Прессиометрические испытания в Северной Америке: обзор. Часть 2

ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КРИВЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

В отчете технического комитета № 16 Международного общества по механике грунтов и геотехнике по прессиометрическим испытаниям на суше было отмечено, что возникло два подхода к интерпретации и использованию результатов тестирования (Clarke, Gambin, 1998). Один из них был основан на аналитических методах, используемых для определения основных свойств грунта (прочности, жесткости и т. д.) по кривым, полученным при испытаниях, а другой – на разработке набора эмпирических правил проектирования, опиравшихся на результаты измерений, выполненных очень стандартным способом с использованием стандартных инструментов. В указанном отчете также было упомянуто о сильном (но вполне разумном) расхождении во мнениях между сторонниками этих двух подходов.

На рисунке 3 (Clayton et al., 1995) схематично показаны кривые «напряжение – деформация», полученные по результатам прессиометрических испытаний при введении зонда в грунт тремя основными методами. Различия между ними сразу видны.

При помещении прессиометра в предварительно пробуренную скважину (см. рис. 3, А) уже при бурении была снята нагрузка от давления грунта внутри ее ствола. Повышение давления в зонде и смещение его мембраны, необходимые для обеспечения контакта между ним и стенкой скважины и затем для превышения горизонтального напряжения in situ для начала увеличения радиуса ее ствола, будут зависеть от типа и свойств грунта, соотношения диаметров скважины и прессиометра, качества бурения и квалификации полевой бригады при установке прибора. Это приводит к S-образной кривой расширения.

Для вдавливаемого конусного прессиометра (см. рис. 3, В) начальная деформация приводит к началу кривой расширения при более высоком напряжении.

При использовании самозабуривающегося прессиометра (см. рис. 3, Б) напряжения in situ теоретически не изменяются при введении зонда в грунт, поэтому начало кривой расширения должно отражать горизонтальное напряжение in situ.

Рис. 3. Схематическая демонстрация различий между кривыми «напряжение – деформация», возникающих из-за различных способов введения прессиометра в грунт (по Clayton et al., 1995)

В действительности ни один зонд не может быть введен в грунт без некоторого нарушения последнего. Например, расширение прессиометра диаметром 76 мм на 0,5 мм соответствует относительной деформации полости Δr/r_o = 1,3% (где r_o – начальный радиус полости, Δr – изменение ее радиуса). Поскольку при полномасштабном расширении в случае типичного испытания самозабуривающимся прессиометром деформация полости составляет всего 10%, небольшие смещения, произошедшие во время введения зонда, могут сильно повлиять на кривую расширения, построенную по результатам измерений. Для большинства грунтов такая деформация привела бы к образованию зоны, непосредственно примыкающей к прессиометру, в которой достигнут предел текучести. Для водонасыщенных мелкозернистых грунтов это будет зона с избыточным поровым давлением, а в свободно дренируемых грунтах (с естественным водоотводом) это будет зона изменения объема.

Рисунок 3, Б показывает наличие вероятности того, что нарушение естественного залегания грунта может вызвать большие отклонения реального напряжения от напряжения in situ даже при испытаниях самозабуривающимся прессиометром в относительно слабых грунтах. В жестких же грунтах возможные изменения напряжения вообще очень велики. Следовательно, «стартовое» давление является ненадежным показателем напряжения in situ даже при испытании, проводимом после введения зонда квалифицированными специалистами. На попытки прояснить влияние таких нарушений грунта на получаемые кривые было затрачено много исследовательских усилий, но фундаментальная проблема заключается в том, что по кривой, построенной по результатам измерений при прессиометрическом испытании, невозможно надежно оценить степень нарушений, вызванных введением зонда.

Все схематичные кривые испытаний, представленные на рисунке 3, включают петли циклов «разгрузка – повторное нагружение». Было показано (Palmer, 1972), что наклон начальной части идеальной кривой расширения в два раза больше модуля сдвига. Чтобы избежать воздействия нарушений грунта на начальную часть кривой расширения, можно интерпретировать петли циклов «разгрузка – повторное нагружение» для определения модуля упругости при сдвиге дисперсного или скального грунта. Считается, что на такие петли нарушения грунта влияют мало – это видно из рисунка 3, где наклоны петель одинаковы во всех трех случаях.

Интерпретация результатов испытаний для получения показателей свойств грунта

Анализ результатов прессиометрических испытаний на основе теории требует следующих допущений:

• зонд может быть введен без нарушений той части грунта, которая будет деформироваться при испытании (или, в случае вдавливаемого конусного прессиометра, степень нарушения является неизменной и воспроизводимой);
• принятая модель грунта описывает зависимость «напряжение – деформация» для грунта, на который давит расширяющийся прессиометр;
• деформирование грунта происходит в условиях плоской деформации.

Анализ зависит от типа грунта и от того, проводится ли расширение полости в дренированных или в недренированных условиях. Если испытание выполняется в водонасыщенном мелкозернистом грунте и достаточно быстро, чтобы не успело произойти дренирование, то грунт будет деформироваться при постоянном объеме и у всех окружающих зонд элементов поведение «напряжение – деформация» будет одинаковым. Однако, если грунт представляет собой свободно дренируемый гранулированный материал, то кривая «напряжение – деформация» больше не будет уникальной дли конкретного радиуса, а скорее будет функцией уровня напряжения. Другими словами, вблизи стенок полости напряжения будут высокими и, следовательно, будет высоким сопротивление сдвигу. И напряжения, и прочность будут уменьшаться с увеличением радиального расстояния. Кроме того, поскольку объем может изменяться во время испытания, по мере того как песок сдвигается, он будет расширяться или дилатировать в зависимости от начального уровня напряжений в нем и его начальной плотности. Если материалом является скальный грунт, то интерпретация становится еще более сложной из-за его прочности на растяжение, наличия разрывов сплошности, плоскостей ослабления и необходимости определения подходящего критерия разрушения (критерия прочности).

Как правило, с помощью прессиометрических испытаний можно определить горизонтальное напряжение в грунте, поведение «напряжение – деформация», прочность и (в некоторых случаях) консолидационные характеристики – эмпирическим, теоретическим или аналитическим путем. Для оценки указанных параметров имеется несколько методик интерпретации прессиометрических данных.

В ранних подходах к интерпретации, основанных на теориях расширения полости, для получения показателей свойств грунта использовались графические манипуляции с полученными кривыми. В таблице 1 приведены примеры доступных методов интерпретации результатов испытаний in situ для оценки основных параметров грунта.

Таблица 1. Примеры возможностей испытаний in situ для измерения показателей свойств грунта (по Yu, 2004)

В первоначальных попытках интерпретация для определения каждого параметра выполнялась отдельно. Общее горизонтальное напряжение было принято как напряжение при первом перемещении мембраны (называемое давлением «отрыва», или «стартовым» давлением – “lift-off” pressure), модуль сдвига получали по петлям циклов «разгрузка – повторное нагружение» или по принятой при интерпретации кривой «напряжение – деформация», а прочность на сдвиг получали путем графического манипулирования с кривой испытаний.

С приходом эпохи персональных компьютеров появилась возможность анализа всей кривой прессиометрического испытания с помощью компьютерного моделирования (Ladanyi, 1995), или так называемого итерационного прямого моделирования (Iterative Forward Modeling – Shuttle, Jefferies, 1995). Возможность моделирования целых прессиометрических кривых как для нагружения, так и для разгрузки с использованием реалистичных моделей грунта привела к попыткам использовать сравнения между смоделированными и измеренными кривыми для оценивания геотехнических параметров. Можно моделировать как кривые расширения, так и кривые сжатия. Чтобы использовать этот подход, выбирается группа соответствующих параметров на основе принятой комплексной геомеханической (конститутивной) модели грунта, а затем эта группа используется для прогнозирования теоретического графика. Параметры корректируются до тех пор, пока не будет достигнуто хорошее соответствие между измеренными и рассчитанными кривыми.

На рисунке 4, а показан пример корректирования (подбора, аппроксимации – fitting) кривой для глинистого грунта, а на рисунке 4, б – соответствующий пример для песка. Эти примеры основаны на результатах испытаний самозабуривающимся прессиометром. Однако моделирование может применяться также и к данным испытаний прессиометром, помещаемым в предварительно пробуренную скважину, или вдавливаемым конусным прессиометром при условии, что коррекция кривой фокусируется на последней части кривой расширения или кривой разгрузки (например, Ferreira, Robertson, 1992). Для слабоструктурированного гранитного сапролита было предложено, чтобы метод корректирования (fitting) кривой испытаний самозабуривающимся прессиометром для участка нагружения давал показатели свойств, типичные для параметров максимальной прочности на сдвиг, а для участка разгрузки – более типичные для поведения в критическом состоянии (Schnaid et al, 2000).

Рис. 4. Примеры коррекции прессиометрических кривых для глины (по Jefferies, 1988) (а) и для песка (по Roy et al., 2002) (б)

Этот подход имеет то преимущество, что параметры связаны друг с другом и могут быть проверены на соответствие показателям, которые являются типичными для исследуемого грунта. Например, для линейно-упругого идеально-пластического грунта принятыми параметрами будут общее горизонтальное напряжение, модуль сдвига (G) и недренированная прочность при сдвиге (s_u). Можно оценить, являются ли полученные показатели типичными для исследуемого грунта. Аналогичным образом, оцененное общее горизонтальное напряжение и равновесное поровое давление можно использовать для получения коэффициента горизонтального давления грунта в состоянии покоя (К_о). Эту величину можно оценить по значениям, типичным для грунтов со сходной геологической историей. По мере того как модели грунта становятся более сложными, количество параметров грунта, которые необходимо корректировать, может стать большим.

Численный анализ также позволяет оценить влияние отклонений от идеального случая. Например, в литературе обсуждалось влияние конечной длины зонда на прочность при сдвиге и показатель жесткости, полученные с помощью подходов, основанных на принятии бесконечно длинной полости и линейно-упругого идеально-пластического поведения грунта (Yeung, Carter, 1990; Houlsby, Carter, 1993; Jefferies, Shuttle, 1995). Было показано, что при интерпретации прессиометрических кривых следует учитывать влияние конечной длины, поскольку это влияние может привести к ошибкам в интерпретации недренированной прочности на сдвиг величиной до 40% (Yeung, Carter, 1990; Houlsby, Carter, 1993; Jefferies, Shuttle, 1995).

Понятно, что компьютерное моделирование предоставляет большие возможности для интерпретации кривых прессиометрических испытаний с целью определения характерного поведения испытываемого грунта. Однако эта интерпретация должна учитывать и другую доступную геотехническую и геологическую информацию об этом грунте и требует инженерной оценки, основанной на понимании факторов, влияющих на результаты.

Интерпретация результатов испытаний по правилам Менара

Альтернативой для интерпретации прессиометрической кривой в целях получения показателей фундаментальных свойств грунта и выявления сопутствующих проблем, возникающих из-за множества неопределенностей как в самой кривой, так и в ее интерпретации, являются правила, разработанные Менаром и усовершенствованные его сотрудниками и последователями. Для этого должна выполняться соответствующая стандартная процедура испытания стандартным прибором типа прессиометра Менара, помещаемым в предварительно пробуренную скважину (причем при бурении и формировании в скважине испытательного кармана необходимо соблюдать определенные требования). Полученные в результате кривые анализируются предписанным способом, и на их основе определяются конкретные параметры.

На основе результатов измерений при обычном расширении прессиометра получают три основных параметра: давление ползучести p_f, модуль Менара E_M и предельное давление p_LM. На рисунке 5 показана процедура анализа в соответствии с международным стандартом ISO 22476 4 (на момент написания статьи находившегося на стадии проекта. – Ред.), которая используется для определения этих трех основных прессиометрических параметров. Качество испытания оценивается с использованием набора точек данных, имеющихся для каждой части расширяющейся полости, а также с учетом разброса этих точек. Кривая на рисунке 5 соответствует идеальному испытанию. Первая ее часть представляет собой зону повторного сжатия. За ней следует квазилинейная зона, которая трансформируется в нелинейную третью часть, когда объем полости приближается к ее двойному исходному объему. Эта кривая испытания была скорректирована с учетом потерь давления и объема в соответствии со стандартными процедурами калибровки, описанными в вышеуказанном международном стандарте.

Рис. 5. Анализ кривой прессиометрического испытания (ISO/FDIS 22476-4:2009 (E))

Если точки данных, полученных при испытании, находятся только в первых двух группах, это может указывать на то, что диаметр полости был слишком большим. Если же они находятся только в двух последних группах, то это, как правило, указывает на то, что диаметр полости был слишком маленьким, или на наличие набухшего грунта. Этот подход существует уже несколько десятилетий (Kastman, 1978). На рисунке 5 под прессиометрической кривой, полученной по данным испытания, находится скорректированная кривая ползучести, полученная по разницам в объемах между 30-секундными и 60-секундными показаниями для каждого приращения давления. Эта кривая ползучести используется для определения различных участков испытания. Например, давление ползучести находится между значениями p_2i и p_fi, которые оцениваются с помощью графической процедуры. Было показано, что качество испытания отражается на близости этих двух значений.

Предельное давление также получается с помощью испытания, но обычно с использованием экстраполяции. Предельное давление определяется как давление, необходимое для удвоения начального радиуса скважины. На практике такое давление достигается редко из-за риска разрыва мембраны при более сильном расширении. Поэтому предельное давление и получают путем экстраполяции с использованием различных методов. Часто его значение получают визуально с помощью кривой испытания. Однако следует применять более воспроизводимые способы, такие как обратный метод (с использованием параметра, обратного объему (1/V), по ASTM и ISO 22476-4) или метод двойной гиперболической кривой. На рисунке 5 проиллюстрированы оба метода.

И наконец, прессиометрический модуль, часто называемый модулем Менара, обычно определяется как наклон линейного участка кривой расширения до давления ползучести. На рисунке 5 этот псевдоупругий диапазон определяется точками p_1i и p_2i. Модуль, полученный с помощью прессиометрического испытания, часто называют модулем упругости, равным модулю Юнга, поскольку он получается по следующей формуле, которая основана на теории линейной упругости (Gambin et al., 1996):

Однако Менар отдавал себе отчет в том, что модуль упругости грунта зависит от траектории напряжений и уровня деформации (Gambin et al., 1996). Наклон кривой прессиометрического испытания, используемый для получения модуля E_M, зависит от различных параметров и условий, в том числе от коэффициента горизонтального давления грунта в состоянии покоя K_o, угла внутреннего трения, жесткости грунта, отношения длины прессиометрического зонда к его диаметру, траектории напряжений, нарушенности стенок скважины и скорости деформации при расширении во время испытания (Gambin et al., 1996; Briaud, 1992). Прессиометрический модуль E_M более уместно называть модулем деформации. При анализе деформации на основе линейной упругости величину E_M, вероятно, следует умножать на коэффициент от 5 до 10, если он будет использоваться в качестве модуля Юнга (Gambin et al., 1996).

Ход интерпретации результатов прессиометрического испытания очень подробно описан в вышеуказанном международном стандарте, но получаемые результаты у разных исполнителей могут варьировать. Например, 9 специалистов, интерпретировавшие одни и те же прессиометрические данные (в рамках упражнения по прогнозированию поведения сваи во время Международного симпозиума по прессиометрам ISP5), выдали разные значения прессиометрического модуля и предельного давления, но все же попавшие в приемлемые диапазоны (Reiffsteck, 2009). На рисунке 6 показаны результаты по предельному давлению для 42 испытаний прессиометром, помещавшимся в предварительно пробуренную скважину. Средняя ошибка в этом случае составила порядка 24% (Reiffsteck, 2009), что согласуется с ошибками при других тестах in situ, таких как статические испытания на внедрение конуса (CPT) (Long,  2008).

Рис. 6. Предельное давление, определенное путем интерпретации результатов 42 прессиометрических испытаний в трех скважинах специалистами 1–9 (LCPC – Laboratoire Central des Ponts et Chaussees – Центральная лаборатория мостов и дорог) (Reiffsteck, 2009)

Поскольку эти параметры получаются с помощью стандартной процедуры для всех материалов, их значения можно использовать аналогично стандартным показателям, определенным при статических испытаниях на внедрение пьезоконусного зонда (CPTu) с измерением давления под конусом, по боковой поверхности и порового, то есть путем сравнения с данными для других сходных материалов можно получить качественные оценки вероятных характеристик грунта. Эти параметры также можно использовать для проектирования фундаментов при соблюдении строгих правил.

Во Франции с самого начала были разработаны правила проектирования с использованием результатов прессиометрических испытаний непосредственно для оценки несущей способности фундаментов мелкого и глубокого заложения, включая горизонтальную нагрузку, оценки осадок фундаментов, а также множество методов и приложений для геотехнических сооружений. По прессиометрическому модулю деформации можно оценить осадку фундамента и смещение горизонтально нагруженных свай, в то время как с помощью предельного давления можно оценить несущую способность фундаментов мелкого и глубокого заложения. Эти правила основаны на теории, а также на наблюдениях и измерениях при многочисленных экспериментах, проведенных на хорошо изученных испытательных площадках с различными геологическими разрезами. В настоящей статье эти правила не описаны, но их можно найти во многих документах (Briaud, 1992). Однако многие из них – на французском языке. Но продолжается работа по включению этих правил проектирования в Еврокод, что сделает их значительно более доступными.

Основная часть проектных работ во Франции выполняется с использованием прессиометрических испытаний и устоявшихся в стране правил проектирования. С усовершенствованием методик испытаний, оборудования, дополнительных наблюдений и передового численного моделирования эти правила постоянно пересматриваются, чтобы они могли обеспечить более универсальные, точные и безопасные процедуры проектирования. Расширение использования этих правил с помощью Еврокода также приведет к их улучшениям.

Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие усилия, предпринятые различными французскими исследовательскими группами для продвижения правил проектирования Менара. Например, в одной из статей, описывающих проектирование свай с использованием прессиометрических данных (Bustamante et al., 2009), было указано, что примененный метод был основан на 561 испытании на нагрузку более чем 400 свай, оснащенных датчиками для измерения трения по боковой поверхности и сопротивления под нижним концом. Эти сваи были установлены с использованием более чем 26 различных методов. Было также показано, что прессиометрические испытания часто более универсальны, чем другие тесты in situ, такие как CPT, SPT и отбор образцов керна для лабораторных испытаний (таблица 2). Эти тесты проводились в различных материалах, включая выветрелые или фрагментированные скальные породы, а также сцементированные или очень мелкозернистые несвязные грунты. Полученные результаты привели к усовершенствованию расчетных таблиц и графиков для удельного трения по боковой поверхности q_s и к упрощению коэффициентов работы грунта под нижним концом k_p (tip bearing factors) для 26 типов свай.

Таблица 2. Сравнение результатов испытаний in situ и возможность отбора образцов керна на 204 участках (по Bustamante et al., 2009)

Такая работа была затем дополнительно упрощена в рамках разработки французского стандарта для фундаментов глубокого заложения с целью его внедрения в Еврокод 7 (AFNOR, 2012; Reiffsteck, Burlon, 2012). На основе результатов 159 испытаний на нагрузку были получены графики (рис. 7) для определения удельного трения по боковой поверхности q_s (Bustamante et al., 2009). Для каждой кривой, соответствующей определенному типу сваи и определенному методу ее установки, была выполнена валидация с помощью в среднем 30 испытаний на нагрузку. Значения f_sol, эквивалентные нормированному сопротивлению трению f_s, приведены в табличной форме в стандарте NF P94-262 в зависимости от типа грунта. Удельное трение по боковой поверхности q_s определяется с помощью умножения f_sol на коэффициент «грунт – конструкция» (soil-structure coefficient), который зависит от типа сваи и метода ее установки, а также от типа грунта. Указанный стандарт также предоставляет предельные значения q_s для каждого случая. Эти методы просты, надежны (с учетом количества испытаний на нагрузку, использованных при их разработке) и особенно полезны для случаев со схожими геологическими условиями.

-

В следующей части обзора, которая будет опубликована через неделю, речь пойдет о проблемах, связанных с прессиометрическими испытаниями, в Северной Америке.

Рис. 7. Расчетные графики для оценки удельного трения по боковой поверхности qs по предельному давлению, определенному с помощью прессиометрических испытаний (по Reiffsteck, Burlon, 2012; AFNOR, 2012 (NF P94-262))

Список литературы, использованной авторами переведенного обзора [1], можно посмотреть в конце оригинальной статьи по ссылке: soilsandrocks.com.br/soils-androcks/SR37-3_211-231.pdf.

Источник для перевода

1. Benoit J., Howie J.A. A View of Pressuremeter Testing in North America // Soils and Rocks (International Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering). San Paulo, 2014. Vol. 37. № 3. P. 211–231. URL: soilsandrocks.com.br/soils-androcks/SR37-3_211-231.pdf.