнения

OCR

определяют из компрессионных

испытаний, используя величину давления предварительного уплотнения

(

см. главу 3).

Коэффициенты бокового давления

находятся из следующих урав"

нений:

−

σ= =σ =

+ϕ

1sin

hav av

σ= =σ =

−ϕ

1sin

hpv pv

, (17.4)

где ,

p – боковое давление в активном и пассивном состоянии, соответственно.

В выражения (17.2)–(17.4) входит угол внутреннего трения, который должен

быть определен из опытов на прямой срез или трехосное сжатие. Обычно углы

внутреннего трения на плоскости сдвига в призме обрушения (рис. 17.8, а) и в

призме выпора (рис. 17.9, б) принимаются равными.

(а) (б)

(в) (г)

Рис

. 17.8. Определение активного давления на ограждающие конструкции:

а – призма обрушения и распределение активного давления; б – плоскость сдвига и

действующие напряжения; в – круги Мора для сыпучего грунта; г – круг Мора для

бытовых напряжений в состоянии покоя

Глава 17

660

(а) (б)

(в) (г)

Рис. 17.9. Определение пассивного давления на ограждающие конструкции:

а – призма выпора; б – круги Мора для сыпучего грунта и распределение пассивного

давления; в – плоскость сдвига и действующие напряжения; г – круги Мора для связного

грунта и распределение пассивного давления

Однако, как видно из рис. 17.8, б и 17.9, в, плоскость сдвига по"разному

наклонена по отношению к оси наибольшего главного напряжения

. В

первом случае (рис. 17.8, б) вертикальное напряжение больше горизон"

тального, и элемент среды испытывает сжатие, а во втором (рис. 17.9, в),

наоборот, горизонтальное напряжение больше вертикального, и грунт в

призме выпора испытывает расширение. Поэтому испытания образцов грунта

в пределах призмы обрушения необходимо проводить в приборе трехосного

сжатия по траектории сжатия, а в призме выпора – по траектории

расширения. Значения углов внутреннего трения будут разными (см. главу 2).

На практике этого не делают, в большинстве случаев испытания на прочность

проводят в приборе прямого среза, в котором реализуется только траектория

сжатия.