Анализ проведенных работ в области определения модуля деформации для слабых глинистых грунтов

На сегодняшний день развитие исторического города нереально без освоения подземного пространства. До последнего времени глубоких котлованов в среде сложившейся городской застройки не строилось. Причиной этого являются специфические геологические условия Санкт-Петербурга, а именно, наличие до глубины 20–30 м слабых глинистых отложений. Подвижки грунта, избежать которых невозможно, особенно в условиях слабых и рыхлых грунтов, должны быть ограничены до такого уровня, чтобы исключить нанесение вреда окружающим строениям. В статье собраны данные о существующих методах лабораторных испытаний грунтов на разгрузку. Рассмотрены работы, затрагивающие аналогичную тему. В заключение сформирована рабочая гипотеза для научно-исследовательской работы.

Ключевые слова: НДС грунта, компрессионные испытания, трехосные испытания, модуль деформации, модуль разгрузки.

To date, the development of the historical city is unrealistic without the development of underground space. Until recently, no deep pits were built in the environment of the existing urban development. The reason for this is the specific geological conditions of St. Petersburg, namely, the presence of weak clay deposits up to a depth of 20–30 m. Ground movements, which cannot be avoided, especially in conditions of weak and loose soils, should be limited to such a level as to exclude harm to surrounding structures. The article contains data on existing methods of laboratory testing of soils for unloading. The works dealing with a similar topic are considered. In conclusion, a working hypothesis for research work has been formed.

Keywords: Soil VAT, compression tests, triaxial tests, deformation modulus, unloading modulus.

1. Введение

Развитие исторического города на сегодняшний день нереально без освоения подземного пространства. Нужны подземные транспортные развязки, парковки, подземные объекты инфраструктуры. Все, что искажает восприятие исторического облика города, должно быть спрятано под землю. Эта задача является самой сложной в геотехнике: необходимо не только спроектировать и построить подземное сооружение с надлежащим уровнем надежности, но и обеспечить сохранность окружающей исторической застройки [1].

Целью научно-исследовательской работы является формирование программы испытаний на разгрузку. Для достижения данной цели необходимо провести ряд лабораторных испытаний на компрессионном и трехосном приборах, учитывая разную величину вертикального напряжения.

2. Методы

2.1 Компрессионное сжатие

Испытания методом компрессионного сжатия проводят в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Метод компрессионного сжатия включает в себя компрессионные и консолидационные испытания грунтов [2].

2.2 Трехосное сжатие

Конкретный состав определяемых характеристик указывается в задании.

Указанные характеристики определяют по результатам испытаний образцов в камерах установки трехосного сжатия (стабилометра) типа А. обеспечивающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при:

1  2 = 3,

где 1 — наибольшее главное напряжение (вертикальное);

2, 3 — наименьшее и промежуточное главные напряжения (горизонтальные). Принципиальная схема камеры стабилометра типа А приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема камеры стабилометра: 1 — основание камеры; 2 — корпус камеры; 3 — шток; 4 — образец грунта в оболочке; 5 — верхний штамп; 6 — нижний штамп;7,8 — магистрали системы дренажа, измерения перового давления и противодавления; 9 — магистраль давления в камере

Испытания проводят путем увеличения вертикального полного напряжения вплоть до разрушения образца при фиксированном значении горизонтального полного напряжения.

Испытания проводят по неконсолидированно-недренированной (НН). консолидированно-недренированной (КН) и консолидированно-дренированной (КД) схемам [3]. Ступени вертикального давления на образец грунта представлены в таблице 1.

Ступени вертикального давления на образец грунта

3. Анализ литературы

1. «Анализ параметров модели слабого грунта для котлованов под фундамент на основе скоростей сдвига в бухте Шэньчжэнь, Китай» [4].

В этой статье соответствующие параметры модели HS в бухте Шэньчжэнь в Китае были изучены с помощью компрессионных испытаний на консолидацию и испытаний на трехосный сдвиг. Были систематически изучены аналитические методы секущего модуля деформаии (E50ref) и коэффициента разрушения (Rf) слабого грунта, проанализировано влияние скоростей сдвига на E50ref и Rf, и установлена взаимосвязь между параметрами жесткости и одометриеским модулем (Eoedref) слабого грунта. Результаты показали, что секущий модуль деформации (E50ref) и коэффициент разрушения (Rf) слабого грунта, полученные различными аналитическими методами, были совершенно разными, и ошибки секущего модуля деформации (E50ref) и коэффициента разрушения (Rf) слабого грунта, полученные по кривым напряжения-деформации, были наименьшими, а стабильность была наилучшей; в то же время, с увеличением скоростей сдвига, пиковое девиаторное напряжение и (E50ref) увеличились, но коэффициент разрушения Rf не сильно изменился. Результаты исследования могли бы послужить основой для анализа параметров слабого грунта для модели HS при численном анализе и аналогичных условиях работы котлованов. Они показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Результаты исследования

2. «Механические свойства слабого грунта с учетом влияния траекторий напряжений разгрузки» [5].

В данной статье в качестве объекта исследования взят слабый грунт в Шэньчжэне, Китай, и проведена серия испытаний на консолидированно-недренированой схеме при разгрузке. Сначала проводится консолидация K0. затем проводятся испытания на разгрузку с различными коэффициентами разгрузки для имитации различных траекторий напряжений при разгрузке (рис. 3). Результаты испытаний показывают, что характеристики деформации слабого грунта тесно связаны с траекторией напряжений и коэффициентом разгрузки. При различных коэффициентах разгрузки слабый грунт будет подвергаться деформации сжатия или отскока. В условиях разгрузки кривая напряжения-деформации отклонителя удовлетворяет гиперболической функции и может быть нормализована с учетом среднего давления, ограничивающего уплотнение. С увеличением коэффициента разгрузки начальный модуль касательной сначала уменьшается, а затем увеличивается, сцепление уменьшается, а угол внутреннего трения существенно не изменяется. механические параметры загрузки не подходят для численного расчета при проектировании разгрузки. В этой статье рассматриваются дополнительные пути разгрузки, такие как UU1.0 и UU0.5. Результаты исследования обеспечивают теоретическую основу для расчета численного анализа грунтового массива на разных глубинах в карьерах с богатым слабым грунтом.

Рис. 3. Траектории напряжений при разгрузке

3. «Компрессионные испытания грунта как способ определения параметров модели Hardening Soil» [6].

В работе рассматривается процесс определения деформационных параметров модели Hardening Soil на основе имитации расширенных компрессионных испытаний грунта численным методом. Установлено, что назначение параметров модели без их последующей калибровки недостоверно описывает реальную работу грунта при проведении численного моделирования.

Рис. 4. Определение параметра одометрического модуля для модели грунта Hardening Soil по результатам компрессионного испытания

Рис. 5. Определение давления предварительного уплотнения методами Казагранде и энергии деформации

4. «Расчет касательного модуля упругости грунтов при различных траекториях напряжений» [7].

Во время выемки котлована грунты разных участков могут проходить по разным путям разгрузки. Это исследование фокусируется на Eoed грунта при различных траекториях напряжений и обеспечивает теоретическую основу для расчета деформации грунта. В этой статье были проведены обычные испытания на трехосное сжатие и испытание на разгрузку при уплотнении К0 с илистым грунтом и илистой глиной для получения деформационных характеристик грунтов при различных траекториях напряжений. Результаты эксперимента показывают, что образцы почвы демонстрируют различные характеристики напряженно-деформированного состояния при различных траекториях напряжений, но все они демонстрируют нелинейность. Начальный одометрический модуль Eoed увеличивается по мере усиления давления, ограничивающего уплотнение. Затем, основываясь на данных испытаний, была проверена зависимость степенной функции между начальным Eoed и ограничивающим давлением при разгрузке. Одновременно была предложена и доказана функция гиперболы для выражения соотношения напряжений и деформаций грунтов в условиях уплотнения K0. Наконец, были установлены формулы Eoed при охлаждении и разгрузке K0, относящиеся к получению этого модуля в модели Дункана–Чанга. Результаты теоретических расчетов хорошо согласуются с результатами испытаний. Это может расширить использование модели Дункана–Чанга и улучшить ее применение в инженерной практике.

4. Рабочая гипотеза. Предлагаемая программа испытания

Я считаю, что величина qb — вертикальное напряжение в точке В, соответствующее пересечению ветвей разгрузки и повторной нагрузки, значение которой на 60 % больше бытового вертикального давления (как прописано в ГОСТ), может быть не универсальным значением и привести к разрушению грунта раньше времени. [8].

Для оценки необходимо провести ряд лабораторных испытаний на компрессионном и трехосном приборах, учитывая разную величину вертикального напряжения.

Рис. 7. Образование модуля деформации Е и модуля разгрузки Eur на схеме

При изотропной консолидации девиатор в начале опыта отсутствует, и qzg = 0. Вторая точка диапазона qB на 60 % больше бытового вертикального давления (Рис.7); данная величина принята для удобства сопоставления испытаний с кинематическим и ступенчатым приложением нагрузки. Разгрузка выполняется до величины девиатора 10кПа (или вычисляют по сумме двух первых ступеней вертикального напряжения, определяемых по таблице 2 [2]), чтобы при использовании более распространенной камеры типа А сохранялся контакт штока и штампа. При анизотропной консолидации девиатор в начале опыта не равен 0, но диапазон определения модуля все равно на 60 % больше бытового вертикального давления. Разгрузка в этом случае выполняется до величины девиатора также 10 кПа, то есть уходит ниже точки бытового напряженного состояния.

Модуль разгрузки и повторного нагружения Eur определяется аналогично, но на ветви разгрузки. Экспериментальным методом мы можем проследить, как будет реагировать грунт при изменении граничных показателей для разгрузки. Например, для точки B, взять не на 60 % больше бытового вертикального давления, как прописано в ГОСТ, а на 30 %, а еще уменьшить и значение точки А до 0 (Рис.8). Так же можно рассмотреть поведение грунта при разгрузке на этапе анизотропной консолидации (Рис.9)

Рис. 9. Разгрузка на этапе завершения анизотропной консолидации

5. Вывод

Из произведенного анализа существующих методов лабораторных испытаний грунтов на разгрузку можно сделать вывод, что, до настоящего времени вопросам расчета осадок с учетом их разгрузки и последующих повторных нагружений уделялось недостаточно внимания и в рамках научной работы необходимо формирование программы испытаний на разгрузку.

Литература:

1. Копотилова А. С. Особенности строительства в условиях плотной городской застройки //Молодой ученый. — 2017. — № 49. — С. 59–61. — URL https://moluch.ru/archive/183/46924/ (дата обращения: 14.11.2022).
2. ГОСТ 1248.4–2020
3. ГОСТ 1248.3–2020
4. «Parameter Analysis on Hardening Soil Model of Soft Soil for Foundation Pits Based on Shear Rates in Shenzhen Bay, China»
5. «Mechanical Properties of Soft Soil considering the Influence of Unloading Stress Paths»
6. «Компрессионные испытания грунта как способ определения параметров модели Hardening Soil»
7. «Calculation of Tangent Modulus of Soils under Different Stress Paths». Hua Huang, Min Huang, and Jiangshu Ding
8. Определение модулей деформации при трехосном сжатии. URL: https://geoinfo.ru/product/mirnyj-anatolij-yurevich/opredelenie-modulej-deformacii-pri-trekhosnom-szhatii-42897.shtml (дата обращения: 15.11.2022).