8.8. Особенности определения параметров физико-механических свойств переуплотненных грунтов

Расширение диапазона показателей свойств грунтов, получаемых по результатам лабораторных исследований, является одной из важнейших проблем инженерно-геологических изысканий. В связи с растущей тенденцией к международной кооперации при строительстве сложных подземных сооружений, высотных зданий, при освоении месторождений шельфа, российские инженеры-геологи и проектировщики нередко работают на зарубежных объектах, а иностранные специалисты привлекаются для инженерно-геологических изысканий и проектирования объектов, возводимых в России. Используемые при этом национальные стандарты имеют заметные отличия, поэтому анализ грунтовых условий, выполняемый с привлечением результатов интернациональных исследований, сопряжен с рядом сложностей, связанных с их интерпретацией. Наиболее существенными проблемами, как уже было отмечено, являются методические различия в определениях некоторых характеристик, различие подходов к классификации грунтов и невозможность прямого перевода классификационных терминов [1].

Зарубежные стандарты, в частности, британский стандарт BS и американский ASTM, в большей степени, чем ГОСТ [17] связывают деформационные параметры с характеристиками состояния и с физическими свойствами грунтов. В зарубежной механике грунтов широко используются понятия нормально уплотненных и предуплотненных (или переуплотненных) грунтов, которые различаются по своим деформационным свойствам.

Одним из первых на переуплотненные грунты указал К. Терцаги. Нормально уплотненные грунты – это синоним грунтов находящихся под бытовым давлением, недоуплотненные грунты имеют место, когда вышележащая толща не давит на нижележащие слои. Переуплотненным называется грунт, который при своем естественном формировании находился под действием нагрузок – эффективных природных давлений σ'_c, превосходивших действующее в настоящее время бытовое давление. Переуплотнение грунта обычно имеет место, когда грунты полностью консолидированы под действием веса вышележащей толщи, впоследствии полностью или частично удаленных эрозией. Основными факторами переуплотнения являются [99]:

• эрозионный срез верхней рыхлой части нормальноуплотненного массива грунта, в результате чего в кровле толщи обнажаются консолидированные отложения нижней его части;

• давление ледникового массива, вызывающее уплотнение основных морен и подстилающего субстрата;

• «усыхание» грунта в субаэральных условиях, при выходе толщи выше уровня моря;

• эпигенетическое промерзание, приводящие к дегидратации в результате миграции влаги из глубины толщи к низкотемпературному фронту, находящемуся вблизи дневной поверхности,

• трансгрессии и регрессии моря и т. д.

Переуплотненные грунты широко распространены как на материковой части, так и на шельфе северных морей, в частности, на арктическом и дальневосточном шельфе России. Осадочные грунты, такие как аргиллиты или алевролиты, выше которых отложения отсутствуют, или имеют небольшую мощность, являются хорошими примерами переуплотненных грунтов.

Параметры деформируемости грунтов определяются как в России, так и за рубежом по результатам компрессионных и трехосных консолидировано-дренированных испытаний, а параметры консолидации – по результатам компрессионных и трехосных консолидировано-недренированных испытаний.

Методики проведения компрессионных опытов практически идентичны, результаты представляются в виде графиков зависимости относительной деформации (ε) или коэффициента пористости (е) от нагрузки (σ или lgσ), а также от времени (lgt или t). Однако состав последующих оценок несколько различается. Согласно российскому нормативу по результатам компрессионных опытов определяются коэффициент сжимаемости m, модуль деформации Е, структурная прочность на сжатие р_str, а также коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации c_v и c_a. Согласно ASTM и BS вычисляются только c_v, коэффициент объемного сжатия m_v и давление предуплотнения σ'_с по методу Казагранде.

Вместе с тем, в зарубежной практике расчетов и проектирования в качестве деформационных характеристик широко применяются следующие коэффициенты, характеризующие сжимаемость грунта (рис. 8.69): С_с – коэффициент сжатия (compression index), C_s – коэффициент набухания (swelling index), C_r – коэффициент повторного нагружения (recompression, reloading index) и компрессионный модуль М. Поскольку эти параметры так же, как и m_v и коэффициент сжимаемости m, получают из методически близких испытаний (компрессионной кривой), при сопоставимых условиях можно использовать существующие аналитические зави

Рис. 8.69. Компрессионная кривая вида е – log σ

симости для пересчета одних величин в другие.

Согласно BS и ASTM характеристики деформируемости, так же, как и в отечественной практике, определяют из компрессионных (одометрических) испытаний грунтов на основе обработки графиков вида е – log σ или ε – log σ. При этом методика проведения опытов обязательно предусматривает наличие этапов разгрузки и повторного нагружения образца. Максимальное значение нагрузки на образец должно быть выше давления переуплотнения σ'_c, ве

Рис. 8.70. Определение давления переуплотнения σ'_c по графику зависимости коэффициента пористости от напряжения

личина которого также определяется по компрессионной кривой.

На рис. 8.70 показана стандартная компрессионная кривая в полулогарифмических координатах, полученная для частного испытания, и способ определения давления переуплотнения σ'_с по методу Казагранде. Как видно на рис. 8.70, давление переуплотнения определяется точкой пересечения двух линий. Одна из них – биссектриса угла, образованного касательной к компрессионной кривой, проведенной через точку, в которой компрессионная кривая имеет минимальный радиус кривизны, и горизонтальной линией, проведенной через эту же точку. Вторая линия – продолжение прямолинейного участка компрессионной кривой в области больших давлений. В случае, если грунты не подвергались переуплотнению, найденное давление переуплотнения σ'_с соответствует бытовому давлению σ_1g. Необходимо отметить, что на результаты влияет масштаб графиков и некоторый субъективизм при их построении. Методика определения структурной прочности грунта p_str из результатов компрессионных испытаний совпадает с методом определения давления переуплотнения σ'_c (BS, ASTM).

Определение σ'_c в первом приближении может производиться по результатам компрессионных испытаний пасты грунта (рис. 8.71). Перед испытанием определяются начальный коэффициент пористости естественного грунта е_о и эффективное напряжение σ_1g на глубине z (в месте отбора образца грунта) σ_z=γ_i z_i, где γ_i – удельный вес вышезалегающегоо грунта.

Из грунта нарушенной структуры, отобранного с глубины z, приготавливается паста мягкопластичной консистенции c коэффициентом пористости е, которая уплотняется в процессе стандартных компрессионных испытаний. После того, как грунт уплотнится до коэффициента пористости большего, чем коэффициент пористости естественного грунта, производится разгрузка на каждой ступени нагружения (рекомпрессия). Разгрузка во всех случаях производится до σ_1g. Определяется положение точки А (рис. 8.71) с координатами e_o и σ_1g, соответствующими естественному состоянию грунта. От точки А проводится линия рекомпрессии параллельно линиям рекомпрессии грунта до пересечения с компрессионной кривой (точка В). Координата точки В по оси σ соответствует максимальному давлению σ'_c, которым грунт был когда-то уплотнен. Кривая нагрузки – разгрузки образца 1–В–А повторяет историю уплотнения грунта [115].

Вертикальное эффективное давление переуплотнения грунта определяется в полевых условиях по испытаниям крыльчаткой [80]:

σ'_c =23,5 c_u /√I_p

где c_u – недренированная прочность грунта, принимаемая равной максимальному сопротивлению грунта срезу, МПа, I_p – число пластичности грунта, %.

Для пределов I_p = 10–30 % принимают [80]:

σ'_c =kc_u,

где коэффициент k зависит от числа пластичности грунта I_p:

Ip	10	20	30
k	6,62	5,25	4,30

По предложению Шведского геотехнического института связь между сопротивлением недренированному сдвигу и лобовым сопротивлением при зондировании глинистых грунтов может быть выражена формулой:

где w_L – верхний предел пластичности.

Skempton (1957) предложил простое эмпирическое выражение связывающее недренированную прочность и индекс пластичности нормально уплотненных глин в виде:

с_u /σ_1g=0,11+0,0037·I_Р.

Рис. 8.71. Результаты компрессионных испытаний пасты грунта и определение давления σ'_c

Давление переуплотнения σ'_c может быть также определено по результатам статического зондирования (СPT) по удельному сопротивлению грунта под конусом зонда q_c, МПа, учитывая тесную экспериментальную связь между c_u и q_c в виде: c_u=q_c/15. Для определения сопротивления недренированному сдвигу глинистых грунтов рекомендуется использовать следующие эмпирические зависимости (при отсутствии собственных корреляционных зависимостей, апробированных в конкретных инженерно-геологических условиях) [37]: Карское море: c_u= q_c/24 + 6, Печорское море: c_u= q_c/18 – 12, Черное море: c_u=q_c/20 + 3.

Недренированную прочность грунта можно предварительно оценить по рис. 8.72 в зависимости от показателей пластичности [122].

Давление σ'_c, МПа, с учетом вышеприведенных значений k и c_u определяется по формуле:

σ'_c q_c,

Рис. 8.72. Диаграмма для определения прочности недренированного сдвига по показателям консистенции глин [122]

где  – коэффициент, равный 0,45 при I_p = 10 %; 0,35 при I_p = 20 % и 0,30 при I_p = 30 %; q_c – удельное сопротивление грунта под конусом зонда, МПа.

Кроме перечисленных способов давление переуплотнения определяется при помощи приборов трехосного сжатия, дилатометров и прессиометров [121].

В случае если ранее грунт был переуплотнен, необходимо, наряду с другими параметрами, задавать в расчетах коэффициент переуплотнения грунта OCR (OverConsolidation Ratio), который определяется по формуле:

OCR= σ'_c / σ_1g ,

где σ'_c – максимальное вертикальное эффективное напряжение за весь период существования массива грунта, σ_1g – вертикальное напряжение от собственного веса грунта в настоящий период (бытовое давление). Для нормальноуплотненных грунтов коэффициент OCR равен 1, для грунтов переуплотненных OCR>1.

Если неизвестны значения напряжений от собственного веса грунта то коэффициент переуплотнения можно определить, используя физические характеристики грунтов: как отношение коэффициента пористости грунтовой пасты при влажности на пределе текучести к коэффициенту пористости грунта в естественном состоянии OCR= e_L / e [47].

В зарубежной инженерной практике для переуплотненных грунтов широко используется зависимость, связывающая характер изменения сопротивления недренированному сдвигу c_u по глубине с коэффициентом переуплотнения OCR:

с_u = β σ_1g OCR^m,

где β=с_u /σ_1g для нормально уплотненных грунтов (OCR=1,0); σ_1g – вертикальное эффективное напряжение на расчетной глубине – бытовое давление; m – показатель степени. Как правило, величины β изменяются в диапазоне 0,2<β<0,5, а m – в диапазонах 0,7<m<0,8 при OCR>2 и m 0,8<m<1,0 при OCR<2.

Многие исследователи отмечают, что коэффициент бокового давления ξ, представляющий собой отношение горизонтального эффективного напряжения к вертикальному, связан с изменением нагрузки на массив за весь период его существования, т. е. с историей нагрузки массива. Коэффициент бокового давления грунта не является величиной постоянной, а зависит от вертикального давления (нагрузки), причем с увеличением вертикальной нагрузки значение коэффициента уменьшается.

Коэффициент бокового давления может быть оценен эмпирически по результатам компрессии (ξ_k). Некоторые из наиболее широко используемых зависимостей приведены ниже.

Jaky (1944): уравнение может быть аппроксимировано в виде: .

Brooker & Ireland (1965): .

Bolton (1991): _.

Brick: _.

Для переуплотненных грунтов коэффициент бокового давления может быть определен через коэффициент полученный при компрессионных испытаниях – ξ_k.

Wroth (1965): .

Schmidt (1966) (для глин после снятия нагрузки): , где .

Meyerhof (1976) предложил принять α=0.5, что подходит для большинства грунтов используемых в различных практических целях.

Pruska (1973): где ξ_а – коэффициент активного давления грунта, равный где φ’ – угол внутреннего трения, определенный при эффективном напряжении.

Для практического использования на основе испытаний грунтов на трехосное сжатие и результатов компрессионных опытов получена зависимость (Maine & Kulhawy, 1982) [121]: ξ=1−sinφ’·OCR^sinφ’. Сравнение значений ξ полученных по этой формуле с результатами полевых испытаний прессиометрами и зондирования дают хорошие результаты.

В табл. 8.79 приведены типичные значения ξ, которые рекомендуется учитывать при проектировании подземных сооружений.

Таблица 8.79

Значения коэффициента бокового давления для различных грунтов

Тип грунта	Значения коэффициента бокового давления ξ
Плотный песок	0,35
Рыхлый песок	0,6
Нормально консолидированные глины	0,5 – 0,6
Переуплотненные глины	1,0
Сильно переуплотненные глины	3,0

В зависимости от значения коэффициента переуплотнения различают три значения коэффициента бокового давления грунта [5]:

• в состоянии покоя ξo, когда OCR = 1 и ξo=1−sinφ’;

• в активном состоянии ξa, когда OCR < 1 и

• в пассивном состоянии ξ_p, когда OCR > 1 и .

Из вышеизложенного следует, что при напряжениях, меньших или больших давления переуплотнения, различными будут и значения модулей деформации, которые согласно BS и ASTM определяются:

– при нагрузках, меньших давления переуплотнения, по формуле:

,

где σ'_с – напряжение переуплотнения, σ_1g – бытовое напряжение; Δσ' – изменение напряжения на интервале σ_1g ÷ σ '_c; e_o– значение коэффициента пористости при бытовом давлении; С_r – коэффициент, повторного нагружения (рис. 8.69), вычисляется по ветви повторного нагружения по зависимости:

– при нагрузках, больших давления переуплотнения:

,

где Δ2σ'= σ_1g + Δσ'– σ'_c (Δσ' = σ'_m – σ_1g – полное приращение напряжения при активном нагружении, σ'_m – максимальное напряжение в образце при испытании); е_с – значение коэффициента пористости при давлении переуплотнения; С_c – коэффициент, определяемый из компрессионной кривой (рис. 8.69) для интервала давлений σ' > σ'_c [4].

По отечественным нормам [17, 114] значения модулей деформации из компрессионных испытаний определяются по формуле:

;

где E – модуль деформации первичной или вторичной ветви компрессионной кривой, ; e₁ – коэффициент пористости грунта, соответствующий напряжению от собственного веса грунта в середине i–гo слоя основания ; e₂ – коэффициент пористости грунта, соответствующий суммарному напряжению (σ_zр – напряжение от веса сооружения в середине i^–го слоя основания); v – коэффициент поперечного расширения грунта i^–го слоя; m – поправочный коэффициент является полуэмпирическим и отражает ряд факторов, в связи с чем он состоит из двух коэффициентов m = m_рl m_с , где m_рl – поправочный коэффициент, принимаемый в зависимости от типа грунта (от 1 до 3,5); m_с – коэффициент условий работы, зависящий от размеров сооружения.

В табл. 8.80 приведены значения модулей деформации грунта Е, рассчитанные по зарубежным и отечественным стандартам, и необходимо отметить, что разница в значениях показателей довольно внушительная [4]. Изложенное позволяет сделать следующие выводы: при определении модулей деформации Е по отечественным и зарубежным методикам и при дальнейшем их использовании в расчетах осадок необходимо учитывать, что зарубежными нормами предполагается прямое использование полученных модулей, а российскими – с использованием дополнительных коэффициентов (m_pl, m_c). Поэтому прямое сопоставление значений Е, непосредственно полученных из испытаний, не всегда корректно, что видно из табл. 8.80 [4].

Таблица 8.80

Сопоставление значений модулей деформации грунта Е по зарубежным и отечественным стандартам [4]

№ скважины	Глубина,(м)	Давление бытовое σ1g, МПа	Давление переуплотния, σ'с, МПа	OCR	Показатели уплотнения		Модуль деформации Е, МПа
					Сr	Cc	По ASTM	По СНиП
H–2	6,1	0,111	0,327	2,9	0,018	0,057	20,1	23,6
H–2	28,2	0,332	0,342	1,0	0,024	0,065	23,0	30,4
HR 2–1	6,2	0,112	0,991	8,8	0,014	0,112	21,2	23,6

Использование в зарубежных нормах значений давления переуплотнения позволяет подойти дифференцированно к расчету осадок. Консолидационная осадка слоя нормально уплотненного глинистого грунта определяется по формуле:

s_c C_cH_с/1e₀lg_1g_zp /_1g , (8.15)

где C_c – коэффициент консолидации, ориентировочное значение которого при отсутствии непосредственных определений может быть принято равным C_c = 0,009 (w_l – 10 %); H_с – толщина рассчитываемого сжимаемого слоя; e₀ – начальный коэффициент пористости; σ_1g – вертикальное напряжение в грунте на уровне подошвы фундамента от веса грунта; _zp – дополнительное напряжение в грунте от нагрузки [80].

Для переуплотненных грунтов осадка консолидации определяется:

а) если σ_1g +σ_zp≤σ’_с – по формуле (8.15) с заменой C_c на C_r, равное 0,025;

б) если σ_1g +σ_zp>σ’_с, – по формуле:

s_c C_cH_с/1e₀ lg’_с/_1g +C_cH_с/1e₀lg_1g_zp /’_с,

где σ’_с – давление переуплотнения [80].

Прочностные характеристики переуплотненных грунтов также имеют свои особенности: у нормальноуплотненных грунтов практически отсутствуют силы сцепления, прочность переуплотненных грунтов характеризуется углом внутреннего трения и сцеплением.

Значения показателей прочности нормальноуплотненных и переуплотненных грунтов приведены в табл. 8.81. Необходимо отметить, что дренированная прочность при испытаниях на сдвиг может быть меньше, чем недренированная прочность.

Таблица 8.81

Значения показателей прочности грунтов

Недренированная прочность	cu, кПa
Твердые глинистые грунты	> 150 кПa
Полутвердые глинистые грунты	75 ~ 150 кПa
Тугопластичные глинистые грунты	40 ~ 75 кПa
Мягкопластичные глинистые грунты	20 ~ 40 кПa
Текучепластичные глинистые грунты	< 20 кПa
Дренированная прочность	c, кПa	град.
Плотные пески	0	35° - 45°
Рыхлые пески	0	30° - 35°
Прочность переуплотненных грунтов
Критическое состояние	0	18° ~ 25°
Пиковое состояние	10 ~ 25 кПa	20° ~ 28°
Остаточная прочность	0 ~ 5 кПa	8° ~ 15

Параметр c_u, характеризующий недренированную прочность, согласно действующим в России и за рубежом нормативным документам, определяется в полевых условиях вращательным срезом как отношение c_u=σ/2 при одноосном сжатии и при трехосных испытаниях неконсолидированно-недренированным методом как радиусы кругов эффективных напряжений Мора, которые в эффективных и полных напряжениях одинаковы, но смещены горизонтально на величину порового давления.

Значения недренированной прочности, полученные разными методами, также отличаются. Для получения значений недренированной прочности на сдвиг c_u результаты полевых опытов на вращательный срез крыльчаткой (здесь обозначим c_ufv от field vane) корректируются с помощью поправочного коэффициента:

,

где c_ufv – недренированная прочность, полученная по результатам полевых испытаний на сдвиг крыльчаткой, μ – поправочный коэффициент Бьеррума, завиcящий от числа пластичности грунта, определенный по данным опытов, проведенных в конкретном регионе [126].

Для нормально уплотненных глин, поправочный коэффициент μ зависит от предела текучести, или от числа пластичности и отношения c_ufv /σ_1g (рис. 8.73, а, б). Поправочный коэффициент, превышающий значение 1,2, не должен быть использован без дополнительных исследований. В трещиноватых глинах, значение поправочного коэффициента может равняться 0,3 и недренированная прочность, полученная при помощи крыльчатки, должна дублироваться другими методами.

Чтобы учесть влияние переуплотнения, необходимо определить (по рис. 8.74, а) в каком состоянии находится грунт. Если соответствующие параметры находятся в диапазоне между кривыми для «молодых» и «старых» глин, то такие глины считаются нормально консолидированными (NC), если же значения находятся над чертой «старых» глин, то такие грунты считаются чрезмерно консолидированными (ОС). Нормально консолидированные грунты затем корректируется в соответствии с приведенной на рис. 8.74, б кривой NC и переуплотненные по кривой OC.

Д

Рис. 8.74. Определение поправочных коэффициентов для разноуплотненных глин: а) схема разделения нормально консолидированных и чрезмерно консолидированных глин: 1 – кривые с рис. 8.73, б; 2 – нижний предел «молодых» глин; 3 – верхний предел «молодых» глин, нижний предел «старых» глин; 4 – диапазон нормально консолидированных глин (NC); 5 – диапазон чрезмерно консолидированных глин. (OC). б) корреляционная зависимость между μ и c_ufv /σ_1g для 1 – нормально консолидированных (NC) и 2 – переуплотненных глин (OC)

ля нормально консолидированных и слабоуплотненных глин поправочный коэффициент μ может быть определен по формуле:

, где w_L – предел текучести.

В переуплотненных глинах с коэффициентом OCR больше, чем 1,3 применяется поправочный коэффициент μ определяемый из формулы:

,

где OCR – коэффициент переуплотнения грунтов [126].

Если коэффициент OCR не был определен, то может быть использовано отношение c_ufv =0,45w_Lσ'_c, тогда поправочный коэффициент μ находится из выражения:

.

Общие требования к приборам, точности измерений, методике подготовки образцов и проведению трехосных испытаний изложены в BS, ASTM, ГОСТ. Методики одноименных опытов отличаются, главным образом, скоростью нагружения и формулировкой критериев разрушения [5]. Программа определения прочностных и деформационных свойств грунтов в приборе трехосного сжатия должна включать следующие этапы: измерение боковых напряжений на глубине отбора монолитов грунта в процессе проведения инженерно-геологических изысканий; испытание образцов грунта в приборе трехосного сжатия при боковом давлении равном, найденному путем прямых измерений. Значение бокового давления назначается исходя из глубины отбора пробы грунта и принимается равным бытовому давлению. Тем самым полагается, что в природном состоянии распределение вертикальных и горизонтальных напряжений подчиняются гидростатическому закону. Принятие подобного начального напряженного состояния в естественных грунтовых отложениях может быть вполне оправданным, если они находятся на стадии своего формирования и процесс консолидации от собственного веса еще не завершен. К таким грунтам относятся илы, торф и водонасыщенные глинистые грунты в мягкопластичном или текучем состояниях. Как правило, переуплотненные глинистые грунты не могут быть полностью водонасыщены в лаборатории методом обратного давления из-за больших значений давления. В этом случае испытания по консолидированно-недренированной схеме не удается выполнить и приходится проводить консолидированно-дренированные испытания. При испытании образцов из монолитов, которые отобраны ниже уровня грунтовых вод (или поверхности воды моря или океана) в образце грунта необходимо создать поровое давление, равное природному. Далее испытания проводятся в эффективных напряжениях, которые определяются уровнем дополнительных напряжений от сооружения [140].

Таким образом, в западной практике проектирования базовыми параметрами грунтов основания, влияющими на значения показателей механических свойств, являются показатели природного напряженного состояния: давление переуплотнения σ'_c и коэффициент переуплотнения OCR [4]. Российскими нормами определение показателей природного напряженно-деформированного состояния грунтов рекомендуется, но состав таких характеристик и методы их определения не регламентируются в связи с недостаточной изученностью, и главное, в связи с неоднозначной интерпретацией этих параметров. Тем не менее, инженеру-геологу необходимо знакомиться с зарубежными методами проведения лабораторных и полевых работ, новыми приборами и оборудованием, чтобы понимать и принимать лучшие достижения мировой науки и практики, уметь интерпретировать результаты зарубежных исследований и избегать проблем связанных с различиями в методиках, классификациях и терминологии.