Проблемы определения и интерпретации давления предуплотнения слабых глинистых отложений
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. Давление/напряжение предуплотнения измерить нельзя. Его определение можно выполнить лишь косвенными методами, используя лабораторные и полевые испытания. И тут возможны нюансы, которые очень важно учитывать при выполнении инженерно-геологических изысканий, а затем геотехнических расчетов на основе полученных данных.
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.
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.
- Согласно классификации, грунты находятся в текучем, а значит в нестабилизированном состоянии, что подтверждают низкие значения недренированной сдвиговой прочности.
- Низкие значения недренированной сдвиговой прочности подтверждаются высокими значениями природной влажности и коэффициента пористости.
- По результатам статического зондирования практически отсутствует увеличение сопротивления сдвигу с глубиной, что также подтверждается практически вертикальным распределением влажности и коэффициента пористости с глубиной.
- Недоуплотненное состояние и слабые грунты являются причинами развития значительных абсолютных осадок здания.
- 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.
- 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”.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- Цытович Н.А., 1963. Механика грунтов. Госстройиздат, Москва.
- 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.
- 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.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц