Межгосударственный стандарт ГОСТ 20522-96 "Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний" (введен в действие постановлением Минстроя РФ от 1 августа 1996 г. N 18-58) (утратил силу)

Межгосударственный стандарт ГОСТ 20522-96
"Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний"
(введен в действие постановлением Минстроя РФ от 1 августа 1996 г. N 18-58)

Soils. Statistical treatment of the test results

Дата введения 1 января 1997 г.

Взамен ГОСТ 20522-75

ГАРАНТ:

Приказом Росстандарта от 29 октября 2012 г. N 597-ст взамен настоящего ГОСТа с 1 июля 2013 г. введен в действие ГОСТ 20522-2012

1. Область применения

Настоящий стандарт устанавливает применяемые при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве методы статистической обработки результатов испытаний грунтов, составляющих различные грунтовые объекты (основания сооружений, склоны, массивы, вмещающие подземные сооружения, грунтовые сооружения и их элементы и т.д.).

Методы применяют для статистической обработки результатов определений физических и механических (прочностных и деформационных) характеристик всех грунтов, а также при выделении основных грунтовых единиц - инженерно-геологических и расчетных грунтовых элементов (разделы 3 и 4).

2. Определения

В настоящем стандарте применяют следующие термины.

Вероятность - числовая характеристика степени возможности появления какого-либо определенного события в тех или иных определенных условиях, которые могут повторяться неограниченное число раз, выражается в долях единицы или процентах.

Вероятности, с которыми характеристики грунтов, трактуемые как случайные величины, принимают те или иные значения, образуют распределение вероятностей, для установления которого по выборочным данным оценивают один или несколько параметров распределения.

Доверительный интервал - интервал, вычисленный по выборочным данным, который с заданной вероятностью (доверительной) накрывает неизвестное истинное значение оцениваемого параметра распределения.

Доверительная вероятность - вероятность того, что доверительный интервал накроет неизвестное истинное значение параметра, оцениваемого по выборочным данным.

Односторонняя доверительная вероятность - вероятность того, что неизвестное истинное значение параметра не выйдет за пределы нижней (или верхней) границы доверительного интервала.

Среднее значение (выборочное) - среднеарифметическое из частных значений, образующих выборку независимых друг от друга и от пространственных координат величин.

Коэффициент вариации - мера отклонения опытных данных от выборочного среднего значения, выражаемая в долях единицы или процентах, вычисляется по формуле (5).

Сравнительный коэффициент вариации - мера изменчивости величины, зависящая от начала отсчета выборки, вычисляется по формуле (A.1) приложения А.

Метод наименьших квадратов - метод статистической оценки функциональной зависимости путем установления таких ее параметров, при которых сумма квадратов отклонений опытных данных от этой зависимости является минимальной.

Среднеквадратическое отклонение - мера отклонения опытных данных от выборочного среднего значения или от функциональной зависимости, выражаемая в абсолютных единицах, вычисляется по формулам (4), (12).

Число степеней свободы - число независимых наблюдений, равное числу определений n характеристики минус число оцениваемых статистических параметров.

Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) - основная грунтовая единица при инженерно-геологической схематизации грунтового объекта, определяемая положениями 3.4.

Расчетный грунтовый элемент (РГЭ) - основная грунтовая единица, выделяемая с учетом применяемого при проектировании грунтового объекта расчетного или экспериментального метода, определяемая положениями 3.4.

3. Общие положения

3.1 Статистическую обработку результатов испытаний проводят для оценки неоднородности грунтов, выделения инженерно-геологических элементов (ИГЭ) и расчетных грунтовых элементов (РГЭ) и вычисления нормативных и расчетных значений характеристик грунтов.

3.2 Неоднородность грунта оценивается с помощью коэффициента вариации характеристик грунта (5.4). Для сравнения неоднородности по разным характеристикам может применяться сравнительный коэффициент вариации, определяемый по приложению А.

3.3 Статистическую обработку проводят для частных значений характеристик грунтов или фиксируемых в отдельных испытаниях величин, которые составляют случайную выборку.

При наличии закономерного изменения характеристики в каком-либо направлении (чаще всего с глубиной) статистическая обработка проводится для определения параметров аналитической зависимости, аппроксимирующей опытные точки линейной или кусочно-линейной функцией.

3.4 Статистическую обработку результатов испытаний выполняют для ИГЭ или РГЭ.

За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения и вида при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно), либо наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь. В последнем случае должны выполняться требования 4.5. ИГЭ наделяют постоянными нормативными и расчетными значениями характеристик. Комплекс ИГЭ образует инженерно-геологическую модель объекта.

За РГЭ принимают некоторый объем грунта не обязательно одного и того же происхождения и вида, в пределах которого нормативные и расчетные значения характеристик при проектировании грунтового объекта по условиям применяемого расчетного или экспериментального метода могут быть постоянными или закономерно изменяющимися по направлению (чаще всего по глубине). РГЭ может включать часть одного или несколько ИГЭ. Комплекс РГЭ образует расчетную геомеханическую модель объекта.

______________________________

Примечание. Объем, местоположение и конфигурацию ИГЭ и РГЭ устанавливают с учетом геологических данных и сведений об объекте строительства.

3.5 Для всех характеристик грунта вычисляют нормативные, а для характеристик, используемых в расчетах, и расчетные значения.

Нормативные значения характеристик определяют как среднестатистические, получаемые осреднением их частных значений, или отвечающие осредненным по частным значениям аппроксимирующим зависимостям между измеряемыми в опытах величинами (или функционально с ними связанными величинами), или зависимостям каких-то из этих величин от координат по одному из направлений.

Расчетное значение получают делением нормативного значения на коэффициент надежности по грунту.

3.6 Коэффициент надежности по грунту должен устанавливаться с учетом изменчивости и числа определений характеристики (числа испытаний) при заданной доверительной вероятности.

______________________________

Примечания.

1. По указаниям норм проектирования различных видов сооружений при вычислении расчетного значения характеристики могут вводиться и другие коэффициенты, учитывающие влияние факторов, которые не могут быть учтены статистическим путем.

2. Для отдельных характеристик грунтов по указаниям норм проектирования различных видов сооружений их расчетные значения могут быть приняты равными нормативным значениям.

3.7 Значения доверительной вероятности при вычислении расчетного значения характеристики грунта принимают в соответствии с рекомендациями норм проектирования различных видов сооружений.

3.8 Опытные данные, для которых проводится статистическая обработка, должны быть получены единым методом испытания.

3.9 Применяемые в настоящем стандарте методы статистической обработки используют нормальный или логарифмически нормальный закон распределения вероятностей.

3.10 Настоящие методы применяют при числе определений характеристик грунтов или фиксируемых в опытах величин не менее шести.

4. Выделение инженерно-геологического элемента (ИГЭ) и расчетного грунтового элемента (РГЭ)

4.1 Исследуемые грунты предварительно разделяют на ИГЭ с учетом их происхождения, текстурно-структурных особенностей и вида.

Характеристики грунтов в каждом предварительно выделенном ИГЭ анализируют с целью установить и исключить значения, резко отличающиеся от большинства значений, если они вызваны ошибками в опытах или принадлежат другому ИГЭ.

4.2 Окончательное выделение ИГЭ проводят на основе оценки характера пространственной изменчивости характеристик грунтов и их коэффициента вариации, а также сравнительного коэффициента вариации При этом необходимо установить, изменяются характеристики грунтов в пределах предварительно выделенного ИГЭ случайным образом или имеет место их закономерное изменение в каком-либо направлении (чаще всего с глубиной).

Для анализа используют физические характеристики, а при достаточном количестве и механические.

______________________________

Примечание. Для выделения ИГЭ наряду с физическими и механическими характеристиками грунтов могут использоваться фиксируемые в опытах величины или показатели, получаемые с помощью зондирования и других экспресс-методов.

4.3 Для оценки характера пространственной изменчивости характеристик их наносят на инженерно-геологические разрезы в точках их определения, строят графики рассеяния, а также графики зондирования. Для выявления закономерного изменения характеристик строят точечные графики изменения их значений по направлению или применяют положения 1 и 2 приложения Д.

4.4 Если установлено, что характеристики грунтов изменяются в пределах предварительно выделенного ИГЭ случайным образом, этот элемент принимают за окончательный независимо от значений коэффициента вариации (5.4) характеристик.

За единый инженерно-геологический элемент могут быть приняты грунты, представленные часто сменяющимися тонкими (менее 20 см) слоями и линзами грунтов различного вида. Слои и линзы, сложенные рыхлыми песками, глинистыми грунтами с показателем текучести более 0,75, илами, сапропелями, заторфованными грунтами и торфами, следует рассматривать как отдельные инженерно-геологические элементы независимо от их толщины.

4.5 При наличии закономерного изменения характеристик грунтов в каком-либо направлении (чаще всего с глубиной) следует решить вопрос о необходимости разделения предварительно выделенного ИГЭ на два или несколько новых ИГЭ.

Дополнительное разделение ИГЭ не проводят, если выполняется условие

, (1)

где V - коэффициент вариации (5.4);

- допустимое значение V, принимаемое равным для физических характеристик 0,15, а для механических (см.4.2) - 0,30.

Если коэффициенты вариации превышают указанные значения, дальнейшее разделение ИГЭ проводят так, чтобы для вновь выделенных ИГЭ выполнялось условие (1).

Разделение ИГЭ может быть проведено на основе сравнения средних значений характеристик грунта во вновь выделенных ИГЭ в соответствии с приложением Б.

4.6 При проведении дополнительного разделения первоначально выделенного ИГЭ (4.5), определяя границы вновь выделяемых ИГЭ, необходимо учитывать:

- наличие тенденции к скачкообразному изменению характеристик грунтов;

- положение уровня подземных вод;

- наличие зон просадочных, набухающих и засоленных грунтов и грунтов с примесью органических веществ;

- наличие в скальных грунтах зон разной степени выветрелости и разгрузки;

- наличие в элювиальных грунтах зон разной степени выветрелости;

- наличие зон грунтов разной консистенции;

- наличие в вечномерзлых грунтах зон разной степени льдистости и цементации льда.

4.7 Выделение РГЭ проводят на основе выделенных при инженерно-геологической схематизации ИГЭ применительно к конкретному методу расчета объекта (экспериментального метода) с наделением его конкретными характеристиками, необходимыми для возможности использования этого метода. При этом РГЭ в общем случае могут не совпадать с ИГЭ по одному или нескольким показателям (по форме, размерам, местоположению, характеристикам и их значениям).

В РГЭ могут быть также объединены два соседних ИГЭ, представленных грунтами разного происхождения, но одного вида, если выполняются требования приложения Б.

4.8 При выделении РГЭ, в пределах которых значения характеристик принимаются закономерно (не скачкообразно) изменяющимися по направлению (например, по глубине) оценку этой изменчивости производят с использованием положений 1 и 2 приложения Д, а критерием возможности выделения РГЭ является условие (1), в котором коэффициент вариации вычисляется по формуле (Д.3) приложения Д. Если условие (1) не выполняется, то проводят разделение РГЭ так, чтобы выполнялось условие (1).

5. Вычисление нормативных и расчетных значений характеристик грунтов, представленных одной величиной

5.1 Определение нормативных и расчетных Х значений характеристик грунтов для ИГЭ и РГЭ в случае принятия для последнего постоянных значений и Х следует проводить в соответствии с 5.2 - 5.7. Для РГЭ при закономерном изменении характеристик по направлению (чаще всего по глубине) их нормативные и расчетные значения следует определять в соответствии с 5.8.

5.2 Нормативное значение всех физических (влажности, плотности, пластичности и т.п.) и механических характеристик грунтов (модуля деформации, предела прочности на одноосное сжатие, относительных просадочности и набухания и т.п.) принимают равным среднеарифметическому значению и вычисляют по формуле

, (2)

где n - число определений характеристики;

- частные значения характеристики, получаемые по результатам отдельных i-х опытов.

______________________________

Примечание. Для физических характеристик грунтов, вычисляемых по формулам (коэффициент пористости, число пластичности и др.) в зависимости от величин, определяемых опытным путем, и для компрессионного модуля деформации (приложение В) их нормативные значения могут быть установлены исходя из нормативных значений измеренных в опытах величин.

5.3 Выполняют статистическую проверку для исключения возможных ошибок, оставшихся после анализа опытных данных в соответствии с 4.1. Исключают то частное (максимальное или минимальное) значение , для которого выполняется условие

, (3)

где - статистический критерий, принимаемый в зависимости от числа определений n характеристики по таблице Ж.1 приложения Ж;

S - среднеквадратическое отклонение характеристики, вычисляемое по формуле

. (4)

Если какое-либо значение характеристики исключено, следует для оставшихся опытных данных заново вычислить по формуле (2) и S по формуле (4).

5.4 Вычисляют коэффициент вариации V характеристики и показатель точности ее среднего значения по формулам:

, (5)

, (6)

где - коэффициент, принимаемый по таблице Ж.2 приложения Ж в зависимости от заданной односторонней доверительной вероятности и числа степеней свободы К = n - 1.

5.5 Вычисляют коэффициент надежности по грунту по формуле

. (7)

______________________________

Примечание. Знак перед величиной принимают таким, чтобы обеспечивалась большая надежность основания или сооружения.

5.6 Вычисляют расчетное значение Х характеристики грунта по формуле

. (8)

______________________________

Примечание. В формулах (6) - (8) вместо альфа, а также в качестве индекса для Х могут быть указаны значения доверительной вероятности.

5.7 Если коэффициент вариации V характеристики (5.4) превышает 0,4, ее нормативное и расчетное значение может быть вычислено с использованием логарифмически нормального закона распределения по приложению Г.

5.8 При закономерном изменении характеристики по направлению (например, по глубине h) ее нормативные и расчетные X(h) значения могут быть вычислены в пределах РГЭ по приложению Д. При этом при определении подлежащих исключению из выборки частных значений (5.3) необходимо в формуле (3) заменить на , а S вычислить по формуле (Д.2) приложения Д.

6. Вычисление нормативных и расчетных значений угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов

6.1 Нормативные и расчетные значения угла внутреннего трения фи и удельного сцепления с по результатам опытов на одноплоскостной срез вычисляют путем статистической обработки частных значений и (6.2 - 6.5) или путем статистической обработки всех пар опытных значений сопротивления срезу и нормального напряжения как единой совокупности (6.6 - 6.12). Второй из указанных способов должен использоваться согласно соответствующим нормам проектирования для систем, включающих гидротехнические и (или) энергетические сооружения.

______________________________

Примечания.

1. Число определений частных значений и в первом способе и число определений пар и во втором способе должно бытъ не менее шеста.

2. Методика статистической обработки результатов испытаний грунтов при трехосном сжатии приведена в приложении Е.

6.2 При статистической обработке частных значений и для каждой j-й точки испытания грунта в пределах ИГЭ вычисляют по методу наименьших квадратов частные значения и по результатам не менее трех определений сопротивления грунта срезу , при различных значениях нормального напряжения , в пределах одинакового диапазона :

, (9)

, (10)

где k - число определений в каждой точке ИГЭ.

Если при вычислении по формуле (10) получается , то принимают , а вычисляют по формуле

. (11)

6.3 По найденным значениям и вычисляют нормативные значения и по формуле (2) и среднеквадратические отклонения и по формуле (4).

6.4 Выполняют статистическую проверку для исключения возможных ошибок в значениях и в соответствии с 5.3. Пару значений и исключают, если хотя бы для одного из них выполняется условие (3). При этом для оставшихся опытных данных следует заново вычислить значения , , и .

6.5 Вычисляют для и с коэффициент вариации V, показатель точности , коэффициент надежности по грунту и их расчетные значения по формулам (5)-(8).

______________________________

Примечание. Если по формуле (6) для или с получится >1, расчетное значение этой характеристики следует принять равным нулю.

6.6 При статистической обработке всех n пар опытных значений и как единой совокупности нормативные значения и вычисляют по формулам (9) и (10), в которых значения , . и k необходимо заменить на и и n соответственно.

Если при этом получится < 0, то принимают = 0, а вычисляют вновь по формуле (11), в которой необходимо заменить и k на и n соответственно.

6.7 Вычисляют среднеквадратическое отклонение сопротивления срезу по формуле

. (12)

______________________________

Примечание. В формуле (12) следует заменить n-2 на n-1, если по 6.6 принято =0, a вычислен по формуле (11).

6.8 Выполняют статистическую проверку для исключения возможных ошибок в значениях в соответствии с 5.3.

Исключают наиболее отклоняющееся от нормативной зависимости значение , для которого выполняется условие (3). При этом в условие (3) следует подставить вместо проверяемое значение , вместо - соответствующее , значение и вместо S - значение из (12).

Если какое-либо значение будет исключено, следует заново вычислить значения , и по оставшимся опытным данным.

6.9 Расчетные значения и с вычисляют с учетом заданного диапазона нормальных напряжений , , который принимается по указаниям норм проектирования различных видов сооружений. При отсутствии таких указаний следует принимать и равными минимальному и максимальному нормальным напряжениям, имевшим место при испытании грунта на срез.

Вычисляемые значения и c должны сопровождаться сведениями о принятом диапазоне нормальных напряжений.

6.10 Нормативные значения сопротивления грунта срезу , вычисляют по формуле (13) и значения полудлин совместных доверительных интервалов и по формуле (14) при значениях нормального напряжения и :

, (13)

, (14)

где - коэффициент, принимаемый по таблице Ж.3 приложения Ж в зависимости от заданной односторонней доверительной вероятности , параметра , вычисляемого по формуле (16), и числа степеней свободы К = n - 2;

- опытные значения нормального напряжения;

. (15)

6.11 Параметр , учитывающий значения диапазона /, / вычисляют по формуле

, (16)

где , (17)

, (18)

6.12 Вычисляют расчетные значения сопротивления срезу и по формуле (19) при нормальных напряжениях и , коэффициенты надежности по грунту и для и с по формуле (20) и расчетные значения и c по формуле (8):

, (19)

. (20)

Если , то вместо формулы (20) следует использовать формулу (21)

. (21)