В современных условиях, когда большая часть геотехнических расчетов выполняется с использованием программных комплексов, реализующих нелинейные модели механики грунтов (в т.ч. с использованием давления переуплотнения), наряду с параметром модуля деформации в отечественных нормативных документах просто обязательно должен присутствовать параметр индекса/коэффициента компрессии, а также четко определено понятие линии нормального уплотнения. Также обязательно должны присутствовать требования по оценке параметров нарушения природной структуры лабораторных образцов и необходимость выполнения корректировочных процедур (в зависимости от классификации образца по степени нарушения природной структуры). В настоящей статье приводятся достаточно веские аргументы в пользу этого. Также в статье приведены существенные преимущества применения параметров индекса/коэффициента компрессии.
Применяемые в инженерной практике параметры сжимаемости грунтовых сред очень тесно связаны с методами расчетов осадок. В нашей стране уже традиционно для оценки параметров сжимаемости применяется величина модуля деформации. Использование такой константы имеет важное преимущество – простота определения и возможность применения к различным грунтовым средам.
Для описания параметров сжимаемости используются линейные, а также нелинейные модели. Основной целью использования нелинейных моделей оценки компрессионной сжимаемости по существу является необходимость аппроксимаций в более широких интервалах напряжений. Здесь традиционно для оценок сжимаемости используются модели, описывающие изменение коэффициента пористости в зависимости от логарифма напряжения e-log(Ϭ'), а также использующие степенной закон – зависимость от степени напряжения e-Ϭ'β.
Можно отметить, что в различных странах инженеры используют, как правило, несколько констант для описания параметров сжимаемости (в зависимости от выбранной математической модели грунта).
Обычно для метода расчета осадок используется метод, предложенный К. Terzaghi [16], который использует полулогарифмический закон. В качестве константы сжимаемости используется индекс компрессии (обозначают как
В уравнении (1)
Другим распространенным параметром для оценки положения линии нормального уплотнения является коэффициент компрессии
Помимо традиционного метода расчета осадок, предложенного К. Terzaghi, в скандинавских странах достаточно широко распространен метод расчета осадок, предложенный N. Janbu и J. Ohde в 1967,1969 гг. [6-10]. Метод основан на использовании аппроксимации результатов компрессионных испытаний с помощью касательного модуля, выражаемого уравнением:
здесь
здесь
Использование метода Janbu-Ohde для северных слабых глинистых грунтов позволяет более точно оценивать деформируемость в более широком интервале напряжений.
Принято считать, что методы, типа Janbu-Ohde более точно описывают деформации в зависимости от уровня напряжений. Между тем в последние 30 лет появилось много модификаций полулогарифмического метода для достаточно широких интервалов напряжений [3,5]. Это позволяет использовать константы, определяемые уравнениями (1) и (2) для слабых грунтов с учетом больших интервалов напряжений.
В настоящее время по всему миру на площадках с различными инженерно-геологическими условиями накоплен значительный объем исследований и разработано большое количество корреляционных зависимостей индекса и коэффициентов компрессии от физических свойств грунтов. При чем как относительно простых, так и сложных кросскорреляционных зависимостей, использующих целый ряд параметров.
Как уже указывалось, к сожалению, в отечественных стандартах нет понятия индекса компрессии, и соответственно, понятия линии нормального уплотнения. Хотя это не совсем так, поскольку при определении давления переуплотнения методом A. Casagrande фактически определяется положение линии нормального уплотнения и затем давление переуплотнения [4]. Таким образом, остается не ясным, почему в российских стандартах при наличии метода определения давления переуплотнения A. Casagrande фактически отсутствует понятие индекса/коэффициента компрессии?
Помимо накопленного значительного опыта исследований параметра индекса компрессии для различных инженерно-геологических условий, что позволяет выполнить сравнение и оценить основные закономерности параметров сжимаемости грунтовых сред, имеется еще ряд существенных преимуществ применения параметров индекса/коэффициента компрессии.
1. Среди несомненных преимуществ использования указанных констант является возможность выполнения их корректировки с учетом нарушения природной структуры лабораторного образца [см. здесь]. Общую коррекцию компрессионной кривой можно выполнить с помощью упрощенной процедуры J.N. Schmertmann [14].
С помощью этой процедуры можно корректировать, соответственно, значение индекса компрессии и величину давления переуплотнения (коэффициент переуплотнения).
Как правило, геотехниками применяется наиболее простой вариант процедуры корректировки, которая состоит из нескольких шагов (рис. 1):
Коррекция компрессионной кривой позволяет более точно выполнить расчеты осадок с учетом применения метода К. Терцаги.
2. Рассматриваемый параметр применяется в большинстве современных классических моделей грунтовых сред типа Cam-Clay, modified Cam-Clay, которые стали фактически базовыми для выполнения численных геотехнических расчетов и реализованы в различных программных комплексах. Действительно, сейчас невозможно себе представить выполнение численных длительных расчетов осадок зданий и сооружений на слабых основаниях без применения моделей типа Soft soil, Soft soil creep [15,17]. А ведь основным параметрами этих моделей является именно индекс/коэффициент компрессии.
Для выполнения геотехнических расчетов необходима подготовка исходных данных и их верификация. Одними из самых простых методов верификации являются оценка различных соотношений индекса компрессии. Так, например, хорошо известны инженерные оценки основных соотношений:
- индекса компрессии и рекомпрессии (Сс/Сr);
- индекса компрессии и вторичной консолидации (Сa/Сc – табл.1.);
- степени скорости деформации для реологических изотаховых моделей (Сс-Сr)/Сa [14,16];
- индекса компрессии и фильтрации (Сс/Сk);
- степени изменения коэффициента фильтрации в зависимости от коэффициента переуплотнения (Сс-Сr)/Сk;
Таблица. Реологические параметры грунтов (G. Mesri, S. Leroueil [2,14])
Возможность использования при разработке геотехнических решений процедуры SHANSEP (stress history and normalizing engineering soil properties). На основе оценок параметра нормализованной недренированной прочности было предложено соотношение [11]:
Индексы
На основе метода SHANSEP возможна как оценка недренированной прочности (в т.ч. моделирование природного напряженного состояния), так и оценка коэффициента переуплотнения по результатам лабораторных или полевых испытаний.
Очевидно, что в современных условиях, когда большая часть геотехнических расчетов выполняется с использованием программных комплексов, реализующих нелинейные модели механики грунтов (в т.ч. с использованием давления переуплотнения), наряду с параметром модуля деформации в отечественных нормативных документах просто обязательно должен присутствовать параметр индекса/коэффициента компрессии, а также четко определено понятие линии нормального уплотнения. Также обязательно должны присутствовать требования по оценке параметров нарушения природной структуры лабораторных образцов и необходимость выполнения корректировочных процедур (в зависимости от классификации образца по степени нарушения природной структуры). В настоящей статье приводятся достаточно веские аргументы в пользу этого. Поскольку отсутствие одного из основных параметров сжимаемости в отечественных ГОСТ значительно сужает возможности и точность геотехнических расчетов.
Список литературы