«Г.Г. Болдырев МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Пенза 2008 УДК 624.131.43 ББК 38.58 Б79 Рецензенты: доктор технических наук, про фессор М.В. Малышев (Мос ковский государственный ...»

• Первичная консолидация. Уплотнение грунта происходит за счет отжатия (фильтрации) поровой воды при уменьшении объема пор. Величину первичной (фильтрационной) консолидации определяют, используя зависимость осадки от t (рис. 5.2, а) и lg t (рис. 5.2, б) как значение между степенью консолидации • Вторичная консолидация. Уплотнение грунта происходит за счет ползучести твердых частиц, обусловленной сдвигами частиц и их водно коллоидных оболочек. Для расчета осадки в течение вторичной консоли дации необходимо определить коэффициент вторичной консолидации c.

Рис. 5.2. Определение начала и завершения первичной консолидации Сжатие грунта от внешней нагрузки будет различным в зависимости от степени его водонасыщения. При полном водонасыщении грунта, когда весь объем пор заполнен водой, грунт является двухкомпонентной средой (рис. 5. б) и его сжатие возможно только при наличии дренирования. Н.М.Герсеванов (1937) назвал двухкомпонентную среду «грунтовая масса». При полном водо насыщении степень водонасыщения S r = 1. Для трехкомпонентной среды, когда объем пор частично заполнен водой, а частично – воздухом или каким либо газом (рис. 5.3, а), говорят, что грунт является не полностью водона сыщенным, при этом 0 < S r < 1. Процесс сжатия грунта будет различным для водонасыщенного и не полностью водонасыщенного грунта. В связи с этим различают собственно сжатие грунта и консолидацию грунта. На рис. 5.3, а показано уменьшение объема грунта за счет уменьшения объема пор, занятого воздухом. В процессе сжатия грунта изменения объема воды не происходит. В процессе консолидации грунта объем воды в единице объема грунта (рис. 5.3, б) уменьшается вследствие ее отжатия (фильтрации) при действии внешней нагрузки и грунт уплотняется. Так как вода медленно отжимается из порового пространства, то консолидация зависит от времени и продолжается длительное время. Консолидация подразделяется на первич ную и вторичную. В процессе первичной консолидации уплотнение грунта сопровождается уменьшением объема пор вследствие отжатия воды, что характеризуется уменьшением порового давления от максимального до нулевого. Вторичная консолидация обусловлена деформацией самих твердых частиц грунта.

На рис. 5.4 показана модель грунта, предложенная проф. К.Терцаги (1933). Скелет грунта (твердые частицы) представлен в виде пружины, которая находится в воде в объеме цилиндра. Сжатие пружины и отток воды происходят при движении поршня. В начальный момент времени, когда кран закрыт, перемещение поршня отсутствует и вся нагрузка воспринимается Глава пружиной и водой. Если теперь открыть кран, то вода начнет отжиматься, давление в воде будет уменьшаться, а в пружине расти. Поршень опустится на какую то величину. Чем жестче пружина, тем меньше переместится поршень или уплотнится грунт. Поэтому жесткость грунта влияет на величину осадки консолидации. Размер диаметра крана определяет скорость отжатия (дрени рования) воды. Чем меньше диаметр отверстия (пор), тем медленнее будет происходить процесс сжатия пружины (грунта).

Полные напряжения в грунте являются суммой эффективных напря жений и порового давления Сжатие грунта происходит только за счет действия эффективных напря жений, так как поровое давление вызывает только напор в грунтовой воде и приводит к ее фильтрации. В начальный момент приложения внешней нагрузки полное давление равно поровому давлению вследствие малой сжи маемости грунтовой воды (рис. 5.5) и эффективное напряжение определяется из выражения Из рис. 5.5 видно, что в начальный момент времени, когда t = 0, полное давление равно поровому давлению, так как в этот момент дренирование невозможно. Эффективные напряжения равны нулю. Сжатие отсутствует. По мере оттока воды давление в ней падает, а эффективные напряжения увели чиваются. При завершении первичной (фильтрационной) консолидации поровое давление будет практически равно нулю, а эффективные напряжения равны полным.

Рис. 5.5. Изменение порового давления и эффективных напряжений в грунте Эта модель грунта используется при описании процесса консолидации полностью водонасыщенного грунта. При описании процесса сжатия не полностью водонасыщенного грунта необходимо учитывать давление воздуха в поровом пространстве грунта.

5.2. Приборы, применяемые при проведении компрессионных испытаний Компрессионные приборы были предложены в конце 20 х начале 30 х гг.

прошлого столетия рядом исследователей. Первым подобные испытания Рис. 5.6. Компрессионный прибор Маслова – Лурье конструкции института и площадь поперечного сечения Глава кальная нагрузка в обоих типах приборов создается рычагом и весом гирь. Этот прибор используется и сегодня в нашей стране во многих трестах инженерно строительных изысканий и иных геотехнических лабораториях.

В настоящее время проводятся различные виды компрессионных испытаний, в зависимости от типа решаемой инженерной задачи. В табл. 5. приведены основные типы компрессионных приборов, методы испытаний грунтов в этих приборах и их особенности, а в табл. 5.2 – схемы приборов.

Наибольшее применение находят приборы с нагружением ступенями (статическое нагружение), с выдержкой на каждой до условной стабилизации деформаций. За рубежом (США, Англия, Франция и др.) кроме статического нагружения используют нагружение с заданной скоростью деформации. В этих приборах вертикальная нагрузка прикладывается непрерывно, а ее скорость определяется по величине рассеивания порового давления. Подоб ный метод ускоренных испытаний предложен в России рядом иссле дователей, в том числе А.Н.Труфановым, но пока не нашел широкого применения.

';

Прибор со статическим нагру ГОСТ 12248 96, Прибор с постоянной ско ASTM D ростью деформации (CRS) Прибор с измерением релак Релаксация сации напряжений (А.Н.Тру напряжений фанов, патент №2272101) Приборы с измерением боко Дополнительно к предыдущему изме Компрессионно фильтра ГОСТ 12248 96 Измерение проницаемости грунтов ционные приборы В большинстве случаев в геотехнических лабораториях проводятся компрессионные испытания при ступенчатом нагружении, с выдержкой на каждой ступени до стабилизации вертикальной деформации. Испытания продолжаются в течение нескольких дней, иногда и недель. Приборы с нагру жением с постоянной скоростью деформации или с оценкой стабилизации деформаций по степени релаксации напряжений позволяют значительно сократить сроки испытаний (от нескольких дней до нескольких часов).

Испытания в условиях невозможности бокового расширения Схемы компрессионных приборов и результаты испытаний Конструкция одометра Зависимости из данных испытаний Глава С.Р. Месчян (1978) приводит интересные сведения об истории создания компрессионных приборов. «… Первый одометр (диаметр 35 см, высота об разца 5 см) был изготовлен во Франции Фронтаром в 1910 г. (Гольд штейн М.Н., 1971) …». Одномерные уплотнения глинистых грунтов по схеме двухстороннего отжатия поровой воды через слои песка были проведены Шведской геотехнической комиссией в 1919 г. Эта схема была использована К.Терцаги (рис. 5.7) при создании прибора собственной конструкции («одометр», кольцо d = 8 cм, h = 1,3 см).

Рис. 5.7. Схема испытания в одометре по К.Терцаги (Герсеванов, 1937):

1 – дробь; 2 – стеклянный цилиндр; 3 – бронзовое кольцо; 4 – песчаный фильтр;

5 – образец глины; 6 – вода; 7 – фильтровальная бумага Свои опыты К.Терцаги выполнял следующим образом. Нижняя часть стеклянного цилиндра (см. рис. 5.7,а) наполнялась жидкой, но очень вязкой смесью глины с водой. Дно цилиндра покрывалось листом тонкой фильтро вальной бумаги, на которую помещалось бронзовое кольцо, а на него укладывался слой глины. Поверхность слоя глины покрывалась фильтро вальной бумагой, поверх которой насыпался фильтрующий слой кварцевого песка. Требовалось около 24 часов, чтобы процесс сжатия глины под действием веса песчаного слоя был закончен. После этого на поверхность песка ставился латунный сосуд, под давлением которого сжатие про должалось еще в течение одного дня. Затем нагрузка увеличивалась запол нением нижней половины сосуда дробью, а еще через два дня заполнялась и верхняя половина. Полная нагрузка составляла 10 кПа. Для измерения величины сжатия латунный сосуд был снабжен шкалой. В дальнейшем нагрузку увеличивали, прикладывая ее с помощью рычага через шаровую опору. Давление возрастало ступенями от 10 до 120 кПа через каждые два дня.

Для получения более высоких давлений кольцо с глиной помещалось в другой прибор, показанный на рис. 5.7, б. Далее давление создавалось сту пенями 200, 400, 800, 1400 и 2000 кПа с выдержкой в течение двух суток на каждой ступени нагружения. Результаты опытов показаны на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Кривые зависимости влажности грунта от давления, полученные К.Терцаги 1 – песчаный ил; 2 – желтая горшечная глина; 3 – синяя морская глина Одним из первых отечественных компрессионных приборов с гидрав лической системой нагружения является прибор марки ГКП, конструкция ко торого описана в монографии В.Г. Булычева (1948). За рубежом (Англия) подобный прибор был предложен позднее в 1966 году Rowe and Barden. Этот прибор выпускается в настоящее время рядом фирм (www.ele.com) и называется гидравлическим одометром Роу (рис. 5.9). В этом приборе гидростатическое давление (обратное давление) и внешняя нагрузка создаются жидкостью.

Внешняя нагрузка прикладывается через резиновую мембрану, а обратное давление – через канал в штоке к центральной части образца грунта. Диаметр образца грунта принимается равным 76 мм, 152 мм или 254 мм. При диаметре, равном 254 мм, высота образца составляет 75–100 мм.

Глава Рис. 5.9. Конструкция компрессионного прибора Rowe and Barden (1966):

а – схема; б – одометр Rowe с контроллером давления фирмы GDS:

1 – цифровой индикатор перемещения; 2 – гибкий трубопровод; 3 – обратное давление; – бронзовый фильтр; 5 – датчик порового давления; 6 – керамический фильтр; 7 – уплотнительное кольцо; 8 – резиновый мешок (диафрагма); 9 – линия вертикального давления; 10 – шток цифрового индикатора Преимущество гидравлических одометров перед обычными заключается в том, что поровое давление воды может контролироваться источником постоянного давления на верхней части образца (одометр Роу) или верхней и нижней частях образца (ГКП). В последнее время для поддержания посто янного нормального давления и обратного давления в поровой жидкости в этих приборах используются регуляторы давления фирмы GDS. Они показаны на рис. 5.9,б и 5.10.

Рис. 5.10. Общий вид (а) и схема (б) устройства регулирования давления фирмы GDS 1 – шаговый двигатель и редуктор; 2 – винт; 3 – уплотнительная гайка; 4 – поршень;

5 – выход давления; 6 – линейный подшипник; 7 – цилиндр; 8 – датчик давления;

9 – микропроцессор Регулятор давления используется как для поддержания нормального дав ления (усилия), так и для создания обратного давления внутри образца грунта. Он же применяется для измерения изменения объема образцов грунта как в одометрах, так и в приборах трехосного сжатия. Точность создания давления 1 кПа, точность измерения изменения объема 1,0 мм3. Измеряемый объем 200 см3, максимальное давление 3 МПа.

В одометре Rowe поровое давление в нижней части образца измеряется через керамический фильтр. Преимуществом одометра Rowe является то, что для создания внешней нагрузки не надо применять силовую раму, так как она создается давлением жидкости. Гидравлические одометры могут быть при менены по меньшей мере для четырех типов дренирования: дренирование может быть вертикальным по направлению к фильтру в верхней части образца или по направлению вверх и вниз, если фильтры установлены с обеих сторон образца. Горизонтальное дренирование может быть выполнено или через центральную песчаную дрену, или через кольцевой пористый пласт массовый фильтр (толщиной 1,5 мм) по периметру образца. В некоторых грунтах проницаемость в горизонтальном направлении может быть больше, чем в вертикальном направлении.

Гидрокомпрессионный прибор (ГКП) конструкции В.Г. Булычева предназначен для исследования деформативности грунтов и включает систе му, создающую в нем постоянное или переменное гидростатическое и гидро динамическое давления с заданными параметрами. Схема установки, включ ающей указанный прибор, показана на рис. 5.11 и была применена Б.И. Дал матовым и др. (1972) при исследовании глинистых грунтов.

Рис. 5.11. Схема установки (а) с гидрокомпрессионным одометром (б) 1 – одометр; 2,9 – манометр; 3 – гидравлическая камера; 4 – резиновая диафрагма баллон;

5 – резервуар с водой; 6 – баллон со сжатым воздухом; 7 – индикатор перемещения; 8 – ниппельное устройство Глава Установка (рис. 5.11 а) состоит из герметизированного одометра (ГКП) 1 с индикаторами 7 и манометрами 2, который соединен с гидравлической камерой 3, снабженной эластичной резиновой диафрагмой баллоном 4, в свою очередь, соединенной с резервуаром для воды 5 и баллоном с сжатым воздухом 6, имеющим манометр 2 и ниппельное устройство 8.

Для проведения исследований, связанных с учетом воздействия на грунт гидростатического давления, внутренние полости прибора 1 и гидравли ческой камеры 3 заполняются водой из резервуара 5, а диафрагма баллон 4 – сжатым при определенном давлении, воздухом из баллона 6. Упругость и соответствующие размеры резинового баллона 4 обеспечивают постоянство величины давления в компрессионной камере даже при небольших утечках воды. Режим приложения и снятия гидростатического давления в приборе регулируется соответствующими впускными и выпускными кранами и ниппельным устройством 8. Работа прибора по закрытой или открытой схеме будет зависеть от соответствующего положения крана К20.

Одометр ГКП (рис. 5.11 б) работает следующим образом. Нижняя часть одометра заполняется водой через кран К20 до тех пор, пока ее уровень не окажется выше перфорированного диска 8. Устанавливается кольцо 2 с грунтом и уплотнительными прокладками 10, затем корпус одометра 1, кольцо и днище стягиваются болтами (не показаны на рис. 5.11, б). В корпус одометра наливается вода (на 10–15 мм выше поверхности образца грунта), устанавливается штамп 5, соединенный со штоком 7 и перфорированной частью 9. На прибор надевается крышка 4, имеющая втулку 12, уплотнительное кольцо 13. Крышка крепится к прибору болтами 11. Затем устанавливаются манометр 9 (см. рис. 5.11, а), индикаторы 8 и одометр 1 и соединяются с гидравлической камерой 3. Прибор и гидравлическая камера при открытых контрольных отверстиях V13 и V14 заполняются водой из резервуара. После закрытия крана К12 через краны К16 и К18 из баллона со сжатым воздухом подается воздух, что создает необходимое давление в гидравлической камере и приборе.

Результаты опытов (Б.И. Далматов и др., 1972) показали, что под действием гидростатического давления газосодержащие грунты дефор мируются практически мгновенно (рис. 5.12, б). При повторных нагрузках и разгрузках грунта возникновение петель гистерезиса не наблюдалось. После снятия гидростатического давления образцы грунта полностью восстанав ливают первоначальный объем. Таким образом, деформации под действием гидростатического давления полностью упругие. При дополнительном нагру жении сверх гидростатического давления через шток поршня осадка оказывается значительно больше осадки грунта при гидростатическом давлении той же интенсивности. Объясняется это, по видимому, тем, что под действием гидростатического давления грунт деформируется только за счет сжимаемости газонасыщенной поровой воды. При действии же внешней нагрузки грунт сжимается за счет ее отжатия.

Рис. 5.12. Зависимость относительной деформации от гидростатического давления для глины с различными значениями степени водонасыщения Из всех предложенных в Росси конструкций одометров, с нашей точки зрения, наиболее удачной является конструкция, предложенная С.Р Мес чяном (1985). Основным достоинством данного одометра является центри рованность штока, через который прикладывается внешняя нагрузка, что позволяет использовать только один индикатор для измерения осевой деформации. Во вторых, одометр герметичен, и поэтому его можно использовать как компрессионно фильтрационный прибор с односторонней или двухсторонней фильтрацией. Герметичность одометра позволяет также применять метод обратного давления при водонасыщении образца грунта.

На рис. 5.13 приведена конструкция малого (М 2) компрессионно фильтра ционного одометра конструкции С.Р.Месчяна (1985), который предназначен для определения компрессионных и фильтрационных свойств образцов грунта диаметром 7 см (А = 38,48 см2) и высотой 1 и 2 см. ГОСТ 12248 96 рекомендует проводить компрессионные испытания с образцами грунта диаметром не менее 71 мм и отношением высоты к диаметру 1:3,5. Большой компрессионно фильтрационный прибор М 3 предназначен для испытания гравелистых и крупнообломочных образцов грунта диаметром 21 см с высотой 6 см.

Глава Рис. 5.13. Одометр конструкции С.Р.Месчяна (1985):

1 – основание; 2 – штуцер дренирования; 3 – зажимное кольцо; 4 – штуцер уровня воды;

5 – цилиндр с направляющей головкой; 6 – шток; 7 – держатель индикатора; 8 – винт; 9 – индикатор часового типа; 10 – стальной шарик; 11 – стальная подушка; 12 – винт аррертира; 13 – канал для заливки воды; 14 – поршень фильтр; 15 – кольцо; 16 – уплот нительное кольцо; 17 – диск фильтр В 1988 году НПО «Стройизыскания» провело конкурс на лучшую разработку компрессионных и сдвиговых приборов. Победителем стал Красноярский трест инженерно строительных изысканий, представивший на конкурс компрессионный прибор «Питон К» (рис. 5.14). Нагружение образца грунта в этом приборе выполняется с использованием шагового двигателя, а управление осуществляется микроконтроллером. Это был один из первых автоматизированных компрессион ных приборов в СССР.

Позднее, в 1991 году, в ООО «Геотек» были разработаны ком прессионные приборы, показан ные на рис. 4.2. В настоящее время ООО «НПП Геотек» выпускает другие компрессионные приборы, которые показаны на рис. 5.15.

Они входят в состав автоматизиро ванной системы для инженерных Рис. 5.14. Автоматический компрессионный изысканий (ИВК «АСИС») и КрасноярскТИСИЗ (1988) управляются компьютером. На грузка на образец грунта создается или ступенями или непрерывно с заданной скоростью деформации, которая изменяется в диапазоне от 0,1 мм/мин до 5 мм/мин. Прибор (рис. 5.15, в) используется для проведения испытаний с постоянной скоростью деформации (CRS испытания), в течение которых измеряется и регулируется избыточное поровое давление. В компрессионных приборах применен одометр конструкции С.Р.Месчяна с кольцом площадью 60 см2 и высотой 25 мм.

Одометр конструкции Aversa and Nicotera (2002) отличается от известных устройством осевого нагружения, в качестве которого применяется плунжер Бишопа, и вторая особенность – использование двух фильтров с различной проницаемостью, что позволяет проводить испытания на консолидацию не полностью водонасыщенных грунтов. Образец имеет диаметр 56 мм и высоту 20 мм. Уплотнительное кольцо в нижней части введено с целью исключения Глава утечек поровой воды из одометра. Одометр находится внутри камеры давления, что позволяет создавать необходимое давление в поровой среде образца грунта, включающей в себя воздух и жидкость.

Для разделения давления на давление воздуха и давление жидкости в порах используются керамические фильтры с различной проницаемостью.

Поровое давление в объеме пор, заполненных воздухом, создается через фильтр с низкой проницаемостью и равно давлению воздуха в камере дав ления прибора.

Рис. 5.16. Одометр конструкции Aversa and Nicotera (2002):

1 – датчик перемещения LVDT; 2 – датчик силы; 3 штамп; 4 – образец; 5 – верхняя чулочная манжета; 6 – одометр; 7 – нижняя чулочная манжета; 8 – поршень; 9 – шток;

10 – пористый фильтр с низкой проницаемостью воздуха; 12 – пористый фильтр с высокой проницаемостью воздуха; 13 – уплотнительное кольцо Максимальное осевое напряжение, которое может быть приложено к образцу грунта, является функцией давления воздуха (давление в камере) и определяется с использованием следующего уравнения равновесия:

где W – вес плунжера; Aa – площадь поперечного сечения образца; Al и Au – площадь нижней и верхней манжет, соответственно; p c – давление в камере;

p r – давление в камере плунжера; u a – давление воздуха в порах.

5.3. Процедура испытаний грунтов 5.3.1. Испытания грунтов с целью определения параметров первичной консолидации Выбор последовательности нагружения в компрессионном приборе зависит не только от вида испытываемого грунта, но и от типа проектируемых надземных зданий или сооружений, которые вызывают тот или иной вид напряженного состояния в массиве грунта основания. Например, насыпи, дамбы или фундаменты мелкого заложения.

Количество ступеней нагружения и их значения должны быть больше эффективных напряжений, которые используются при расчете осадки фундаментов, т.е. максимальное значение нормального давления на образец грунта должно быть выше давления под подошвой проектируемого фун дамента. При испытании сильно переуплотненных глинистых грунтов максимальное значение ступени нормального давления должно быть не менее чем в четыре раза больше значения давления предварительного уплотнения, p. Если принятое в программе испытаний максимальное значение нормаль ного давления будет незначительно превышать давление предварительного уплотнения, то коэффициент сжимаемости будет недооценен из за эффектов, проявляющихся при отборе монолитов (упругая деформация при разгрузке и деформация структуры).

При испытании образцов грунта с разгрузкой необходимо иметь в виду, что если принятая ступень разгрузки будет выше давления предварительного уплотнения, то результирующая осадка фундамента окажется больше из за меньшего значения упругого модуля деформации. Поэтому, при испытании переуплотненных грунтов рекомендуется проводить разгрузку при давлении, которое чуть меньше давления предварительного уплотнения, p.

Длительность каждой ступени нагружения определяется условием завершения фильтрационной консолидации перед следующим приращением нагрузки; в зависимости от вида глинистого грунта она может изменяться от до 24 часов. В песчаных грунтах первичная консолидация может быть завершена в течение 15 минут. При нагрузках, меньших р, консолидация может быть завершена менее чем за 3 часа. При применении автоматизи рованных измерительных систем длительность нагружения можно контроли ровать по величине рассеивания избыточного порового давления, если одометр оснащен датчиком порового давления, или из условия затухания процесса консолидации, используя кривую зависимости «нормальное дав ление – корень квадратный из времени». При выполнении этого условия следующая ступень нагружения прикладывается автоматически. В США используются компрессионные приборы как со статическим, так и кине матическим нагружением (ASTM D 2435, ASTM D 4186). В последнем Глава стандарте максимальное нормальное давление принято равным 2700 кПа. В Евростандарте ISO/TS 17892, часть 5, максимальное нормальное давление принято равным 3200 кПа, причем для определения p рекомендуются сле дующие ступени нормального давления: 6, 12, 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200 кПа.

Ограничения компрессионных испытаний 1. Трение между образцом грунта и стальным кольцом одометра снижает нагрузку на грунт до 6 %.

2. В общем случае действительная скорость осадки сооружений больше, чем в испытаниях. Это может быть объяснено структурой грунта, влияющей на условия дренирования.

3. В стандартных одометрах невозможно дренирование в горизонтальном направлении. В полевых условиях в отличие от лабораторных испытаний дренирование в горизонтальном направлении более вероятно из за особенностей структуры грунта и условий нагружения.

4. Размер образца весьма мал и не может отражать условия в массиве грунта. В особенности это касается крупнообломочных грунтов.

5. Процедура определения параметров может быть улучшена путем сочетания полевых и лабораторных испытаний. Например, определив коэф фициент фильтрации k из полевых опытов, а коэффициент сжимаемости mv из лабораторных опытов, то ошибка в определении параметра консолидации cv будет снижена.

6. Конструкцию одометра можно изменить, выполнив дренирование в горизонтальном направлении.

7. Большая продолжительность испытаний – от нескольких часов (пески, супеси) до нескольких суток (суглинки, глины).

8. Необходимость использования корректировочных коэффициентов (штамповые испытания) при определении модуля деформации.

Достоинства компрессионных испытаний 1. Простота и дешевизна испытаний.

Испытания грунтов методом компрессионного сжатия по ГОСТ проводят для определения следующих характеристик деформируемости: коэф фициента сжимаемости m0; модуля деформации E; структурной прочности на сжатие pstr; коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации cV и c для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести IL>0,25, органо минеральных и органических грунтов; относительного суф фозионного сжатия sf и начального давления суффозионного сжатия psf для засоленных (содержащих легко и среднерастворимые соли) песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков.

Параметры, определяемые из компрессионных испытаний и используемые при расчете оснований зданий и сооружений Давление предварительного уплотнения Коэффициент бокового давления Коэффициент Пуассона Коэффициент первичной консолидации при одно сторонней и двухсторонней фильтрации Коэффициент вторичной консолидации Относительная просадочность Относительное набухание Все перечисленные параметры являются обязательными при проек тировании оснований сооружений с использованием решений, которые приведены в СНиП 2.02.01 83 и СП 50 100 2004. В случае расчета дефор мации оснований с использованием численных методов (программ Plaxis, Crisp и т.п.) необходимо определить коэффициенты компрессии C c, C s при нагрузке и разгрузке, давление предварительного уплотнения p и коэф фициент переуплотнения OCR.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах или компрессионно фильтрационных приборах (для определения характеристик суффозионного сжатия), исклю Глава чающих возможность бокового расширения образца грунта при его нагру жении вертикальной нагрузкой.

Результаты испытаний на сжатие в компрессионном приборе можно представить графически в виде нескольких зависимостей, которые приведены в табл. 5.4. По результатам непосредственных измерений деформации сжатия при различных ступенях нормального давления можно построить зависи мость = f (), где = h / ho, а h – изменение высоты образца при началь ной высоте образца грунта h0 (табл. 5.4, п.1). Используя данную зависимость, можно определить модуль компрессии D в выбранном интервале давления Этот модуль можно использовать для приближенной оценки осадки слоя грунта мощностью H при действии на его поверхности сплошной равно мерно распределенной нагрузки интенсивностью p Более удобно представить зависимость = f () в полулогарифмическом масштабе = f (lg), так как в этом случае она является линейной (табл. 5.4, п.2) и угол наклона или модуль компрессии определяются однозначно в любом интервале давления из выражения где C c – коэффициент компрессии по ветви нагружения.

В компрессионном приборе, где не происходит бокового расширения, деформация образца грунта в боковом направлении невозможна, и поэтому 2 = 3 = 0. С использованием решений теории упругости получено выражение для условий компрессионного сжатия, связывающее вертикальную дефор мацию с вертикальным напряжением или давлением на поверхности образца грунта вида где – коэффициент стеснения поперечной деформации, зависящий от коэф фициента Пуассона, Испытания в условиях невозможности бокового расширения Виды компрессионных зависимостей 1. Компрессионная кривая в координатах 2. Компрессионная зависимость в координатах lg 3. Компрессионная зависимость в полулогарифмическом масштабе 4. Компрессионная зависимость в координатах e Глава В выражении (5.7) E называется модулем деформации, а в теории упругос ти – модулем Юнга. Модуль Юнга определяется из испытаний образцов различных материалов при одноосном сжатии с возможностью бокового расширения, а модуль деформации – из испытаний образцов грунта без возможности бокового расширения. Так как при выводе выражения (5.7) используются решения теории упругости, то предполагается, что модуль Юнга не зависит от уровня напряжений, а модуль деформации является величиной переменной, зависящей от значения нормального давления на поверхности образца грунта в компрессионном приборе.

Из выражений (5.5) и (5.7) можно получить зависимость между модулем компрессии D и модулем деформации E:

Следует иметь в виду, что модуль компрессии D определяется непосредственно из испытаний путем прямых измерений деформации от приложенного давления, а модуль деформации E получен из аналитического решения для условий сжатия грунта при невозможности его бокового расширения.

Сжатие грунта в компрессионном приборе обусловлено уменьшением объема грунта, что связано с изменением или коэффициента пористости e, или коэффициента объемной деформации v. Оба этих параметра связаны с начальным объемом грунта и поэтому они более адекватно характеризуют процесс сжатия грунта, по мере возрастания внешней нагрузки. В связи с этим компрессионную зависимость представляют как в виде e = f (), e = f (lg ) (табл. 5.4, п.3,4) или v = f (), v = f (lg ). Если использовать компрессионную кривую e = f (ln ), то ее уравнение имеет вид где C e – коэффициент компрессии (есть тангенс угла наклона полу логарифмической кривой к оси давлений), численно равен разности значений коэффициента пористости при i = 272 кПа и 0 = 100 кПа.

Этот коэффициент характеризует сжимаемость грунтов в большом диапазоне давлений. Если ограничиться небольшим изменением давлений, как правило 100–300 кПа, то с достаточной точностью можно принять отрезок компрессионной кривой (табл. 5.4, п.4) в виде прямой линии, уравнение которой имеет вид где tg называется коэффициентом сжимаемости с обозначением m 0. При расчетах осадок грунтов используется величина, которая называется коэффи циентом относительной сжимаемости Используя значение коэффициента относительной сжимаемости, ком прессионный модуль деформации можно определить как где – коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе и вычисляемый по формуле (5.8). При определении коэффициента используются результаты испытаний в приборах трехосного сжатия, а при отсутствии экспериментальных данных (ГОСТ 12248 96) допускается принимать его равным: 0,30–0,35 – для песков и супесей; 0,35–0,37 – для суглинков; 0,2–0,3 при ( I L < 0 ); 0,3 0,38 (при 0 I L 0,25 ); 0,38 0,45 (при 0,25 I L 1,0 ) – для глин. При этом меньшие значения принимают при большей плотности грунта. В монографии Н.А.

Цытовича (1963) для приближенного определения коэффициента поперечной деформации глинистых грунтов рекомендуется использовать следующее выражение:

где I L – показатель текучести.

Испытания грунта в компрессионном приборе проводят не только нагружая грунт по ветви первичного нагружения 1–2, но и разгружая его путем постепенного уменьшения давления по ветви 2–3 (табл.5.5, п.1).

Вследствие того что при уплотнении грунт деформируется неупруго, по ветви разгрузки можно найти величину упругой деформации и упругий модуль деформации с использованием также коэффициента относительной сжима емости, выбрав интервал давлений на ветви 2 3. Как видно из первого рисунка табл. 5.5, при разгрузке коэффициент пористости увеличивается, но из за наличия остаточных деформаций объем образца полностью не восстанавливается; и поэтому кривая разгрузки находится ниже кривой нагружения. При повторном нагружении ветвь разгрузки 2 3 не совпадает с ветвью повторной нагрузки 3 А, образуется петля гистерезиса. При давлении, большем давления разгрузки, процесс сжатия происходит по кривой первичного нагружения 1 2 4, но несколько смещенной ниже (участок А 4).

Точка перегиба на кривой первичного нагружения определяет максимальное Глава давление, которое испытывал грунт при предыдущем нагружении. Это давле ние называется историческим или давлением предварительного уплотнения p.

Компрессионные зависимости при нагрузке и разгрузке Давление, испытываемое в данный момент времени грунтом на некоторой глубине от собственного веса, называется природным или бытовым.

5.3.2. Начальное напряженное состояние Под начальным напряженным состоянием в массиве грунта понимается характер распределения вертикальных и горизонтальных напряжений от его собственного веса. Значения этих напряжений необходимы как при испытании образцов грунта в стабилометре, так и при расчете деформации грунта в основании зданий и сооружений. В первом случае образец грунта перед сдвигом консолидируется найденными значениями вертикальных и горизонтальных напряжений. Во втором случае при расчете оснований по деформациям задается начальное распределение напряжений от собственного веса грунта, а затем на это поле напряжений накладываются дополнительные напряжения от веса зданий или сооружений.

Начальное напряженное состояние зависит не только от полных и эффективных вертикальных и горизонтальных напряжений, но и от давления предварительного уплотнения. Вертикальные напряжения зависят от силы гравитации и определяются массой вышележащих грунтов. Горизонтальные напряжения и давление предварительного уплотнения обусловлены историей формирования грунтов.

Грунты, у которых историческое давление было больше, чем современное природное давление, т.е. грунты, разгруженные от ранее уплотнившей их нагрузки, например в виде ледника (рис. 5.17), называются переуплотненными.

Если историческое давление равно природному (грунты современного отложения), то они называются нормально уплотненными.

Рис. 5.17. Формирование переуплотненных грунтов:

max – максимальное природное эффективное напряжение в прошлом; – текущее природное эффективное напряжение Историю нагружения массивов грунта принято оценивать, используя значение коэффициента переуплотнения где v max – максимальное вертикальное напряжение за весь период сущест вования массива грунта; v – вертикальное напряжение от собственного веса грунта в настоящий период.

Глава Если неизвестны значения напряжений от собственного веса грунта v max и v, то коэффициент переуплотнения k 0 (OCR) рекомендуется определять, используя физические характеристики грунтов (, 1978). Месчян С.Р.

предлагает определять его как отношение коэффициента пористости eТ пасты при = L к коэффициенту пористости грунта в естественном состоянии e 0. Для нормально уплотненного грунта коэффициент уплотнения равен единице, а для переуплотненных грунтов k 0 > 1.

Для слабых водонасыщенных грунтов распределение начальных напря жений 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 на пряжения больше 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, при естественном формировании которого эффективных природных давлений было больше, чем в настоящее время. Например, на поверхности грунта находился мощный слой ледника, который впоследствии сместился или растаял (см. рис. 5.17). Переуплотнение обычно имеет место, когда породы полностью консолидированные 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 отличаются высокой прочностью и меньшей деформируемостью.

Из рис. 5.18 видно влияние процесса формирования грунтовых отложений на их напряженное состояние от собственного веса. Векторами на этом рисунке показаны направление и величина главных вертикального и двух горизонтальных напряжений. На рис. 5.18, а изображен начальный процесс формирования грунтовых отложений. Отложения находятся в недоуплот ненном или нормально уплотненном состоянии. При этом горизонтальные напряжения меньше вертикальных. При движении ледника эти отложения доуплотняются (рис. 5.18, б, в), что сопровождается не только изменением значений главных напряжений, но и их вращением. После таяния ледника грунты переходят в переуплотненное состояние (рис. 5.18, г).

При многократном нагружении и разгрузке грунта до одной и той же величины давления остаточные деформации все время уменьшаются, и после некоторого числа циклов грунт испытывает только упругую деформацию.

Рис. 5.18. Влияние ледника на значения главных напряжений, (Feeser, 1988) Испытания грунтов в компрессионном приборе по ГОСТ позволяют определить структурную прочность грунта pstr. За структурную прочность принимается такое давление, до которого практически не изменяется начальное значение коэффициента пористости, т.е. объем грунта практически не изменяется (рис. 5.19). После разрушения структурных связей наблюдаются резкое возрастание деформации и сжатие грунта. Прочность структурных связей зависит от вида глинистого грунта и имеет наибольшее значение в грунтах с кристаллизационными связями. В стандарте ASTM опре деляется не параметр структурной прочности, а эквивалентный ему параметр р, называемый давлением (напряжением) предварительного уплотнения.

Определение этого параметра выполняется различными методами, один из первых был предложен Казагранде.

Вертикальные напряжения При горизонтальной поверхности грунта полные вертикальные (при родные) напряжения определяются из выражения где u o – поровое давление в грунтовой воде, а vo – напряжение от собственного веса грунта, определяемые как Глава здесь z – расстояние от поверхности до рассматриваемой глубины; z w – расстояние от поверхности до уровня грунтовых вод; – удельный вес грунта.

Для грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, удельный вес грунта определяется с учетом взвешивающего действия воды из выражения:

где w – удельный вес воды; s – удельный вес частиц; e 0 – начальное значение коэффициента пористости.

Выше уровня грунтовых вод грунты могут быть сухими, частично водонасыщенными или полностью водонасыщенными вследствие ка пиллярного поднятия воды. В этом случае, для чистых непылеватых песков, полагают, что песок является сухим и его удельный вес опре деляется из выражения Для полностью сухих грунтов поровое дав ление равно нулю. Поэтому полные и эффек тивные напряжения от собственного веса грунта равны. В глинах, однако, капиллярные эффекты могут создать полное водонасыщение высотой до 10 м или выше уровня грунтовых вод. В этом случае удельный вес глинистых грунтов прини мается в водонасыщенном состоянии. Соответ ствующее отрицательное гидростатическое по ровое давление возникает выше фреатической поверхности (уровень поверхности воды в без Рис. 5.19. Определение напорном водоносном горизонте) и вычис структурной прочности грунта:

ляется из условия (5.17). Отрицательное поровое 1 – грунт ненарушенной струк давление увеличивает эффективные напря Горизонтальные напряжения Эффективные горизонтальные напряжения связаны с вертикальными напряжениями коэффициентом бокового давления Значение коэффициента бокового давления зависит не только от вида грунта, но и от истории его формирования, а также от уровня вертикальных на пряжений. Этот коэффициент определяется как в лабораторных, так и полевых условиях. Из испытаний в одометре и стабилометре получено, что для нормально уплотненных грунтов значение в состоянии покоя 0 (без нагрузки на поверхности грунта от веса сооружений) может быть найдено из условия где – эффективный угол внутреннего трения.

Величина 0 возрастает при разгрузке грунта (разработка котлованов) и мо жет быть более единицы для OCR > 4. Для переуплотненных пылевато глинис тых грунтов значение 0 может быть вычислено из следующего уравнения:

В зависимости от значения коэффициента переуплотнения различают три значения коэффициента бокового давления грунта:

где – критическое значение угла внутреннего трения.

Предполагается, что у нормально уплотненных грунтов OCR = 1 и коэффициент бокового давления определяется из выражения (5.21). Для слегка переуплотненных, разгруженных грунтов при OCR < 2 используется следующее эмпирическое выражение:

где – коэффициент Пуассона.

Wroth’s (1972) предложил определять коэффициент бокового давления для переуплотненных глинистых грунтов следующим образом:

где I p – число пластичности, %.

Выражение (5.21) получено путем упрощения решения, предложенного в 1944 г. Джейки:

Глава Последнее выражение неприменимо для переуплотненных глин, у которых 0 может расти до значений, соответствующих значению коэф фициента переуплотнения, равному 5 и выше, вплоть до 0 = 2,5 для весьма переуплотненных грунтов, и даже еще выше для глин подвергнутых машин ному механизированному уплотнению.

Результаты экспериментального определения 0 существенно зависят от уровня напряжений в массиве как при извлечении из него образца для последующих лабораторных испытаний, так и при внедрении в него измерительного прибора – (дилатометра, прессиометра, динамометрического зонда) – в полевых условиях.

Испытания грунтов в условиях трехосного сжатия проводятся при заданном всестороннем (боковом) давлении или постоянном среднем напряжении. Значение бокового давления назначается исходя из глубины отбора пробы грунта и принимается равным природному давлению. Тем самым полагается, что в природном состоянии распределение вертикальных и горизонтальных напряжений подчиняется гидростатическому закону.

Принятие подобного начального напряженного состояния в естественных грунтовых отложениях может быть вполне оправданным, если они находятся на стадии своего формирования и процесс консолидации от собственного веса еще не завершен. К таким грунтам относятся илы, торф и иные водонасыщенные глинистые грунты в мягкопластичном или текучем состояниях. Однако встречаются грунтовые отложения, в которых начальное напряженное состояние не подчиняется гидростатическому закону распределения, т.е. горизонтальные напряжения не равны вертикальным напряжениям на рассматриваемой глубине массива грунта.

5.3.3. Определение давления предварительного уплотнения В Российской Федерации в настоящее время действует ГОСТ 12248 96, в котором рекомендован метод испытаний песчаных и глинистых грунтов на сжимаемость с целью определения их деформационных свойств. В этом методе нагрузка прикладывается ступенями с выдержкой во времени на каждой ступени до стабилизации деформаций.

В США используются два метода определения параметров сжимаемости.

Наиболее часто применяются метод ступечатого нагружения образцов в одометре (ASTM D 2435), подобный методу ГОСТ 12248 96, и метод испытания при нагружении с постоянной скоростью деформации (ASTM D 4186). Во втором методе нагрузка прикладывается непрерывно, в то время как нормальное напряжение и поровое давление измеряются датчиками. При этом продолжительность испытаний сокращается от 1–2 недель при ступенчатом нагружении до 1 дня при непрерывном нагружении.

Из результатов испытаний (рис. 5.20) по стандарту ASTM D 2435 (ASTM D 4186) определяют три параметра в соответствующем диапазоне вер тикальных эффективных напряжений. Это коэффициент рекомпрессии C r, коэффициент первичной компрессии C c и коэффициент набухания или раз грузки C s. В некоторых случаях результаты испытаний представляют в иной зависимости, откладывая на оси ординат значения v = e /(1 + eo ). В этом случае параметры рекомпрессии C r = C r /(1 + eo ), а параметр первичной компрессии C c = C c /(1 + eo ).

В отечественном стандарте, используя компрессионную кривую (см.

табл. 5.4, п.4), определяют коэффициент сжимаемости mv при нагрузке или разгрузке.

При определении давления предварительного уплотнения принимают, что оно разделяет две области деформирования грунта – область практически упругого поведения и область первичной консолидации. Иногда говорят, что это давление, соответствующее переходу от упругого поведения к пласти ческому, при котором возникают остаточные деформации. Из испытаний в одометре находят также три дополнительных параметра: компрессионный модуль (D = v / v = 1 / mv ) ; коэффициент первичной консолидации c v и коэффициент вторичной консолидации c.

В руководстве (Sabatini et al., 2002) рекомендуется при определении количества образцов для компрессионных испытаний использовать профиль Глава изменения вертикальных эффективных напряжений с глубиной (рис. 5.21). Положение каждого образца ненарушенной структуры опре деляется на этом профиле скважиной и вертикальным эффективным быто вым напряжением. Компрессионные испытания должны проводиться до уровня напряжений, который намного больше оценочного значения давления предварительного уплотнения, для того, чтобы найти точное значение действительного давления предварительного уплотнения и далее определить параметры C r, C c, C s. Может оказаться, что в программе испы таний на компрессию выбранный интервал вертикального давления будет меньше давления предварительного уплотнения, в особенности у сильно переуплотненных глин. Результаты будут отражать поведение грунта только при его упругой деформации, первичной консолидации не будет.

Рис. 5.21. Профиль давления предварительного уплотнения Важность определения параметра предварительного уплотнения объяс няется еще и тем, что при расчете деформации оснований инженер исполь зует решения для определения упругой и остаточной осадки. В расчетах переход от упругого к неупругому поведению грунта основания определяется значением давления предварительного уплотнения или коэффициентом переуплотнения. Эти параметры вводятся в ряд программ (Plaxis, Abaqus и др.) и используются при расчете не только деформации, но и прочности грунтов.

Давление предварительного уплотнения можно определить из компрес сионных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры (рис. 5.22).

Как видно из рис. 5.22, наклон кривой e = f (lg ) незначителен до вертикальных давлений, равных давлению предварительного уплотнения p.

За этим давлением наклон кривой резко возрастает, что свидетельствует о сжимаемости грунта. Давление предварительного уплотнения подобно напряжению текучести для связных грунтов. До этого давления в грунте отсутствуют пластические деформации и грунт деформируется упруго.

Следует заметить, что приведенная методика определения давления предварительного уплотнения (зарубежные стандарты BS, ASTM) из ком прессионных испытаний совпадает с методом ГОСТ 1248 96, используемым при определении структурной прочности грунта pstr.

Определение давления предварительного уплотнения выполняется различными методами. Одним из первых является метод, предложенный Казагранде. Определение p выполняется с использованием следующей про цедуры (рис. 5.22):

1. Провести касательную линию к участку компрессионной кривой, начало которого совпадает с видимым уплотнением образца грунта.

2. Найти точку с максимальной кривизной на начальном участке компрессионной кривой, где изменяется угол наклона, и провести через нее горизонтальную прямую.

3. Провести касательную линию к компрессионной кривой из найденной в п. 2 точке.

4. Провести линию через биссектрису угла, определяемого линиями, построенными в п. 2 и п. 3.

5. Точка пересечения между линией, проходящей через биссектрису угла (п. 4) и первой касательной (п.1), определяет положение давления предвари тельного уплотнения.

Метод Казагранде рекомендуется для глин, у которых имеет место незначительное нарушение структуры при отборе монолитов и подготовке образцов грунта. Для более чувствительных, пластичных глин, в особенности структурированных, рекомендуется использовать другой метод, основанный на определении энергии деформации. Предложен Becker et al. (1987).

Глава Рис. 5.22. Определение давления предварительного уплотнения методом Казагранде Значение p находится из зависимости от изменения накопленной энергии деформации (напряжение умноженное на деформацию) для каждого при ращения нагрузки в одометре. Точка, после которой энергия деформации резко возрастает, соответствует давлению предварительного уплотнения (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Метод энергии деформации (Sabatini et al., 2002) Испытания в условиях невозможности бокового расширения Глава Процедура определения p следующая.

1. Вычислить изменение в работе на единицу объема для каждого приращения деформации, используя выражение где W – изменение в работе на единицу объема; i – напряжение, соответствующее началу приращения деформации (кПа); f – напряжение в конце приращения деформации (кПа); i – деформация (относительная), со ответствующая началу приращения; f – деформация (относительная) в конце приращения.

2. Начертить график зависимости вертикального напряжения от суммы работ для каждого соответствующего приращения напряжения. Предпола гается, что значение напряжения, соответствующее суммарной работе, определяется напряжением на конце приращения деформации.

3. Полученная зависимость должна иметь два явно выраженных прямо линейных участка. Провести две прямые (1, 2 на рис. 5.23) через совокупность данных на первом и втором участках.

4. Напряжение, соответствующее точке пересечения двух прямых, является давлением предварительного уплотнения.

На рис. 5.24 показаны результаты сравнительных испытаний по опре делению давления предварительного уплотнения. Зависимости получены с при менением пяти различных методов (Casagrande, 1939; Oikawa, 1987; Onitsuka et al., 1995; Butterfield, 1979; Becker et al., 1987). Обобщение результатов испытаний для образцов грунта, вырезанных вертикально, горизонтально и наклонно, показывает на различные значения p, что свидетельствует о различных условиях формирования грунтов, как в плоскости отложения, так и по вертикали. Значения напряжения, соответствующие предварительному уплотнению грунта, полученные с использованием различных методов, существенным образом не отличаются друг от друга.

5.4. Определение механических свойств грунтов в компрессионном приборе с измерением Определение деформационных свойств грунтов, модуля деформации и коэффициента бокового давления, согласно отечественным ГОСТам, реко мендуется выполнять с использованием двух методов: метода компрес сионного сжатия и метода трехосного сжатия. В стабилометре можно определить не только модуль деформации, коэффициент Пуассона, давление предварительного уплотнения, но и коэффициент бокового давления. В связи с тем, что приборы трехосного сжатия отличаются значительной ценой, стали использовать для этой цели одометры с введенными в боковые стенки двумя или тремя датчиками напряжений. В то же время в стабилометре трудно обеспечить идеальную невозможность бокового расширения грунта вследствие сжимаемости жидкости. В компрессионном приборе с жесткими границами расширение грунта конструктивно исключено. Оказывается, что даже небольшие деформации грунта в радиальном направлении приводят к изменению коэффициента бокового давления.

Значения коэффициента бокового давления необходимы, в частности, для определения активного или пассивного давления при проектировании подпор ных стен или иных ограждающих конструкций в грунте. Максимальное давле ние на конструкцию возникает на неподвижной стенке. Смещение стенки при водит к уменьшению активного давления и коэффициента бокового давления.

На рис. 5.25 приведены графики (Лазебник Г.Е., 1967), представляющие зависимость коэффициента бокового давления от перемещения подпорной стенки. Если перемещения нет, то коэффициент, близко совпадающий по величине с коэффициентом бокового давления в состоянии покоя 0, состав ляет 0,6 и 0,4 для плотного и рыхлого песка, соответственно. При смещении Рис. 5.25. Зависимость коэффициента бокового давления от величины перемещения 1 – рыхлый песок; 2 – плотный песок (Лазебник Г.Е., 1967) стенки в сторону от засыпки боковое давление в плотном песке, в отличие от рыхлого, уменьшается резко, и при величине смещения стенки более 0,05 мм коэффициент бокового давления для рыхлого песка оказывается больше, чем для плотного песка. В связи с этим важно знать величину коэффициента Глава бокового давления при отсутствии движения грунта, т.е. в начальном состоянии – состоянии покоя. Поэтому измерения горизонтальных напря жений должны выполняться на недеформируемой границе подпорной стенки или устройства в лаборатории. Учитывая это, Лазебник Г.Е. разработал два устройства для измерения боковых напряжений с использованием струнных датчиков давления типа СДКС.

Величина бокового давления определяется как среднее арифметическое из показаний четырех датчиков СДКС. Устройства различаются формой камеры (квадратная – рис. 5.26, а и круглая – рис. 5.26 б) и способом нагружения (жесткий штамп – рис. 5.26, а и гибкий штамп –рис. 5.26, б).

Опыты показали, что на величину коэффициента бокового давления оказы вает влияние форма камеры устройства (рис. 5.27). Измерение напряжений тензометрическими датчиками внутри песчаного грунта разной плотности показали, что в случае квадратной камеры наибольшие напряжения возни кают в центральной части камеры, а наименьшие значения – в ее углах. В квадратной камере в случае плотного песка напряжения концентрируются в углах; поэтому датчики СДКС, установленные в центральной части, изме ряют меньшие давления. В круглой камере в случае плотного песка и нагру жения его жестким штампом максимальные напряжения возникают по периметру штампа. Поэтому боковые давления в этом случае максимальны (см.рис. 5.27, кривая 1). Если песок не уплотнен, то распределение напря жений по поверхности образца близко к равномерному. Это подтверждается тем, что графики изменения коэффициента бокового давления при нагруже нии песка гибкой диафрагмой и жестким штампом практически совпадают.

Рис. 5.26. Устройства для испытания грунтов в условиях невозможности а – квадратная камера и жесткий штамп; б – круглая камера и гибкий штамп:

1 – грунтовой динамометр датчика СДКС; 2 – бетон; 3 – грунт; 4 – индикатор деформаций; 5 – квадратная металлическая плита – штамп; 6 – контактная площадка датчика СДКС; 7 – гнездо обойма датчика СДКС; 8 – держатель индикатора; 9 – внешняя обойма (стальная труба); 10 – плита основание; 11 – анкерный болт; 12 – крышка пневмокамеры; 13 – манометр; 14 – воздушный вентиль; 15 – резиновая диафрагма; 16 – прижимное кольцо; 17 – хромированная профилирующая накладка (Лазебник Г.Е., 1981) Рис. 5.27. Зависимость коэффициента бокового давления от вертикального давления 2,3 – квадратная камера; 1, 4 – круглая камера; рыхлый песок (е=0,656);

– плотный песок (е=0,472) Рис. 5.28. Одометр с измерением свою конструкцию одометра с измерением горизонтальных напряжений (Brooker 1 – опорная плита; 2 – труба, на внутренней стороне которой на клеены 16 тензодатчиков; 3 – соеди тефлоновая мембрана. За этой мембраной нительное кольцо; 4 – болт; 5 – обойма; 6 – канал для жидкости; 7, 9, 13 – дренаж; 8 – тензодатчики; 10 – стальная мембрана; 11 – кольцевая газированной водой. Горизонтальное камера; 12 – перфорированный бронзовый диск Глава Конструкция компрессионного прибора с измерением боковых напряжений, разработанная в МИСИ им. В.В.Куйбышева (сегодня – МГСУ) в 1986 году (лаборатория В.Ф.Сидорчука), показана на рис. 5.30.

В отличие от рассмотренных ранее кон струкций в конструкции одометра МИСИ при менены жесткие датчики давления (месдозы) с гидравлическим усилителем. Это практически исключает податливость самих датчиков, что позволяет измерять боковое давление при отсутствии смещения вертикальной границы.

Два датчика встроены в боковую поверхность жесткой обоймы, в которую помещается Рис. 5.29. Одометр образец грунта. Образец грунта имеет высоту 50 конструкции Dyvik et al. (1985):

мм. Осевая нагрузка прикладывается с двух 1 – датчик давления; 2 – уро торцов образца, что снижает влияние сил вень воды в ванночке; 3 – при трения между образцом и боковой поверх новый герметик; 5 – штамп; 6, ностью жесткой цилиндрической обоймы. Одо 10 – фильтр; 7 – камера метр имеет датчик порового давления, который заполненная водой; 8 – расположен в центральной части нижнего высотой 26,7 мм; 9 – штампа. В результате испытаний, проведенных тефлоновая мембрана; 11 – ос Жамбакиной З.М. (1989), было установлено, что нование с увеличением податливости (возможность боковых перемещений стенки прибора) уменьшается интенсивность приращения бокового давления при сжатии образца грунта. Так, испытания мелкого песка средней плотности ( d = 1,60 г/см3) показали уменьшение отношения главных напряжений 3 / 1 с 0,456 при боковых перемещениях стенки на 16 мкм до 0,340 при перемещении стенки на 33 мкм.

Рис. 5.30. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений На рис. 5.31 показана конструкция одометра, предложенная Senneset (1989), в которой применены три датчика, встроенных в боковую поверхность жесткой обоймы, разделенной на три части. В боковой поверхности каждой части обоймы находятся стальные мембраны, деформация которых изме ряется датчиком линейных перемещений LVDT. Три сегмента могут смещаться в радиальном направлении, что позволяет создать в образце грунта начальное напряженное состояние. Возможность смещения сегментов позволяет измерять как активные, так и пассивные значения горизонтальных напряжений. Наличие гибкой стальной мембраны исключает возможность измерения горизонтальных напряжений при нулевой деформации боковой границы.

а – сечение; б – внешний вид камеры: 1 – штамп; 2 – стальная мембрана; 3, 5 – фильтр;

4 – образец диаметром 54,3 мм, высотой 20 мм; 6 – камера, заполненная водой; 7 – датчик порового давления; 8 – основание; 9 – датчик перемещения LVDT В конструкции одометра Colmenares (2001) используются четыре стальные мембраны (рис. 5.32, а) диметром 10 мм, расположенные ортогонально вокруг жесткого кольца. На мембраны наклеены тензодатчики деформации.

Гидравлический насос соединен с резервуаром масла за диафрагмой и используется для поддержания нулевой деформации мембраны. Боковое давление определяется как среднее из четырех значений методом обратной компенсации давления в резервуарах с маслом. Подобная конструкция одометра была применена в исследованиях Gareau et al. (2004).

Глава Рис. 5.32. Одометры конструкции Colmenares (2001) (а) и Gareau et al. (2004) (б):

1 – уплотнительное кольцо; 2 – камера, заполненная маслом; 3 – кольцо; 4 – диафрагма и тензодатчики; 5 – кабель; 6 – давление масла В 2005 году в ООО «Геотек» была разработана конструкция автоматизиро ванного компрессионного прибора с одометром В.Ф.Сидорчука (рис. 5.33).

Процедура проведения испытаний Испытания образцов грунта проводятся в одном из двух режимов: режиме ползучести (при постоянном вертикальном давлении), режиме релаксации (при постоянной заданной деформации).

Исследования грунтов в условиях компрессионного сжатия с измерением бокового давления позволяют оценить:

характер изменения напряженного состояния грунтового образца в процессе сжатия с определением среднего напряжения и интенсивности касательных напряжений;

коэффициенты бокового давления и поперечного расширения ;

параметры предельного состояния, сцепление с и угол внутреннего трения ;

модуль общей деформации Е с уточнением коэффициента.

Рис. 5.33. Компрессионный прибор с измерением боковых напряжений Нагружение образцов грунта производится ступенями исходя из условий, которые приведены в табл. 5.6.

Значения ступеней вертикального давления Глубина отбора образцов, м Величина ступени вертикального За стабилизацию деформации сжатия образца принимается ее при ращение, не превышающее 0,01 мм за последние 4 ч наблюдений для песков, 16 ч – для глинистых и 24 ч – для органоминеральных и органических грунтов.

В режиме релаксации нагружение образца грунта производится дискретно путем задания образцу принудительного перемещения. Величина заданного перемещения определяется начальной плотностью грунта и назначается исходя из следующих условий.

Каждую ступень заданного перемещения следует выдерживать до установления стабилизированных значений вертикальных и боковых давлений.

За стабилизированное значение принимаются давления, которые для песчаных грунтов сохраняются постоянными в течение последних 30 минут и для глинистых грунтов – в течение последних 2 часов.

Глава Плотный песок, твердые и полутвердые Пески средней плотности, глинистые грунты Рыхлые пески, глинистые грунты Коэффициент бокового давления определяется из выражения (5.20).

Используя, находят значение коэффициента Пуассона:

Модуль общей деформации вычисляют из выражения где iz и iz – соответственно вертикальное давление и вертикальная относительная деформация на i й ступени нагружения.

Среднее напряжение в образце определяют из уравнения Интенсивность касательных напряжений находят из уравнения Структурную прочность глинистого грунта определяют, используя зависимость х = f ( z ), которая является билинейной. Значение верти кального давления x в точке перелома соответствует структурной прочности грунта pstr или давлению предварительного уплотнения р.

Результаты испытаний В работах Лазебника (1967), Жамбакиной (1989), Голли (2003) и др. была показана возможность определения механических характеристик грунтов (не только деформируемости, но и прочности) в одометре с измерением боковых напряжений.

В 1999 году на одной из строительных площадок г. Пензы были отобраны монолиты с глубины 1,5; 3 и 5 м от дна котлована строительной площадки вблизи реки Суры. Из этих монолитов были вырезаны образцы и проведены испытания в одометре конструкции В.Ф.Сидорчука.

Испытание образцов глинистого грунта проводилось в два этапа. На первом этапе образцы нагружались вертикальной нагрузкой равной при родному давлению, действующему на глубине отбора монолита. Нагрузка выдерживалась в течение суток, а затем полностью снималась. Второй этап нагружения осуществлялся в соответствии с методикой приведенной ранее.

Результаты испытаний представлены на рис. 5.34 – 5.37 и табл. 5.8.

Рис. 5.34. Результаты измерения боковых напряжений (Болдырев и Сидорчук, 2003):

Необходимо отметить, что выполненные лабораторные испытания моно литов грунта, отобранных с помощью колонковой трубы при бурении скважины, следует рассматривать как испытания образцов грунта нару шенной структуры, так как при бурении колонковой трубой существенно искажается начальное напряженное состояние.

Из рис. 5.34 видно, что для всех испытанных образцов грунта, отобранных с различной глубины, зависимость боковых напряжений от вертикальных напряжений является билинейной. Оба участка деформации (0a и ab) Глава являются практически линейными, но с различным углом наклона. Точка перегиба данной зависимости соответствует структурной прочности грунта рstr. Можно полагать, что эта точка соответствует также значению давления предварительного уплотнения р.

Модуль деформации, полученный из этих испытаний, имеет два значения: первый характеризует деформируемость грунта при напряжениях, меньших структурной прочности грунта, рstr, а второй – при напряжениях в грунте от внешней нагрузки, которые больше структурной прочности грунта.

Как видно из табл. 5.8, модуль деформации при напряжениях, меньших структурной прочности грунта, почти в два раза больше модуля деформации грунта при напряжениях, превышающих структурную прочность грунта. Из рис. 5.40 видно, что величина структурной прочности глинистого грунта изменяется в зависимости от глубины отбора образца, а значения коэф фициента бокового давления получаются различными для первого и второго участков кривой деформирования. При давлении, меньшем структурной прочности грунта, коэффициент бокового давления имеет минимальное значение.

Результаты испытаний в компрессионном приборе Во всех проведенных испытаниях в зависимостях х = f ( z ) и s = f (z ) наблюдаются два участка с различной интенсивностью приращения боковых давлений и осадки штампа прибора. Первый участок от 0 до нагрузки, соответствующей структурной прочности грунта (давление предварительного уплотнения), характеризуется меньшим значением приращения x и s по мере роста z, а второй участок – большей интенсивностью приращения x и s. Значения модуля деформации для этих участков приведены в табл. 5.8.

Выполненные исследования свидетельствуют о том, что рассмотренная методика определения механических свойств грунтов в компрессионном приборе с измерением боковых напряжений позволяет определять не только деформационные, но и прочностные характеристики грунтов. Как было показано в работе З.М. Жамбакиной (1989), значения параметров условия прочности Мора – Кулона, полученные из рассмотренных испытаний, совпадают с результатами испытаний на прямой срез. Жамбакина З.М.

выполнила более 850 опытов с песком плотным и рыхлым и лессовидным суглинком. Испытания были проведены в компрессионном приборе конструкции В.Ф.Сидорчука на сжатие и в стандартном приборе прямого среза конструкции института «Гидропроект» на сдвиг. Оказалось, что поведение песчаных грунтов существенным образом зависит от начального напряженного состояния, созданного в процессе формирования плотных (e = 0,52) и рыхлых (e = 0,82) образцов песка. В плотных образцах возникают остаточные вертикальные и горизонтальные напряжения после формирова ния образцов. В отличие от песков рыхлого сложения, для плотного песка зависимость бокового давления от вертикального в условиях компрессии характеризуется двумя линейными участками как и глинистых грунтов (см.

рис. 5.34). Точка перелома соответствует вертикальным напряжениям, которые приложены в процессе формирования образца песка в одометре.

Жамбакина З.М. и Сидорчук В.Ф. высказали предположение о том, что при создании каждой ступени нормального давления в образце грунта в одометре возникают микродеформации сдвига, интенсивность которых уменьшается с ростом нормального давления. Полагая далее, что эти дефор мации сдвига соответствуют предельному состоянию по Мору – Кулону, они предложили использовать одометр с измерением боковых напряжений для определения параметров прочности и c. На рис. 5.35 показаны предельные огибающие построенные по результатам испытания плотного мелкого песка (e = 0,52) в одометре и приборе прямого среза. Две предельные прямые на рис. 5.35, б характеризуют предельное состояние при уровне напряженного состояния до точки перелома и после нее. На первом участке напряженного состояния предельная прямая исходит из начала координат (=40,5°, c=0), на втором же участке вторая предельная прямая показывает наличие сил сцепления, равных 0,019 МПа, а =29о. Те же значения в условиях прямого среза (рис. 5.35, а) равны 0,018 МПа и 41о, соответственно.

Глава Рис. 5.35. Предельные прямые для плотного песка, построенные двумя методами Испытания рыхлого (e = 0,82) песка (рис. 5.36) показывают более близкое совпадение результатов, полученных в одометре и в срезном приборе. Зави симость х = f ( z ) для рыхлого песка линейная, без изменения угла наклона.

Рис. 5.36. Предельные прямые для рыхлого песка, построенные двумя методами Аналогичные опыты проводились с образцами лессового грунта различной влажности (w=2, 12, 18 %). Сдвигающие усилия в срезном приборе прикладывались со скоростью, близкой к компрессионному нагружению продолжительностью 10 мин, после чего регистрировались величины полу ченных перемещений. На рис. 5.37 показаны результаты испытаний лессовых грунтов ненарушенной структуры в одометре и приборе прямого среза. Опыты в условиях прямого среза проводились при нормальном давлении, которое ниже структурной прочности, и при нормальном давлении, превышающем структурную прочность. В первом случае угол внутреннего трения (w=2 %) равен 33°, а силы сцепления – 0,34 МПа. Во втором диапазоне нормальных давлений получено большее значение угла внутреннего трения, равное 44о, а силы сцепления составили 0,27 МПа. Эти же значения в одометре оказались Глава равными: 31° – для первого участка и 45° – для второго. было установлено, что угол внутреннего трения, определенный по результатам компрессионных испытаний при нагрузках, меньших структурной прочности, близок к углу, полученному в условиях прямого среза при нормальных давлениях, превы шающих структурную прочность.

Рис. 5.37. Предельные прямые для лессового грунта, построенные двумя методами 5.5. Компрессионные испытания с непрерывным нагружением Природные глинистые грунты показывают сложное поведение, и поэтому важно определить различия между их поведением в естественных и лабора торных условиях. Параметры сжимаемости, определяемые различными мето дами в лаборатории и полевых условиях, не должны отличаться. Однако различия существуют и зависят не только от структуры грунтов, но и скорости деформации при нагружении. При испытании образцов грунта в одометрах скорость деформации принимается в интервале 510 8–510 6 с 1. Например, для образцов, взятых из основания дамб или насыпей, – 510 12–110 8 с 1. Про должительные измерения осадок в полевых условиях с последующим перес четом позволяют найти более точные значения параметров сжимаемости, однако использование данного приема при проектировании практически невозможно, так как одинаковые инженерно геологические условия встреча ются очень редко.

В строительной практике Великобритании прочность стабилизированных глин определяют на седьмой день (BS 1924) и используют эту прочность при проектировании. Это время установлено исходя из требования между сокращением времени испытаний и ростом прочности. Прочность образцов будет увеличиваться и после семи дней, но стоимость испытаний будет также возрастать с течением времени. Пока прочность является основным пара метром, который используется при проектировании ряда сооружений. В то же время сжимаемость грунта может быть определяющей при проектировании оснований фундаментов по деформациям.

Имеется несколько методов измерения сжимаемости грунтов в лабора тории. Нагружение ступенями, применяемое в одометре, является общепринятым, а продолжительность испытаний занимает несколько дней.

Одометр Rowe позволяет измерить поровое давление образцов относительно большого размера – диметром 150 мм и высотой 40 мм. Нагружение жидкостью через гибкую мембрану позволяет создать однородные напря жения в образце грунта. Оценить сжимаемость грунта также можно в стабилометрах с измерением локальной деформации, используя датчики деформации, закрепленные на поверхности образца (Боткин, 1940; Jardine et al., 1984). Испытания в стабилометре могут продолжаться несколько суток или даже недель, так как каждое приращение нагрузки сохраняется постоянным до тех пор, пока поровое давление не стабилизируется или не будет достигнута заданная величина стабилизации деформации.

Испытания в одометре при нагружении ступенями не подходят для искусственно упрочненных грунтов, так как их жесткость возрастает не только по мере увеличения нагрузки, но и в процессе старения композитного материала, которым является упрочненный грунт. Когда испытываются упрочненные грунты, эффект зависимости стабилизации от времени может Глава влиять на определяемые характеристики сжимаемости, в особенности если испытания продолжительны.

Альтернативными испытаниями являются испытания с постоянной скоростью деформации (CRS), позволяющие оценить сжимаемость грунта в зависимости от эффективных напряжений за более короткое время. Метод данных испытаний в одометрах с постоянной скоростью консолидации был предложен Smith and Wahls (1969) и позднее Sheahan and Watters (1996). В этих опытах избыточное поровое давление допускается, но при условии, что оно небольшое или приращения нагрузки небольшие и вызывают только упругие деформации. Следует заметить, что испытания в действительности являются испытаниями с постоянной скоростью перемещения, так как высота образца не стандартизирована. Высота образца изменяется в течение опытов, но дефор мация выражается через начальную высоту, которая остается постоянной.

Следовательно, постоянная скорость деформации является приемлемой только для одного образца. Скорость деформации должна быть медленной, такой, чтобы поровое давление не влияло на результаты испытаний.

CRS испытания являются стандартными испытаниями естественных грунтов в Швеции, Норвегии, Соединенных штатах (ASTM D 4186 97) и Франции. Hamilton and Crawford (1959) были первыми, кто описал CRS ис пытания, но Smith and Wahls (1969) первыми предложили методику интерпретации данных испытаний. Скорость деформации в испытаниях шаговым нагружением (ступенями) изменяется со временем, а скорость деформации в CRS испытаниях является постоянной и отличается от первой.

Поэтому сопоставление результатов испытаний, полученных с использо ванием двух разных методов, следует проводить с осторожностью, только если скорость деформации одинакова.

CRS испытания были вначале разработаны для определения параметров сжимаемости, но не параметров консолидации, зависящих от времени. Это было обусловлено тем, что параметры сжимаемости являются основными при расчете деформации оснований. Однако в некоторых случаях более важно определить не конечную осадку, а изменение осадки со временем (скорость осадки). В этом случае оригинальную методику использовать нельзя, так как она основана на отсутствии избыточного порового давления. Сравнительно недавно разработан метод анализа, способный учитывать некоторую вели чину избыточного порового давления (Lee and Sills, 1979); поэтому сегодня можно определять параметры консолидации из CRS опытов.

При проектировании слабых водонасыщенных оснований часто исполь зуется прием горизонтального или вертикального дренирования для ускорения процесса консолидации глинистых грунтов. При решении этой задачи необходимо определить период стабилизации, для чего используются коэф фициенты консолидации как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Обычно значение коэффициента консолидации в вертикальном направлении устанавливается из испытаний образцов грунта в стандартных одометрах с применением нагружения ступенями (статическое нагружение) через заданные интервалы времени.

Испытаниям с использованием ступенчатого нагружения присущи сле дующие недостатки:

1. Испытания продолжаются несколько дней или недель.

2. Значения коэффициентов консолидации трудно оценить объективно, так как при их определении используется метод подгонки данных испытаний к известному решению (методы «логарифм времени» и «корень квадратный из времени»).

С целью устранения отмеченных недостатков был предложен метод испытаний с нагружением постоянной скоростью деформации (Hamilton and Crawford, 1959; Wisa et al., 1971; Umehara and Zen, 1980; Lee, 1981). Как правило, продолжительность опыта не превышает 2–6 часов.

5.5.1. Испытания с постоянной скоростью нагружения В испытаниях с постоянной скоростью нагружения скорость деформации принимается и поддерживается постоянной в ходе опыта. Эта скорость зависит главным образом от проницаемости и сжимаемости грунтов. В тече ние этих испытаний поровое давление изменяется в образце по парабо лической зависимости (рис. 5.38). Эта зависимость не постоянная, так как поровое давление возрастает в течение опыта до достижения максимума внешней нагрузки. Дренирование одностороннее, по направлению к поверх ности образца. Поровое давление измеряется в нижней части образца.

Глава Если известна высота образца грунта Н, скорость деформации 1, избы точное поровое давление ub в нижней части образца (при z=H) и удельный вес воды w, то коэффициент фильтрации определяется из выражения Среднее избыточное поровое давление в образце um может быть найдено из выражения а среднее эффективное напряжение при известном полном напряжении определяется следующим образом:

Найдя коэффициент фильтрации k и среднее эффективное напряжение, можно вычислить коэффициент консолидации c v :

где mv – коэффициент сжимаемости.

Некоторые глинистые грунты показывают анизотропное поведение при консолидации, характеризуемое различными деформациями в вертикальном и горизонтальном направлениях. Стандартные компрессионные приборы способны определять характеристики деформируемости только в верти кальном направлении. Для преодоления данного недостатка разработаны специальные конструкции одометров, позволяющие проводить испытания с постоянной скоростью деформации (CRS), как с вертикальными, так и горизонтальными условиями движения поровой воды. Результаты пока зывают, что CRS испытания проходят значительно быстрее и данные этих испытаний легче интерпретировать, чем результаты стандартных компрес сионных испытаний. Кроме того, так как компрессионная кривая из CRS испытаний является непрерывной, с ее помощью легко определить давление предварительного уплотнения.

Juirnarongrit (1996) разработал новый CRS одометр с возможностью радиального дренирования и получил новые уравнения, основанные на теории Barron’s (1948), для определения коэффициента фильтрации и консолидации в условиях радиального течения. Для испытаний с радиальным дренированием горизонтальный коэффициент фильтрации определяется из выражения где p – скорость перемещения штампа; u b – избыточное поровое давление на водонепроницаемой боковой границе образца; re – радиус образца; H – высота образца; – параметр, зависящий от rw (радиус центра дрены) и re.

Горизонтальный коэффициент консолидации вычисляется из выражения Определение коэффициентов консолидации при дренировании в вертикальном или горизонтальном направлении выполняется в специальных одометрах. В работе Seah et al. (2003) приведены результаты испытаний в одометрах различной конструкции – стандартных одометрах (OED) со ступенчатым нагружением и двух одометрах с возможностью радиального (CRS R) или вертикального (CRS V) дренирования – с постоянной скоростью деформации в обоих случаях.

Основные компоненты CRS R одометра с радиальным дренированием показаны на рис. 5.39. Одометр состоит из основания, камеры из двух частей (верхняя и нижняя обоймы), верхней плиты и штока нагружения. Нижняя часть камеры имеет внутренний диаметр 63,5 мм и используется для размещения образца. Отверстие в центральной части образца вырезается струной по двум направляющим, которые закрепляются с обеих сторон образца грунта, находящегося в нижней обойме. Затем в полученное отверстие вставляется цилиндрический пористый камень, в направлении которого выполняется радиальное дренирование воды при консолидации образца. После подготовки образца нижняя обойма закрепляется на основании, которое имеет отверстие диаметром 1 мм, смещенное на 13 мм от оси симметрии образца (позиция «а» на рис. 5.39). Это небольшое отверстие с одной стороны заполнено мелкозернистым каменным фильтром, а с другой стороны соединено с датчиком порового давления, закрепленным на нижней обойме. Второй датчик порового давления смонтирован в стенке нижней обоймы (позиция «б» на рис. 5.39). Таким образом, поровое давление измеряется в двух точках образца в процессе его консолидации. Верхняя обойма герметично соединена с нижней обоймой, что позволяет использовать камеру давления для водонасыщения образца. Штамп имеет в центре отверстие диаметром 10 мм и глубиной 15 мм под керамический фильтр, который входит в него свободно при консолидации образца. Два уплот нительных кольца в верхней части одометра обеспечивают герметичность соединений. Силы трения между сальником и штоком, между штампом и уплотнительными кольцами оцениваются при градуировке одометра. В Глава штампе имеются два отверстия для дренирования воды, поступающей в камеру давления. После сборки одометра он устанавливается в устройство силового нагружения, и в воде камеры давления создается обратное давление в 200 кПа для водонасыщения в течение 24 часов. Осевая нагрузка прикладывается непрерывно с заданной скоростью, а показания датчика силы, датчиков давления и перемещения записываются автоматически с использованием системы сбора данных.

1 – нагрузочный шток; 2 – канал спуска воздуха; 3 – камера давления; 4 – нижняя обойма;

5 – образец; 6 – основание; 7 – втулка; 8 – подшипник; 9 – канал управления давлением в камере; 10 – опорная плита; 11 – сальник; 12 – верхняя обойма; 13 – уплотнительное кольцо; 14 – мелкозернистый керамический фильтр; 15,16 – датчики порового давления;

17 – штамп; 18 – фильтр из пористого камня Одометр с вертикальным дренированием подобен одометру с горизон тальным дренированием, но отличается тем, что каналы дренирования в штампе расположены вертикально и высота образца принята равной 20 мм.

Между керамическим фильтром и штампом укладывается диск из фильтро вальной бумаги, препятствующий забиванию пор в керамическом фильтре.

Скорость деформации в одометре CRS V равна 3,310 6 /с, а в одометре CRS R – 2,210 6/с.

Как видно из рис. 5.40, компрессионные кривые не зависят от условий на гружения. Значение коэффициента консолидации зависит от направления дренирования. Следует подчеркнуть, что коэффициент консолидации при эффективных напряжениях, меньших давления предварительного уплот нения, намного больше, чем значения данного коэффициента при напряже ниях, превышающих давление предварительного уплотнения. Коэффициент фильтрации также оказывается больше в радиальном направлении.

Рис. 5.40. Компрессионные кривые из испытаний в одометрах CRS R, CRS V Глава При проведении испытаний образцов глинистых грунтов, отобранных из массива грунта тем или иным способом, важно оценить, в какой степени была нарушена структура грунта как при отборе монолита, так и в процессе вырезания образца из монолита.

Один из таких способов оценки основан на анализе компрессионных кривых. Компрессионные кривые у образцов ненарушенной структуры име ют явно выраженный начальный участок с небольшим углом наклона, продолжающийся практически до напряжений, соответствующих структур ной прочности. Другой способ оценки степени нарушения структуры основан на анализе изменения коэффициента консолидации в зависимости от эффективных нормальных напряжений. Разрушенные образцы обычно показывают постепенное изменение значения с v, в то время как в случае не нарушенной структуры значение с v будет изменяться резко при напряже ниях, близких к давлению предварительного уплотнения, а затем с ростом напряжений, будет оставаться почти постоянным.

Альтернативный способ оценки степени нарушения структуры гли нистого грунта основан на анализе изменения коэффициента порового давления (u / v ) в зависимости от эффективного вертикального напряжения (рис. 5.41, б). Для образцов с ненарушенной структурой характерно наличие резкого уменьшения коэффициента порового давления.

Рис. 5.41. Влияние нарушения структуры на результаты испытаний (Seah et al., 2003):

а – компрессионные кривые; б – изменение порового давления На кривой зависимости (u / v ) v наблюдается участок U образной формы (рис. 5.41, б) с минимальным значением (u / v ) при эффективном на пряжении, равном давлению предварительного уплотнения. В то же время образцы с нарушенной структурой показывают плавное изменение коэф фициента порового давления с ростом эффективных напряжений.

Определение давления предварительного уплотнения Метод, основанный на использовании результатов испытания образцов грунта в одометре с нагружением образца грунта заданной скоростью деформации (CRS), был предложен Juirnarongrit (1996). Результаты испы таний показывают, что значение эффективного напряжения при минимуме коэффициента порового давления весьма близко к значению давления предварительного уплотнения (рис. 5.42).

Рис. 5.42. К определению давления предварительного уплотнения Рис. 5.43. Сравнение метода Казагранде и метода Juirnarongrit (Seah et al., 2003) зонтальном направлении (Yune Глава et al., 2005) разработали конструкцию одометра, которая показана на рис.

5.44, 5.45. Одометр состоит из герметичной камеры с непроницаемыми верхним штампом и основанием и пористыми стенками для фильтрации поровой воды только в радиальном направлении. При водонасыщении образца используется обратное давление. Для измерения вертикальной деформации, нормального и порового давления применяются датчики перемещения, силы и давления, соответственно. Сбор данных и управление нагружением выполняются компьютером.

Рис. 5.44. Одометр с Рис. 5.45. Схема управления испытаниями (Yune et al., 2005): 1 – интерфейс осевого перемещения; 2 – интерфейс 1 – датчик силы; 2 – датчик осевой нагрузки; 3 – интерфейс порового давления;

перемещения LVDT; 3 – спус 4 – устройство сбора данных; 5 – устройство кной кран; 4 – сальник; 5 – управления обратным давлением; 6 – панель образец; 6 – нагрузочный управления осевым приводом; 7 – компьютер;

шток; 7 – канал обратного 8 – датчик силы; 9 – датчик перемещения LVDT; 10 – давления; 8 – камера дав одометр; 11 – основание; 12 – сервопривод;

ления; 9 – штамп; 10 – допол 13 – датчик порового давления нительный цилиндр; 11 – датчик порового давления Теоретическая основа для CRS испытаний с вертикальным дрениро ванием была разработана Wissa et al. (1971). Используя теорию бесконечно малых деформаций, связанных с нелинейным поведением грунта, Wissa et al.

получили выражения для определения среднего эффективного вертикального напряжения и коэффициента консолидации сv в виде:

где v = ( v1 + v 2 ) / 2 – среднее полное вертикальное напряжение; u b – среднее избыточное поровое давление на недренированной нижней границе;

H – текущая высота образца; v1, v 2 – полное вертикальное напряжение за период t = t 2 t1.

Для условий горизонтального дренирования решение с использованием дифференциального уравнения консолидации приведено в работе Yune et al.

(2005) и получено при условии наличия деформации в вертикальном направ лении, несжимаемости воды и твердых частиц грунта и полного водонасыщения грунта. Среднее эффективное вертикальное напряжение и коэффициент консо лидации в горизонтальном направлении определяются из выражений:

где u c – поровое давление в центре образца.

На рис. 5.46 приведены результаты испытаний глинистого грунта, вы полненные Yune et al. (2005). Испытания были проведены с образцами грунта нарушенной и ненарушенной структуры с целью определения коэффициентов консолидации в вертикальном и радиальном направлениях в условиях стан дартного нагружения ступенями и нагружения с заданной скоростью дефор мации. Нагружение ступенями выполнялось через 24 часа с удвоением пре дыдущей нагрузки. Скорость деформации принималась равной 4,2–12,9 %/ч.

В опытах не наблюдалось существенного различия между компрессионными кривыми CRS и кривыми ступенчатого нагружения для образцов нарушенной и ненарушенной структуры. Эффект влияния скорости деформации для CRS испытаний не был ясно определен в выбранном диапазоне скорости деформации от 4,2 %/ч до 12,9 %/ч. Параметры консолидации Cc и Cr и давление предварительного уплотнения р практически совпадают во всех испытаниях.

Глава Рис. 5.46. Коэффициент консолидации глины (Yune et al., 2005) нарушенной (а);

Значения коэффициентов консолидации с v и c r вычислены с использо ванием результатов CRS испытаний и испытаний при ступенчатом нагружении.

В последнем случае для нахождения среднего значения коэффициента консолидации на каждой ступени приращения нагрузки применен метод корня квадратного из времени. Для образцов с нарушенной структурой значения с v и c r возрастают (рис. 5.46, а) с ростом эффективного вертикального напряжения, что было обнаружено также Wang and Wei (1996). Эта тенденция сохраняется с изменением скорости деформации. Различие в значениях c r, полученных с использованием результатов CRS испытаний и испытаний с нагружением ступенями, составляет до 47 %. Для образцов с ненарушенной структурой (рис.

5.47, б) значения с v и c r уменьшаются с ростом эффективного вертикального напряжения до тех пор, пока не будет достигнуто давление предварительного уплотнения p, а затем практически остаются постоянными.

Рис. 5.47. Изменение коэффициента порового давления с ростом эффективных Глава Испытания показывают, что при нагружении с постоянной скоростью контролировать изменение порового давления для оценки процесса стаби лизации деформаций практически невозможно. Поэтому было предложено использовать (Smith and Wahls, 1969) коэффициент отношения порового давления к полному напряжению (u / v ) как индикатор изменения порового давления. Авторы рекомендуют 50 % е значение коэффициента порового давления как предельное. Gorman et al. (1978) предлагают принимать значение этого коэффициента не более 30–50 %, основываясь на сравни тельных опытах CRS, опытах с нагружением ступенями и опытах с контролем градиента поровой воды.

Во всех случаях (рис. 5.47, а,б) значения коэффициента порового давления вначале высокие, а затем уменьшаются до значений, меньших: 6 % для образцов с нарушенной структурой и 35 % – с ненарушенной структурой.

Значения коэффициента порового давления возрастают с ростом скорости деформации.

Значения коэффициента порового давления, приведенные на обоих графиках (рис. 5.46, а,б), ниже 50 %. Только при проведении испытаний с наибольшей скоростью деформации значения данного коэффициента превышают 50 % в начале нагружения. Однако результаты CRS испытаний даже в случаях, когда значения коэффициента порового давления выше предела 50 %, показывают хорошее совпадение компрессионных кривых и параметров с v и c r с данными, получеными при нагружении ступенями.

В работе (Kassim et al., 1999) приведено описание конструкции одометра (рис. 5.48, 5.49) и методики проведения испытаний с постоянной скоростью деформации. В качестве устройства силового нагружения используется стандартная силовая рама трехосного прибора с системой регулирования давлением. Дренирование возможно с обеих сторон образца грунта, но методика испытаний предусматривает дренирование только со стороны, противоположной границе, на которой находится датчик порового давления.

Это позволяет контролировать и измерять избыточное поровое давление на недренируемой стороне образца грунта и использовать измеренные значения для определения коэффициента консолидации. Система обратного давления связана с каналом дренирования для водонасыщения образца грунта. Нагру жение нормальной нагрузкой выполняется жестким штампом. Образец размещен в стальном кольце, которое находится внутри прозрачной камеры давления, рассчитанной на давление в 500 кПа.

Рис. 5. 48. Одометр для испытания с постоянной скоростью деформации 1,14 – датчики порового давления; 2 – нагрузочный шток; 3 – спускной кран;

4 – верхняя опорная плита; 5 – стяжные стойки; 6 – камера давления; 7 – прозрачный цилиндр; 8 – перфорированный штамп; 9, 12 – пористый диск; 10 – образец; 11 – стальное кольцо; 13 – основание; 15 – к контроллеру давления 1 – динамометрическое кольцо; 2 – датчик осевого перемещения LVDT;

3 – устройство силового нагружения; 4 – одометр Глава Образец грунта находится в стальном кольце диаметром 100 мм и высотой 30 мм. Устройство силового нагружения обеспечивает создание усилия в кН с нормальным давлением до 1250 кПа. Пористые диски введены с обоих торцов образца и находятся внутри стального кольца. Так как высота кольца 30 мм, то, с учетом толщины дисков, высота образца грунта составляет 23, мм. Для создания обратного давления при водонасыщении образца кольцо размещается внутри прозрачного цилиндра из оргстекла с толщиной стенок 25 мм. Обратное давление в камере не превышает 100 кПа. Толщина стенок цилиндра рассчитана на давление до 500 кПа. Уплотнительные кольца введены для обеспечения герметичности камеры и штока.

Дренирование осуществляется с верхней части образца. Перфори рованный штамп устанавливается на верхний пористый диск, через который создается обратное давление. Величина обратного давления контролируется датчиком давления. Можно приложить обратное давление и в нижней части образца, что позволит ускорить процесс водонасыщения образца грунта. В течение консолидации поровое давление на основании образца измеряется вторым датчиком давления. Стальное кольцо запрессовано в стенки прозрачного цилиндра, что обеспечивает герметичность их соединения и гарантирует движение воды только через образец грунта.

Обратное давление может быть приложено к верхней и нижней части образца. Обратное давление в верхней части образца равно давлению воды в камере. Это давление сохраняется в течение испытания. Конструкция позволяет либо поддерживать обратное давление в основании образца, либо перекрыть дренирование с основания и измерять поровое давление здесь. В процессе водонасыщения обратное давление прикладывается или к верхней, или к нижней части образца, а в процессе консолидации – только к верхней части образца.

Датчики подключены к автоматической системе сбора данных с использованием усилителей, АЦП и базы данных компьютера.

На рис. 5.50 приведены результаты нескольких испытаний каолина стандартным методом (нагружение ступенями) и методом CRS (постоянная скорость деформации). Скорость перемещения для CRS испытаний равна 0,03 и 0,05 мм/мин, а продолжительность – 145 и 75 минут, соответственно.

Это эквивалентно 0,13 и 0,21 %/мин, что для предела пластичности ниже 60 % совпадает с данными, полученными Gorman et al. (1978). Продолжительность испытаний стандартным методом составила шесть дней. Кривые для двух методов испытаний подобны, но имеется различие в начальных значениях коэффициента пористости. Если эти графики отобразить как функцию изменения коэффициента пористости, отнесенного к начальному коэф фициенту пористости (см. рис. 5.50), то кривые для CRS испытаний и стандартных испытаний подобны при скорости 0,05 мм/мин.