Какой модуль деформации – «правильный»?
Ни в одном нормативном документе не указано, в каких диапазонах определять модуль деформации, зато указано, что условия должны соответствовать действующему или предполагаемому напряженному состоянию. При выполнении испытаний в строгом соответствии с ГОСТ 12248 или ГОСТ 20276 невозможно в принципе получить одинаковые или близкие значения модулей деформации даже для одной и той же разновидности грунта. Условия испытания определяются в каждом конкретном случае программой испытаний, в зависимости от глубины залегания и дополнительной нагрузки от сооружения. Тогда откуда же взялось убеждение в существовании неких «механических констант», почему при прохождении экспертизы требуется «попадание в модуль» и что делать тем, кому требуются точные данные?
Каждый специалист в области инженерных изысканий или геотехнического проектирования знает, что механическое поведение грунтов с большим трудом поддается количественной оценке. Это связано с огромным количеством факторов, влияющих на жесткость и сопротивление сдвигу – и с этого утверждения начинается большинство курсов механики грунтов. Между тем, без количественной оценки невозможен расчет, а значит невозможно и само геотехническое проектирование. Именно поэтому за десятки лет разработаны многочисленные методы испытаний, позволяющие определить те или иные параметры, позволяющие с приемлемой точностью выполнить расчет основания.
В зависимости от поставленных целей меняются и методы их достижения. Для типовых сооружений в простых инженерно-геологических условиях достаточно применения хорошо известной модели Кулона-Мора, на которой построены все методы расчета, изложенные в СП 22.13330.2016. Для более сложных ситуаций рекомендуются уже нелинейные модели и численные методы расчета, что также отражено в СП. Методы определения параметров также определяются в зависимости от геотехнической категории: наиболее достоверным считается штамповое испытание, далее следует стабилометр и, наконец, компрессионное сжатие.
К сожалению, на практике все не так гладко.
Механические свойства определяются не только разновидностью грунта, но и условиями конкретной площадки: действующим уровнем напряжений, режимом дренирования, скоростью нагружения. Помимо этого, даже один и тот же грунт будет менять свое поведение в процессе деформирования. В своей основополагающей работе по механике грунтов K. Terzaghi напрямую указывает, что модуль деформации при компрессионном сжатии увеличивается с ростом давлений – в этом можно убедиться, заглянув на стр.97 русского издания данной книги 1933 года. В дальнейшем это наблюдение подтверждено и развито ведущими европейскими исследователями – J. Ohde, N. Janbu и многими другими. Данный вопрос изучался и крупнейшими отечественными учеными. В 1931 году Н.М. Герсевановым было показано, что принцип линейной деформируемости (а, следовательно, и само понятие модуля деформации) применимы к грунту только в случае, если зависимость между напряжениями и деформациями линейна. Для определения общих деформаций необходимы дополнительные условия, например, зависимость коэффициента пористости от давления, индивидуальная для каждого грунта. Фактически это означает, что компрессионная кривая — закон сжимаемости — грунта является его уникальной интегральной характеристикой. А раз эта кривая нелинейна, то и значение модуля деформации не может быть постоянной величиной. Следует отметить, что в зарубежных странах компрессионную кривую так и воспринимают: для описания закона сжимаемости используется логарифмическая функция вместо линейной.
Позднее Н.А. Цытович указывал (Механика грунтов, 1983, стр. 67), что принцип линейной деформируемости справедлив только для грунтов «средней уплотненности при давлениях порядка 0,1-0,3 МПа». Такой уровень напряжений вполне соответствовал уровню практических задач середины XX века, когда требовалось с высокой скоростью возводить типовые и технически несложные здания. В результате на этом предположении была построена вся система нормативных документов, и с этого момента модуль деформации в инженерных расчетах стал восприниматься как некоторая константа, определяемая разновидностью грунта. Тем не менее, в НиТУ 127-55 «Нормы и технические условия проектирования естественных оснований зданий и промышленных сооружений» содержится следующий параграф:
44 (4.7). Характеристики грунтов, входящие в расчет деформации основания (модуль сжатия, коэффициент бокового расширения, угол внутреннего трения, удельное сцепление), определяются с учетом природного напряженного состояния грунта на основе исследований грунтов.
Впервые справочные значения механических параметров появились в СНиП II-Б.1-62. Таблица 13 данного документа содержит нормативные и расчетные величины для песчаных и глинистых грунтов безотносительно генезиса. В дальнейшем эта таблица была расширена для грунтов различного генезиса и в СП 22.13330 приведена как Приложение А. При этом использование значений из Приложения А допустимо только при предварительных расчетах сооружений геотехнической категории 2 (п. 5.3.20).
Отметим, что представленные в Приложении А значения параметров с 1962 года по настоящее время принципиально не изменились. Для оценки изменений, произошедших в области строительства за 60 лет, специальных знаний не требуется – достаточно простой наблюдательности. Типовое сооружение 1962 года – пятиэтажное кирпичное здание с фундаментом мелкого заложения. Типовое сооружение в наши дни – условно КС-2 – жилое здание высотой не более 100 метров с подземной частью глубиной не более 15 метров, из монолитного железобетона. Совершенно очевидно, что диапазоны нагрузок на основание несопоставимы, как и глубины заложения.
Текущая редакция СП 22.13330.2016 с изменениями 1,2 и 3 ни в одном параграфе не устанавливает рекомендуемых значений параметров деформируемости. В разделах 6 и 9 указывается, что «деформационные характеристики определяются с учетом диапазона», однако величина данного диапазона не регламентируется. При этом, как и в документе 1955 года, указано, что их следует определять с учетом природного напряженного состояния на основе непосредственных испытаний (пп. 6.4.8, 6.4.13, 9.7). В качестве рекомендуемых методов указаны трехосное и компрессионное сжатие, штамповые и прессиометрические испытания.
ГОСТ 12248-2010 позволяет определять модуль деформации методами трехосного и компрессионного сжатия. Однако и здесь нет жесткого указания диапазона, зато представлены требования по учету исходного напряженного состояния. В соответствии с п. 5.3.6.7, «Испытания для определения характеристик деформируемости водонасыщенных в природных условиях грунтов проводят при постоянном всестороннем давлении в камере σ3 », а его величину принимают равным давлению консолидации σc (п. 5.3.6.11). Давление консолидации, в свою очередь «необходимо назначать в зависимости от предполагаемого напряженного состояния грунтового массива (с учетом расчетных нагрузок от сооружения и бытового давления)» — гласит п. 5.3.5.3. При интерпретации данных также нет конкретных рекомендаций: «5.3.7.6 При определении модуля деформации при КД испытаниях строят график зависимости (см. приложение И, раздел И.2). На графике принимают линейную аппроксимацию участков для заданных программой испытаний диапазонов напряжений». Таким образом, и уровень давлений, и диапазон давлений будут меняться от опыта к опыту, от площадки к площадке!
Это же относится к испытаниям компрессионного сжатия. В соответствии с п. 5.4.1.3 «Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний с учетом напряженного состояния грунта в массиве, т.е. с учетом передаваемых на основание нагрузок и бытового давления. Во всех случаях конечное давление должно быть больше бытового давления на глубине залегания образца грунта».
Аналогичная ситуация и в ГОСТ 20276-2012. Для штамповых испытаний согласно п. 5.4.1 «общее число ступеней давления после достижения давления, соответствующего вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта σzg на отметке испытания, должно быть не менее четырех». Конкретная величина одной такой ступени определяется разновидностью грунта и составляет от 0,01 до 0,1 МПа. Для прессиометрических испытаний вообще не приводится никаких условий по давлениям, так как сам по себе метод построен на компенсации и превышении бытового горизонтального напряжения.
Подведем промежуточный итог. Ни в одном нормативном документе не указано в каких диапазонах определять модуль деформации, зато указано, что условия должны соответствовать действующему или предполагаемому напряженному состоянию. При выполнении испытаний в строгом соответствии с ГОСТ 12248 или ГОСТ 20276 невозможно в принципе получить одинаковые или близкие значения модулей деформации даже для одной и той же разновидности грунта. Условия испытания определяются в каждом конкретном случае программой испытаний, в зависимости от глубины залегания и дополнительной нагрузки от сооружения. Тогда откуда же взялось убеждение в существовании неких «механических констант»? И почему при прохождении экспертизы требуется «попадание в модуль»?
Требования нормативных технических документов обеспечивают надежность и безопасность проектируемых конструкций, а в случае ГОСТ – качество результата определения параметров. Если в ходе испытаний соблюдены все требования ГОСТ по части условий и методики проведения опыта, использовалось сертифицированное и поверенное оборудование, то достоверность результата опыта считается обеспеченной. Следовательно, задачей эксперта в данном случае должна являться оценка соответствия выполненной работы требованиям нормативного документа.
Безусловно, величина полученного параметра – тоже косвенный признак качества испытания, ведь у модуля деформации есть физический смысл. Величина не может быть, например, отрицательной, или на порядок превосходить часто встречающиеся значения. Подобные случаи должны являться основанием для более внимательного изучения результата испытания, условий проведения опыта, даже добросовестности лаборатории. Но ни в коем случае не может результат испытаний «подгоняться» под значения из нормативного документа 60-летней давности!
Делается это обычно довольно просто: диапазон определения параметра смещается с реальных условий работы основания в область, где модуль получится пониже. Проектировщик потом хватается за голову и проектирует свайный фундамент вместо плитного. Осадка по результатам мониторинга составляет 5 мм вместо 120, но из чьего кармана оплачен такой запас уже никто не выясняет.
Вполне ожидаем контраргумент – а как эксперту оценить, насколько то или иное значение правдоподобно, если в нормативных документах и архивах нет этой информации? Для этих целей вполне можно использовать хорошо изученные закономерности изменения жесткости в зависимости от уровня напряжений, например, степенной закон N. Janbu:
где E – ориентировочное значение модуля; E0 – модуль деформации из приложения А, p – давление в опыте; p0 – давление в диапазоне 100-200 кПа; m – показатель силы данной зависимости, лежащий в диапазоне от 0,3 до 1.
Даже в таком, сильно упрощенном виде, он позволит оценить предельные значения параметра. Например, испытание трехосного сжатия для песка мелкого средней плотности при давлении в камере 300 кПа дало модуль деформации в 70 МПа. В Приложении А говорится, что должно быть 30 МПа (диапазон напряжений там не указан, но можно предположить привычные 100-200 кПа).
Полученное значение попадает в границы диапазона, результат испытания может считаться правдоподобным. Однако, повторимся, верные условия проведения опыта (включая содержание технического задания и программы работ) являются основным гарантом качества результата.
В настоящий момент сложилась печальная ситуация. Сложность проектируемых сооружений растет, а вместе с ней и требования проектировщиков к определяемым параметрам. Изыскательские организации располагают оборудованием для проведения высокоточных испытаний в любых диапазонах напряжений. Испытания выполняются (во всяком случае, когда в этом заинтересованы заказчик и исполнитель) с учетом исходного напряженного состояния. Но для прохождения экспертизы механические параметры подгоняются под уровень развития геотехники 1962 года.
Виновато в этом в первую очередь профессиональное сообщество. Недостаточное понимание принципов механики грунтов и вообще применимости понятия «модуль деформации» к грунту приводит к желанию проверить себя справочными данными. В качестве источника таких данных берется нормативный документ – что может быть надежнее? Испытание за испытанием дает одно и то же значение модуля (чтобы штампов делать поменьше, а коэффициент вариации был пониже). Эксперт раз за разом видит это значение, и отчеты успешно отправляются в архив. Песок средней плотности средней крупности получает клеймо « E0 = 30 МПа».
Данный вопрос давно требует открытого общественного обсуждения, с привлечением представителей изыскательского и проектного профессиональных сообществ, экспертизы и профильных научных организаций.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц
1.4. ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ГРУНТОВ ПРИ СЖАТИИ
Характеристикой деформируемости грунтов при сжатии является модуль деформации, который определяют в полевых и лабораторных условиях. Для предварительных расчетов, а также и окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III класса допускается принимать модуль деформации по табл. 1.12 и 1.13.
ТАБЛИЦА 1.12. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОДУЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ Е ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ
| Песок | Значения Е , МПа, при коэффициенте пористости е | |||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | |
| Гравелистый, крупный и средней крупности | 50 | 40 | 30 | – |
| Мелкий | 48 | 38 | 28 | 18 |
| Пылеватый | 39 | 28 | 18 | 11 |
Примечание. Значения E приведены для кварцевых песков, содержащих не более 20 % полевого шпата и не более 5 % в сумме различных примесей (слюды, глауконита и пр.).
ТАБЛИЦА 1.13. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОДУЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ Е ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
| Возраст и происхождение грунтов | Грунт | Показатель текучести | Значения Е , МПа, при коэффициенте пористости е | ||||||||||
| 0,35 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | |||
| Четвертичные отложения: иллювиальные, делювиальные, озерно-аллювиальные |
Супесь | 0 ≤ IL ≤ 0,75 | – | 32 | 24 | 16 | 10 | 7 | – | – | – | – | – |
| Суглинок | 0 ≤ IL ≤ 0,25 | – | 34 | 27 | 22 | 17 | 14 | 11 | – | – | – | – | |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | – | 32 | 25 | 19 | 14 | 11 | 8 | – | – | – | – | ||
| 0,5 < IL ≤ 0,75 | – | – | – | 17 | 12 | 8 | 6 | 5 | – | – | – | ||
| Глина | 0 ≤ IL ≤ 0,25 | – | – | 28 | 24 | 21 | 18 | 15 | 12 | – | – | – | |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | – | – | – | 21 | 18 | 15 | 12 | 9 | – | – | – | ||
| 0,5 < IL ≤ 0,75 | – | – | – | – | 15 | 12 | 9 | 7 | – | – | – | ||
| Флювиогляциальные | Супесь | 0 ≤ IL ≤ 0,75 | – | 33 | 24 | 17 | 11 | 7 | – | – | – | – | – |
| Суглинок | 0 ≤ IL ≤ 0,25 | – | 40 | 33 | 27 | 21 | – | – | – | – | – | – | |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | – | 35 | 28 | 22 | 17 | 14 | – | – | – | – | – | ||
| 0,5 < IL ≤ 0,75 | – | – | – | 17 | 13 | 10 | 7 | – | – | – | – | ||
| Моренные | Супесь и суглинок | IL ≤ 0,5 | 75 | 55 | 45 | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Юрские отложения оксфордского яруса | Глина | 0,25 ≤ IL ≤ 0 | – | – | – | – | – | – | 27 | 25 | 22 | – | – |
| 0 < IL ≤ 0,25 | – | – | – | – | – | – | 24 | 22 | 19 | 15 | – | ||
| 0,25 < IL ≤ 0,5 | – | – | – | – | – | – | – | – | 16 | 12 | 10 | ||
Примечание. Значения E не распространяются на лёссовые грунты.
1.4.1. Определение модуля деформации в полевых условиях
Модуль деформации определяют испытанием грунта статической нагрузкой, передаваемой на штамп [3]. Испытания проводят в шурфах жестким круглым штампом площадью 5000 см 2 , а ниже уровня грунтовых вод и на больших глубинах — в скважинах штампом площадью 600 см 2 .
Для определения модуля деформации используют график зависимости осадки от давления (рис. 1.1), на котором выделяют линейный участок, проводят через него осредняющую прямую и вычисляют модуль деформации Е в соответствии с теорией линейно-деформируемой среды по формуле
E = (1 – ν 2 )ωdΔp /Δs
(1.1)
где ν — коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации), равный 0,27 для крупнообломочных грунтов, 0,30 для песков и супесей, 0,35 для суглинков и 0,42 для глин; ω — безразмерный коэффициент, равный 0,79; d — диаметр штампа; Δр — приращение давления на штамп; Δs — приращение осадки штампа, соответствующее Δр.
Рис. 1.1. Зависимость осадки штампа s от давления р
При испытании грунтов необходимо, чтобы толщина слоя однородного грунта под штампом была не менее двух диаметров штампа.
Модули деформации изотропных грунтов можно определять в скважинах с помощью прессиометра (рис. 1.2) [3].
Трофименков Ю.Г., Воробков Л.Н. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов
Рис. 1.2. Схема испытания грунта прессиометром
1 — резиновая камера; 2 — скважина; 3 — шланг; 4 — баллон сжатого воздуха: 5 — измерительное устройство
В результате испытаний получают график зависимости приращения радиуса скважины от давления на ее стенки (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Зависимость деформаций стенок скважины Δr от давления р
Модуль деформации определяют на участке линейной зависимости деформации от давления между точкой р1 , соответствующей обжатию неровностей стенок скважины, и точкой р2 после которой начинается интенсивное развитие пластических деформаций в грунте. Модуль деформации вычисляют по формуле
E = kr0Δp /Δr
(1.2)
где k — коэффициент; r0 — начальный радиус скважины; Δр — приращение давления; Δr — приращение радиуса, соответствующее Δр .
Коэффициент k определяется, как правило, путем сопоставления данных прессиометрии с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта штампом. Для сооружений II и III класса допускается принимать в зависимости от глубины испытания h следующие значения коэффициентов k в формуле (1.2): при h < 5 м k = 3; при 5 м ≤ h ≤ 10 м k = 2; при 10 м < h ≤ 20 м k = 1,5.
Для песчаных и пылевато-глинистых грунтов допускается определять модуль деформации на основе результатов статического и динамического зондирования грунтов. В качестве показателей зондирования принимают: при статическом зондировании — сопротивление грунта погружению конуса зонда qc , а при динамическом зондирований — условное динамическое сопротивление грунта погружению конуса qd . Для суглинков и глин E = 7qc и E = 6qd ; для песчаных грунтов E = 3qc , а значения Е по данным динамического зондирования приведены в табл. 1.14. Для сооружений I и II класса является обязательным сопоставление данных зондирования с результатами испытаний тех же грунтов штампами.
ТАБЛИЦА 1.14. ЗНАЧЕНИЯ МОДУЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ Е ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ ДИНАМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
| Песок | Значения Е , МПа, при qd , МПа | |||||
| 2 | 3,5 | 7 | 11 | 14 | 17,5 | |
| Крупный и средней крупности | 20—16 | 26—21 | 39—34 | 49—44 | 53—50 | 60—55 |
| Мелкий | 13 | 19 | 29 | 35 | 40 | 45 |
| Пылеватый (кроме водонасыщенных) | 8 | 13 | 22 | 28 | 32 | 35 |
Для сооружений III класса допускается определять Е только по результатам зондирования.
1.4.2. Определение модуля деформации в лабораторных условиях
В лабораторных условиях применяют компрессионные приборы (одометры), в которых образец грунта сжимается без возможности бокового расширения. Модуль деформации вычисляют на выбранном интервале давлений Δр = p2 – p1 графика испытаний (рис. 1.4) по формуле
Eoed = (1 + e0)β/a
(1.3)
где e0 — начальный коэффициент пористости грунта; β — коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в приборе и назначаемый в зависимости от коэффициента Пуассона ν (табл. 1.15); а — коэффициент уплотнения;
a = (e1 – e2)/(p2 – p1)
(1.4)
ТАБЛИЦА 1.15. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА v И КОЭФФИЦИЕНТА β
| Грунт | ν | β = 1 – 2ν 2 /(1 – ν) |
| Песок и супесь | 0,30 | 0,74 |
| Суглинок | 0,35 | 0,62 |
| Глина | 0,42 | 0,40 |
Давление р1 соответствует природному, а р2 — предполагаемому давлению под подошвой фундамента.
Значения модулей деформации по компрессионным испытаниям получаются для всех грунтов (за исключением сильносжимаемых) заниженными, поэтому они могут использоваться для сравнительной оценки сжимаемости грунтов площадки или для оценки неоднородности по сжимаемости.
Рис. 1.4. Кривая испытания грунта на сжатие в компрессионном приборе
При расчетах осадки эти данные следует корректировать на основе сопоставительных испытаний того же грунта в полевых условиях штампом. Для четвертичных супесей, суглинков и глин можно принимать корректирующие коэффициенты m (табл. 1.16), при этом значения Еoed необходимо определять в интервале давлений 0,1—0,2 МПа.
ТАБЛИЦА 1.16. КОЭФФИЦИЕНТЫ m ДЛЯ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ, ДЕЛЮВИАЛЬНЫХ, ОЗЕРНЫХ И ОЗЕРНО-АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ПОКАЗАТЕЛЕ ТЕКУЧЕСТИ IL ≤ 0,75
| Грунт | Значения m при коэффициенте пористости e | ||||||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | |
| Супесь | 4,0 | 4,0 | 3,5 | 3,0 | 2,0 | – | – |
| Суглинок | 5,0 | 5,0 | 4,5 | 4,0 | 3,0 | 2,5 | 2,0 |
| Глина | – | – | 6,0 | 6,0 | 5,5 | 5,0 | 4,5 |
Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения
Модуль деформации песчаных грунтов
Модуль деформации песчаного грунта — это обобщенная характеристика деформативности песчаного грунта, характеризующая зависимость между давлением и полной деформации грунта (упругой и остаточной).
Таблица нормативных значения модуля деформации песчаных грунтов (согласно СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений):
Обозначение характеристик грунтов
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости, равном
Для промежуточных значений коэффициентов пористости (е) песчаного грунта, значения модуля деформации определяются интерполяцией (Онлайн-Интерполятор)
Модуль деформации грунтов
Все известные и применимые методы и способы определения модуля деформации — стабилометрические и компрессионные испытания, испытания грунтов радиальными и лопастными прессиометрами и штампами, — дают не одинаковые результаты при испытаниях на объекте одних и тех же грунтов.
При этом полученный модуль деформации Е, при проведении компрессионных испытаний, может отличаться в пять раз от результатов штамповых испытаний. А иногда в некоторых, схожих условиях полученные результаты штамповых и компрессионных испытаний оказываются близкими к друг другу.
А физические характеристики, глинистых и песчаных грунтов, плотность , влажность, пористость, карбонатность и др. присущие грунтам не зависят от метода определения.
Каким бы методом эти характеристики не определялись, они будут практически одинаковыми или очень близкими.
В отличие от них модуль деформации отражает реакцию грунтов на внешние воздействия, то есть является реактивной характеристикой.
При разных способах и методах воздействия, или нагрузки (давления на грунты), реакция грунтов будет неодинаковой, соответственно, разными будут и получаемые значения модуля деформации Е, грунтов и других деформационных характеристик.
Поэтому деформационные характеристики не однозначны и не могут быть представлены одним методом, и должны характеризоваться полевыми и лабораторными методами исследования, типом фундамента, конкретным сооружением, размерами нагрузок.
Это важное обстоятельство нормативно закреплено в СП 47.13330.2012 и СП 47.13330.2016.
Лабораторные методы определения модуля деформации надо при проведении инженерно-геологических изысканий необходимо сочетать с полевыми методами – статическим зондированием и штамповыми испытаниями грунтов.
Модуль деформации грунтов
При изучении деформационных, механических свойств грунтов обычно производятся компрессионные испытания, сущность которых заключается в том, что грунт подвергают уплотнению ступенями нагрузки в рабочих кольцах компрессионных или компрессионно-фильтрационных приборах и наблюдают за изменением относительного сжатия и коэффициента пористости e. При этом грунты уплотняются без возможности бокового расширения. Поэтому при компрессионных испытаниях преобладают деформации уплотнения. Деформации формоизменения имеют подчиненное значение.
В результате получают некоторую зависимость, которую обычно выражают в виде компрессионной кривой = f(p), e = f(p).
Для расчетов модуля деформации и коэффициента сжимаемости на компрессионной кривой выбирают две точки.
Первая точка должна соответствовать природной нагрузке на грунт.
Вторая точка — конечной нагрузке на грунт после возведения сооружения.
Конечная нагрузка равна нагрузке от проектируемого сооружения за вычетом нагрузки от веса грунта выше глубины заложения фундамента.
Таким образом, для одного слоя на разных глубинах расчетные интервалы нагрузок будут не одинаковыми, увеличиваться с глубиной, соответственно, будут отличаться и значения модуля деформации.
На практике, при инженерно-геологических изысканиях для строительства для расчета принимают интервал нагрузок — чаще всего от 0,1 до 0,3МПа.
И учитывают глубину отбора образцов, которая может быть значительно ниже глубины заложения фундамента, где природная нагрузка на грунт на много больше 0,1 МПа.
В результате получаются заниженные значения модуля деформации, которые соответствуют разуплотненному состоянию грунта и не отражается, для свойств в его природном залегании.
При изысканиях для ответственных сооружений инженеры геологи, составляя программу лабораторных испытаний, должны руководствоваться схемой распределений предполагаемых нагрузок от веса грунтов и дополнительных нагрузок от внешних воздействий.
Модуль деформации грунтов
Схема распределения нагрузок позволяет правильно определить нагрузки грунтов от собственного веса, которые с глубиной увеличиваются, и дополнительные на грузки от внешних воз действий, которые с глубиной рассеиваются, а не являются постоянными для всей толщи активного деформирования грунтов. К сожалению, в действующих нормативных документах отсутствуют единые требования к выбору интервала давлений для определения модуля деформации грунтов.
Для расчета модуля деформации, в соответствии с ГОСТом 12248-2012, вводится коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе.
Коэффициент зависит от значения коэффициента поперечной деформации (коэффициент Пуассона), который определяется при трехосных испытаниях. При отсутствии экспериментальных данных в ГОСТе предлагаются различные значения, на пример, для суглинков — 0,35–0,37.
Это значение характеризует все возможные со стояния грунтов — от твердого до текучего, что в принципе не верно, так как практически исключается существующая зависимость коэффициента Пуассона от показателя текучести IL, и в результате занижается модуль де формации при испытании грунтов устойчивой консистенции. Для рас чета рекомендуется использовать установленную Н.А. Цытовичем связь коэффициента Пуассона с показателем текучести IL: = 0,05 + 0,45 IL
При использовании этой зависимости будут получены более высокие значения (см. Взаимосвязь коэффициента Пуассона с показателем теку чести). При расчете коэффициента Пуассона по уравнению Н. А. Цытовича, коэффициент устойчивых грунтов, а, следователь но, и модуль деформации увеличивается почти в 1,5 раза.
Надо отметить, что действие ГОСТ 12248-96 согласно п. 5.4.1.1. распространяется на глинистые грунты с показателем текучести IL > 0,25. Вместе с тем, в п. 5.4.7.5 приведены значения для глин при IL< 0 и от 0 до 1.
На практике компрессионные испытания выполняются для любых грунтов без ограничений.
Модуль деформации грунтов
Представляют интерес данные сопоставления результатов компрессионных и штамповых испытаний.
Однако, как указывалось выше, с точки зрения метрологии и теории ошибок это сопоставление нельзя назвать корректным, поскольку компрессионные и штамповые испытания проводят в разных условиях. Неодинаковы степень сохранности природного сложения образцов грунта, объемы исследований, условия проведения испытаний, развитие и моделирование процесса деформирования грунтов.
Но, сопоставление результатов компрессионных и штамповых испытаний предусмотрено нормативными документами, и переходные коэффициенты от компрессионного модуля деформации к штамповому модулю широко используются на практике.
Модуль деформации грунтов
Для установления значений переходных коэффициентов от компрессионного модуля деформации к штамповому модулю использованы результаты 142 полевых испытаний глинистых грунтов штампом площадью 600 см2 и результаты лабораторных исследований состава и свойств испытуемых грунтов. Испытания выполнялись в глинистых грунтах ледникового и озерно-ледникового происхождения на различных объектах северо-запада России. Материалы испытаний собраны автором, взаимосвязи установлены Э.И. Ткачуком (см. Взаимосвязи характеристик ледниковых и озерно-ледниковых глинистых грунтов)
Установлено, что для
твердых грунтов среднее значение переходного коэффициента mср = 3,
для полутвердых грунтов mср = 2,
для тугопластичных грунтов mср = 1,5,
для мягкопластичных грунтов mср = 1,3,
для текучепластичных грунтов mср = 1,1,
для текучих грунтов mср = 0,97.
Максимальное значение m = 5,2, минимальное m = 0,5.
Как вид но, по мере увеличения показателя текучести компрессионный модуль приближается к штамповому и даже превышает его.
Необходимо отметить, что согласно ГОСТу 25100-95 указанная консистенция соответствует нарушенному состоянию грунтов. В природном, ненарушенном состоянии консистенция слабых грунтов иная, обычно позволяющая отобрать образец не нарушенного сложения (монолит) для лабораторных исследований.
Не соответствие консистенции, определяемой по ГОСТу 25100-95 и природной консистенции, вызывает немало вопросов. В нормативных документах это несоответствие необходимо обосновать или устранить.
Модуль деформации грунтов
Определение модуля деформации методом трехосных испытаний грунтов
Испытания проводятся в приборах трехосного сжатия (стабилометрах), которые позволяют определять прочностные и деформационные характеристики грунтов. Основное преимущество стабилометра – это возможность по воссозданию в образце грунта изначального напряженного состояния, со ответствующего напряженному состоянию грунта в условиях естественного залегания. Испытания по определению модуля деформации проводятся при заданном всестороннем давлении на образец. При этом имеют место не только деформации, но и уплотнение. Испытание для определения характеристик сжимаемости и прочности проводят при заданных определенных значениях всестороннего давления на образец.
Модуль деформации грунтов
Модуль деформации грунтов
По данным ОАО «ВНИ ИГ им. Б.Е. Веденеева», значения модуля деформации, которые получены при компрессионном сжатии, превышают значения, полученные при трехосном сжатии.
И при исследовании основания одного из проектируемых в Санкт-Петербурге зданий для диапазона давлений 1,5–3,5МПа наблюдалось стабильное превышение компрессионного модуля деформации над трехосным , составляющее 50–70 МПа. Это может быть только объяснено различным характером деформирования грунта в компрессионном приборе и стабилометре.
При этом имеют место только деформации формо – образования
Кроме того, высота образца в стабилометре в несколько раз выше, и в нем могут присутствовать тонкие про слои более слабых грунтов, трещины и другие дефекты, отсутствующие в образце, помещен ном в компрессионном приборе.
Модуль деформации грунтов
Определение модуля деформации методом штамповых испытаний.
Сущность метода заключается в замере возникающих перемещений металлического винтового или плоского штампа, сжатии им грунтов природного сложения, металлическим конусом или плоской поверхностью. Преимущественно применяют штампы площадью 600 и 5 000 см 2. Реже применяют штампы площадью 1 000, 2 500 и 10 000 см2.
При испытаниях грунтов штампами возможны как деформации уплотнения, так и деформации формо -изменения. При испытании песчаных грунтов главную роль играет уплотнение грунтов под штампом.
За время проведения испытаний глинистых грунтов уплотнение грунта из-за низких значений коэффициента фильтрации практически не успевает проявиться.
Здесь огромную роль играют деформации формо- изменения, особенно при испытаниях слабых грунтов, имеющих низкую прочность на сдвиг.
При испытании глинистых грунтов устойчивой консистенции штампами получаемый модуль деформации, как уже было отмечено, выше компрессионного модуля деформации.
В насыщенных водой глинистых грунтах штамповый модуль деформации не имеет никакого отношения к компрессионному.
Но иногда бывают и исключения. Например, при наличии трещин в твердых глинах, в случаях интенсивного поступления поверхностных или подземных вод на забой выработки, приводящего к размягчению глинистых грунтов.
Опыт показывает, что результаты испытаний штампом площадью 600 см2 мелких и пылеватых песков во многом зависит от степени насыщения водой грунтов. Например, при испытаниях штампом насыщенных водой мелких и пылеватых песков озерно-ледникового комплекса наиболее часто получают значение модуля деформации 8–15 МПа.
При испытаниях тех же песков средней степени водонасыщения и маловлажных модуль деформации от 20–30 МПа и более.
Известно, что чем больше площадь штампа, тем, как правило, выше значение модуля деформации для од них и тех же грунтов. Например, для ледниковых суглинков северо-запада России модуль де формации по результатам испытаний штампом площадью 5 000 см2 на 20% выше модуля деформации, полученного по результатам испытаний штампом площадью 600 см2.
Занижение модуля деформации в песках насыщенных водой, обусловлены разуплотнением частиц песка на забое скважины. Что и сопровождается подъемом частиц песка, по стволу скважины, из за притока воды.
В результате наблюдаемые осадки под штампом оказываются сильнее, чем осадки не раз уплотненного грунта.
При испытаниях крупнообломочных грунтов необходимо обращать внимание на подготовку забоя.
В случае, если над забоем будут выступать крупные об ломки пород, происходит увеличение напряжений на выступах, что ведет к неправильной осадки штампа, вдавливающего не весь грунт, а только его выступающие части, и уменьшения модуля деформации.
Модуль деформации грунтов
При испытаниях крупнообломочных грунтов важно оценить репрезентативность (представительность) испытуемого объема грунта. Репрезентативную площадь Sr штампа для испытаний грунтов, содержащих q обломков диаметром d, можно определить расчетным путем по формуле Sr =d2/ 4q
Получается, что результаты испытания грунтов штампом площадью 5 000 см2и больше вернее результатов испытания штампами меньших размеров. Достоверность возрастает в результате повышения репрезентативности испытаний, а так же в связи с тем, что при одном и том же удельном давлении в случае использования большего штампа возрастает его осадка и, соответственно, увеличивается точность ее измерения. При расчете значения модуля деформации в соответствии с требования ми ГОСТа 20276-2012 модуль де формации занижается, не столь существен но, как при компрессионных испытаниях.
В формулах расчета модуля деформации по результатам штамповых испытаний для глинистых грунтов предусматривается постоянное значение коэффициента Пуассона , соответствующее грунтам не устойчивой консистенции. Поэтому для расчета модуля деформации рекомендуется применять значение , рас считанное по уравнению Н.А. Цытовича
Определение модуля деформации Прессиометрические испытания грунтов
Проведение прессио-метрических испытаний заключается в обжатии стенок буровой скважины эластичной камерой (радиальный прессиометр) или двумя металлическими выдвижными лопастями (лопастной прессиометр) с замером возникающих при этом де формаций грунта. При испытаниях необходимо учитывать, что модуль деформации определяется в направлении, перпендикуляр ном к обычному, вертикальному направлению действия нагрузки, что имеет значение при испытаниях анизотропных грунтов. Чаще всего прессио-метрические испытания выполняются в глинистых грунтах, в которых проявляются, в основном, деформации формо- изменения. Один из главных факто ров, влияющих на качество прессиометрических испытаний — длительность стояния скважины до начала испытаний. Длительность стояния скважины определяет сохранность природного состояния грунтов. Известны случаи, когда скважины сужались в результате длительного стояния, и испытания выполнялись на раз уплотненных грунтах. В некоторых грунтовых массивах, в результате действующих в них дополнительных напряжений (на пример, вызванных тектоническими перемещениями), сужение ствола скважины наблюдалось уже в процессе бурения. В связи с этим, не рекомендуется оставлять радиальный прессиометр в скважине при перерывах в работе, поскольку извлечение прибора из суженного ствола может привести к разрыву эластичной камеры. При уровне подземных вод выше от метки испытаний глинистый грунт в стенках скважин ослабляется (размокает, разжижается и пр.), поэтому задержки с началом испытаний ниже уровня воды недопустимы. Испытания лопастным прессиометром ниже забоя скважины или в массиве исключают разуплотнение грунтов. При расчете модуля деформации по результатам испытаний лопастным прессиометром коэффициент Пуассона ν рекомендуется определять по уравнению Н. А. Цытовича.
Модуль деформации грунтов
УРАВНЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОРИСТОСТИ E:
- пески крупные и средней крупности не зависимо от влажности e = 0.775 — 0.015 qз;
- пески мелкие не зависимо от влажности e = 0.8255 — 0.01875 qз;
- пески пылеватые не водонасыщенные e = 0.8857 — 0.02857qз;
- пески пылеватые водонасыщенные e = 0.88 — 0.04 qз.
При веденные уравнения соответствует значениям qз табл. И.1 СП 11-105-97 и значениям e табл.Б.18 ГОСТ 25100-95.
Определение модуля деформации методом статического зондирования.
Статическое зондирование производится вдавливанием зонда в грунт с одновременным измерением показателей сопротивления грунта зондированию. Это эффективный и общепризнанный полевой метод исследования свойств грунтов. Однако, статическое зондирование является косвенным методом исследований. Значения модуля деформации при таких исследованиях определяют на основе корреляционных зависимостей с удельным со -противлением грунта под ко ну сом зон да qз.
Для получения надежных значений модуля деформации грунтов должны использоваться корреляционные зависимости между показателя ми статического зондирования и результатами прямых испытаний грунтов, выполненных в исследуемом районе, а еще лучше, на данной площадке.
Вместе с тем, очень часто для определения модуля деформации используют табличные значения, приведенные в СП 11-105-97, которые не всегда соответствуют действительным свойствам грунтов. Особенно это касается песчаных грунтов, для которых характеристики E, а так же c, φ приведены без учета крупности песков. По этому, если нет корреляционных зависимостей модуля деформации и показателей зондирования, следует вначале по результатам статического зондирования определить коэффициент пористости, а за тем по табл. Г.1 СП 50-101-2004 установить значения E (а так же c, φ), которые в указанных документах приводятся с учетом крупности песков кварц- полевошпатового состава. При интерпретации результатов статического зондирования следует учесть некоторые его особенности. На пример, насыщенные водой пылеватые пески и супеси озерно-ледникового происхождения могут оказывать высокое сопротивление погружению зонда. Но при динамических воз действиях эти грунты легко переходят в плывунное состояние, что может привести к деформациям сооружений. В данном случае высокое сопротивление зондированию еще не служит гарантией высокой прочности грунтов. Резкие скачки на графиках статического зондирования нередко связаны с созданием и разрушением уплотненной зоны вокруг внедряемого конуса, а не с изменчивостью состава и свойств грунтов. При статическом зондировании песчаных грунтов в случае уменьшения сопротивления может создаться ошибочное впечатление о снижении плотности сложения песков, хотя на самом деле сопротивление падает в связи с вхождением зонда в водонасыщенные отложения, которые могут быть не менее плотными, чем выше лежащие грунты. Если под конус зонда попадает твердое включение, то в слабых грунтах оно перемещается вместе с зондом и, соответственно, будет зарегистрировано высокое сопротивление грунтов. С учетом перечисленных особенностей часть точек зондирований должна размещаться рядом с буровыми скважинами. В свою очередь, результаты бурения уточняются на основании статического зондирования.
Модуль деформации грунтов
Требуемое качество результатов деформационных исследований определяется уровнем ответственности проектируемого сооружения, сложностью инженерно-геологических условий, действующими нормативными документами, требованиями заказчика. Очевидно, что нет смысла добиваться высокой точности модуля деформации во всех случаях проектирования. В некоторых случаях можно воспользоваться табличными данными, в других — корреляционной зависимостью физических и деформационных характеристик или корреляционной зависимостью параметров зондирования и деформационных характеристик, и т.п.
При изысканиях под ответственные сооружения в сложившейся практике инженерно-геологических изысканий большая часть де формационных исследований выполняется компрессионными методами. Затем результаты компрессионных исследований увеличиваются на коэффициент перехода к штамповому модулю деформации, который может отражать результаты испытаний штампа ми площадью 5 000 см2или 600 см2. Согласно Пособию к СНиП2.01-83 п.2.54, наиболее достоверным методом являются испытания грунтов в шурфах и котлованах штампом площадью 5 000 см2.
В случаях высокого уровня подземных вод, большой глубины исследования и очень низ ких температур воздуха испытания штампами площадью 5 000 см2не проводятся, и в качестве приоритетного метода принимаются испытания грунтов в буровых скважинах винтовым штампом площадью 600 см2.
Инженерные изыскания на каждом объекте должны быть специфичны, строго соответствовать проектной задаче, определять преимущественно параметры грунтов, необходимые для алгоритма расчёта или не расчётного назначения геотехнических мероприятий по защите фундаментов и геологической среды от ожидаемых вредных воздействий. Такой подход обеспечивает проектировщика необходимыми данными при минимуме затрат со стороны заказчика. Однако, он требует продуманно геотехнического задания и не стандартных решений по программам изысканий.