Модуль деформации грунтов

Все известные и применимые методы и способы определения модуля деформации — стабилометрические и компрессионные испытания, испытания грунтов радиальными и лопастными прессиометрами и штампами, — дают не одинаковые результаты при испытаниях на объекте одних и тех же грунтов.

При этом полученный модуль деформации Е, при проведении компрессионных испытаний, может отличаться в пять раз от результатов штамповых испытаний. А иногда в некоторых, схожих условиях полученные результаты штамповых и компрессионных испытаний оказываются близкими к друг другу.

А физические характеристики, глинистых и песчаных грунтов, плотность , влажность, пористость, карбонатность и др. присущие грунтам не зависят от метода определения.

Каким бы методом эти характеристики не определялись, они будут практически одинаковыми или очень близкими.

В отличие от них модуль деформации отражает реакцию грунтов на внешние воздействия, то есть является реактивной характеристикой.

При разных способах и методах воздействия, или нагрузки (давления на грунты), реакция грунтов будет неодинаковой, соответственно, разными будут и получаемые значения модуля деформации Е, грунтов и других деформационных характеристик.

Поэтому деформационные характеристики не однозначны и не могут быть представлены одним методом, и должны характеризоваться полевыми и лабораторными методами исследования, типом фундамента, конкретным сооружением, размерами нагрузок.

Это важное обстоятельство нормативно закреплено в СП 47.13330.2012 и СП 47.13330.2016.

Лабораторные методы определения модуля деформации надо при проведении инженерно-геологических изысканий необходимо сочетать с полевыми методами – статическим зондированием и штамповыми испытаниями грунтов.

При изучении деформационных, механических свойств грунтов обычно производятся компрессионные испытания, сущность которых заключается в том, что грунт подвергают уплотнению ступенями нагрузки в рабочих кольцах компрессионных или компрессионно-фильтрационных приборах и наблюдают за изменением относительного сжатия и коэффициента пористости e. При этом грунты уплотняются без возможности бокового расширения. Поэтому при компрессионных испытаниях преобладают деформации уплотнения. Деформации формоизменения имеют подчиненное значение.

В результате получают некоторую  зависимость, которую обычно выражают в виде компрессионной кривой = f(p), e = f(p).

Для расчетов модуля деформации и коэффициента сжимаемости на компрессионной кривой выбирают две точки.

Первая точка должна соответствовать природной нагрузке на грунт.

Вторая точка — конечной нагрузке на грунт после возведения сооружения.

Конечная нагрузка равна нагрузке от проектируемого сооружения за вычетом нагрузки от веса грунта выше глубины заложения фундамента.

Таким образом, для одного слоя на разных глубинах расчетные интервалы нагрузок будут не одинаковыми, увеличиваться с глубиной, соответственно, будут отличаться и значения модуля деформации.

На практике, при инженерно-геологических изысканиях для строительства для расчета принимают интервал нагрузок — чаще всего от 0,1 до 0,3МПа.

И учитывают глубину отбора образцов, которая может быть значительно ниже глубины заложения фундамента, где природная нагрузка на грунт на много больше 0,1 МПа.

В результате получаются заниженные значения модуля деформации, которые соответствуют разуплотненному состоянию грунта и не отражается, для свойств в его природном залегании.

При изысканиях для ответственных сооружений инженеры геологи, составляя программу лабораторных испытаний, должны руководствоваться схемой распределений предполагаемых нагрузок от веса грунтов и дополнительных нагрузок от внешних воздействий.

Схема распределения нагрузок позволяет правильно определить нагрузки грунтов от собственного веса, которые с глубиной увеличиваются, и дополнительные на грузки от внешних воз действий, которые с глубиной рассеиваются, а не являются постоянными для всей толщи активного деформирования грунтов. К сожалению, в действующих нормативных документах отсутствуют единые требования к выбору интервала давлений для определения модуля деформации грунтов.

Для расчета модуля деформации, в соответствии с ГОСТом 12248-2012, вводится коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе.

Коэффициент зависит от значения коэффициента поперечной деформации (коэффициент Пуассона), который определяется при трехосных испытаниях. При отсутствии экспериментальных данных в ГОСТе предлагаются различные значения, на пример, для суглинков — 0,35–0,37.

Это значение характеризует все возможные со стояния грунтов — от твердого до текучего, что в принципе не верно, так как практически исключается существующая зависимость коэффициента Пуассона от показателя текучести IL, и в результате занижается модуль де формации при испытании грунтов устойчивой консистенции. Для рас чета рекомендуется использовать установленную Н.А. Цытовичем связь коэффициента Пуассона с показателем текучести IL: = 0,05 + 0,45 IL

При использовании этой зависимости будут получены более высокие значения (см. Взаимосвязь коэффициента Пуассона с показателем теку чести). При расчете коэффициента Пуассона по уравнению Н. А. Цытовича, коэффициент устойчивых грунтов, а, следователь но, и модуль деформации увеличивается почти в 1,5 раза.

Надо отметить, что действие ГОСТ 12248-96 согласно п. 5.4.1.1. распространяется на глинистые грунты с показателем текучести IL > 0,25. Вместе с тем, в п. 5.4.7.5 приведены значения для глин при IL< 0 и от 0 до 1.

На практике компрессионные испытания выполняются для любых грунтов без ограничений.

Представляют интерес данные сопоставления результатов компрессионных и штамповых испытаний.

Однако, как указывалось выше, с точки зрения метрологии и теории ошибок это сопоставление нельзя назвать корректным, поскольку компрессионные и штамповые испытания проводят в разных условиях. Неодинаковы степень сохранности природного сложения образцов грунта, объемы исследований, условия проведения испытаний, развитие и моделирование процесса деформирования грунтов.

Но, сопоставление результатов компрессионных и штамповых испытаний предусмотрено нормативными документами, и переходные коэффициенты от компрессионного модуля деформации к штамповому модулю широко используются на практике.

Для установления значений переходных коэффициентов от компрессионного модуля деформации к штамповому модулю использованы результаты 142 полевых испытаний глинистых грунтов штампом площадью 600 см2 и результаты лабораторных исследований состава и свойств испытуемых грунтов. Испытания выполнялись в глинистых грунтах ледникового и озерно-ледникового происхождения на различных объектах северо-запада России. Материалы испытаний собраны автором, взаимосвязи установлены Э.И. Ткачуком (см. Взаимосвязи характеристик ледниковых и озерно-ледниковых глинистых грунтов)

Установлено, что для

твердых грунтов среднее значение переходного коэффициента mср = 3,

для полутвердых грунтов mср = 2,

для тугопластичных грунтов mср = 1,5,

для мягкопластичных грунтов mср = 1,3,

для текучепластичных грунтов mср = 1,1,

для текучих грунтов mср = 0,97.

Максимальное значение m = 5,2, минимальное m = 0,5.

Как вид но, по мере увеличения показателя текучести компрессионный модуль приближается к штамповому и даже превышает его.

Необходимо отметить, что согласно ГОСТу 25100-95 указанная консистенция соответствует нарушенному состоянию грунтов. В природном, ненарушенном состоянии консистенция слабых грунтов иная, обычно позволяющая отобрать образец не нарушенного сложения (монолит) для лабораторных исследований.

Не соответствие консистенции, определяемой по ГОСТу 25100-95 и природной консистенции, вызывает немало вопросов. В нормативных документах это несоответствие необходимо обосновать или устранить.

Определение модуля деформации методом трехосных испытаний грунтов

Испытания проводятся в приборах трехосного сжатия (стабилометрах), которые позволяют определять прочностные и деформационные характеристики грунтов. Основное преимущество стабилометра – это возможность по воссозданию в образце грунта изначального напряженного состояния, со ответствующего напряженному состоянию грунта в условиях естественного залегания. Испытания по определению модуля деформации проводятся при заданном всестороннем давлении на образец. При этом имеют место не только деформации, но и уплотнение. Испытание для определения характеристик сжимаемости и прочности проводят при заданных определенных значениях всестороннего давления на образец.

 

По данным ОАО «ВНИ ИГ им. Б.Е. Веденеева», значения модуля деформации, которые получены при компрессионном сжатии, превышают значения, полученные при трехосном сжатии.

И при исследовании основания одного из проектируемых в Санкт-Петербурге зданий для диапазона давлений 1,5–3,5МПа наблюдалось стабильное превышение компрессионного модуля деформации над трехосным , составляющее 50–70 МПа. Это может быть только объяснено различным характером деформирования грунта в компрессионном приборе и стабилометре.

При этом имеют место только деформации формо – образования

Кроме того, высота образца в стабилометре в несколько раз выше, и в нем могут присутствовать тонкие про слои более слабых грунтов, трещины и другие дефекты, отсутствующие в образце, помещен ном в компрессионном приборе.

Определение модуля деформации  методом штамповых испытаний.

Сущность метода заключается в замере возникающих перемещений металлического винтового или плоского штампа, сжатии им грунтов природного сложения, металлическим конусом или плоской поверхностью. Преимущественно применяют штампы площадью 600 и 5 000 см 2. Реже применяют штампы площадью 1 000, 2 500 и 10 000 см2.

При испытаниях грунтов штампами возможны как деформации уплотнения, так и деформации формо -изменения. При испытании песчаных грунтов главную роль играет уплотнение грунтов под штампом.

За время проведения испытаний глинистых грунтов уплотнение грунта из-за низких значений коэффициента фильтрации практически не успевает проявиться.
Здесь огромную роль играют деформации формо- изменения, особенно при испытаниях слабых грунтов, имеющих низкую прочность на сдвиг.

При испытании глинистых грунтов устойчивой консистенции штампами получаемый модуль деформации, как уже было отмечено, выше компрессионного модуля деформации.

В насыщенных водой глинистых грунтах штамповый модуль деформации не имеет никакого отношения к компрессионному.

Но иногда бывают и исключения. Например, при наличии трещин в твердых глинах, в случаях интенсивного поступления поверхностных или подземных вод на забой выработки, приводящего к размягчению глинистых грунтов.

Опыт показывает, что результаты испытаний штампом площадью 600 см2 мелких и пылеватых песков во многом зависит от степени насыщения водой грунтов. Например, при испытаниях штампом насыщенных водой мелких и пылеватых песков озерно-ледникового комплекса наиболее часто получают значение модуля деформации 8–15 МПа.

При испытаниях тех же песков средней степени водонасыщения и маловлажных модуль деформации от 20–30 МПа и более.

Известно, что чем больше площадь штампа, тем, как правило, выше значение модуля деформации для од них и тех же грунтов. Например, для ледниковых суглинков северо-запада России модуль де формации по результатам испытаний штампом площадью 5 000 см2 на 20% выше модуля деформации, полученного по результатам испытаний штампом площадью 600 см2.

Занижение модуля деформации в песках насыщенных водой, обусловлены разуплотнением частиц  песка на забое скважины. Что и сопровождается подъемом частиц песка, по стволу скважины, из за притока воды.

В результате наблюдаемые осадки под штампом оказываются сильнее, чем осадки не раз уплотненного грунта.

При испытаниях крупнообломочных грунтов необходимо обращать внимание на подготовку забоя.

В случае, если над забоем будут выступать крупные об ломки пород, происходит увеличение напряжений на выступах, что ведет к неправильной осадки штампа, вдавливающего не весь грунт, а только его выступающие части, и уменьшения модуля деформации.

При испытаниях крупнообломочных грунтов важно оценить репрезентативность (представительность) испытуемого объема грунта. Репрезентативную площадь Sr штампа для испытаний грунтов, содержащих q обломков диаметром d, можно определить расчетным путем по формуле Sr =d2/ 4q

Получается, что результаты испытания грунтов штампом площадью 5 000 см2и больше вернее результатов испытания штампами меньших размеров. Достоверность возрастает в результате повышения репрезентативности испытаний, а так же в связи с тем, что при одном и том же удельном давлении в случае использования большего штампа возрастает его осадка и, соответственно, увеличивается точность ее измерения. При расчете значения модуля деформации в соответствии с требования ми ГОСТа 20276-2012 модуль де формации занижается, не столь существен но, как при компрессионных испытаниях.

В формулах расчета модуля деформации по результатам штамповых испытаний для глинистых грунтов предусматривается постоянное значение коэффициента Пуассона , соответствующее грунтам не устойчивой консистенции. Поэтому для расчета модуля деформации рекомендуется применять значение , рас считанное по уравнению Н.А. Цытовича

Определение модуля деформации Прессиометрические испытания грунтов

Проведение  прессио-метрических испытаний заключается в обжатии стенок буровой скважины эластичной камерой (радиальный прессиометр) или двумя металлическими выдвижными лопастями (лопастной прессиометр) с замером возникающих при этом де формаций грунта. При испытаниях необходимо учитывать, что модуль деформации определяется в направлении, перпендикуляр ном к обычному, вертикальному направлению действия нагрузки, что имеет значение при испытаниях анизотропных грунтов. Чаще всего прессио-метрические испытания выполняются в глинистых грунтах, в которых проявляются, в основном, деформации формо- изменения. Один из главных факто ров, влияющих на качество прессиометрических испытаний — длительность стояния скважины до начала испытаний. Длительность стояния скважины определяет сохранность природного состояния грунтов. Известны случаи, когда скважины сужались в результате длительного стояния, и испытания выполнялись на раз уплотненных грунтах. В некоторых грунтовых массивах, в результате действующих в них дополнительных напряжений (на пример, вызванных тектоническими перемещениями), сужение ствола скважины наблюдалось уже в процессе бурения. В связи с этим, не рекомендуется оставлять радиальный прессиометр в скважине при перерывах в работе, поскольку извлечение прибора из суженного ствола может привести к разрыву эластичной камеры. При уровне подземных вод выше от метки испытаний глинистый грунт в стенках скважин ослабляется (размокает, разжижается и пр.), поэтому задержки с началом испытаний ниже уровня воды недопустимы. Испытания лопастным прессиометром ниже забоя скважины или в массиве исключают разуплотнение грунтов. При расчете модуля деформации по результатам испытаний лопастным прессиометром коэффициент Пуассона ν рекомендуется определять по уравнению Н. А. Цытовича.

УРАВНЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОРИСТОСТИ E:

• пески крупные и средней крупности не зависимо от влажности e = 0.775 — 0.015 qз;
• пески мелкие не зависимо от влажности e = 0.8255 — 0.01875 qз;
• пески пылеватые не водонасыщенные e = 0.8857 — 0.02857qз;
• пески пылеватые водонасыщенные e = 0.88 — 0.04 qз.

При веденные уравнения соответствует значениям qз табл. И.1 СП 11-105-97 и значениям e табл.Б.18 ГОСТ 25100-95.

Определение модуля деформации методом статического  зондирования.

Статическое зондирование производится вдавливанием зонда в грунт с одновременным измерением показателей сопротивления грунта зондированию. Это эффективный и общепризнанный полевой метод исследования свойств грунтов. Однако, статическое зондирование является косвенным методом исследований. Значения модуля деформации при таких исследованиях определяют на основе корреляционных зависимостей с удельным со -противлением грунта под ко ну сом зон да qз.

Для получения надежных значений модуля деформации грунтов должны использоваться корреляционные зависимости между показателя ми статического зондирования и результатами прямых испытаний грунтов, выполненных в исследуемом районе, а еще лучше, на данной площадке.

Вместе с тем, очень часто для определения модуля деформации используют табличные значения, приведенные в СП 11-105-97, которые не всегда соответствуют действительным свойствам грунтов. Особенно это касается песчаных грунтов, для которых характеристики E, а так же c, φ приведены без учета крупности песков. По этому, если нет корреляционных зависимостей модуля деформации и показателей зондирования, следует вначале по результатам статического зондирования определить коэффициент пористости, а за тем по табл. Г.1 СП 50-101-2004 установить значения E (а так же c, φ), которые в указанных документах приводятся с учетом крупности песков кварц- полевошпатового состава. При интерпретации результатов статического зондирования следует учесть некоторые его особенности. На пример, насыщенные водой  пылеватые пески и супеси озерно-ледникового происхождения могут оказывать высокое сопротивление погружению зонда. Но при динамических воз действиях эти грунты легко переходят в плывунное состояние, что может привести к деформациям сооружений. В данном случае высокое сопротивление зондированию еще не служит гарантией высокой прочности грунтов. Резкие скачки на графиках статического зондирования нередко связаны с созданием и разрушением уплотненной зоны вокруг внедряемого конуса, а не с изменчивостью состава и свойств грунтов. При статическом зондировании песчаных грунтов в случае уменьшения сопротивления может создаться ошибочное впечатление о снижении плотности сложения песков, хотя на самом деле сопротивление падает в связи с вхождением зонда в водонасыщенные отложения, которые могут быть не менее плотными, чем выше лежащие грунты. Если под конус зонда попадает твердое включение, то в слабых грунтах оно перемещается вместе с зондом и, соответственно, будет зарегистрировано высокое сопротивление грунтов. С учетом перечисленных особенностей часть точек зондирований должна размещаться рядом с буровыми скважинами. В свою очередь, результаты бурения уточняются на основании статического зондирования.

Требуемое качество результатов деформационных исследований определяется уровнем ответственности проектируемого сооружения, сложностью инженерно-геологических условий, действующими нормативными документами, требованиями заказчика. Очевидно, что нет смысла добиваться высокой точности модуля деформации во всех случаях проектирования. В некоторых случаях можно воспользоваться табличными данными, в других — корреляционной зависимостью физических и деформационных характеристик или корреляционной зависимостью параметров зондирования и деформационных характеристик, и т.п.

При изысканиях под ответственные сооружения  в сложившейся практике инженерно-геологических изысканий большая часть де формационных исследований выполняется компрессионными методами. Затем результаты компрессионных исследований увеличиваются на коэффициент  перехода к штамповому модулю деформации, который может отражать результаты испытаний штампа ми площадью 5 000 см2или 600 см2. Согласно Пособию к СНиП2.01-83 п.2.54, наиболее достоверным методом являются испытания грунтов в шурфах и котлованах штампом площадью 5 000 см2.

В случаях высокого уровня подземных вод, большой глубины исследования и очень низ ких температур воздуха испытания штампами площадью 5 000 см2не проводятся, и в качестве приоритетного метода принимаются испытания грунтов в буровых скважинах винтовым штампом площадью 600 см2.

Инженерные изыскания на каждом объекте должны быть специфичны, строго соответствовать проектной задаче, определять преимущественно параметры  грунтов, необходимые для алгоритма расчёта или не расчётного назначения геотехнических мероприятий по защите фундаментов и геологической среды от ожидаемых вредных воздействий. Такой подход обеспечивает проектировщика необходимыми данными при минимуме затрат со стороны заказчика. Однако, он требует продуманно геотехнического задания и не стандартных решений по программам изысканий.