книги из ГПНТБ / Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов

давления. Предназначен для 'испытания грунтов в скважинах диаметром 90—100 мм, глубиной до 16 м, при максимальном давлении до 5 кгс/см2.

Прессиометр ПФ-3 конструкции Фундаментпроекта (рис. 85 и 86) представляет собой электропневматический прибор с им­ пульсными датчиками деформаций для испытания грунтов в скважинах диаметром 98—108 мм, глубиной до 25 м, при макси­ мальном давлении? кгс/см2. Наибольшее замеряемое радиальное

эластичной резины в виде манжет. Сверху камеры покрыты еще одной общей оболочкой из более жесткой резины. В средней

дящему кольцу е установленными на нем изоляторами, обеспе­ чивающими регистрацию радиальных деформаций камеры с точностью до 0,1 мм. Импульсы от датчиков передаются на шесть счетчиков по проводам, вмонтированным в шланг подачи сжатого воздуха. Общий нес установки 50 кг.

Следует отметить, что некоторое усложнение конструкции электропневматических прессиометров по сравнению с воздуш­ но-гидравлическими вполне компенсируется возможностью ис­ пользования первых круглогодично, даже при низких отрица­ тельных температурах.

Учитывая, что, как правило, деформации стенок скважин при испытаниях иресеиометром меньше осадок штампов при стати­ ческих испытаниях, следует при разработке новых конструкций прессиометров стремиться к обеспечению точности измерения деформации 0,01 мм.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ ИСПЫТАНИИ ПРЕССИОМЕТРОМ

іВ начале процесса обжатия грунта в стенках скважины прессиометром между давлением на грунт р и деформацией грунта существует линейная зависимость. Затем по мере увеличения давления на грунт вокруг прессиометра образуется зона пласти­ ческих деформаций, переходящая в зону упругих деформаций

(рис. 87 и 88).

Зона пластических деформаций, определяемая радиусом Rv, увеличивается до того момента, когда давление на грунт достиг­ нет предельной величины рпр. За пределами радиуса Rp грунт находится в упругой стадии. В имеющихся теоретических реше­

150

ниях, связывающих давления и деформации, .грунт в 'Пределах пластической зоны рассматривается как подчиняющийся закону прочности Кулона — Мора и характеризуется углом внутреннего трения ер и удельным сцеплением с. Грунт за пределами радиу­ са R-p рассматривается как линейно-деформируемое тело, ха­ рактеризуемое модулем деформации Е и коэффициентом Пуас­ сона ц.

Модуль деформации определяют для стадии упругих деформаций. Учитывая, что нресеиометр имеет ограниченную длину, модуль деформации грунта находят по формуле

и

где г|э — коэффициент, зависящий от отношения длины обжимаемого участка I к его диаметру d\

р, — коэффициент Пуассона; го — радиус скважины;

р— давление на стенки скважины;

и— деформация стенки скважины.

При большой длине участка нагрузки ф— 1 и формула (47) переходит в известную формулу Ляме. Практически уже при

— ^ ф = 1 . Таким образом, для прессиометров, длина кото- 2г0

рых равна четырем их диаметрам и более, модуль деформации можно определять, пользуясь решением Ляме.

Используя решение плоской упругопластической осеоимметричной задачи механики грунтов, можно по данным ггресеиометрических измерений, доведенных до стадии пластических дефор­ маций грунта, определять угол внутреннего трения грунта ф и удельное сцепление с.

151

В работах [2, 15] получена следующая формула для опреде­ ления деформаций грунта и стенки скважины радиусом г0 в зависимости от давления на -стенку р на стадии упругопласти­ ческих деформаций грунта:

где ро— бытовое гаризонтальное давление на отмеше испыта ния.

В частном случае -сыпучей среды при с—0 -имеем

Формула (50) для определения деформаций на поверхности скважины для пластичной среды была получена Л. Менаром

Правая часть выражения (51) представляет собой полураз- но-сть главных -напряжений о> и ст0 в грунте у стенки скважи­ ны, т. е.

Для определения ірадиу-сов кругов Мора R но графику испы­ тания грунта пресоиометром и — р воспользуемся известным из дифференциальной геометрии свойством плоской кривой, задан­ ной уравнением y=f ( x) і(-рис. 89):

.L (*)_ = А В (подкасательная).

у ' М

152

ром выбрать две-три точки и построить для них 'подкасательные. По полученным таким 'Образом значениям R и соответствующим им давлениям р строят круги Мора, какзто,показано на рис. 90,

иопределяют значения ф и с грунта.

Вработе [ІІ7] приведены результаты определения ф и с для одного испытания, вычисленные по трем довольно сложным ме-

153

тодикаод с применением ЭВМ «Наири», для .которой составле­ ны специальные программы.

На рис. 91 показано определение ср и с для того же испыта­

ния по предлагаемому.здесь методу. Результаты всех расчетов приведены в табл. 30. Как видно из этих данных, рекомендуе­ мый метод определения ери с с помощью кругов Мора дает впол­ не удовлетворительные результаты.

Т А Б Л И Ц А 30

касательной в любой точке криволинейной части графика испы­ таний постоянна и равна удельному сцеплению грунта.

Рассмотрим далее вопрос о предельных давлениях на грунт при прессиометрических испытаниях. Для грунта, обладающего трением и сцеплением, задача определения предельного дав­ ления решена и доведена до вида, удобного для практического применения, А. Весичем [46],

Решение упругопластической плоской осесимметричной зада­ чи им получено в предположении, что ірунт в пластической зоне сжимаем. Однако учет сжимаемости грунта приводит к весьма трудоемкому итерационному процессу определения предельного давления на грунт, не оправданному при наличии многих других допущений в решении задачи. Поэтому приведем полученные А. /Весичем формулы для определения предельного давления Рщ> при условии несжимаемости грунта в пластической зоне.

154

Вместе с тем необходимо отметить, что для твердых глин и плотных песков влияние изменения объема в пластической зо­ не может быть существенным. Так, по данным А. Весича, для указанных малосжимаемых грунтов деформация пластической зоны в 1 % может уменьшить предельное давление на грунт вдвое.

Предельное давление на грунт равно

где ро — природное горизонтальное давление в грунте на отмет ке .испытания;

Fc, Fg — безразмерные коэффициенты:

Величина /, названная показателем жесткости, представляет собой отношение модуля сдвига грунта G к его начальному соп­

155

непосредственно из формулы (48), если в ней принять, что пре­ дельной нагрузке соответствует деформация стенки скважины, равная первоначальному радиусу скважины и = г 0.

3. НЕКОТОРЫЕ ДАННЫЕ ОБ ОПЫТЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ

ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ПРЕССИОМЕТРОМ

Как уже отмечалось, основой для определения модуля дефор­ мации грунта по результатам пресетометрических испытаний яв­ ляется формула Ляме:

5000 см2. Как показывают многочисленные параллельные опре­ деления модуля деформации по результатам испытаний пресснометром и штампом, проведенные различными организациями, модуль деформации, определенный по формуле (64), обычно в 2—Зраза меньше модуля деформации, определенного по резуль­ татам штамповых испытаний.

В литературе имеются 'многочисленные объяснения этого рас­ хождения: анизотропия грунта, т. е. различная сжимаемость в вертикальном и горизонтальном направлениях, различная спо­ собность грунта к восприятию сжимающих и растягивающих усилий, различная степень консолидации грунта при прессиометірических и штамповых испытаниях, ослабление прочности при­ стенного слоя грунта ів скважине и др.

На наш взгляд, расхождение в величине модулей деформа­ ции, определенных по пресеиометрическим и штамповым испы­ таниям, происходит главным образом из-за различного предела пропорциональной зависимости деформаций от напряжений под штампом и пресеиометром.

Обычно при испытании средних грунтов штампом модуль де­ формации грунта находят для давлений до 3—4 кгс/см2. Поле­ вые испытания оснований штампами показывают, что нарушение линейной зависимости между осадкой и давлением на грунт про­

Для іпрессиометрических испытаний область предельных сос­

156

Рис. 93. График испытании грунта штампом (1) и прессиометром (2)

Графики осредненных испытаний грунта штампом и преесиометром, построенные в одном и том же масштабе, будут иметь вид, показанный на рис. 93.

Указанное более раннее нарушение линейной зависимости осадки от давления ири прессиометрических испытаниях по сравнению со штамповыми существенно сказывается при опреде­ лении модуля деформации для обычно принимаемых интерва­ лов давления на грунт до 3—4 кгс/см2.

Уменьшение расчетного модуля деформации грунта в зависи­ мости от увеличения давления покажем на .следующем примере.

Модуль деформации по формуле (64) для различных интер­ валов давления равен: £о-о,5=300 кгс/см2-, £ 0-1 = 162 кгс/см2-,

£ 0-2= 8 2 кгс/см2.

Таким образом, даже для интервала давления до 2 кгс/см2 модуль деформации оказывается в 2,5 раза меньше модуля, оп­ ределяемого для интервала линейной зависимости деформации от давления. В этом состоит основная причина того, что опре­ деленные по пресеиометрическим испытаниям модули деформа­ ции меньше модулей, определенных штамповыми испытаниями, для одного и того же интервала давления.

Поскольку в практике .модуль деформации принято опреде­ лять для обычных давлений под сооружениями (до 2— 4 кгс/см2) , возникла необходимость ввести в формулу (64) поп­ равочный коэффициент, больший единицы. Этому вопросу пос­ вящена, в частности, работа [17].

157

. /

Для установления соотношения между величинами модулей деформации, определенных по лрессиометрическим £щ> и штам­ повъ™ Дшт испытаниям, в НИИ оснований и подземных соору­ жений был «произведен обор паспортов прессиометричееких ис­ пытаний, проведенных 'различными организациями. Всего было собрано 200 паспортов. Величины 'коэффициентов перехода k = = £ Шт/Дпр определялись для четвертичных песков, супесей, су­ глинков и глин аллювиальных, делювиальных, озерно-аллюви­ альных и элювиальных при степени влажности G ^ 10,7, зале­ гающих на глубинах до 10 м.

Коэффициент k определяли двумя способами: 1) по резуль­ татам парных испытаний штампом и прессиометром (результа­ ты такого сравнения приведены на рис. 94); 2) путем сравнения зависимости модулей деформации -^шт И І^пр от коэффициента пористости грунта (результаты показаны на рис. 95).

ты перехода £ = £ Шт/£щ> соответственно для песчаных и глинис­ тых грунтов при глубине их испытания до 10 ж в зависимости от

линейной интерполяции.

Близкие по величине значения коэффициента k были получе­ ны Швец В. Б. и др. в работе [17] на основании 116 параллель­ ных испытаний штампом и прессиометром.

Накопленный опыт использован при составлении проекта «Указаний по определению сжимаемости грунтов цилиндричес­ ким штампом в буровой скважине». Рекомендуемый этими Ука­ заниями метод определения модуля деформации изложен в сле­ дующем разделе.

158

Из сказанного ранее видно, что по прессиометрическим испы­ таниям можно получить величину модуля деформации, соответ­ ствующую величине модуля, полученной по испытаниям штам­ пом, без всякого поправочного коэффициента, если определять ее по испытаниям прессиометром до давления порядка 1 кгс/см2. Однако для 'большинства грунтов деформация стенок скважины при давлении 1 кгс/см2 значительно меньше 1 мм и надежность ее измерения весьма невелика.

Для преодоления этой трудности можно для песчаных грун­ тов модуль деформации определять следующим образом. Из формулы (48) можно получить, что для углов внутреннего тре­ ния от 30 до 40° отношение деформации стенок скважины при давлениях 3 и 1 кгс/см2 составляет соответственно 27 и 17, или

в среднем 22, т. е.

1 кгс/см2, вычисляя соответствующую деформацию м0-і по де­ формации при р= 3 кгс/см2.

■По формуле (64) модуль деформации равен

формуле (66) без каких-либо дополнительных коэффициентов, оказывается весьма близким к модулю деформации, определен­ ному по испытаниям штампом для давлений до 3 кгс/см2. Это подтверждается опытами Фундаментпроекта по параллельному испытанию грунтов штампом и прессиометром.

Учитывая ненадежность измерения малых деформаций стен­ ки скважины при низких давлениях и простоту определения cp п с по изложенному ранее способу кругов Мора, можно также определять модуль деформации, пользуясь формулой (48) при известных и, р, ср и с. В этом случае необходимо, чтобы испы­ тания были доведены до давлений, при которых криволиненность графика давление — деформация проявляется вполне отчетливо.

4. ИСПЫТАНИЕ ГРУНТОВ ПРЕССИОМЕТРОМ

Как уже указывалось, в настоящее время изготовляются преосиометры двух типов — гидравлические и электропневматические с различными модификациями. Работа с каждым из

159