Интерпретация данных статического зондирования с тестами по рассеиванию порового давления в переуплотненных высокодисперсных грунтах

Введение

Статическое зондирование грунтов с измерением порового давления (CPTU или испытания пьезоконом) становится обычным способом исследования в рамках полевых геотехнических изысканий. Внедрение зонда (пьезокона) может быть остановлено в любой момент и при этом может наблюдаться изменение во времени измеряемых параметров.

Обычная практика такова, что время изменения порового давления, получаемое в результате теста, интерпретируется для оценки (расчета) значения горизонтального коэффициента консолидации in situ C_h  (Torstensson, 1977).

Для расчета C_h требуется использовать не полное значение порового давления, а изменение во времени избыточного порового давления (δU) , которое рассчитывается по формуле:

δU = U_i – U₀                                                               (1)

где U_i – измеренное поровое давление на данной глубине,

а U₀ – равновесное (гидростатическое) поровое давление in situ на глубине расположения измеряющего элемента зонда (пьезокона).

Интерпретация данных рассеивания базируется главным образом на снижении избыточного порового давления, U, рассчитываемом как:

U =δ U(t)/ δU_i = (U(t)-U₀)/(U_i-U₀)                                                                            (2)

где δU(t) – это избыточное поровое давление в любой момент времени t после остановки внедрения зонда, δUi – это начальное избыточное давление при t = 0, т.е. измеренное в момент остановки внедрения зонда, а U(t) – это полное поровое давление в любой момент времени t.

В рамках этой статьи рассматриваются три точки расположения датчиков измерения порового давления на зонде (пьезоконе), и избыточное поровое давление будет описываться в соответствии с тем, с какого датчика получены эти данные (рис. 1а)

δU_1,2,3 = U_1,2,3 – U₀                                                                                                                                                     (3)

(здесь действует предположение о том, что фильтры расположены достаточно близко друг к другу и для расчета δU может использоваться единое значение U₀).

Распространённая практика предполагает продолжение измерения рассеивания порового давления до как минимум половинного уменьшения начального избытка порового давления (U = 0,5).

Интерпретация данных о рассеивании порового давления возможна с помощью теории расширения полости (cavity expantion theory) или подхода траектории деформации (strain path approach). Сравнение имеющихся решений и результатов полевых исследований позволяет полагать, что методы Торстенсона (1977), Леваду (1980) и Теh (1986) дают сходные прогнозы консолидационных параметров по результатам CPTU данных с измерением рассеивания порового давления для нормально консолидированных грунтов.

Рис. 1. Характерные кривые рассеивания для нормально уплотненных грунтов

Адекватность любого из вышеперечисленных решений зависит от многих факторов, наиболее важным из которых является то, насколько хорошо начальное распределение порового давления возле конуса зонда соответствует теоретической идеализации, используемой каждой из моделей. В переуплотненных грунтах вокруг конуса существуют большие градиенты порового давления (Robertson et al., 1986; Sully et al., 1988), которые могут приводить к кривым диссипации нестандартного типа.

Типичный вид кривых рассеивания (диссипации) избыточного порового давления (тип I) в мягкой нормально консолидированной глине для трех вышеупомянутых точек расположения фильтров представлен на рисунке 1а. Соответствующие нормированные кривые диссипации показаны на рисунке 1б. Все три кривые диссипации порового давления показывают монотонное уменьшение избыточного порового давления со временем и согласуются с теоретической кривой диссипации. В этих условиях данные могут быть интерпретированы в соответствии с любой из доступных теорий для оценки параметра консолидации С_h in situ, который в первую очередь и регулирует скорость диссипации в тестах CPTU (Baligh and Levadoux, 1980).

Однако, в переуплотненных грунтах в точках расположения фильтров, обозначенных как U₂ и U₃, поровые давления при остановке зондирования снижаются не сразу, а показывают начальное увеличение в течение определенного периода времени, прежде чем, наконец, начнут рассеиваться. Для точки расположения фильтра U₁ запись диссипации также может быть иного вида из-за разгрузки, которая возникает при остановке зондирования. Интерпретация этих данных диссипации для получения расчетных значений С_h в переуплотненных грунтах и является предметом этой статьи.

РАССЕИВАНИЕ В ПЕРЕУПЛОТНЕННЫХ ГРУНТАХ

Типичный пример диссипации порового давления для данных трех точек расположения фильтров в незначительно переуплотненных высокодисперсных грунтах (OCR = 4) показан на рисунке 2, где используются результаты, полученные на объекте «Strong Pit». Аналогичные типы данных диссипации (тип II) в переуплотненных грунтах для положения фильтра за конусом (U₂) были опубликованы Лютенеггером и Кабиром (1987), Coop (1987) и Lunne et al. (1986). Предполагая, что фильтрационная система была насыщена правильно, начальный рост поровых давлений, измеренный за конусом, можно соотнести с перераспределением порового давления, которое происходит вокруг наконечника зонда из-за больших градиентов, которые возникают в переуплотненных грунтах.

В значительно и сильно переуплотненных грунтах поровые давления, измеренные за конусом, могут быть меньше гидростатического или даже ниже нуля. В этом случае при остановке зондирования поровое давление возрастает и, далее, достигает равновесного значения in situ.

В зависимости от характеристик грунтов могут возникать два типа кривой диссипации:

- измеренное поровое давление может значительно увеличиваться и превышать равновесное значение In situ, если скорость перераспределения порового давления выше, чем скорость диссипации. После достижения некоторого пикового значения поровое давление затем уменьшается до достижения равновесного значения (рис. 3, тип III).

- если скорость диссипации выше скорости перераспределения, диссипация порового давления не превышает, а непосредственно достигает равновесного значения (рис. 3, тип IV).

Изменение порового давления по типу II и III может быть оценено с использованием техники коррекции, описанной ниже. Тип IV можно рассматривать как инвертированную диссипацию и обрабатывать стандартным способом (как диссипация отрицательного избыточного порового давления).

Рис. 2. Кривые рассеивания типа II для переуплотненных грунтов

Рис. 3. Вид кривых рассеивания типа III и IV в переуплотненных грунтах

Коррекция нестандартных кривых рассеивания для определения точки начала диссипации

Для коррекции кривых диссипации вышеуказанного типа были использованы два альтернативных подхода к преобразованию данных, чтобы можно было использовать доступные теории диссипации для оценки значений коэффициента консолидации. Один подход основан на анализе графика в координатах логарифма времени, тогда как другой основан на анализе графика диссипации в координатах квадратного корня из времени.

Коррекция графика для «логарифма времени»

Данные на рисунке 2, полученные в умеренно переуплотненной глине (площадка «Strong Pit»), должны быть скорректированы в соответствии с положением датчика измерения давления, то есть либо на наконечнике конуса, либо за конусом, поскольку перераспределение, которое происходит, влияет на два набора измеренных поровых давлений по-разному.

На наконечнике происходит резкое снижение порового давления при остановке зондирования. На рисунке 2 нормализованное поровое давление (как определено в уравнении (2)) через 5 секунд после начала диссипации уже уменьшилось на 25% из-за уменьшения напряжения, действующего на поверхность конуса. Для этого положения датчика в качестве начального максимального порового давления U_i, используемого для интерпретации записи диссипации, берется пиковое значение после первоначальной разгрузки, т.е. для данного конкретно случая максимальное значение соответствует 5-ой секунде измерений. Соответствующее давление и этот момент времени принимаются за нулевую временную точку (5 секунд вычитаются из регистра времени на протяжении всей записи).

Для положения фильтра позади конуса за максимальное поровое давление принимается то пиковое значение, которое достигается во время увеличения давления после остановки зондирования, и время, в которое происходит этот пик, принимается за нулевое время записи диссипации, и все остальные времена корректируются соответствующим образом.

Данные с рисунка 2, скорректированные таким образом, представлены на рисунке 4, чтобы показать новую форму нормализованных графиков диссипации. На рисунке 4 высвечены проблемы, связанные с выполнением и с интерпретацией данных диссипации в высокодисперсных грунтах для положения фильтра за конусом. Время 50%-ой диссипации увеличивается со 1100 секунд до примерно 10000 секунд, когда фильтр перемещается из U₁ в U₃.

Рис. 4. Скорректированные данные графика по логарифму времени для II типа кривых диссипации (Strong Pit)

Коррекция графика для «корня квадратного из времени»

Аналогично методу Тейлора для интерпретации одометрических (консолидационных) данных также можно обрабатывать данные диссипации с использованием метода обратной экстраполяции на графике «корня из времени» (рис. 2). На этом графике диссипация, возникающая после начального пика, вызванного перераспределением порового давления, характеризуется прямой линией, которая может быть обратно экстраполирована на момент времени t = 0, чтобы получить Ui для скорректированной кривой диссипации. Это обратное экстраполированное значение затем используется для получения нормированной кривой диссипации. Основа вышеупомянутой методики коррекции показана на рисунке 5 для положения фильтра за конусом. Принцип тот же, что и для точки измерения на наконечнике, за исключением того, что вместо увеличения порового давления начальное поровое давление внезапно падает, как обсуждалось ранее.

Дополнительным преимуществом метода «корня из времени» является то, что исходная прямая линия может быть экстраполирована до 50% уменьшения порового давления, в том случае, если в поле используются короткие периоды рассеивания, а измеренные данные для более длительных периодов недоступны (рис. 6).

В качестве альтернативного варианта начальный линейный наклон в нормированном графике порового давления для корня квадратного из времени может быть проанализирован для получения оценок С_h с использованием теоретического подхода, предложенного Teh (1987). Однако эти экстраполяции требуют дополнительной проверки перед общим использованием.

Два описанных выше метода коррекции («логарифм времени» и «корень из времени») приводят к несколько отличным значениям нормированной диссипации относительно начального скорректированного значения U_i, и значения эти, по определению, не совпадут. Полученные скорректированные данные рассеивания сравниваются на рисунке 7 (график «корня из времени» был воспроизведен в «логарифме времени» с целью сравнения). В то время как кривые диссипации для интервала U менее 25% для обеих методик коррекции могут отличаться (как и следовало ожидать для разных значений U_i), то при U = 50% ошибка относительно мала. По сути, две методики коррекции дают одинаковые значения для t₅₀. Однако кривые на рисунке 7 указывают на важность определения значения начального порового давления при t = 0 в нормированном виде кривой диссипации.

Рис. 5. Процедура коррекции данных по графику «корень из времени» для данных II типа кривых диссипации

Рис. 6. Экстраполяция данных по графику «корень из времени» для получения значения t50

ОЦЕНКА ПРОЦЕДУРЫ КОРРЕКЦИИ ДАННЫХ В ПЕРЕУПЛОТНЕННЫХ ГРУНТАХ

Основания для сравнения

Процедура коррекции графика «логарифма времени» была применена к данным тестов диссипации порового давления (CPTU) из трех мест исследований, выполненных Университетом Британской Колумбии, где в разрезе присутствуют переуплотненные грунты. Ниже приведены результаты сравнений между результатами данной коррекции и полученными в лаборатории параметрами консолидации. Метод «корня из времени» здесь не представлен, так как разница между полученными двумя методами временами имеет значение только для коротких периодов диссипации. Все результаты, представленные здесь, приведены для 50%-ой диссипации избыточного порового давления.

Горизонтальный коэффициент консолидации можно оценить из скорректированных данных CPTU, используя любую из доступных теорий. Для этого исследования был использован метод, предложенный Teh (1987). Преимущество этого метода состоит в том, что он учитывает влияние индекса жесткости IR на диссипацию порового давления и может применяться к любому положению фильтра. Значение Ch определяется по формуле:

C_h = (T* R²I_R^0,5) / t₅₀                                                                            (4)

Где T* - модифицированный временной коэффициент Teh и Houlsby (1988), R - радиус конуса в месте измерения, а I_R - индекс жесткости грунта. Результаты, представленные Danziger (1990), показывают, что методика Houlsby и Teh (1988) обеспечивает более согласованную оценку С_h, чем другие доступные методы.

Для сравнения с интерпретацией CPTU-данных представлены коэффициенты консолидации, полученные по результатам лабораторных испытаний в одометрах (по методу постоянной скорости деформации). Хотя эти данные, полученные в лаборатории, характеризующиеся значениями С_v, могут не полностью соответствовать условиям in situ, эти результаты дают основу для сравнения относительных величин зондирования. Кроме того, на исследовательских объектах с переуплотненными глинами не собрано достаточно полевых данных, т.е. нет данных полномасштабного мониторинга, и поэтому лабораторные «эталонные» значения составляют основу для сравнения.

Значения лабораторных параметров определяются по графикам в координатах «корня из времени» на каждом этапе увеличивающегося нагружения, так что доступны как данные для переуплотненных, так и для нормально уплотненных грунтов. Кроме того, на образцах, вырезанных в горизонтальной плоскости, могут быть также проведены одномерные испытания на одометре, чтобы получить оценки С_h. Следовательно, отношение С_h / С_v можно оценить из лабораторных тестов, чтобы затем скорректировать рассчитанные по данным CPTU значения С_h до значений С_v, для прямого сравнения с лабораторными данными.

Геотехническое описание рассмотренных площадок

Общие геотехнические характеристики рассматриваемых участков представлены в таблице 1.

Грунты в Lr. 232 St. – мягкие «чувствительные» глинистые осадки. На других двух участках глинистые осадки «нечувствительные» с показателем недренированной прочности до 200 кПа.

Табл. 1. Геотехнические характеристики грунтов рассматриваемых участков

σ_vm’ (кПа) – максимальное вертикальное давление, воспринятое грунтом за всю его историю (по результатам испытаний в одометрах).

Результаты сравнения

Для целей сравнения использовались только данные по поровому давлению U₁ и U₂. Время, требуемое для 50% диссипации избыточного порового давления, измеренного в точке расположения U₃, является чрезмерно большим, и использование данных из тестов диссипации в этой точке (U₃) не рассматривается авторами с точки зрения практического интереса, поскольку отсутствуют графические методы экстраполяции, которые можно использовать.

Коэффициенты консолидации, полученные по результатам тестов CPTU (С_h) и по результатам лабораторных испытаний в одометрах (С_v) были определены, как описано выше. Полученные значения сравниваются в таблице 2.

Табл. 2. Сравнение коэффициентов консолидации, полученных полевыми и лабораторными методами

Значения C_h по данным из двух мест измерения порового давления (U₁ и U₂) находятся в хорошем соотетствие друг с другом. Кроме того, значения по CPTU показывают, что время 50%-ой диссипации t₅₀ дает оценку C_h, соответствующую условиям переуплотненного грунта, то есть состоянию грунтов in situ. Следовательно, оказывается, что при степенях диссипации 50% и более, теория дает оценки коэффициента консолидации, относящегося к историческому состоянию напряжений in situ (C_h)OK, на исследуемых участках. В дополнение к этому, очевидно, из анализа рассмотренных типов кривых диссипации, что история напряженого состояния грунта может быть важным фактором, который следует учитывать при интерпретации данных диссипации по тестам CPTU. Сама кривая диссипации может быть полезна как индикатор истории напряжений в грунте.

Выводы

Значения С_h по данным CPTU обычно попадают в диапазон, очерченный лабораторными данными. Предлагаемый здесь метод коррекции приводит к последовательным оценкам Сh на основе теоретически приемлемого метода. Из-за ограниченного количества данных нет возможности рекомендовать предпочтительную точку измерения порового давления (с точки зрения проведения испытаний на диссипацию) при тестах CPTU. Предполагается, что точка расположения датчика U₃ предоставляет данные, интерпретируя которые, получаем чрезмерно длительные времена диссипации, непригодные для практического использования. С другой стороны, положение U₁ кажется хорошим местом расположения датчика, из-за более высокой скорости диссипации. В высокодисперсных грунтах время, необходимое для диссипации избыточного порового давления при тестах CPTU, может быть очень большим и в результате нецелесообразно выполнять такие тесты в полевых условиях. В этом отношении полезно использовать графическую экстраполяционную технику, при которой данные по начальному короткому периоду диссипации могут быть математически смоделированы для прогнозирования полной кривой диссипации. Как вариант, может быть использован также и метод интерпретации «корня из времени» для экстраполяции краткосрочных тестов диссипации.

Представленные здесь результаты являются предварительными и необходимо дальнейшее изучение вопроса.

Список литературы

1. Baligh.M.M. & Levadoux,J.L. (1980) Pore pressure dissipation after cone penetration. Massachusetts Institue of Technology Report No. MITSG 80-13, Cambridge, Mass..
2. Campanella,R.G. & RobertsonJ’.K. (1988) Current status of the piezocone test. Proc. 1st International Symposium on Penetration Testing, ISOPT-1,Orlando, 1:93-116. A. A Balkema, Holland. Coop,M.R. & Wroth,C.P. (1989) Field studies of an instrumented model pile in clay. Geotechnique, 39:4:679-696.
3. Danziger,F.A.B. (1990) Desenvolvamento de equipamento para realizao de ensaio de piezocone: aplicao a argilas moles. Ph.D thesis, Universidade Federal de Rio de Janeiro, COPPE, 593p.
4. Kabir.M.G. & Lutenegger,A.J. (1990) In situ estimation of the coefficient of consolidation of clays. Canadian Geotechnical Journal, 27:1:58-67.
5. Lunne.T., Eidsmoen,T., Powell,J.J.M. & Quarterman,R.S.T. (1986) Piezocorie testing in overconsolidated clays. NGI Report 52155-42, Norwegian Geotechnical Institute, May, lOpgs.
6. Soares,M.M., Lunne.T. & Lacasse.S. (198У) In situ site investigation techniques and interpretation for offshore practise. Interpretation of dissipation tests in Onsoy clay. Norwegian Geotechnical Institute, Oslo, Internal Report 40019-5,45p.
7. Sully,J.P., Campanella, R.G. & Robertson, P.K. (1988) Overconsolidation ratio of clays from penetration роте pressures. Proc. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 114:2:209-216. Teh, C.I. (1987) An analytical study of the cone penetration test D.Phil. Thesis, Oxford University, UK.
8. Torstensson, B.-A. (1977) The pore pressure probe. Geotech. Meeting, Norwegian Geot. Soc., Oslo. Paper 34,34.1-34.15.

Опубликовано с разрешения авторов.

Перевод статьи «Evaluation of field CPTU Dissipation data in overconsolidated fine-grained soils», 1994 г. Нью-Дели, Индия.

Благодарим Петра Космиади за перевод статьи на русский язык.