Лабораторные методы определения механических свойст грунтов
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» Г.Г. Болдырев, И.Х. Идрисов ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ Пенза 2008 УДК 624.131.5 ББК 38.58 Б79 Рекомендовано Редсоветом университета Б79 Болдырев, Г.Г. Лабораторные методы определения механических свойств грунтов [Текст]: информационное пособие / Г.Г. Болдырев, И.Х. Идрисов. – Пенза: ПГУАС, 2008. – 40 c. Рассмотрены методы расчета оснований, параметры механических свойств грунтов, условия нагружения образцов грунта. Представлена классификация типов испытаний. Приведены автоматизированные информационно-измерительные системы для испытания образцов грунта, примеры определения характеристик сжимаемости. Дан анализ применения результатов испытаний при проектировании откосов, насыпей, котлованов. Предназначено для использования геотехниками при проведении инженерногеологических изысканий, а также специалистами-проектировщиками при расчете оснований зданий и сооружений. © Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2008 © Болдырев Г.Г., Идрисов И.Х., 2008 2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Методы расчета оснований и используемые в них параметры механических свойств грунтов .................................................................... 4 2. Выбор типа испытаний ................................................................................... 6 3. Условия нагружения образцов грунта ........................................................... 9 4. Классификация типов испытаний ................................................................ 10 5. Траектории напряжений................................................................................ 12 6. Эффект нарушения структуры при отборе монолитов и подготовке образцов грунта к испытаниям ................................................................. 16 7. Автоматизированные информационно-измерительные системы для испытания образцов грунтов ............................................................... 17 8. Примеры определения характеристик сжимаемости ................................. 24 9. Применение результатов испытаний при проектировании откосов, насыпей, котлованов ................................................................................... 30 Библиографический список .............................................................................. 33 Приложение ........................................................................................................ 35 3 1. Методы расчета оснований и используемые в них параметры механических свойств грунтов Расчет оснований зданий и сооружений выполняется в настоящее время с использованием аналитических решений строительных норм и правил (СНиП) или в последнее время – свода правил (СП) и с использованием численных методов расчета. Механические параметры грунтов, используемые при расчете оснований зданий и сооружений с применением решений СНиП, СП, приведены в табл. 1. Таблица 1 Механические параметры, применяемые при проектировании оснований зданий и сооружений Наименование СНиП, СП, рекомендаций СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» СП 50-102-2003 "Проектирование и устройство свайных фундаментов» СНиП 2.02.02-85 «Основания гидротехнических сооружений» СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» Проектируемый тип фундаментов, оснований, сооружений Фундаменты мелкого заложения в обычных и структурнонеустойчивых грунтах; основания опор линий электропередачи; искусственные основания Сваи и свайные фундаменты Основания гидротехнических сооружений Используемые параметры механических свойств грунтов Деформационные: E , Ee , ν Прочностные: ϕ, c, cu Деформационные: E , G, ν Прочностные: ϕ, c Деформационные: E , Ee , ν , cv Прочностные: ϕ, c, cu Дополнительные: k, mo, δcrp, δ1,crp, Rc , Rt Проектирование земляного полотна автомобильных дорог Деформационные: E , ν ; ecp , cα Прочностные: ϕ, c , pстр Решения, приведенные в нормативной литературе, допускают проектирование оснований зданий и сооружений до давлений на основание, не превышающих предела пропорциональности зависимости «напряжение – деформация», или, как принято при проектировании оснований, – при давлении, не более расчетного сопротивления грунта основания. В то же время, в настоящее время проектирование оснований зданий и сооружений выполняется при давлении на основание более расчетного сопротивления грунта, с использованием нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями. В этом случае расчет оснований выполняется с исполь4 зованием численных методов, таких как метод конечных элементов, метод конечных разностей или метод граничных элементов. Эти нелинейные зависимости, называемые определяющими уравнениями или моделями грунтов, используют не только механические параметры, приведенные в табл. 1, но и ряд других дополнительных параметров. Вид дополнительных параметров и их количество зависят от типа принятой модели грунта. В табл. 2 приведены модели грунтов, их параметры и ряд известных программ, в которых они применяются. Таблица 2 Модели грунта и их параметры Наименование Модели грунта и используемые в них параметры программы механических свойств грунтов 1 2 ABAQUS Линейно и нелинейно-упругие; модели идеальной пластичности – условия прочности Друкера-Прагера, МораКулона; КЭП (Сар); Кэм-Клей (Сam-Clay). Параметры: Ee ,ν ; ϕ, c , ψ , ϕmax , ϕrest ; R , εvol , α , OCR ANSYS/ Линейно и нелинейно-упругие; модели идеальной LSDYNA пластичности – условия прочности Друкера-Прагера, Треска; КЭП; вязкопластическая; модель №147. Параметры: Ee , ν ; ϕ, c , ψ , ϕmax , ϕrest ; K o , β, θ CivilFEM Линейно и нелинейно-упругие; модели идеальной пластичности – условия прочности Друкера-Прагера, Мора-Кулона. Параметры: Ee ,ν ; ϕ, c , ψ , ϕmax , ϕrest , ψ ; R , εvol , α , K o , β, θ FLAC Линейно и нелинейно-упругие; модели идеальной пластичности – условия прочности Друкера-Прагера, МораКулона; модифицированная Кэм-Клей; вязкопластические модели; модели ползучести. p , Параметры: Ee ,ν , C1 ; ϕ, c , ψ , ϕmax , ϕrest ; pc , pco , R, εvol K c , h, λ, k , σt GEO-SLOPE Линейно и нелинейно-упругие, анизотропно упругая; упруго-пластическая Мора-Кулона и Треска; модифицированная Кэм-Клей; разупрочняющаяся модель; модель идеальной пластичности; гиперболическая модель; анализ консолидации Параметры: Ee , ν ; ϕ, c , cu , ψ ; pc , eo , OCR PLAXIS2 Линейно и нелинейно-упругие; модель идеальной пластичности – условие прочности Мора-Кулона; гиперболическая изотропно упрочняющаяся КЭП модель; модель ползучести. Параметры: Ee ,ν , k ,λ ; ϕ, c , ψ ; pc , eo , OCR , σt 5 Окончание табл. 2 1 SAGE-CRISP 2 Линейно и нелинейно-упругие; анизотропная линейноупругая; гиперболическая Дункана-Чанга; модели идеальной пластичности – условие прочности МораКулона; Кэм-Клей; модифицированная Кэм-Клей; модель Шофильда (Schofield); трехповерхностная кинематически упрочняющаяся. Параметры: Ee ,ν , k ,λ , R f ; ϕ, ϕmax , c , ψ ; eo , pc , K o Z_SOIL Линейно и нелинейно-упругие; модели идеальной пластичности – условия прочности Треска, Мора-Кулона, Ренкина; упрочняющаяся Мора-Кулона; Друкера-ПрагераКЭП; Кэм-Клей. Параметры: Ee , ν , k , λ ; ϕ, c , ψ ; eo , pc , K o 2. Выбор типа испытаний Выбор вида лабораторных испытаний и их объема определяется в основном опытом инженера-геотехника. Следующие минимальные критерии могут быть использованы при составлении программы лабораторных испытаний: 1. Типа проекта (здание жилое или промышленное, мост, насыпь, подпорная стенка и т.п.). 2. Размер проектируемого объекта. 3. Величина нагрузок, которые предполагается передать на основание. 4. Тип нагрузки: статическая, динамическая. 5. Ограничения по предельным состояниям: несущая способность и деформация основания. 6. Точность построения профиля грунта с выделением на отдельные инженерно-геологические элементы. 7. Особенности грунтов (лессовые, набухающие, вечномерзлые и т.п.). Результаты полевых исследований и лабораторных испытаний должны дать достаточно надежное представление о профиле грунтовой толщи и параметрах, необходимых для проектирования оснований зданий или сооружений. В табл. П1, П2, П3 (приложение) приведены основные типы механических и физических испытаний образцов грунта в лабораторных условиях, которые рекомендованы стандартами США и России. Испытания грунтов в лабораторных условиях проводятся с целью определения их физических и механических характеристик. Методика проведения большинства подобных испытаний регламентирована требова6 ниями ГОСТ 121248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». В некоторых случаях, для определенного класса моделей грунтов, в действующих ГОСТ отсутствуют рекомендации по определению параметров (механических характеристик) этих моделей. В частности, ГОСТ 12248-96, который объединил в себе ранее действующие ГОСТы, содержит методику определения параметров прочности для условия прочности Мора-Кулона и параметров деформируемости для расчета линейно-упругого поведения грунта, без рекомендаций по определению модуля деформации при разгрузке или циклическом ее действии. В табл. 3 приведены прочностные и деформационные характеристики грунтов, рекомендуемые к определению ГОСТ 12248-96 для песчаных и пылевато-глинистых грунтов. Для каждого метода испытаний необходимы соответствующие приборы, конструкция которых схематично показана в табл. 4, а реализуемые условия нагружения образцов грунта – на рис. 1. Таблица 3 Механические характеристики песчаных и пылевато-глинистых грунтов (ГОСТ 12248-96) Наименование определяемых характеристик деформационные прочностные Метод испытания E0, c, cu, ϕmax, ϕcr, ϕrest, E, σν, c cν ξ ν МПа МПа кПа кПа град. град. град. кПа α Одноосное + + + сжатие Одноплоскостной + + + + + срез Компрессионное + + сжатие Трехосное + + + + + + + + + + + + сжатие Компрессионное + + + + + + сжатие с измерением боковых напряжений П р и м е ч а н и е : ψ – угол дилатанции; pcmp – структурная прочность грунта; k – коэффициент фильтрации; cα, cν – коэффициенты консолидации; E , Eo – модуль деформации и модуль упругости, соответственно; ν – коэффициент Пуассона; σα – бытовое давление; c – силы сцепления; cu – недренированная прочность; ϕmax – пиковый угол внутреннего трения; ϕcr – критический угол внутреннего трения; ϕrest – угол внутреннего трения при остаточной прочности; ξ – коэффициент бокового давления в состоянии покоя. 7 Таблица 4 Классификация методов испытаний Наименование метода 1 Одноосное сжатие Схема нагружения b= 2 σ′2 − σ′3 σ1′ − σ′3 3 Стандарты 5 ГОСТ 12248-96 ASTM D 2166 ГОСТ 12248-96 ASTM ε sf , psf , ε sl , psl , D2435, D4186 ε sw , psw , ГОСТ 12248-96 ϕ, c, cu ASTM D3080 Компрессионное сжатие E , cv , cα , pstr , Прямой срез Трехосное (осесимметричное) сжатие σ1 > σ2 = σ3 Трехосное (осесимметричное) расширение σ1 = σ2 > σ3 Плоская деформация σ1 > σ 2 , σ3 ε 1 > ε 2 , ε3 = 0 Истинное трехосное сжатие σ1 ≠ σ2 ≠ σ3 Истинное трехосное сжатие. Полые цилиндрические образцы. σ1 ≠ σ2 ≠ σ3 Определяемые параметры 4 R, E , ν, cu -1 E , Eo , G, K , ν, ГОСТ 12248-96 ASTM ξ, ϕ, ψ, c, cu D4767, D2850 +1 E , Eo , G, K , ν, ξ, ϕ, ψ, c, cu E , Eo , G, K , ν, ξ, ϕ, ψ, c, cu 0–1 E , Eo , G, K , ν, ξ, ϕ, ψ, c, cu E , Eo , G, K , ν, +1 ξ, ϕ, ψ, c, cu 8 1 2 Окончание табл. 4 4 5 E , Eo , G, K , ν, 3 Сдвиг кручением. Равное или различное давление внутри и вне полого образца σ1 ≠ σ 2 ≠ σ3 0-1 Сдвиг с контролем касательных и нормальных напряжений (DSC) Простой сдвиг σ1 = σ3 , σ2 = 0 0-1,0 ξ, ϕ, ψ, c, cu E , Eo , G, K , ν, ξ, ϕ, ψ, c, cu ϕ, c, cu 0 Растяжение σ3 = σ 2 > σ1 Rt Для определения всех характеристик согласно ГОСТ необходимо использовать несколько приборов: одноосного сжатия, одноплоскостного среза, компрессионного сжатия и трехосного осесимметричного сжатия (стабилометр). Однако все эти характеристики могут быть получены при проведении испытаний в одном приборе – стабилометре как для немерзлых, так и мерзлых грунтов. 3. Условия нагружения образцов грунта Характер деформации образцов грунта зависит как от конструкции приборов, так и от условий их нагружения. Из рис. 1,а видно существенное различие, наблюдаемое при нагружении образцов грунта в зависимости от вида напряженного состояния. Первая кривая соответствует случаю 9 одномерной деформации, имеющей место в основании протяженных в плане сооружений плотин, насыпей, дамб, засыпке подпорных стен и т.п. Подобный характер деформации можно реализовать в условиях компрессионного сжатия (рис. 1,б). а б Рис. 1. Кривые зависимости «деформация-напряжение» для трех видов испытаний (а) и схемы нагружения (б): 1 – компрессия; 2 – трехосное сжатие; 3 – одноосное сжатие Зависимость 2 на рис. 1,а и схема нагружения на рис. 1,б соответствуют случаю осесимметричной деформации, которая имеет место в основании круглых или кольцевых в плане фундаментов сооружений, подобных градирням, дымовым трубам, водонапорным башням и т.п. Третий случай соответствует условиям одноосного нагружения (рис. 1,б). Данное напряженное состояние, возникающее в образце грунта, не имеет места в основании реальных фундаментов, а результаты испытаний используются при определении прочности строительных материалов, скальных пород и только одной разновидности грунтов – тугопластичных и твердых глин, с целью определения прочности на одноосное сжатие, модуля упругости и коэффициента Пуассона. 4. Классификация типов испытаний В различных методах испытаний образцов грунта, таких как трехосное сжатие или расширение, плоская деформация, истинное трехосное сжатие, сжатие с кручением, компрессионное сжатие, прямой срез, чистый сдвиг и др., выполняется контроль нормальных напряжений, если нагружение статическое, или контроль деформации, если нагружение непрерывное (кинематическое) с заданной скоростью. В первом случае на грани образца грунта прикладываются напряжения, а измеряется деформация (рис. 2). Во втором случае задается деформация, а напряжения измеряются. Эти нормальные напряжения принимаются равными главным напряжениям, несмотря на их различия из-за сил трения между нагрузочными штампами и образцом грунта. В этих методах испытаний вращение главных 10 напряжений возможно только скачком на 90°. Например, наибольшее напряжение σ1 обычно принимается вертикальным, но может быть приложено к образцу грунта горизонтально, когда σ2 = σ1 . Результаты испытаний будут различными. В связи с тем, что нагружение образца грунта возможно тремя главными напряжениями σ1 , σ2 , σ3 , на взаимно перпендикулярных сторонах кубического образца грунта, то напряженное состояние, возникающее внутри образца, представляет из себя точку в пространстве главных напряжений. Это представление о напряженном состоянии принято в механике сплошной среды. Фактически, уменьшая размеры образца грунта, мы приближаемся к идеализированной схеме напряженного состояния в точке рассматриваемой среды. Однако, если мы будем уменьшать размеры образца, перед нами возникнет несколько проблем. Первая из них – как сделать конструкцию данного прибора и вторая – природная неоднородность грунтов, которая исчезает с уменьшением размеров образца. а б в г Рис. 2. Нормальные и главные напряжения: а – Декартова система координат; б – компоненты напряжений на гранях кубического элемента среды; в – пространство главных напряжений; г – главные напряжения на гранях элемента среды В общем случае хотелось бы иметь устройство для испытания грунтов, которое реализовывало бы общий случай нагружения в пространстве главных напряжений с вращением главных осей. Однако этого сделать пока не удалось, поэтому используются различные типы приборов, в которых образцы грунта нагружаются соответствующим образом и вращение главных осей напряжений отсутствует. Однако в испытаниях полых цилиндрических образцов на кручение удается реализовать нагружение с вращением главных осей напряжений или деформаций. Случай осесимметричной деформации является частным случаем трехосного сжатия. В механике грунтов принято испытания в условиях общего случая независимого действия главных напряжений σ1 ≠ σ2 ≠ σ3 ≠ 0 и осесимметричной деформации при σ1 > σ2 = σ3 , ε1 > ε 2 = ε3 называть одним и тем же термином – «испытания в условиях трехосного сжатия». В ГОСТ 12248-96 11 приведен метод испытания грунтов в условиях трехосного сжатия, когда цилиндрические образцы грунта подвергаются нагружению в условиях осесимметричной деформации. Поэтому с целью различия в дальнейшем будем называть прибор трехосного сжатия с реализацией условий осесимметричной деформации – стабилометром, а прибор с кубическим образом грунта и независимым действием главных напряжений – прибором истинного трехосного сжатия. В отдельную группу можно выделить приборы для испытания образцов грунта прямым образом, прикладывая срезывающие усилия. Нагрузочные штампы выполняются, как правило, жесткими и шероховатыми и могут вращаться. Отсюда направления между главными напряжениями и деформациями могут не совпадать. Наиболее часто на практике, для определения механических характеристик грунтов, используют стабилометр, компрессионный прибор и прибор прямого (одноплоскостного) среза. Приборы истинного трехосного сжатия, плоской деформации, чистого сдвига, кручения применяются обычно в исследовательских лабораториях. Однако, как будет показано далее, для определения параметров некоторых моделей грунта стандартных приборов недостаточно. 5. Траектории напряжений В отличие от многих других материалов поведение грунтов является анизотропным, зависит от истории эффективных напряжений и траектории напряжений. Изменения как в величине, так и в направлении главных напряжений и/или деформац4ий при нагружении характеризуются выражением «траектория напряжений и/или деформаций». Опыты показывают, что деформационные и в большей степени прочностные свойства грунтов зависят от выбранной траектории напряжений или деформаций. Механические свойства грунтов определяются в условиях контролируемых испытаний в лаборатории при условии, что при нагружении образца в нем возникает однородное поле напряжений и деформации. Соотношение между приращениями напряжений и деформаций при любом напряженном состоянии может быть реализовано путем контролируемого изменения приращения деформаций и регистрации возникших эффективных напряжений, или наоборот, задавая приращения эффективных напряжений и измеряя полученные приращения деформаций. Способность средств испытаний создать заданную траекторию напряжений/деформаций зависит от типа применяемого контроля за нагрузкой/напряжениями и деформациями при изучении механического поведения образцов грунта. 12 Нагружение образца грунта по заданной траектории напряжений определяет его поведение в пространстве главных напряжений и деформаций. Так как приборы истинного трехосного сжатия позволяют независимо изменять главные напряжения, то возможно изучение поведения грунта в выбранном квадранте пространства главных напряжений σ1 , σ2 , σ3 , как показано также на рис. 3. Рис. 3. Траектории нагружения в различных пространствах напряжений (Chen, 1982): а – пространство главных напряжений и плоскость осесимметричной деформации; б – плоскость осесимметричной деформации в главных напряжениях; в – плоскость осесимметричной деформации в девиаторах напряжений; г – октаэдрическая (девиаторная) плоскость Наиболее часто используемые траектории нагружения при испытании грунтов в условиях осесимметричного деформирования показаны на рис. 3. На рис. 3,а,б показана плоскость трехосных (стабилометрических) испытаний, в которой σ1 > σ2 = σ3 . В этой плоскости находится пространственная диагональ, на которой выполняется условие гидростатического сжатия ( σ1 = σ2 = σ3 ), здесь же показана окатэдрическая плоскость или плоскость девиаторного нагружения (в случае стабилометрических испытаний), перпендикулярная оси гидростатического сжатия. На рис. 3,в 13 показаны траектории нагружения на плоскости первого и второго инвариантов напряжений, когда θ = const , а на рис. 3,г – траектории нагружения в октаэдрической плоскости σ1 + σ2 + σ3 = сonst. В общем случае простого нагружения в девиаторной плоскости (рис. 3,а) главные напряжения изменяются независимо: σ1 ≠ σ2 ≠ σ3 , но отношение между приращениями добавленных напряжений Δσ1 / Δσ2 / Δσ3 остается постоянным в процессе нагружения. Это характеризуется постоянством угла наклона траектории нагружения (рис. 3, б, в, г). Испытание образцов грунта в стабилометре можно выполнить, используя следующие траектории нагружения: – гидростатическое сжатие (НС); – сжатие при возрастании σ1 и σ2 = σ3 = const (СТС); – сжатие при σ1 = const и уменьшении σ2 = σ3 (RTC); – сжатие при постоянном среднем напряжении (σ1 + σ2 + σ3 )/3 = сonst (ТС); – расширение при возрастании σ2 = σ3 σ1 = сonst (СТE); – расширение при σ2 = σ3 = const и уменьшении σ1 (RTE); – расширение при постоянном среднем напряжении (σ1 + σ2 + σ3 )/3 = сonst (ТE); – чистый сдвиг (SS); – траектории при 0 < b < 1. Значения параметров прочности ( ϕ , c ) зависят от вида напряженного состояния в большей степени, чем деформационные параметры ( E , ν ). Моделирование вида напряженного состояния характеризуется параметром b = (2σ2 − σ1 − σ3 ) /(σ1 − σ3 ) в условиях трехмерной деформации. Для случая осесимметричной деформации испытания проводятся в стабилометре в условиях нагружения образца главными напряжениями σ1 > σ2 = σ3 или σ1 < σ2 = σ3 , в этом случае параметр b = (σ 2 − σ3 ) /(σ1 − σ3 ) . В стабилометре возможны испытания на сдвиг при сжатии (траектория СТС) и расширении (траектория СТЕ) образцов грунта. В первом случае, когда σ1 > σ2 = σ3 , параметр b = 0 , во втором случае, когда σ1 = σ2 > σ3 , параметр b = +1 . На рис. 4 приведены зависимости «октаэдрическое касательное напряжение–октаэдрическая сдвиговая деформация», полученные из испытаний по различным траекториям нагружения ТС, ТЕ, SS с постоянным средним напряжением σокт . Как видно из рис. 4, на малых уровнях напряжений кривые зависимости τокт − γ окт при различных траекториях нагружения совпадают, но на более высоком уровне напряжений различия более существенны. Это показывает, что направление траектории нагружения в девиаторной плоскости оказывает влияние на поведение грунта. Однако прочность грунта в большей степени, чем его деформируемость, зависит от траектории нагружения. 14 СТС Октаэдрическое касательное напряжение τокт, кПа СТЕ ТС SS ТЕ ТС,ТЕ,SS: σoкт = 20 кПа СТС,СТЕ : σc = 12 кПа Октаэдрическая сдвиговая деформации γ ОКТ, % Рис. 4. Октаэдрические кривые касательного напряжения – деформации для различных траекторий нагружения для Ottawa песка (Ko и Masson, 1976) На рис. 5 приведены значения пиковой прочности в зависимости от числа (индекса) пластичности из трехосных анизотропно ( σ3 = σ1 (1 − sin ϕ) ) консолидированно-недренированных испытаний по траектории сжатия (СТС), траектории расширения (СТЕ) и испытаний на прямой срез (DSS) для различных нормально уплотненных ( OCR = 1 ) глин и супесей. Данные испытаний показывают постоянное нормализованное значение недренированной прочности (cu / σvc ) из испытаний по траектории сжатия (СТС), которая значительно больше, чем в условиях прямого среза. В последнем случае недренированная прочность уменьшается с уменьшением числа пластичности. Недренированная прочность в условиях трехосного расширения показывает наименьшие значения по отношению к испытаниям СТС и DSS. Эти данные и другие известные из Рис. 5. Зависимость недренированной литературы данные показывают прочности в условиях анизотропной на то, что для большинства консолидации нормально уплотненной нормально уплотненных глинисглины и супеси тых грунтов значения недрени(Levebre et al. 1983; Vaid and Campanella 1974; Ladd 1991) рованной прочности зависят от метода испытаний (вида напря15 женного состояния). 6. Эффект нарушения структуры при отборе монолитов и подготовке образцов грунта к испытаниям При проходке скважин, отборе монолитов, их извлечении из грунтоноса и последующем вырезании из монолита необходимых для испытаний образцов грунта происходит частичное разрушение структурных связей, разуплотнение грунта при снятии бытовой нагрузки, образование трещин или разрывов. Эффективные напряжения в образце после его извлечения на поверхность практически равны нулю, и их вновь необходимо создать в образце перед началом механических испытаний в каком-либо приборе. Описанные выше эффекты, наблюдаемые при отборе образцов, показывают, каким образом необходимо проводить лабораторное определение прочности грунтов в условиях неконсолидированно-недренированного (НН) и консолидированно-недренированного сдвига (КН). Следует заметить, что в КН испытаниях имеет место некоторое восстановление разрушенной структуры и первоначального напряженного состояния, в то время как на результатах НН будет сказываться влияние разрушения структуры и изменения коэффициента пористости, так как в опытах отсутствует этап консолидации образца. Таким образом, НН и КН испытания не могут дать истинного значения прочности или жесткости (модуль деформации), если образец при отборе деформирован значительным образом, а в опытах не удалось восстановить разрушенную структуру, природные эффективные напряжения и поровое давление. Однако КН испытания лучше НН испытаний, так как в них образец грунта испытывается в условиях, более близких к природным. Дополнительное влияние на результаты испытаний будут оказывать направление сдвига и скорость сдвига. Например, скорость деформации сдвига в НН испытаниях намного больше скорости деформации сдвига в основании проектируемых сооружений. Поэтому многие инженеры-геотехники полагают, что недренированная прочность, полученная с образца ми при испытании в НН условиях, оказывается менее недренированной прочности в полевых условиях. Поэтому НН испытания дают заниженные значения прочности. Для оценки качества образцов грунта ненарушенной структуры, которые формируются из монолитов, Terzagi et al. (1996) ввел параметр, оценивающий качество подготовленных образцов. Для этого он предложил использовать величину объемной деформации εvo , получаемую в процессе реконсолидации образцов давлением, равным бытовому давлению σv . 16 Этот параметр называется сокращенно как SQD (от выражения «Speсimen Quality Designation»). Параметр SQD, в зависимости от качества образцов, изменяется от А (лучшее) для глин до Е (худшее) c OCR < 3 – 5. На рис. 6,а показан SQD-критерий, совмещенный на графике с объемной деформацией и глубиной отбора образцов, а на рис. 6,б приведена история напряжений для тех же условий. Из сравнения рис. 6,а и б видно, что лучшее качество подготовки образцов удается получить у переуплотненных образцов глины (SQD = A, B), по сравнению с глиной нормально уплотненной (SQD = C, D). Рис. 6. Параметр качества образцов (а) и история напряжений (б) для глины (Ladd et al. 1999 и Haley and Aldrich 1993) Рекомендуемое значение SQD соответствует интервалу изменения εvo от 0 до 2%. Если полученное значение εvo больше, то результаты испытания для данных образцов следует исключать из обработки, как показано темными кружками на рис. 6, а, б. 7. Автоматизированные информационно-измерительные системы для испытания образцов грунтов Схема автоматизированной системы, включающая прибор трехосного сжатия (стабилометр), способная реализовать условия статического или кинематического нагружения, показана на рис. 7. Она очень похожа на 17 стандартные системы с контролем скорости осевого перемещения, в которых сервопривод заменен цилиндром двойного действия, заполненным водой. В схему добавлено устройство для контроля создаваемого давления в пневмоцилиндре. Это устройство называется контроллером давления-объема, так как используется с двойным назначением: для управления создаваемым давлением и измерения изменения объема образца. В большинстве последних измерительных систем измерение изменения объема выполняется при помощи контроллера давление-объем, что и показано на рис. 7. Впервые данный контроллер предложил Menzies в 1984 году. Рис. 7. Система для трехосных испытаний: 1 – регулятор давления; 2 – контроллер давление-объем; 3 – цилиндр двойного действия; 4 – датчик силы; 5 – датчик перемещения LVDT; 6 – блок усиления и преобразования сигналов с датчиков; 7 – компьютер; 8 – датчик бокового давления; 9 – дифференциальный датчик давления; 10 – датчик порового давления; 11 – контроллер шагового двигателя; 12 – шаговый двигатель; 13 – линейный подшипник; 14 – редуктор; 15 – поршень; 16 – дегазированная вода; 17 – отсчетная бюретка; 18 – кран; 19 – сосуд с водой В настоящее время ООО «Геотек» (www.geoteck.ru) выпускает подобную автоматизированную информационно-измерительную систему, которая получила наименование ИВК «АСИС». Эта система классифицирована как измерительно-вычислительный комплекс, является средством измерения и внесена в Государственный реестр средств измерения за №29250-05. 18 ИВК «АСИС» представляет собой сложную структуру, содержащую приборы компрессионного сжатия, сдвиговые приборы, приборы трехосного сжатия, которые через специальную многоканальную электронную преобразующую аппаратуру (ЭПА) подключаются к персональному IBMсовместимому компьютеру. К входам аналогового ввода ЭПА подключаются датчики давления, датчики силы и датчики линейных перемещений, находящиеся в приборах компрессионного сжатия, приборах прямого среза и трехосного сжатия, а к его дискретным выходам – цепи управления электропневмоклапанами и шаговым приводом соответствующих приборов, которые регулируют нагружение (статическое или кинематическое) испытываемых образцов грунта. Частота опроса датчиков – до 120 кГц. Связь ЭПА с персональным IBM-совместимым компьютером осуществляется по интерфейсу RS-232. Все виды нормированных нагрузок и механических воздействий на образцы грунта в приборах создаются при помощи сжатого воздуха, давления воды или сервопривода. Приборы, входящие в состав ИВК «АСИС», показаны на рис. 8–12. Компрессионные приборы (рис. 8, а, б) позволяют проводить испытания как при статическом нагружении (ступенями) с выдержкой до стабилизации осевой деформации, так и при кинематическом (непрерывном) нагружении с заданной скоростью вертикальной деформации в диапазоне от 0,01 до 5 мм/мин. Методика компрессионных испытаний ступенями приведена в ГОСТ 12248-96 и ряде зарубежных стандартов (ASTM D 2435). Метод кинематического нагружения в отечественном стандарте отсутствует, в то время как за рубежом он находит широкое применение (ASTM D 4186). Основное достоинство данного метода (постоянной скорости деформации «CRS») – в резком сокращении времени испытаний, от обычных нескольких суток до нескольких часов. Подобный метод был предложен ранее в нашей стране и запатентован сравнительно недавно А.Н. Труфановым, который получил патент на метод испытания в условиях компрессионного сжатия, основанный на эффекте релаксации напряжений: «Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов» (действующий патент № 2272101) или «Метод релаксации напряжений Труфанова». На рис. 8,б показан общий вид компрессионного прибора для измерения боковых напряжений. Этот прибор позволяет, как и жидкостной прибор трехосного сжатия, определять коэффициент бокового давления ξ = σ h / σv , но в отличие от прибора трехосного сжатия он имеет жесткие границы. Оказывается, что значение ξ зависит существенным образом от величины смещения границы (например, подпорной или шпунтовой стенки) и имеет максимальное значение при неподвижной, жесткой границе. Это важно при определении активного или пассивного давления на поверхности конструкций, заглубленных в грунт. Кроме того, данный прибор позволяет найти давление предварительного уплотнения σ p , а по значению ξ – коэффициент Пуассона. Известны также опыты по 19 использованию данного прибора для определения параметров прочности ϕ и c . Таким образом, кроме деформационных характеристик грунтов E и ν можно определить параметры прочности ϕ и c . а б Рис. 8. Компрессионные приборы: а – статическое нагружение; б – кинематическое нагружение с измерением боковых напряжений При определении параметров прочности грунтов, в условиях прямого среза (одноплоскостного среза), используются показанные на рис. 9 приборы, входящие также в состав ИВК «АСИС». Несмотря на то, что эти приборы дают заниженные значения параметров прочности, по сравнению с приборами трехосного сжатия, указанные приборы, вследствие своей простоты, имеют широкое применение при испытании грунтов. Следует отметить также, что параметры прочности, определенные в условиях прямого среза, оказываются на 15–20% больше параметров прочности, найденных из испытаний в условиях простого сдвига. Используя приборы со статическим нагружением, можно найти параметры, характеризующие прочность рыхлого песка или нормально уплотненной глины, соответствующие критической прочности ( ϕ и c ). а б 20 Рис. 9. Приборы прямого среза: а – статическое нагружение; б – кинематическое нагружение а б Рис. 10. Стабилометры различного типа: а – изотропная консолидация; б – анизотропная консолидация Кинематическое нагружение позволяет определить не только критическую прочность, но и дополнительно пиковую прочность ( ϕmax ) и остаточную прочность плотного песка и переуплотненной глины ( ϕrest ). Кроме того, из этих опытов можно найти угол дилатанции ψ . В практике лабораторных испытаний в последние годы, наибольшее применение находят приборы трехосного сжатия. Начиная с известной монографии Бишопа и Хенкеля (1961) и за последующие 46 лет накоплен значительный опыт испытаний в приборах трехосного сжатия. Правильнее их называть приборами для испытания образцов грунтов в условиях осесимметричной деформации. В России они известны как «стабилометры». Основное достоинство стабилометра в том, что он позволяет определять не только прочностные, но и деформационные характеристики грунтов. В связи с этим, отпадает необходимость оснащения лабораторий компрессионными приборами и приборами прямого среза. Вторым, более существенным преимуществом стабилометров является возможность воссоздания в образце грунта начального напряженного состояния, адекватного существующему, в естественном массиве грунта. Поэтому полагают, что деформационные параметры E и ν , определенные из трехосных испытаний, совпадают с результатами испытания грунта штампом. 21 В отличие от компрессионного прибора и прибора прямого среза, в стабилометре возможно выполнить как изотропную, так и анизотропную консолидацию. В первом случае применяются приборы типа А, а во втором случае – приборы типа Б. Какой вид консолидации применять, определяют путем построения профиля истории напряжений (см. рис. 15). Существенной особенностью стабилометров является возможность испытания как полностью, так и частично водонасыщенных грунтов. В последние годы разработаны методы испытания частично водонасыщенных грунтов с измерением как порового давления ( uw ), так и давления воздуха (газа) в поровом пространстве ( ua ), которые используются при оценке прочности связных грунтов. Более часто испытания на сдвиг в стабилометре выполняются при полном водонасыщении образцов грунта. В стандартах ASTM В 2850 и D 4767 рекомендуется проведение испытаний грунтов по схеме НН и КН при полном их водонасыщении. Контроль степени водонасыщения ( Sr > 0,92 − 0,95 ) выполняется с использованием параметра Скэмтона, B = Δuw / Δσ3 , который для полностью водонасыщенных грунтов теоретически равен единице. В действительности получить это значение очень сложно, обычно удается получить степень водонасыщенности не более 90–95%. Водонасыщение образцов грунта выполняется в стабилометре с использованием обратного давления. Это давление создается в образце грунта водой, которая подается в образец под давлением 300–600 кПа. Так как испытания проводятся при эффективных напряжениях, то величина обратного давления не оказывает влияния на результаты испытаний. При проведении подобных испытаний используется стабилометр, показанный на рис. 11. 22 Рис. 11. Гидравлический стабилометр с рабочей камерой типа А или типа Б, панелью управления процессом водонасыщения и измерения объема Рис. 12. Комплект устройств для испытания на прямой срез, трехосное сжатие, компрессионное сжатие и одноосное сжатие На рис. 12 показан прибор, который позволяет последовательно провести испытания на прямой срез, трехосное сжатие, компрессионное сжатие и одноосное сжатие. Это удобно при проведении испытаний в 23 полевых условиях. Данный комплект приборов входит также в состав ИВК «АСИС» с автоматическим нагружением и измерением напряжений и деформаций. 8. Примеры определения характеристик сжимаемости Ранее отмечалось, что при проведении компрессионных испытаний применяются два метода осевого нагружения – статический и кинематический. На рис. 13 показано сравнение результатов двух подобных компрессионных испытаний глинистого грунта. Первое испытание было проведено обычным образом, нагружая образец ступенями и с выдержкой до стабилизации деформаций на каждой ступени в течение 24 часов. Вторые испытания проведены с образцами той же глины, но при непрерывном нагружении со скоростью Δε / Δt = 1 % / ч и с контролем скорости рассеивания порового давления при помощи параметра, который называется коэффициентом рассеивания порового давления (Δu / σv ) . Согласно стандарту ASTM D 4186, значение Δu / σv не должно быть более 30%. Однако, если в опытах необходимо определить давление предварительного уплотнения σ p , коэффициент рассеивания порового давления должен быть менее 10%. Приведенное сравнение показывает на вполне приемлемое совпадение результатов испытаний. В связи с тем, что компрессионные испытания с непрерывным нагружением не превышают одних суток, за рубежом они находят широкое применение на практике. 24 Рис. 13. Сравнение компрессионных кривых при статическом (IL) и непрерывном нагружении (CRS) глины (Ladd et al. 2003) Однако компрессионные испытания со ступенчатым нагружением дают более адекватные результаты при определения коэффициента сжимаемости (модуля деформации) для проектов, где используется пригрузка слабого основания с целью ускорения его консолидации или в случае, если предполагаются условия полного дренирования при низкой скорости нагружения основания. Последнее имеет место при строительстве большинства гражданских или промышленных зданий. Давление предварительного уплотнения Давление предварительного уплотнения применяется для оценки начального напряженного состояния естественных массивов грунта и назначения ступеней давления при нагружении образцов грунта при испытании на сжимаемость и прочность в стабилометре. Под давлением предварительного уплотнения понимается давление, которое когда-то испытывал в прошлом грунт, от грунтов вышележащей толщи. Эта дополнительная толща могла быть массой ледника или иных осадочных пород, которая к настоящему времени отсутствует. Начальное напряженное состояние зависит не только от полных и эффективных вертикальных и горизонтальных напряжений, но и от давления предварительного уплотнения. Вертикальные или бытовые напряжения зависят от силы гравитации и определяются массой вышележащих грунтов. Горизонтальные напряжения и давление предварительного уплотнения зависят от истории формирования грунтов. Грунты, у которых историческое давление было больше, чем современное природное давление, т.е. разгружены от ранее уплотнившей их нагрузки, например в виде ледника, называются переуплотненными. Если историческое давление равно природному (грунты современного отложения), то они называются нормально уплотненными. Историю нагружения массивов грунта принято оценивать, используя коэффициент переуплотнения: OCR = σv max , σv (1) где σv max – максимальное вертикальное напряжение за весь период существования массива грунта, а σv – вертикальное напряжение от собственного веса грунта в настоящий период. Если неизвестны значения напряжений от собственного веса грунта σv max и σv , то коэффициент переуплотнения можно определить, используя физические характеристики грунтов ko (OCR) (Месчян С.Р., 1978). При 25 этом коэффициент ko определяется отношением коэффициента пористости eТ пасты при ω = ωL к коэффициенту пористости грунта в естественном состоянии eo . Для нормально уплотненного грунта коэффициент уплотнения равен единице, для недоуплотненных грунтов ko < 1, а для переуплотненных грунтов ko > 1 . Для слабых водонасыщенных грунтов распределение начальных напряжений близко к гидростатическому. У нормально уплотненных глинистых грунтов (OCR = 1) горизонтальные напряжения меньше вертикальных, в то же время, у переуплотненных глинистых грунтов (OCR > 1) горизонтальные напряжения более вертикальных. Распределение горизонтальных напряжений в плоскости по направлению осей X и Y может быть различным, как симметричным, так и несимметричным у анизотропных грунтов. Переуплотненным называется грунт, который при своем естественном формировании находился под действием эффективных природных давлений больше, чем в настоящее время. Например, на поверхности грунта находился мощный слой ледника, который впоследствии сместился или растаял. Переуплотнение обычно имеет место, когда породы полностью консолидированы под действием веса вышележащей толщи, впоследствии полностью или частично удалены эрозией. Осадочные породы, такие как аргиллиты или алевролиты, выше которых отложения отсутствуют или имеют небольшую мощность, являются хорошими примерами переуплотненных пород. Большинство нормально уплотненных грунтов имеет низкую прочность, а переуплотненные грунты – высокую прочность. Для определения давления предварительного уплотнения σ p применяется несколько методов, но достоверные значения могут быть получены только из испытания образцов высокого качества. Компрессионные кривые, используемые для определения σ p из испытаний при непрерывном нагружении, должны быть получены при скорости нагружения от 0,5 до 1,0 %/ч или до стабилизации деформаций при ступенчатом нагружении. Для определения σ p рекомендуются, в основном, два метода: метод Казагранде и метод энергии деформации. Метод Казагранде трудно использовать для относительно жестких грунтов, показывающие плавную компрессионную кривую. Метод энергии деформации использует работу, затрачиваемую на единицу объема, как критерий для оценки σ p (рис. 14,б). Этот метод более прост в использовании и дает более точную оценку σ p по сравнению с методом Казагранде (рис. 14,а). Для предварительной оценки σ p глинистых грунтов могут быть использованы следующие выражения, полученные путем аппроксимации 26 многочисленных компрессионных и трехосных испытаний образцов в лабораторных условиях (Sabatini et al. 2002): – пенетрация конусом σ p = 0,33(qT − σvo ) ; – пьезоконус σ p = 0,54(u2 − uo ) ; – плоский дилатометр Марчетти σ p = 0,51( p0 − uo ) ; (2) – самозабуривающийся пенетрометр σ p = 0, 45 pL ; σ p = 3,54cu . – лопастной срез На практике значение σ p рекомендуется определять из корреляции лабораторных и полевых испытаний грунтов. Коэффициент переуплотнения OCR или давление предварительного уплотнения σ p используются в большинстве программ расчета (Abaqus, Geo-Slope, Crisp, Plaxis и др.) и при создании начального напряженного состояния в образцах грунта при их испытании в условиях прямого среза (метод SHANSEP) и трехосного сжатия. а 27 б Рис. 14. Определение давления предварительного уплотнения методом Казагранде (а) и методом энергии деформации (б) (Sabatini et al. 2002) 28 Рис. 15. Профиль бытового давления и давления предварительного уплотнения (Sabatini et al. 2002) Профиль бытового давления и давления предварительного уплотнения используется для разделения глинистых грунтов на нормально уплотненные и переуплотненные, что позволяет оценить правильно их прочностные свойства. Как правило, нормально уплотненные глинистые грунты имеют меньшую прочность и большую деформативность, чем переуплотненные глинистые грунты. Обычно при испытании нормально уплотненных глинистых грунтов определяется недренированная прочность, а при испытании переуплотненных глинистых грунтов – как недренированная, так и дренированная прочность. Параметры, характеризующие процесс фильтрационной консолидации Этими параметрами являются коэффициент консолидации cv и коэффициент фильтрации kv . При определении этих параметров предпочтительнее использовать компрессионные испытания с непрерывным нагружением, а не ступенчатое нагружение. При нагружении ступенями вертикальная деформация зависит от величины назначенной ступени нормального давления и параметра стабилизации деформации. При непрерывном нагружения можно определить параметры cv и kv не только в заданном интервале нормального давления, но и непрерывно, так как измерения выполняются с любым заданным интервалом времени. На рис. 16 приведены результаты испытания структурированной глины . с непрерывным нагружением (ε = 1,0 % / ч) в компрессионном приборе. Для этих глин компрессионная кривая имеет явно выраженную S-образную форму, что позволяет однозначно определить σ p . Как видно из рис. 16, давлению предварительного уплотнения соответствует минимум коэффициента порового давления ue / σv . Эта зависимость также используется для определения σ p . 29 Рис. 16. Результаты CRS-испытаний структурированной глины (Sabatini et al. 2002) 9. Применение результатов испытаний при проектировании откосов, насыпей, котлованов Оценка устойчивости естественных или пригруженных склонов, откосов, насыпей и выемок, сложенные водонасыщенными слабыми глинистыми грунтами (от мягкопластичной до текучей консистенции), выполняется с использованием недренированной прочности. Недренированная прочность должна быть использована при проектировании сооружений в зависимости от направления траектории нагружения. Для примера, на рис. 17 показана насыпь с предполагаемой круглоцилиндрической поверхностью скольжения. Смещаемый объем грунта, в пределах призмы, можно разделить на три области: в первой области имеет 30 место активное, в третьей области – пассивное, а во второй области – промежуточное состояние грунта. Рис. 17. Схема к оценке устойчивости откоса В соответствии с этим, в пределах каждой области, на соответствующих участках поверхности скольжения, находятся элементы грунта, в которых присутствуют различные условия нагружения. В первом элементе прочность грунта обусловлена его сжатием, и испытания образцов грунта в данной области следует проводить в условиях трехосного сжатия по траектории сжатия (СТС). В третьем элементе имеет место расширение грунта по направлению к свободной ненагруженной поверхности основания и, следовательно, испытания образцов грунта в данной области следует проводить в условиях трехосного расширения по траектории расширения (СТЕ). В переходной, второй области массива грунта деформация элемента грунта подобна той, которая имеет место в условиях прямого среза или простого сдвига. Поэтому прочность грунта, в данной области следует определять из испытаний образцов в условиях прямого среза или простого сдвига. Как правило, при расчете устойчивости насыпей, склонов или подпорных стен напряженное состояние принимается в их основании соответствующим условиям плоской деформации, в связи большой их протяженностью и постоянством нагрузки по их длине. В связи с этим испытания образцов грунта более правильно проводить в условиях плоской деформации, а не в условиях трехосного сжатия. Однако в большинстве коммер31 ческих геотехнических лабораторий приборы для испытаний грунтов в условиях плоской деформации отсутствуют и испытания проводятся с использованием стандартных приборов (стабилометр и одноплоскостной срез). Как было показано ранее, прочность грунта получается различной в условиях плоской и трехосной деформации. Поэтому применение параметров прочности, которые определены из условий трехосной деформации, к краевым задачам в условиях плоской деформации будет некорректным. При проектировании насыпей их устойчивость оценивается различными методами. Наиболее часто на практике используется метод круглоцилиндрической поверхности скольжения. В методе круглоцилиндрической поверхности скольжения устойчивость склонов, насыпей или выемок определяется с использованием расчетной схемы, которая приведена на рис. 18. Откос считается устойчивым, если Рис. 18. К расчету устойчивости выполняется следующее условие откосов n η= ∑ P cos α tgϕ + cl ) i i =1 i n ∑ P sin α i ≥ 1,1 ÷ 1,5 , (3) i i =1 где Pi – вес i -го отсека грунта; αi – угол наклона к горизонту i -го прямолинейного, длиной l , отрезка поверхности скольжения в пределах отсека грунта; ϕ и c – расчетные значения угла внутреннего трения и сил сцепления. При определении коэффициента устойчивости η параметры прочности ϕ и c принимаются, как правило, постоянными на поверхности скольжения, не зависящими от траектории нагружения. Теоретически возможно, используя схему, показанную на рис. 17, определить в лаборатории значения параметров прочности для областей 1, 2 и 3, а затем найти коэффициент устойчивости из выражения (3) при переменных значениях параметров прочности. На практике используются значения параметров прочности, найденные из испытаний на прямой срез или трехосное сжатие, или принимается среднее значение параметров из трех видов испытаний: трехосное сжатия, прямой срез и трехосное расширение, что более точно. Следует заметить, что параметры прочности ϕ и c будут зависеть не только от траектории нагружения, но и от условий испытания образцов грунта в приборе трехосного сжатия. Испытания по схеме неконсоли32 дированно-недренированного сдвига дают только один параметр прочности, cu , который называется недренированной прочностью грунта. В этой схеме испытаний второй параметр прочности – угол внутреннего трения – ϕ , получается равным нулю. Поэтому, если устойчивость откосов оценивать с использованием параметра недренированной прочности cu , мы получим заниженное значение коэффициента устойчивости. Недренированная прочность cu определяется в полных напряжениях и не зависит от порового давления. На практике рекомендуется определять параметры прочности из консолидировано-дренированных испытаний с учетом изменения порового давления. В этом случае параметры прочности ϕ и c , называются эффективными параметрами прочности, зависят от эффективных напряжений и обозначаются, как ϕ′ и c′ . Эти параметры принимаются отсчетными при сопоставлении с параметрами прочности, определенными из испытаний на прямой срез или простой сдвиг. Библиографический список 1. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений [Текст]. – М., 2005. – 133 с. 2. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства [Текст]. – М., 1998. 3. Бишоп, А.У. Определение свойств грунтов в трехосных испытаниях [Текст] / А.У. Бишоп, Д.Д. Хенкель. – М.: Госстройиздат, 1961. – 232 с. 4. Месчян, С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов [Текст] / С.Р. Месчян. – М.: Недра, 1978. – 207 с. 5. Chen W.F., Saleb A.F. Constitutive Equations for Engineering Materials, Vol. 1, Elasticity and Modelling; Vol. 2, Plasticity and Modelling, Wiley, 1981, 1994, p. 559. 6. Haley & Aldrich, Inc. Final report on special laboratory and in situ testing program, Central Artery (I-93)/Tunnel (I-90) Project, Boston, Massachusetts. Prepared for the Massachusetts Departament, 1993. 33 7. Ladd C.C. Stability evaluation during staged construction (22nd Terzagi Lecture). J. of Geotech. Eng.. Vol. 117, No. 4, 1991, pp. 540-615. 8. Ladd C.C., Hon M., DeGrott D.J. Recommended Practice for Soft Ground Site Characterization: Arthur Casagrande Lecture. 12-th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 2003, 60 p. 9. Lefebre G., Ladd C.C., Mesri G., Tavenas F. Report of the testing committee. Committee of Specialists on Sensitive Clays on the NBR Complex, SEBJ, Montreal, Annexe I., 1983. 10. Menzies B.K. Soil Testing Systems. Geotechnical News, Vol. 1, No. 3, 1984, pp. 38-39. 11. Sabatini P.J., Bachus R.C., Mayne P.W., Schneider J.A., Zettler T.E. Geotechnical Engineering Circular No.5. Evaluation of Soil and Rock Properties. Report No. FHWA-IF-02-034, 2002, p. 385. 12. Terzaghi K., Peck R.B., Mesri G. Soil Mechanics in Engineering Practice. 3rd Edition. John Wiley and Sons, 1996. 13. Vaid Y.P., Campanella R.G. Triaxial and plane strain behavior of natural clay. J. Geotech. Eng. Div., Vol. 100, No. 3, 1974, pp. 207-224. 34 Приложение Таблица П1 Методы определения физических и классификационных характеристик грунтов Испытания 1 Влажность Процедура 2 3 Высушивание Гравелистые, песчаные, грунта при темглинистые, пературе 100 ± 5°C торф Пределы пластичности Определение весовым методом влажности на границе текучести wL и влажности на границе раскатывания wp Ситовой анализ Просеивание навески грунта через набор сит с разделением на соответствующий диаметр Отмучивание в Подготовка сусводе пензии и выделение фракций через сито с отверстиями 0,1 мм Ареометрический Измерение плотности суспензии Метод окрашивания Вид грунтов Окрашивание глинистых грунтов органическими красителями и определение цвета суспензии Глинистые грунты Определяемые параметры и свойства грунтов 4 eo – коэффициент пористости; γ – удельный вес грунта Классификационные показатели Ip , IL Гравелистые и песчаные грунты Классификация сыпучих грунтов Глинистые грунты Классификация глинистых грунтов Глинистые грунты Ограничения 5 Возможность разрушения органических веществ Не применим для сыпучих грунтов. Условность методики определения wp Не применим для глинистых грунтов Сложность выделения фракции менее 0,1 мм Классификация Применим для глинистых грунтов определения фракции диметром менее 0,25 мм Глинистые и Классификация Не применим песчаногрунтов для песчаных глинистые грунтов грунты 35 Окончание табл. П1 1 Удельный вес частиц Плотность частиц Содержание органических веществ 2 3 Вес сухой навес- Песчаные и ки грунта сравни- глинистые вают с известным грунты, торф объемом воды в пикнометре Определение веса В грунтах, единицы объема где могут грунта быть отобраны образцы После определеВсе типы ния влажности грунтов с при 110°C обра- содержанием органики зец прокаливается в муфельной печи при 440°C и выполняется измерение изменения веса 36 4 Используется при определении коэффициента пористости 5 Используется при определении при вычислении e0, S r , γ d , γ взв Погрешность в определении для сыпучих грунтов Не используется при определении параметров грунтов, но большое содержание органики свидетельствует о высокой сжимаемости Рекомендуется для всех видов грунтов с содержанием органических материалов Таблица П2 Методы определения механических характеристик грунтов Испытания Процедура 1 2 Нагрузка прикладывается ступенями к образцу грунта, который находится в жестком кольце; значения деформации записываются во времени; нагрузка обычно удваивается на каждой ступени и сохраняется до стабилизации или в течение 24 ч на каждой ступени нагружения Нагрузка прикладывается непрерывно таким образом, чтобы Δu находилось в интервале между 3 и 30% приложенного нормального давления в течение испытания Торцы образца нагружаются вертикальной нагрузкой при ненагруженной боковой поверхности Компрессионное сжатие Испытания в компрессионном приборе с постоянной скоростью деформации Одноосное сжатие Неконсолидированнонедренированное трехосное сжатие Характеристики Ограничения грунтов 3 4 5 Преимущественно для В большинстве ′ σ p , OCR, mv , мелкозернистых грунтов. случаев супеси, cv , cα , k Результаты могут быть суглинки, глины в использованы для опредеменьшей степени ления других характериспесчаные грунты тик грунтов Вид грунтов Глинистые грунты. Не применимы для сыпучих грунтов σ′p , mv , Глинистые грунты в тугопластичном или твердом состоянии. R, cu Образец нагружается быстро при Глинистые грунты консолидации (всестороннее сжатие) и при сдвиге (девиатор напряжения) при отсутствии дренирования 37 cv , k cu Требуется специальное оборудование, но испытания проводятся быстрее Испытания позволяют определить недренированную прочность. Влияние скорости деформации, дренирования, наличия дефектов при подготовке образцов Образцы должны быть водонасыщены. Скорость нагружения и дефекты структуры влияют на результаты 1 Консолидированодренированное трехосное сжатие Консолидированонедренированное трехосное сжатие Прямой (одноплоскостной) срез Фильтрационные испытания Окончание табл. П2 2 3 Образец уплотняется при всестороннем Песчаные и глисжатии (дренирование) и затем нистые грунты сдвигается со скоростью, при которой не возрастает поровое давление 4 ϕ, c, E Образец уплотняется при всестороннем Песчаные и глинисжатии (дренирование), затем стые грунты, торф сдвигается без дренирования с измерением порового давления ϕ′, c′, E – в эффективных напряжениях; ϕ ,c , E – в полных напряжениях Образец сдвигается по фиксированной плоскости с постоянной скоростью, которая является функцией проницаемости грунта Образец сдвигается по фиксированной плоскости с нагружением ступенями и дренированием Образец в резиновой оболочке, консолидируется всесторонним давлением, прикладывается обратное давление (градиент) и измеряется количество проходящей воды во времени Образец находится в приборе с жесткими стенками, прикладывается вертикальное давление и измеряется количество проходящей воды во времени при постоянном напоре Уплотненные грунты: песок, гравий и глинистые грунты Глинистые грунты ϕ, ϕr Слабопроницаемые глинистые грунты ( k ≤ 1x10−5 cм/с) k Супеси, пески, гравелистые грунты с относительной высокой проницаемостью k 38 ϕ, c 5 Длительные испытания. Проводятся преимуществено для определения деформационных характеристик: E , K , G, ν Рекомендуется измерение порового давления в течение опыта. Испытания полезны для определения параметров прочности в эффективных напряжениях ( ϕ′, c′) . Не применяются для определения деформационных свойств Практически отсутствуют условия дренирования. Дешевые испытания Применимы для случая медленного нагружения основания. Испытания длительные Рекомендуются для пылевато глинистых грунтов. Требуется водонасыщение под обратным давлением. Необходимо время для начала фильтрации Необходимо контролировать градиент напора. Неприменим для суглинков и глин. Таблица П3 Методы испытания грунтов в лабораторных условиях Тип испытания 1 Визуальная индентификация Классификационные и физические свойства Cжимаемость Прочностные свойства Наименование испытания AASHTO ASTM 2 3 Руководство по описанию и идентификации грунтов Руководство по описанию мерзлых грунтов Метод определения влажности Т 265 Метод определения плотности частиц T 100 грунта Метод определения гранулометричесT 88 кого состав грунтов Метод классификации грунтов для M 145 инженерных задач Метод определения количества частиц грунта менее чем 75 мкр Метод определения предела пластич- T 89, T90 ности, предела текучести и индексов пластичности Метод лабораторного определения максимальной плотности Метод лабораторного определения T 99 характеристик сжимаемости при давлении до 600 кПа Метод лабораторного определения T 180 характеристик сжимаемости при давлении до 2700 кПа Метод лабораторного определения характеристик просадочности Метод лабораторного определения характеристик набухания и усадки Метод определения прочности связных T 208 грунтов при одноосном сжатии Метод определения неконсолидирован- T 296 ной, недренированной прочности связных грунтов в условиях трехосного сжатия Метод определения консолидирован- T 297 ной, консолидировано-недренированной прочности связных грунтов в условиях трехосного сжатия Метод прямого среза грунтов в кон- T 236 солидировано-дренированных условиях Метод лабораторного испытания крыльчаткой водонасыщенных мелко-зернистых глинистых грунтов Метод определения модулей упругости и затухания грунтов с использованием метода резонанcной колонны 39 ГОСТ 4 D 2488 5 - D 4083 - D 2216 D854, D5550 D 242 5180-84 5180-84 12536-79 D 2487, D 3282 D 1140 25100-82 D 4318 5180-84 22733-77 D 698 12248-96 D 1557 23161-78 24143-80 D 2166 12248-96 D 2850 12248-96 D 4767 12248-96 D 3080 12248-96 D 4648 - D 4015 - Окончание табл. П3 1 Прочностные свойства Свойства при консолидации и разгрузке Водопроницаемость Коррозионная активность Содержание органики Отбор образцов 2 Метод определения коэффициента несущей способности (CBR) предварительно уплотненных грунтов Метод определения модуля разгрузки Метод определения значения сопротивления R и давления расширения предварительно уплотненных грунтов Метод определения характеристик консолидации в условиях одномерной деформации при нагружении ступенями Метод определения характеристик консолидации в условиях одномерной деформации при непрерывном нагружении Метод определения характеристик при разгрузке или осадке связных грунтов Метод измерения потенциала разрушения грунтов Метод определения фильтрационных свойств сыпучих грунтов Метод измерения гидравлической проводимости водонасыщенных пористых материалов в приборе с гибкими и жесткими стенками Метод определения рН для торфа Метод определения рН для грунтов Метод определения рН грунтов для использования в коррозионных испытаниях Метод определения сульфатов Метод определения удельного сопротивления Метод определения содержания хлоридов Метод определения влажности, зольности и органических остатков в торфе и других органических грунтах Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов 40 3 - 4 D 1883 5 - Т 294 - - T 190 D 2844 T 216 D 2435 12248-96 - D 4186 - T 258 D 4546 - - D 5333 - T 215 D 2434 25584-83 - D 5084 - T 289 D 2976 D 4972 G 51 - T 290 T 288 - T 291 D 4230 D 1125, G57 D 512 T 194 В 2974 7302-73 10650-72 11306-83 12071-84 Èíôîðìàöèîííîå èçäàíèå Áîëäûðåâ Ãåííàäèé Ãðèãîðüåâè÷ Èäðèñîâ Èëüÿ Õàìèòîâè÷ ËÀÁÎÐÀÒÎÐÍÛÅ ÌÅÒÎÄÛ ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈß ÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÂÎÉÑÒ ÃÐÓÍÒΠÈíôîðìàöèîííîå ïîñîáèå Ðåäàêòîð В.М. Хлебушкин Верстка Н.А. Сазонова ________________________________ Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 7.03.08. Ôîðìàò 60×84/16. Áóìàãà îôñåòíàÿ. Ïå÷àòü íà ðèçîãðàôå. Óñë.ïå÷.ë. 2,325. Ó÷.-èçä.ë. 2,25. Òèðàæ 80 ýêç. Çàêàç ¹ 34. ___________________________________________________ Èçäàòåëüñòâî ÏÃÓÀÑ. Îòïå÷àòàíî â ïîëèãðàôè÷åñêîì öåíòðå ÏÃÓÀÑ. 440028, ã.Ïåíçà, óë. Ã.Òèòîâà, 28. 41
