Приложение Б (рекомендуемое). Определение параметров внутреннего трения, коэффициента фильтрационной консолидации и коэффициента начального порового давления методом трехосного сжатия, давления предуплотнения методом компрессионного сжатия и коэффициента переуплотнения OCR

Приложение Б
(рекомендуемое)

Определение параметров внутреннего трения (), коэффициента фильтрационной консолидации и коэффициента начального порового давления методом трехосного сжатия, давления предуплотнения методом компрессионного сжатия и коэффициента переуплотнения OCR

В данном приложении даны уточнения ряда положений ГОСТ 12248 и ГОСТ 20522, направленные на повышение точности и достоверности определения параметров трения грунтов в эффективных напряжениях, а также на установление рекомендуемых методов определения параметров, указанных в названии приложения.

Определение параметров внутреннего трения (), коэффициента консолидации и коэффициента начального порового давления методом трехосного сжатия

Б.1 Подготовка образца грунта к испытанию

Б.1.1 Для приведения образца грунта в состояние, соответствующее условиям его природного залегания по величине эффективных напряжений в скелете грунта и величине порового давления, выполняется комплекс мероприятий, именуемый этапом реконсолидации.

Б.1.2 Этапу реконсолидации образца грунта должен предшествовать расчет напряжений, действовавших на образец в условиях естественного залегания: полного вертикального напряжения и полного горизонтального . Здесь и далее индекс "0" означает, что значение параметра относится к условиям естественного залегания.

Максимальные значения полных напряжений следует назначать с учетом возможностей оборудования: допустимого давления в камере прибора и максимального усилия пресса, создающего осевое напряжение. При определении показателей механических свойств грунтов напряженное состояние оценивается в эффективных напряжениях , определяемых по формуле

, (Б.1)

где u - поровое давление, - полные напряжения.

Природное поровое давление в исследуемом слое грунтового массива (основания) рассчитывается по формуле

, (Б.2)

где - поровое давление в массиве на отметке отбора монолита, кПа;

- плотность поровой воды, ;

g - ускорение силы тяжести, ;

- глубина залегания образца грунта от положения уровня грунтовых вод, м.

Природное эффективное вертикальное напряжение рассчитывается по формуле

, (Б.3)

где - плотность грунта, ;

- эффективное вертикальное напряжение, кПа;

z - глубина залегания образца грунта от поверхности грунта, м.

При отборе образцов из грунтового массива, расположенного на дне речной или морской акватории, к поровому давлению необходимо добавлять давление воды (давление столба воды) на уровне поверхности грунта, а грунтовый массив считать полностью водонасыщенным ().

При испытаниях образцов грунта с больших глубин допускается ограничивать расчетное поровое давление значением 300 кПа, при котором, как правило, обеспечивается практически полное растворение газообразной составляющей.

Эффективное горизонтальное напряжение в условиях естественного залегания определяется формулой

, (Б.4)

где - коэффициент бокового давления (принимается по таблице Б.1).

Таблица Б.1

Грунт	Значение
Песок	0,35-0,55
Супесь	0,40-0,55
Суглинок	0,50-0,60
Глина:
при ,	0,33-0,60
при	0,60-0,82
Примечания 1 Вычисление порового давления , эффективных вертикального и горизонтального напряжений в массиве может производиться с учетом наличия в основании относительного водоупора (слоев глинистых грунтов с низкими значениями коэффициента фильтрации). В этом случае эффективные вертикальные напряжения по кровле водопроницаемого слоя, лежащего ниже водоупора, равны полным напряжениям на подошве перекрывающего его водоупорного слоя. 2 Для илов и текучепластичных глинистых грунтов можно принять . 3 В существенно переуплотненных грунтах (при OCR > 4) следует принимать .

Б.2 Этап реконсолидации образца выполняется следующим образом.

Б.2.1 При проведении испытаний в системе противодавления следует использовать деаэрированную воду. При установке образца в камеру прибора следует исключить защемление воздуха в контактах поверхности образца с эластичной оболочкой и с верхним и нижним штампами. Для этого до установки образца следует систему трубок, подводящих воду к штампам, и отверстия в штампах заполнить деаэрированной водой до появления ее на поверхности штампов и вытеснения пузырьков воздуха. Для исключения защемления воздуха между образцом и эластичной оболочкой рекомендуется:

а) при испытаниях неразмокающих и ненабухающих грунтов поместить образец в контейнер с деаэрированной водой на 1-2 мин;

б) при испытаниях образцов слабых или набухающих грунтов обязательно поместить в контейнер с деаэрированной водой резиновую оболочку непосредственно перед ее установкой на образец;

в) при испытаниях грунтов в приборах со встроенной эластичной оболочкой обеспечить заполнение зазора между грунтом и оболочкой деаэрированной водой.

Б.2.2 По завершении установки образца, установки и заполнения камеры прибора, установки и подключения измерительных систем, дренаж из образца перекрывается и производится повышение среднего давления в камере прибора до значения , рассчитанного согласно Б.1.2, по формуле (Б.4).

Повышение давления в камере прибора производится ступенями . Величина ступеней, как правило, не должна превосходить 20-50 кПа (для грунтов твердой консистенции при обосновании величина ступеней может быть увеличена до 100 - 200 кПа). Выдержка на каждой ступени нагружения составляет не менее 15 мин. Одновременно производится измерение порового давления в образце u. На каждой ступени нагружения определяется значение параметра , где - приращение давления в поровой воде при увеличении среднего давления на ступень .

Б.2.3 По достижении полными напряжениями значений в зависимости от величины возникающего порового давления должны производиться действия, указанные в Б.2.3 - Б.2.6.

Если после достижения полными напряжениями значений поровое давление практически отсутствует (значение параметра В на последней ступени <0,3), то определяется отношение коэффициента водонасыщения грунта к расчетному значению . Если отношение , то этап реконсолидации считается завершенным.

Если , реконсолидация продолжается по методу противодавления. Система противодавления открывается и производится одновременное увеличение полных напряжений и порового давления в образце (принудительно) на величину ступени . Производится измерение давления поровой жидкости на противоположном торце образца u'. Величины и u поддерживаются постоянными до тех пор, пока разность u'-u не уменьшается до 5% от . Если измерение порового давления на противоположном торце образца невозможно, то выдержка во времени определяется стабилизацией уровня жидкости в системе противодавления (или отсутствием потока жидкости в образец грунта). Процедура ступенчатого повышения полного давления в камере прибора и порового давления продолжается до достижения поровым давлением величины в условиях естественного залегания. Величина ступеней в этой процедуре не должна превышать 50 кПа. На этом этап реконсолидации считается законченным.

Б.2.4 Если после достижения полными напряжениями значений в образце грунта возникло поровое давление и значение параметра В на последней ступени нагружения превышает значение 0,3, то продолжается ступенчатое повышение среднего полного напряжения в условиях закрытой системы с обязательным измерением порового давления u. Повышение полных напряжений производится до тех пор, пока либо: а) эффективные напряжения в образце не станут равными эффективному горизонтальному напряжению в основании и при этом поровое давление в образце u не превзойдет расчетного значения ; б) поровое давление u достигнет расчетного значения (при этом эффективные напряжения не превзойдут расчетного значения ). Величина ступеней нe должна превосходить 50 кПа (для грунтов твердой консистенции величина ступеней нагружения может быть увеличена до 100 - 200 кПа), выдержка на каждой ступени приращения напряжений составляет не менее 15 мин.

Б.2.5 В случае, если при операциях по Б.2.4 оказалось , , то в системе противодавления создается давление и дренаж открывается, дальнейшая реконсолидация выполняется по методу противодавления, как описано в Б.2.3 до завершения этапа реконсолидации (; ; ).

В случае если при операциях по Б.2.4 оказалось , , то в системе противодавления создается давление и дренаж открывается. Производится ступенчатое увеличение полных напряжений до значений . Величина ступеней не должна превосходить 50 кПа. Выдержка во времени на каждой ступени определяется по стабилизации деформаций в образце (может контролироваться по стабилизации уровня (потока) жидкости в системе противодавления).

Б.2.6 При проведении испытаний охлажденных грунтов процесс реконсолидации по эффективным напряжениям и поровому давлению должен сопровождаться термостатированием при заданном значении температуры.

Консолидированно-недренированные испытания

Б.3 Консолидированно-недренированные испытания служат для определения:

эффективного угла внутреннего трения ;

эффективного сцепления с';

коэффициента фильтрационной консолидации ;

коэффициента начального порового давления .

Для всех испытываемых грунтов необходимо определять физические характеристики и гранулометрический состав.

Б.4 Консолидация проводится при постоянном противодавлении, достигнутом на этапе реконсолидации. Давления консолидации (разность между давлением в камере и противодавлением) для образцов грунта одного монолита должны включать указанный в задании диапазон строительных нагрузок и выбираться так, чтобы давления по завершении консолидации отличались друг от друга на величину, равную 40-50% значения в точке отбора монолита, но не менее чем на 20 кПа для мягко- и текучепластичных глинистых грунтов () и 50 кПа для грунтов более твердых консистенций. Противодавление устанавливается равным или ниже с тем, чтобы давление, устанавливаемое при консолидации, не превысило допускаемого конструкцией камеры прибора.

Допускаемое снижение противодавления ограничивается величиной порового давления, при котором на этапе реконсолидации параметр В становился больше 0,95 (достигается полное водонасыщение образца и растворение газовой фазы).

Б.5 В начале испытания (после завершения этапа реконсолидации) перекрывается дренаж из образца и производится повышение среднего полного напряжения на образец ступенями , не превышающими 50 кПа. Конечное значение полных напряжений определяется величиной , где - вертикальное напряжение на глубине отбора монолита от строительной пригрузки от сооружения. Значения определяются, например, в соответствии с указаниями К.2.

Значение при испытаниях может быть увеличено или уменьшено для удовлетворения требованиям Б.4. На каждой ступени нагружения производится выдержка во времени не менее 15 мин и измеряется поровое давление.

Для неполностью водонасыщенных грунтов (содержащих нерастворенный газ, В < 0,95) после этапа реконсолидации и по результатам выполнения указаний Б.5 в каждом опыте определяется частное значение коэффициента начального порового давления как отношение суммарного приращения порового давления за время приложения напряжений к величине

. (Б.5)

Нормативное и равное ему расчетное значение коэффициента порового давления () определяется как среднее арифметическое из его частных значений.

Б.6 Задача этапа консолидации - в условиях открытого дренажа привести образец в равновесное состояние по эффективным напряжениям, при которых требуется определить прочностные характеристики, а также деформационные - модуль объемного сжатия. Для глинистых грунтов данные, полученные на этой стадии, используются для определения коэффициента фильтрационной консолидации , а также для расчета скорости деформирования образца на этапе разрушения (сдвига). Консолидация проводится при постоянном значении противодавления, соответствующем природным условиям залегания грунта (если в программе испытаний нет других указаний).

Б.7 Этап консолидации выполняется открытием системы противодавления. Объемная деформация образца в ходе консолидации определяется с помощью системы противодавления путем измерения объема вытесненной из образца поровой жидкости. Измерение объема вытесненной жидкости (а при необходимости и величины порового давления) производится с постепенным увеличением интервалов времени между отсчетами, например, через 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 15 и 30 мин, через 1, 2, 4 и 8 ч и далее в начале и конце каждой смены.

При проведении консолидации рекомендуется использовать односторонний либо двусторонний торцевой дренаж с учетом конструктивных возможностей приборов и программы экспериментов.

При одностороннем дренаже и при наличии датчика порового давления на торце, противоположном от дренируемого, контроль процесса консолидации допускается вести по поровому давлению. Критерием условной стабилизации в этом случае является выравнивание порового давления с противодавлением.

Б.8 По результатам измерений строятся графики зависимостей , и в тех случаях, когда измеряется поровое давление - u = f(t), по которым определяется время 90%-ной консолидации , время 100%-ной консолидации и время 50%-ной консолидации .

Консолидацию следует продолжать не менее суток после достижения времени 100%-ной фильтрационной консолидации, установленной по графикам.

Б.9 Частные значения коэффициента фильтрационной консолидации по методу "корнень квадратный из времени" вычисляют по формуле

, (Б.6)

где - коэффициент (фактор времени), соответствующий степени консолидации 0,90, равный 0,848;

h - высота образца (средняя между начальной высотой и высотой после завершения опыта на консолидацию), см. При двухсторонней фильтрации принимается высота, равная h/2;

- время, мин.

Время 90%-ной фильтрационной консолидации определяется следующим образом (рисунок Б.1).

Проводят прямую ab, касательную к начальной линейной части кривой уплотнения и затем прямую ас, абсциссы которой будут на 15% больше абсцисс прямой аb. Пересечение прямой ас с кривой уплотнения дает точку, соответствующую 90% первичной консолидации.

Время 100%-ной фильтрационной консолидации определяется из величины , которое определяется как точка пересечения горизонтальной прямой, соответствующей , с кривой уплотнения.

Б.10 Вычисление методом "логарифм времени" выполняется так же, как указано в ГОСТ 12248 (приложение П).

Б.11 Нормативное и равное ему расчетное значения коэффициента консолидации ( и ) определяется как среднее арифметическое из частных значений .

Определение значений выполняется для диапазона нагрузок, указанного в задании на лабораторные испытания. Если диапазон выходит за пределы нагрузок при консолидации, то последние нагрузки могут быть соответствующим образом смещены.

Б.12 По завершении консолидации краны дренажной системы перекрываются и производится нагружение образца грунта вертикальной нагрузкой до его разрушения. Нагружение осуществляется или с постоянной скоростью вертикальной деформации образца , или ступенчатым повышением осевой нагрузки при .

Скорость вертикальных деформаций выбирается следующим образом.

В соответствии с указаниями Б.8, Б.9 определяется время 100%-ной фильтрационной консолидации . Скорость вертикальных деформаций находится делением значения предельной вертикальной деформации , полученной из предыдущих испытаний образцов данного грунта или принятой для супесей - 0,10, для суглинков - 0,15, для глин - 0,20, на величину

, (Б.7)

где - скорость вертикальных деформаций.

При силовом способе нагружения величина ступеней устанавливается из необходимости получить 8-10 ступеней нагрузки до достижения разрушения. Выдержка во времени на каждой ступени устанавливается путем деления времени на число ступеней.

В процессе испытания регистрируются давление в камере прибора, вертикальная нагрузка на образец грунта, вертикальные перемещения, поровое давление.

Испытания заканчиваются при выполнении одного из критериев, указанных в ГОСТ 12248.

Б.13 По результатам испытаний определяют соответствующие предельному равновесию частные значения эффективных напряжений и . Совокупность этих значений, полученных в разных опытах для одной разновидности грунта, используется для определения нормативных () и расчетных () значений характеристик прочности статистическими методами в соответствии с ГОСТ 20522.

Определение давления предуплотнения методом компрессионного сжатия и коэффициента переуплотнения OCR

Б.14 Определение величины выполняется в компрессионных приборах, обеспечивающих передачу на образец вертикальных напряжений до 5-10 МПа с размером колец диаметром 50 и/или 70 мм и высотой мм.

Б.15 Нагружение образцов производится ступенями до напряжений в 5-10 МПа (в зависимости от глубины залегания образца и ожидаемой величины давления предуплотнения). Нагрузку на каждой последующей ступени следует принимать равной удвоенному значению нагрузки на предыдущей ступени, например: 0,012; 0,025; 0,05; 0,1; 0,2 и т.д., МПа. Рекомендуется устанавливать дополнительные ступени нагружения в области предполагаемых значений . Необходимое время выдержки на каждой ступени нагрузки составляет не менее 24 ч.

Б.16 Для всех испытываемых грунтов необходимо определять физические характеристики и гранулометрический состав.

Б.17 Определение частных значений выполняется по компрессионным кривым методом Казагранде, для чего необходимо выполнить следующие построения. По полученным в каждом опыте результатам строится компрессионная кривая в полулогарифмическом масштабе (рисунок Б.2). На графике определяется точка, соответствующая наибольшей кривизне кривой, через эту точку проводятся горизонтальная линия и касательная к кривой, затем проводится биссектриса угла между ними. Определяется точка пересечения биссектрисы угла с продолжением прямолинейного участка компрессионной кривой, проекция которой на ось давлений и дает величину давления предуплотнения (рисунок Б.2).

Б.18 Определение коэффициента переуплотнения производится по формуле

, (Б.8)

где и - соответственно эффективное давление предуплотнения и эффективное бытовое давление на глубине залегания образца.

Б.19 Результаты испытаний для каждого инженерно-геологического элемента должны быть представлены паспортами испытаний с графиками компрессионных кривых и сведены в таблицу с привязкой по глубине. По каждому из ИГЭ должны быть рассчитаны средние значения давления предуплотнения и коэффициента переуплотнения OCR.

Особенности определения параметров прочности и деформируемости грунтов при динамических воздействиях

Б.20 Динамическая прочность грунта на сдвиг определяется как предельное значение суммы статической компоненты сдвиговых напряжений и циклической составляющей на поверхности разрушения

, (Б.9)

где N - число циклов нагружения;

- характеристика гранулометрического состава грунта;

- параметр Лоде;

- другие определяющие параметры;

- пиковые значения динамических сдвигающих напряжений.

Лабораторное моделирование напряженно-деформированного состояния элемента грунта в основании ГТС, как правило, охватывает лишь условия гармонических внешних воздействий (рисунок Б.3). Опыты проводятся в условиях трехосного сжатия или простого сдвига при наличии либо отсутствии дренирования.

Б.21 Динамические параметры прочности грунтов являются интегральными характеристиками и одновременно зависят от физических свойств грунтов и параметров внешних воздействий. Динамическая прочность грунтов определяется в долях от статической прочности отдельно по каждому виду воздействия. Деформационные характеристики - динамический модуль сдвига и коэффициент демпфирования - определяются на основе анализа внутри цикловых процессов (петель нагружения).

Б.22 Прочность грунтов при динамических воздействиях рекомендуется определять на основе гипотезы о возможности линейного независимого суммирования результатов внешних воздействий (накопления повреждений) Палмгрена-Майнера. Согласно гипотезе накопления повреждений суммарный эффект циклов нагружения различной интенсивности определяется линейной суперпозицией и не зависит от последовательности отдельных циклов. Поэтому влияние динамического воздействия может быть охарактеризовано как эквивалентное число циклов нагружения , которое по кумулятивному эффекту накопления повреждаемости соответствует реальному внешнему воздействию. Таким образом, динамическое повреждение при некотором уровне напряжений характеризует повреждение при любом другом уровне напряжений.

Реальное воздействие является нерегулярным и для оценки повреждаемости грунтов должно быть представлено в виде последовательности синусоидальных волн (или групп волн) с уровнем воздействия в каждой группе, типичным для рассматриваемого эксплуатационного режима. Такой анализ базируется на экспериментальных данных, описывающих процесс накопления циклической и статической составляющих сдвиговой деформации, или порового давления при росте числа циклов нагружения.

Б.23 Метод определения параметров прочности при динамических воздействиях - расчетно-экспериментальный, основанный на методе последовательных приближений. Программа испытаний должна учитывать различные потенциальные формы потери устойчивости системы "сооружение-основание", а также прогнозируемые уровни статических и циклических напряжений в основании. При формировании программы лабораторных испытаний допускается рассматривать не все виды внешних воздействий, а лишь наихудшие с точки зрения возможной потери сооружением устойчивости. Консерватизм получаемых оценок должен быть подтвержден имеющимися данными исследований динамических свойств грунтов в российской и мировой практике.

Б.24 Основной задачей экспериментальных лабораторных исследований является определение количества циклов нагружения N, необходимых для разрушения грунта при различных соотношениях статической и динамической составляющих циклической нагрузки. Выполняемые опыты - недренированные, с контролем напряжений или деформаций. Уровень статических сдвигающих напряжений задается в зависимости от глубины рассматриваемого слоя, дополнительной пригрузки от сооружения, уровня внешних динамических воздействий.

Предварительно определяется сопротивление недренированному сдвигу связных грунтов и параметры трения для несвязных грунтов в условиях квазистатического нагружения. Затем, при различных комбинациях нормализованной статической составляющей напряжений () фиксируется количество циклов нагружения, приводящее к разрушению грунта в условиях "закрытой" системы при перекрытом дренаже, что соответствует постоянству объема полностью водонасыщенного образца при сдвиге.

Оценка динамической прочности базируется на эмпирически полученных кривых разрушения или - для несвязных грунтов и или - для связных грунтов. Здесь N - предельное число циклов при разрушении образца, - эффективные напряжения при консолидации, - статическая составляющая сдвигающих напряжений, - циклическая составляющая сдвигающих напряжений, - сопротивление недренированному сдвигу. Под разрушением образца понимают достижение заданного уровня деформации - статической () или циклической (), избыточного порового давления. При проведении экспериментов критериями остановки опыта рекомендуется считать достижение первым одного из следующих условий:

статической составляющей сдвиговой деформации 20%;

амплитуды циклической деформации 10%;

достижение поровым давлением уровня 95% ;

достижение N = 1500 (уровень может меняться в зависимости от вида моделируемого воздействия).

Для несвязных образцов грунтов результаты испытаний могут быть представлены также в виде зависимостей , по которым определяется суммарное накопление избыточного порового давления жидкости в грунте при рассматриваемом воздействии.

Б.25 Оценка деформационных характеристик грунтов при динамических воздействиях производится как на основе полевых, так и лабораторных испытаний.

Под деформационными характеристиками следует понимать динамический модуль сдвига и коэффициент демпфирования . Оценка модуля сдвига при деформациях производится по результатам прямых измерений скорости поперечных волн в полевых и лабораторных условиях и пересчетом по формуле

. (Б.10)

В лабораторных условиях измерения должны проводиться на образцах грунтов в условиях трехосного сжатия при напряжениях, максимально близких к природным на заданной глубине путем ультразвукового зондирования (bender element).

Деформации охватываются лабораторными испытаниями в резонансной колонне, свыше - в приборе трехосного сжатия (опыты с контролем деформаций).

Исходными данными для определения коэффициента демпфирования являются внутрицикловые зависимости напряжений и деформаций (петли нагружения). Результатом испытаний являются кривые и , где - амплитуда деформации сдвига, - средние эффективные напряжения в грунте, f - частота нагружения.