Приложение Д (справочное). Определение условного сопротивления грунтов сжатию при сейсмическом микрорайонировании

Приложение Д
(справочное)

Определение условного сопротивления грунтов сжатию при сейсмическом микрорайонировании

Д.1 Общие положения

Известные зависимости между модулем деформации глинистых грунтов, углом внутреннего трения песков, прочностью скальных грунтов при сжатии и скоростью S-волн не полностью охватывают разнообразные инженерно-геологические условия, встречающиеся при строительстве. В связи с этим при сейсмическом микрорайонировании участков транспортных сооружений используется универсальная зависимость.

Согласно СП 35.13330 расчетное сопротивление R нескальных грунтов осевому сжатию рекомендуется определять в зависимости от условного сопротивления грунта сжатию, размеров (меньшей стороны или диаметра) фундамента мелкого заложения или опускного колодца в плане, глубины заложения фундамента и удельного веса грунта выше его подошвы. Перечисленные исходные данные применяют также при определении сопротивления сжатию грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений по СП 22.13330.

Расчетное сопротивление грунтов сжатию R незначительно отличается от условного сопротивления , так как поправки на размер фундамента и глубину его заложения обычно не превышают 10% - 20% от R. Таким образом, расчетное сопротивление грунтов сжатию в основном определяется условным сопротивлением , зависящим от физических свойств грунта.

Использование условного сопротивления в качестве индикатора скорости распространения S-волн в грунте требует введения некоторых дополнений и изменений в методику, применяемую для вычисления при статическом расчете оснований опор мостов на прочность. Приведенная ниже методика определения применительно к задаче сейсмического микрорайонирования относится к участкам строительства транспортных сооружений, сложенных глинистыми, песчаными и крупнообломочными грунтами, а также скальными грунтами в зоне выветривания.

После определения при изысканиях условного сопротивления сжатию грунтов расчетной толщи скорости в слоях могут быть найдены с использованием формул (6.6) и (6.7).

Д.2 Глинистые грунты

Изложенная в СП 35.13330 методика определения с использованием физических характеристик (показателя текучести и коэффициента пористости е) относится к супесям, суглинкам и глинам от мягкопластичной до полутвердой консистенции, т.е. имеющим показатель текучести . В этом диапазоне значение изменяется у супесей от 10 до 35 , у суглинков от 10 до 40 , у глин от 10 до 60 (таблица Д.1).

Таблица Д.1 - Условное сопротивление грунтов сжатию при неотрицательных значениях показателя текучести

Грунты	Коэффициент пористости е	Условное сопротивление грунта сжатию , , в зависимости от показателя текучести
		0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
Супеси	0,5	35	30	25	20	15	10	-
	0,7	30	25	20	15	10	-	-
Суглинки	0,5	40	35	30	25	20	15	10
	0,7	35	30	25	20	15	10	-
	1,0	30	25	20	15	10	-	-
Глины	0,5	60	45	35	30	25	20	15
	0,6	50	35	30	25	20	15	10
	0,8	40	30	25	20	15	10	-
	1,1	30	25	20	15	10	-	-

При отрицательном показателе текучести глинистые грунты переходят в твердое состояние с повышением в 3-5 раз по сравнению с полутвердыми грунтами. Для твердых глинистых грунтов значение по СП 35.13330 следует определять на основании данных испытаний образцов на одноосное сжатие. При этом значение принимают для супесей не более 100 , для суглинков не более 200 , для глин не более 300 .

В природных условиях глинистые грунты одного и того же выделенного на участке строительства инженерно-геологического элемента (слоя) могут в одних точках находиться в полутвердом состоянии, в других точках - в твердом. В этом случае для оценки используют физические характеристики проб грунта. Если среднее значение частных определений оказывается отрицательным, то в запас надежности среднее значение принимают равным нулю и определяют , как для грунта полутвердой консистенции в зависимости от е.

Увеличение фактического отрицательного значения показателя текучести твердого грунта до нуля приводит к занижению его условной прочности на сжатие, что противоречит общему требованию СП 35.13330 о принятии проектных решений, обеспечивающих наиболее полное использование прочностных характеристик грунта. Для использования при СМР таблицу функции следует дополнить значениями для отрицательных величин (таблица Д.2), т.е. для твердых глинистых грунтов.

В таблице Д.2 приведены значения для твердых супесей, суглинков и глин при и е от 0,3 до 0,7 для супесей, от 0,3 до 1,0 для суглинков и от 0,4 до 1,1 для глин, полученные линейной экстраполяцией величин , приведенных в таблице Д.1.

Таблица Д.2 - Условное сопротивление грунтов сжатию при отрицательных значениях показателя текучести

Грунты	Коэффициент пористости е	Условное сопротивление грунта сжатию , , в зависимости от показателя текучести
		-0,5	-0,4	-0,3	-0,2	-0,1
Супеси	0,3	65	60	55	50	45
	0,5	60	55	50	45	40
	0,7	55	50	45	40	35
Суглинки	0,3	70	65	60	55	50
	0,5	65	60	55	50	45
	0,7	60	55	50	45	40
	1,0	55	50	45	40	35
Глины	0,4	145	130	115	100	85
	0,5	135	120	105	90	75
	0,6	125	110	95	80	65
	0,8	90	80	70	60	50
	1,1	55	50	45	40	35

Пример - Коренные породы на участке реконструкции моста через р. Адагум (Краснодарский край) представлены аргиллитоподобной глиной. Физико-механические свойства глины определены исследованием опытных образцов, извлеченных при бурении семи разведочных скважин глубиной заложения до 30 м. Всего для лабораторных исследований отобрано 58 образцов с глубин от 1,5 до 29,2 м.

Показатель текучести образцов менялся в диапазоне от минус 0,51 до плюс 0,22. Среднее значение для всей совокупности образцов равно минус 0,20. Таким образом, в отдельных местах глина имеет полутвердую консистенцию, но в среднем массив относится к твердым глинам.

Коэффициент пористости образцов глины лежит в интервале значений от 0,62 до 1,27 при среднем значении частных определений 0,94.

Условное сопротивление глины определено по таблице Д.1, как для полутвердого грунта с показателем текучести .

При СМР следует определять по таблице Д.2 с учетом среднего для массива значения . В этом случае условное сопротивление глины сжатию равно 50,7 , т.е. примерно в 1,4 раза больше, чем принято при выполнении статических расчетов оснований нa прочность.

На практике также встречаются грунты, имеющие положительное среднее значение при изменении показателя текучести в отдельных точках инженерно-геологического элемента от отрицательных до положительных значений. В данном случае для определения по физическим характеристикам и е грунта следует пользоваться таблицей Д.1 как при оценках для статических расчетов, так и при СМР.

Пример - При изысканиях на участке строительства пешеходного моста на ст. Тихорецкая (Краснодарский край) пробурены три разведочные скважины глубиной по 20 м каждая. По данным разведочного бурения, с поверхности участка залегает слой насыпного грунта толщиной от 1,1 до 3,1 м. Ниже залегает суглинок полутвердой консистенции с маломощными прослоями тугопластичного суглинка . Суммарная мощность слоев суглинка от 6,7 до 10,5 м.

Суглинки подстилаются глиной от твердой (минимальное значение частных определений ) до полутвердой (наибольшее значение выборки ) консистенции. Нормативное значение показателя текучести , т.е. в среднем глина имеет полутвердую консистенцию. При коэффициенте пористости е = 0,69 соответствующее физическим характеристикам условное сопротивление глины сжатию .

Значение для грунтов с положительными частными значениями всех образцов, т.е. соответствующими супесям пластичной консистенции, суглинкам и глинам полутвердой, тугопластичной и мягкопластичной консистенции, находят так же, как в приведенном примере.

Д.3 Песчаные грунты

Условное сопротивление песчаных грунтов определяют с учетом трех физических характеристик: гранулометрического состава, плотности и влажности. Для определения плотных и средней плотности песков при СМР за основу принимают оценки условного сопротивления сжатию песчаных грунтов (таблицы Д.3 и Д.4). Рыхлые пески в таблицы Д.3 и Д.4 не включены, так как при СМР склонные к разжижению рыхлые пески из состава расчетной толщи грунтов исключаются.

Таблица Д.3 - Условное сопротивление сжатию плотных песков

Наименование грунта	Коэффициент пористости е	Условное сопротивление сжатию ,
Гравелистые и крупные пески независимо от их влажности	е < 0,55	45
Пески средней крупности:	е < 0,55
- маловлажные		40
- влажные и насыщенные водой		35
Мелкие пески:	e < 0,60
- маловлажные		30
- влажные и насыщенные водой		25
Пылеватые пески:	е < 0,60
- маловлажные		25
- влажные		20
- насыщенные водой		15

Таблица Д.4 - Условное сопротивление сжатию песков средней плотности

Наименование грунта	Коэффициент пористости е	Условное сопротивление сжатию ,
Гравелистые и крупные пески независимо от их влажности	е = 0,65	35
Пески средней крупности:	е = 0,65
- маловлажные		30
- влажные и насыщенные водой		25
Мелкие пески:	е = 0,70
- маловлажные		20
- влажные и насыщенные водой		15
Пылеватые пески:	е = 0,80
- маловлажные		20
- влажные		15
- насыщенные водой		10

Для песков средней плотности в СП 35.13330 приведено значение примерно на 40% меньше, чем для плотных песков. В запас прочности нормативное значение относят к более слабому песку с наибольшим коэффициентом пористости. Например, маловлажные пески средней крупности имеют коэффициент пористости . В этом интервале изменяется от 40 до 30 . За нормативное значение принимают 30 , соответствующее е = 0,65.

При СМР показатель прочности грунта необходимо относить не к самому слабому слою массива, а к среднему значению для массива в целом, так как скорость S-волн в массиве зависит от физических свойств всех слоев на пути волн, а не от свойств одного самого слабого слоя. Поэтому для средней плотности гравелистых песков, крупных и средней крупности при , а также мелких песков средней плотности при и пылеватых при значения следует находить линейной интерполяцией значений, указанных в таблицах Д.3 и Д.4 для плотных песков и песков средней плотности.

Пример - Верхний слой инженерно-геологического разреза площадки одной из опор моста через р. Цемес в Новороссийске состоит из средней плотности мелкого влажного песка с коэффициентом пористости е = 0,65 и удельным весом .

Условное сопротивление сжатию мелких влажных песков средней плотности изменяется в интервале значений от 15 до 25 (рисунок Д.1). При коэффициенте пористости е = 0,65 значение при сейсмическом микрорайонировании равно 20 , что примерно на 30% больше, чем условное сопротивление грунта при расчете оснований на нагрузки основного сочетания.

Д.4 Крупнообломочные грунты

Д.4.1 Гравийно-галечниковые грунты

Значения крупнообломочных грунтов изменяются в пределах от 50 до 150 в зависимости от крупности и окатанности обломков (галька, щебень, гравий, дресва), вида породы, из которой образовались обломки (кристаллической или осадочной), а также от содержания и прочности глинистого заполнителя.

Примечание - Если крупнообломочные грунты образовались из магматических, метаморфических и осадочных пород, то при сейсмическом микрорайонировании значение принимают как среднее условных сопротивлений сжатию обломков осадочных и кристаллических пород.

В транспортном строительстве к дресвяной (гравийной) фракции принято относить обломки размером от 2 до 10 мм, к щебенистой (галечниковой) фракции - обломки породы размером от 10 до 200 мм. Размеры частиц скелета существенно влияют на прочность крупнообломочного грунта при сжатии. Для галечникового (щебенистого) грунта осадочных пород условное сопротивление принимают 100 , для гравийного (дресвяного) грунта из тех же пород - 50 . Примерно такое же соотношение прочностей принято для галечниковых и гравийных грунтов из кристаллических пород.

На установленной нормами границе (50% содержания по массе обломков соответствующей фракции) прочность грунта полагают скачкообразно изменяющейся, что является условно принятым соглашением, в первом приближении учитывающим уменьшение прочности грунта с сокращением размера частиц жесткого каркаса. Таким образом, чем сильнее разрушена исходная скальная порода, тем ниже прочность остаточного материала.

Для уточнения прочности грунта используют линейную интерполяцию между значениями , регламентированными для отдельных сочетаний физических характеристик грунта (пористости, пластичности, крупности зерен, плотности и др.). Интерполяцию используют применительно к определению для грунтов, состоящих из гравия и гальки, гальки с суглинистым заполнителем, гальки и гравия с суглинистым заполнителем.

Принимают, что упомянутые нормативные значения относятся к галечниковой (щебенистой) и гравийной (дресвяной) фракциям. Прочность грунта, состоящего из двух фракций, находят линейной интерполяцией в зависимости от содержания в грунте обломков размером более 10 мм (рисунок Д.2).

Из сопоставления графиков а) и б) на рисунке Д.2 видно, что относительная погрешность определения с использованием ступенчатой функции может составлять до 33% определяемого значения в сторону занижения или завышения прочности.

Пример - Галечниковый грунт осадочной породы содержит 55% по массе частиц размером более 10 мм и 45% частиц гравийной фракции. Требуется найти условное сопротивление сжатию грунта, содержащего обе фракции в данном соотношении.

Величину находим линейной интерполяцией между крайними значениями 50 и 100 :

.

В данном случае прочность, найденная по ступенчатой зависимости, завышена на 23 по сравнению с прочностью, определенной линейной интерполяцией.

Д.4.2 Крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем

При заполнении пустот между крупными обломками глинистым материалом в количестве более 40% массы грунта значения принимают по нормам расчета оснований на прочность, как для глинистого заполнителя. Так, для глинистых грунтов мягкопластичной консистенции , соответственно в разы уменьшается условное сопротивление сжатию крупнообломочного грунта при переходе через упомянутое соотношение глинистого заполнителя и крупных обломков в грунте.

Фактически свойства щебенисто-глинистой массы почти полностью зависят от состава и свойств заполнителя, если содержание крупных обломков в породе менее 10% (т.е. содержание заполнителя более 90%). При 35%-ном - 65%-ном содержании щебня значительная часть нагрузки при сжатии воспринимается жестким скелетом из крупных обломков, поэтому линейная интерполяция между предельными значениями , относящимися к прочности жесткого скелета при отсутствии глинистого заполнителя и прочности заполнителя при отсутствии крупных обломков в составе грунта, дает более точные значения прочности крупнообломочных грунтов с глинистым заполнителем.

Пример 1 - Крупнообломочный грунт относится к галечникам из обломков осадочных пород с суглинистым заполнителем до 18% полутвердой консистенции. Условное сопротивление сжатию жесткого каркаса без суглинистого заполнителя . Условное сопротивление полутвердого суглинка без учета влияния крупных обломков (гальки) . Изменение прочности на сжатие галечника с суглинистым заполнителем (суглинка с галькой) принимают по графику (рисунок Д.3).

Искомое значение прочности галечника с суглинистым заполнителем:

.

При расчете оснований на прочность влиянием суглинка в количестве 18% массы галечника пренебрегают, т.е. прочность галечника считают равной 100 , завышая ее на 13%. При содержании заполнителя более 40% условное сопротивление , напротив, будет занижено более чем в два раза.

Пример 2 - Крупнообломочный грунт содержит гальку осадочной породы в количестве 55% массы грунта и 27% частиц гравийной фракции. Кроме того, гравийно-галечниковые отложения включают в себя суглинистый заполнитель полутвердой консистенции, составляющий 18% массы грунта в целом.

Условное сопротивление на сжатие грунта, состоящего из трех фракций, находят линейной интерполяцией (рисунок Д.4) между крайними значениями, соответствующими прочности галечнико-гравийного каркаса () и суглинистого заполнителя ().

Искомое значение условного сопротивления грунта из трех фракций .

При расчете на сжатие оснований статической нагрузкой рассматриваемого грунта принимают равной 100 , так как грунт более чем на 50% состоит из галечниковой фракции осадочной породы.

Присутствие в грунте гравия и суглинистого заполнителя уменьшает значение на 27 . Таким образом, учет влияния гравия и суглинка с помощью интерполяции позволяет считать, что грунт имеет менее благоприятную характеристику прочности, чем при оценке с использованием ступенчатой функции.

Оценку крупнообломочного грунта можно уточнить путем учета гранулометрического состава галечниковой фракции. Принимая значение для гравия с размером частиц s = 10 мм и для гальки из обломков осадочных пород с размерами частиц s = 200 мм, находят зависимость между размером частиц и условным сопротивлением каркаса .

Пусть галечниковая фракция состоит из частиц размером от 10 до 20 мм в количестве 5% массы грунта, размером от 20 до 40 мм в количестве 10%, размером от 40 до 60 мм в количестве 25% и размером от 60 до 80 мм в количестве 15%.

Соответствующее условное сопротивление галечниково-гравийного каркаса . Условное сопротивление грунта, состоящего из гальки, гравия и суглинка, , что существенно меньше, чем для грунта, включающего самую крупную по размерам гальку ().

Д.5 Скальные грунты в зоне выветривания

Вдоль трасс дорог скальные грунты нередко выходят на земную поверхность, или их кровля располагается на глубине до 10 м от нее. В этих случаях в состав расчетной толщи грунта, сейсмическая жесткость которой учитывается при сейсмическом микрорайонировании сооружений на дорогах, включают верхнюю часть скального массива.

При выполнении СМР участков под объекты транспортного строительства условное сопротивление грунтов сжатию считают равным пределу прочности грунта на одноосное сжатие , которое определяют как среднее значение прочности скального грунта по ГОСТ 25100. Идентификацию скальных грунтов в зоне выветривания устанавливают по данным общих инженерно-геологических изысканий.

Условное сопротивление сильновыветрелого слоя, состоящего из более или менее крупных обломков с пустотами, заполненными песчаным и глинистым материалом, находят при СМР, как для крупнообломочного грунта, в зависимости от происхождения породы, крупности и окатанности обломков, количества и свойств глинистого заполнителя с использованием линейных зависимостей между и физическими характеристиками грунта.