Применение зависимостей «K₀– OCR» и «K₀– PI» для сопоставления результатов прессиометрических и лабораторных испытаний

Как указывают авторы статьи [1], зависимости между коэффициентом горизонтального давления грунта в состоянии покоя K₀ = σ_h0/σ_v0 (где σ_h0 – общее горизонтальное напряжение in situ, σ_v0 – общее вертикальное напряжение in situ) и коэффициентом переуплотнения OCR = σ_vY/σ_v0 (где σ_vY – максимальное эффективное вертикальное напряжение, которое грунт выдерживал в прошлом, или давление предварительного уплотнения, обозначенное точкой D на рисунке 4 в первой части обзора), а также зависимости между K₀ и числом пластичности PI выводили по результатам наблюдений многие исследователи. Наиболее устоявшиеся из них были предложены Брукером и Ирлэндом (Brooker, Ireland, 1965), которые связали K₀ с PI и OCR и представили эту связь в графическом виде, и Мейном и Кулхави (Mayne, Kulhawy, 1982), которые получили следующую формулу:

Это уравнение, как отмечают Хупс и Хьюз [1], применимо к простой траектории напряжений при осесимметричной одноосной разгрузке (после осесимметричного одноосного нагружения).

Авторы работы [1] выполнили 8 одометрических испытаний образцов довашонской (четвертичной) озерно-ледниковой глины (Qpgl), извлеченных при изысканиях для строительства тоннеля на автомагистрали SR-99 в деловом центре города Сиэтл (США). Чтобы дополнить ограниченное количество полученных при этом данных, были взяты результаты испытаний на консолидацию (consolidation tests) из материалов нескольких предыдущих геотехнических изысканий в районе Сиэтла, проведенных для разных проектов. Кроме того, сами Хупс и Хьюз [1] выполнили 59 консолидационных испытаний на образцах довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) и вашонской озерно-ледниковой глины Лотона (Qvgl).

При оценке вертикального эффективного напряжения текучести σ‘_vY по данным этих испытаний авторы работы [1] сделали два основных наблюдения.

1. Кривые «e – lg σ‘_vc» (где e – коэффициент пористости; σ‘_vc – вертикальное эффективное напряжение консолидации, приложенное в одометре), полученные в результате испытаний на консолидацию образцов сиэтлской глины, при низких напряжениях демонстрируют ответы с «мягкими» переходами между состояниями и обычно не показывают четко определяемых пределов текучести. Как указывают Хупс и Хьюз [1], такое же поведение наблюдали в похожих глинах из разных регионов мира и другие исследователи (Grozic et al., 2003; Jefferies et al., 1987), которые пришли к выводу, что наиболее надежный метод оценки значения σ‘_vY для глин, показывающих такое поведение, был предложен Беккером и др. (Becker et al., 1987). Этот метод, основанный на критерии работы W на единицу объема при консолидации в одометре

определяет величину σ‘_vY как точку в координатной плоскости «W – σ‘_vc» определяемую пересечением линии, соответствующей точкам данных ниже природного вертикального эффективного напряжения σ‘_v0, и линии, подобранной для точек данных при высоких напряжениях консолидации, расположение которых склонно быть линейным. И это, как указывают авторы статьи [1], «вводит» второе основное наблюдение по одометрическим испытаниям сиэтлской глины.

2. В 27 из 59 испытаний на консолидацию, выполненных Хупсом и Хьюзом [1], образцы либо не были нагружены выше σ‘_vY, либо не были нагружены достаточно далеко за пределами σ‘_vY, чтобы показать линейный тренд в координатной плоскости «W – σ‘_vc» при высоких вертикальных напряжениях. Определение надежных значений σ‘_vY для таких испытаний было невозможным с помощью какого бы то ни было метода из-за отсутствия четко выраженного поведения при первичном сжатии.

Значения OCR, полученные авторами работы [1] на основе результатов 32 испытаний, однозначно показали линейность зависимости «W – σ‘_vc» после предела текучести (рис. 13). Используя данные консолидационных испытаний, Хупс и Хьюз [1] аппроксимировали верхнюю и нижнюю границы σ‘_vY для сиэтлской глины (см. абсциссу точки D на рисунке 4 в первой части обзора) с помощью следующего неравенства:

Примеры кривых OCR, определяемых этими границами и полученных на основе средних значений σ‘_v0, представлены на рисунке 13.

Рис. 13. Зависимости OCR от глубины и предельных соотношений σ_vc/σ_v0 (см. неравенство (3)) по результатам одометрических испытаний образцов из скважин TB-318, TB-320 и TB-321 (по [1])

Далее авторы статьи [1] дают следующее пояснение. Хотя и трудно с уверенностью определить, какой процесс или какая их комбинация (например, нагрузка от ледника, сложные изменения в давлениях подледниковых поровых вод, накопление и эрозия отложений прогляциального вымыва GLF) вызвали в прошлом максимальные вертикальные эффективные напряжения в сиэтлской глине, но эти напряжения были «записаны в памяти» глины об истории нагружения и могут наблюдаться в виде величин σ‘_vY, получаемых при одометрических испытаниях. Другими словами, независимо от конкретных деталей концептуальной истории нагружения, например от времени возникновения максимальных напряжений (будь то в период последнего вашонского оледенения, как показано на рисунке 4 в первой части обзора, или, возможно, во время более раннего оледенения) или от причин их формирования (в результате нагрузки только от ледника, только от отложений прогляциального вымыва или от какой-либо комбинации факторов), величина максимального вертикального напряжения скорее всего попадет в диапазон, представленный в неравенстве (3).

Чтобы оценить профили K₀ при простой разгрузке, авторы работы [1] подставили в уравнение (1) верхнюю и нижнюю границы профилей OCR на основе неравенства (3) (рис. 14). Для оценки K_0NC и параметра разгрузки α использовалось максимальное значение ϕ‘_TC, равное 29 град. (см. таблицу 2 в первой части обзора). На рисунке 14 также представлены диапазоны K₀, полученные с помощью диаграммы Брукера и Ирлэнда (Brooker, Ireland, 1965), взятые из таблицы 3 (см. первую часть обзора) и вычисленные с помощью неравенства (3).

Рис. 14. Изменения K₀ с глубиной на основе уравнения (1) и неравенства (3) с использованием значения ϕ‘_TC, равного 29 град., и средних подповерхностных условий по результатам одометрических испытаний образцов из скважин TB-318, TB-320 и TB-321, а также на основе поисков равновесного давления путем тестов на ползучесть, выполняемых во время стадии разгрузки, и соответствующего анализа с использованием комплексной геомеханической модели грунта (по [1])

Обсуждение результатов исследования [1]

Как уже упоминалось, на рисунке 14 и в таблице 3 (см. первую часть обзора) представлены оценки величин K₀ по данным 10 прессиометрических тестов на ползучесть, выполнявшихся при прессиометрических испытаниях во время стадии разгрузки для поиска равновесного давления, и итоги анализа данных тех же испытаний с применением подбора комплексной геомеханической (конститутивной) модели грунта. Эти значения K₀ при сопоставлении авторами работы [1] оказались поразительно схожими, несмотря на такие разные методы их оценки. Однако в случае испытаний, которые показали значительное начальное нарушение грунта во время первоначального расширения, величины K₀ для наиболее подходящей конститутивной модели, как правило, были ниже, чем полученные путем измерений указанным методом. Диапазоны значений K₀ in situ в деформированной глине (см. таблицу 3 в первой части обзора и рис. 14) кажутся выше, чем в ненарушенной глине, но оба их набора значительно перекрываются. Можно было бы ожидать, что деформированная глина будет иметь более высокие значения K₀. Однако, поскольку деформированные зоны являются прерывистыми в горизонтальном направлении, Хупс и Хьюз [1] предполагают, что со времени сдвига горизонтальные напряжения в этих зонах распространились на соседние менее нарушенные зоны.

Как видно из рисунка 14, многие из значений K₀, полученные с помощью прессиометра, значительно выше, чем можно было бы ожидать на основе рассмотрения простой разгрузки (rebound) и использования методов Мэйна и Кулхави (Mayne, Kulhawy, 1982) или Брукера и Ирлэнда (Brooker, Ireland, 1965). Авторы статьи [1] не считают это свидетельством, ставящим под сомнение формулы, предложенные вышеуказанными исследователями. Они скорее рассматривают это как реальный пример способности глины сохранять трехмерную «память» об истории нагружения.

Далее авторы работы [1] ссылаются на выводы Месри и Хайата (Mesri, Hayat, 1993), которые показали, что горизонтальные эффективные напряжения σ‘_h образцов глины, подвергнутых дренированному сжатию, ограниченному в поперечном направлении (то есть одометрической траектории напряжений), затем пассивному сдвигу (увеличению σ‘_h при постоянном σ‘_v), а затем повторному наложению боковых ограничений, не возвращаются к состоянию K_0NC после того, как рассеялось избыточное поровое давление. Вместо этого после рассеивания порового давления в образцах оставалось примерно 40% приложенных горизонтальных напряжений. Месри и Хайат предложили оценивать величину K₀ после пассивного сдвига во время одномерной вертикальной разгрузки путем замены коэффициента K_0NC в уравнении (1) на K_0P – коэффициент горизонтального напряжения, оцененный с использованием остаточного (или внутреннего) горизонтального напряжения после пассивного сдвига.

Хотя степень увеличения горизонтальных напряжений в глине из-за наступания довашонского ледникового языка и накопления ледниковой морены (Qpgt) неизвестна, уровень деформаций, проявляющийся во многих образцах довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) из деформированных зон, навела авторов работы [1] на мысль о том, что горизонтальные напряжения, вероятно, были достаточно высокими для того, чтобы вызвать локальные пассивные нарушения (см. ординату точки B на рисунке 4 в первой части обзора). Другими словами, величина K_0P может составлять порядка 0,4K_P (где K_P – коэффициент горизонтального давления грунта в пассивном состоянии после ледникового сдвига). Использование уравнения (1) приведет эту величину к текущему значению K₀ in situ, которое будет значительно выше диапазона, оцененного при исследовании [1]. По предположению авторов статьи [1], это очевидное несоответствие связано с тем, что «бульдозерное» воздействие ледника и перекрытие глин толщей Qpgt во время оледенения, при котором сформировались рассматриваемые отложения Qpgl (а эти процессы, вероятно, вызвали самые высокие напряжения пассивного сдвига в Qpgl),  произошли до вашонского оледенения и накопления вашонских отложений прогляциального вымыва GLF.

Далее Хупс и Хьюз [1] ссылаются на выводы Гудехуса (Gudehus et al., 1977) и Топольницкого (Topolnicki et al., 1990) с соавторами, которые показали, что после изменения направления траектории деформирования (например, от горизонтального деформирования пассивного типа к поперечно-ограниченным вертикальным нагружению и разгрузке) переориентация частиц грунта склонна вызывать асимптотическое смещение направления траектории напряжений в сторону новой траектории деформирования, из-за чего грунт постепенно теряет «память» о первоначальной истории девиаторных напряжений (деформаций).

Резюме и выводы

Итак, авторами работы [1] был использован новый подход к оценке природных горизонтальных напряжений в грунте путем поиска равновесного давления с помощью тестов на ползучесть, выполняемых на стадии разгрузки при определенных давлениях, поддерживаемых в измерительной камере определенное время (balance pressure creep testing – BPC). В своем исследовании они использовали для этого результаты 10 испытаний указанным методом, выполненных в экспериментальном порядке во время геотехнических изысканий для строительства тоннеля на автомагистрали SR-99 в деловом центре Сиэтла (прессиометрические испытания при этом выполнялись силами компании In Situ Engineering из города Снохомиш штата Вашингтон США).

После написания основной части своей статьи [1] ее авторы продолжили развивать рассматриваемый новый подход, используя в последующих проектах усовершенствованные процедуры тестирования на его основе с попытками контролировать возможные эффекты скорости и продолжительности нагружения. К тому же, как отмечают Хупс и Хьюз [1], во время нагружения в недренированных условиях при прессиометрическом испытании развиваются поровые давления, которые также могут иметь некоторое влияние на характеристики ползучести. Однако, поскольку мембрана измерительной камеры прессиометра водонепроницаема, эти давления должны рассеиваться в грунтовом массиве. Кроме того, испытания на ползучесть проводятся только в течение примерно 2 минут. При этом авторы работы [1] допускают, что изменение диаметра полости обусловлено неуравновешенным (несбалансированным) полем давлений, а не диссипацией поровой воды. Поэтому они подчеркивают, что будут очень полезны дальнейшие экспериментальные исследования с измерением порового давления в контролируемых лабораторных условиях, чтобы помочь лучше понять взаимосвязь между изменением диаметра полости в результате ползучести и горизонтальным напряжением в окружающем грунте in situ.

Несмотря на вышеупомянутые неопределенные аспекты испытаний с использованием нового подхода, Хупс и Хьюз [1] обнаружили, что природные горизонтальные напряжения, оцененные с помощью этого метода, согласуются с их величинами, полученными с помощью подбора подходящих кривых комплексных геомеханических моделей грунта. Однако эти напряжения были значительно выше, чем предполагалось на основе зависимостей «K₀ – OCR» и «K₀ – PI – OCR», хорошо известных для стадии разгрузки. В некоторых случаях эти зависимости занижают горизонтальное напряжение in situ более чем в 2 раза. Поскольку в отложениях довашонской озерно-ледниковой глины (Qpgl) часто наблюдаются зоны интенсивных деформаций, то на основе указанных зависимостей вполне можно предположить, что эти грунты подверглись значительному горизонтальному сдвигу, а не простым ограниченным в горизонтальном направлении нагружению и разгрузке.

Как указывают авторы работы [1], измерения, выполненные в прошлом (во время строительства межштатной скоростной автомагистрали I-5 на территории Сиэтла в 1960-х годах), уже показали высокие природные горизонтальные давления в сиэтлской глине и были сочтены основной причиной нестабильности срезанных склонов и укрепленных бортов котлованов. Оползни в этих отложениях обычно связывают с инфильтрацией дождевой воды.

Однако, ссылаясь на результаты конечноэлементного моделирования, выполненного Данкэном и Данлопом (Duncan, Dunlop, 1969), авторы статьи [1] отмечают следующее. Если в модели удвоить величину K₀ для условий in situ, то оцененное максимальное напряжение сдвига в основании срезанного склона увеличится в 2 раза. Другими словами, полученное сопротивление сдвигу будет значительно ниже, чем измеренное при обычном трехосном испытании (на изотропное сжатие). Поскольку очень жесткие глины, такие как Qpgl и Qvgl, изначально демонстрируют отрицательное индуцированное давление поровой воды, то их прочность при начальном (недренированном) сдвиге обычно очень высока, что, как правило, приводит к временному стабильному состоянию срезанной части склона. Но, как только индуцированное отрицательное поровое давление рассеется (через дни, недели, месяцы или годы в зависимости от условий дренирования), прочность на дренированный сдвиг вдоль потенциальной плоскости скольжения может стать ниже, чем приложенное напряжение сдвига. Дождевая вода или грунтовые воды из линз и прослоев песка, встречающихся внутри глины, могут просачиваться в трещины, которые могут открыться во время разгрузки. Это может нарушить капиллярное и поровое давление и ускорить разрушение. Однако объяснение таких разрушений только результатом инфильтрации подземных вод без учета высокого коэффициента горизонтального давления грунта в состоянии покоя K₀ упускает из виду потенциально критический долгосрочный характер нарушений грунта.