Об определении природного горизонтального напряжения в сиэтлской глине с помощью прессиометра. Часть 3

Применение зависимостей «K₀ – OCR» и «K₀ – PI» для сопоставления результатов прессиометрических и лабораторных испытаний

Как указывают авторы статьи [1], зависимости между коэффициентом горизонтального давления грунта в состоянии покоя K₀ = σ_h0/σ_v0 (где σ_h0 – общее горизонтальное напряжение in situ, σ_v0 – общее вертикальное напряжение in situ) и коэффициентом переуплотнения OCR = σ_vY/σ_v0 (где σ_vY – максимальное эффективное вертикальное напряжение, которое грунт выдерживал в прошлом, или давление предварительного уплотнения, обозначенное точкой D на рисунке 4 в первой части обзора), а также зависимости между K₀ и числом пластичности PI выводили по результатам наблюдений многие исследователи. Наиболее устоявшиеся из них были предложены Брукером и Ирлэндом (Brooker, Ireland, 1965), которые связали K₀ с PI и OCR и представили эту связь в графическом виде, и Мейном и Кулхави (Mayne, Kulhawy, 1982), которые получили следующую формулу:

Это уравнение, как отмечают Хупс и Хьюз [1], применимо к простой траектории напряжений при осесимметричной одноосной разгрузке (после осесимметричного одноосного нагружения).

Авторы работы [1] выполнили 8 одометрических испытаний образцов довашонской (четвертичной) озерно-ледниковой глины (Qpgl), извлеченных при изысканиях для строительства тоннеля на автомагистрали SR-99 в деловом центре города Сиэтл (США). Чтобы дополнить ограниченное количество полученных при этом данных, были взяты результаты испытаний на консолидацию (consolidation tests) из материалов нескольких предыдущих геотехнических изысканий в районе Сиэтла, проведенных для разных проектов. Кроме того, сами Хупс и Хьюз [1] выполнили 59 консолидационных испытаний на образцах довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) и вашонской озерно-ледниковой глины Лотона (Qvgl).

При оценке вертикального эффективного напряжения текучести σ'_vY по данным этих испытаний авторы работы [1] сделали два основных наблюдения.

1. Кривые «e – lg σ'_vc» (где e – коэффициент пористости; σ'_vc – вертикальное эффективное напряжение консолидации, приложенное в одометре), полученные в результате испытаний на консолидацию образцов сиэтлской глины, при низких напряжениях демонстрируют ответы с «мягкими» переходами между состояниями и обычно не показывают четко определяемых пределов текучести. Как указывают Хупс и Хьюз [1], такое же поведение наблюдали в похожих глинах из разных регионов мира и другие исследователи (Grozic et al., 2003; Jefferies et al., 1987), которые пришли к выводу, что наиболее надежный метод оценки значения σ'_vY для глин, показывающих такое поведение, был предложен Беккером и др. (Becker et al., 1987). Этот метод, основанный на критерии работы W на единицу объема при консолидации в одометре

определяет величину σ'_vY как точку в координатной плоскости «W – σ'_vc» определяемую пересечением линии, соответствующей точкам данных ниже природного вертикального эффективного напряжения σ'_v0, и линии, подобранной для точек данных при высоких напряжениях консолидации, расположение которых склонно быть линейным. И это, как указывают авторы статьи [1], «вводит» второе основное наблюдение по одометрическим испытаниям сиэтлской глины.

2. В 27 из 59 испытаний на консолидацию, выполненных Хупсом и Хьюзом [1], образцы либо не были нагружены выше σ'_vY, либо не были нагружены достаточно далеко за пределами σ'_vY, чтобы показать линейный тренд в координатной плоскости «W – σ'_vc» при высоких вертикальных напряжениях. Определение надежных значений σ'_vY для таких испытаний было невозможным с помощью какого бы то ни было метода из-за отсутствия четко выраженного поведения при первичном сжатии.

Значения OCR, полученные авторами работы [1] на основе результатов 32 испытаний, однозначно показали линейность зависимости «W – σ'_vc» после предела текучести (рис. 13). Используя данные консолидационных испытаний, Хупс и Хьюз [1] аппроксимировали верхнюю и нижнюю границы σ'_vY для сиэтлской глины (см. абсциссу точки D на рисунке 4 в первой части обзора) с помощью следующего неравенства:

Примеры кривых OCR, определяемых этими границами и полученных на основе средних значений σ'_v0, представлены на рисунке 13.

Рис. 13. Зависимости OCR от глубины и предельных соотношений σ_vc/σ_v0 (см. неравенство (3)) по результатам одометрических испытаний образцов из скважин TB-318, TB-320 и TB-321 (по [1])

Далее авторы статьи [1] дают следующее пояснение. Хотя и трудно с уверенностью определить, какой процесс или какая их комбинация (например, нагрузка от ледника, сложные изменения в давлениях подледниковых поровых вод, накопление и эрозия отложений прогляциального вымыва GLF) вызвали в прошлом максимальные вертикальные эффективные напряжения в сиэтлской глине, но эти напряжения были «записаны в памяти» глины об истории нагружения и могут наблюдаться в виде величин σ'_vY, получаемых при одометрических испытаниях. Другими словами, независимо от конкретных деталей концептуальной истории нагружения, например от времени возникновения максимальных напряжений (будь то в период последнего вашонского оледенения, как показано на рисунке 4 в первой части обзора, или, возможно, во время более раннего оледенения) или от причин их формирования (в результате нагрузки только от ледника, только от отложений прогляциального вымыва или от какой-либо комбинации факторов), величина максимального вертикального напряжения скорее всего попадет в диапазон, представленный в неравенстве (3).

Чтобы оценить профили K₀ при простой разгрузке, авторы работы [1] подставили в уравнение (1) верхнюю и нижнюю границы профилей OCR на основе неравенства (3) (рис. 14). Для оценки K_0NC и параметра разгрузки α использовалось максимальное значение ϕ'_TC, равное 29 град. (см. таблицу 2 в первой части обзора). На рисунке 14 также представлены диапазоны K₀, полученные с помощью диаграммы Брукера и Ирлэнда (Brooker, Ireland, 1965), взятые из таблицы 3 (см. первую часть обзора) и вычисленные с помощью неравенства (3).

Рис. 14. Изменения K₀ с глубиной на основе уравнения (1) и неравенства (3) с использованием значения ϕ'_TC, равного 29 град., и средних подповерхностных условий по результатам одометрических испытаний образцов из скважин TB-318, TB-320 и TB-321, а также на основе поисков равновесного давления путем тестов на ползучесть, выполняемых во время стадии разгрузки, и соответствующего анализа с использованием комплексной геомеханической модели грунта (по [1])

Обсуждение результатов исследования [1]

Как уже упоминалось, на рисунке 14 и в таблице 3 (см. первую часть обзора) представлены оценки величин K₀ по данным 10 прессиометрических тестов на ползучесть, выполнявшихся при прессиометрических испытаниях во время стадии разгрузки для поиска равновесного давления, и итоги анализа данных тех же испытаний с применением подбора комплексной геомеханической (конститутивной) модели грунта. Эти значения K₀ при сопоставлении авторами работы [1] оказались поразительно схожими, несмотря на такие разные методы их оценки. Однако в случае испытаний, которые показали значительное начальное нарушение грунта во время первоначального расширения, величины K₀ для наиболее подходящей конститутивной модели, как правило, были ниже, чем полученные путем измерений указанным методом. Диапазоны значений K₀ in situ в деформированной глине (см. таблицу 3 в первой части обзора и рис. 14) кажутся выше, чем в ненарушенной глине, но оба их набора значительно перекрываются. Можно было бы ожидать, что деформированная глина будет иметь более высокие значения K₀. Однако, поскольку деформированные зоны являются прерывистыми в горизонтальном направлении, Хупс и Хьюз [1] предполагают, что со времени сдвига горизонтальные напряжения в этих зонах распространились на соседние менее нарушенные зоны.

Как видно из рисунка 14, многие из значений K₀, полученные с помощью прессиометра, значительно выше, чем можно было бы ожидать на основе рассмотрения простой разгрузки (rebound) и использования методов Мэйна и Кулхави (Mayne, Kulhawy, 1982) или Брукера и Ирлэнда (Brooker, Ireland, 1965). Авторы статьи [1] не считают это свидетельством, ставящим под сомнение формулы, предложенные вышеуказанными исследователями. Они скорее рассматривают это как реальный пример способности глины сохранять трехмерную «память» об истории нагружения.

Далее авторы работы [1] ссылаются на выводы Месри и Хайата (Mesri, Hayat, 1993), которые показали, что горизонтальные эффективные напряжения σ'_h образцов глины, подвергнутых дренированному сжатию, ограниченному в поперечном направлении (то есть одометрической траектории напряжений), затем пассивному сдвигу (увеличению σ'_h при постоянном σ'_v), а затем повторному наложению боковых ограничений, не возвращаются к состоянию K_0NC после того, как рассеялось избыточное поровое давление. Вместо этого после рассеивания порового давления в образцах оставалось примерно 40% приложенных горизонтальных напряжений. Месри и Хайат предложили оценивать величину K₀ после пассивного сдвига во время одномерной вертикальной разгрузки путем замены коэффициента K_0NC в уравнении (1) на K_0P – коэффициент горизонтального напряжения, оцененный с использованием остаточного (или внутреннего) горизонтального напряжения после пассивного сдвига.

Хотя степень увеличения горизонтальных напряжений в глине из-за наступания довашонского ледникового языка и накопления ледниковой морены (Qpgt) неизвестна, уровень деформаций, проявляющийся во многих образцах довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) из деформированных зон, навела авторов работы [1] на мысль о том, что горизонтальные напряжения, вероятно, были достаточно высокими для того, чтобы вызвать локальные пассивные нарушения (см. ординату точки B на рисунке 4 в первой части обзора). Другими словами, величина K_0P может составлять порядка 0,4K_P (где K_P – коэффициент горизонтального давления грунта в пассивном состоянии после ледникового сдвига). Использование уравнения (1) приведет эту величину к текущему значению K₀ in situ, которое будет значительно выше диапазона, оцененного при исследовании [1]. По предположению авторов статьи [1], это очевидное несоответствие связано с тем, что «бульдозерное» воздействие ледника и перекрытие глин толщей Qpgt во время оледенения, при котором сформировались рассматриваемые отложения Qpgl (а эти процессы, вероятно, вызвали самые высокие напряжения пассивного сдвига в Qpgl),  произошли до вашонского оледенения и накопления вашонских отложений прогляциального вымыва GLF.

Далее Хупс и Хьюз [1] ссылаются на выводы Гудехуса (Gudehus et al., 1977) и Топольницкого (Topolnicki et al., 1990) с соавторами, которые показали, что после изменения направления траектории деформирования (например, от горизонтального деформирования пассивного типа к поперечно-ограниченным вертикальным нагружению и разгрузке) переориентация частиц грунта склонна вызывать асимптотическое смещение направления траектории напряжений в сторону новой траектории деформирования, из-за чего грунт постепенно теряет «память» о первоначальной истории девиаторных напряжений (деформаций).

Резюме и выводы

Итак, авторами работы [1] был использован новый подход к оценке природных горизонтальных напряжений в грунте путем поиска равновесного давления с помощью тестов на ползучесть, выполняемых на стадии разгрузки при определенных давлениях, поддерживаемых в измерительной камере определенное время (balance pressure creep testing – BPC). В своем исследовании они использовали для этого результаты 10 испытаний указанным методом, выполненных в экспериментальном порядке во время геотехнических изысканий для строительства тоннеля на автомагистрали SR-99 в деловом центре Сиэтла (прессиометрические испытания при этом выполнялись силами компании In Situ Engineering из города Снохомиш штата Вашингтон США).

После написания основной части своей статьи [1] ее авторы продолжили развивать рассматриваемый новый подход, используя в последующих проектах усовершенствованные процедуры тестирования на его основе с попытками контролировать возможные эффекты скорости и продолжительности нагружения. К тому же, как отмечают Хупс и Хьюз [1], во время нагружения в недренированных условиях при прессиометрическом испытании развиваются поровые давления, которые также могут иметь некоторое влияние на характеристики ползучести. Однако, поскольку мембрана измерительной камеры прессиометра водонепроницаема, эти давления должны рассеиваться в грунтовом массиве. Кроме того, испытания на ползучесть проводятся только в течение примерно 2 минут. При этом авторы работы [1] допускают, что изменение диаметра полости обусловлено неуравновешенным (несбалансированным) полем давлений, а не диссипацией поровой воды. Поэтому они подчеркивают, что будут очень полезны дальнейшие экспериментальные исследования с измерением порового давления в контролируемых лабораторных условиях, чтобы помочь лучше понять взаимосвязь между изменением диаметра полости в результате ползучести и горизонтальным напряжением в окружающем грунте in situ.

Несмотря на вышеупомянутые неопределенные аспекты испытаний с использованием нового подхода, Хупс и Хьюз [1] обнаружили, что природные горизонтальные напряжения, оцененные с помощью этого метода, согласуются с их величинами, полученными с помощью подбора подходящих кривых комплексных геомеханических моделей грунта. Однако эти напряжения были значительно выше, чем предполагалось на основе зависимостей «K₀ – OCR» и «K₀ – PI – OCR», хорошо известных для стадии разгрузки. В некоторых случаях эти зависимости занижают горизонтальное напряжение in situ более чем в 2 раза. Поскольку в отложениях довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) часто наблюдаются зоны интенсивных деформаций, то на основе указанных зависимостей вполне можно предположить, что эти грунты подверглись значительному горизонтальному сдвигу, а не простым ограниченным в горизонтальном направлении нагружению и разгрузке.

Как указывают авторы работы [1], измерения, выполненные в прошлом (во время строительства межштатной скоростной автомагистрали I-5 на территории Сиэтла в 1960-х годах), уже показали высокие природные горизонтальные давления в сиэтлской глине и были сочтены основной причиной нестабильности срезанных склонов и укрепленных бортов котлованов. Оползни в этих отложениях обычно связывают с инфильтрацией дождевой воды.

Однако, ссылаясь на результаты конечноэлементного моделирования, выполненного Данкэном и Данлопом (Duncan, Dunlop, 1969), авторы статьи [1] отмечают следующее. Если в модели удвоить величину K₀ для условий in situ, то оцененное максимальное напряжение сдвига в основании срезанного склона увеличится в 2 раза. Другими словами, полученное сопротивление сдвигу будет значительно ниже, чем измеренное при обычном трехосном испытании (на изотропное сжатие). Поскольку очень жесткие глины, такие как Qpgl и Qvgl, изначально демонстрируют отрицательное индуцированное давление поровой воды, то их прочность при начальном (недренированном) сдвиге обычно очень высока, что, как правило, приводит к временному стабильному состоянию срезанной части склона. Но, как только индуцированное отрицательное поровое давление рассеется (через дни, недели, месяцы или годы в зависимости от условий дренирования), прочность на дренированный сдвиг вдоль потенциальной плоскости скольжения может стать ниже, чем приложенное напряжение сдвига. Дождевая вода или грунтовые воды из линз и прослоев песка, встречающихся внутри глины, могут просачиваться в трещины, которые могут открыться во время разгрузки. Это может нарушить капиллярное и поровое давление и ускорить разрушение. Однако объяснение таких разрушений только результатом инфильтрации подземных вод без учета высокого коэффициента горизонтального давления грунта в состоянии покоя K₀ упускает из виду потенциально критический долгосрочный характер нарушений грунта.

Источник

1. Hoopes O., Hughes J. In situ lateral stress measurement in glaciolacustrine Seattle clay using the pressuremeter // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. ASCE, 2014. V. 140. P. 04013054-1 – 04013054-11.

Список литературы, использованной авторами статьи [1]

Andrews G.H., Squier L.R., Klasell J.A. Cylinder pile retaining walls // Structural Engineering Conf., 1966. Reston, VA: ASCE, 1966.

Becker D.E., Crooks J.H.A., Been K., Jefferies M.G. Work as a criterion for determining in situ and yield stresses in clays // Can. Geotech. J. 1987. Vol. 24. № 4. P. 549–564.

Booth D.B. Glacier physics of the Puget lobe, southwest Cordilleran ice sheet // Geographie Physique et Quaternaire. 1991. Vol. 45. № 3. P. 301–315 (in French).

Booth D.B. Glaciofluvial infilling and scour of the Puget Lowland, Washington, during ice-sheet glaciation // Geology. 1994. Vol. 22. № 8. P. 695–698.

Booth D.B., Hallet B. Channel networks carved by subglacial water: observations and reconstruction in the eastern Puget Lowland of Washington // Geol. Soc. Am. Bull. 1993. Vol. 105. № 5. P. 671–683.

Briaud J.L. The pressuremeter. Rotterdam, Netherlands: Balkema, 1992.

Brooker E.W., Ireland H.O. Earth pressures at rest related to stress history // Can. Geotech. J. 1965. Vol. 2. № 1. P. 1–15.

Duncan J.M., Dunlop P. Slopes in stiff-fissured clays and shales // J. Soil Mech. Found. Div. 1969. Vol. 95. № 2. P. 467–492.

Gibson R.E. Anderson W.F. In situ measurement of soil properties with the pressuremeter // Civ. Eng. Public Works Rev. 1961. Vol. 56. № 658. P. 615–618.

Grozic J.L.H., Lunne T., Pande S. An oedometer test study on the preconsolidation stress of glaciomarine clays // Can. Geotech. J. 2003. Vol. 40. № 5. P. 857–872.

Gudehus G., Goldscheider M., Winter H. Mechanical properties of sand and clay and numerical integration methods: some sources of errors and bounds or accuracy. Chapter 3. Finite elements in geomechanics (ed. by G. Gudehus). London: Wiley, 1977. P. 121–150.

Hughes J.M.O. An instrument for in situ measurement in soft clays: PhD thesis. Cambridge, U.K.: Univ. of Cambridge, 1973.

Jefferies M.G. Determination of horizontal in situ stress in clay with self-bored pressuremeter // Can. Geotech. J. 1988. Vol. 25. № 3. P. 559–573.

Jefferies M.G., Crooks J.H.A., Becker D.E., Hill P.R. Independence of geostatic stress from overconsolidation in some Beaufort Sea clays // Can. Geotech. J. 1987. Vol. 24. № 3. P. 342–356.

Johnson K.A. Foundations Seattle Freeway Construction, Interstate 5: 1960–1966 // Engineering geology in Washington (ed. by R.W. Galster). Vol. II. Olympia, WA: Washington State Dept. of Natural Resources, 1989. P. 773–784.

Kulhawy F.H., Mayne P.W. Manual on estimating soil properties for foundation design. Rep. № EL-6800. Palo Alto, CA: Electric Power Research Institute (EPRI), 1990.

Ladanyi B. Expansion of a cavity in a saturated clay medium // J. Soil Mech. and Found. Div. 1963. Vol. 89. № SM4. P. 127–161.

Laprade, William T. Geologic implications of pre-consolidated pressure values, Lawton clay, Seattle, Washington // Proc. of the 19th Engineering Geology and Soils Engineering Symp., 1982. Boise, ID: Transportation Dept., 1982. P. 303–321.

Marsland A., Randolph M. F. Comparisons of the results from pressuremeter tests and large in situ plate tests in London clay // Geotechnique. 1977. Vol. 27. № 2. P. 217–243.

Mayne P.W., Kulhawy F.H. K₀-OCR relationships in soil // J. Geotech. Engrg. Div. 1982. Vol. 108. № 6. P. 851–872.

Mesri G., Hayat T.M. The coefficient of earth pressure at rest // Can. Geotech. J. 1993. Vol. 30. № 4. P. 647–666.

Miller J.A. Landslide stabilization in an urban setting, Fauntleroy district, Seattle, Washington // Engineering geology in Washington (ed. by R.W. Galster). Vol. II. Olympia, WA: Washington State Dept. of Natural Resources, 1989. P. 681–690.

Palladino D.J., Peck R.B. Slope failures in an overconsolidated clay, Seattle, Washington // Geotechnique. 1972. Vol. 22. № 4. P. 563–595.

Powell J.J.M. A comparison of four different pressuremeters and their methods of interpretation in a stiff, heavily overconsolidated clay // 3rd. Int. Symposium on Pressuremeters. London: Thomas Telford, 1990. P. 287–298.

Rowe P.W. The relevance of soil fabric to site investigation practice // Geotechnique. 1972. Vol. 22. № 2. P. 195–300.

Sherif M.A., Strazer R.J. Soil parameters for design of Mt. Baker Ridge tunnel in Seattle // J. Soil Mech. Found. Div. 1973. Vol. 99. № 1. P. 111–122.

Sherif M.A., Wu M.J. Summary and practical implications of the University of Washington soil and engineering research (1965–1970): Univ. of Washington Soil Engineering Final Report. Seattle: Univ. of Washington, 1971.

Skempton A.W., Schuster R.L., Petley D.J. Joints and fissures in the London clay at Wraysbury and Edgware // Geotechnique. 1969. Vol. 19. № 2. P. 205–217.

Squier L.R., Klasell J.A. Cylinder pile walls along interstate highway 5, Seattle // Engineering geology in Washington (ed. by R.W. Galster). Vol. II. Olympia, WA: Washington State Dept. of Natural Resources, 1989. P. 785–796.

Strazer R.J., Bestwick L.K., Wilson S.D. Design considerations for deep retained excavations in overconsolidated Seattle clays // Workshop on Expansive Clays and Shales in Highway Design and Construction, 1972. Denver: Federal Highway Administration, 1972.

Thorson R.M. Glacioisostatic response of the Puget Sound area, Washington // Geol. Soc. Am. Bull. 1989. Vol. 101. № 9. P. 1163–1174.

Topolnicki M., Gudehus G., Mazurkiewicz B.K. Observed stress-strain behavior of remolded saturated clay under plane strain conditions // Geotechnique. 1990. Vol. 40. № 2. P. 155–187.

Troost K.G., Booth D.B. Geology of Seattle and the Seattle area, Washington // Geological Society of America reviews in engineering geology XX: Landslides and engineering geology of the Seattle, Washington area, 2008 (ed. by R.L. Baum, J.W. Godt, L.M. Highland). Boulder, CO: Geological Society of America, 2008. P. 1–35.

Washington State DOT (WSDOT). Geotechnical design manual. Manual M46-03.07. Olympia, WA: WSDOT, 2012.