Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ОСОБЛИВОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЕРЕУЩІЛЬНЕНИХ ГРУНТІВ

Розширення діапазону показників властивостей ґрунтів, одержуваних за результатами лабораторних досліджень, є однією з найважливіших проблем інженерно-геологічних вишукувань. У зв'язку зі зростаючою тенденцією до міжнародної кооперації при будівництві складних підземних споруд, висотних будівель, при освоєнні родовищ шельфу, російські інженери-геологи і проектувальники нерідко працюють на зарубіжних об'єктах, а іноземні фахівці залучаються для інженерно-геологічних вишукувань і проектування об'єктів, що зводяться в Росії . Використовувані при цьому національні стандарти мають помітні відмінності, тому аналіз ґрунтових умов, що виконується із залученням результатів інтернаціональних досліджень, пов'язаний з рядом складнощів, пов'язаних з їх інтерпретацією. Найбільш істотними проблемами, як уже було зазначено, є методичні відмінності у визначеннях деяких характеристик, відмінність підходів до класифікації грунтів і неможливість прямого перекладу класифікаційних термінів [1].

Зарубіжні стандарти, зокрема британський стандарт BS і американський ASTM, в більшій мірі, ніж ГОСТ [17], пов'язують деформаційні параметри з характеристиками стану і з фізичними властивостями грунтів. У зарубіжній механіки грунтів широко використовуються поняття нормально ущільнених і предуплотненних (або переущільнених) грунтів, які відрізняються за своїми деформаційних властивостях.

Одним з перших на переущільнені грунти вказав К. ерцагі. Нормально ущільнені грунти - це синонім грунтів, що знаходяться під побутовим тиском; недоуплотненія грунти мають місце, коли вищерозміщена товща не тисне на нижні шари. Переущільнення називається грунт, який при своєму природному формуванні перебував під дією нафузок - ефективних природних тисків про ' з , що перевершували чинну нині побутове тиск. Переущільнення грунту зазвичай має місце, коли грунти повністю консолідовані під дією ваги вищерозміщених товщі, згодом повністю або частково віддалених ерозією. Основними факторами переущільнення є [99]:

  • • ерозійний зріз верхньої пухкої частини нормально ущільненого масиву грунту, в результаті чого в покрівлі товщі оголюються консолідовані відкладення нижній його частині;
  • • тиск льодовикового масиву, що викликає ущільнення основних морен і підстилаючого субстрату;
  • • "всихання" грунту в субаеральних умовах при виході товщі вище рівня моря;
  • • епігенетичні промерзання, що призводять до дегідратації в результаті міграції вологи з глибини товщі до низькотемпературного фронту ', що знаходиться поблизу денної поверхні;
  • • трансгресії і регресії моря і т. Д.

Переущільнені грунти широко поширені як на материковій частині, так і на шельфі північних морів, зокрема на арктичному і далекосхідному шельфі Росії. Осадові грунти, такі як аргіліти або алевроліти, вище яких відкладення відсутні або мають невелику потужність, є хорошими прикладами переущільнених грунтів.

Параметри деформованості грунтів як в Росії, так і за кордоном визначаються за результатами компресійних і тривісних консолідовано-дренованих випробувань, а параметри консолідації - також за результатами тривісних консолідовано-недренованому випробувань.

Методики проведення компресійних дослідів практично ідентичні, результати представляються у вигляді графіків залежності відносної деформації (я) або коефіцієнта пористості (е) від навантаження (ϭ або lgϭ), а також від часу (lgt або t). Однак склад подальших оцінок дещо різниться. Відповідно до російського нормативу за результатами компресійних дослідів визначаються: коефіцієнт стисливості т. Модуль деформації E, структурна міцність на стиск p slr , а також коефіцієнти фільтраційної та вторинної консолідації СV. і Сa. Згідно ASTM і BS обчислюються тільки cv, коефіцієнт об'ємного стиснення m v і тиск предуплотненія ϭ. за методом Казагранде.

Разом з тим в зарубіжній практиці розрахунків і проектування в якості деформаційних характеристик широко застосовуються такі коефіцієнти, що характеризують стисливість ґрунту (рис. 8.69): З з - коефіцієнт стиснення (compression index) -, C s - коефіцієнт набухання (swelling index); C r - коефіцієнт повторного навантаження (recompression, reloading index) і компресійний модуль M. Оскільки ці параметри, гак само як і т п і коефіцієнт стисливості т, отримують з методично близьких випробувань (компресійної кривої), при порівнянних умовах можна використовувати існуючі аналітичні залежності для перерахунку одних величин в інші.

image550

Мал. 8.69. Компресійна крива видуimage551

Згідно BS і ASTM характеристики деформованості, так само, як і у вітчизняній практиці, визначають з компресійних (одометріческіх) випробувань грунтів на основі обробки графіків виду е - log <7 або е - log а. При цьому методика проведення дослідів обов'язково передбачає наявність етапів розвантаження і повторного навантаження зразка. Максимальне значення навантаження на зразок повинно бути вище тиску переущільнення а, величина якого також визначається по компресійної кривої.

Визначення приватних значень про ' з виконується по компресійним кривим методом Казагранде, для чого необхідно виконати наступні побудови. За отриманими в кожному досвіді результатами будується компресійна крива в напівлогарифмічному масштабі (рис. 8.70). На графіку визначається точка, відповідна найбільшої кривизни кривої, через цю точку проводяться горизонтальна лінія і дотична до кривої, потім бісектриса кута а між ними. Визначається точка перетину бісектриси кута а з продовженням прямолінійного ділянки компресійної кривої, проекція якої на вісь тисків а ' і дає величину тиску предуплотненія про (рис. 8.70). У разі якщо грунти не наражалися на переущільнення, знайдене тиск переущільнення про відповідає побутовому тиску про g . Необхідно відзначити, що на результати впливає масштаб графіків і деякий суб'єктивізм при їх побудові. Методика визначення структурної міцності грунту p slr , з результатів компресійних випробувань збігається з методом визначення тиску переущільнення ϭ (BS, ASTM).

Визначення тиску переущільнення &#1005;с методом Казагранде

Мал. 8. 70. Визначення тиску переущільнення ϭс методом Казагранде

Визначення а'с в першому наближенні може провадитися за результатами компресійних випробувань пасти грунту (рис. 8.71). Перед випробуванням визначаються початковий коефіцієнт пористості природного грунту <? 0 і ефективне напруга оу, на глибині z (в місці відбору зразка грунту): , де Υi - питома вага вишезалегающіх грунту.

Мал. 8.71. Результати компресійних випробувань пасти грунту і визначення тиску про ' з

З ґрунту порушеної структури, відібраного з глибини г, готується паста м'якопластичного консистенції з коефіцієнтом пористості е, яка ущільнюється в процесі стандартних компресійних випробувань. Після того, як грунт ущільнився до коефіцієнта пористості більшого, ніж коефіцієнт пористості природного грунту, проводиться розвантаження на кожному ступені навантажування (рекомпрессия). Розвантаження у всіх випадках проводиться до про до . Визначається положення точки А (рис. 8.71) з координатами е а й про я , відповідними природному СТАНОМ грунту. Or точки А проводиться лінія рекомпрессії паралельно лініям рекомпрессії грунту до перетину з компресійної кривої (точка В). Координата точки В по осі а відповідає максимальному тиску <т ' 0 яким грунт був колись ущільнений. Крива навантаження-розвантаження зразка 1-В-А повторює історію ущільнення грунту [115].

Вертикальне ефективне тиск переущільнення грунту визначається в польових умовах з випробувань крильчаткою [80]:

де з і - недренованому міцність грунту, яка приймається максимальному опору грунту зрізу, МПа, 1 Р - число пластичності грунту,%.

Для меж 1 Р = 10 ... 30% приймають [80]:

де коефіцієнт до залежить від числа пластичності грунту / ,,:

За пропозицією Шведського геотехнічного інституту зв'язок між опором недренованому зсуву і лобовим опором при зондуванні глинистих ґрунтів може бути виражена формулою:

де wL. - верхня межа пластичності.

Skempton (1957) запропонував просте емпіричне вираження, що зв'язує недренованому міцність і індекс пластичності нормально ущільнених глин, у вигляді

Тиск переущільнення а може бути також визначено за результатами статичного зондування (СРТ) по питомій опору грунту під конусом зонда q c , МПа, з огляду на тісний експериментальну зв'язок між з і і q c у вигляді з і = q c / 15. Для визначення опору недренованому зрушенню глинистих ґрунтів рекомендується використовувати наступні емпіричні залежності (при відсутності власних кореляційних залежностей, апробованих в конкретних інженерно-геологічних услови-

ях) [37]: Карське морс: з і = q c / 24 + 6; Печерському море: з і = q c I 18 12; Чорне море: з і = q c / 20 + 3.

Недренованому міцність грунту можна попередньо оцінити по рис. 8.72 в залежності від показників пластичності [122].

Діаграма для визначення міцності недренірованного зсуву за показниками консистенції глин [122]

Мал. 8.72. Діаграма для визначення міцності недренірованного зсуву за показниками консистенції глин [122]

Тиск ϭ'с, МПа, з урахуванням вищенаведених значень до і з "визначається але формулою

де λ - коефіцієнт, що дорівнює 0,45 при 1 Р = 10%; 0,35 при 1 Р = 20% і 0,30 при 1р = 30%; q c - питомий опір грунту під конусом зонда, МПа.

Крім перерахованих способів тиск переущільнення визначається за допомогою приладів тривісного стиску, дилатометрів і прессіомегров [121].

У разі якщо раніше грунт був переуплотнен, необхідно, поряд з іншими параметрами, задавати в розрахунках коефіцієнт переущільнення грунту OCR (Over Consolidation Ratio), який визначається за формулою

де ϭс - максимальне вертикальне ефективне напруга за весь період існування масиву грунту; ϭ | у - вертикальне напруження від власної ваги грунту в справжній період (побутовий тиск). Для нормально ущільнених грунтів OCR = 1, для грунтів переущільнених OCR > 1.

Якщо невідомі значення напруг від власної ваги грунту, то коефіцієнт переущільнення можна визначити, використовуючи фізичні характеристики грунтів, як відношення коефіцієнта пористості грунтовій пасти при вологості на межі текучості до коефіцієнта пористості грунту в природному стані: [47].

У зарубіжній інженерній практиці для переущільнених грунтів широко використовується залежність, що зв'язує характер зміни опору недренованому зсуву з і по глибині з коефіцієнтом переущільнення OCR:

де β = з і / ϭ До для нормально ущільнених грунтів (OCR = 1,0); про х - вертикальне ефективне напруга на розрахунковій глибині - побутове тиск; т - показник ступеня. Як правило, величина β змінюється в діапазоні 0,2 < β < 0,5, а т - в діапазонах 0,7 < m < 0,8 при OCR > 2 і 0,8 < m <1,0 при OCR <2 .

Багато дослідників відзначають, що коефіцієнт бокового тиску £ що є відношенням горизонтального ефективного напруги до вертикального, пов'язаний зі зміною навантаження на масив за весь період його існування, т. Е. З історією навантаження масиву. Коефіцієнт бокового тиску грунту нe є величиною постійною, а залежить від вертикального тиску (навантаження), причому зі збільшенням вертикального навантаження значення коефіцієнта зменшується. Коефіцієнт бокового тиску може бути оцінений емпірично за результатами компресії з урахуванням бічного тиску або тривісних випробувань. Деякі з найбільш широко використовуваних залежностей для нормально ущільнених грунтів наведені нижче.

Jaky (1944): , рівняння може бути апроксимувати у вигляді

Brooker & Ireland (1965):

Bolton (1991):

Brick:

Для переущільнених грунтів коефіцієнт бокового тиску може бути визначений за формулою [102] або через коефіцієнт ζ

Wroth (1965):

Schmidt (1966) (для глин після зняття навантаження): де

Meyerhof ( 1976) запропонував прийняти а = 0,5, що підходить для більшості грунтів, які використовують в різних практичних цілях.

Pruska (1973): , де - коефіцієнт активного тиску грунту, що дорівнює де φ '- кут внутрішнього тертя, визначений при ефек

ном напрузі.

Для практичного використання на основі випробувань грунтів на тривісне стиснення і результатів компресійних дослідів отримана залежність (Maine & Kulhawy, 1982) [121]: Порівняння значень ζ отриманих за цією формулою, з результатами польових випробувань пресиометрами і зондування дають хороші результати.

У табл. 8.79 наведені типові значення ζ які рекомендується враховувати при проектуванні підземних споруд.

Таблиця 8.79

Значення коефіцієнта бокового тиску для різних грунтів

Тип грунту

Значення коефіцієнта бокового тиску ζ

щільний пісок

0,35

пухкий пісок

0,6

Нормально консолідовані глини

0,5 0.6

переущільнені глини

1,0

Сильно переущільнені глини

3,0

Залежно від значення коефіцієнта переущільнення розрізняють зри значення коефіцієнта бокового тиску грунту Г51:

  • в стані спокою ζ0 коли
  • активному стані ζ а , коли
  • пасивному стані £ ζ р , коли

З вищевикладеного випливає, що при напрузі, менших або великих тиску переущільнення, різними будуть і значення модулів деформації, які, згідно з BS і ASTM, визначаються за формулами:

• при наїрузках, менших тиску переущільнення:

де ϭ з - напруга переущільнення, ϭ lg - побутове напругу; Аϭ'- зміна напруги на інтервалі oi g - про ео ~ значення коефіцієнта пористості при побутовому тиску; С - коефіцієнт (рис. 8.69), який вираховується за гілки повторного навантаження по залежності

• при навантаженнях, великих тиску переущільнення:

де image587- повний приріст напруги при активному навантаженні, а'т - максимальне напруження в зразку при випробуванні); е з - значення коефіцієнта пористості при тиску переущільнення; З з - коефіцієнт, який визначається з компресійної кривої (рис. 8.69) дня інтервалу тисків ϭ '> ϭ ' з [4].

За вітчизняним нормам [17, 114] значення модулів деформації з компресійних випробувань визначаються за формулою

де Е - модуль деформації первинної або вторинної гілки компресійної кривої, ; - коефіцієнт пористості грунту, відповідний напрузі від власної ваги грунту в середині i-го шару основи ; ег - коефіцієнт пористості грунту, відповідний сумарному напрузі (ϭzp - напруження від ваги споруди в середині / -го шару основи); v - коефіцієнт поперечного розширення ґрунту / -го шару; т - поправочний коефіцієнт, є напівемпіричні і відображає ряд факторів, в зв'язку з чим складається з двох коефіцієнтів: m = m г / m з , де m p l - поправочний коефіцієнт, що приймається в залежності від типу грунту (від 1 до 3,5 ); m з - коефіцієнт умов роботи, що залежить від розмірів споруди.

У табл. 8.80 наведені значення модулів деформації грунту Е , розраховані по закордонних і вітчизняних стандартів. Необхідно відзначити, що різниця в значеннях показників іноді досить значна. Викладене дозволяє зробити наступні висновки: при визначенні модулів деформації Е по вітчизняним і зарубіжним методикам і при подальшому їх використанні в розрахунках осад необхідно враховувати, що закордонними нормами передбачається пряме використання отриманих модулів, а російськими - із застосуванням додаткових коефіцієнтів ( m p i , m з ). Тому пряме зіставлення значень Е , безпосередньо отриманих з випробувань, не завжди коректно, що видно з табл. 8.80 [4].

Таблиця 8.80

Зіставлення значень модулів деформації грунту Е по закордонних і вітчизняних стандартів [4]

№ свердловини

Глибина, м

Тиск побутове ϭlg МПа

Тиск переуплотнів про ' з , МПа

OCR

показники

ущільнення

Модуль деформації Е. МПа

З г

C f

за ASTM

за СНиП

Н-2

6,1

0,111

0,327

2,9

0,018

0,057

20,1

23,6

Н-2

282

0.332

0.342

1.0

0.024

0,065

23.0

30.4

HR 2-1

6,2

0,112

0,991

8,8

0,014

0,112

21,2

23,6

Використання в зарубіжних нормах значень тиску переущільнення дозволяє підійти диференційовано до розрахунку осад. Консолідаційних осаду шару нормально ущільненого глинистого грунту визначається за формулою

(8.15)

де С з - коефіцієнт консолідації, орієнтовний значення якого при відсутності безпосередніх визначень може бути прийнято рівним З з = 0,009 (hv- 10%); Н з - товщина розраховується стискається шару; ео - початковий коефіцієнт пористості; ϭ g - вертикальне напруження в грунті на рівні підошви фундаменту від ваги грунту; ^ -додаткове напруга в грунті від навантаження [80].

Для переущільнених грунтів осаду консолідації визначається:

  • а) якщо за формулою (8.15) з заміною З з на С "рівне 0,025;
  • б) якщо * - за формулою

Характеристики міцності переущільнених грунтів також мають свої особливості: у нормально ущільнених грунтів практично відсутні сили зчеплення, міцність переущільнених грунтів характеризується кутом внутрішнього тертя і зчепленням.

Значення показників міцності нормально ущільнених і переущільнених грунтів наведені в табл. 8.81. Необхідно відзначити, що дренированная міцність при випробуваннях на зрушення може бути менше, ніж недренованому.

Таблиця 8.81

Значення показників міцності ґрунтів

недренованому міцність

Су, кПа

Тверді глинисті грунти

> 150

Напівтверді глинисті грунти

-75 ... 150

Тугопластнчние глинисті грунти

-40 ... 75

М'якопластичного глинисті грунти

-20 ... 40

Текучепластічной глинисті грунти

<20

дренированная міцність

с, кПа

, град.

щільні піски

0

35 ... 45

пухкі піски

0

30 ... 35

Міцність переущільнених грунтів

критичний стан

0

-18 ... 25

пікове стан

-10 ... 25

-20 ... 28

залишкова міцність

-0 ... 5

-8 ... 15

Параметр з і , що характеризує недренованому міцність, згідно з чинними в Росії і за кордоном нормативним документам, визначається в польових умовах обертальним зрізом, при одноосьовому стиску (як відношення з і = ϭ / 2) і неконсолідовано-недренованому методом при тривісних випробуваннях.

Значення недренованому міцності, отримані різними методами, також відрізняються. Для отримання значень недренованому міцності на зрушення з " результати польових дослідів на обертальний зріз крильчаткою (тут позначимо cf v від field vane) коригуються за допомогою поправочного коефіцієнта:

де Сф - недренованому міцність, отримана за результатами польових випробувань на зрушення крильчаткою; μ - поправочний коефіцієнт Бьеррума, що залежить від числа пластичності грунту, певний поданням дослідів, проведених в конкретному регіоні [126].

Визначення поправочних коефіцієнтів, отриманих па основі

Мал. 8.73. Визначення поправочних коефіцієнтів, отриманих па основі: а межі текучості для нормально ущільнених глин: б числа тастічності і ефективних вертикальних напружень для сильно консолідованих глин

Для нормально ущільнених глин поправочний коефіцієнт р залежить від межі текучості або від числа пластичності і відносини c u / v / a g (рис. 8.73, а , б). Поправочний коефіцієнт, що перевищує значення 1,2, не повинен бути використаний без додаткових досліджень. У тріщинуватих глинах значення поправочних коефіцієнтів може дорівнювати 0,3. Недренованому міцність для таких грунтів, отримана за допомогою крильчатки, повинна дублюватися іншими методами.

Визначення поправочних коефіцієнтів для разноуплотненних глин

Мал. 8.74. Визначення поправочних коефіцієнтів для разноуплотненних глин: а схема поділу нормально консолідованих і надмірно консолідованих глин:

  • 1 - криві з рис. 8.73. б: 2 - нижня межа "молодих" глин:
  • 3 - верхня межа "молодих" глин, нижня межа "старих" глин:
  • 4 діапазон нормально консолідованих глин (NC);
  • 5 діапазон надмірно консолідованих глин (ОС):

б кореляційний залежність між р і з і ". / О / ^ '1 для нормально консолідованих (NC); 2 - переущільнених глин (ОС)

Щоб врахувати вплив переущільнення, необхідно визначити (але рис. 8.74, а), в якому стані знаходиться грунт. Якщо відповідні параметри знаходяться в діапазоні між кривими для "молодих" і "старих" глин, то такі глини вважаються нормально консолідованими (М7), якщо ж значення знаходяться над рисою "старих" глин, то такі грунти вважаються надмірно консолідованими (ОС). Нормально консолідовані грунти потім коригується відповідно до наведеної на рис. 8.74, б кривої iVC, переущільнені - по кривій ОС.

Для нормально консолідованих і слабоуплотненних глин поправочний коефіцієнт // може бути визначений за формулою

де wl - межа плинності.

У переущільнених глинах з коефіцієнтом OCR більше, ніж 1,3, застосовується поправочний коефіцієнт //, який визначається за формулою

де OCR - коефіцієнт переущільнення грунтів [126].

Еслікоеффіціент OCR не було визначено, то може бути використано відношення тоді поправочний коефіцієнт // знаходиться з виразу

Загальні вимоги до приладів, точності вимірювань, методики підготовки зразків і проведення тривісних випробувань викладені в BS, ASTM, ГОСТ. Методики однойменних дослідів відрізняються, головним чином, швидкістю наїруженія і формулюванням критеріїв руйнування [5]. Програма визначення характеристик міцності і деформаційних властивостей ґрунтів в приладі тривісного стиску повинна включати наступні етапи: вимірювання бічних напруг на глибині відбору монолітів грунту в процесі проведення інженерно-геологічних вишукувань; випробування зразків грунту в приладі тривісного стиску при бічному тиску, рівному знайденому шляхом прямих вимірювань. Значення бічного тиску призначається виходячи з глибини відбору проби грунту і приймається рівним побутового тиску. Тим самим було, що в природному стані розподіл вертикальних і горизонтальних напружень підпорядковується гидростатическому закону. Ухвалення подібного початкового напруженого стану в природних донних відкладеннях може бути цілком виправданим, якщо вони знаходяться на стадії свого формування і процес консолідації від власної ваги ще не завершений. До таких грунтів відносяться мули, торф і водонасичені глинисті грунти в м'якопластичного або текучому станах. Як правило, переущільнені глинисті грунти не можуть бути повністю водонасищени в лабораторії методом зворотного тиску через великі значень тиску. У цьому випадку випробування по консолідовано-недренованому схемі не вдається виконати і доводиться проводити консолідовано-дренованих випробування. При випробуванні зразків з монолітів, які відібрані нижче рівня грунтових вод (або поверхні води моря або океану), в зразку грунту необхідно створити поровое тиск, що дорівнює природному. Далі випробування проводяться в ефективних напружених, які визначаються рівнем додаткових напружень від споруди [140].

Таким чином, в західній практиці проектування базовими параметрами грунтів основи, що впливають на значення показників механічних властивостей, є показники природного напруженого стану: тиск переущільнення & з і коефіцієнт переущільнення OCR [4]. Російськими нормами визначення показників природного

напружено-деформованого стану грунтів рекомендується, але ці характеристики і методи їх визначення не регламентуються нормативними документами у зв'язку з недостатньою вивченістю і, головне, в зв'язку з неоднозначною інтерпретацією цих параметрів. Проте, інженеру-геологу необхідно знайомитися з зарубіжними методами проведення лабораторних і польових робіт, новими приладами та обладнанням, щоб розуміти і приймати кращі досягнення світової науки і практики, вміти інтерпретувати результати зарубіжних досліджень і уникати проблем, пов'язаних з відмінностями в методиках, класифікаціях і термінології.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук