искать
Теория и практика изысканий

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

Авторы
Бершов Алексей ВикторовичГенеральный директор группы компаний «Петромоделинг»
ООО «ПЕТРОМОДЕЛИНГ»Генеральный спонсор «ГеоИнфо»

По инициативе и при поддержке ООО «Петромоделинг» редакция журнала «ГеоИнфо» продолжает знакомство читателей с методом прессиометрических испытаний грунтов. Данные испытания большинством изыскателей и проектировщиков воспринимаются как «более дешевая и простая альтернатива штамповых испытаний». На деле эта технология является уникальным методом испытаний грунтов в массиве. Она используется 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 горизонтальное механическое воздействие. Например, таких как зависимость между напряжениями и деформациями и недренированная прочность.

Понимание методов оценки напряженно-деформированного состояния массива грунтов очень важно для эффективного перехода к трехмерному моделированию геологической среды и построению ее инженерных цифровых моделей. Это базовая часть информационной цифровой модели объекта капитального строительства, без которой любые информационные проектные построения просто «повисают в воздухе».

Сегодня предлагаем вниманию читателей третью (заключительную) часть обзора материалов статьи «Измерение горизонтального напряжения in situ в озерно-ледниковой сиэтлской глине с использованием прессиометра» [1], написанной Оливером Хупсом и Джоном Хьюзом и опубликованной в 2014 году в «Журнале по геотехнике и геоэкологической инженерии» (Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering), издаваемом Американским обществом инженеров-строителей (ASCE).

В предыдущих частях были описаны грунтовые условия на изученной территории, процедуры выполненных авторами статьи [1] испытаний и использованные ими методы оценки коэффициента К0. Сейчас будет рассмотрено сопоставление результатов полевых прессиометрических испытаний и лабораторных исследований на основе применения зависимости между коэффициентом K0 и коэффициентом переуплотнения OCR и зависимости между K0 и числом пластичности PI. Отметим, что нумерация рисунков продолжит начатую в первой и второй частях обзора.

 

 

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 = σh0/σv0 (где σh0 – общее горизонтальное напряжение in situ, σv0 – общее вертикальное напряжение in situ) и коэффициентом переуплотнения OCR = σvY/σv0 (где σvY – 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 σvc/σv0 (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 K0NC 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 K0NC 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 K0NC в уравнении (1) на K0P – 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 K0P может составлять порядка 0,4KP (где KP – 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.

 

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению