Определение модуля деформации грунта по данным полевых штамповых испытаний статической нагрузкой

В приведенных ГОСТ рекомендуется определять модуль деформации, который учитывает как упругую, так и остаточную деформацию. Выделить из этих испытаний чисто упругий модуль деформации возможно только используя ветвь разгрузки зависимости «напряжение-деформация».

В то же время упругий модуль может быть измерен в лаборатории используя динамические трехосные испытания или резонантные испытания образцов в условиях одноосного сжатия. Однако это связано с отбором образцов и не всегда возможно или удобно при массовых и необходимом быстром их определении.

Деформации грунтов оснований зданий и сооружений определяются с использованием упругих параметров: модуля деформации Е; модуля сдвига G, модуля объемной деформации К и коэффициента Пуассона . В большинстве случаев основание является многослойным и модули упругости могут изменяться значительно от слоя к слою, возрастая, как правило, с глубиной.

Основными упругими параметрами являются модуль деформации и коэффициент Пуассона.

Табл. 1. Соотношение между модулями деформации

	Модуль сдвига, G	Модуль упругости, E	Модуль M	Объемный модуль, К	Постоянная Ламе,	Коэффициент Пуассона,

Модуль деформации используется при определении осадки фундаментов, например, с использованием выражения (5.14) СП 50-101-2004 при действии статических нагрузок от веса зданий или сооружений. Значения модуля деформации как функция глубины могут быть оценены из эмпирической корреляции результатов лабораторных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры и результатов полевых испытаний.

Модули грунта при статических и динамических испытаниях

Известно, что модули деформации зависят не только от вида грунта, но и уровня его деформации. Основываясь на уровне деформации сдвига модули могут быть классифицированы на трех стадиях: малой деформации g<10^-6, средней деформации, 10^-6<g<10^-4 и большой деформации, g>10^-4 /6/. Деформации на первой стадии полностью восстановимы. Модули начинают уменьшаться во второй стадии. Третья стадия соответствует большим деформациям, в которой модули продолжают уменьшаться.

Результаты различных динамических испытаний на уровнях деформации первой стадии показывают на то, что отношение динамического модуля к статическому изменяется от 7 до 10.

На рис. 10 /6/ приведено сравнение статического упругого модуля из испытаний штампом с динамическим модулем при сейсмических испытаниях. Отношение динамического модуля при малых деформациях к статическому упругому модулю равно 8,015. Отклонение значительно больше на малой глубине испытаний.

Рис. 11. Сравнение модулей деформации

Рис. 12. Результаты испытания штампом и их моделирование МКЭ используя: средние значения упругого модуля деформации из одноосных испытаний (Е₅₀), прессиометрические испытания (E_PMT) и обратного анализа полномасштабного поведения фундамента опоры моста и упруго-пластический анализ МКЭ используя упругие модули из полевых shear wave velocity и зависящих от давления нелинейных кривых деформации

лабораторных испытаний (Siddiquee et al. 1994, 1995a; Tatsuoka and Kohata 1995; Tatsuoka et al. 1999a).

На рис. 12 показаны результаты трех испытаний жестким штампом диаметром 60 см на дне котлована Akashi Kaikyo Bridge. На этом же рисунке приведены результаты упругого моделирования МКЭ используя следующие5 значения модуля упругости:

а) средние значения модуля упругости из одноосных испытаний (Е₅₀);

б) среднее значение модуля упругости из прессиометрических испытаний (E_PMT);

в) значение, полученное из обратного анализа полномасштабного поведения опоры моста (рис. 13).

Рис. 13. Натурное поведение фундамента опоры Akashi Kaikyo Bridge и его моделирование и его моделирование линейно упругим расчетом МКЭ при различных упругих модулях деформации

Можно сделать вывод, что реальное поведение фундамента более близко к расчетному МКЭ только для случая в. Сравнивая рис. 12 и 13 можно увидеть, что для результатов линейно упругого анализа полномасштабного поведения опоры моста значения модуля упругости намного больше, чем значения использованные из штамповых испытаний для подобных расчетов. Это различие соответствует так называемому масштабному эффекту жесткости грунта.

Во время строительства здания и после ввода его в эксплуатацию песчанистые и глинистые грунты под его основанием уплотняются под действующей на них статической нагрузки от постройки. Такие уплотнения грунта могут быть значительными и должны учитываться на стадии проектирования объекта. Количественной характеристикой сжимаемости грунтов считают модуль общей деформации E₀ (МПа), или модуль деформации. Наиболее точный способ определения несущей способности грунтов в полевых условиях - испытания штампами.

Деформация грунтов состоит из упругой деформации, которая восстанавливается после снятия нагрузки, и остаточной. Результатами испытаний также являются получение таких характеристик как относительная просадочность δ_пр и начальное просадочное давление P_пр, и, конечно же, модуля деформации.

В преимуществе над данными модуля деформации, полученными в лаборатории, при проектировании предпочитают использовать данные, полученные при штамповых испытаниях. Для просадочных грунтов при испытании статическими нагрузками определяют относительную просадочность, а для лёссов - начальное просадочное давление, для набухающих грунтов – набухание под нагрузками и давление набухания.

Сущность метода испытания штампом заключается в натурном моделировании процесса уплотнения достаточно большого объёма грунта (по сравнению с лабораторной пробой) под нагрузкой, сопоставимой с нагрузкой проектируемого здания. Испытанию подвергаются, как правило, крупнообломочные, песчаные и глинистые породы.

Перед началом проведения таких испытаний осуществляется бурение скважин для уточнения инженерно-геологического разреза с отбором проб грунтов и определением их физико-механических характеристик в лабораторных условиях. В тоже время выявляются все водоносные горизонты. Места испытаний и их глубины устанавливают с учётом предлагаемой ширины фундаментов и глубины их заложения. Испытаниям подвергают все несущие слои грунтов. Полученные данные влияют на выбор типа штампа, на место проведения испытания, а также на количестве опытов. Если в активной зоне распространения нагрузки находится только один мощный однородный слой, то испытания выполняют на отметке заложения основных фундаментов. Если же в разрезе представлены неоднородные грунты с различными свойствами, то необходимо испытать все слои. Число опытов на участке для каждого характерного инженерно-геологического элемента должно быть не меньше двух.

Существуют разные конструкции установок, позволяющие выполнять штамповые испытания. Схема распространённой установки испытания грунтов статическими нагрузками представлена на рисунке ниже, где 1- штамп, 2- гидравлический домкрат, 3- индикаторная установка, 4- продольная упорная балка, 5- винтовые анкерные сваи.

Штампы выполняются в шурфах с минимальным сечением 1.5x1.5 м, в буровых скважинных диаметром 325 мм, в дудках диаметром 0.9 м, в шахтах, штольнях, в котлованах. При испытаниях на глубинах до 6 м и низком уровне грунтовых вод предпочтение отдаётся шурфам; при проведении опыта на глубине от 6 до 20 м. Если уровень грунтовых вод находится выше точки испытаний штампом, то опыт выполняют в скважине.

Предварительно подготавливают площадку установки штампа. Штамп необходимо установить строго горизонтально. Для текучепластичных и текучих глинистых пород штамп устанавливают в выемку сорок-шестьдесят сантиметров. Размер выемки в поперечнике не должен превышать диаметр штампа большее чем на десять сантиметров. Стенки выемки нужно укреплять. В случае затруднений с планировкой грунта под штампом устраивают подушку из мелкого или средней крупности маловлажного песка толщиной 1÷2 см для глинистых и 5 см – для крупнообломочных пород. Песчаную подушку толщиной 2-3 см укладывают и при испытании просадочных пород с замачивание; такая подушка обеспечивает дренирование воды в породу. Породу в месте испытаний необходимо оградить от поверхностных вод, а зимой защитить от промерзания. Сложно устанавливать штамп в водонасыщенных песках, где в результате подсоса песка порода на забое скважины разуплотняется, а в скважине создаётся песчаная пробка. В таких случаях бурение в основании скважины ведется малым диаметром. Когда штамп установлен монтируют устройство для его нагрузки, закрепляют анкера и подключают измерительную систему.

Испытание проводится плавным приложением нагрузки к штампу. Нагрузка на грунт производится ступенями давлений от 0.025 до 0.5÷0,1 МПа в зависимости от показателя консистенции для глинистых грунтов и плотности для песчаных грунтов. Необходимо выполнить не менее 4-х ступеней давления, соответствующих природному P_S на отметке испытания. В ходе испытания для каждой ступени нагрузки должен строиться график осадки во времени. Отсчёты после приложения нагрузки каждой очередной ступени берутся при испытании песчаных грунтов через каждые 10 минут в течение первого получаса и через каждые 15 минут в течение второго получаса и далее каждые 30 минут до условной стабилизации осадки; и при испытании глинистых грунтов – через каждые 15 минут в течение 1-го часа и 30 минут – в течение второго часа, и далее через 1 час до условной стабилизации осадки.

За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа, не превышающее 0.1 мм за время от 0.5 до 3 ч в зависимости от плотности песчаных грунтов и показателя консистенции для глинистых грунтов. Время выдержки каждой предыдущей ступени давления не должно быть меньше времени выдержки предыдущей ступени. По мере увеличения давления на грунт увеличивается его осадка. Вначале осадка развивается пропорционально прилагаемой нагрузке, но в какой-то момент она может резко увеличиться при незначительном возрастании нагрузки. Давление, при котором происходит подобное явление, называют предельным (критическим), признаками которого являются:

1) выпирание грунтов из-под штампа и образование вокруг него трещин (в случае испытание в шурфе);

2) резкое увеличение осадки при незначительном увеличении нагрузки;

3) длительная (в течение 24 ч), не затухающая осадка.

На графике «нагрузка-осадка» этот момент отмечается перегибом кривой. При достижении критического давления P_кр испытание прекращается.

После окончания опыта производят разгрузку штампа, которая ведётся ступенями вдвое большими, нежели нагрузка. После каждой ступени разгрузки один час ведут наблюдения за деформациями грунтов. Отсчёты берут через 30 минут. После снятия всей нагрузки эти наблюдения продолжают в течение 3-х часов.

После окончания опыта из-под штампа берётся проба грунта на влажность и плотности: выработка углубляется на глубину больше 2-х м штампа для проверки однородности грунта.

В ходе проведения опыта ведётся следующая документация:

1) вычерчивается геологический разрез скважины с уловным местоположением штампа;

2) ведётся журнал проведения опыта;

3) составляются графики зависимости осадки от времени и осадки от нагрузки;

4) составляется схема проведения опыта или прикладывается фотоснимок смонтированной установки с обозначением отдельных узлов.

Дальше переходят к обработке результатов измерений. Модуль деформации определяется тангенсом угла наклона линии S=F(P).

Если ступени нагрузок назначены правильно и испытание проведено правильно, то огибающая, проведённая по точкам графика S=S(P), на его начальном этапе имеет вид прямой, близкой к прямой линии. Это начало прямолинейного участка принимают значение удельной нагрузки P₀, равное природному давлению P_S, в данной точке и соответствующее ему значение осадки S₀. За конечные значения P_n и S_n принимаются значения P_i и S_i, соответствующие концу прямолинейного участка графика. Если при давлении P_i приращение осадки будет в два раза больше, чем для предыдущей ступени P_i, а при последующей ступени P_i+1 приращение будет равно или больше приращение осадки при P_i, за конечные значения P_n и S_n следует принимать P_i-1 и S_i-1. При этом количество включаемых в осреднение точек не должно быть меньше 3-х.

Для прямолинейного участка проводят усредняющую прямую методом наименьших квадратов или графически. Количество опытных точек для построения усредняющей прямой не должно быть меньше 4-х.

Построенная таким образом усредняющая прямая используется для вычисления численного значения модуля деформации E₀.

E₀=(1-m 2)∙w∙d∙P/S,

где P = P_n-P₀ – приращение удельной ступени нагрузки на штамп между P_n и P₀=P_s, МПа;

S – приращение осадки штампа, соответствующее P, см;

m - коэффициент Пуассона (для песка равен 0.30, для супеси – 0.32, для – суглинка – 0.35, для глины – 0.42);

w- безразмерный коэффициент, равный 0.8;

d – диаметр штампа, см.

Для вычисления относительной просадочности и начального просадочного давления необходимо провести штамповые испытания грунтов в обводнённом состоянии.

Относительную просадочность следует вычислять по формуле:

d_пр = S_пр / h_дф

где, S_пр - просадка породы в основании штампа (см), определяется как приращение осадки штампа в результате замачивания грунта при заданном давлении P_З;

h_дф – деформируемая зона (см) по вертикале при испытаниях с замачиванием, равная 0.4; 0.7; 1.2; 1.7 и 2.0 диаметра штампа соответственно при давлениях P, равных 50, 100, 200, 300 и 400 кПа. Значение относительной просадочности необходимо определять с точностью тысячных долей.

За начальное просадочное давление P_пр принимают давление, соответствующее точке перегиба графика S=f(P) для породы, испытываемой в водонасыщенном состоянии. При нечётко выраженном перегибе графика за величину P_пр принимают давление, при котором просадка в основании штампа S_пр равна 0.005∙ h_дф. Значение начального просадочного давления P_пр следует определять с точностью до 0,1∙10⁵ Па.

Одно испытание штампом может проводиться в течение целого дня и более, а по техническим причинам может потребоваться его повторение. Из-за уникальности объекта строительства, его технических особенностей, из-за неоднородности инженерно-геологического разреза количество испытаний штампами может значительно возрасти. Это очень сложный и ответственный метод определения модуля деформации E₀, с большой трудоёмкостью подготовительных работ, громоздкостью оборудования и дороговизной опытов. Но главное, что именно этот метод позволяет получить наиболее достоверные значения модуля деформации E₀.

4. Механическая и химическая суффозия грунтов.Суффозия (от лат. suffosio — подкапывание) — вынос мелких минеральных частиц породы фильтрующейся через неё водой. Процесс близок к карсту, но отличается от него тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения.

Суффозия приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блюдец, впадин) диаметром до 10 и даже 100 метров, а также пещер. Другим следствием может быть изменение гранулометрического состава пород как подверженных суффозии, так и являющихся фильтром для вынесенного материала.

Наиболее широкое развитие суффозия получает в области распространения лёссов и лёссовидных суглинков, под склонами долин рек, часто по ходам роющих животных. Одним из необходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих неподвижный каркас, так и вымывающихся мелких. Вынос начинается лишь с определенных значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация.

В карбонатных и гипсоносных песчано-глинистых отложениях и мергелях карст и суффозия могут проявляться одновременно. Это явление носит название глинистый карст или глинистый псевдокарст.

Механическая — вода при фильтрации отрывает и выносит целые частицы (глинистые, песчаные)

Химическая — вода растворяет частицы породы (соли, гипс) и выносит продукты разрушения

Химико-физическая — смешанная (часто проискодит в лёссе)