искать
 

Малозатратный и удобный метод оценки коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя

Авторы
Бершов Алексей ВикторовичГенеральный директор Группы компаний «Петромоделинг»
ООО "ПЕТРОМОДЕЛИНГ"Генеральный спонсор «ГеоИнфо»

При поддержке ГК «ПетроМоделинг», партнера журнала «ГеоИнфо», предлагаем вниманию читателей обзор материалов статьи «Оценка коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя с использованием испытания в модифицированном одометре» [1], вышедшей в 2007 году в журнале Soils and Foundations («Грунты и фундаменты») Японского геотехнического общества. Ее авторы – Нипон Тирачайкулпанич, Сатоши Окумура, Кадзуаки Мацунага и Хидеки Ота (докторант кафедры гражданского строительства Токийского технологического института, инженер японской корпорации Obayashi, инженер японской компании Chuoh Consultants Co. и профессор кафедры международных опытно-конструкторских работ Токийского технологического института соответственно).

В указанной статье представлена серия испытаний для оценки коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя K0 (параметра анизотропного напряженного состояния). Предложенный для этого прибор одноосного сжатия представляет собой модифицированный одометр с герметичной камерой, специально разработанный для определения K0 на основе принципа эффективного напряжения, предложенного Отой с сотрудниками (Ohta et. al) в 1979 году. Величина K0 оценивалась при испытаниях в этом приборе в первую очередь с помощью датчика нагрузки и дополнительно с помощью датчика порового давления для подтверждения экспериментальных данных. Для верификации результатов использования предложенного метода применялись испытания в обычном приборе трехосного сжатия. Значения K0 также получали с помощью одометрических испытаний двух образцов, один из которых укладывался горизонтально, а другой – вертикально относительно монолита грунта. Для сравнения также оценивались величины K0 с помощью эмпирических уравнений.

Предложенный метод дал значения K0 для каолиновой глины, сопоставимые с величинами, полученными методом трехосного сжатия, но несколько большие по сравнению с найденными из эмпирических уравнений и меньшие по сравнению с определенными при одометрических испытаниях.

Ниже опубликована вводная часть статьи. Полный текст читайте в формате pdf по ссылкам над или под статьей.

ВВЕДЕНИЕ

В начале своей статьи [1] авторы подчеркивают, что для расчетов и проектирования при решении многих геотехнических задач очень важна правильная оценка исходного (природного) напряженного состояния грунта. Вертикальное эффективное напряжение in situ σv' на любой глубине можно просто оценить по профилям давления вышележащих грунтов и порового давления. Но горизонтальное эффективное напряжение in situ σh' трудно как измерить напрямую, так и оценить эмпирически, поскольку оно зависит не только от свойств грунта, но и от геологической истории грунтового массива (поэтому оно чаще всего оценивается приблизительно).

Взаимосвязь между вертикальным и горизонтальным эффективными напряжениями при нулевой горизонтальной деформации обычно выражается с помощью коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя K0=σh'/σv'. Этот коэффициент давно изучается геотехниками, поскольку он является важным параметром для оценки исходного напряженного состояния грунтового массива при решении многих геотехнических задач, в том числе связанных с фильтрацией. Однако получение информации о K0 для слабых грунтов имеет ограничения из-за сложностей работы с образцами и измерений при строгом условии отсутствия горизонтальных смещений.

Далее авторы перечисляют ряд существовавших на момент выхода статьи [1] типов полевых и лабораторных методов, обеспечивающих отсутствие горизонтальных деформаций.

 

Полевые (in situ) методы испытаний для оценки K0, предлагавшиеся разными исследователями, авторы работы [1] разделили на три категории.

1. Прямые (в практически реальных условиях) испытания связаны с очень небольшим нарушением грунтов, вызванным установкой испытательных приборов, например самозабуривающегося прессиометра (Baguelin et al., 1972; Jezequel, 1972; Wroth, Hughes, 1973; Hamouche et al., 1995).

2. Полукосвенные (с частичным нарушением структуры грунтов) испытания, включающие введение в грунт зондов без каких-либо мер предосторожности для предотвращения нарушений, например испытания с помощью:

  • крупной сваи, оснащенной датчиком полных напряжений (Kenney, 1967);
  • гидравлического разрыва (Bjerrum, Andersen, 1972; Bozozuk, 1974; Lefebvre et al., 1991; Hamouche et al., 1995);
  • датчиков полных напряжений (Massarsch, 1975; Massarsch, Broms, 1976; Tavenas, 1975);
  • дилатометров (Marchetti, 1980; Hamouche et al., 1995);
  • «K0-ступенчатых лезвий» (K0 Stepped Blade), предложенных Хэнди с соавторами (Handy et al., 1982, 1990), то есть очень тонких плоских зондов из нескольких становящихся более тонкими кверху ступеней с датчиком давления в каждой из них;
  • внедрения конусного зонда (CPT) (Masood et al., 1993).

3. Неразрушающий метод определения K0 возможен с помощью измерения скорости распространения поперечных сейсмических волн в несвязных грунтах (Fioravante et al., 1998; Hatanaka et al., 1999).

 

Однако, как отмечают участники исследования [1], различные методы определения K0 in situ (по крайней мере до выхода статьи [1]) давали некоторые расхождения в значениях этого коэффициента из-за многих неопределенностей, связанных с чувствительностью полученных оценок к небольшим нарушениям грунта, вызванным погружением в него того или иного зонда.

 

Лабораторные методы определения K0 авторы работы [1] разделили на два класса.

1. В первом классе используются:

  • жесткие боковые границы;
  • типы консолидометров, которые обеспечивают необходимое условие нулевого бокового расширения образца, но также допускают неопределенное трение между стенкой и грунтом, например:
    • полужесткое ограничительное кольцо (semi rigid confining ring) (Newlin, 1965),
    • ограничительное кольцо для обычных трехосных испытаний (null type confining ring) (Brooker, Ireland, 1965; Singh et al., 1973),
    • трехосный прибор COWK (Cambridge-Ohta-Wroth-Kyoto) (Ohta et al., 1979),
    • полужесткий консолидометр (semi-rigid consolidometer) (Abdelhamid, Krizek, 1976; Edil, Dhowain, 1981; Mesri, Hayat, 1993; Ting et al., 1994).

2. Во втором классе используются:

  • гибкие боковые границы с системой обратной связи для поддержания положения этих границ;
  • такие типы трехосных приборов, как:
    • «жесткая камера» (rigid cell) (Davis, Poulos, 1963),
    • трехосный прибор с контролируемым объемом (controlled volume triaxial) (Lewin, 1970),
    • трехосный прибор для обычных трехосных испытаний (null type triaxial)  (Bishop, 1958; Moore, Spencer, 1972),
    • автоматическое моделирование K0-консолидации и K0-набухания (рагрузки) в камере трехосного сжатия (Menzies et al., 1977),
    • простая камера трехосного сжатия для определения K0 (Campanella, Vaid, 1972),
    • двойная камера трехосного сжатия для определения K0 (Okochi, Tatsuoka, 1984),
    • K0-консолидация в трехосном приборе (Fukagawa, Ohta, 1988),
    • трехосные испытания для определения траектории деформации (Lo, Chu, 1991),
    • автоматизированная K0-консолидация в камере трехосного сжатия (Tsuchida, Kikuchi, 1991; Watabe et al., 2003).

 

Авторы статьи [1] отмечают, что при лабораторных испытаниях преимуществом использования гибких боковых границ является отсутствие трения по боковой поверхности, но недостатком его является необходимость контролировать то, чтобы образец грунта имел нулевое боковое расширение, а также необходимость обеспечивать однородность распределения эффективного напряжения в образце.

Но при этом, как указывают участники исследования [1], большинство используемых лабораторных методов (на момент выхода статьи [1]) довольно сложны и обычно требуют много времени для консолидации образца.

Поэтому авторы работы [1] предложили метод оценки K0 с использованием такого простого прибора, как модифицированный одометр с герметичной камерой. Они отнесли этот способ к косвенным методам использования полужестких колец. Его преимущества заключаются в том, что в указанном устройстве грунт можно сжать при полном отсутствии бокового расширения за меньшее время и при более низких эксплуатационных расходах по сравнению с другими методами.

 

Полный текст статьи с формулами и рисунками читайте в формате pdf. СКАЧАТЬ

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению