Условия прочности грунтов

Сегодня рассмотрим такой вопрос, как прочность грунтов, и почему представления о ней отечественного геотехника отличаются от тех, что используются в зарубежных программах.

Немного истории

В прошлом веке, когда перед инженерами были поставлены задачи обосновать расчетом строительство различных, часто сложных объектов, одной из проблем было использование на практике общепринятой теории К. Терцаги. Согласно этой теории, в грунте могут возникать полные напряжения (называемые тотальными), эффективные напряжения в скелете и избыточное поровое давление (называемое нейтральным). Зависимость между этими показателями простая – полные напряжения складываются из эффективных и нейтральных:

σ=σ′+U

В то время в условиях массового строительства не было возможности использовать лабораторные приборы с измерением порового давления и, конечно, не было доступных программ на подобие Plaxis, Midas, Z-soil, FEM-Models, RS и пр. Однако в этих условиях была разработана гениальная теория, которую мы теперь знаем как теорию «плотности-влажности Н.Н. Маслова», в которой влажность является эквивалентом порового давления. Вполне вероятно, что Н.Н. Маслов не является единственным автором, поскольку основные принципы и подходы в механике грунтов разрабатывались многими людьми, но, по всей видимости, именно Маслов внедрил этот метод в практику. Причем внедрение было на столько эффективным, что до сих пор во многих документах прописана эта теория, особенно в области дорожного строительства. Но вот странно, об этом знают не все те, кто пользуется этими документами…

Суть теории плотности-влажности

Одним из нормативных документов, реализующих эту теорию, является ГОСТ Р 54476-2011 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве».

Суть опытов заключается в проведении серии испытаний с образцами, которые были выдержаны под разными нагрузками разное время и, соответственно, имеют различную плотность и влажность. Путем несложных построений и преобразований получают кривые зависимости трения и сцепления от влажности.

По сути, известные всем характеристики грунтов в приложении СП 22.133330-2016 и есть результат табличного представления этой теории (е – определяет пористость, а IL – влажность или консистенцию).

Сам Н.Н. Маслов работал не только в дорожной отрасли, но и принимал участие в гидротехническом и других видах строительства, в том числе за рубежом. За многолетний опыт им были накоплены статистические наблюдения огромного числа испытаний, на основе которых была составлена таблица прочностных характеристик глинистых грунтов, опыт использования которой самим Масловым и его коллегами превышает 30 лет.

Собственно, ничего нового в изложенном нет, однако эта информация наглядно показывает, что российский инженер-геотехник хорошо знает, что текучая глина имеет низкие трение и сцепление, а твердая – очень высокие. А зависит это все от влажности. Однако, ни в одной зарубежной программе этой самой влажности в привычном нам понимании нет. Начинающий пользователь программ, например, Plaxis или Midas, задаст закономерный вопрос: а как же программа будет понижать или повышать характеристики, если влажность не является исходным параметром?!

И здесь стоит вернуться к теории К. Терцаги, которая разработана за рубежом и используется повсеместно на сегодняшний день. А, как было указано ранее, эта теория целиком и полностью основана на поровом давлении.

Сравним теории

К сожалению, в моей личной практике ни одна лаборатория никогда не выдавала графики плотности-влажности Маслова, да и, наверное, в современных реалиях этого не сделает, поскольку проектирование зачастую идет параллельно с изысканиями и времени на длительные серии испытаний попросту нет. Но тем не менее, сейчас многие лаборатории оснащены приборами с измерением порового давления, а практически у каждого геотехника на столе есть мощный персональный компьютер с программами, которые могут работать с теорией Терцаги.

Не вдаваясь в подробности, подведем итог. Любая теория – всего лишь попытка интерпретировать те или иные явления…

Теории К. Терцаги и Н.Н. Маслова – это тоже интерпретации одного сложного явления – прочности грунтов, поэтому существенной разницы в результатах этих подходов нет. Как писал сам Маслов, его теория дает такие же результаты, как и теория Терцаги (график на рисунке внизу в правом верхнем углу). Мы проверили это на практике в программе Plaxis и получили подтверждение этим словам.

Что же это все значит

Из вышесказанного следует, что при описании поведения слабых водонасыщенных глинистых грунтов необходимо учитывать их переменную во времени прочность (при нагружении, консолидации и после ее завершения). Сделать это вручную невозможно (хотя стоит отметить различные варианты аналитических методик, в т.ч. в Пособии по проектированию автодорог на слабых грунтах), только путем численного моделирования с типом поведения Undrained A. Тогда все многообразие состояний грунта от текучего до твердого можно описать всего двумя цифрами прочности, эффективной: c’ ф‘ при использовании численных методов и определении избыточного порового давления (подробнее об этом читайте в следующем посте).

Например, глину с конкретными характерными влажностями можно моделировать этими значениями эффективной прочности: