Основании характеристик грунта и параметров. Методы определения свойств грунтов

Как определяют прочность?

Какие нагрузки выдерживает здание

Лабораторные испытания прочности грунта

Когда проводят исследование

Приборы для определения прочности

Прочность грунтов: характеристики

Что влияет на прочность грунта?

Прочность грунта определяет его способность удерживать строение в вертикальном положении. От прочностных характеристик зависит, насколько глубоким должен быть фундамент, насколько высоким может быть строение. Прочность грунтового основания обеспечивает вертикальное положение стен, отсутствие наклонов, трещин, просаживаний и других капитальных разрушений. Как определяются прочностные характеристики для грунтов? Какие приборы и методы используются для исследования качества грунтов перед капитальным строительством?

Для определения прочности любого материала его подвергают воздействию нагрузки и отслеживают наличие и размер деформаций после нагружения. В зависимости от деформационных свойств, материал может выдерживать определённую нагрузку без изменений размеров и формы или деформироваться под воздействием внешних сил.

Почва или грунт – это материалы, у которых есть определённая прочность и стойкость к деформациям. Плотная почва (глина) хорошо держит нагрузку и не деформируется. Сыпучий грунт (песок) нагрузки не выдерживает, сдвигается и вызывает разрушение стен строения. Кроме того, способность не деформироваться под нагрузкой зависит от состояния грунта (насыщенности водой, промерзания). Какие нагрузки должен выдерживать грунт под фундаментом здания?

Здание испытывают воздействие вертикальных нагрузок (давление атмосферы, снега, дождя) и горизонтальных нагрузок (давление ветра). Поэтому испытание на лабораторных приборах определяет способность образцов грунта выдерживать вертикальные и горизонтальные нагрузки. В ходе испытаний также определяется критическое значение, при котором образец грунта разрушается (сдвигается, получает значительную деформацию или рассыпается).

Среди прочностных характеристик грунтов наиболее важна стойкость к касательным (сдвигающим) деформациям (горизонтальным нагрузкам).

Для определения прочностных характеристик грунтов проводят лабораторные испытания грунтовых проб на специальных приборах. Способы и методы исследований определяются ГОСТом 12248-96.

Чаще испытание проводят на приборе, который прилагает усилие сдвига в одной плоскости. Такое исследование называют «методом одноплоскостного среза». Сначала к образцам грунта (не меньше 3-х) прикладывают горизонтальную сдвигающую нагрузку и наращивают её до разрушения образца. После, к трём другим образцам грунта прикладывают вертикальную нагрузку и также наращивают её до разрушения образца.

Медленное наращивание нагрузки увеличивается с шагом 0,1а (где «а» – атмосферное давление). Нагрузку наращивают до тех пор, пока образец не разрушится или пока его деформация (сдвиг) не превысит 5 мм.

Данные исследований заносят в график, где вдоль осей обозначают размер нагрузки (сдвигающего усилия) и величину сдвига. По данному графику определяют внутреннее трение грунта, удельное сопротивление срезу и его удельное сцепление.

Полученные показатели сравнивают с обозначенными допустимыми характеристиками грунтов, указанными в ГОСТе. После выносят рекомендации о возможности строительства здания на данном грунте.

Исследование прочностных характеристик грунтов проводится в ходе геолого-разведывательных работ перед строительством здания. Особенно это важно для высотных многоэтажных построек, которые имеют значительный вес и должны выдерживать большие ветровые нагрузки.

Забор грунта для испытаний на приборах называют монолитом. Его берут из шурфов – скважин, глубина которых равна глубине фундамента будущего дома. Пробу грунтов берут через каждые 1-2 м вдоль всей глубины шурфа. В качестве образцов для исследований берут пробы с неразрушенной внутренней структурой грунта (без перекапывания, рыхления и др.).

Испытания на приборах проводят на образцах в сухом и водонасыщенном (намокшем) состоянии, а также на предварительно уплотнённых образцах или без их предварительного уплотнения.

Геодезическая разведка. Так выглядит проба грунта

Для лабораторных исследований используются следующие приборы:

Устройство компрессионного сжатия ГТ1.1.4 – измеряет деформируемость, просадочность почвы.
Установки трёхосного сжатия ГТ0.3.10., ГТ0.3.13., ГТ0.3.14.
Установки для одноплоскостного среза ГТ0.2.1., ГТ1.2.9.
Установка предварительного уплотнения образцов ГТ1.2.5. и прибор для уплотнения ГТ1.4.1
Установки одноосного сжатия ГТ0.5.3., ГТ0.5.4
Установки сжатия и растяжения для исследования скальных грунтов ГТ0.6.3., ГТ0.6.4.
Установка одноплоскостного среза для мёрзлого грунта ГТ0.2.2.
Приспособления для подготовки образцов.

С помощью лабораторных исследований определяют прочностные характеристики грунта.

Деформационные свойства почвы измеряются следующими показателями:

Прочность грунта – способность сопротивляться внешнему воздействию – оценивается пределом прочности на одноосное сжатие (максимальной нагрузкой, которую грунт выдерживает без разрушения). Измеряется в МПа.
Угол трения – зависит от вида грунта, для песчаников равен 25-45 единиц, для пылеватых глин – от 7 до 30 единиц. Также показателем прочностных характеристик грунта является коэффициент внутреннего трения.
Удельное сцепление – сопротивление удельных связей внутри грунта перемещению его частиц. Измеряется в кПа или кгс/см 2 .
Модуль деформации Е (характеристика жёсткости грунта) – коэффициент зависимости деформации от напряжения.

Характеристики прочности грунта могут изменяться в зависимости от времени года, водонасыщения, температуры.

h of − h o

Что влияет на деформационные характеристики грунтов:

Гранулометрический состав грунта (размер его частиц). Чем мельче частицы, тем выше плотность и ниже деформационные свойства.
Пористость почвы (чем плотнее почва, тем выше её прочностные характеристики и ниже способность деформироваться под нагрузкой).
Влажность грунта (намокание грунта снижает характеристики прочности).
Колебания подземных вод (подъём их уровня снижает прочностные свойства грунта).

Работа геодезистов – начало строительства

Определение деформационных свойств грунтов требует профессиональных знаний и геологических расчетов.

Прочностные и деформационные характеристики грунтов обновлено: Февраль 26, 2018 автором: zoomfund

Механические свойства грунтов – это их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых и физических воздействий.

деформационные - способность грунта прочностные – способность грунта

сопротивляться развитию деформаций; сопротивляться разрушению;

На механические свойства оказывают влияние характер структурных связей частиц, гранулометрический и минеральный состав и влажность грунтов. Основными механическими свойствами грунтов считают: сжимаемость; сопротивление сдвигу; водопроницаемость.

Сжимаемость.

Способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок называют сжимаемостью, осадкой или деформацией. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности и минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой. Таким образом, сжимаемость зависит от многих факторов, основными из которых являются физический состав, вид структурных связей частиц и величина нагрузки.

По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения. При расчетах сжимаемости грунта основные деформационные характеристики определяют в лабораторных условиях согласно коэффициенту относительной сжимаемости, коэффициенту бокового давления и коэффициенту поперечного расширения.

Сопротивление сдвигу

Предельным сопротивлением сдвигу называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к сдвигу, т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления. В строительстве этот показатель важен при расчете оснований фундаментов и изготовлении земляных сооружений с откосами.

Сопротивление глинистых грунтов сдвигу t определяется уравнением Кулона:

Для песчаных грунтов, из-за отсутствия сил сцепления, сопротивление сдвигу приобретает вид:

Водопроницаемость

Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду под действием разности напоров и обуславливается физическим строением и составом грунта. При прочих равных условиях при физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. Нельзя недооценивать данный показатель, т.к. в строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований.

План лекции:

1. Общие положения.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой.

4. Упругие деформации.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов.

6. Механизм пластических деформаций.

7. Построение компрессионной кривой.

8. Показатели деформаций.

9. Консолидация грунтов.

10. Эффективное и нейтральное давление.

11. Методика определения деформационных свойств грунтов.

1. Общие положения

Механические свойства грунтов проявляются при воздействии на них внешних нагрузок.

Механические свойства подразделяются наследующие виды:

– деформационные;

– прочностные;

– реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. То есть не приводящими к разрушению грунта.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта.

Реологические свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками во времени.

Деформацией называется перемещение частиц тела под действием механических напряжений.

В нормативных документах употребляется термин деформация грунтов, при этом данные деформации не связанны с внешними нагрузками, например деформации набухания и т. д.

Поэтому термин деформационные свойства грунтов в практике следует различать по виду воздействия на грунт:

1. Деформации, связанные с воздействием природных условий на грунт.

2. Деформации, связанные с внешним нагружением грунта.

2. Деформационные свойства грунтов, обусловленные природными условиями

Деформация набухания оценивается через показатель εSW (относительная деформация набухания). Рассчитывается следующим образом (рисунок 7.1):

ε SW = h h

где h – первоначальная высота образца;

∆h – увеличение высоты образца при его замачивании.

Рисунок 7.1 – Схема расчета относительной деформации набухания

Природа наб ухания – набухание происходит за счет раздвижки молекулам водного раствора структурной решетки кристаллов.

Деформация просадочности оценивается через показатель εS (относительная деформация просадочности) которая рассчитывается следующим образом (рисунок 7.2):

Рисунок 7.2 – Схема расчета относительной деформации просадочности

Природа пр осадочности – при замачивании грунта разрушаются структурные связи и грунт без нагрузки может деформироваться.

Морозное пучение оценивается через показатель относительной деформации морозного пучения εfn , который определяется по формуле (рисунок 7.3):

где hof – высота мерзлого грунта;

ho – начальная высота грунта, до замерзания.

Рисунок 7.3 – Схема расчета относительной деформации морозного пучения грунтов

Природа мо розного пучения – при понижении температуры < 0 °С вода в порах грунта замерзает и расширяется, что вызывает деформацию грунта.

Вышеприведенные виды деформации грунтов связаны с природными факторами. Ниже рассмотрим деформации связанные с нагружением грунта.

3. Деформационные свойства грунтов, обусловленные внешней нагрузкой – общие положения

а). Понятие о напряжениях. б). Виды деформаций.

в). Связь между напряжением и деформацией.

а). Понятие о напряжениях

Для понимания данного материала рассмотрим понятия о напряжениях в грунтах.

Внешние нагрузки, передающиеся на грунт, представляют собой механические напряжения, которые являются мерой этих внешних сил (рисунок 7.4). Под механическим напряжением понимается сила, действующая на единицу площади грунта.

Рисунок 7.4 – Схема распределения внешних и внутренних сил, действующих в объеме грунта в точке М

Из рисунка 7.4 видно, что на любую точку в массиве грунта (М) воздействуют три силы (Р). Эти силы раскладываются на нормальные (σ ) и касательные (τ ) напряжения. Нормальные напряжения действуют по нормали к площадке, а касательные – вдоль нее (рисунок 7.5).



τ yz	τ xz
τ yz			τ zx
		τ yx
τ zy



	τ yx

Рисунок 7.5 – Компоненты касательных (τ ij ) и нормальных (σ i ) напряжений

Совокупность всех напряжений для всех площадок, проходящих через точку М, характеризует напряженное состояние в точке. Оно определяется тензором напряжений (Тσ ), компонентами которого являются три нормальных (σ х , σ у , σ z ) и шесть касательных (τ ху = τ ух , τ yz = τ zy , τ zx = τ xz ) напряжений.

б). Виды деформаций

По виду прилагаемой нагрузки на грунт выделяются следующие виды деформаций:

– линейные;

– касательные;

– объемные.

Линейные деформации обусловлены нормальными напряжениями (σ ). Ме-

рой линейных деформаций является относительная линейная деформация (e ), которая определяется по формуле:

e = h h0

∆h

где h 0 – первоначальная высота образца; h – высота образца при его нагружении;

∆h – прирощение (уменьшение) длины образца при его нагружении.

Касательные деформации обусловлены касательными напряжениями (τ ). Мерой касательных деформаций является относительная деформация сдвига (γ ), которая определяется по формуле:

γ =



l h 0 o

где h o – первоначальная высота образца;

s – величина сдвига под воздействием касательных напряжений.

Объемные деформации обусловлены всесторонней нагрузкой на тело. Мерой объемных деформаций является относительная объемная деформация (e v ), которая определяется по формуле:

e v = V V

где V – первоначальный объем тела;

V1 – объем тела, полученный при нагружении;

V – абсолютное изменение объема при нагружении.

V = V V − V1

в). Связь между напряжениями и деформациями грунта

Одним из главных вопросов в грунтоведении (механике грунтов) является установление связи между напряжениями и деформациями в грунтах.

В общем случае эта связь нелинейная и зависит от многих факторов. Все факторы учесть невозможно, поэтому до настоящего времени нет уравнения, описывающего эти взаимодействия.

В грунтоведении (механике грунтов) используют уравнения Гука.

Закон Гука записывается следующим образом:

– длялинейных деформаций σ = Е·e , гдеЕ– модуль Юнга(модуль упругости);

– для касательных деформаций τ = γ·G , где G – модуль упругости сдвига;

– для объемных деформаций σ v = K·e V , где К – модуль объемной упругости.

В практике при прогнозе устойчивости инженерных сооружений наибольшее распространение получили линейные деформации e . Касательные и объемные используются при решении частных задач. Поэтому ниже остановимся на линейных деформациях.

Линейные деформации

При приложении к грунту внешней нагрузки в нем первоначально возникают упругие деформации, затем пластические и разрушающие (рисунок 7.6).

еу

e n е р

Рисунок 7.6 – Схема формирования упругих (1), пластических (2) и разрушающих (3) деформаций

4. Упругие деформации

Под упругими (объемными) деформациями грунта понимаются деформа-

ции, которые восстанавливаются при устранении (снятии) сил, их вызывающих (рисунок 7.7).

а) Механизм упругого деформирования следующий: при нагружении грунта в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения вызывают изменение расстояния между атомами кристаллической решетки. Снятие нагрузки устраняет причину, вызванную изменением межатомного расстояния, атомы становятся на прежнее место и деформация исчезает.

Если нормальные напряжения достигают значений сил межатомных связей (величины структурных связей в грунте), то происходит хрупкое разрушение грунта путем отрыва.

Структура

Рисунок 7.7 – Схема формирования упругих деформаций на уровне: 1 – кристалла; 2 – структурной связи; 3 – грунта

Графическая зависимость напряжения и деформаций грунта приведена на рисунок 7.8.

	е обр.

Рисунок 7.8 – Зависимость напряжений и деформаций грунта при нагрузке ОА и разгрузке АО

Из рисунка 7.8 видно, что при нагружении грунт деформируется на отрезке ОА по линейной зависимости. При разгрузке грунт полностью восстанавливает свою форму, о чем свидетельствует ветвь разгрузки АО, которая повторяет ветвь нагрузки ОА.

Отсюда деформация е обр. – есть упругая часть общей деформации.

б) Мерой упругих деформаций является модуль упругости (модуль Юнга), который определяется по зависимости (рисунок 7.9):

E = σ

e обр.

где σ – напряжение; е прод. – относительная деформация грунта.

e прод .

Рисунок 7.9 – Схема определения модуля Юнга

Мерой поперечных деформаций является коэффициент Пуассона, который определяется по формуле:

μ = e попер.

где e попер – относительные поперечные деформации.

e попер. = d d

e прод – относительные продольные деформации.

e прод. = h h

в) Методика определения упругих свойств пород включает в себя:

– изготовление образца в виде цилиндра с соотношением высоты (h ) к диаметру (d ) равным 2 ÷ 4;

– нагружение образца через пресс;

– измерение продольных и поперечных деформаций при каждой ступени нагружения;

– расчет показателей.

5. Факторы, определяющие упругие свойства грунтов

К основным факторам, определяющим упругие свойства пород, можно отнести:

– трещиноватость (пористость);

– структурные связи;

– минеральный состав.

Упругие деформации в значительной мере проявляются у скальных грунтов, в дисперсных они имеют подчиненное значение. Поэтому рассмотрим факторы, влияющие на упругие свойства грунтов, по группам.

Скальные грунты

У большинства скальных грунтов область упругости сохраняется до напряжений, составляющих 70–75 % от разрушающих.

Трещиноватость (пористость)

Влияние трещиноватости и пористости на упругие свойства грунтов значительно. На рисунке 7.10 приведены зависимость модуля упругости от пористости.

Рисунок 7.10 – Зависимость модуля упругости (Е) грунтов разного состава от пористости (n):

1 – мигматиты и гранитоиды;

2 – граниты;

3 – габбро и диабазы;

4 – лабрадориты;

5 – железистые кварциты;

6 – кварциты и песчаники;

7 – карбонатные грунты;

8, 9, 10 – основные, средние и кислые эффузивы; 11 – туфы и туфобречкии.

Из рисунка 7.10 видно, что с увеличением пористости от 1 до 20 % модуль упругости уменьшается в 8 раз. Подобная же закономерность характерна и для трещиноватых грунтов (рисунок 7.11). С увеличением трещиноватости модуль упругости Е уменьшается в 3 раза.

Рисунок 7.11 – Зависимость динамического модуля упругости (ЕD ) грунтов от степени тектонической нарушенности:

I – слаботрещиноватые;

II – среднетрещиноватые;

III – сильнотрещиноватые;

1 – габбро-долериты;

2 – базальты порфировые;

3 – известняки, доломиты, мергели;

4 – песчаники, алевролиты и аргиллиты;

5 – пирротин-халькопиритовые руды.

Минеральный состав

На упругие параметры влияет довольно сильно. При прочих равных условиях упругие константы грунта будут тем выше, чем выше эти константы у породообразующих минералов.

Структурные связи

Являются определяющим, после трещиноватости, фактором, влияющим на упругие свойства грунтов. Так, в магматических грунтах , где цементом является материнская порода магмы, модуль упругости изменится от Е = 40÷ 160 ГПа. В метаморфических , где цементом является перекристаллизационная материнская порода, значения модуля упругости ниже – Е = 40÷120 ГПа. В осадочных породах , где цементом являются соли, выпавшие из инфильтрационных растворов, значение модуля минимальное – Е = 0,5÷ 80 ГПа (рисунок 7.12).

Рисунок 7.12 – Взаимосвязь между материалом жестких структурных связей

и модулем упругостей скальных грунтов

У дисперсных грунтов модуль упругости определяется, в основном, типом структурных связей (рисунок 7.13). Так, в твердых глинах, с жесткими структур-

ными связями, Е = 100÷ 7600 МПа, в текучепластичных, где связи практически нет, модуль составляет Е = 2,7÷ 60 МПа, т. е. Е уменьшается в 30÷ 100 раз.

твердая (жесткая) текучепластичная (водно-калоидная)

Рисунок 7.13 – Взаимосвязь между типами структурных связей и модулем упругости для глины

Численные значения некоторых скальных и полускальных грунтов приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Значения характеристик упругих свойств скальных и полускальных горных пород

	Модуль упругости,	Коэффициент поперечной
	103 МПа (Юнга)	деформации (Пуассона)




Известняк слабый

Песчаник плотный
Песчаник слабый

1 мПА – 10 кгс/см2

6. Механизм пластических деформаций

Под пластическими деформациями понимаются деформации, которые не восстанавливаются при устранении (снятии) сил, вызывающих их (рисунок 7.14).

В классическом виде пластические деформации в упругих телах образуются следующим образом: при нагружении материала в нем возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием касательных напряжений одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки эти перемещения остаются, т. е. происходит пластическая деформация (см. рисунок 7.14). Нормальные напряжения формируют упругие деформации.

Рисунок 7.14 – Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений:

а – ненапряженная решетка;

б – упругая деформация;

в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация;

д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Под упругим телом понимается материал, в котором отсутствуют поры и трещины. В грунтах всегда есть поры и трещины. Поэтому механизм формирования пластических деформаций несколько отличается от классического.

При нагружении грунтов, особенно дисперсных, высокопористых, в них возникают нормальные и касательные напряжения. Под действием нормальных напряжений первоначально формируются упругие деформации (незначительные), затем за счет уменьшения пор в грунте происходит перемещение частиц грунта относительно друг друга. Эти перемещения под действием нормальных напряжений заканчиваются при заполнении порового пространства грунтовыми частицами. После чего, по классической схеме, в работу вступают касательные напряжения, которые и формируют классическую часть пластических деформаций.

	σ уплот.

	∆h1	∆h2
		∆h2


Рисунок 7.15 – Схема формирования пластических деформаций в грунтах:
а – первоначальное состояние грунта;
б – грунт под действием нормальных напряжений
	уплотнился (сжался) (σ уплот. )
в – грунт (частицы) под действием касательных напряжений
	сдвинулся (сдвинулись).
Отсюда полная (общая) относительная деформация грунта:

е полн. = е общ. =			h 1 + h 2

e сж. =			e с .п . =
e сж. =			e с .п . =

Таким образом, в грунтах пластические деформации (е п . ) фактически складываются из деформаций сжатия (е сж. ) и собственно пластических е с.п . , т. е.

е п.=е сж. + е с.п. = е общая

При этом доля собственно пластических деформаций в составе общих незначительна. Поэтому в практике геологи работают с деформацией сжатия, которую называем сжимаемостью.

Под сжимаемостью понимается способность грунтов уменьшаться в объеме (давать осадку) под воздействием внешнего давления (нормальных напряжений).

7. Построение компрессионной кривой

Показатели сжимаемости определяются в лаборатории в условиях одномер-

ной (линейной) задачи. Такой вид испытаний грунта, без возможности бокового расширения, называется компрессией, а прибор – одометром (рисунок 7.16).

Рисунок 7.16 – Схема компрессионного прибора (одометра) 1 – одометр, 2 – грунт, 3 – поршень, P – нагрузка

При нагружении грунта в компрессионном приборе, диаметр образца не меняется. Поэтому относительная вертикальная деформация грунта равна относительному изменению объема, т. е.

где h 0 – первоначальная высота образца грунта;

h – изменение высоты образца под давлением; V 0 – первоначальный объем образца грунта;

V – изменение объема образца под давлением.

Так как уплотнение грунта происходит, главным образом, вследствие уменьшения объема пор, то деформацию сжатия грунта выражают через изменение величины коэффициента пористости (рисунок 7.17).

V = V0 − V1

h = h0

− h

V n = ε 0 V c

Во да

=ε 1 V c

Вод а

V 0 = V c (1 + ε 0 )

V c (1+ ε 1 )

Рисунок 7.17 – Изменение объема пор в грунте при компрессии:

а – первоначальное состояние;

б – после компрессии;

Vn – объем пор;

Vс – объем скелета грунта;

ε0 , ε1 – коэффициенты пористости начальный и после компрессии; h0 – первоначальная высота образца;

h – высота образца после компрессии;

h – изменение высоты образца под давлением.

Напомним, что коэффициент пористости – это показатель, характеризующий отношения объема пор (V n ) к объему минеральной части грунта (V с ).

По этой же схеме рассчитывается объем образца при нагружении (V1 ):

V 1 = V c (1 + ε 1 )

Подставив в выражение (1) значение объемов образцов до опыта и после опыта (4) и (5), получим:

Из формулы (6) получим выражение для коэффициента пористости грунта, соответствующего данной ступени нагрузки (ε p ):

давлении P , ε 0 – коэффициент пористости начальной.

Зная коэффициенты пористости (или относительные деформации) грунта при соответствующих ступенях нагрузки, можно построить компрессионную кривую (рисунок 7.18).

ε = ρ s − ρ d

ρ d

где ρ s – плотность частиц;

ρ d – плотность сухого грунта.

ε 1 A

				P, кгс/см2

Рисунок 7.18 – Компрессионная кривая, построенная по данным коэффициента пористости и нагрузке

8. Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов

Компрессионную сжимаемость грунтов можно характеризовать разными показателями: коэффициентом сжимаемости (a ), модулем осадки (e p ) и модулем общей деформации (E 0 ).

Коэффициент сжимаемости (компрессии) (a) определяется следующим образом. Для небольших диапазонов давлений (1–3 ктс/см 2 ) компрессионную кривую между точками А и В заменяем прямой, тогда:

где ε и P – интервалы измерений ε и P .

Как видно из уравнения, коэффициент компрессии характеризует уменьшение пористости при повышении давления на единицу.

Модуль общей деформации (E 0 ) характеризует также уменьшение пористости при нагружении грунта и определяется:

E 0 = β 1 + a ε 0 ,

где ε 0 – первоначальный коэффициент пористости; a – коэффициент сжимаемости;

β – коэффициент, зависящий от поперечного расширения грунта

и приблизительно равный для песков – 0,8; для супесей – 0,7; для суглинков – 0,5 и для глин – 0,4.

Модуль общей деформации можно получить, используя закон Гука:

E = σ e

Для этого строится компрессионная кривая по данным относительной деформации (e ) и нагрузки (напряжении) (рисунок 7.19).

e = h h

e 1 e 2

Рисунок 7.19 – Компрессионная кривая, построенная

по данным относительной вертикальной деформации (e) и нагрузки

Расчет E 0 , проводится по зависимости

E 0 =	P 2 − P 1

	e 1 − e 2

В таблице 7.1 приведены некоторые значения E общ. модуля общей деформации.

Таблица 7.1 – Модуль общей деформации различных типов горных пород по результатам полевых опытных испытаний

		Модуль деформации
		103 МПа	ктс/см2 *
	Красноярская ГЭС
Граниты среднетрещиноватые
Граниты сильнотрещиноватые
Граниты зоны выветривания	Днепродзержинская ГЭС
	Кабрил, Португалия
	Канисада, Португалия
	Каштелу-ду-Боди, Португалия
Граниты крупнозернистые	Саламонди, Португалия

	Братская ГЭС
Диабазы зоны выветривания
	Арджеш-Корбень, Румыния
Песчаники ордовикские	Братская ГЭС
Известняки верхнемеловые	Чиркейская ГЭС
Известняки битуминозные,	Кассеб, Тунис
среднепалеогеновые	Кассеб, Тунис
среднепалеогеновые
Порфириты девонские	Талоресская ГЭС
Базальты	Булл-Ран, США
Туфолавы четвертичные	Зеландия
Глины мергелистые татарского яруса	Горьковская ГЭС

* – 1 МПа – 10 ктс/см2

Модуль осадки (сжимаемости)

В практике расчетов часто в качестве меры сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации:

e p = 1000 h h мм / м .

Величина e p называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки P .

h – уменьшение высоты образца при давлении P , мм . h 0 – начальная высота образца, мм .

На основании определений модуля осадки строится кривая зависимости модуля осадки от давления (рисунок 7.20), которая позволяет быстро находить величину осадки толщи грунта с мощностью 1 м при том или ином давлении.

Модуль осадки ep в мм/м

	ep = f (Pn )

Вертикальное давление Pn , в кГ/см2

Рисунок 7.20 – Кривая зависимости модуля осадки от давления

9. Консолидация грунтов

Уплотнение глинистого водонасыщенного грунта во времени под постоянной нагрузкой называется консолидацией. Знание процесса консолида-

ции глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.

Механизм консолидации

В общем случае при приложении внешней нагрузки к водонасыщенному грунту первоначально возникает мгновенное сжатие, обусловленное упругими деформациями поровой воды и скелета грунта, затем начинается процесс фильтрационной (первичной) консолидации, обусловленный выжиманием воды из пор грунта, по завершении которого идет процесс вторичной консолидации грунта, определяемый медленным смещением частиц относительно друг друга в условиях незначительного отжатия воды из пор грунта (рисунок 7.21).

Рисунок 7.22 – Общий вид кривой консолидации водонасыщенного глинистого грунта (σ z = const):

0-1 – мгновенное сжатие; 1-2 – фильтрационная (первичная) консолидация; 2-3 – вторичная консолидация.

На рисунке 7.22 приведен общий вид консолидации водонасыщенного глинистого грунта при σ = const.

Одним из параметров консолидации грунтов является коэффициент консолидации (Сv ), характеризующий скорость процесса уплотнения, определяемого по формуле:

с v = K ф (1+ е ) / aρ в

где Кф – коэффициент фильтрации;

е – коэффициент пористости;

а – коэффициент сжимаемости;

ρ в – плотность воды; сv измеряется в см2 /с.

Высокая скорость консолидации (большие значения сv – порядка 10-2 …10-3 см2 /с) характерна для грубодисперсных (крупно- и мелкообломочных) грунтов. Пески уплотняются намного быстрее, чем глины, так как обладают большими коэффициентами фильтрации. Консолидация высокодисперсных грунтов идет наиболее медленно (низкие значения сv ≈ 10-5 …10-6 см2 /с), так как глины обладают малыми коэффициентами фильтрации, отжатие связанной воды в них происходит медленно и с трудом, обуславливая так называемые длительные или «вековые» осадки сооружений (рисунок 7.23). Продолжительность таких осадок может составлять несколько лет.

Рисунок 7.23 – Длительная осадка толщи илов в основании Каховской ГЭС

1-6 – илы в разных частях плотины

10. Понятие об эффективном и нейтральном давлениях

При прогнозе осадок грунтового массива величина внешнего давления является одним из важнейших параметров.

В процессе уплотнения водонасыщения глинистых грунтов не вся внешняя нагрузка передается на скелет грунта, а только ее часть, которая называется эффективным давлением (Pz ).

Вторая часть нагрузок (Pw ) направлена на отжатие из грунта воды, которая называется нейтральным или поровым давлением. Отсюда общее давление:

P = Pz + Pw

Понятие об эффективном и нейтральном давлениях распространяют и на любые нормальные напряжения, действующие в водонасыщенных грунтах. В общем случае можно написать:

σ = σ + и

σ = σ − и

т. е. эффективное напряжение σ в любой точке водонасыщенного грунта равно разности между полным σ и нейтральным и напряжениями.

11. Методика определения

Для изучения сжимаемости грунтов в настоящее время пользуются прибором типа прибора Терцаги (рисунок 7.24), с жесткими металлическими стенками, препятствующими боковому расширению образца при сжатии его вертикальной нагрузкой. Это так называемые одометры.

Рисунок 7.24 – Кольца Терцаги

Изучение сопротивления грунтов сжатию производится в условиях, близких к условиям работы грунта в результате возведения сооружения.

Нагрузка на прибор для передачи давления на образец осуществляется ступенями. Первая нагрузка при стандартных испытаниях образцов с ненарушенной структурой должна быть равна природной, т. е. весу толщи пород, залегающих выше места отбора образца.

Природное давление однородной толщи, залегающей выше уровня грунтовых вод, подсчитывается по формуле:

ρ ир . = 0,1 Н кГ / см2 .

Максимальная нагрузка для грунтов с ненарушенной структурой должна быть на 1–2 кГ/см2 больше суммы проектной нагрузки от сооружения и давления вышележащей толщи пород.

Каждую сообщаемую образцу грунта ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации. За условную стабилизацию деформации принимают величину сжатия, не превышающую 0,01 мм за время:

– 30 мин. – для песчаных грунтов;

– 3 часа – для супесей;

– 12 часов – для суглинков и глин.

Осадка образца в процессе испытания определяется с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм, располагаемого на приборе.

Таким образом, деформационные свойства грунтов в целом можно характеризовать модулем деформации.

Прочностью грунтов называется их способность сопротивляться разрушению. В общем случае разрушение грунта может быть вызвано силами разной природы (механическими, термическими, электрическими и др.), поэтому выделяют соответствующие типы прочности грунтов по природе разрушающих воздействий. В инженерно-геологических целях в первую очередь важно знать механическую прочность грунтов, т. е. их способность сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Если деформационные характеристики грунтов определяются при напряжениях, не приводящих к разрушению (т. е. докритических), то параметры прочности грунтов соответствуют критическим разрушающим напряжениям и определяются при предельных нагрузках, вызывающих либо разделение тела на части (для упругих грунтов), либо необратимое изменение формы тела в результате деформации пластического течения (для пластичных грунтов).

Физическая природа прочности грунтов определяется силами взаимодействия между их структурными элементами - кристаллами, зернами, обломками, агрегатами, частицами, т. е. зависит от типа и особенностей структурных связей. Чем больше силы взаимодействия между структурными элементами грунта, тем выше его прочность в целом. Поэтому скальные грунты, среди которых преобладают прочные химические (кристаллизационные и цементационные) структурные связи, имеют большую прочность, чем дисперсные грунты со слабыми физическими и физико-химическими структурными связями.

Поскольку на испытываемый образец грунта могут действовать разные напряжения (нормальные, касательные, объемные или их совокупности), то в качестве меры его прочности могут быть выбраны разные виды критических напряжений или их соотношения, именно такие меры являются параметрами прочности.

К настоящему времени известно более двух десятков условий прочности, разработанных для описания поведения глинистых и песчаных грунтов. Согласно классификации, предложенной W.-F. Chen, все напряженные состояния грунтов можно подразделить на одно- и двупараметрические модели. К однопараметрическим моделям относятся условия прочности Треска, Мизеса, Lade, Duncan. К двупараметрическим моделям относятся условия, предложенные Мором-Кулоном, Drucker-Prager, Р. Lade, М.В. Малышевым и др. После публикации W.-F. Chen прошло много лет (1984 г.), и за это время были предложены условия прочности или модели грунта, которые можно назвать многопараметрическими. В наиболее сложные из них входят до 6 независимых параметров, определяемых из очень сложных и дорогостоящих опытов. Несмотря на многообразие условий прочности, на практике применяются лишь несколько из них. Это в первую очередь условие прочности Мора-Кулона, Кэп-модели и многоповерхностные модели (Prevost, 1977, 1985; Dafalias, 1985). Последние две фуппы моделей грунта более сложные и не позволяют получать решения в аналитическом виде, поэтому они используются в нелинейной механике и численном решении задач .

При оценке прочности грунтов чаще всего используют теорию предельного состояния, согласно которой определяют те или иные параметры критических (предельных) значений напряжений, которые может выдержать образец грунта без разрушения. Пределами прочности называются такие пределы, при превышении которых происходит разрушение грунта и он не воспринимает прикладываемых к нему усилий. Критические значения па- раметров соответствуют разным типам напряженного состояния грунта, в которых он может находиться и которые могут харакгеризоваться величинами главных напряжений σ1, σ2 и σ3 , причем σ1, σ2 и σ3 в качестве таковых состояний чаще всего рассматриваются (рис. 8.27):

плоскостной сдвиг (σ1 > 0, г > 0, рис. 8.27, а);
одноосное растяжение σ1 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, б);
одноосное сжатие (когда σ1 > 0, σ2 = σ3 = 0, рис. 8.27, в)
трехосное сжатие (σ2 = σ3 ≠ σ1> 0, рис. 8.27 (г, д , е).

Рис. 8.27. Схемы опытов: па сдвиг (а): на одноосное растяжение (б); на одноосное сжатие (в): на трехостное сжатие: на определение недренированной прочности грунтов (г): дренированной прочности песчаных (д) и глинистых (е) грунтов

Прочностные характеристики дисперсных грунтов (угол внутреннего трения <р и удельное сцепление с) могут быть получены путем испытания грунтов лабораторными методами: на срез или трехосное сжатие, растяжение, но углу естественного откоса, вдавливанием штампа с шаровой или конусообразной поверхностью, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. Параметры прочностных свойств и лабораторные методы их определения, регламентируемые действующими нормативными документами, приведены в табл. 8.30.

Для водонасыщенных глинистых грунтов с показателем текучести //,>0,5, органоминеральных и органических грунтов, для которых подготовка целиков для полевых испытаний или отбор образцов для лабораторных испытаний затруднительны, прочностные характеристики (с„) для расчета оснований из этих грунтов в нестабилизированном состоянии могут быть определены полевым методом вращательного среза в скважинах или массиве.

Значения (рис песков и глинистых грунтов для сооружений II и III уровней ответственности могут быть определены полевыми методами поступательного и кольцевого среза в скважинах. При этом для сооружений 11 уровня ответственности полученные значения <р и с должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах.

Значения (р и с песков и глинистых грунтов могут быть определены методом статического зондирования . а песков (кроме пылеватых водонасыщенных) - методом динамического зондирования. Для сооружений I и II уровней ответственности полученные зондированием значения (рис должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта лабораторными методами на срез или трехосное сжатие, а в полевых условиях - испытаниями на срез целиков грунта в шурфах или котлованах. В остальных случаях допускается определять значения (рис только по данным зондирования [ 114).

Испытания вращательным срезом крыльчаткой следует проводить для оценки максимальных значений сопротивления сдвигу с и органо-минеральных и органических грунтов и глинистых грунтов мягкопластичной, текучей консистенции в недренированных условиях. Методику испытаний и интерпретацию полученных результатов следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20276-99 (или ASTM D2573, NEN 5106 при выполнении изысканий совместно с иностранными инвесторами или по их техническому заданию).

Определение прочностных характеристик грунтов в лабораторных условиях следует производить методом трехосного сжатия (ГОСТ 12248), а их результаты использовать для корректировки данных испытаний одноплоскостного среза . Другие виды напряженных состояний могут быть реализованы в приборах прямого и кольцевого сдвига (рис. 8.28, я), в установках с перекашиванием образца (рис. 8.28, б), при помощи лабораторных сдвигомеров-крыльчаток (рис. 8.28, в) и при испытаниях сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (рис. 8.28, г, д). Образцы грунта могут иметь форму: куба, параллелепипеда, сплошного или полого цилиндра, сплошной или полой катушки.

Таблица 8.30

Методы определения прочностных характеристик немерзлых грунтов

Окончание табл. 8.30

Рис. 8.28. Схемы и фотографии приборов:

а - кольцевого сдвига: б - прямого сдвига с перекашиванием образца; в - лабораторный вариант крыльчатки и полевой тестер-крыльчатка; г, д - схемы испытаний сплошных и полых цилиндрических образцов на кручение (81. 92]

Приборы кольцевого сдвига применяются для определения прочности грунтов как при малых, так и при больших сдвиговых деформациях (в сотни процентов). У большинства грунтов наблюдается уменьшение прочности с ростом деформации сдвига после достижения пикового состояния. Этот процесс можно зафиксировать в приборе кольцевого сдвига, а также с помощью прибора прямого среза при кинематическом нагружении образца. В приборе кольцевого сдвига (рис. 8.29), кроме значений максимального и предельного угла внутреннего трения, замеряется параметр остаточной прочности (р г, применяемый при расчетах устойчивости склонов, откосов котлованов, подпорных стен и при моделировании оползневых процессов или движения грунтов в зоне сброса по уже сформировавшейся плоскости скольжения. Главное преимущество испытаний на кольцевой сдвиг заключается в деформации сдвига с постоянной площадью образца в течение всего опыта, а также возможность выполнять испытания грунтов при деформации сдвига более 10...30 %, чего не позволяют приборы прямого среза или простого сдвига. Кроме того, в условиях кольцевого среза не меняется ориентация частиц в послепиковом состоянии, что характеризуется почти нулевым сцеплением и минимальным трением.

При испытаниях в приборе кольцевого сдвига грунт находится в двух кольцах (верхнее или нижнее), одно из которых вращается, а другое (верхнее или нижнее) лежит неподвижно. Опыт проводится при постоянном нормальном давлении, которое определяется по зависимости:

где Р - нагрузка от веса грузов, штампа и штанги; г 0 и г, - соответственно внутренний и наружный радиусы кольцевого штампа.

Касательное напряжение рассчитывается по величине крутящего момента М

Рис. 8.29. Срезные приборы, определяющие прямые и остаточные напряжения: а - схемы опыта с кольцевыми приборами; о - схема кольцевого прибора; в - фотография прибора кольцевого сдвига (производитель Wykeham Farrance)

Метод кольцевого сдвига дает возможность воссоздавать в лаборатории условия, аналогичные естественным, и получать очень точные значения остаточного сопротивления, которые зависят не только от величины нормального давления в плоскости сдвига, но и от скорости сдвига. Обычно при смещении склонов наблюдается скорость движения грунтовых масс от 5 см/год до 50 см/сут.

Устройства простого сдвига с перекашиванием образца (рис. 8.28, б) позволяют моделировать различные условия действия сдвигающих нагрузок. Результаты применяются при расчете устойчивости подводных склонов континентальных шельфов, характеризуемых слоистым залеганием глинистых грунтов; при прогнозе поведения грунтов под фундаментом морских платформ или рядом с боковой поверхностью свай. Установка предназначена для уплотнения образца дренирования и затем сдвига. Деформация сдвига вызывается горизонтальным смещением нижней части образца относительно верхней, кольца скользят друг по другу и при этом диаметр образца остается постоянным, поэтому любые изменения объема являются результатом вертикального движения верхнего прижимного устройства. На этапе сдвига во время испытания вертикальная высота образца поддерживается постоянной с помощью вертикального привода, соединенного обратной связью с датчиком смешения. Образцы грунта могут быть в форме цилиндра, прямоугольника или куба.

Преимущества данного прибора заключается в том, что если в условиях прямого среза разрушение образца грунта происходит вдоль заранее фиксированной горизонтальной плоскости, то в условиях простого сдвига разрушение будет проходить вдоль серии горизонтальных (или вертикальных) плоскостей сдвига по ослабленным участкам грунта с наименьшим сопротивлением. В отличие от испытаний на прямой срез (когда практически невозможно выдержать недренированные условия), при опытах в приборах прямого сдвига образец находится в резиновой оболочке, что позволяет проводить дренированные и недренированные испытания, сохраняя объем грунта, а также измерять поровое давление. Испытания в условиях простого сдвига позволяют определить не только параметры прочности, но и модуль сдвига G.

Испытания на прямой одноплоскостной или кольцевой сдвиг проводятся в основном для таких условий устойчивости грунтов, когда возникают явные плоскости разрыва или когда прочностные характеристики определяются на поверхности контакта іруит- фундамент. Результаты этих испытаний хорошо совпадают. Напряжения в условиях кольцевого сдвига более однородны, при этом испытании легче получить большие деформации сдвига и определить остаточную прочность грунта, чем в приборе прямого сдвига. Подготовка образца для испытаний в условиях прямого сдвига менее трудоемка по сравнению с кольцевым сдвигом.

Сравнение результатов испытаний в условиях простого сдвига с результатами испытаний в условиях трехосного сжатия или прямого среза свидетельствует о том, что в условиях простого сдвига максимальная прочность получается ниже, а разница в значениях остаточной прочности менее существенна. Учитывая эти различия, рекомендуется принимать значения пиковой прочности при срезе с понижающими коэффициентами 0,77-0,85 .

Для полевых исследований прочности слабых грунтов (торфов, илов, текучих и текучепластичных глинистых грунтов) применяется сдвигомер-крыльчатка. Аналогичный миниприбор используется и в лабораторных условиях. Крыльчатка представляет собой две одинаковые прямоугольные взаимно перпендикулярные пластинки, насаженные на вертикальную ось (рис. 8.28, в ), к которой прикладывается крутящий момент и измеряется его предельная величина, используемая для расчета сопротивления недренированному сдвигу с и.

В установках, действующих по схемам торсионного сдвига (рис. 8.28, г) и кручения пустотелого цилиндра (рис. 8.28, <)), образцы фиксируются в основании, и вращение производится вокруг вертикальной оси в верхней части образца. Изначально для этих схем испытаний применялись стабилометры кручения, в 1957 г. W. Kirpatric предложил использовать полые цилиндры грунта, что позволило приводить во вращение верхний нагрузочный штамп, а также создавать давление внутри и с внешней стороны образца. За рубежом приборы для испытаний получили название НСА (Hollow Cylinder Apparatys). При испытании полых цилиндрических образцов (рис. 8.30, в) моделируется истинное трехосное сжатие с вращением направлений осей главных напряжений (рис. 8.30, а). В результате создается широкий диапазон возможных вариантов сложного напряженного состояния в образце грунта, что особенно важно для грунтов анизотропных: можно изменять вертикальное (

Рис. 8.30. Испытания полых цилиндрических образцов: а - максимальные и минимальные напряжения в грунтах основания: б - прибор НСА (производитель Wykeham Farrance); в устройства для подготовки образцов; г - образец грунта перед установкой в камеру трехосного сжатия

Как уже отмечалось, при проведении испытаний грунтов необходимо выбрать условия, которые наиболее полно соответствуют реальным условиям работы грунта в основании будущего сооружения. К основным внешним факторам, влияющим на прочность грунтов, относятся: вид напряженного состояния, условия проведения испытаний (закрытая или открытая система, влияние порового давления и т. п.), скорость нагружения, характер нагружения образца (статическое или динамическое) и др.

Влияние вида напряженного состояния в условиях чистого сдвига, одноосного растяжения и сжатия, а также трехосного сжатия (схемы опытов приведены на рис. 8.27) на прочность грунтов можно проанализировать с помощью кругов Мора паспорта прочности грунта (рис. 8.31). Паспортом прочности грунта является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Предельный круг Мора соответствует предельному напряженному состоянию, достигаемому

при данном соотношении наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений, и имеет радиус R = /2с координатами центра ( / 2; 0). Для построения паспорта прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении по совокупности парных значений o c v = ffmax и оъ = <7 П ип (полученных при объемном сжатии не менее чем при трех различных значениях бокового давления <7з) в координатах строят полуокружности радиусами /2 с координатами центров / 2; 0) К семейству полуокружностей добавляют полуокружности радиусами (т р /2и<т с /2с координатами центров (-я р / 2; 0) и (я с / 2; 0), где <т р - предел прочности при одноосном растяжении; я с - предел прочности при одноосном сжатии.

Рис. 8.31. Паспорт прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии, одноосном сжатии и растяжении

Из диаграмм (рис. 8.31) следует, что один и гот же грунт, в зависимости от вида напряженного состояния, будет иметь различные величины предельных параметров прочности, наименьшее значение характерно для условий простого одноосного растяжения (разрыва), наибольшее - для условий объемного сжатия.

Характеристики прочности грунтов зависят от скорости нагружения образца , параметры сопротивления скальных и связных грунтов сдвигу (угол внутреннего трения (р и сцепление с) различны для одного и того же грунта, испытываемого в условиях быстрого или медленного сдвига. С уменьшением скорости нагружения (увеличением длительности испытания) величина удельного сцепления закономерно снижается, а угол внутреннего трения возрастает. С целью идентификации вида напряженного состояния, при котором касательные напряжения достигают предела прочности, применяют такие термины, как кратковременная и длительная устойчивость.

Кратковременная устойчивость предполагает возникновение ряда условий в массиве слабых водонасыщенных глинистых грунтов с низкой проницаемостью, как в ходе строительства, так и при эксплуатации сооружения. Эти условия включают быстрые темпы нагружения основания, отсутствие возможности дренирования, возникновение избыточного порового давления. В этом случае прочность глинистых грунтов оценивается в условиях недренироваиного нагружения.

Длительная устойчивость оценивается в условиях возможности дренирования и частичной (или полной) консолидации грунта с рассеиванием порового давления и стабилизацией деформаций. Эти условия возникают мгновенно при строительстве на крупно- обломочных и песчаных грунтах, в глинистых грунтах стабилизация деформаций продолжается более длительное время. При возникновении данных условий прочность грунта оценивается в условиях дренированного нагружения.

В некоторых случаях необходимо определять и кратковременную, и длительную устойчивость основания. Например, в течение строительства насыпи в водонасыщенных грунтах основания дренирование будет практически отсутствовать, а после ее возведения в процессе дренирования и консолидации прочность будет изменяться. В первом случае нужно проводить неконсолидированно-недренированные испытания, во втором - консолидированно-дренированные или консолидированно-недренированные.

К условиям испытаний, влияющим на прочность грунтов, прежде всего относятся закрытая или открытая (недренированная или дренированная) схемы испытании.

Параметры дренированной прочности определяют в установках прямого среза и трехосного сжатия (испытания консолидированно-дренированные). При определении прочности в условиях открытой системы из грунта при нагружении может отжиматься вода. За счет этого возникающее при передаче на грунт нагрузки (о) поровое давление (и) постепенно рассеивается и при медленном нагружении может упасть до нуля. В неполностью водонасыщенных грунтах поровое давление не учитывают. При дренированном нагружении прочность грунтов зависит в значительной степени от того, испытывает ли грунт сжатие или расширение от действия внешней нагрузки. Если грунт расширяется (например, зона перед подпорной стенкой) или сжимается (за подпорной стенкой), то прочность грунта будет различной. Прочность грунтов при расширении меньше прочности при сжатии.

Параметры недренированной прочности с и получают из результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в установках прямого среза и трехосного сжатия, которые отражают поведение глинистого грунта с низкой проницаемостью при любой скорости нагружения, даже при очень медленной. Высокая скорость возведения сооружения и отсутствие возможности дренирования не дают грунту консолидироваться и влияют на его прочность. При определении прочности водонасыщенных грунтов в условиях закрытой системы грунт изолирован от внешней среды, он не может впитывать или отдавать воду при нагружении, его влажность остается постоянной. Возникающее при нагружении образца поровое (или нейтральное) давление (и) увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (о) вплоть до момента разрушения образца или остается постоянным при данном постоянном напряжении о.

Сопротивление срезу с ы в водонасыщенных органо-минеральных и органических грунтах допускается отождествлять с величиной удельного сцепления с (по методике (р = 0), что позволяет вести расчеты несущей способности и устойчивости оснований и откосов по имеющимся расчетным схемам с использованием стандартных программ. Полевые исследования органо-минеральных и органических грунтов с помощью четырехлопастной крыльчатки в ряде случаев являются единственно возможным способом определения их механических свойств. Недренированная прочность используется как классификационный показатель, например, в стандарте Великобритании BS. В табл. 8.31 приведена классификация грунтов по недренированной прочности.

Наличие или отсутствие норового давления в грунтах имеет немалое значение при исследовании их прочности. В большинстве случаев результаты испытаний обрабатываются с использованием условия прочности Кулона или Мора-Кулона. Прочность грунта по Кулону зависит от нормального давления, которое можно выразить через полные и эффективные напряжения. При определении параметров прочности в полных напряжениях поровое давление не учитывают, полагая, что в условиях полного дренирования оно рассеивается, поэтому испытания на стадии сдвига проводят по открытой схеме, допуская дренирование и нагружение образца ступенями с выдержкой до полной стабилизации деформации сдвига. Если поровое давление измеряется, что возможно только при полном водонасыщении образцов и отсутствии дренирования, то при проведении опытов по схеме неконсолидированно-недренированного или консолидированно-недренированного сдвига можно определить параметры прочности в эффективных напряжениях. Чем больше поровое давление и, тем меньшая часть внешнего давления передается на скелет грунта. Для учета влияния порового давления, согласно К. Терцаги, вводят эффективное давление, тогда уравнение Кулона с учетом норового давления принимает вид:

где о" - эффективное давление; и - поровое давление; с" - удельное сцепление (в терминах эффективных напряжений).

Таблица 8.31

Сдвиговая прочность грунтов в недренированных испытаниях

Разновидность грунтов	Сопротивление недренированному сдвигу с„. кПа
Чрезвычайно низкой прочности
Очень низкой прочности	10 < с„ < 20
Низкой прочности	20 < с и < 40
Средней прочности	40 < с и < 75
Высокой прочности	75 < с и < 150
Очень высокой прочности	150 < с„ < 300
Чрезвычайно высокой прочности	с и > 300

Таким образом, если в расчетах устойчивости склонов или несущей способности оснований учитывается норовое давление, то параметры прочности принимают в эффективных напряжениях; если поровое давление не учитывается, то в полных.

Характер нагружения, также влияющий на параметры прочности грунтов, проявляется в разных способах передачи на грунт внешних напряжений. Они могут быть статическими (при действии постоянных или медленно меняющихся нагрузок) или динамическими (при действии переменных, циклических, периодических, импульсных нагрузок и др.). Особенности и закономерности разрушения одного и того же грунта в статических или динамических условиях различны, поэтому при динамических воздействиях прочность грунтов изучается специальными способами.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться без разрушения под влиянием внешней нагрузки. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации Е , коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Сжимаемость дисперсных грунтов под нагрузкой обусловлена смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор.

Прочность грунтов определяется их сопротивляемостью сдвигу , которое можно описать линейной зависимостью Кулона

τ = p tgφ + c ,

где τ – сопротивление сдвигу, МПа; р – нормальное давление,МПа; tg φ – коэффициент внутреннеготрения; φ – угол внутреннего трения, град; c – сцепление,МПа.

Величины φ и c необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости.

Прочность скальных грунтов определяется преимущественно их структурными связями, т.е. сцеплением, но в наибольшей меретрешиноватостью.

Временное сопротивление скального грунта одноосному сжатию (предел прочности на сжатие) является важной классификационной характеристикой, по которой проводится отнесение грунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа).

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяют в геологических лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рентгеноэлектронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свойства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях на будущих строительных площадках. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых результатов .

По каждой характеристике грунтов выполняется несколько определений и проводится их статистический анализ. Для любого ИГЭ определений должно быть не менее трех.

Грунтоведческая лаборатория. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах и в буровых скважинах на объектах.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты - это образцы грунтов с ненарушенной структурой, которые должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. У пылевато-глинистых грунтов нужно сохранять природную влажность за счет водонепроницаемой парафиновой или восковой оболочки на их поверхности В рыхлых грунтах (песок, гравий и т. д.) образцы отбираются массой не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-механические характеристики, причем каждую согласно своему ГОСТ: природная влажность и плотность грунта – ГОСТ 5180-84, предел прочности – ГОСТ 17245-79, гранулометрический (зерновой) состав – ГОСТ 12536-79 и т. д. В лаборатории определяют влажность, плотность частиц грунта и некоторые другие.

Полевые работы. Исследование грунтов в полевых условиях дает преимущество перед лабораторным анализом, поскольку позволяет определять все значения физико-механических характеристик при естественном залегании грунтов без разрушения их структуры и текстуры, с сохранением режима влажности. При этом моделируется работа массивов грунтов в основаниях зданий и сооружений. Такие исследования грунтов в последние годы используют все больше.При этом совершенствуется техническая оснащенность, применяютсяЭВМ. Экспресс-методы позволяют быстрее получать свойства грунтов. Чтобы прогнозировать поведение массивов грунтов на период эксплуатации зданий и сооружений, целесообразно разумно сочетать лабораторные и полевые исследования.

Среди методов деформационных испытаний грунтов на сжимаемость следует считать эталонным метод полевых штамповых испытаний (ГОСТ 20278-85). Результаты других методов испытаний, как полевых (прессиометрия, динамическое и статическое лидирование), так и лабораторных (компрессионные и стабилометрические) обязательно должны сопоставляться с результатами штамповых испытаний.

При определении прочностных характеристик грунтов наиболее достоверные результаты дают полевые испытания на срез целиков грунта непосредственно на строительной площадке(ГОСТ 23741-79). Из-за высокой стоимости и трудоемкости эти работы проводят толькодля сооружений I уровня (класса) ответственности. К ним относятся здания и сооружения, имеющие большое хозяйственное значение, социальные объекты и требующие повышенную надежность (главные корпусы ТЭС. АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы выше 200 м, здания театров, цирков, рынков, учебных заведений и т, д.).

Для других случаев строительства (II и III класс сооружений) достаточно надежные показатели с и φ получают в результате лабораторных испытаний грунтов в приборах плоского среза (ГОСТ 12248-78) и трехосного сжатия (ГОСТ 26518-85).

Прочностные характеристики можно также определять по методу лопастного зондирования, результаты которого при проектировании ответственных сооружений сопоставляют со сдвиговыми испытаниями для обеспечения достоверности результатов.

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статически зондированием.

Метод ш т а м п о в . В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые передаются статические нагрузки (ГОСТ 20276-85). Штамп в шурфе – это стальная или железобетонная круглая плита площадью 5000 см 2 . Для создания под штампом заданного давления применяют домкраты или платформы с грузом (рис. 49).

Осадку штампов измеряют прогибомерами. В шурфе на отметке подошвы штампа и вне его отбирают образцы грунтов для параллельных лабораторных исследований. Штамп загружают ступенями в зависимости от вида грунта и его состояния, выдерживая до стабилизации деформаций. В итоге испытания строят графики зависимостей осадки штампа от давления и от времени по ступеням нагрузки.После этого по формуле вычисляют модуль деформации грунта Е , МПа.

Штамп в буровой скважин е. Испытание грунтов проводят в скважине диаметром более 320 мм глубиной до 20 м. На забой скважины опускают штамп площадью 600 см 2 . Нагрузка на штамп передается через штангу, на которой располагается платформа с грузом. Модуль деформации также определяют по формуле.

Прессиометрические исследования проводят в глинистых грунтах. Прессиометр представляет собой резиновую цилиндрическую камеру, опускаемую в скважину на заданную глубину и расширяемую давлением жидкости или газа. При создаваемых давлениях замеряют радиальные перемещения стенок скважины, что позволяет определять модуль деформации и прочностные характеристики грунта.

Рис. 49. Определение сжимаемости грунтов штампами:

а, б – шурфы; в – буровая скважина; 1 – штампы; 2 – домкрат;

3 – анкерные сваи; 4 – платформа с грузом; 5 - штанга

Зондирование (или пенетрация ) используется для изучения толщ грунтов до глубины 15 – 20 м. По сопротивлению проникновения в грунт металлического наконечника (зонда) определяют плотность и прочность грунтов и их изменчивость в вертикальном разрезе. Зондирование относится к экспресс-методам определения механических свойств песчаных, глинистых и органогенных грунтов, которые не содержат или имеют мало примесей щебня или гальки. По способу погружения наконечника различают зондирование динамическое и статическое . При статическом зондировании конус в грунт задавливается плавно, а при динамическом его забивают молотом.

Статическое и динамическое зондирования позволяют:

Расчленить толщу грунта на отдельныеслои;

Определить глубину залегания скальных и крупнообломочных грунтов;

Установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых грунтов, определить модуль деформации;

Оценить качество искусственно уплотненных грунтов в насыпях и намывных образованиях;

Измерить мощность органогенных грунтов на болотах.

На рис. 50 показана пенетрационно-каротажная станция.

Рис. 50. Пенетрационно-каротажная станция:

1 – зонд-датчик; 2 – штанга; 3 – мачта; 4 – гидроцилиндр; 5 – канал связи; 6 – аппаратная станция; 7 – пульт управления

Прочностные испытания грунтов. Сопротивление грунтов сдвигу определяется предельными значениями напряжений при разрушении. Опыты проводят в котлованах, оставляя столбчатые целики ненарушенного грунта, к которым прикладывают сжимающие и сдвигающие усилия. Для правильного определения внутреннего трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех целиках при различных сжимающих усилиях. Сдвиг производят также при вращении крыльчатки, которая представляет собой четырехлопастной прибор. Его вдавливают в грунт и поворачивают, измеряя при этом крутящий момент, по которому рассчитывают сопротивление сдвигу.

Опытные строительные работы . При строительстве объектов I уровня ответственности (класса) полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение, поэтому прибегают к опытным работам.

Опытные сваи . На строительной площадке погружают инвентарную сваю и наблюдают за характером ее погружения и сопротивляемостью грунта. Прикладывая к свае нагрузки и измеряя осадки при каждой ступени определяют несущую способность грунта в условиях природной влажности и при замачивании . Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными на базе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты . Устраивают фундаменты будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент прикладывают нагрузку как от будущего здания и ведут наблюдения за сжатием грунта основания. Так определяют реальную несущую способность грунта и осадку будущего здания.

Опытные здания . Количественную оценку просадочных свойств лессов дают по данным лабораторных и полевых испытаний грунтов. В реальных условиях под возведенными зданиями в натуральную величину лессовое основание насыщают водой и проводят наблюдения за характером развития процесса, определяют значения просадок и оценивают состояние конструкций здания. Аналогичные опытные работы выполняют и при оценке динамических воздействий на конструкции зданий и основания.

Обработка результатов исследований грунтов . Оценку свойств массивов грунтов проводят на основе физико-механических характеристик в результате лабораторных исследований отдельных образцов грунтов и полевых работ на территории массива. Полученные в лаборатории и в поле характеристики отвечают только тем местам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания грунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистически обработать с целью получения усредненных значений и последующего использования в расчетах оснований.

Стационарные наблюдения при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях проводят для оценки развития неблагоприятных геологических процессов (карста, оползней и др.), режима подземных вод и температурного режима На выбранных характерных участках для наблюдений устанавливают сеть реперов и ведут инструментальные наблюдения за их перемещением и т. д. Измерения выполняют в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в периодих проектирования. Продолжительность работ – до 1 года и более.