Испытание грунта статической нагрузкой
Возможные нарушения структуры грунта на всех этапах с момента отбора монолитов в скважинах до взятия образцов в одометры создают неуверенность, в какой степени результаты, получаемые при компрессионных испытаниях, соответствуют действительным значениям. К этому добавляется, что осадки, рассчитанные по результатам компрессионных испытаний даже без учета ползучести во времени, очень часто существенно превышают величины, наблюдаемые в натурных условиях после возведения сооружений. Поэтому за последнее время все чаще и чаще модуль деформации и коэффициент относительной сжимаемости определяют испытанием грунта статической нагрузкой.
Сама по себе идея получения деформативных характеристик грунта из результатов модельных испытаний бесспорно заслуживает одобрения; испытания, конечно, должны проводиться с учетом законов моделирования. Если в случае испытания грунта в шурфе с площадью штампа не менее 5000 см2 возможно в какой-то степени достигнуть моделирования напряженного состояния грунта в основании штампа, то при проведении опытов в скважине задача моделирования усложняется. По результатам испытания ГОСТ 12374 (Грунты. Метод полевого испытания статическими нагрузками) рекомендует модуль деформации определять по формуле (4):
где µ — коэффициент бокового расширения грунта (коэффициент Пуассона); ω — коэффициент, зависящий от формы подошвы и жесткости штампа; d — диаметр опытного штампа; ΔS — приращение осадки штампа, соответствующее приращению нагрузки Δр. Коэффициент Пуассона µ по ГОСТ рекомендуется брать для крупнообломочных пород — 0,27, для песков и супесей — 0,30, для суглинков — 0,35 и для глин — 0,42. Значение же коэффициента со принимается равным 0,8; это соответствует осадке абсолютно жесткого штампа на линейно деформируемом полупространстве. Выразив значение Е через а0 и подставив в формулу (4), получим выражение для определения коэффициента относительной сжимаемости: (формула 5)
По формулам (4) и (5) значения модуля общей деформации получаются больше, а коэффициента относительной сжимаемости меньше, чем по результатам компрессионных испытаний. Многие считают, что это расхождение объясняется только неточностями компрессионных опытов.
На основании сопоставления модулей деформации, полученных испытанием грунтов пробной нагрузкой и в одометрах, вычислили величину переходного коэффициента в зависимости от коэффициента пористости грунта. Этот переходный коэффициент оказался в пределах от 2 до 8. Такое большое расхождение между модулями деформации, полученными при проведении опытов штампами и компрессионных испытаний, нельзя объяснить только неточностями компрессионных опытов. Главными причинами расхождений являются:
1) несоответствие расчетной схемы, принимаемой при определении Е и а0 по формулам (4) и (5), фактическому напряженному состоянию под штампом;
2) неполная фильтрационная консолидация грунта вследствие относительной кратковременности проведения опытов в полевых условиях;
3) развитие деформаций ползучести грунта, не учитываемых при определении Е и а0.
Расхождения, получаемые по указанным причинам, несколько смягчаются вследствие частичного нарушения структуры грунта при разработке шурфов и бурении скважин, а также различия в скорости возрастания напряжений в массиве грунта под штампом и под реальными фундаментами сооружений.
В результате несоответствия между расчетной схемой, принимаемой при определении значений Е и а0 по формулам (4) и (5), и схемой, на основании которой производится расчет осадки фундамента, по полученным Е и а0 нельзя установить точную величину осадки фундамента. Если по данным испытания грунта пробной нагрузкой по формулам (4) и (5), т. е. из рассмотрения деформации линейно деформируемого полупространства, найти модуль деформации и, исходя из его значения, определить методом суммирования (по СНиП) осадку этого же штампа под приложенной нагрузкой, то найденная по расчету осадка будет меньше наблюдавшейся во время опыта. Это расхождение особенно велико при проведении испытаний в скважинах. Величина модуля деформации, найденная обратным ходом расчета из формулы (47), по которой определяется осадка методом суммирования, оказывается меньше, чем по формуле (4): для опыта, проведенного в скважине на глубине 5 м — на 11, на глубине 10 м — на 23 и на глубине более 15 м — на 36%. Это расхождение объясняется тем, что расчет осадки штампа методом суммирования производится по другой расчетной схеме.
Если в качестве расчетной схемы принять деформацию ограниченной по мощности сжимаемой толщи, то значения модуля деформации получатся на 30% меньше, чем при расчете по формуле (4). Модуль деформации, найденный из выражения (4), правильнее использовать при расчете осадки методом эквивалентного слоя, в которых рассматривается деформация бесконечного линейно деформируемого полупространства.
Таким образом, модуль деформации Е и коэффициент относительной сжимаемости а0 правильнее определять тем же методом, который применяется при расчете осадок фундаментов. Это в полной мере справедливо только при расположении опытного штампа на поверхности грунта или в неглубоком шурфе. При испытании грунта в скважине на перемещение штампа во время опыта дополнительно существенно сказывается работа массива грунта, расположенного над плоскостью, проходящей через подошву штампа. В этом массиве возникают вертикальные растягивающие напряжения. Их величина зависит от соотношения деформативности грунта при сжатии и растяжении: чем больше это соотношение, тем значительнее влияние верхнего массива грунта на напряженное состояние и деформации грунта под штампом.
Если по результатам испытания грунта в скважине статической нагрузкой (загрузкой штампа) величины Е и а0 определяются по формулам (4) и (5), то это равносильно тому, что модуль деформации грунта, залегающего по сторонам от скважины, при растяжении принимается равным нулю. Фактически это справедливо только для песков.
При бурении скважины и опускании обсадной трубы нарушается природное напряженное состояние. После приложения нагрузки, равной природному давлению, это напряженное состояние в значительной степени восстанавливается. При увеличении давления по подошве штампа более величины природного под штампом грунт преимущественно уплотняется, что приводит к осадке штампа и к вертикальному перемещению частиц грунта, расположенных на некотором расстоянии от скважины в плоскости, проходящей через подошву штампа. Эта плоскость (мысленно представляемая) будет искривляться из-за неодинаковых вертикальных перемещений на различных расстояниях от штампа. При возникновении такого рода перемещений в вышерасположенном массиве грунта па существующее напряженное состояние будут наложены в пределах некоторой области преимущественно напряжения растяжения. Это приведет к тому, что существующие напряжения сжатия от собственного веса грунта будут уменьшаться, вызывая некоторое увеличение объема грунта (набухание).
Деформации набухания при уменьшении давления, как правило, существенно меньше деформаций уплотнения. Следовательно, модуль деформации при набухании будет больше модуля деформации при уплотнении. Вследствие этого при первых нагрузках массив грунта, расположенный по сторонам от скважины, существенно должен сказываться на работе грунтов основания штампа. Если бы над штампом также был грунт и к последнему прикреплен (приклеен) верх штампа, то напряженное состояние под штампом правильнее было бы определять не по задаче Буссинеска, а по решению Л. Кельвина или Р. Миндлина. В этом случае напряжения и деформации под штампом, как установил С. А. Роза, были бы приблизительно в 2—2,3 раза меньше, чем под штампом, установленным на поверхности линейно деформируемого полупространства (задача Шлейхера). Следовательно, при использовании решений Кельвина или Миндлина для определения модуля деформации грунта по результатам загрузки штампа в скважине была бы получена величина примерно в 2 раза меньше.
Поскольку над штампом нет грунта, влияние массива грунта, расположенного вокруг скважины, и наличие жесткой обсадной трубы должно сказываться на результатах определения модуля деформации, который при расчете по формуле (4) необходимо умножить на некоторый коэффициент, величина которого, по-видимому, находится в пределах от 0,5 до 1. С. А. Роза при испытании грунта в скважине рекомендует в формулу (4) вводить коэффициент для жирных глин 0,7, для суглинков и тощих глин — 0,8 и для песков — 1,0.
По мере увеличения давления, передаваемого штампом на грунт, напряжения в вышерасположенном массиве будут уменьшаться до возникновения пластических деформаций под воздействием наибольших горизонтальных напряжений; после этого влияние вышерасположенного массива грунта на деформации основания существенно уменьшится. Поскольку под штампом деформируется ограниченный слой грунта, есть основание полагать, что и над штампом деформации растяжения испытывает слой, ограниченный по мощности. Таким образом, сказанное об уменьшении модуля деформации в связи с тем, что уплотняется фактически не бесконечное полупространство, а ограниченный по мощности слой, в такой же степени можно отнести и к зоне растяжения. Поэтому ранее установленные проценты снижения модуля деформации из-за ограниченности деформирующегося слоя остаются в силе.
Большое значение для определения величины модуля деформации также имеет продолжительность выдерживания каждой ступени нагрузки. При испытании грунта статической нагрузкой требуется (в соответствии с ГОСТ 12374—66) каждую ступень выдерживать до условной стабилизации, при которой нарастание осадки происходит со скоростью менее 0,1 мм в течение 24 ч.
Нарастание деформации, если оно связано лишь с неполной стабилизацией фильтрационной консолидации, сказывается при слабо фильтрующих глинистых грунтах. Так, при коэффициенте фильтрации грунта 10-8 см/сек указанная условная стабилизация при загружении штампов в скважинах наступает через 8 ч с момента приложения нагрузки, когда степень консолидации приблизительно равна 85%. Вследствие этого при полной консолидации осадка штампа от рассматриваемой ступени загружения будет на 15% больше осадки, замеренной при опыте. Следовательно, модуль деформации, вычисленный без учета этой части осадки, получится на 15% больше фактического значения. Продолжающееся нарастание осадок от предшествующих ступеней загружения несколько уменьшает указанную выше ошибку. При коэффициенте фильтрации грунта более 10-7 см/сек выдерживание ступени загружения в течение 8 ч приводит почти к полной стабилизации осадки. В таком случае ошибка при определении модуля деформации не превышает 5%.
Большее значение имеет развитие деформаций ползучести грунта при уплотнении. Эти деформации нарастают в течение многих лет как под фундаментами сооружений, так и под опытным штампом. Недоучет их приводит к существенному завышению модуля деформации. Если принять, что грунт деформируется в соответствии с законом линейной ползучести и что к моменту условий стабилизации половина скорости нарастания осадок обусловлена фильтрационной консолидацией, а половина — деформациями ползучести грунта, то значения модуля деформации, полученные без учета полной консолидации за счет ползучести, должны быть снижены: при £ = 50 кГ/см2 на 6,5%, при £=100 кГ/см2 на 11,6%, а при £ = 500 кГ/см2 на 30%.
Таким образом, деформации ползучести грунта при уплотнении существенно сказываются на величине модуля деформации плотных грунтов, обладающих относительно высокими значениями модуля. Завышение модуля деформации вследствие ползучести грунта в равной степени относится как к результатам компрессионных испытаний грунтов в лабораторных условиях, так и опытных штампов в скважинах и шурфах.
Рассмотренные причины расхождений в значениях модулей деформаций, несоответствие расчетной схемы, неполный учет фильтрационной консолидации грунта и развитие деформаций ползучести приводят к существенному завышению модуля деформации грунтов, устанавливаемому по формуле (4) в соответствии с результатами испытания грунтов статической нагрузкой. В связи с этим рекомендуется формулы (4) и (5) представить в виде (формула 4а):
и (формула 5а)
где К1— коэффициент, учитывающий ограниченность деформирующегося слоя при приложении нагрузки Δр;
К2 — коэффициент, учитывающий работу грунта над плоскостью, проходящей через подошву штампа;
К3 — коэффициент, учитывающий неполноту фильтрационной консолидации;
Sn - осадка штампа за счет ползучести грунта, не выявленная во время опыта.
С некоторым приближением при линейной ползучести можно принять:
Sn = 6αυs,
где υs — нарастание деформации в конце данной ступени нагружения после окончания фильтрационной консолидации за время, изменяющееся на один порядок;
α — коэффициент, характеризующий, какая часть скорости нарастания осадки штампа в конце опыта развивается за счет деформаций ползучести от данной ступени нагрузки. Коэффициент α в порядке первого приближения может быть принят равным 0,5. Таким образом, с одной стороны, неучет рассмотренных трех основных факторов завышает модуль деформации грунтов, устанавливаемый по формуле (4). С другой стороны, на грунт действуют два других фактора (а именно, частичное нарушение структуры грунта в основании опытного штампа и различие в скорости возрастания напряжений в массиве грунта под штампом и под фундаментами возводимых сооружений), оценить влияние которых (занижают модуль деформации) в настоящее время практически невозможно.
Таблица 1. Значения коэффициентов К1 К2 и К3
Метод расчета и характер грунта | К1 | К2 | К3 |
При расчете по методу суммирования на глубине: |
|
|
|
5 м | 0,89 | - | - |
10 м | 0,77 | - | - |
15 м | 0,64 | - | - |
При расчете по методу эквивалентного слоя | 1 | - | - |
При расчете по методу ограниченной сжимаемой толщи | 0,7 | - | - |
Для глин тяжелых | - | 0,7 | 0,85 |
Для суглинков и глин легких | - | 0,8 | 0,95 |
Для песков и супесей | - | 1,0 | 1,0 |
Для уменьшения влияния возможного нарушения структуры грунта под опытными штампами необходимо совершенствовать методику проведения этих опытов. Совершенствование должно идти по пути сохранения природного напряженного состояния как в поровой воде, так и в скелете грунта. С этой целью при проведении опытов в скважинах желательно бурение сопровождать доливом раствора глины или другой тяжелой суспензии. Само собой разумеется, что при проведении опытов поверхность забоя скважины должна быть зачищена и тщательно выровнена подсыпкой песка. Кроме того, должно быть исключено выдавливание грунта между штампом и стенками скважины.
Давно известно, что деформации грунта в одометрах и под опытными штампами зависят от скорости приложения нагрузки. При медленном возрастании нагрузки деформации получаются меньше, чем при быстром загружении. Для уменьшения влияния этого фактора необходимо по возможности загружать опытные штампы небольшими ступенями нагрузки с длительным их выдерживанием. При этом надо стремиться к той скорости возрастания нагрузки, которая ожидается под реальным проектируемым сооружением. Однако это стремление в большинстве случаев остается лишь пожеланием, так как испытания обычно проводятся лишь несколько дней, а под реальными сооружениями нагрузки возрастают в течение нескольких месяцев и даже лет.
В какой степени скорость загружения штампов отражается на величине модуля деформации, необходимо устанавливать хотя бы проведением компрессионных испытаний с быстрым загружением и с загрузкой грунта со скоростью возрастания нагрузки от строящихся сооружений. Сопоставлением деформативности грунта при быстром и медленном загружении может быть установлен поправочный коэффициент к значению модуля деформации, получаемому по данным испытаний штампов.
Из сказанного следует, что значения модуля деформации, определяемые по формуле (4), нельзя рассматривать как точные. Рекомендуется при определении величины модуля деформации или коэффициента относительной сжимаемости пользоваться формулами (4а и 5а) и по возможности вносить поправку на скорость загружения.
Нормативные и расчетные характеристики грунтов, входящие в расчеты оснований, должны определяться по данным исследований грунтов с учетом их природного напряженного состояния и возможного его изменения в процессе строительства и эксплуатации.
За нормативную характеристику отдельного слоя грунта принимается среднеарифметическое ее значение, полученное по данным лабораторных и полевых испытаний, количество которых должно быть достаточно для статистического обобщения. Количество образцов однородного слоя грунта, подвергаемых лабораторным испытаниям, принимается в соответствии с действующими указаниями не меньше шести.
Испытания крупного масштаба в полевых условиях проводятся в порядке одиночных опытов с целью уточнения данной характеристики. Для предварительных расчетов, а также для назначения характеристик грунтов, входящих в расчеты оснований зданий и сооружений II—IV классов, нормы разрешают принимать эти величины по табл. 2, 3 и 4.
Таблица 2. Нормативные и расчетные значения параметров линейности (С, Т/м2), углов внутреннего трения (φ, град) и модулей деформации (Е, кГ/см2) песков независимо от их происхождения и возраста.
Наименование видов грунтов | Характеристика грунтов | При коэффициенте пористости | |||||||
0,41—0,5 | 0,51—0,6 | 0,61—0,7 | 0,71—0,8 | ||||||
нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | ||
Пески гравелистые и крупные | С | 0,2 | - | 0,1 | - | - | - | - | - |
φ | 43 | 41 | 40 | 38 | 38 | 36 | - | - | |
Е | 500 | - | 400 | - | 300 | - | - | - | |
Пески средней крупности | С | 0,3 | - | 0,2 | - | 0,1 | - | - | - |
φ | 40 | 38 | 38 | 36 | 35 | 33 | - | - | |
Е | 500 | - | 400 | - | 300 | - | - | - | |
Пески мелкие | С | 0,6 | 0,1 | 0,4 | - | 0,2 | - | - | - |
φ | 38 | 36 | 36 | 34 | 32 | 30 | 28 | 26 | |
Е | 480 | - | 380 | - | 280 | - | 180 | - | |
Пески пылеватые | С | 0,8 | 0,2 | 0,6 | 0,1 | 0,4 | - | 0,2 | - |
φ | 36 | 34 | 34 | 32 | 30 | 28 | 26 | 24 | |
Е | 390 | - | 280 | - | 180 | - | 110 | - |
Табличные значения характеристик песчаных грунтов соответствуют характеристикам кварцевых песков с зернами различной окатанности, содержащих не более 20% полевого шпата и не более 5% различных примесей (слюда, глауконит и пр.) независимо от влажности.
Характеристики, приведенные в табл. 3 и 4, относятся к грунтам, содержащим растительные остатки по данным прокаливания не более 5% и при коэффициенте водонасыщенности (степени влажности) G≥0,8.
Данные табл. 2, 3 и 4 не распространяются на глинистые грунты текучей консистенции (при В>1), или при коэффициентах пористости супесей е>0,9, на суглинки и глины четвертичных отложений при е>1,1, а также на пески в рыхлом состоянии.
Таблица 3. Нормативные и расчетные значения удельных сцеплений (с, Т/м2) и углов внутреннего трения (φ, град) глинистых грунтов четвертичных отложений (при консистенции 0≤ В ≤ 1,0)
Влажность грунтов на границе раскатывания в % | Характеристика грунтов | При коэффициенте пористости е | |||||||||||
0,41-0,5 | 0,51—0,6 | 0,61—0,7 | 0,71—0,8 | 0,81—0,95 | 0,96—1,1 | ||||||||
нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | нормативные | расчетные | ||
9,5—12,4 | С | 1,2 | 0,3 | 0,8 | 0,1 | 0,6 | - | - | - | - | - | - | - |
φ | 25 | 23 | 24 | 22 | 23 | 21 | - | - | - | - | - | - | |
12,5—15,4 | С | 4,2 | 1,4 | 2,1 | 0,7 | 1,4 | 0,4 | 0,7 | 0,2 | - | - | - | - |
φ | 24 | 22 | 23 | 21 | 22 | 20 | 21 | 19 | - | - | - | - | |
15,5—18,4 | С | - | - | 5,0 | 1,9 | 2,5 | 1,1 |
| 0,8 | 1,1 | 0,4 | 0,8 | 0,2 |
φ | - | - | 22 | 20 | 21 | 19 | 20 | 18 | 19 | 17 | 18 | 16 | |
18,5—22,4 | С | - | - | - | - | 6,8 | 2,8 | 3,4 | 1,9 | 2,8 | 1,0 | 1,9 | 0,6 |
φ | - | - | - | - | 20 | 18 | 19 | 17 | 18 | 16 | 17 | 15 | |
22,5—26,4 | С | - | - | - | - | - | - | 8,2 | 3,6 | 4,1 | 2,5 | 3,6 | 1,2 |
φ | - | - | - | - | - | - | 18 | 16 | 17 | 15 | 16 | 14 | |
26,5—30,4 | С | - | - | - | - | - | - | - | - | 9,4 | 4,0 | 4,7 | 2,2 |
φ | - | - | - | - | - | - | - | - | 16 | 14 | 15 | 13 |
Таблица 4. Нормативные значения модулей деформации глинистых грунтов (Е, кГ/см2)
Происхождение и возраст грунтов | Наименование грунтов и консистенция | При коэффициенте пористости е | |||||||||
0,31-0,4 | 0,41-0,5 | 0,51-0,6 | 0,61-0,7 | 0,71-0,8 | 0,81-0,9 | 0,91-1,0 | 1,01-1,1 | ||||
Четвертичные отложения | Аллювиальные | Супеси 0 ≤ В ≤ 1 | - | 320 | 240 | 160 | 100 | 70 | - | - | |
Делювиальные озерные | Суглинки | 0 ≤ В ≤ 0,25 | - | 340 | 270 | 220 | 170 | 140 | 110 | - | |
0,25 < В ≤ 0,5 | - | 320 | 250 | 190 | 140 | 110 | 80 | - | |||
0,5 < В ≤ 1 | - | - | - | 170 | 120 | 80 | 60 | 50 | |||
Озерно-аллювиальные | Глины | 0 ≤ В ≤ 0,25 | - | - | 280 | 240 | 210 | 180 | 150 | 120 | |
0,25 < В ≤ 0,5 | - | - | - | 210 | 180 | 150 | 120 | 90 | |||
0,5 < В ≤ 1 | - | - | - | - | 150 | 120 | 90 | 70 | |||
Флювиогляциальные | Супеси | 0 ≤ В >≤ 1 | - | 330 | 240 | 170 | 110 | 70 | - | - | |
Суглинки | 0 ≤ В ≤ 0,25 | - | 400 | 330 | 270 | 210 | - | - | - | ||
0,25 >< В ≤ 0,5 | - | 350 | 280 | 220 | 170 | 140 | - | - | |||
0,5 < В ≤ 1 | - | - | - | 170 | 130 | 100 | 70 | - | |||
Моренные | Супеси Суглинки | В ≤ 0,5 | 750 | 550 | 450 | - | - | - | - | - | |
| Юрские отложения оксфордского яруса |
| При коэффициенте пористости е | ||||||||
0,91-1,0 | 1,01-1,1 | 1,11-1,3 | 1,31-1,5 | 1,51-1,7 | |||||||
Глины | -0,25 ≤ В ≤ 0 | 270 | 250 | 220 | - | - | |||||
0 < В ≤ 0,25 | 240 | 220 | 190 | 150 | - | ||||||
0,25 < В ≤ 0,5 | - | - | 160 | 120 | 100 |
При значениях коэффициента пористости е, коэффициента консистенции В и коэффициента водонасыщенности G меньших, чем их нижние пределы, указанные в таблицах, характеристики с, φ и Е в запас надежности допускается принимать по соответствующим нижним пределам е, В и G. Однако более экономичное решение фундаментов можно получить при определении характеристик с, φ и Е по данным испытаний образцов грунта или специальных испытаний в полевых условиях.
Коэффициент консистенции В вычисляется из выражения
где W — естественная влажность грунта в %;
Wр — предел раскатывания в %;
Wn — число пластичности.
Для отдельных районов и площадок строительства, характерных в геологическом отношении, рекомендуется составить таблицы значений нормативных и расчетных характеристик грунтов, аналогичные табл. 2, 3 и 4. Однако при этом необходимо иметь большое количество результатов испытаний для обработки их методами математической статистики.