Исследования озерных глин с использованием самозабуривающегося прессиометра на озере Тайху (Китай). Часть 1
![Ван Бинь (Wang Bin) Ван Бинь (Wang Bin)](/brands/_logo/wang-bin.png)
![Лю Кан (Liu Kang) Лю Кан (Liu Kang)](/brands/_logo/liu-kang.png)
![Ван Юн (Wang Yong) Ван Юн (Wang Yong)](/brands/_logo/wang-yong.png)
![Цзян Цюань (Jiang Quan) Цзян Цюань (Jiang Quan)](/brands/_logo/jiang-quan.png)
![Бершов Алексей Викторович Бершов Алексей Викторович](/brands/_logo/bershov-aleksej-viktorovich.jpg)
По инициативе и при поддержке ГК «Петромоделинг» редакция журнала «ГеоИнфо» продолжает знакомить читателей с прессиометрическими испытаниями грунтов. Данная группа методов большинством изыскателей и проектировщиков воспринимается просто как «более дешевая и простая альтернатива штамповых испытаний». На деле же это уникальные методы испытаний грунтов в массивах. Они используются для определения как действующих горизонтальных напряжений и коэффициента горизонтального давления грунта в состоянии покоя К0 (без которого, как известно, невозможны оценка начального (природного) состояния геологической среды и дальнейшие расчетные обоснования конструкций), так и физико-механических откликов геологической среды на горизонтальные механические воздействия, например зависимостей между напряжениями и деформациями, а также прочности на сдвиг в недренированных условиях.
Понимание методов оценки напряженно-деформированного состояния грунтового массива очень важно для эффективного перехода к трехмерному моделированию геологической среды и построению ее инженерных цифровых моделей – базовой части информационной цифровой модели объекта капитального строительства, без которой любые информационные проектные построения просто «повисают в воздухе».
Предлагаем вниманию читателей немного сокращенный адаптированный перевод статьи «Исследования озерных глин с использованием самозабуривающегося прессиометра на озере Тайху (Китай)». Ее авторы – китайские исследователи Бинь Ван, Кан Лю, Юн Ван и Цюань Цзян. Она была опубликована в 2021 году в журнале Sensors («Измерительная аппаратура») – в его специальном выпуске по обнаружению нарушений и анализу данных для проектирования сооружений и инфраструктуры.
Полевые исследования грунтов при инженерных изысканиях очень важны для оценки условий площадки, что необходимо для проектирования и возведения на ней будущего строительного объекта. Тоннель Тайху на сегодняшний день является самым длинным из построенных под озерами в Китае. Его общая длина под водой составляет более 10 км. Однако из-за большой нехватки полевых данных по озерным глинистым отложениям озера Тайху там была дополнительно проведена серия испытаний самозабуривающимся прессиометром. На основе результатов этих испытаний были получены значения прочности на сдвиг в недренированных условиях. Они в основном оказались выше, чем полученные при лабораторных испытаниях. Это может быть связано с тем, что в процессе взятия образцов была нарушена их структура. Ухудшение секущего модуля сдвига грунта в основном исследовалось путем тщательного сравнения поведения различных слоев грунта. При этом модуль, как правило, переставал проявлять тенденцию к снижению и становился постоянным, когда деформация начинала превышать 1%. В то же время была обнаружена линейная зависимость между числом пластичности и модулем сдвига, а также между скоростью уменьшения модуля сдвига и числом пластичности. Дальнейший статистический анализ распределения недренированной сдвиговой прочности и модуля сдвига в исследованных грунтах показал, что прочность соответствует нормальному распределению, в то время как модуль – логнормальному. Что еще более важно, интервал пространственной корреляции для модуля сдвига оказался намного меньше, чем для недренированной прочности.
Сегодня представляем первую часть переведенной статьи, в которой будут кратко рассмотрены история вопроса, использованная методика испытаний, площадка их проведения и ее грунтовые условия.
Техническая правка выполнена генеральным директором ГК «Петромоделинг» Алексеем Бершовым.
![](/images/dynamic/img46909.jpg)
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследования свойств грунтов обычно проводят с помощью лабораторных и полевых испытаний, при этом результаты последних считаются более надежными [1–4], так как испытания in situ практически не нарушают структуру грунта.
Самозабуривающийся прессиометр (SBPM) был разработан Уортом (Worth) и Хьюзом (Hughes) в 1973 году [5]. С тех пор испытания с его помощью считаются одним из наиболее важных методов полевых исследований свойств грунтов. Во время каждого испытания могут быть зарегистрированы как давление при расширении рабочей камеры прессиометра (полости), так и радиальная деформация. Это позволяет получить полную кривую зависимости давления в камере от относительной деформации грунта (относительного изменения объема или радиуса камеры), включая этапы нагружения и разгрузки. Кроме того, минимальная точность измерения радиального смещения для SBPM может составлять всего 1 мкм [6, 7], что даже лучше, чем при многих лабораторных испытаниях. Следовательно, испытания SBPM могут дать механические параметры, более близкие к таковым для грунтов в условиях их естественного залегания.
Как показано в работах Пальмера, Ладаньи и Багелина с соавторами [8–10], на основе испытаний самозабуривающимся прессиометром могут быть определены такие параметры, как прочность на сдвиг в недренированных условиях, модуль сдвига и другие.
Хоулсби и Уитерс [11] проанализировали свойства грунтов по прессиометрическим кривым на этапах разгрузки и нагружения и показали, что полученные значения недренированной сдвиговой прочности и модуля сдвига имеют хорошую точность по сравнению с результатами других типов испытаний.
Джеффрис [12] разработал подход к определению горизонтального геостатического напряжения глины шельфа моря Бофорта по данным испытаний SBPM.
Беллотти и др. [13] предложили способ коррекции жесткости, измеренной самозабуривающимся прессиометром в песке.
Феррейра и Робертсон [14, 15] разработали метод, включающий нелинейное поведение грунта при интерпретации результатов испытаний SBPM на стадиях как нагружения, так и разгрузки.
Шнайдер и др. [16] предложили метод коррекции (fitting) кривой, построенной по данным испытания самозабуривающимся прессиометром, для интерпретации показателей свойств гранитного сапролита. Полученные результаты были сопоставлены с итогами других видов тестов, в том числе полевых испытаний дилатометром и лабораторных трехосных испытаний.
Проанализировав результаты использования SBPM в чувствительной глине озера Шамплейн в канадской провинции Квебек, Сильвестри [17] выявил, что полученная недренированная сдвиговая прочность не была завышена, в отличие от результатов испытаний на сдвиг крыльчаткой.
Кайабаси [18] проанализировал предельное давление при прессиометрическом испытании и скорректированное количество ударов при испытаниях дилатометром, имеющим возможность самопогружения, и получил новую эмпирическую формулу, связывающую эти два параметра.
Используя степенную зависимость (power law) между жесткостью и деформацией, Уиттл и Лю [19] разработали единое уравнение для описания развития деформации и напряжения при изменении жесткости песка.
Ахмади и Кешмири [20] предложили новый подход к интерпретации горизонтального напряжения in situ, полученного по результатам испытаний самозабуривающимся прессиометром, с использованием конечноразностной модели. В качестве ключевого параметра для определения горизонтального напряжения in situ было выбрано давление в рабочей камере прессиометра при относительной деформации 10% (P10%), и были установлены новые зависимости между P10% и другими параметрами грунта.
Следует также отметить, что природные дисперсные грунты считаются неоднородными. Кристиан и Бечер, Сантосо с соавторами и Ли с коллегами [21–23] продемонстрировали важность учета неоднородности грунта в отношении таких геотехнических особенностей, как фильтрация подземных вод, осадки и устойчивость склонов.
Фирузианбандпей и др. [24] исследовали как вертикальный, так и горизонтальный интервалы корреляции (correlation lengths) для песчаных отложений на основе данных статического зондирования конусным зондом с измерением порового давления (CPTu) на двух разных участках на севере Дании.
Де Гаст и др. [25] проанализировали результаты статического зондирования конусным зондом (CPT) сельской земляной дамбы в Нидерландах и оценили вертикальный интервал корреляции флуктуаций (vertical scale of fluctuation) для грунтов.
Поэтому в настоящей статье основное внимание уделялось двум аспектам. Во-первых, на озере Тайху в Китае было проведено большое количество испытаний самозабуривающимся прессиометром для того, чтобы получить четкое представление об изменениях показателей свойств грунтов, залегающих ниже уровня дна, в зависимости от глубины от этого уровня, а также от деформации под нагрузкой и т. д. Во-вторых, результаты испытаний были дополнительно интерпретированы с вероятностной точки зрения путем комбинированного статистического анализа, что могло предоставить проектировщикам необходимую информацию для оценки безопасности геологических условий.
ПРИБОР ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И МЕСТО ИХ ПРОВЕДЕНИЯ
Место испытаний находилось в пределах мелководного озера Тайху недалеко от китайского города Уси (Сишань) (рис. 1), где проходит Южная автомагистраль «Су-Си-Чан». Пересекающий северную часть озера отрезок шоссе (показанный жирной черной линией на рисунке 1) построен в виде тоннеля с использованием открытого способа проходки. На сегодняшний день это самый протяженный тоннель в Китае, построенный под озером. Длина его подводной части составляет 10,67 км. Из-за изменчивости механических свойств озерных глинистых отложений владельцам проекта и проектировщикам были необходимы более подробные параметры для анализа безопасности строительства. Поэтому Уханьским институтом механики скальных и дисперсных грунтов Китайской академии наук вдоль трассы строительства этого тоннеля на дне озера Тайху были проведены испытания самозабуривающимся прессиометром.
![Рис. 1. Трасса тоннеля под северной частью озера Тайху (показанная жирной черной линией), где до строительства были проведены испытания самозабуривающимся прессиометром](/images/dynamic/img47115.jpg)
Испытания проводились в скважинах с использованием самозабуривающегося прессиометра кембриджского типа, с помощью которого можно оценивать такие свойства грунта, как модуль сдвига, недренированная сдвиговая прочность, горизонтальное напряжение и др. Вдоль указанной части трассы тоннеля были проведены три серии испытаний SBPM при горизонтальном расстоянии между скважинами 5 м. Средняя глубина этих скважин составляла около 25 м, а высотные отметки их устьев были одинаковыми. Также была пробурена скважина, из которой отбирались образцы грунта для лабораторных испытаний в целях получения предварительной информации (рис. 2).
![Рис. 2. Расположение скважин 1, 2 и 3 в плане (сверху), в разрезе (снизу) и стратиграфическая колонка (слева) для площадки изысканий](/images/dynamic/img47116.jpg)
Результаты испытаний считывались по глубине через каждый метр. Разрез грунта на исследованном участке был построен на основе геологических карт данной местности. Он состоял из (сверху вниз):
- илистой глины (0–4,5 м);
- ила (4,5–12 м);
- пластичной илистой глины (12–17 м);
- илистой глины (17–34 м);
- глины (34–40 м).
В таблице 1 показаны некоторые основные физические свойства встреченных грунтов.
Таблица 1. Основные физические свойства грунтов исследованной площадки по данным лабораторных испытаний
![](/images/dynamic/img47117.jpg)
-
В следующей части статьи будут рассмотрены методы анализа данных, получаемых при испытаниях самозабуривающимся прессиометром, и некоторые результаты выполненных испытаний.
Список литературы, использованной авторами переведенной статьи, можно посмотреть по адресу: mdpi.com/1424-8220/21/18/6026.
ИСТОЧНИК ДЛЯ АДАПТИРОВАННОГО ПЕРЕВОДА
Wang B., Liu K., Wang Y., Jiang Q. Site investigations of the lacustrine clay in Taihu Lake, China, using self-boring pressuremeter test // Sensors (Special Issue “Fault Detection and Data Analysis for Structure and Infrastructure Engineering”). 2021. Vol. 21 (6026). DOI: doi.org/10.3390/s21186026. URL: mdpi.com/1424-8220/21/18/6026.
![](/images/dynamic/img51547.png)
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц