Малозатратный и удобный метод оценки коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя

ВВЕДЕНИЕ

В начале своей статьи [1] авторы подчеркивают, что для расчетов и проектирования при решении многих геотехнических задач очень важна правильная оценка исходного (природного) напряженного состояния грунта. Вертикальное эффективное напряжение in situ σ_v' на любой глубине можно просто оценить по профилям давления вышележащих грунтов и порового давления. Но горизонтальное эффективное напряжение in situ σ_h' трудно как измерить напрямую, так и оценить эмпирически, поскольку оно зависит не только от свойств грунта, но и от геологической истории грунтового массива (поэтому оно чаще всего оценивается приблизительно).

Взаимосвязь между вертикальным и горизонтальным эффективными напряжениями при нулевой горизонтальной деформации обычно выражается с помощью коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя K₀=σ_h'/σ_v'. Этот коэффициент давно изучается геотехниками, поскольку он является важным параметром для оценки исходного напряженного состояния грунтового массива при решении многих геотехнических задач, в том числе связанных с фильтрацией. Однако получение информации о K₀ для слабых грунтов имеет ограничения из-за сложностей работы с образцами и измерений при строгом условии отсутствия горизонтальных смещений.

Далее авторы перечисляют ряд существовавших на момент выхода статьи [1] типов полевых и лабораторных методов, обеспечивающих отсутствие горизонтальных деформаций.

Полевые (in situ) методы испытаний для оценки K₀, предлагавшиеся разными исследователями, авторы работы [1] разделили на три категории.

1. Прямые (в практически реальных условиях) испытания связаны с очень небольшим нарушением грунтов, вызванным установкой испытательных приборов, например самозабуривающегося прессиометра (Baguelin et al., 1972; Jezequel, 1972; Wroth, Hughes, 1973; Hamouche et al., 1995).

2. Полукосвенные (с частичным нарушением структуры грунтов) испытания, включающие введение в грунт зондов без каких-либо мер предосторожности для предотвращения нарушений, например испытания с помощью:

• крупной сваи, оснащенной датчиком полных напряжений (Kenney, 1967);
• гидравлического разрыва (Bjerrum, Andersen, 1972; Bozozuk, 1974; Lefebvre et al., 1991; Hamouche et al., 1995);
• датчиков полных напряжений (Massarsch, 1975; Massarsch, Broms, 1976; Tavenas, 1975);
• дилатометров (Marchetti, 1980; Hamouche et al., 1995);
• «K₀-ступенчатых лезвий» (K₀ Stepped Blade), предложенных Хэнди с соавторами (Handy et al., 1982, 1990), то есть очень тонких плоских зондов из нескольких становящихся более тонкими кверху ступеней с датчиком давления в каждой из них;
• внедрения конусного зонда (CPT) (Masood et al., 1993).

3. Неразрушающий метод определения K₀ возможен с помощью измерения скорости распространения поперечных сейсмических волн в несвязных грунтах (Fioravante et al., 1998; Hatanaka et al., 1999).

Однако, как отмечают участники исследования [1], различные методы определения K₀ in situ (по крайней мере до выхода статьи [1]) давали некоторые расхождения в значениях этого коэффициента из-за многих неопределенностей, связанных с чувствительностью полученных оценок к небольшим нарушениям грунта, вызванным погружением в него того или иного зонда.

Лабораторные методы определения K₀ авторы работы [1] разделили на два класса.

1. В первом классе используются:

• жесткие боковые границы;
• типы консолидометров, которые обеспечивают необходимое условие нулевого бокового расширения образца, но также допускают неопределенное трение между стенкой и грунтом, например:
  • полужесткое ограничительное кольцо (semi rigid confining ring) (Newlin, 1965),
  • ограничительное кольцо для обычных трехосных испытаний (null type confining ring) (Brooker, Ireland, 1965; Singh et al., 1973),
  • трехосный прибор COWK (Cambridge-Ohta-Wroth-Kyoto) (Ohta et al., 1979),
  • полужесткий консолидометр (semi-rigid consolidometer) (Abdelhamid, Krizek, 1976; Edil, Dhowain, 1981; Mesri, Hayat, 1993; Ting et al., 1994).

2. Во втором классе используются:

• гибкие боковые границы с системой обратной связи для поддержания положения этих границ;
• такие типы трехосных приборов, как:
  • «жесткая камера» (rigid cell) (Davis, Poulos, 1963),
  • трехосный прибор с контролируемым объемом (controlled volume triaxial) (Lewin, 1970),
  • трехосный прибор для обычных трехосных испытаний (null type triaxial)  (Bishop, 1958; Moore, Spencer, 1972),
  • автоматическое моделирование K₀-консолидации и K₀-набухания (рагрузки) в камере трехосного сжатия (Menzies et al., 1977),
  • простая камера трехосного сжатия для определения K₀ (Campanella, Vaid, 1972),
  • двойная камера трехосного сжатия для определения K₀ (Okochi, Tatsuoka, 1984),
  • K₀-консолидация в трехосном приборе (Fukagawa, Ohta, 1988),
  • трехосные испытания для определения траектории деформации (Lo, Chu, 1991),
  • автоматизированная K₀-консолидация в камере трехосного сжатия (Tsuchida, Kikuchi, 1991; Watabe et al., 2003).

Авторы статьи [1] отмечают, что при лабораторных испытаниях преимуществом использования гибких боковых границ является отсутствие трения по боковой поверхности, но недостатком его является необходимость контролировать то, чтобы образец грунта имел нулевое боковое расширение, а также необходимость обеспечивать однородность распределения эффективного напряжения в образце.

Но при этом, как указывают участники исследования [1], большинство используемых лабораторных методов (на момент выхода статьи [1]) довольно сложны и обычно требуют много времени для консолидации образца.

Поэтому авторы работы [1] предложили метод оценки K₀ с использованием такого простого прибора, как модифицированный одометр с герметичной камерой. Они отнесли этот способ к косвенным методам использования полужестких колец. Его преимущества заключаются в том, что в указанном устройстве грунт можно сжать при полном отсутствии бокового расширения за меньшее время и при более низких эксплуатационных расходах по сравнению с другими методами.

Полный текст статьи с формулами и рисунками читайте в формате pdf. СКАЧАТЬ