Проблемы определения и интерпретации давления предуплотнения слабых глинистых отложений

Термин «давление предуплотнения» в геотехнике/геомеханике ассоциируется с эффективным вертикальным давлением, которое грунт испытывал в прошлом, в том числе с учетом особенностей процессов геологического формирования. Также наряду с понятием «давление предуплотнения» используются термины «давление переуплотнения» или «напряжение переуплотнения». Таким образом, грунт может называться переуплотненным, если текущие эффективные напряжения в массиве меньше, чем исторический максимум. Однако такое определение является не полным, поскольку на величину давления предуплотнения оказывают влияние также и химические процессы, например, в случае попадания массива в зону аэрации.

Величина давления переуплотнения крайне важна для геотехнических расчетов, поскольку предоставляет возможность корректно задавать целый ряд параметров, в том числе деформационные и прочностные свойства, а также напряженное состояние грунтового массива.

Естественно, что давление/напряжение предуплотнения измерить нельзя. Его определение можно выполнить лишь косвенными методами, используя лабораторные и полевые испытания. В качестве лабораторных исследований как правило используются результаты одометрических и трехосных испытаний. При этом наиболее часто для определения величины давления предуплотнения используются результаты инкрементального одометрического испытания. Основным его преимуществом, безусловно, является простота. Основным недостатком – высокая вероятность нарушения природной структуры на этапах отбора и подготовки лабораторного образца (в том числе за счет малой высоты образца). Вычисление давления предуплотнения может производиться различными методами. Но наиболее часто для определения используется процедура, предложенная A.Casagrande [3].

Вычисление давления переуплотнения также возможно по результатам трехосных испытаний с использованием анализа на основе результатов различных моделей грунтов, например, modified Сam Clay. Этот анализ может быть выполнен с оценками пиковой или остаточной прочности, с использованием хорошо известной конструкции типа SHANSEP [4].

Для выполнения вычислений удобно использовать коэффициент переуплотнения (OCR) – отношение измеренной величины давления переуплотнения к действующему на заданной глубине бытовому эффективному напряжению. Тогда, используя значение коэффициента переуплотнения, можно привести простую классификацию грунта в природном состоянии:

• Массив в недоуплотненном состоянии – ОСR < 1;
• Массив в нормально уплотненном состоянии – ОСR = 1 (OCR≈1);
• Массив в переуплотненном состоянии – OCR > 1.

Грунты в недоуплотненном состоянии могут находиться, например, в случае дополнительного нагружения и развития поровых давлений, в результате чего начнется процесс вторичной консолидации и ползучести. Здесь можно отметить, что классическим примером нахождения массива песчаного грунта в недоуплотненном состоянии являются, например, барханы в пустынях. Также к недоуплотненным грунтам по условиям происхождения можно отнести лессовые и мерзлые грунты. Это как раз тот случай, когда в условиях незавершенного процесса консолидации происходила цементация скелета за счет образования цемента выпадающими солями или цементация скелета кристаллами льда.

Но рассматриваемые примеры относятся к сложным инженерно-геологическим условиям. Обратимся к более простым на первый взгляд примерам оценки состояния глинистой грунтовой толщи субаквального происхождения. Рассмотрим классический для Санкт-Петербурга пример – слабые глинистые отложения, сформированные ледниковыми, озерно-ледниковыми и послеледниковыми отложениями. На рисунке 1 приведены результаты статического зондирования. Краткие результаты инженерных изысканий выглядят так:

• Сопротивление неконсолидированно-недренированному сдвигу (стабилометрические испытания) - 46-50 Кпа;
• Плоский прямой неконсолидированно-недренированный сдвиг – с = 6 кПа, φ=6⁰;
• Удельный вес – 18,6 кН/м³;
• Индекс пластичности – 0,09-0,13.
• Индекс текучести – порядка 1.

Рис.1. Результаты статического зондирования на площадке

Именно приведенные выше результаты изысканий являются типичными, с которыми столкнется инженер при проектировании. Данный пример очень интересен автору, поскольку на данной площадке ранее было возведено 12 этажное здание на плите и спустя 50 лет его осадки достигли порядка 60 см.

С учетом рассмотренной информации о переуплотнении необходимо ответить на вопрос: в каком состоянии находится сжимаемая толща – недоуплотненном, нормально уплотненном или переуплотненном?

Рассмотрим несколько взглядов на данный вопрос.

Версия 1. Грунтовый массив находится в недоуплотненном состоянии

Можно отметить, что именно так и учили автора и продолжают учить в различных учебных заведениях. Рассмотрим основные аргументы, которые приводятся рядом исследователей в доказательство такой позиции.

1. Согласно классификации, грунты находятся в текучем, а значит в нестабилизированном состоянии, что подтверждают низкие значения недренированной сдвиговой прочности.
2. Низкие значения недренированной сдвиговой прочности подтверждаются высокими значениями природной влажности и коэффициента пористости.
3. По результатам статического зондирования практически отсутствует увеличение сопротивления сдвигу с глубиной, что также подтверждается практически вертикальным распределением влажности и коэффициента пористости с глубиной.
4. Недоуплотненное состояние и слабые грунты являются причинами развития значительных абсолютных осадок здания.
5. На паспортах результатов компрессии не видно характерной “полочки”, что подтверждает отсутствие переуплотнения.

Все рассмотренные аргументы безусловно являются достаточно весомыми. Но здесь необходимо их подкрепить теорией образования и существования такой глинистой толщи. А именно, каким образом получилось так, что прочностные и физические характеристики массива грунта в текучем состоянии практически не изменяются с глубиной. Здесь в пользу этой версии на помощь приходит теория начального градиента (ссылка на будущие статьи автора).  Согласно результатам, выполненных различными исследователями экспериментов, величина начального градиента фильтрационной консолидации для глинистых отложений превышает сотни. И этого вполне достаточно, чтобы образованный структурный гель держал собственную массу грунтового массива. Это подтверждается решениями задач фильтрационной консолидации с начальным градиентом. Так Н.А. Цытович [2] с помощью этих решений показал возможное наличие “мертвых зон” в грунтовом массиве.

В соответствии с данной версией величина давления и коэффициента переуплотнения не представляют абсолютно никакого интереса, что косвенно подтверждается практикой геотехнических расчетов и проектирования. Коэффициенты переуплотнения практически не фигурируют в инженерных расчетах.

Из этого также вытекает важный вывод, подтверждаемый авторами ряда отечественных учебников в механике грунтов, а именно: при моделировании природного напряженного состояния нужно использовать шаровой тензор напряжений.

Версия 2. Грунт находится в переуплотненном состоянии

Рассмотрим контраргументы в пользу этой версии.

1. Относительно низкие значения показателей пластичности, а также послеледниковое происхождение грунтового массива вызывают большое сомнение в возможности такого массива длительно обеспечивать сопротивляемость грунтовой среды поровому давлению за счет начального градиента. Кроме того с позиций начального градиента оказывается невозможным объяснить существование чувствительных послеледниковых отложений в Карелии и соседней Финляндии. Грунты высокой чувствительности образовались в результате процессов выщелачивания солей натрия и калия при фильтрации. Естественно, что сам по себе факт фильтрации талых вод через массив глинистого грунта с большими начальными градиентами противоречит предложенной теории c наличием “мертвых зон”.
2. Отсутствие характерной «полочки», отвечающей за переуплотнение на компрессионных кривых скорее свидетельствует о нарушении природной структуры в процессе отбора и подготовки испытаний. Это подтверждается результатами трехосных испытаний образцов, отобранных в гильзы непосредственно из шурфов. По результатам испытаний по консолидированно-недренированной и консолидированно-дренированной схемам наблюдается разрушение образцов на деформациях порядка 4-5% с характерным разупрочнением на деформациях более 10% (softening), что указывает на предуплотнение глинистого массива.
3. Если грунт находится в недоуплотненном состоянии, то грунтовый скелет геля должен стремиться к реализации нормально уплотненного состояния. В этом случае величина сопротивления внедрения конусу зонда при статическом зондировании должна носить характер увеличения с глубиной грунтового массива. На рисунке 1 показан красным вероятный график сопротивления внедрения конусу зонда на начальном этапе формирования грунтового массива (в состоянии близком к нормальному уплотнению). Можно заметить, что разница между красным и реальным графиком зондирования как раз отвечает гипотезе предуплотнения грунтового массива.
4. Анализ нормализованной недренированной прочности с помощью конструкций типа SHANSEP [3] на основе результатов консолидированно-недренированных трехосных испытаний также приведет к выводам о переуплотненном состоянии грунтового массива.
5. Датировка возраста слабого грунтового массива определяется в диапазоне 6000-13800 лет (сверху вниз). С учетом низких значений показателей пластичности и наличия большого количества песчаных прослоек в толще (пики на графике зондирования) можно утверждать, что слабая грунтовая толща должна быть уплотнена в том числе за счет процессов вторичной консолидации (под действием собственного веса за счет деформационного упрочнения).

Заключение

По результатам сравнения двух гипотез более правдоподобным является представление о предуплотнении грунтового массива. Соответственно, для описания прочностных и деформационных свойств таких сред необходимо оценивать давление предуплотнения и коэффициенты предуплотнения. При выполнении инженерно-геологических изысканий для отбора образцов необходимо использовать грунтоносы, а также для контроля качества выполненных геотехнических испытаний отбирать монолиты грунтов из шурфов.

Список литературы

1. Васенин В.А., 2018. Статистическая оценка параметров нарушения природной структуры лабораторных образцов глинистых отложений при инженерно-геологических изысканиях на территории Санкт-Петербурга и окрестностей. Инженерная геология, Том ХIII, № 6, с. 48-65, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2018-13-6-48-65.  
2. Цытович Н.А., 1963. Механика грунтов. Госстройиздат, Москва. 
3. Casagrande A., 1936. Determination of the preconsolidation load and its practical significance. Proceedings of the 1st International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Cambridge, 1936, Vol. 3, pp. 60–64.
4. Ladd C.C., Foott R., 1974. New design procedure for stability of soft clays. Journal of the Geotechnical Engineering Division, Vol. 100, No. 7, pp. 763–786.