5.5. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов

Грунт по своей природе – тело неоднородное. Определение какой- либо его характеристики по одному образцу дает только частное его значение. Получаемые при проведении лабораторных исследований несколько характеристик тех или иных свойств грунтов обычно отличаются значительной разбросанностью. Для возможности использования полученных характеристик в расчетах требуется располагать некоторыми определенными величинами, которые достоверно отражают физико-механические характеристики грунтов. В связи с этим различают нормативные и расчетные значения характеристик грунтов. Для определения нормативного и расчетного значений требуются многократные нахождения этой характеристики и статистическая обработка результатов экспериментов.

Для определения нормативной характеристики грунта находятся среднеарифметические значения результатов частных определений этой характеристики:

, (5.10)

где n - число определений характеристики (объем выборки);

Хi - частное (i- е) значение определяемой характеристики.

Из общей выборки подлежат исключению максимальные или минимальные значения Хi, для которых выполняется условие

(5.11)

где ν - статистический критерий, зависящий от числа определений, Sdis- оценка среднего квадратичного отклонения:

. (5.12)

Если такие значения Хi отсутствуют, в качестве нормативной характеристики принимают среднее арифметическое значение Хn = . Из- за ограниченного количества определений нормативное значение характеристики всегда отклоняется на какую- то неопределенную величину от истинного искомого значения (математического ожидания). Значит, нормативное значение содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить ее влияние, в расчетах используются не нормативные, а расчетные характеристики свойств грунтов.

Расчетная характеристика грунта Х определяется делением соответствующей нормативной Хn на коэффициент надежности по грунту γg:

X=X_n / γ_g (5.13)

Расчетные значения физических характеристик грунта, кроме плотности ρ и удельного веса грунта γ допускают принимать при γg = 1. Расчетные значения ρ и γ находят аналогично прочностным характеристикам грунта. Следует помнить, что расчетное значение удельного веса устанавливается по расчетному значению плотности грунта умножением её на ускорение свободного падения. Расчетные деформационные характеристики грунта допускается принимать равными их нормативным значениям. При этом определение модуля деформации грунта в лабораторных условиях должно проводиться не менее чем по шести образцам, а при полевых испытаниях штампами можно ограничиваться тремя опытами, учитывая трудоемкость этих испытаний.

Нормативные значения угла внутреннего трения φn, удельного сцепления Сn и модуля деформации Еn допускается принимать по таблицам СНиП 2.02.01-83[25].

Расчетные значения прочностных характеристик и плотности грунта определяются по формуле (5.15), где коэффициент надежности по грунту устанавливается в зависимости от изменчивости этих характеристик и вычисляется из выражения

γ_g =1/(1 ± δ), (5.14)

где δ- доверительный интервал, характеризующий область вокруг среднего значения (в данном случае - среднего арифметического), в пределах которого с заданной вероятностью α находится «истинное» (генеральное) среднее значение. Знак перед показателем δ выбирается так, чтобы обеспечить большую надежность расчета.

Для tgφ и с δ=t_α V, (5.15)

для ρ δ=t_α V/ , (5.16)

где t_α - коэффициент, зависящий от заданной вероятности (надежности) α и числа определений n;

V - коэффициент вариации определяемой характеристики, который вычисляется по формуле

V=σ/X_n, (5.17)

где Х_n - нормативное значение характеристики;

σ - среднее квадратичное отклонение, определяемое:

для tgφ и с σ_tgφ =σ_τ ; (5.18)

σ_с = σ_τ , (5.19)

где σ_τ= (5.20)

Δ - определяют по формуле (5.11).

Для ρ σ= . (5.21)

Зная показатель δ для определяемой расчетной характеристики, по формуле (5.16) рассчитывают коэффициент надежности по грунту и по формуле (5.15) определяют расчетные характеристики грунта.

При расчетах по первой группе предельных состояний (по несущей способности) расчетные характеристики определяют:

при доверительной вероятности α=0,95 и обозначают как tgφΙ, сΙ, ρΙ;

при расчетах по второй группе предельных состояний (по деформациям) при α = 0,85 и обозначают как tgφΙΙ, СΙΙ, ρΙΙ. Такое различие объясняется тем, что потеря устойчивости грунта опаснее осадки. Принятые доверительные вероятности означают, что в первом случае только 5 %, а во втором – 15 % значений частных определений будут больше или меньше принятого значения искомой характеристики.

Число частных определений характеристик n, по которым назначают нормативные и расчетные значения характеристик, зависит от неоднородности грунта и степени ответственности возводимого сооружения. Для статистической обработки требуется не менее шести испытаний. Для получения более достоверного значения требуется большее количество опытов: чем оно больше, тем меньше значения t_α и δ, соответственно сужается доверительный интервал, т.е. значения искомой характеристики будет в большей степени приближаться к действительному.

Расчетные значения механических характеристик принимают при следующих значениях коэффициента надежности по грунту:

в расчетах оснований по деформациям γ_g =1;

в расчетах оснований по несущей способности:

для удельного сцепления γ_g(с)=1,5;

для угла внутреннего трения песчаных грунтов γ_g(φ)=1,1;

то же глинистых грунтов γ_g(φ)=1,15.

Для отдельных регионов допускается пользоваться региональными таблицами характеристик грунтов, специфических для этих районов, приведенными в территориальных строительных нормах.

Заключение

Снижение стоимости строительства и повышение надежности оснований и фундаментов зависят от правильной оценки физико-механических свойств грунтов, слагающих основания. Эта оценка способствует рациональному выбору конструкций фундаментов или способов улучшения строительных свойств грунтов оснований, что дает возможность строительства любых сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.

Опыт свидетельствует, что качественное проведение исследований физико-механических свойств грунтов позволяет повысить их расчетные характеристики и снизить стоимость работ нулевого цикла до 25 %.

Следует отметить, что характеристики грунтов, в первую очередь механические, определяемые в лабораторных условиях на образцах, не всегда в полной мере отражают свойства грунтов в условиях их природного состояния. Поэтому при проектировании ответственных сооружений необходимо наряду с лабораторными проводить полевые испытания грунтов в условиях их природного залегания.

Методы исследования свойств грунтов постоянно развиваются и совершенствуются. Однако не нужно увлекаться использованием сложных приборов и методов испытания грунтов, когда в этом нет необходимости. Часто оказывается достаточным применение относительно простых схем исследования грунтов. Здесь очень важно понимать решаемую задачу и знать возможности тех или иных методов определения физико-механических свойств грунтов.

Необходимо помнить, что важные результаты можно во многих случаях получить и на простом оборудовании, что эти результаты в большой степени зависят от правильной методики испытаний. И даже на превосходном оборудовании, но при дефектной методике будут получаться совершенно непригодные результаты.

При определении механических характеристик грунтов необходимо строго соблюдать режим испытаний, прежде всего характер нагружения образцов. Важно всегда учитывать соответствие испытываемых образцов грунта его состоянию в условиях натуры, от чего во многом будет зависеть достоверность полученных характеристик механических свойств грунтов.

Современный этап развития механики грунтов характеризуется активным переходом к новым расчетным моделям грунтов, отражающим с большей полнотой их реальные свойства.

Ряд традиционных методов экспериментального изучения свойств грунтов не соответствует современным теоретическим моделям механики грунтов. В связи с этим предстоит проделать значительную работу по переоснащению исследовательских лабораторий приборами и установками современных конструкций. Более сложные грунтовые модели требуют, естественно, и более сложных, трудоемких исследований грунтов.

Весьма большую помощь в оценке физико-механических свойств грунтов должны оказать геофизические методы исследований (сейсморазведка, электроразведка, радиоактивные методы и т.д.).

Соотношения объемов лабораторных и полевых методов исследований грунтов должно зависеть от целей и задач, стоящих перед изысканиями, сложности инженерно-геологических и гидрогеологических условий и технических возможностей.

Авторы надеются, что данное учебное пособие поможет студентам научиться правильно определять физико-механические характеристики грунтов и глубже усвоить лабораторные методы их определения.