Говоря о возможности выполнения точных геотехнических расчетов, автор статьи останавливается на таком вопросе, как критерии нарушения природной структуры лабораторных образцов грунта. Им отмечено, что на сегодняшний день зарубежными специалистами (Andersen, Kolstad и Lunne T.) предложен ряд таких критериев. И если опираться на них, то большинство образцов, выдаваемых изыскательскими организациями под видом образцов с ненарушенной структурой, на самом деле относятся по этим критериям к плохим и очень плохим.
Васенин Владислав АнатольевичГлавный специалист по геотехнике ООО «ПИ Геореконструкция», к.т.н., член Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, член Международной ассоциации геотехников ISSMGEvavasenin@mail.ruПервого января 2020 г. Федеральным агентством по техническому регулированию был принят к использованию ГОСТР ИСО 22475-1-2017 «Геотехнические исследования и испытания. Методы отбора проб и измерения подземных вод. Часть 1. Технические принципы для выполнения» (в настоящее время действие этого стандарта приостановлено). Согласно этому стандарту, выделяются 3 категории отбора проб. Для определенных грунтовых условий эти категории качества определяют возможный лабораторный класс качества образцов (от 1 до 5). Документ регламентирует методы производства работ по отбору образцов в определенных инженерно-геологических условиях для получения образцов необходимого качества для геотехнических целей. Согласно ряду требований Еврокода 7 и упомянутых выше ГОСТ, в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга лабораторные образцы грунта также должны отбираться с помощью грунтоносов. Регламентируемые ГОСТР ИСО 22475-1-2017 требования касаются не только определений характеристик деформируемости, но и определения физических характеристик грунтов.
В России в соответствии с подзаконными актами (постановлениями правительства) широко применяется практика деления национальных стандартов на обязательные к выполнению и выполнению на добровольной основе. Также эта практика применяется к отдельным разделам строительных норм.
Естественно, что применение указанного стандарта на добровольной основе отдельными изыскательскими организациями в текущих экономических условиях сделает их не конкурентными на рынке геологических изысканий по целому ряду причин – скорости выполнения изысканий, их стоимости, а также из-за необходимости выполнения работ силами высококвалифицированного технического персонала.
В этой ситуации оказывается весьма естественным, что в обычной практике производства инженерно-геологических изысканий в России, как правило, не выполняется отбор образцов с помощью специальных грунтоносов. В результате чего степень нарушения природной структуры образцов значительно повышается [1].
Согласно этому критерию, чем меньшую деформацию будет испытывать образец при величине природного напряжения в скелете, тем более качественным будет образец и, соответственно, результаты одометрического испытания. В соответствии с выбранным критерием авторами [2] была разработана шкала оценки степени нарушения природной структуры образца (см. табл. 1). Согласно этой шкале, образцы по степени нарушения природной структуры (по степени качества образца) разделены на 5 категорий (А-хороший, E-плохой).
Подобный же критерий был предложен Lunne T. и др. [3]. Этот критерий определяется относительным изменением коэффициента пористости Де/е0 при достижении природного эффективного напряжения на стадии реконсолидации
Таблица 1. Градация качества образца по критерию деформации по А. Andersen и Р. Kolstad [2]
Таблица 2. Градации качества образца по критерию деформации по K. Terzaghi и др. [4], и T. Lunne и др. [3]
Критерий нарушения природной структуры, предложенный Lunne T. и др. [3] оказался довольно практичным и простым. Он нашел отражение в норвежском стандарте NORSOK [5]. Критерий применяется для морских отложений, которые формировались за счет уплотнения под собственным весом. Такие же рекомендации для оценки качества лабораторных образцов на шельфе приведены в СП 23.13330.2018 «Основания гидротехнических сооружений».
![Рис. 1. Зависимость объемной деформации лабораторного образца от уровня бытовых вертикальных напряжений для образцов грунта четвертичного генезиса по результатам одометрических испытаний [1]](/images/dynamic/img43736.jpg)
![Рис. 2. Зависимость относительного изменения коэффициента пористости лабораторного образца от уровня бытовых вертикальных напряжений для грунтов четвертичного генезиса по результатам одометрических испытаний [1]](/images/dynamic/img43737.jpg)
На рисунках 1 и 2 приведены результаты статистической обработки более 3000 одометрических испытаний в Санкт-Петербурге, выполненных в период с 2003 по 2018 гг. различными изыскательскими организациями для четвертичных отложений (преимущественно слабые морские, озерно-морские и озерно-ледниковые отложения). Средняя величина относительных объемных деформаций образцов четвертичного происхождения при величине природного эффективного напряжения составляет порядка 6-7%. Относительное изменение коэффициента пористости составляет порядка 14-15%. По результатам статистической оценки качество образцов, отобранных на нескольких десятках площадок в Санкт-Петербурге, в соответствии с таблицей 2 определяется как «плохое» и «очень плохое». Однако в каждом отчете об инженерно-геологических изысканиях на площадке обязательно содержится утверждение, что физико-механические характеристики получены на образцах ненарушенной структуры. Причем одинаково плохие результаты по оценкам качества образцов в соответствии с рассматриваемыми критериями прослеживаются без исключения для всех изыскательских организаций.
Учитывая плохое качество лабораторных образцов грунта, стандартные методы (приведенные в ГОСТ) определения расчетных прочностных и деформационных характеристик, например, для выполнения численных расчетов, оказываются не применимыми. В этом достаточно легко убедиться, рассмотрев результаты практически любого численного расчета развития деформаций здания во времени. При мощности слабых глинистых отложений в Санкт-Петербурге порядка 10-15 м и допускаемых абсолютных значений осадок сооружений в соответствии с действующими нормами до 18-20 см, наибольшие объемные деформации слабого сжимаемого грунтового массива составят до 3%, а в среднем по грунтовому массиву – до 1%. Средние значения деформаций грунтового массива по результатам расчетов оказываются более чем в 6-7 раз меньшими, чем претерпели образцы только на этапе отбора и подготовки, включая моделирование природного напряженного состояния. Соответственно, говорить о приемлемой точности геотехнических расчетов, на основе определенных прочностных и деформационных характеристиках не приходится. В этих условиях для выполнения сложных численных нелинейных расчетов (в том числе для определения развития деформаций во времени) необходимо использовать специальные методы восстановления деформационных и прочностных характеристик, а также давления переуплотнения.
Здесь также нужно отметить, что рассматриваемые критерии нарушения качества образцов не являются универсальными. Необходима разработка более представительных критериев оценки степени нарушения природной структуры лабораторных образцов и соответствующее уточнение градаций качества для уже известных критериев применительно к инженерно-геологическим условиям отдельных регионов.
Более широкое отражение конкретных требований к оценке нарушения природной структуры глинистых грунтов должно содержаться в обязательных требованиях к проведению инженерно-геологических изысканий для объектов повышенного уровня ответственности, в условиях распространения слабых грунтов, а также при проведении исследований свойств грунтов при малых деформациях.
Список литературы
В представленной работе автором рассматривается актуальная задача современного геотехнического строительства - оценка качества образцов, поступающих в лабораторию для экспериментальных исследований. Действительно, лабораторные испытания являются основным источником сведений о механических свойствах дисперсных грунтов для последующих расчетов (а в случае численного моделирования - в принципе единственным источником). Очевидно, что нарушения структуры, возникшие при отборе, транспортировке и хранении не позволяют считать поступивший образец представительным.
К сожалению, в нашей стране строгие требования по обеспечению качества образцов отсутствуют до сих пор. Между тем, влияние нарушения структуры на свойства, а главное - методики корректировки за рубежом разрабатываются уже довольно давно, и входят в требования системы документов Еврокод. Автором выполнен обзор существующих критериев, подчеркивается необходимость разработки аналогичной отечественной системы.
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне: автором проведен анализ зарубежных работ, все выводы и закономерности опираются на обширные статистические данные. Исследование представляет безусловный интерес для специалистов в области инженерных изысканий и геотехнического строительства.
