Постановка задачи

Для текучепластичных и текучих грунтов классическая теория фильтрационной консолидации не описывает длительные осадки, что ведет к систематическим ошибкам при назначении коэффициентов запаса. В литературе накоплен значительный объем разрозненных экспериментальных данных о реологических свойствах таких грунтов, однако отсутствует их обобщение, ориентированное на выявление доминирующих механизмов прогрессирующего деформирования и на формулировку практических рекомендаций по корректировке расчетных моделей. Целью работы является систематизация современных представлений о механизмах прогрессирующей деформируемости слабых пылевато-глинистых грунтов в состоянии текучести, анализ существующих методов лабораторного исследования и обоснования подходов к уточнению прогноза длительных осадок.

Результаты. Выполнен анализ литературных источников и выделены ключевые факторы, лимитирующие точность прогноза.

1. Введение

Возведение сооружений на слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах, характерных для Санкт-Петерубрга, сопряжено с рисками прогрессирующих неравномерных деформаций, которые проявляются не мгновенно, а развиваются по затухающей или незатухающей кривой в течение эксплуатационного периода [1]. Основная геотехническая опасность заключается в том, что для грунтов с показателем текучести I _L >0,75 процесс деформирования не ограничивается первичной фильтрационной консолидацией, а продолжается в фазе вторичного сжатия (ползучести скелета).

Ключевой расчетной проблемой является феномен развития длительной, прогрессирующей во времени осадки. Классическая модель уплотнения (Терцаги — Герсеванова) трактует стабилизацию как момент рассеивания порового давления [2]. Однако лабораторные данные свидетельствуют, что деформации ползучести в глинистых грунтах могут развиваться десятилетиями даже при постоянных эффективных напряжениях [3]. Это приводит к систематическому расхождению между прогнозными значениями с нормативными документами и фактическими геодезическими замерами. Например, для сооружений на текучепластичных суглинках разница в осадках фундаментов через 10–15 лет эксплуатации может достигать 40–60 % от теоретической, демонстрируя нарастающий, прогрессирующий характер деформаций.

Помимо этого, проблемной зоной является недоучет структурной прочности и ее разрушения в процессе сдвига. У пылевато-глинистых грунтов типично наличие пиковой прочности, после исчерпания которой происходит резкое увеличение скорости сдвиговых деформаций — еще один аспект прогрессирующего разрушения.

2. Материалы и методы исследования

Информационную базу составили экспериментальные работы, направленные на выявление природы прогрессирующей деформируемости глинистых оснований. Особое внимание уделено методам, способным зафиксировать эволюцию параметров грунта во времени.

Длительные компрессионные испытания

Для изучения прогрессирующего сжатия во времени стандартная методика одометрии была модифицирована. Согласно анализу, для грунтов с низкой водопроницаемостью критично применение пошагового нагружения с длительным выдерживанием ступеней (до 30 суток и более). Это необходимо для определения коэффициента вторичной консолидации , который количественно описывает прогрессирующую осадку на логарифмическом участке кривой деформирования. Необходимость проведения испытаний на слабых глинистых грунтах с разными показателями текучести приобретает актуализированный характер. Испытания слабых пылевато-глинистых грунтов стоит проводить консолидировано-дренированной и консолидировано-недренированной системой, используя методологию переуплотнения грунта [4] и нормального нагружения для сравнения результатов влияния деформируемости грунтов в зависимости от системы нагружения. Результаты испытаний необходимо сравнивать по компрессионным кривым с произведением расчетов параметров компрессии. Графики подобной сводной компрессионной кривой для слабого глинистого грунта с показателем текучести I _L =0.9 представлен на рис. 1. График компрессионной кривой в полулогарифмическом масштабе представлен на рис. 2.

Рис. 1. Сводная компрессионная кривая глинистого грунта с показателем текучести I _L =0.9

Рис. 2. Сводная компрессионная кривая в полулогарифмическом масштабе глинистого грунта с показателем текучести I _L =0.9

Испытания на сдвиг в режиме ползучести

Для изучения прогрессирующего разрушения структуры применялись длительные испытания на прямой сдвиг и трехосное сжатие в режиме контролируемого напряжения (крип-тесты) [5]. Этот метод позволил установить существование порога длительной прочности. Эксперименты показывают, что при достижении сдвиговыми напряжениями уровня 70–80 % от стандартной прочности , деформации приобретают незатухающий характер, а скорость угловой деформации прогрессирует, приводя к хрупкопластическому разрушению через определенный промежуток времени.

Физическое моделирование порового давления

Стандартные испытания на неконсолидированный сдвиг в закрытой системе (UU-тесты) не позволяют замерить истинный рост порового давления в образце. Для решения этой задачи требуется применение трехосного сжатия с обязательным измерением противодавления или использование кольцевых сдвиговых приборов с низкой скоростью среза (менее 0.001 мм/мин). Полученные данные позволяют вычислить коэффициент начального порового давления и модифицировать параметры прочности для расчета прогрессирующего уменьшения коэффициента устойчивости во времени.

Полевые методы для верификации моделей

Для сопоставления лабораторных моделей прогрессирующей деформации с натурным поведением массива наиболее валидны данные статического зондирования с датчиком порового давления (CPTu). Этот метод позволяет оценить скорость диссипации порового давления и идентифицировать зоны потенциального прогрессирующего течения без нарушения естественной структуры и напряженного состояния грунта.

3. Результаты и обсуждение

В ходе обобщения данных выявлены три ключевых механизма, ответственных за прогрессирующий характер деформаций, которые не учитываются в стандартных линейных расчетах.

Первый результат касается структурно-неустойчивого сжатия. Выявлено, что слабые пылевато-глинистые грунты часто обладают структурной прочностью , сформированной цементационными связями пылеватых агрегатов. При нагрузках, превышающих , происходит хрупкое разрушение «каркаса» грунта. Этот процесс лавинообразного сжатия дает начало прогрессирующей осадке без существенного увеличения внешней нагрузки. Данные компрессионных кривых показывают двухмодульный характер деформации: упругий на начальном этапе и резко прогрессирующий — при запредельных давлениях. Требуется произвести испытания для текучепластичных и текучих слабых пылевато-глинистых грунтов по системе испытаний КД и КН для сравнения данных по компрессионным кривым. Прибор трехосного сжатия позволяет получить наиболее точные физико-механические свойства грунта и характер деформируемости.

Второй результат относится к реологической стадийности сдвига. Исследования кривых течения подтвердили, что прогрессирующая деформируемость при сдвиге описывается тремя стадиями: затухающей, установившейся и прогрессирующей (катастрофической) ползучести. Критическим для практики является определение предела длительной прочности , соответствующего переходу к третьей стадии. Для решения проблемы потери несущей способности предложено введение в расчетные формулы модифицированного коэффициента надежности , зависящего от допустимой скорости прогрессирующей деформации и срока службы сооружения.

Третий результат связан с барьерной ролью водонасыщения. Показано, что темп прогрессирующего деформирования прямо пропорционален коэффициенту фильтрации. В слабых суглинках с м/с процесс перераспределения воды настолько замедлен, что осадка может линейно нарастать десятки лет, имитируя незатухающую ползучесть скелета, хотя по природе это консолидация.

Решением является переход на нелинейные модели с переменным коэффициентом фильтрации, где функционально связан с коэффициентом пористости и временным фактором . Предлагается введение в геотехнический отчет графика прогрессирующей осадки, верифицированного по CIPu-тестам, как обязательного приложения для оснований на грунтах с .

4. Заключение

Установлено, что признак прогрессирующей деформируемости является родовым свойством слабых пылевато-глинистых грунтов в состоянии высокой текучести, что требует замены статических моделей деформирования (традиционный метод послойного суммирования) на реологические, учитывающие фактор времени. Доказано, что для определения зависимости деформируемости слабых глинистых грунтов с I _L >0.75 необходимо произвести лабораторные испытания и обоснование скорректированных характеристик компрессии водонасыщенных текучих глинистых грунтов с учетом влияния показателя текучести и траектории нагружения.

Доказано, что для решения проблемы расчетного прогноза необходимо обязательное проведение длительных лабораторных испытаний на сдвиг в режиме ползучести (определение предела длительной прочности и параметра ), а также полевых диссипационных тестов CPTu для разделения порового давления и напряжений в скелете.

В качестве практического решения для учета прогрессирующего характера осадок предложено нормирование дифференцированных коэффициентов условий работы , привязанных к индексу текучести и расчетному сроку эксплуатации, а также обязательный переход к нелинейной степенной аппроксимации кривой вторичной консолидации для грунтов с показателем текучести более единицы.

Литература:

1. Филимонов, Е. А. Эффективные технологии устройства оснований фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах / Е. А. Филимонов, А. А. Устинов. — М.: Вестник МГСУ, 2011. — 297–300 с.
2. Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. — 4-е изд. — М., 2011. — 133–134 с.
3. Микова, М. Н. Исследование деформируемости глинистого грунта во времени / М. Н. Микова, Е. Н. Акбулякова. — Том 15. Выпуск 12. — Пермь: Вестник МГСУ, 2020. — 1657–1659 с. DOI: 10.22227/1997–0935.2020.12.1654–1662.
4. Мирсаяпов, И. Т. Влияние процесса упрочнения на прочность глинистого грунта при режимном трехосном нагружении / И. Т. Мирсаяпов, И. В. Королева. — М.: Известия КГАСУ, 2017. — 145–152 с.