Продолжаем знакомить читателей с методами оценки напряженно-деформированного состояния массива грунтов с целью перехода к трехмерному моделированию геологической среды и построению инженерных цифровых моделей геологической среды как базовой части информационной цифровой модели объекта капитального строительства, без которой любые информационные проектные построения просто «повисают в воздухе».
И речь снова пойдет о прессиометрических испытаниях грунтов, которые на сегодняшний день большинством изыскателей и проектировщиков воспринимаются как «более дешевая и простая альтернатива штамповых испытаний». На деле данная технология является уникальным методом испытаний грунтов в массиве. Она используется для определения как действующих горизонтальных напряжений и коэффициента К0 (без которого, как известно, невозможны оценка начального (природного) состояния геологической среды и дальнейшие расчетные обоснования конструкций), так и физико-механических откликов геологической среды на горизонтальное механическое воздействие. Например, таких как зависимость между напряжениями и деформациями и недренированная прочность.
Предлагаем вниманию читателей адаптированный перевод раздела 11.3.3 третьего издания известного учебника профессора Саутгемптонского университета (Великобритания) Вильяма Паури «Механика грунтов. Концепции и приложения» [1], посвященного прессиометрическим испытаниям грунтов. Перевод выполнен при поддержке ГК «ПетроМоделинг» – партнера журнала «ГеоИнфо». Разрешение от автора и издательства, выпустившего этот учебник, получено.
Прессиометр представляет собой цилиндрическое устройство, предназначенное для приложения равномерного радиального давления к стенкам скважины, в которую оно помещается. Существует два основных типа прессиометров:
В обоих случаях испытание с помощью прессиометра включает приложение известной нагрузки (давления) на грунт и измерение его результирующей деформации. Следовательно, интерпретация параметров, измеренных при таких испытаниях, в техническом отношении не основывается на эмпирических корреляциях. В связи с этим результаты прессиометрических тестов отличаются от данных стандартных испытаний на пенетрацию (SPT) и испытаний коническим зондом (CPT), то есть от данных динамического и статического зондирования соответственно.
Схематическое представление основных особенностей устройства прессиометра приведено на рисунке 11.11.
Рис. 11.11. Схема устройства прессиометра: а – расположение в скважине (скопировано с разрешения авторов работы Mair R.J., Wood D.M. Pressuremeter Testing: Methods and Interpretation // Construction Industry Research & Information. London: Association/Butterworths, 1987); б – самозабуривающийся прессиометр в режиме испытания (скопировано с разрешения авторов работы Hughes J.M.O., Wroth C.P., Windle D. Pressuremeter tests in sands // Geotecbnique. 1977. Vol. 27. № 4. P. 455–477)
Стенки ствола скважины нагружаются путем создания давления жидкости, содержащейся внутри гибкой резиновой мембраны. Снаружи эта мембрана обычно защищена стальными лентами. Расширение полости внутри нее (рабочей камеры прессиометра) определяется либо путем измерения объема жидкости, необходимой для повышения давления на мембрану, либо путем измерения смещения грунта, прилегающего к наружной стенке камеры, непосредственно с помощью измерительных щупов или индуктивных датчиков смещений LVDT (либо и того, и другого). Обычно используются три измерительных щупа или три индуктивных датчика смещений, расположенных в одной горизонтальной плоскости на угловом расстоянии 120 град. друг от друга.
Как правило, прессиометры рассчитаны на максимальное давление при заполнении жидкостью в диапазоне 2,5–10 МПа в рыхлых дисперсных грунтах и 10–20 МПа в твердых дисперсных грунтах и в слабых скальных породах.
Интерпретация данных прессиометрических испытаний основана на анализе расширяющейся цилиндрической рабочей камеры с деформацией только в горизонтальной плоскости. Следовательно, длина расширяющейся части прессиометра должна быть по крайней мере в шесть раз больше ее диаметра, чтобы избежать значительных концевых эффектов.
Необходимо вносить поправки в результаты измерений давления, объема и деформации рабочей камеры, чтобы учесть сжимаемость жидкости и трубопроводов, разницу в высоте прибора и датчика давления, а также жесткость мембраны. Ошибки в измерениях изменений объема из-за расширения трубопровода и сжатия жидкости, вероятно, будут наиболее значительными в полутвердых дисперсных грунтах. Потеря давления (когда давление, фактически прикладываемое к грунту, меньше давления внутри рабочей камеры из-за жесткости мембраны), вероятно, будет наиболее значительной в слабых дисперсных грунтах. Процедуры калибровки, которые должны быть выполнены для количественной оценки этих эффектов, описаны в работе Мэйра и Вуда 1987 года (Mair R.J., Wood D.M. Pressuremeter Testing: Methods and Interpretation // Construction Industry Research & Information. London: Association/Butterworths, 1987).
Откорректированные данные прессиометрического испытания представляются в виде графика зависимости давления в рабочей камере прессиометра р от увеличения объема камеры ΔV или ее относительной деформации εc, как показано на рисунке 11.12. Деформация камеры εc определяется как смещение наружу ее стенки γc, поделенное на ее исходный радиус (то есть радиус в начале прессиометрического испытания) ρ0. В подразделе 11.3.3, Б показано, что для небольших деформаций она примерно равна половине относительного увеличения объема камеры, то есть εc=γc/ρ0≈0,5ΔV/V0, где V0 – начальный объем полости рабочей камеры.
Рис. 11.12. Скорректированные данные прессиометрических испытаний в виде графиков зависимости давления в рабочей камере прессиометра от деформации камеры или изменения ее объема при использовании: а – прессиометра Менарда; б – самозабуривающегося прессиометра
Как уже упоминалось, основное различие между прессиометром Менарда и самозабуривающимся прессиометром состоит в том, что первый опускается в предварительно пробуренную скважину – следовательно, неизбежны некоторые нарушения грунта, а в начале испытания прибор, вероятно, не будет соприкасаться со стенками скважины. Эта разница отражается на данных, полученных на ранних этапах испытания – до того, как прессиометр Менарда начнет контактировать со стенками скважины.
При испытании с использованием прессиометра Менарда (см. рис. 11.12, а) кривая «напряжение – деформация» должна резко увеличивать свою крутизну в точке A, когда прибор начинает контактировать с предварительно сформированной стенкой скважины и давить на любой ослабленный грунт. Если грунт не является нормально уплотненной глиной, связь между ростом давления и увеличением деформации камеры будет приблизительно линейной, пока не будет достигнута точка B, в которой грунт стенки скважины начинает пластически деформироваться. При дальнейшем повышении давления в камере прессиометра пластическая зона распространяется дальше в окружающий грунт, пока в конечном итоге не будет достигнуто некоторое предельное давление pL.
При высококачественном испытании самозабуривающимся прессиометром скорректированная кривая «давления – объем» должна начинаться с момента контакта прессиометра со стенками скважины. Не должно быть никакого ослабления или нарушения окружающего грунта. В идеале не должно быть увеличения объема рабочей камеры до тех пор, пока давление в ней не превысит общее горизонтальное напряжение в грунте in situ σho. Следовательно, полное горизонтальное напряжение in situ можно определить по точке A (см. рис. 11.12, б), начиная с которой объем камеры начинает значительно увеличиваться с ростом давления. В самозабуривающемся прессиометре, который определяет увеличение объема рабочей камеры с помощью содержащихся в нем датчиков смещений, каждый датчик может давать различные величины «давления отрыва» (давления в камере, при котором датчик смещений (или измерительный щуп) начинает показывать значительное смещение; причем можно было бы ожидать, что при испытании самозабуривающимся прессиометром это давление будет равно горизонтальному напряжению в грунте in situ). Поэтому оценка общего горизонтального напряжения in situ, полученного по данным испытаний, требует внимания и опыта.
После превышения эффективного горизонтального напряжения in situ объем камеры должен увеличиваться приблизительно линейно с ростом приложенного давления до тех пор, пока грунт на стенке скважины не начнет пластически деформироваться в точке B. В действительности «линейная» часть графика AB может быть очень короткой или почти не существовать (забегая вперед, см. рис. 11.15, откуда видно, что то же самое верно и для испытания прессиометром Менарда). При дальнейшем увеличении давления в камере радиус «пластической» зоны увеличивается до тех пор, пока в конечном итоге не будет достигнуто предельное давление pL.
По данным испытаний прессиометром Менарда оценить общее горизонтальное напряжение in situ непросто из-за нарушения и ослабления грунта на стенке скважины. Даже если точка A (см. рис. 11.12, a) соответствует устройству, контактирующему с неповрежденным грунтом на стенке скважины, это не может быть принято как показатель горизонтального напряжения in situ, потому что грунт в точке A нагружается начиная не с состояния in situ, а с ненагруженного состояния после установки прессиометра. Мэйр и Вуд в своей работе 1987 года (Mair R.J., Wood D.M. Pressuremeter Testing: Methods and Interpretation // Construction Industry Research & Information. London: Association/Butterworths, 1987) описали итерационную процедуру, предложенную Марслэндом и Рэндольфом в 1977 году (Marsland A., Randolph M.F. Comparisons of the results from pressuremeter tests and large in situ plate tests in London Clay // Geotechnique. 1977. Vol. 27. № 2. P. 217–243), которая может быть использована для оценки общего горизонтального напряжения in situ по результатам испытаний с использованием прессиометра Менарда в переуплотненных высокопластичных глинах (таких как «лондонская глина»), которые ведут себя приблизительно упруго во время начального нагружения.
В дополнение к полному горизонтальному напряжению in situ график «давление в камере – ее деформация» может использоваться для оценки модуля сдвига грунта, прочности глины на недренированный сдвиг, а также пиковой прочности и угла дилатансии ψ песка. Включив в устройство датчики порового давления воды, можно также измерить коэффициент консолидации в горизонтальном направлении ch (который определяет уплотнение из-за горизонтальной деформации при горизонтальной фильтрации) и угол внутреннего трения ϕ‘ для глин. В настоящем обсуждении мы сосредоточимся на наиболее распространенных приложениях, а именно на определении полного горизонтального напряжения in situ и модуля сдвига, а также прочности глин на недренированный сдвиг. Детали процедур, используемых для определения других параметров, приводятся в работе Мэйра и Вуда 1987 года (Mair R.J., Wood D.M. Pressuremeter Testing: Methods and Interpretation // Construction Industry Research & Information. London: Association/Butterworths, 1987).
Интерпретация данных испытаний прессиометром основана на анализе расширяющейся цилиндрической камеры в неограниченном грунтовом массиве. Принимается, что деформация грунта происходит в горизонтальной плоскости (рис. 11.13, а), в то время как общее вертикальное напряжение σz остается постоянным. Следует отметить, что такие же результаты получаются, если изначально принимается, что равна нулю вертикальная деформация εz (а не вертикальный прирост полного напряжения Δσz).
Если давление в рабочей камере вырастает на величину Δp, радиус камеры увеличивается на величину γc от своего начального значения ρ (то есть от его значения до приложения прироста давления в камере Δp). В грунте вне камеры общая цилиндрическая оболочка с начальным радиусом r выталкивается наружу до нового радиуса (r+γ), как показано на поперечном разрезе на рисунке 11.13, б. Аналогичным образом цилиндрическая оболочка в окружающем грунте немного дальше от оси камеры с начальным радиусом (r+dr) выталкивается до нового радиуса [(r+dr)+(γ+dγ)].
Рис. 11.13. Идеализированная геометрия деформации при испытании прессиометром (а) и поперечное сечение, показывающее радиальные смещения грунтовых цилиндрических оболочек с различными начальными радиусами (б)
Приращение относительной радиальной деформацииΔεr при радиусе r определяется следующим образом: Δεr = (изменение радиального расстояния между оболочками) / (начальное радиальное расстояние между оболочками).
Из рисунка 11.13, б видно, что:
Рис. 11.14. Круг Мора для полного напряжения для грунта, прилегающего к наружной стороне мембраны рабочей камеры прессиометра
Идеальный глинистый грунт начнет пластически деформироваться, когда напряжение сдвига камеры τc достигнет прочности материала на недренированный сдвиг τu, то есть при
Рис. 11.15. Интерпретация результатов испытаний самозабуривающимся прессиометром в «бартунской» глине на территории Зебрюгге в Бельгии (скопировано с разрешения автора работы Wroth C.P. The interpretation of in situ soil tests: 24-th Rankine lecture // Geotechnique. 1984. Vol. 34. № 4. P. 449–489)
Прочность глины на недренированный сдвиг можно оценить по зависимости между давлением в рабочей камере прессиометра и ее объемом после начала пластической деформации (то есть при давлении в камере р>σho+τu). На главном этапе прессиометрического испытания при р>σho+τu кольцевая зона грунта вокруг камеры с внешним радиусом rp разрушается, при этом:
Рис. 11.17. Круг эффективного напряжения Мора при прессиометрическом испытании в песке при появлении пластического поведения грунта на контакте со стенкой рабочей камеры прессиометра
Следовательно:
Рис. 11.18. Идеализированная зависимость «сдвиг – объемная деформация», использованная при анализе прессиометрического испытания в песке (скопировано с разрешения авторов работы Hughes J.M.O., Wroth C.P., Windle D. Pressuremeter tests in sands // Geotecbnique. 1977. Vol. 27. № 4. P. 455–477)
Уравнение (11.43) было первоначально предложено Роу в 1962 году (Rowe P.W. The stress-dilatancy relation for static equilibrium of an assembly of particles in contact // Proceedings of the Royal Society. London, 1962. Vol. A269. P. 500–527). Пример более простой эмпирической зависимости «напряжение – дилатансия», связывающей ϕ‘peak, ϕ‘crit и ψ, был дан в уравнении (2.14) по работе Болтона 1976 года (Bolton M.D. The strength and dilatancy of sands // Gйotechnique. 1986. Vol. 36. № 1. P. 65–78) из раздела 2.9:
В анализе, представленном Хьюзом с соавторами в 1977 году (Hughes J.M.O., Wroth C.P., Windle D. Pressuremeter tests in sands // Geotecbnique. 1977. Vol. 27. № 4. P. 455–477), принимается, что песок будет дилатировать неограниченно при постоянном пиковом угле внутреннего трения ϕ‘peak и постоянном угле дилатансии ψ.
Критерий разрушения τ = σ‘ tg ϕ‘ выражается в терминах пиковой прочности ϕ‘peak (как в уравнениях 11.38–11.41). Сделав эти допущения, Хьюз с соавторами показали, что после появления пластичности на стенке скважины давление в камере прессиометра р и ее деформация εc связаны следующим соотношением:
где A – константа; u0 – начальное поровое давление in situ;
Если величина εc мала, то 1+εc≈1 и уравнение (11.44) принимает следующий вид:
тогда значение s может быть выведено из уклона графика зависимости ln(p–u0) от ln(εc+c/2). Чтобы построить этот график, необходимо оценить значение константы c (см. рис. 11.18) для рассматриваемого песка.
Зависимость «напряжение – дилатансия» (уравнение (11.43)), может использоваться для исключения либо ϕ‘peak, либо ψ из уравнения (11.45), давая после значительных алгебраических преобразований следующие уравнения:
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку