О механизме деформирования грунтов в основании жесткого штампа под нагрузкой

современном быстро меняющемся мире проблемы экономичного и в то же время надежного геотехнического проектирования и строительства имеют огромное значение. Среди них всегда особое место отводилось надежному прогнозу осадок строящихся зданий.

Последние 20-25 лет появляются все более сложные автоматизированные программные комплексы, призванные облегчить работу проектировщика, избавить его от рутинных ручных вычислений. Однако создать единую программу, которая учитывала бы ключевые параметры грунта в необходимом объеме и в тоже время не усложняла расчеты, мешает недостаточная геотехническая квалификация разработчиков. Большинство программ невероятно переусложнены изощренными математическими формулами, в которые включены многие второстепенные параметры грунта, не имеющие прямого отношения к прочности и сжимаемости грунта основания. К ним, прежде всего, можно отнести физические характеристики грунта, а также такие механические характеристики, как угол внутреннего трения и сцепление (отдельный физический смысл которых многими повергается сомнению), которые скорее усложняют, а не упрощают математические расчеты. По-видимому, в немалой степени причиной тому является все еще недостаточное познание тех реальных физических процессов, которые лежат в основе каждой модели грунта.

На основании своего практического опыта и аналитического обобщения опубликованных документов (Цытович, Березанцев, Гольдштейн и др.) автор представляет свое видение, свою гипотезу реальных процессов уплотнения грунта под нагруженным жестким штампом. Квинтэссенция данных представлений состоит в том, что из поля зрения подавляющего большинства исследователей уходят те неизвестные ранее динамические процессы, которые всегда и везде сопровождают любые изменения в природе, в том числе и изменения, связанные с деятельностью человека, происходящие в процессе строительства сооружений. В основном эти процессы хорошо заметны, но некоторые из них открываются только аналитическим путем, благодаря наработанному опыту, из собранных по крупинкам разрозненных сведений. Именно таким представляется развитие механики грунтов, где многие процессы скрыты от человеческого глаза под землей.

Что не учтено в ГОСТ

В практике инженерно геологических изысканий изучению характеристик сжимаемости отводится большое внимание. Среди прочих методов исследований в России уделяют особое значение полевому методу определения модуля деформации грунта по результатам испытания его пробными нагрузками штампами. В механике грунтов теория компрессионного сжатия достаточно полно отработана, в том числе имеются теоретические и в меньшей мере экспериментальные данные о распределении контактных напряжений в основании жесткого штампа. Однако объяснение истинных причин весьма своеобразного распределения контактных напряжений в его основании до сего времени не получено. Настоящая статья должна восполнить этот пробел.

На результатах полевых (а, по-видимому, и лабораторных тоже) испытаний грунта неизменно сказывается отпечаток того, что сами эти испытания не являются статическими, хотя мы привыкли к этому определению. Статическими они являются лишь по названию и некоторым формальным признакам, что скорее дает право называть их псевдо или квазистатическими. Уже сам факт моделирования статического поведения грунта в краткосрочных, предписанных нормативными требованиями испытаниях, подтверждает вышесказанное и ясно показывает, что характер поведения грунтов при таких испытаниях может отличаться от ожидаемого. При этом изначально создатели норм, регламентирующих проведение штамповых испытаний (в настоящее время это ГОСТ 20276-2012), надеялись и надеются, что поведение грунта при таком моделировании будет все же достаточно приближенным к поведению грунта под реальными фундаментами строящихся зданий, а значит и результаты моделирования могут быть использованы для прогноза поведения грунта в практических задачах геотехники. Однако механизм формирования отклика грунта на подобные испытания будет несколько иным, чем при идеальном, чисто статическом нагружении. В многочисленных исследованиях и рекомендациях по решению проектных задач в практической деятельности этот фактор совершенно не учитывается, хотя причины для обратного достаточно весомы. Ведь прежде чем выйти на статическое приложение заданного уровня нагрузки, неизбежно следует достигнуть самого уровня этой нагрузки, что неизбежно порождает динамические воздействия на грунт и, если обобщать дальше, на конструкции сооружения. Об этом поговорим подробнее несколько позже. Пока же можно отметить, что именно этот механизм является доминирующим фактором влияния, определяющим характер уплотнения грунта под нарастающей нагрузкой (стадия строительства) и даже в процессе ее стабилизации (начальный период эксплуатации).

Отечественная и зарубежная школы

В проектировании фундаментов большое значение имеет надежный прогноз осадок будущих сооружений. В зарубежной практике при проектировании общегражданских и промышленных сооружений необходимые для расчетов характеристики грунта определяются, преимущественно, по результатам лабораторных исследований образцов грунта, отобранных из горных выработок. Наряду с ними изредка выполняются штамповые испытания грунта, но они, как правило, в соответствии с зарубежными нормами проектирования, не носят обязательный характер и выполняются в исключительных случаях. Что же касается проектирования оснований под автодороги и автострады, то штамповые испытания грунта в этом случае, например, в США применяются широко, в массовом порядке, причем на основе собственного национального стандарта АSTM D-1195.

В России, наоборот, помимо лабораторных испытаний во многих случаях выполняются штамповые испытания грунта, причем для сооружений первого и второго уровня ответственности они являются обязательными, а при сопоставлении тех и других, предпочтение отдается результатам штамповых испытаний. Причиной столь разного подхода является характерный для устоявшихся стран капитала прагматичный подход: низкая стоимость лабораторных исследований и привлекательность получения из результатов одного испытания целого ряд полезных в проектировании параметров грунта.

В России, унаследовавшей от Советского Союза бесхозяйственность, особенно в сфере денежного обращения, традиционно сложилась другая практика, в которой на первый план выступала авторитарность в принятии решений. Впоследствии это привело к тому, что научные школы наших стран стали развиваться разнонаправленно.

В основу российской научной школы положен следующий аргумент: по результатам штамповых испытаний проектировщики получают одну, но весьма важную характеристику - модуль общей деформации. При этом считается, что результаты штамповых испытаний более надежны, прежде всего потому, что на них не сказываются погрешности, связанные с отбором проб грунта. В итоге испытания грунта штампами в нашей стране приняли массовое распространение и, казалось, это должно было стимулировать проведение расширенных теоретических и экспериментальных исследований в этой области. Однако этого не произошло и в последнее время все дальнейшие усилия со стороны официальной науки сосредоточились в основном на разработке методов, позволяющих проводить испытания в ускоренном режиме.

Отрадные исключения составляют ряд научно образовательных предприятий Волжско-Уральского региона (Казань, Уфа, Йошкар-Ола) и Средней полосы России (Пенза). Так, НПО «Геотек» за последние годы пытался провести ряд интересных исследований [1,2,3] по сопоставлению методов получения деформативных характеристик грунта полевыми и лабораторными способами. Вопрос выбора оптимального метода проведения испытаний остается злободневным, т.к. до последнего времени так и не сложилось устойчивого единого мнения, какой метод следует считать предпочтительным в инженерных изысканиях. Авторы упомянутых выше исследований делают вывод, что результаты стабилометрических испытаний оказываются максимально приближенными к штамповым, традиционно считающимися в нашей стране эталонными. Эти утверждения, однако, нельзя признать ни убедительными, ни в любом случае окончательными по той причине, что число сопоставимых сравнений в представленных работах минимально, а результаты отдельных из них по мнению самих авторов этих работ признаются противоречащими наработанной практике [1, cтр. 6-7]. Речь идет о результатах штамповых испытаний в лотках, по которым модуль деформации вопреки ожиданиям оказался ниже, чем в лабораторных работах. Справедливости ради надо сказать, что большой неожиданности здесь нет, поскольку испытания в лотках проведены на штампах малой жесткости, не имеющих аналогов для таких сравнений. Да и можно ли всерьез назвать штампом лист металла, в центре которого установлен автомобильный домкрат* (рис. 1).

Рис. 1. Плоский штамп на поверхности песчаного основания [1]

*ГЕННАДИЙ БОЛДЫРЕВ

Директор по научной работе и инновациям ООО «НПП «Геотек»

Наши исследования показали, что если провести испытания в лотке и в стабилометре, то при боковых давлениях на образец грунта, соответствующие очень малым значениям величины пригрузки вокруг штампа значения модулей оказываются близкими. Других сравнений мы не делали. Действительно, с ростом бокового давления на образце модуль будет возрастать. Но это другой случай испытаний штампом, например, с заглублением, когда бытовые напряжения больше. В нашем случае штамп находился на поверхности. Автора стать не разобрался.

Кроме того, штамп был очень жестким. Это круглая плита толщиной 2 см с ребрами жесткости, на которые был приварен еще один диск той же толщины, но меньшего размера. А вот пригрузку мы создавали кольцевым штампом меньшей толщины, действительно «гибким», моделируя таким образом пригрузку от собственного веса грунта.

Надо сказать, что испытания в лотках имеют свои отличительные особенности, связанные с конструкцией нагрузочного устройства, которые требуют грамотного подхода, что в данном случае не наблюдалось. Если бы удалось доказать, что стабилометрические трехосные испытания могут успешно заменять штамповые, это позволило бы в дальнейшем на законодательном уровне изменить вектор нормативной документации и привести к значительному сокращению затрат и сроков на проведение изыскательских работ. Исследования для этого надо проводить с тщательным учетом факторов влияния и без поспешности.

В любом случае, экспериментальные работы такой направленности следует продолжать до тех пор, пока не будут получены обнадеживающие однозначные результаты. Однако на быстрое получение позитивных результатов рассчитывать не приходится. Да и вообще надеяться получить одним махом какой-либо коэффициент корреляции между штамповыми и стабилометрическими испытаниями по многим причинам вряд ли реально.

Теория на практике

Впервые теоретическое обоснование поведения грунта в основании жесткого штампа при его нагрузке было выполнено Н.М. Герсевановым в 1930 году. Согласно его представлениям, основанным на работах предшественников и на его собственном изучении графиков испытаний грунта штампом пробными нагрузками, поведение грунта под нагрузкой претерпевает три последовательные фазы: фаза уплотнения – фаза сдвигов – фаза выпора. На графике зависимости осадки штампа от нагрузки (см. рис. 2) приведено [4, стр. 19] разграничение этих фаз, они представлены на рисунке участками 1–3. Впервые этот рисунок появился в более ранних работах у самого Н.М. Герсеванова, впоследствии его повторяли многие известные ученые.

Рис. 2. График зависимости осадки штампа от нагрузки

Почти аналогичный график, но уже в качестве образцового, представлен в приложении Д ГОСТ 20276-2012. Здесь надо заметить, что на самом деле на практике давно уже установлено, что конфигурация графиков не всегда является такой идеально квадратичной, как представлено на рис. 2 и тому есть соответствующие причины. Реальная конфигурация графиков может принимать весьма разнообразные формы, как это, например, показано на рис. 3.

Рис. 3. Возможные формы экспериментальных графиков [5, стр. 17]

В стандарте ГОСТ 20276-2012, хотя первое его издание существует не менее 50 лет, не приведено ни одного упоминания о самой возможности появления иных форм графиков, не говоря уже о возможных причинах этого явления и соответствующих рекомендациях по данному вопросу. Похоже, что составители норм или не знают о таких, достаточно разнообразных, отклонениях от представленного ими в приложении Д образца, или считают эти отклонения случайными. Однако большое количество «случайных» результатов не позволяет считать их таковыми. Зависящие от нормативной документации изыскатели, получая результаты испытаний, не согласующиеся с концепцией, представленной официальной наукой, заходят в тупик. Им надо решать, что делать с такими испытаниями. Наука не дает и пока не собирается давать на это ответы и принуждает изыскателей самостоятельно искать выход, заставляя принимать не всегда правильные решения. К сожалению, график, приведенный в приложении Д, не сопровождается никакими, пусть даже спорными, пояснениями, способными хотя бы стимулировать исследовательский интерес.

Конфигурация многих графиков, представляемых в изыскательских отчетах, показывает явно выраженную квадратичную зависимость осадки от нагрузки и по сложившейся в этом случае практике требует серьезной и зачастую весьма спорной линеаризации, называемой в научном сообществе аппроксимацией. Поскольку такого рода графики встречаются довольно часто, появляются сомнения, переходящие в уверенность, что квадратичный характер графиков обусловлен причинами стороннего характера, не имеющими напрямую отношения к грунту. Плавный переход от одной фазы деформирования к другой не позволяет четко их разграничить и это, по-видимому, послужило одной из причин, по которой российские ученые в свое время отказались (надо полагать, временно) использовать полевые испытания для определения предельного давления на грунт.

Надо иметь в виду, что конфигурация графика по своей сути есть ни что иное, как отражение обобщенной ответной реакции не только со стороны испытываемого грунта, к чему мы стремимся и добиваемся, но и со стороны всего комплекса силового оборудования, включая опорную реактивную систему, в ответ на приложенную к штампу нагрузку. На практике это означает, что у части испытаний на графиках доминирует фактор грунта, у другой части – фактор опорной системы. На этом фоне, чтобы четче выделить поведение грунта, желательно, чтобы жесткость анкерной опорной конструкции вместе с жесткостью элементов ее крепления к грунту основания, заметно превышала жесткость грунта в основании штампа. Именно тогда график примет вид, на котором первая фаза испытания будет представлена линейной зависимостью, размеры которой позволят легко и надежно выполнить расчет модуля деформации, а также разграничить точки раздела между фазами.

Пока же ГОСТ составлен таким образом, что не позволяет убедиться в степени достоверности получаемых результатов. Всегда могут возникнуть сомнения, что результаты в полевой документации получены именно такие, как они есть, только лишь потому, что на них отразилось влияние сторонних факторов. Доказать это или опровергнуть практически невозможно по причине, что в стандарте не заложены соответствующие установочные требования.

Оппоненты могут возразить: кого интересует конфигурация графика за пределами первой фазы испытания, если для расчета модуля деформации достаточно провести касательную в начальной точке графика. Во-первых, это не совсем так: на начальном этапе часто сказываются погрешности, связанные с недостаточно тщательным выравниванием основания штампа; не всегда начальная точка графика соответствует давлению, учитывающему внешнюю нагрузку. Кроме того, нелинейность графика часто проявляется и в пределах первой фазы испытания, что создает ряд неопределенностей: какой модуль деформации брать за основу? Если касательный, то в какой точке будет соответствие предполагаемой внешней нагрузке, если сама она еще не определена? А может следует взять секущий модуль? Опять следует неопределенность. Секущий модуль дает только графическое осреднение графика. Модуль, вычисленный по принципу интегрального учета эффективных напряжений, даст другое значение. Таким образом, исследование причин неординарного поведения грунта даже на начальной фазе испытания является достаточно важным и не носит отвлеченный характер, как может показаться отдельным, не обладающим достаточным кругозором, специалистам.

Могут возникнуть и другие вопросы. Например, стоит ли уделять внимание конфигурации графика на второй фазе испытания, ведь какой вид принимает здесь график, совершенно не существенно. Это неверная и не дальновидная точка зрения. Выполняя столь сложные испытания, было бы правильно извлечь максимум полезной информации, а не ограничиваться получением только модуля деформации. Выполнив испытание до предельных значений, характеризуемых обвальным ростом осадки штампа, геотехник, а вслед за ним и проектировщик, могут получить представление о тех резервах надежности, которое будет иметь будущее сооружение. Эту простую истину не все понимают.

В последние десятилетия активно продвигаются идеи повысить несущую способность основания за счет учета сопротивления грунта, работающего в нелинейной фазе – фазе сдвигов. Поэтому ограничиваться нагрузкой в пределах первой фазы работы грунта, а тем более начальным участком, как дающим по некоторым представлениям наиболее надежные результаты, было бы крайне неразумно и не обдуманно.

Есть и другой аспект. Если в процессе эксплуатации возникнут проблемы, связанные с реконструкцией сооружения, или появятся непредвиденные деформации, то в первую очередь будут обращаться к исходным данным о несущей способности грунта и о его деформативных свойствах. А они неполные, и всего лишь потому, что на стадии изысканий сэкономили. Причем экономия эта весьма мизерная, поскольку основные затраты в штамповых испытаниях составляют транспортно-организационные расходы и затраты на монтаж оборудования. Поэтому ссылка отдельных оппонентов на то, что в настоящее время принято испытания проводить до незначительных нагрузок, ограниченных только первой фазой, не состоятельны и не свидетельствуют о высокой квалификации специалистов, придерживающихся такого мнения. Причиной, способствующей появлению необдуманных и необоснованных мнений, помимо прочего, является и современный стандарт на испытания, отдающий на откуп заказчику принятие решения о том, до какой нагрузки проводить испытания.

Хаотическая система

Внимательно знакомясь с полевой документацией штамповых испытаний, невольно обращаешь внимание на иногда проявляющую себя некую хаотичность и непоследовательность показаний приборов, измеряющих осадки штампа. Хаотичность, в которой, тем не менее, прослеживается своя определенная система. Одним из признаков такой системы является то, что синхронность, согласованность между собой показаний приборов, измеряющих перемещения, наблюдается крайне редко. Это если речь идет об испытаниях с двумя установленными прогибомерами. Если же установлены три такие прибора, то синхронность, т.е. полное совпадение и согласованное изменение их значений, не наблюдается никогда.

Один из примеров хаотичности в показаниях приборов наглядно показал профессор Г.Г. Болдырев в работе [3]. Там приводятся результаты демонстрационного испытания винтового штампа и показаны показания приборов, измеряющих осадки, сведенные в табличную форму. С приложением первой же ступени нагрузки хаотичность и непоследовательность показаний наблюдается воочию. К сожалению, последующие нагрузки привели к заклиниванию опорного ствола штампа, после чего показания измерительных приборов отражали почти исключительно деформации смятия металла в опорной конструкции. Испытание прервано уже на нагрузке 20 кН, хотя содержательная его часть не превышает 10 кН.

Чтобы понять и объяснить причину рассматриваемой хаотичности, проанализируем поведение штампа с самого начала. Представим, что на выровненную поверхность площадки установлен штамп, закрепленный в соответствии с принятыми требованиями к опорной системе. Первая же ступень нагрузки приводит к перемещениям штампа, которые изначально уже не могут быть равномерны, ибо для этого должны совпасть реакции в анкерных опорах. Сами же реакции зависят от множества факторов, таких как строгая геометрическая симметрия расположения анкеров, одинаковый способ их изготовления, симметрия элементов анкерной системы, идентичность длины, заглубления, сечения анкеров, идентичность элементов крепежа анкерной системы, почти ювелирная центровка домкрата относительно центра штампа, однородность прочностных показателей в деталях используемого материала, неизменяемость статической схемы в течении всего периода проведения испытания. Кстати, последнее представляется наиболее весомым и значимым фактором, способным обеспечить одинаковые условия для проведения испытаний разного уровня исполнения.

Это только весьма краткий перечень условий, влияющих на стабильность опорной системы в течении всего периода испытания. На самом деле их значительно больше. Даже в случае невероятного – удовлетворения всем названным требованиям, всегда в качестве фактора воздействия, который нельзя изменить и на который нельзя повлиять, останется естественная пространственная флуктуация природных характеристик грунта. В силу перечисленного штамп уже изначально отклоняется от стартового горизонтального положения, причем довольно часто оказывается, что перемещения штампа на первой ступени, а иногда и на нескольких ступенях нагрузки оказываются знакопеременны и не обеспечивают полного прилегания штампа к грунту. Надо отдать должное авторам ГОСТ 20276-2012: они не стали в данном случае вводить в стандарт требования, нормативно регулирующие степень расхождения показаний приборов.

На рис. 4 изображена концепция автора, отображающая поведение грунта на примере первых трех ступеней нагрузок в процессе испытания грунта штампом. После полной стабилизации осадок на первой ступени нагрузки, переданной штампу, равнодействующая опорной реакции грунта в основании штампа становится ассиметричной относительно центра штампа уже в силу хотя бы банальной неоднородности грунта, всегда имеющей место. В результате возникшей асимметрии создается эксцентриситет сил, и последующая очередная ступень нагрузки приводит к возникновению момента, направленного в сторону прослабленного, менее плотного участка основания штампа. Как правило, этот участок находится близко или непосредственно на прямо противоположном квадранте штампа, именно под которым основание и подвергается теперь наибольшему уплотнению, приводящему к тому, что наклон штампа вновь претерпевает изменение. Таким образом, асимметричность реакции отпора сохраняется, но приобретает противоположное направление.

В дальнейшем при каждом очередном наращивании нагрузки процесс многократно повторяется, приобретая цикличный, маятниковый характер. Причем цикличность не обязательно совпадает с приложением новой ступени нагрузки, а может происходить каждый раз, в любой момент, когда наступает кратковременное неустойчивое равновесие положения штампа. Неустойчивое потому, что оно легко нарушается с появлением любых новых, порой весьма незначительных, но внезапных изменений в силовой схеме, отвечающей за равновесное положение штампа. Чем выше прикладываемая к штампу нагрузка, тем больше таких моментов будет возникать, т.к. будут вступать в действие с нарастающей интенсивностью все новые и неожиданные факторы влияния.

Рис. 4. Маятниковый механизм деформирования грунта в основании жесткого штампа при его нагружении

Рис. 4. Маятниковый механизм деформирования грунта в основании жесткого штампа при его нагружении

а) перемещение штампа на первых трех ступенях нагрузки;

б) упрощенная эпюра контактных напряжений;

в) расположение точек приложения равнодействующих активной нагрузки и реактивного отпора в начале очередной ступени;

г) расположение точек приложения равнодействующих активной нагрузки и реактивного отпора в конце очередной ступени

Наряду с этим в краевых частях штампа последовательно, но все в больших объемах формируются уплотненные зоны, способные воспринимать на себя еще более заметную часть общей нагрузки. Это приводит к постепенному перераспределению контактных реакций в основании штампа, в результате чего эпюра контактных напряжений с ростом нагрузки приобретает все более выраженный седлообразный вид. На рис. 3 эта трансформация специально не отражена, чтобы читателю было легче понять сущность механизма циклической деформации грунта основания. На самом рисунке условно показаны только три первые ступени нагрузки, а эпюра контактных напряжений приобретает седлообразный вид не сразу, одномоментно, а по мере накопления остаточных деформаций. В отличии от классического симметричного вида эпюры, представленного на рис. 5, реальные площади эпюры на противоположных краях штампа будут всегда отличаться друг от друга, создавая свою асимметрию относительно оси штампа, что показано в ряде опубликованных экспериментальных работ. Исчезнуть эта асимметрия может только после весьма длительной стабилизации осадок, когда произойдет полная релаксация напряжений. Но этого, как правило, не бывает, т.к. обычно грамотные исследователи стремятся довести испытания до предельных значений несущей способности.

В течении всей первой фазы испытания график испытания сохраняет линейность. На самом деле так бывает не всегда, и это, порой, затрудняет правильное определение модуля деформации.

Рис. 5. Теоретическая (1) и экспериментальная (2) эпюра контактных напряжений по классическим представлениям

Рис. 5. Теоретическая (1) и экспериментальная (2) эпюра контактных напряжений по классическим представлениям

На первой фазе испытания осадки штампа при установке его на несвязные грунты происходят за счет обжатия, огранки крупных частиц и их переупаковки в зоне активного обжатия. В случае опирания на связные грунты осадки развиваются за счет нагрева грунтовой массы, способствующего в пластичных грунтах выделению влаги и инфильтрации ее во внешнюю среду вокруг штампа. В маловлажных грунтах уплотнение происходит таким же образом, но еще за счет удаления воздуха и части связанной воды. Асимметрия в распределении контактных реакций и циклический характер этого явления подпитывается самими процессами уплотнения грунта в краевых зонах. Роль опорной системы в этих процессах пока незначительна и ограничивается в основном выравниванием и обтяжкой участков изогнутой крепежной арматуры и элементов крепежа. Это оказывает свое влияние на характер перераспределения опорных реакций, но степень этого влияния пропорциональна нагрузке на штамп и не меняет линейный характер деформаций.

При дальнейшем возрастании нагрузки с определенного момента постепенно происходит вытяжка анкерных свай, арматуры, также увеличиваются и люфты в стыковых соединениях. Опорные балки получают постоянно нарастающий изгиб. Из-за перемещений элементов опорной системы, возникающих из-за неравномерной вытяжки свай, все более заметно меняется пространственное положение балок. Происходит постепенное, а иногда и скачкообразное частичное извлечение анкерных свай, что еще значительней меняет пространственное положение балок. Все эти процессы приобретают установившийся, еще более выраженный, циклический характер. В результате в основании штампа появляется горизонтальная составляющая осевой вдавливающей нагрузки, приводящая к неуклонно увеличивающимся локальным сдвигам грунта в перенапряженных краевых зонах штампа и, как следствие, к разуплотнению его на этих участках. Это в свою очередь приводит к смене тенденции в перераспределении контактных реакций и, в конечном итоге, к выравниванию напряжений в основании штампа: седлообразный вид графика контактных напряжений постепенно выравнивается и в определенный момент времени, когда зоны сдвига охватывают преобладающую часть основания штампа, начинает приобретать совершенно иное, конусовидное очертание, с максимальными напряжениями в центре штампа. Это свидетельствует о формировании уже в центре штампа уплотненного жесткого ядра. Локальные сдвиги приводят к накоплению остаточных деформаций за счет смещения грунта из-под штампа за его пределы. На графике испытания это находит отражение во все более увеличивающемся наклоне кривой зависимости перемещений штампа от приложенного усилия. Этот участок кривой относится ко второй фазе испытания, определяемой Н.М. Герсевановым, как фаза сдвигов. Циклический характер нагрузки сохраняется и в течении всей второй фазы испытания, а интенсивность и амплитуды силовых колебаний даже увеличиваются за счет возрастающей нестабильности анкерной системы.

С окончательным оформлением конусообразного уплотненного грунтового ядра в центре штампа, процессы уплотнения грунта под штампом полностью прекращаются. В краевых зонах начинаются непрерывные процессы пластического течения грунта, сопровождающиеся его выпором, а при определенных условиях трещинообразованием на дневной поверхности вблизи штампа. Осадки штампа приобретают лавинообразный прогрессирующий характер.

Как следует из вышеприведенного, в процессе нагружения штамп постоянно находится в движении, не только поступательном, но и колебательном вокруг своего ядра жесткости. Направление колебаний определяется самим штампом, чутко реагирующим на реакцию окружающей среды и пытающимся в меру инерционности достичь равновесного положения. Это приводит к непрерывной циклической смене направления наклона самого штампа, что обеспечивает на краях максимальные деформации грунта, а значит и максимальные контактные напряжения в периферийной плоскости штампа.

Заключение

Может показаться, что приведенный анализ носит частный характер и относится только к испытаниям грунта с использованием анкерной опорной системы. На самом деле основное зерно анализа – маятниковый характер деформации среды основания, вероятно, носит общий характер, закономерность которого не полностью зависит от метода проведения полевых испытаний или способа его монтажа. Конечно, последнее безусловно вносит свой определенный вклад в очертания рисунка графика, но не меняет самого главного, о чем сказано выше. Более того, можно ожидать, что выявленный характер поведения грунта под нагрузкой проявится не только исключительно в экспериментальных полевых исследованиях, но и в практических повседневных работах, связанных с возведением и эксплуатацией строительных конструкций. Тому есть немало примеров, но это уже тема для отдельной статьи.

Таким образом, в данном материале освещено следующее:

1. Представлена на обсуждение концепция, впервые объясняющая природу и как следствие, характер распределения контактных напряжений в основании жесткого штампа.
2. Выявлено влияние параметров опорной анкерной системы на поведение грунта.
3. Выявлено циклическое поведение грунта под нагрузкой.
4. Рекомендовано выполнение опытно экспериментальных работ на фрагментах фундаментов крупного порядка в развитие затронутых вопросов.
5. Обоснована необходимость внесения радикальных изменений и дополнений в ГОСТ 20276-2012, которые бы учитывали реальный механизм деформирования грунта.

Список литературы

1. Арефьев Д.В., Болдырев Г.Г., Гордеев А.В. Определение деформационных характеристик грунтов в полевых и лабораторных условиях стр. 1-8. Интернет-ресурс

2. Болдырев Г.Г., Мельников А.В., Меркульев Е.В., Новичков Г.А. Лабораторные и полевые испытания грунтов стр. 1-36. Интернет-ресурс

3.Глава7.Испытания грунтов плоским и винтовым штампом (geoteck). Интернет ресурс.

4. Трофименков Ю.Г., Воробков Л.Н. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов. Москва, Стройиздат, 1974, С.175

5. Швец В.Б., Лушников В.В., Швец Н.С. Определение строительных свойств грунтов. Киев, Изд-во Будивильник, 1981, С.101

6. Цытович Н.А. Основания и фундаменты. М., Высшая школа, 1970, С.381