Продолжаем серию публикаций в рамках подготовки конференции журнала «ГеоИнфо» и комитета по инженерным изысканиям НОПРИЗ «Грунтовая лаборатория – 2018».
В настоящей статье (часть 2) на основе работ В.В. Охотина, П.О. Бойченко, И.П. Иванова, В.И. Осипова рассматриваются вопросы прочности и деформируемости глинистых грунтов в свете контактных взаимодействий. Анализируется свойство грунта первого порядка – консистенция грунта естественного сложения СВ. На основе понятий «критическая точка состояния грунта» впервые предлагается теория естественной прочности грунта на основе контактных взаимодействий (ЕПКВ). Предлагается экспресс-метод определения прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов методом пенетрации: «одним усилием – конусом постоянной массы». Базируясь на многолетних лабораторных определениях физико-механических свойств грунтов методом пенетрации получены зависимости величины консистенции грунта естественного сложения, показателя текучести с величинами сцепления, углами внутреннего трения, сопротивления недренированному сдвигу и деформации. Предлагается разделение консистенции грунта на 10 категорий. Приводятся таблицы и номограммы для определения показателей свойств грунтов в зависимости от СВ.
В первой части статьи мы подробно обсудили вопросы применения определения прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов методом пенетрации одним усилием – конусом постоянной массы [15].
Кроме того, мы пришли к выводу, для каждого типа контактов в глинистом грунте необходимо применять свой метод лабораторного определения механических свойств. Для первой группы – крыльчатый зонд, для второй одноплоскостной срез, для третей – одноосное раздавливание (в самом деле, сложившаяся ситуация вызывает, как минимум серьёзные вопросы: как если бы для определения естественной влажности грунтов (We) в зависимости от их природного состояния применялись различные методы определения).
Существующий парадокс, тем не менее, вполне разрешим, если использовать для определения прочностных и деформационных свойств грунтов единый метод применимый для всех типов видов и разновидностей грунтов вне зависимости от его природного (исходного) состояния – метод ступенчатой пенетрации.
В настоящее время в нормативных документах, регламентирующих проведение инженерных изысканий для строительства, в частности в основном ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» [7], термин «пенетрация» не встречается вовсе. Очевидно это понятие завуалировано сокращением «др.» в определении сопротивление недренированному сдвигу. Мотивы редактуры этого приложения не совсем понятны, ведь совершенно очевидно, что сu может (и должен) определятся методом лабораторной пенетрации в том числе. Напомним, что в первой редакции ГОСТ 25100-11 приложение А.22 звучало так: «Сопротивление недренированному сдвигу сu, кПа величина, определяемая по результатам недренированных лабораторных или полевых испытаний глинистых грунтов (трёхосные испытания, пенетрация, вращательный срез, зондирование и др.)». Из текста документа, впрочем, было совершенно непонятно, о какой пенетрации шла речь: «полевой» или «лабораторной».
В настоящее время этот пункт выглядит следующим образом: «А.22 Сопротивление недренированному сдвигу сu, кПа, – прочность глинистых грунтов, определяемая по результатам недренированных лабораторных или полевых испытаний (трехосные испытания, вращательный срез и др.)» [7].
Тем не менее, безотносительно к наличию или отсутствию данного метода определения показателей свойств грунтов в современном корпусе нормативных документов, регламентирующих проведение лабораторных испытаний грунтов, удельное сопротивление пенетрации (R) – важнейшая объективная прочностная характеристика грунта. Зная R можно определить величину сцепления грунта – с, угол внутреннего трения – φ, сопротивление недренированному сдвигу – сu.
В целом, удельное сопротивление пенетрации – это интегральная величина, характеризующая гранулометрический состав грунтов, их влажность, плотность, степень сложения, – все то, чем в современном теоретическом грунтоведении оперирует теория контактных взаимодействий в грунте («физико-химическая механика природных дисперсных сред») и «теория эффективных напряжений в грунтах».
Кроме того, пенетрационные испытания грунтов – один из двух (пенетрация конусом и крыльчатый зонд) способов определения механических свойств текучих и текучепластичных глинистых грунтов без нарушения их исходного состояния.
Важнейшим моментов в обсуждаемой проблематике является то, что консистенция грунтов в естественном сложении (Св – cone Boychenko) – частный случай (для текучих и пластичных разновидностей глинистого грунта) более общего, фундаментального понятия (свойства) – удельного сопротивления пенетрации (R). Если в первом случае определение Св происходит без приложения внешнего дополнительного усилия, то во втором, при возрастающей дополнительной (ступенчатой) нагрузке после наступления стабилизации осадки конуса после предыдущей.
Первые отечественные пенетрационные испытания грунтов относятся к 20–30-м гг. ХХ века, когда в практику лабораторных исследований грунтов было введено определение верхнего предела пластичности (границы текучести) с помощью балансировочного конуса Васильева (угол 30°, вес 76 г). Конус А.М. Васильева впервые появился в 1936 г. в так называемой «полевой сумке военного грунтоведа» [5]. Тогда же рассматриваемый метод вошёл в нормативные документы (ОСТ 90004-38 и У-24-41 Наркомстроя). Кстати, это еще один совершенно забытый эпизод отечественной истории инженерной геологии. Простой, продуманный, компактный и удобный набор инструментов для оперативного принятия решений непосредственно в экспедиционных условиях. «Сумка военного грунтоведа» со временем трансформировалась в полевую лабораторию Литвинова (ПЛ-2) – незаменимый инструмент изыскателей старшего поколения.
В основе метода лежит основная идея пенетрации, применяемая по настоящее время: проникновение конуса с определённым углом раскрытия в грунт до определённой глубины (в данном случае – 10 мм).
Отметим, что основоположник изучения физико-механических свойств грунтов как объектов геологической природы В.В. Охотин как своих в статьях, так и в первом в мире учебнике «Грунтоведение», совершенно четко различал понятия «сопротивление грунтов вдавливанию» и «сопротивление грунтов сжатию», подразумевая под первым именно пенетрационные испытания грунтов [22].
Большой вклад в теорию и практику пенетрационных испытаний грунтов внёс П.О. Бойченко [1, 2]. В 1964 г. в вышедшей посмертно монографии «Определение пределов пластичности и консистенции глинистых грунтов методом конуса» изложена теоретическая база пенетрационных испытаний грунтов конусом постоянного веса (300 г) и углом раскрытия 30°.
В последующее время существенный вклад в теорию лабораторной пенетрации грунтов внесли В.Ф. Разоренов [23], Е.Н. Богданов [2, 3], Н.П. Иваникова [11, 12] и другие исследователи. В результате выполненных ими работ выявлены основные зависимости глубины проникновения конуса в грунт от гранулометрического состава и основных физико-химических свойств (влажность, плотность, консистенция) грунтов различных видов и разновидностей. Данные зависимости получены для конуса различного веса и различных углов раскрытия 30°, 45°, 60°, 90°, а также шарикового штампа определённого диаметра.
В настоящее время различают два вида проведения лабораторных пенетрационных испытаний:
1.Пенетрация «одним усилием – конусом постоянной массы», как правило, конусом Бойченко (m = 300 г и углом раскрытия 30°). Свободное внедрение конуса в образец грунта.
2.Ступенчатая пенетрация – после свободного внедрения конуса в образец грунта происходит дальнейшее вдавливание конуса в грунт путем приложения ступенчато возрастающей нагрузки. Ступени нагрузки на конус выбирают в зависимости от консистенции испытываемого грунта. Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации, составляющей не более 0,1 мм за 30 с. Каждое испытание включает 6-9 ступеней нагрузки. Общая глубина погружения конуса должна достигать 15-20 мм. Вес конуса и угол его раскрытия может быть различным.
Теория проникновения конуса в пластичную среду в общем виде подчиняется простой зависимости:
R = P/h2 (1),
где: R – удельное сопротивление пенетрации,
Р – масса внедряемого конуса,
h – глубина проникновения конуса в грунт.
В 1976 г. Стройизыскания Госстроя РСФСР, выпустило ныне основательно забытый ВНМД 26–76 [6], где методу пенетрации посвящено буквально полстраницы (пп. 6.104-6.108), и приведена таблица «чувствительности грунта», определяемы соотношением (1)
Рис. 1. График зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов с коагуляционными и переходными контактами
Для глинистых грунтов с фазовыми и цементационными контактами (полускальные и скальные грунты) удельное сопротивление пенетрации определялось ступенчатой нагрузкой до полного разрушения образца. График зависимости представлен на рисунке 2.
Рис. 2. График зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов с переходными цементационными контактами
И наконец, совместив обе кривые, мы получим обобщённый график зависимости «удельного сопротивления пенетрации (R) от консистенции грунтов в естественном сложении (Св)» для минеральных глинистых грунтов (рис. 3).
Рис. 3. Обобщенный график зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов
Необходимо отметить очень высокие доверительные вероятности всех трёх графиков (R2 варьируется от 0,91 до 0,98), что говорит об устойчивой связи между этими величинами.
Важный момент, который необходимо отметь в контексте обсуждения данной методики заключается в том, что со всех точек зрения определение прочностных свойств грунтов с цементационными структурными связями (полускальных) уместнее проводить методом одноосного сжатия (Rсж). Причина очевидна: площадь испытуемого образца (минимальные грани параллелепипеда 40х80 мм) кратно больше разрушаемого единичного контакта между грунтовыми элементами, вследствие чего получаемая величина гораздо представительнее.
Результаты исследований можно свести в табличную форму (табл. 4), в которой сведены R, φ, c, для супесей, суглинков и глин.
Таблица 4. Сводная таблица показателей прочностных свойств глинистых грунтов с учетом их консистенции (Св) при естественном сложении от удельного сопротивления пенетрации (R).
|
Глубина погружения конуса, h мм |
Удельное сопротивление пенетрации, R кгс/см2 |
Вертикальные нагрузки, Р кг/см2 |
Супесь |
Суглинок |
Глина |
|||
|
φ, град |
c, кгс/см2 |
φ, град |
c, кгс/см2 |
φ, град |
c, кгс/см2 |
|||
|
22 |
|
0,125-0,25-0,5 |
5 |
0,02 |
4 |
0,04 |
2 |
0,05 |
|
16 |
0,1 |
0,125-0,25-0,5 |
6 |
0,05 |
5 |
0,05 |
4 |
0,06 |
|
12 |
0,2 |
0,125-0,25-0,5 |
9 |
0,05 |
7 |
0,07 |
5 |
0,08 |
|
10 |
0,2 |
0,25-0,5-0,75 |
10 |
0,08 |
9 |
0,09 |
6 |
0,1 |
|
9 |
0,3 |
0,25-0,5-0,75 |
13 |
0,09 |
10 |
0,1 |
7 |
0,12 |
|
7 |
0,4 |
0,25-0,5-0,75-1 |
16 |
0,1 |
13 |
0,13 |
10 |
0,16 |
|
6,5 |
0,5 |
0,5-1-1,5 |
18 |
0,12 |
15 |
0,15 |
11 |
0,18 |
|
6 |
0,6 |
0,5-1-1,5 |
20 |
0,13 |
16 |
0,17 |
12 |
0,2 |
|
5,5 |
0,7 |
0,5-1-1,5 |
21 |
0,15 |
17 |
0,18 |
13 |
0,23 |
|
5 |
0,8 |
0,5-1-1,5 |
22 |
0,16 |
18 |
0,2 |
13 |
0,26 |
|
4,5 |
1 |
0,5-1-1,5 |
23 |
0,19 |
19 |
0,22 |
14 |
0,3 |
|
4 |
1,2 |
0,5-1-1,5 |
25 |
0,2 |
20 |
0,25 |
15 |
0,35 |
|
3,5 |
1,5 |
0,5-1-1,5 |
26 |
0,23 |
21 |
0,3 |
16 |
0,4 |
|
3,2 |
2 |
1-1,5-2 |
29 |
0,28 |
24 |
0,38 |
17 |
0,5 |
|
3 |
2,5 |
1-1,5-2 |
30 |
0,3 |
25 |
0,45 |
18 |
0,6 |
|
2,5 |
3 |
1-2-3 |
31 |
0,4 |
26 |
0,5 |
19 |
0,7 |
|
2,2 |
4 |
1-2-3 |
32 |
0,5 |
27 |
0,6 |
20 |
0,85 |
|
2 |
5 |
1-2-3 |
32 |
0,5 |
27 |
0,8 |
21 |
1 |
|
1,8 |
6 |
2-3-4 |
33 |
0,6 |
28 |
0,8 |
22 |
1,2 |
|
1,7 |
7 |
2-3-4 |
33 |
0,7 |
28 |
0,9 |
23 |
1,4 |
|
1,6 |
8 |
2-3-4 |
34 |
0,8 |
29 |
1,0 |
24 |
1,5 |
|
1,5 |
9 |
2-3-4-5 |
34 |
0,9 |
29 |
1,2 |
25 |
1,5 |
|
1,4 |
10 |
2-4-6 |
35 |
1 |
30 |
1,3 |
25 |
1,6 |
|
1,3 |
12 |
2-4-6 |
|
1,2 |
|
1,6 |
|
1,8 |
|
1,2 |
14 |
3-5-7 |
|
1,4 |
|
1,8 |
|
2,0 |
|
1,1 |
16 |
3-5-7 |
|
1,6 |
|
2,1 |
|
2,1 |
|
1 |
18 |
4-6-8 |
|
1,8 |
|
2,3 |
|
2,3 |
|
1 |
20 |
4-6-8 |
|
2 |
|
2,6 |
|
2,6 |
Немаловажное (а порой единственно объективное) значение и неоспоримое преимущество метода пенетрации является объективный контроль полученного кернового материала. Определенные по единой методике исходные параметры грунта (в полевых условиях и в стационарной грунтовой лаборатории) позволят оценить, во-первых, структурные изменения (если таковые имеются) заключенные в самой природе грунта (тиксотропия, разуплотнение, линейная и объемная усадки и т.д.), а во-вторых, полностью снимут вопросы полемики вокруг транспортировки образцов в стационарную грунтовую лабораторию. Изменение значений глубины погружения конуса в грунт сразу после его отбора непосредственно и это же значение, полученное после вскрытия монолита в лаборатории, выведут дискуссию на совершенно другой уровень: либо эти изменения связаны с самой природой грунта, о чем сказано выше, либо это прямое нарушение правил отбора, упаковки и транспортировки образцов.
Вследствие включения показателей консистенции грунта в естественном сложении (Св) и удельное сопротивление пенетрации (R) в правовое поле общефедеральных стандартов произойдут следующие важнейшие и крайне актуальные изменения:
1.Определение консистенции грунта в естественном сложении, как объективного показателя природного состояния грунта и смысловое разделение с расчетным показателем текучести грунта в нарушенном сложении;
2.Определение удельного сопротивления пенетрации с последующим расчетом величины сцепления грунта – с, угла внутреннего трения – φ, сопротивления недренированному сдвигу – сu еще одним лабораторного определения прочностных и деформационных характеристик – лабораторной пенетрацией грунта, в том числе и для внутрилабораторного контроля определения этих показателей другими лабораторными методами, отраженными в нормативной базе [9];
3.Усиление контроля над отбором, транспортировкой и сохранностью образцов грунта, доставляемых в стационарную грунтовую испытательную лабораторию;
4. В перспективе – определение плотности сложения природных (естественных) песчаных грунтов, и расширение применения метода на строительство (качество трамбовки дна котлованов, экспресс-контроль за уплотнением полотна дорожной одежды и т.д.
В настоящее время «Охотинское общество грунтоведов» инициировало и разработало общефедеральный стандарт ГОСТ 34276-2017 «Грунты. Методы лабораторного определения удельного сопротивления пенетрации», вступившем в силу с 01.03.2018, где были законодательно закреплены основные принципы применения данного метода при испытаниях грунтов для целей строительства.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку