В статье рассмотрена проблема точности определения механических параметров грунта. Определены факторы, влияющие на точность результата лабораторных испытаний грунтов. Проанализирована расчетная схема котлована, отображающая изменение траектории напряжения грунта.
Ключевые слова: напряженное состояние грунта, лабораторные испытания, траектория напряжения, грунтовый массив.
Сложность и уникальность реализуемых в строительстве проектов с каждым годом растет, что приводит к необходимости ведения более точных расчетов. На этапе геотехнических расчетов возникает проблема, связанная с определением напряженно-деформированного состояния грунта. Грунт является природным анизотропным материалом, поведение под нагрузкой которого очень сложно спрогнозировать. Для определения поведения грунта при различных напряженных состояниях проводят комплекс лабораторных испытаний, влияющих на точность геотехнического решения. Качество лабораторных испытаний зависит от множества факторов, которые будут рассмотрены далее.
Перед тем, как попасть в лабораторию, образец грунта необходимо отобрать и транспортировать. Некоренные отбор и транспортировка проб приводят к понижению качества образца, что влияет на результат испытаний. В своей работе Васенин В. А. [1] отметил, что по прибытию в лабораторию напряженно-деформированное состояние грунта кардинально меняется. Данный факт затрудняет точное определение параметров начального состояния. Это связано с тем, что образцы грунта очень чувствительны к внешним воздействиям. Так, при бурении отборопробник, проникая в тело массива, уплотняет его. При перемещении грунта из отборопробника в гильзу грунт успевает немного расшириться, поскольку сопротивление перемещению уменьшилось. При транспортировке и хранении образцов грунт также подвергается внешним воздействиям, которые меняет его напряженного-деформированное состояние. В итоге грунт, который привезли в лабораторию и грунт на строительной площадке имеет разное напряженно-деформированное состояние и разные исходные параметры. Помимо отбора и транспортировки, грунт в лаборатории подвергается определенным процедурам, которые меняют его напряженное состояние, рис.1. Например, при вырезании кольца для компрессионных испытаний, важно избежать переуплотнения или растрескивания грунта, поскольку это приведет к некорректному результату.
Рис. 1. Путь изменения напряженных состояний при отборе проб и подготовки образцов глинистого грунта (Васенин В. А., 2018)
На корректность механических характеристик грунта также влияет схема проведения испытания, которая отображает поведение грунта на всех этапах строительства [2]. При нулевом цикле работ в массиве грунта в различных областях происходит изменение напряженного состояния по определенной траектории. Траектория напряжений влияет на механические характеристики грунта, этим объясняется различие модулей деформации, полученных в компрессионном и трехосном приборах [3].
Для определения корректной программы испытаний образца грунта необходимо составлять расчетную схему строительства здания или сооружения, анализировать и прогнозировать поведение грунта под нагрузкой и на основе этих данных составлять техническое задание с указанием лабораторных испытаний [4]. Рассмотрим экскавацию грунта близи окружающей застройки с последующим возведением нового здания, рис. 2. Всего в данной задаче можно выделить пять зон: природное напряженное состояние грунтового массива, зона под окружающей застройкой, зона вблизи шпунтового ограждения, зона под ростверком свайного фундамента новой застройки, зона под острием свай соответственно.
Рис. 2. Основные зоны изменения напряженного состояния грунта
При устройстве шпунтового ограждения и экскавации котлована в первой и во второй зоне (точка A ) не прослеживается значительных изменений напряженного состояния грунта, поскольку напряжения рассеиваются в массиве.
В третей зоне (точка B ) при устройстве шпунтового ограждения возникает повышение вертикальных напряжений. При последующей экскавации и нагружении грунтового массива нагрузкой от здания в рассматриваемой зоне возникает сначала падение, а затем рост горизонтальных и вертикальных напряжений. В лабораторных условиях смоделировать такое поведение грунта можно с помощью трёхосных испытаний с разгрузкой в камерах А , B , поскольку они позволяют создавать девиаторное нагружение.
В четвертой зоне (точка С ) ожидается спад вертикальных и горизонтальный напряжений, которые в дальнейшем при увеличении нагрузки от здания будут расти неравномерно. При вдавливании свай грунт вокруг их тела будет уплотняться, то есть горизонтальные напряжения будут значительно расти, в отличии от вертикальных. Здесь рекомендуется использовать трехосные испытания с разгрузкой в камере В, поскольку только в этой камере возможно создать ситуацию с повышенными горизонтальными и пониженными вертикальными напряжениями. При использовании камеры А шток под давлением воды в камере будет подниматься, часть воды будет вытекать и в результате прибор некорректно определит объемные деформации образца [5].
В пятой зоне (точка D ) рассматриваемой схемы происходит увеличение горизонтальных напряжений под острием свай. Данное поведение грунта отлично моделирует компрессионный прибор моделируется с помощью компрессионных испытаний.
На основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:
1. При определении механических характеристик грунта необходимо учитывать качество отобранных образцов, поскольку оно влияет на итоговый результат.
2. При составлении технического задания на лабораторные испытания необходимо дополнительно прикладывать расчетную схему, отображающую траектории напряженного состояния грунта.
Литература:
- Васенин В. А. Статистическая оценка параметров нарушения природной структуры лабораторных образцов глинистых отложений при инженерно-геологических изысканиях на территории Санкт-Петербурга и окрестностей// Инженерная геология. Том 8.-2018.-№ 6.-С. 48–65
- Болдырев Г. Г., Скопинцев Д. Г. Методические вопросы определения модулей деформации дисперсных грунтов// Инженерно-геологические изыскания. Том 10–11.-2016.- C.24–36
- Lu Li, Meng Zang, Rong-Tang Zhang, Hai-Jun Lu. Deformation and strength characteristics of structured clay under different stress paths// Mathematical Problems in Engineering– 2022. — Vol.2022, No.9266206
- Hua Huang, Min Huang, Jiangshu Ding. Calculation of tangent modulus of Soils under different stress paths// Mathematical Problems in Engineering– 2018. — Vol.2018, No.1916761
- ГОСТ 12248.3–2020 Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия. М.: МНТКС, 2020.
