книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Напомним, что ори незавер­ шенной консолидации водона­ сыщенного глинистого грунта эффективное напряжение в скелете, вызывающее уплотне­ ние грунта, всегда меньше пол­ ного напряжения [см. формулу (4.26)]. Тогда и сопротивление сдвигу не полностью консоли­ дированного грунта будет ме­ ньше, чем того же грунта в ста­ билизированном состоянии, и определится выражением

*cp=(ff-Kw)tg<p + c. (4.40)

Применяются различные схе­ мы опытов для определения сопротивления грунта сдвигу в дестабилизированном состо­

янии. Наиболее точные данные получаются в стабилометрических испытаниях с использованием специальных приспособлений для измерения порового давления и* в процессе нагружения.

4.5.Полевые методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов

Как указывалось в начале настоящей главы, деформационные и прочностные характеристики грунтов, определяемые в лаборатор­ ных условиях на образцах, не всегда в полной мере отражают свойства грунтов в условиях их природного состояния. Поэтому при проектировании ответственных сооружений нормативные до­ кументы предписывают наряду с лабораторными проводить и поле­ вые испытания грунтов в условиях природного залегания. Ниже приводятся основные сведения о наиболее распространенных мето­ дах испытаний.

Полевые испытания пробной статической нагрузкой. Используют для опрееления характеристик деформационных и прочностных свойств грунтов. Такие испытания являются основным методом исследования трещиноватых скальных пород, что подробно рас­ смотрено в работе С. Б. Ухова (1975).

Для определения характеристик деформационных свойств грун­ тов испытания проводят в шурфах или скважинах инвентарными жесткими штампами в первом случае площадью 0,5... 1,0 м2, во втором — 600 см2. Принципиальная схема опыта приведена на рис.

112

4.18, а. На дно выработки 1 устанавливают плотно притертый к основанию штамп 2, к которому через стойку 3 приклады­ вают возрастающую ступенями нагрузку F. Каждую следующую ступень нагрузки прикладывают после стабилизации осадок от предыдущей ступени. Осадки грунтов основания под штампом s из­ меряют с помощью прогибомеров 4, крепящихся к независимой раме.. В различных конструкциях установок используют разные схемы приложения нагрузок и измерения осадок.

Зная давление по подошве штампа p=FjA и соответствующее ему значение стабилизированной осадки s, можно построить опыт­ ную зависимость s= f(p ) как при возрастании давления (ветвь нагру­ жения), так и при его уменьшении (ветвь разгрузки) — на рис. 4.18, б. Поскольку начальный участок кривой этой зависимости соответ­ ствует модели линейной деформируемости, модуль деформации грунта основания определится по формуле

где со — коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа (для круглого штампа со=0,78; для квадратного — 0,88); Ь — ширина или диаметр штампа; v — коэффициент Пуассона грунта, принима­ емый обычно 0,25; Ар(, As, — соответственно приращение давления и осадки в пределах линейной зависимости s=f(p).

Если в формулу (4.41) подставить значение As,, определенное по ветви нагружения, получим величину модуля деформации грунта при нагружении, если подставить значение As,-, определенное по ветви разгрузки, получим величину модуля деформации грунта при разгрузке, иногда называемого модулем упругости.

При определении характеристик сопротивления грунта сдвигу используется принципиальная схема, показанная на рис. 4.19, а. Бетонный штамп, обычно площадью 0,5...1,0 м2, устанавливается (или бетонируется в случае скальных пород) на основании. К нему

О) F б)

Рис. 4.18. Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта иа сжатие

113

перемещений при возрастании т показаны на рис. 4.19, б. Кривая 1 соответствует испытаниям плотного песка или малотрещино­ ватых скальных грунтов, кривая 2 — рыхлого песка или силь­ нотрещиноватого (разборного) скального грунта.

В первом случае отмечаются два характерных критерия прочно­ сти: т^р — пиковое, т£р — остаточное сопротивления сдвигу, во вто­ ром — только т£, кривая 2 — остаточное сопротивление сдвигу. Это связано с различным характером разрушения грунта в основа­ нии штампа. Так, в плотном песке и малотрещиноватой скальной породе разрушение сопровождается разуплотнением (дилатансией) грунта в зоне сдвига, что отмечается по подъему штампа. В рыхлом песке и разборном скальном грунте при сдвиге происходит допол­ нительное уплотнение (контракция) грунта и штамп при перемеще­ нии дает осадку.

Сложность полевых испытаний для определения прочностных характеристик грунтов заключается не только в громоздкости экс­ перимента, но и в том, что одно такое испытание позволяет опре­ делить лишь пару значений Тщ, и о, т. е. положение лишь одной точки на графике сопротивления сдвигу. В указанной выше работе С. Б. Ухова приведены рекомендации, позволяющие построить всю эту зависимость только по одному штамповому опыту.

Испытания шариковым штампом. Н. А. Цытовичем был пред­ ложен метод шариковой пробы для определения сцепления связных грунтов. Существо метода заключается в том, что с помо­ щью шарика диаметром d на грунт передается усилие F и измеря­ ется осадка штампа s (рис. 4.20, а). Тогда в соответствии с решени­ ем акад. А. Ю. Ишлинского сцепление можно определить по фор­ муле

при 0,005 <sjd< 0,1.

Полученное таким образом значение сцепления соответствует определенному в сдвиговых испытаниях для вязких очень мапоуплотняющихся грунтов при q><5° (жирные глины, мерзлые грунты

114

Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочностных свойств грунтов

в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка s с течением времени увеличивается, в соответствии с выражением (4.42) шариковое сцепление будет уменьшаться. Это позволяет (рис. 4.20, б) ввести понятия мгновенной прочности с0, прочности, соот­ ветствующей некоторому времени действия нагрузки t —c, и пре­ дела длительной прочности с«, к которому будет стремиться сцеп­ ление при очень продолжительном времени действия нагрузки. Очевидно, что если необходимо оценить прочность грунта при воздействии мгновенной нагрузки (например, удар при посадке самолета), то следует исходить из величин, близких к мгновен­ ной прочности. Для обеспечения же длительной устойчивости, нап­ ример горных склонов, сложенных мерзлыми или глинистыми грунтами, следует принимать в расчет предел длительной про­ чности. Метод применяют как в полевых, так и в лабораторных условиях.

3. Г. Тер-Мартиросян показал, что при малых величинах стаби­ лизированных осадок методом шариковой пробы можно также определить величину модуля деформации грунта по формуле

3(l-va)F

(4.43)

4 sy/s(d -s)

при s/d< 0,005.

Полевые испытания методом зондирования. Для определения ха­ рактеристик деформационных и прочностных свойств, а также вы­ деления границ между инженерно-геологическими элементами ши­ роко применяется метод зондирования, подробно описанный в ра­ боте Ю. Г. Трофименкова и Л. Н. Воробкова*. Зондирование основано на определении сопротивления погружению в грунт нако­ нечника-зонда на глубину, превышающую его размеры. Различают статическое и динам ическое зондирование.

*Трофименков Ю . Г ., Воробков Л. Н. Полевые методы исследования стро­ ительных свойств грунтов. М ., 1981.

115

С татическое зондирование заключается в медленном задавливании в грунт с помощью домкратов стандартного зонда — конического наконечника с углом при вершине 60°. Применяются различные конструкции зондов, позволяющие получать информа­ цию как о лобовом сопротивлении, так и о сопротивлении трению по боковой поверхности, что важно, в частности, для проектирова­ ния свайных фундаментов (см. гл. 11).

В простейшем случае измеряют удельное сопротивление погру­ жению конуса зонда qc (МПа) и строят график. изменения этой величины по глубине исследуемой толщи грунта (рис. 4.21, а). Зная величину qa можно определить модуль деформации:

для глинистых грунтов E = lq ei

Характеристики сопротивления сдвигу глинистых грунтов по данным статического зондирования определяют по эмпирическим формулам:

tg ?»=0,045^с+ 0,26;

(4.45)

с=0,0116дс+ 0,125.

Динамическое зондирование производится путем забивки или ударно-вращательного погружения в грунт зонда из колонки

116

В начальной стадии эксперимента при линейной зависимости Ad=f(p), используя решение Ляме, можно определить модуль де­ формации окружающего грунта по формуле

Важно иметь в виду, что в соответствии со схемой нагружения этот модуль деформации характеризует сжимаемость грунта в го­ ризонтальном направлении, поэтому приведенный выше метод справедлив только для изотропных грунтов.

Для определения методом прессиометра прочностных характе­ ристик грунта, окружающего скважину, давление должно быть уве­ личено до получения явно нелинейной зависимости Ad=f(p), т. е. развития в обжимаемой зоне грунта пластических деформаций. Тогда, определив, как это показано на рис. 4.22, б, величину крити­ ческого давления Рц,, соответствующую формированию в грунте фазы пластического деформирования, можно на основе решения смешанной упругопластической задачи определить прочностные ха­ рактеристики грунта (см., например, указанную выше работу

Ю.Г. Трофименкова и Л. Н. Воробкова).

3.Г. Тер-Мартиросян рекомендует, проводя несколько испыта­ ний в пределах одного инженерно-геологического элемента на раз­

2nr/z- n

Полевые испытания методом вращательного среза. Используют для определения сопротивления сдвигу в глинистых грунтах, илах и заторфованных грунтах на глубинах до 10...12 м. Для этого в забой скважины 1 (рис. 4.23, а) погружается четырехлопастная крыльчатка 2 на глубину более высоты крыльчатки h от отметки забоя. Крыльчатка соединена штангой 3 со специальным враща­ ющим устройством 4. Обычно диаметр крыльчатки d составляет 60...100 мм при соотношении hfd= 2. Вращая крыльчатку вокруг оси, производят срез грунта по всей поверхности образующегося цилиндра. Достижение при некотором угле поворота в рад на­ ибольшего значения крутящего момента М тп свидетельствует о срезе грунта, находящегося в ненарушенном состоянии. Последу-

118.

Ю. Г. Трофименков н Л. Н. Воробков приводят данные, что при h/d=2 и заглублении верха крыльчатки от забоя не менее чем на 5d, используя начальную (линейную) часть зависимости мож­ но определить модуль, деформации грунта по формуле

где в — угол поворота крыльчатки при крутящем моменте М. Расчетно-экспериментальный метод. Во многих случаях (элюви­

альные грунты, валунно-глыбовые отложения, каменная наброска, трещиноватые скальные массивы н др.) грунты приходится рассмат­ ривать как масштабно-неоднородные тела, так как выделенные из них объемы разных размеров характеризуются различным строени­ ем, состоянием, а иногда и составом. При этом в полевых и тем более лабораторных условиях не всегда удается обеспечить испыта­ ния такого объема грунта, который был бы представительным по отношению ко всему массиву (см. § 3.2). В изыскательской практике характеристики прочностных и деформационных свойств таких грунтов обычно назначают по результатам испытаний наиболее слабых составляющих. С. Б. Уховым* предложен принципиально новый подход к определению деформационных и прочностных ха­ рактеристик таких грунтов, названный им расчетно-эксперимен­ тальным методом.

Сущность этого метода заключается в следующем. По данным инженерно-геологического анализа или фотографирования обнаже­ ния грунта, составляется его «типовая структура», характеризу­ ющая особенности строения грунта (содержание и форму крупных включений и заполнителя между ними, относительное расположе­ ние включений). При этом размеры такой модели могут составлять десятки сантиметров, метры и более. Пример одной из исследован­ ных типовых структур показан на рис. 4.24, а.

С помощью лабораторных или полевых исследований определя­ ются характеристики деформационных и прочностных свойств грунтовых материалов, составляющих типовую структуру (напри­ мер, включений и заполнителя на рис. 4.24, а). Затем выполняется численное моделирование эксперимента с типовой структурой. Та­ кое моделирование удобно проводить методом конечных элементов (см. гл. 8). Для этого к граням образца прикладывают постоянные значения минимального главного напряжения ег3 и возрастающие значения максимального главного напряжения а\. Для каждого соотношения действующих напряжений такого неоднородного об­ разца с известными характеристиками свойств составляющих его

*Ухов С. Б. Конвиз А. В., Семенов В. В. Механические свойства крупнооб­ ломочных грунтов с заполнителем// Основания, фундаменты и механика грунтов.— 1993,— № 1 .— С. 2 — 7.

120