книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

нагружении круглых и квадратных в плане штампов раз­ личной площади, показали, что значения модуля общей деформации существенно зависят как от размеров, так

ленные по методике быстрого сдвига). На площадке бы­ ли установлены круглые штампы площадью 1000, 3000, 5000 и 10000 см2, а также квадратные штампы площадью

30

1000 и 5000 см2. Опыты показали, что штампы малого диаметра теряют устойчивость при нагружении (так на­ зываемое предельное давление на штамп) при значитель­ но меньших давлениях по сравнению со штампами боль­ ших размеров. Как правило, при давлениях, достигаю­ щих 70—75% предельной величины, характеристики сжи­ маемости близки для штампов разной площади.

При испытании грунтов квадратными штампами дав­ лениями, соответствующими 80—90% величины предель­ ного давления, в основании у углов штампа возникали трещины с раскрытием до 15 мм.

Сопоставление-результатов испытаний грунтов квад­ ратными и круглыми штампами площадью 5000 см2 по­ казывает, что до давлений, равных 70% величины пре­ дельного давления, характеристики сжимаемости грун­ тов очень близки, а при превышении этого давления характеристики сжимаемости, полученные при испыта­ ниях грунтов квадратными штампами, лежат ниже, чем при испытании круглыми штампами.

Риги и других районов, а также данные Ю. М. Абелева, Ю. Г. Трофименкова, Л. Н. Воробкова, В. И. Гусевой и др. позволяют рекомендовать для испытаний слабых водонасыщенных глинистых грунтов круглые штампы площадью не менее 10 тыс. см2.

При подготовке дна шурфа в текучепластичных и те­ кучих грунтах обычно удается с помощью металлической линейки создать гладкую ровную поверхность в основа­ нии штампа. Однако в грунтах более твердой консистен­ ции это не всегда достижимо [56]. В этих случаях на вы­ ровненной поверхности рекомендуется устроить песчаную прослойку толщиной не более 2 см, которую необходимо уплотнить легкими катками или ручными трамбовками.

При исследовании деформативных свойств слоев грун­ та, расположенных на глубине более 5 ж от поверхности, и при невозможности проходки шурфа проводятся испы­ тания грунтов штампами площадью 600 см2 в буровой скважине диаметром 325 мм, снабженной трубами. Так как площадь штампа существенно влияет на величину давления, при которой происходит потеря устойчивости

31

ректировать данными лабораторных испытаний. При испытании грунта в скважине надежный контакт штампа с основанием достигается применением штампа с пово­ рачивающимися ножами для зачистки забоя скважины (рис. 1.3).

277

Испытания различных слабых водонасыщенных гли­ нистых грунтов штампами показывают, что после прило­ жения очередной ступени давления к штампам осадка затухает в течение длительного времени. Однако во мно­ гих производственных организациях испытание штампа­ ми проводится в сжатые сроки (5—25 дней). Как прави­ ло, при этом значения модуля общей деформации полу­ чаются большими, чем по данным компрессионных опытов

ниях осадки не успевают проявиться полностью при дан­ ной ступени давления. Для изучения этого вопроса нами были проведены испытания илов оз. Сиваш. Опыты про­ водились по методике, применяющейся в трестах инже­ нерно-строительных изысканий (в течение примерно 20 дней). Параллельно эти же грунты испытывали таким

32

же круглым штампом площадью 10 тыс. см2 и по такой же схеме нагружения, но с выдерживанием каждой сту­ пени давления до полной стабилизации осадок. Резуль­ таты этого опыта приведены на рис. 1.4. Как видно из рисунка, при бытующей на практике методике испыта­ ний грунтов штампами значения модуля деформации по­ лучаются завышенными.

Для получения достовер­ ных значений испытания должны проводиться дли­ тельное время. В качест­ ве критерия стабилизации осадки необходимо при­ нять осадку штампа, рав­ ную 0,1 мм/сутки.

Некоторые исследо­ ватели (А. Вило, М. Мете и другие) предлагают проводить полевые ис­ пытания при более высо­ ких значениях критерия стабилизации осадки, а затем вводить понижаю­ щий коэффициент. Такая практика допустима толь­

ко для хорошо изученных грунтов одного района и одно­ го происхождения, если есть возможность сопоставить результаты многочисленных исследований. Принимать одно и то же значение понижающего коэффициента для слабых грунтов различных регионов не следует, так как стабилизация осадки во времени происходит у разных видов слабых грунтов по-разному.

Чтобы несколько ускорить время стабилизации осад­ ки в опытном штампе, следует просверливать отверстия. Обычно в металлическом штампе площадью 10 тыс. см2 просверливают отверстия диаметром 0,25 мм по сетке 3X3 или 5X5 см.

В связи с низкими прочностными характеристиками слабых водонасыщенных грунтов необходимо следить за тем, чтобы нагрузка была приложена строго по центру. Для этого при установке штампа в скважину следует ис­ пользовать направляющий хомут, который закрепляется на обсадной трубе. Чтобы избежать возможной осадки обсадных труб во время опыта от собственного веса, их

следует подвешивать либо к треноге, либо к уложенным на поверхность грунта балкам. Приборы для измерения деформации размещают на штампе непосредственно по­ сле его установки и лишь затем монтируют домкрат. Необходимо точно знать и учитывать вес смонтирован­ ного оборудования, считая его за первую ступень на­ грузки.

Выявленные особенности сжимаемости слабых водо­ насыщенных глинистых грунтов позволяют рекомендо­ вать следующую методику лабораторных исследований при инженерно-геологических исследованиях этих грунтов.

Если проектирование ведется в две стадии, то на ста­ дии проектного задания (когда еще неизвестны свойства грунтов, залегающих в основании, не установлено, какие сооружения будут находиться на различных участках площадки, и поэтому неизвестно, как фактически будут нагружаться грунты в отдельных точках основания выб­ ранной площадки) все исследования сжимаемости сле­ дует проводить по одной и той же методике нагружения независимо от типов сооружения. Это позволит получить сопоставимые результаты характеристик сжимаемости грунтов и выявить участки, сложенные более слабыми грунтами.

При исследовании водонасыщенных глинистых грун­ тов на компрессионных приборах на стадии проектного

величина максимального давления в опытах может быть уменьшена.

Каждая ступень давления выдерживается до услов­ ной стабилизации. В качестве критерия условной стаби­ лизации при компрессионных опытах можно принять осадку 0,01 мм за 12 ч. При использовании индикаторов с ценой деления 0,001 мм в качестве критерия может быть принята скорость осадки, равная 0,001 мм/ч. По резуль­ татам опыта следует установить структурную прочность сжатия грунта и значения модуля общей деформации для различных интервалов давлений: от 0 (или от структур­ ной прочности сжатия) до 0,5 или 1 кгс/см2; от 0 до 2 кгс/см2 и т. п.

Значения модуля общей деформации, полученные при

34

исследовании грунтов на стадии проектного задания, могут быть использованы при соответствующей обработ­ ке результатов испытания на стадии рабочих чертежей. В этом случае модуль общей деформации грунта должен определяться с учетом фактического напряженного состо­ яния грунтов данного слоя в основании проектируемых фундаментов.

На стадии рабочих чертежей методика проведения компрессионных испытаний грунтов в лаборатории и ме­ тодика испытания грунтов, залегающих на различной глубине от подошвы фундамента, опытными штампами должна выбираться такой, чтобы как можно более точно отображать фактическое нагружение грунтов данного слоя под подошвой фундамента. Как было показано вы­ ше, значения модуля общей деформации грунтов сущест­ венно зависят от выбранного интервала давления. Чтобы установить, как фактически будут нагружаться грунты на различной глубине в основании фундамента, на ста­ дии проектного задания должны быть получены эпюры распределения напряжений под фундаментами и опреде­ лено, какими ступенями давления и при каких интерва­ лах давления будут сжиматься грунты на различной глу­ бине основания. Именно по этим эпюрам распределения вертикальных напряжений по глубине (до условной гра­ ницы сжимаемой толщи) устанавливают диапазон дей­ ствующих давлений на испытываемые образцы грунтов из слоев с различной глубины.

Если данное сооружение проектируется в одну ста­ дию, следует принимать такие же методики лаборатор­ ных компрессионных и полевых испытаний грунтов, как и при исследовании грунтов на стадии проектного зада­ ния. Максимальное вертикальное давление в компрес­ сионных испытаниях назначается равным сумме природ­ ного давления и давления от нагрузки фундамента (оп­ ределенного по эпюре распределения напряжений под фундаментом). Это следует учитывать только в том слу­ чае, если в данных грунтах фильтрация происходит по закону Дарси.

5. ПРОЧНОСТЬ ГРУНТОВ

Характеристики прочности грунтов входят во все рас­ четы устойчивости основания, а также в расчеты по опре­ делению предельной нагрузки на основание и краевой критической нагрузки.

Прочность грунта определяет максимально допусти­ мое напряженное состояние, при котором еще не начина­

тельные напряжения превышают сопротивляемость грун­ тов сдвигу. Наиболее часто принимается, что в предель­ ном состоянии зависимость между касательным и нормальным напряжениями определяется уравнением

Для слабых водонасыщенных грунтов H . Н. Маслов [32] рекомендует характеристику сцепления, которая за­ висит от плотности-влажности грунта, разделить на две составляющие — структурное сцепление, не зависящее от влажности грунта, и водноколлоидную связность грун­ тов, которая зависит от влажности грунтов.

При проведении инженерно-геологических изысканий определение прочности слабых водонасыщенных глини­

ит. п.

Внастоящее время нет специально разработанной ме­ тодики для определения прочностных характеристик сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтов и исследования часто проводятся по аналогии с испытаниями прочных грунтов. Как показали наши эксперименты, такое произ­ вольное перенесение методик испытания с одних грунтов на другие приводит к серьезным ошибкам. Кроме того, испытания по различным методикам дают несопостави­ мые результаты прочностных свойств грунтов.

Для получения первичной информации о прочностных характеристиках грунтов на стадии проектного задания

прочность слабых водонасыщенных глинистых грунтов следует определять по методу ускоренного неконсолиди­ рованного сдвига (по H. Н. Маслову). Испытания мож­ но проводить на срезных одноплоскостных приборах кон­ струкции Гидропроекта (разработанных H. Н. Масловым

иЮ. Ю. Лурье).

36

Желательно, однако, несколько модифицировать при­ бор для испытания слабых грунтов: снабдить его более тонкими гибкими тросами, обеспечить большую под­ вижность всех трущихся деталей и т. п. Опыты рекомен­ дуется проводить под водой при минимальной величине щелей между верхней и нижней каретками прибора. Го­ ризонтальные нагрузки, определяющие сдвиг одной ка­ ретки относительно другой, надо прикладывать ступе­ нями, равными 5—7% величины нормального напряже­ ния, через каждые 15—30 сек и таким образом, чтобы общее время сдвига было равно 5—6 мин. Если первые опыты длятся более 6 мин, начальные ступени горизон­ тального усилия следует увеличить до 10—15% величи­ ны нормального напряжения.

Нормальное напряжение при сдвиге принимается рав­ ным 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,5 и 2 кгс/см2 в зависимости от консистенции грунта и нагрузок на фундаменты, из осно­ вания которых отобраны образцы грунта.

Преимущество приведенной схемы сдвига заключает­ ся в том, что в течение испытания (6 мин) грунт практи­ чески не уплотняется и все полученные результаты отно­ сятся к грунту с одной и той же плотностью (пористо­ стью).

Как показали наши исследования различных слабых водонасыщенных глинистых грунтов.из районов Архан­ гельска, Риги, Волжского, Новокузнецка и др., величины угла внутреннего трения и сцепления, которые определя­ ются по методу ускоренного сдвига, значительно отли­ чаются от значений этих же характеристик, полученных по методике медленного консолидированного сдвига. В большинстве случаев по методике ускоренного сдвига величина угла внутреннего трения получается на 20— 65% меньшей, а сцепление равным или несколько (до 30%) большим, чем при испытаниях по методике медленного сдвига. Угол внутреннего трения и сцепление грунта одного слоя определяют по сводным графикам, на которые нанесены значения сопротивления грунтов сдвигу по результатам испытаний всех образцов из этого слоя.

На стадии рабочих чертежей методика проведения ис­ следований сопротивления грунтов сдвигу назначается в зависимости от расчетной схемы вероятной потери ус­ тойчивости фундаментов и оснований. Методика иссле­ дований существенно зависит также от вида сооруже-

37

лее 5 м) и невозможности их дренирования, а также при возведении сооружений в сроки, за которые процесс фильтрационной консолидации не успевает произойти более чем на 30%. применяется методика определения сопротивления сдвигу на недоуплотненных образцах. В этом случае образцы грунта предварительно не уплот­ няют или уплотняют до стабилизации в течение корот­ кого времени. Испытания на сдвиг производят при раз­ личных вертикальных давлениях, но так как сдвиг обыч­ но происходит быстро (в течение 5—6 мин), образцы грунта не успевают уплотниться и сохраняют постоян­ ную плотность-влажность, близкую к значениям природ­ ной плотности-влажности.

При приложении горизонтальной сдвигающей силы образец грунта испытывает дополнительное обжатие (из­ менение напряженного состояния) и поровое давление в водонасыщенном глинистом грунте увеличивается. Ес­ ли горизонтальное усилие прикладывается медленно с одновременным дренированием грунта, то поровое дав­ ление исчезает в процессе оттока воды. Если же сдвиг происходит быстро и поровая вода не успевает отжаться из образца, то поровое давление снижает общее сопро­ тивление грунта сдвигу. Поэтому чем быстрее происхо­ дит сдвиг, тем меньше величина сопротивления грунтов сдвигу.

Для решения некоторых инженерных задач об устой­ чивости оснований и сооружений необходимо знать изме­ нение прочностных характеристик в процессе уплотнения (консолидации) слабых водонасыщенных глинистых грунтов. В этом случае опыты проводят на срезных при­ борах по следующей методике.

Образцы грунта обжимают при одном и том же дав­ лении (равном давлению в основании фундаментов). Однако время обжатия принимается равным 15 и 30 мин, 1, 4, 24 ч и т. д., т. е. образцы не уплотняют до стабили­ зации осадок и срезают при различной влажности и по­ ристости.

При отсутствии данных о величине давления в осно­ вании опыты проводят при нормальных давлениях, рав­ ных 0,5; 1 и 3 кгс/см2.

Учитывая большую дисперсию показателей влажно­ сти-плотности, для определения параметров сдвига обра­

39