Выражение (2.27) можно записать в виде 4 глава

 

 

Рисунок 3.25. - К определению прочностных характеристик: 1 - прямая Кулона,

2, 3 - предельные круги Мора

 

При наличии двух предельных кругов напряжений параметры прочности j и с можно определить по формулам, которые легко вывести из геометрических построений.

(3.57)

В этих формулах принято - значения предельных главных напряжений, полученных в двух опытах, причем .

Для n опытов характеристики прочности определяются методом наименьших квадратов по формулам:

(3.58)

Таким образом в стабилометрических испытаниях грунтов определяются и деформационные характеристики грунта () и прочностные параметры грунта ().

 

3.7. Особенности механических свойств структурно-неустойчивых грунтов

 

3.7.1. Просадочность грунтов

 

Главной отличительной особенностью просадочных грунтов является их способность давать дополнительные осадки при увлажнении, даже при отсутствии внешней нагрузки. Просадочность - это способность грунта уменьшаться в объеме при замачивании без увеличения нагрузки. Таким образом, отличие просадки от осадки состоит в том, что осадка подразумевает деформирование грунта по мере увеличения нагрузки, а просадка - только в результате замачивания.

Величина предельно допустимой осадки для фундаментов составляет обычно несколько сантиметров. Величина же просадок в просадочных грунтах при их значительной мощности достигают иногда 1…2 м. Причем просадки эти могут развиваться и при отсутствии внешней нагрузки, т.е. только под действием собственного веса грунта. В сухом состоянии просадочные грунты являются хорошим основанием.

Пористость таких грунтов очень высокая – до 55…65%, естественная влажность низкая 0,08…0,16 при степени влажности S_r < 0,5. Т.е. такие грунты обладают высокой естественной недоуплотненностью и недоувлажненностью. Агрегаты частиц соеденены между собой водорастворимыми солями. Вода, проникая в грунт, растворяет эти связи и переводит грунт в состояние жидкого коллойдного раствора, в результате чего грунт сильно уплотняется.

Итак, просадочные свойства обусловлены в основном двумя факторами - высокой пористостью и наличием водонестойких связей, представленных легкорастворимыми солями, чаще всего карбонатами. Из курса Инженерной геологии известно, что карбонаты реагируют с 10% раствором соляной кислоты. Поэтому в материалах инженерно-геологических изысканий всегда указывается характер реакции грунта с соляной кислотой.

Характеристики просадочности определяются по результатам испытаний образцов грунта ненарушенного сложения в компрессионных приборах и выполняются по одной из двух схем - метод одной кривой и метод двух кривых.

Метод одной кривой применяют (рис.3.26) для определения относительной просадочности при одной заданной величине давления. Эта величина давленияпринимается равной суммарному давлению от собственной массы грунта в водонасыщенном состоянии и от проектируемого фундамента или только от массы грунта (в зависимости от вида просадочных деформаций, для расчета которых определяются характеристики просадочности) на глубине отбора образца. После условной стабилизации осадки образца грунта на последней ступени задаваемого давления, образец грунта замачивается водой, затем исследование сжимаемости может быть продолжено уже для состояния полного водонасыщения (рис. 3.26).

 

 

Рисунок 3.26. - Определение просадочности грунтов методом одной кривой.

 

 

Методом двух кривых определяют относительную просадочность при различных давлениях (рис. 3.27). По этой схеме один образец грунта испытывается при естественной влажности, а другой - после предварительного полного водонасыщения.

 

Рисунок 3.27. - Определение просадочности грунтов методом двух кривых:

1 - для образца естественной влажности, 2 - для водонасыщенного образца

 

 

Обычно просадочные свойства лессовых грунтов оценивают двумя характеристиками: относительной просадочностью e _sl и начальным просадочным давлением p_sl.

Относительная просадочность e _sl определяется по формуле

, (3.59)

где h ₀ - высота образца природной влажности; h_sl — высота образца при том же давлении после замачивания.

Грунт считается просадочным, если относительная просадка e _sl ³ 0,01.

Если провести компрессионные испытания просадочного грунта с замачиванием при различных давлениях, можно получить зависимость (рис. 3.28). Начальное просадочное давление - это давление, при котором относительная просадочность e _sl впервые достигает значения 0,01.

 

Рисунок 3.28. - Зависимость относительной просадки от величины давления

 

3.7.2 Особенности механических свойств мерзлых грунтов

Мерзлые грунты обладают рядом специфических свойств, обусловленных наличием в этих грунтах льда [39]. Одним из таких свойств является морозное пучение грунтов.

Морозным пучением называется процесс увеличения объема грунта при его промерзании. Причина данного явления заключается в свойстве воды увеличиваться в объеме на 9% при превращении в лед. Соответственно, интенсивность морозного пучения грунта определяется количеством содержащейся в нем воды и степенью заполнения пор водой. Морозное пучение грунта происходит в определенном интервале температур. Температура начала пучения на несколько десятых градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Температура конца пучения отличается изменчивостью и находится опытным путем, ориентировочное ее значение: -3° …-5°.

Существенное влияние на величину морозного пучения оказывает явление миграции влаги к фронту промерзания в глинистых грунтах. Силы, вызывающие указанное явление имеют электромолекулярную природу и придают процессу миграции влаги устойчивый характер. Скорость миграции влаги пропорциональна градиенту температуры и влажности в грунте. Результат миграции выражается в подтягивании к фронту промерзания грунта дополнительного объема вода, что, в частности, приводит к росту линз льда-включений.

Для количественной оценки величины морозного пучения используется специальная характеристика - относительная деформация морозного пучения :

где - вертикальная деформация образца грунта (например, при его промораживании в компрессионных условиях); - толщина промерзшего слоя образца.

В зависимости от величины грунты подразделяются по степени пучинистости (табл. 3.2).

 

Таблица 3.2. - Характеристика пучинистости грунта

Значение	Характеристика пучинистости
	непучинистый
	слабопучинистый
	среднепучинистый
	сильнопучинистый
	чрезмернопучинистый

 

На величину пучения оказывает влияние сжимающее давление на грунт. Пучение при нулевом давлении называется свободным. Пучению подвержены водонасыщенные глинистые грунты и пылеватые пески.

Другим специфическим свойством является осадка мерзлого грунта при его оттаивании. Этот процесс обусловлен отжатием из пор грунта воды, образовавшейся после таяния льда-цемента, а также ослаблением структурных связей между частицами оттаявшего глинистого грунта.

Количественной оценкой осадки мерзлого грунта при оттаивании служит относительная осадка при оттаивании :

где - величина осадки образца мерзлого грунта высотой при оттаивании, например, в компрессионных условиях, при действии на него сжимающей нагрузки .

Опытным путем установлено, что величина относительной осадки при оттаивании зависит от действующего давления и эта зависимость может быть принята линейной:

где - коэффициент оттаивания; - коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта.

Содержание в мерзлом грунте льда оказывает существенное влияние на его деформационные и прочностные свойства. Дело в том, что лед имеет порог ползучести равный практически нулю. Следовательно, даже малые сдвигающие нагрузки на лед будут приводить к развитию в нем деформаций ползучести различной интенсивности в зависимости от температуры льда. Это свойство льда, соответственно, передается и мерзлому грунту. Поэтому и прочностные параметры мерзлого грунта и его деформационные характеристики будут зависеть как от температуры мерзлого грунта, так и от времени действия нагрузки.

Сопротивление мерзлого грунта сдвигу, так же как и талого, может быть выражено законом Кулона:

Параметры прочности мерзлого грунта - угол внутреннего трения и удельное сцепление будут зависеть от температуры мерзлого грунта q и времени t, прошедшего с момента приложения нагрузки. Мгновенной прочности грунта будет отвечать время , а параметры мгновенной прочности зависят только от температуры грунта q: , . Длительная прочность описывает сопротивление мерзлого грунта сдвигу для неограниченного времени действия нагрузки: , . Кривые ползучести мерзлого грунта при сдвиге подобны рассмотренным кривым ползучести для талого грунта и имеют те же характерные стадии: неустановившаяся ползучесть, установившаяся ползучесть и прогрессирующее течение. Сложность заключается в том, что в реальных условиях работы мерзлого грунта температура не остается неизменной и, следовательно, прочностные и деформационные свойства грунта будут изменяться.

Для оценки деформируемости мерзлых грунтов устанавливаются зависимости между напряжениями и относительными деформациями для различных моментов времени действия нагрузки: . Для определенности будем считать, что указанная функция отражает одноосное сжатие образца мерзлого грунта. Эти зависимости могут быть получены из семейства кривых ползучести. Если кривые ползучести показывают зависимость деформации от времени при постоянном напряжении, то функции описывают достигнутый уровень деформаций от напряжения для конкретного времени действия нагрузки. На рис. 3.29 показаны характерные графики зависимости , полученные опытным путем. Результаты экспериментов достаточно точно описываются степенными зависимостями вида:

,

где и - параметры деформируемости мерзлого грунта.

Параметры и являются в свою очередь функциями времени действия нагрузки, а также температуры мерзлого грунта: и .

Рисунок 3.29. - Графики зависимости .

 

Данное описание приведено в качестве примера оценки прочностных и деформационных свойств мерзлого грунта. В полном объеме вопросы деформируемости и прочности мерзлого грунта рассматриваются в специальной литературе.

 

3.8. Полевые методы исследования механических свойств грунтов

 

3.8.1. Общие сведения

 

В предыдущих параграфах были изложены основные лабораторные методы определения механических характеристик грунтов. Было также показано, что под механическими характеристиками понимаются расчетные параметры, которые используются в той или иной идеализированной модели грунта. При этом в достаточно сложных моделях не всегда ясно удается представить физический смысл используемых параметров, которые, однако, должны быть определены экспериментально, причем в условиях, соответствующих принимаемой модели грунта. Многие из таких параметров могут быть определены только лабораторным путем.

В то же время лабораторные методы определения механических свойств грунтов, хотя и используются повсеместно в работе и расчетах, подвергаются критике. Главные недостатки лабораторных испытаний - невозможность полного сохранения структуры при отборе и транспортировке образцов, их природной влажности по всему объему; малый объем образцов, не характеризующий толщу в целом, и, наконец, несовершенство лабораторной испытательной аппаратуры.

Полевые методы некоторых перечисленных недостатков лишены, но имеют свои, иногда еще более существенные.

Есть, однако, условия, когда полевые методы являются практически единственно возможными, например, при исследовании водонасыщенных песчаных грунтов, слабых водонасыщенных глинистых грунтов, когда монолиты грунта ненарушенной структуры отобрать невозможно. Незаменимы полевые испытания, например статическое зондирование, и при выделении границ инженерно-геологических элементов.

В целом, результаты полевых испытаний считаются более достоверными, но, вместе с тем, и более дорогостоящими.

 

3.8.2. Определение модуля деформации грунта методом штамповых испытаний

 

Существуют две разновидности штамповых испытаний - в шурфах и скважинах. Площадь штампа при испытаниях в шурфах обычно равна 2500...5000 см², а при испытаниях в скважинах — 600 см². Конструктивно штамповые установки могут быть оформлены разнообразно. Все они должны удовлетворять следующим требованиям: штамп должен быть жестким, необходимы устройства для ступенчатой передачи нагрузки и для измерения перемещений. Один из вариантов такой установки показан на рис. 3.30. Штамп, притертый ко дну шурфа, загружают отдельными ступенями с общим их числом не менее 4...5. Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформаций основания (рис. 3.31, а).

 

Рисунок 3.30. - Схема штамповых испытаний: 1 - штамп, 2 - прогибомеры, 3 - домкрат,

4 - упорная балка, 5 - анкерная свая

а)	б)

Рисунок 3.31. - Результаты штамповых испытаний: (а) - затухание осадки от каждой

ступени нагружения, (б) - зависимость осадки от нагрузки

По результатам испытания строится график зависимости осадки штампа от нагрузки (рис. 3.31, б).

Для определения модуля деформации используют начальный прямолинейный участок. За границу прямолинейного участка графика «осадка—нагрузка» принимается ступень нагрузки, при которой приращение осадки в два раза больше, чем за предыдущую ступень. Модуль деформации грунта определяют с использованием упругого решения Шлейхера об осадке незаглубленного штампа:

где - коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа (для круглого штампа принимается равным 0,78, а для квадратного - 0,88); - диаметр (ширина) штампа; n - коэффициент Пуассона; - приращение среднего давления по подошве штампа на линейном участке зависимости ; - приращение осадки штампа при изменении давления на . Модуль деформации грунта, получаемый на основе штамповых испытаний, имеет, как правило, наиболее высокое значение по сравнению с другими методами.

Наряду с преимуществами штамповый метод имеет свои недостатки: 1) громоздкость; 2) трудоемкость и большая стоимость; 3) принятые допущения при теоретическом решении задачи Шлейхера, в частности неучет заглубленности штампа; 4) при определении модуля деформации в водонасыщенных грунтах невозможно контролировать дренирование.

Штамповые испытания позволяют оценить сжимаемость грунтов на глубину, равную примерно полуторной ширине штампа, и оценивают сжимаемость такого слоя интегрально, без учета сжимаемости отдельных слоев, прослоек и т.д. Поэтому по своей идее штамповые испытания могут иметь ограниченное значение, а не «эталонное», как это часто интерпретируется.

 

3.8.3. Прессиометрический метод определения модуля деформации

 

Прессиометрические испытания применяются, как правило, для изучения сжимаемости изотропных грунтов, у которых она в вертикальном и горизонтальном направлениях одинакова.

Суть метода заключается в следующем: пробуривается скважина и в нее на требуемую глубину опускается специальный зонд, представляющий собой герметичную резиновую камеру (рис.3.32). Прессиометрическая установка позволяет создавать в камере заданное давление и имеет устройство для измерения расширения резиновой камеры под действием приложенного давления.

 

 

Рисунок 3.32. - Конструкция прессиометра: 1 - трос, 2 - верхний фланец, 3 - труба, 4 - эластичная оболочка, 5 - нижний фланец, 6 - дистанционные датчики, 7 - шланги высокого давления, 8 - манометрическая головка, 9 - штуцер, 10 - кабель и регистрирующий прибор

 

 

Очевидно, что прессиометрический метод может применяться лишь в устойчивых грунтах, не требующих крепления стенок скважины. Модуль деформации вычисляется по полуэмпирической формуле

,

где - эмпирический коэффициент; - начальный диаметр скважины; - приращение давления в камере; - приращение диаметра скважины от давления. Модуль деформации можно по данному методу определить также из выражения Ляме:

где - коэффициент Пуассона; - давление в прессиометре; - относительная радиальная деформация в скважине.

 

3.8.4. Определение сопротивления сдвигу методом лопастного среза (метод крыльчатки)

 

Этот метод был впервые предложен в Швеции и особенно широко применяется при исследовании прочности слабых водонасыщенных грунтов, из которых затруднительно отобрать монолиты грунта ненарушенной структуры для лабораторных испытаний. Схема установки, действующей по этому методу, показана на рис.3.33.

Рисунок 3.33. - Конструкция крыльчатки: 1 - крыльчатка с четырьмя лопастями, 2 - штанга, 3 - центрирующая обойма, 4 - обсадная труба, 5 - зажимное устройство, 6 - оголовок

прибора, 7 - рукоятка червячного редуктора, 8 - циферблат торсиометра

 

 

В забой скважины ниже конца обсадной трубы в грунт вдавливается лопастная крыльчатка. С помощью специального устройства крыльчатка поворачивается вокруг оси, и грунт срезается по боковой поверхности цилиндра и его торцу. Усилие, необходимое для такого среза, измеряется с помощью специального прибора - торсиометра, который путем тарировки позволяет определить крутящий момент на любой период времени . Предполагается, что предельные касательные напряжения по боковой поверхности цилиндра распределены равномерно, а по торцу - по закону треугольника.

Из условий равновесия можно определить предельное сопротивление грунта срезу , которое приближенно равно общему сцеплению грунта:

где и - диаметр и высота крыльчатки. Из приведенной формулы видно, что результаты таких испытаний могут быть использованы лишь при рассмотрении грунта как идеально-связного тела, так как при лопастном срезе определить внутреннее трение грунта невозможно.

 

3.8.5. Статическое и динамическое зондирование

 

Эти методы в последнее время находят широкое применение в изыскательских работах. Для проведения зондирования разработано мобильное оборудование различных модификаций, методы отличаются незначительной трудоемкостью и достаточной точностью. Они основаны на внедрении в массив специальных конических зондов, обеспечивающих непрерывное получение информации о свойствах грунтов. Такие методы включают в себя пенетрацию и зондирование грунтов.

Если рабочий конус погружается на глубину, не превышающую его высоту, то такие испытания называют пенетрацией, а когда глубина исследования превышает высоту конуса зонда, применяют термин «зондирование».

По способу погружения зонда в грунт зондирование подразделяется на динамическое, если зонд погружается ударами стандартного молота определенного веса, и статическое, если зонд вдавливают в грунт с заданной скоростью и одновременно измеряют сопротивление грунта этому вдавливанию.

Размеры зондов как для статического, так и для динамического зондирования стандартизованы. Для примера на рис. 3.34 показаны конструкции зондов для статического зондирования. Несколько реже применяют вибрационное зондирование.

При проведении статического зондирования существующие установки позволяют раздельно измерять значение сопротивления грунта под наконечником и на боковой поверхности зонда, что особенно важно при изысканиях для проектирования свайных фундаментов. Результаты статического зондирования представляют в виде специфических графиков и таблиц.

Интерпретация результатов статического зондирования основывается на теоретическом решении осесимметричной задачи теории предельного равновесия В.Г Березанцева, которая дает зависимость между удельным сцеплением грунта и величиной удельного сопротивления при погружении зонда:

,

где - табличный коэффициент.

Для практических целей при определении характеристик прочности и деформируемости по данным статического зондирования часто пользуются эмпирическими зависимостями:

для пылевато-глинистых грунтов

,

для песчаных грунтов

,

где - удельное сопротивление погружению конуса зонда.

Рисунок 3.34. - Конструкции зондов: 1 - конус, 2 - кожух, 3 - штанга, 4 - муфта трения,

5 - уширитель

 

Характеристики прочности принимают по таблице 3.3 [41]. Заметим, что при использовании данных таблицы 3.3 удельное сцепление грунта иногда оказывается завышенным.

 

Таблица 3.3. - Значения прочностых характеристик грунта в зависимости от удельного сопротивления погружению зонда

qс, МПа	c, кПа	j, °	qс, МПа	c, кПа	j, °
0,5			3,5
1,0			4,0
1,5			4,5
2,5			5,0
2,5			5,5
3,0			6,0

 

При динамическом зондировании измеряется глубина погружения зонда от одного или нескольких ударов или подсчитывается число ударов, необходимое для погружения зонда на заданную глубину (обычно на 10 см погружения зонда). Затем по эмпирическим зависимостям определяют динамическое сопротивление грунта и от него переходят к определению деформационных и прочностных характеристик.

 

4. Теория линейно-деформируемой среды

 

4.1. Три фазы деформирования грунта по Н.М. Герсеванову

 

Переходя к задачам определения напряженно-деформированного состояния основания, обратимся к принципиальному опыту, иллюстрирующему работу грунта в основании фундаментов.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: