Консолидированно-недренированные испытания

Б.3 Консолидированно-недренированные испытания служат для определения:

эффективного угла внутреннего трения j ';

эффективного сцепления с ';

коэффициента фильтрационной консолидации с _v;

коэффициента начального порового давления К_и.

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 s ' ₃ по завершении консолидации отличались друг от друга на величину, равную 40-50 % значения s ' _3,0 в точке отбора монолита, но не менее чем на 20 кПа для мягко- и текучепластичных глинистых грунтов (0,5 < I_L < 1) и 50 кПа для грунтов более твердых консистенций. Противодавление устанавливается равным и = и ₀ 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 Ds₁ = Ds₃, не превышающими 50 кПа. Конечное значение полных напряжений определяется величиной s ' _1,0 + s '_с, где s '_с - вертикальное напряжение на глубине отбора монолита от строительной пригрузки от сооружения. Значения s '_с определяются, например, в соответствии с указаниями К.2.

Значение s '_с 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 К_и как отношение суммарного приращения порового давления D и за время приложения напряжений s₀ = (s ' _1,0 + s '_с) к величине s₀

К_и = D и /s₀.                                                                                                                      (Б.5)

Нормативное и равное ему расчетное значение коэффициента порового давления (К_и ⁿ = К_и) 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 с _v, 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  D V = lg (t) и в тех случаях, когда измеряется поровое давление - и = f (t), по которым определяется время 90 %-ной консолидации t ₉₀, время 100%-ной консолидации t ₁₀₀ и время 50 %-ной консолидации t ₅₀.

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

Б.9 Частные значения коэффициента фильтрационной консолидации с _{v , i} по методу «корень квадратный из времени» вычисляют по формуле

                                                                                                                      (Б.6)

где T ₉₀ - 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;

t ₉₀ - 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 ab. 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 D V = D V ₉₀/0,9, с кривой уплотнения.

Б.10 Вычисление с _{v , i} методом «логарифм времени» выполняется так же, как указано в ГОСТ 12248 (приложение П).

Б.11 Нормативное и равное ему расчетное значения коэффициента консолидации (с _{v , n} и с _v) определяется как среднее арифметическое из частных значений с _{v , i}.

Определение значений c_v 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.

Рисунок Б. 1 - Графический способ определения 90 % первичной консолидации методом «квадратный корень из времени»

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 e₁, или ступенчатым повышением осевой нагрузки при s₃ = const.

Скорость вертикальных деформаций e₁ выбирается следующим образом.

В соответствии с указаниями Б.8, Б.9 определяется время 100%-ной фильтрационной консолидации t ₁₀₀. Скорость вертикальных деформаций находится делением значения предельной вертикальной деформации e₁ ^p, полученной из предыдущих испытаний образцов данного грунта или принятой для супесей - 0,10, для суглинков - 0,15, для глин - 0,20, на величину t ₁₀₀

e₁ = e₁ ^p / t ₁₀₀,                                                                                                                    (Б.7)

где e₁ - 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 t ₁₀₀ 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 s ' _{1,1 tm} и s ' _{3,1 tm}. Совокупность этих значений, полученных в разных опытах для одной разновидности грунта, используется для определения нормативных (tg φ ' _n, с' _n) и расчетных (tg φ ' _I,II, с ' _I,II) значений характеристик прочности статистическими методами в соответствии с ГОСТ 20522.

Определение давления предуплотнения р'_с методом компрессионного сжатия и коэффициента переуплотнения OCR

Б.14 Определение величины р'_с 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 20 ± 2 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 р'_с. 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 р'_с 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 а между ними. Определяется точка пересечения биссектрисы угла а с продолжением прямолинейного участка компрессионной кривой, проекция которой на ось давлений р' и дает величину давления предуплотнения р'_с (рисунок Б.2).

Рисунок Б. 2 - Определение давления предуплотнения р'_с по методу Казагранде

Б.18 Определение коэффициента переуплотнения производится по формуле

                                                                                                                      (Б.8)

где р'_с и р' ₀- 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 р'_с 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 t _а и циклической составляющей t _cy на поверхности разрушения

(t _{f , cy}) _пред = (t _а + t _cy) _пред = f (N, d ₅₀, m _s, w ₁,..., w_n)                                                              (Б.9)

где N - число циклов нагружения;

d ₅₀ - характеристика гранулометрического состава грунта;

m _s - параметр Лоде;

w ₁, w_n - другие определяющие параметры;

t _f,cy - 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.

Рисунок Б. 3 - Возможные соотношения циклической и статической составляющих касательных напряжений

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 N _экв, 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 s_u связных грунтов и параметры трения для несвязных грунтов в условиях квазистатического нагружения. Затем, при различных комбинациях нормализованной статической составляющей напряжений (t _{а v} / s_u, t _{а v} / s ' _vo, t _cy / s_u, t _cy / s ' _vo) 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, s ' _vo - эффективные напряжения при консолидации, t _а – статическая составляющая сдвигающих напряжений, t _cy - циклическая составляющая сдвигающих напряжений, s_u - сопротивление недренированному сдвигу. Под разрушением образца понимают достижение заданного уровня деформации - статической (g ', e _a) или циклической (g _су, e _су), 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 норовым давлением уровня 95 % s ' _vo;

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 G^d и коэффициент демпфирования D^d. Оценка модуля сдвига при деформациях 10^-6-10^-5 производится по результатам прямых измерений скорости поперечных волн u _s в полевых и лабораторных условиях и пересчетом по формуле

                                                                                                                        (Б.10)

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

Деформации 10^-5-10^-3 охватываются лабораторными испытаниями в резонансной колонне, свыше 10^-3 - в приборе трехосного сжатия (опыты с контролем деформаций).

Исходными данными для определения коэффициента демпфирования D^d являются внутрицикловые зависимости напряжений и деформаций (петли нагружения). Результатом испытаний являются кривые G^d = f (g _су, s ', f) и D^d = f (g _су, s ', f), где g _су - амплитуда деформации сдвига, s ' - средние эффективные напряжения в грунте, f - частота нагружения.

Приложение В
(обязательное)