Естественная прочность и деформируемость глинистых грунтов. Часть 2

Введение

В первой части статьи мы подробно обсудили вопросы применения определения прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов методом пенетрации одним усилием – конусом постоянной массы [15].

Кроме того, мы пришли к выводу, для каждого типа контактов в глинистом грунте необходимо применять свой метод лабораторного определения механических свойств. Для первой группы – крыльчатый зонд, для второй одноплоскостной срез, для третей – одноосное раздавливание (в самом деле, сложившаяся ситуация вызывает, как минимум серьёзные вопросы: как если бы для определения естественной влажности грунтов (We) в зависимости от их природного состояния применялись различные методы определения).

Существующий парадокс, тем не менее, вполне разрешим, если использовать для определения прочностных и деформационных свойств грунтов единый метод применимый для всех типов видов и разновидностей грунтов вне зависимости от его природного (исходного) состояния – метод ступенчатой пенетрации.

В настоящее время в нормативных документах, регламентирующих проведение инженерных изысканий для строительства, в частности в основном ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» [7], термин «пенетрация» не встречается вовсе. Очевидно это понятие завуалировано сокращением «др.» в определении сопротивление недренированному сдвигу. Мотивы редактуры этого приложения не совсем понятны, ведь совершенно очевидно, что с_u может (и должен) определятся методом лабораторной пенетрации в том числе. Напомним, что в первой редакции ГОСТ 25100-11 приложение А.22 звучало так: «Сопротивление недренированному сдвигу сu, кПа величина, определяемая по результатам недренированных лабораторных или полевых испытаний глинистых грунтов (трёхосные испытания, пенетрация, вращательный срез, зондирование и др.)». Из текста документа, впрочем, было совершенно непонятно, о какой пенетрации шла речь: «полевой» или «лабораторной».

В настоящее время этот пункт выглядит следующим образом: «А.22 Сопротивление недренированному сдвигу с_u, кПа, – прочность глинистых грунтов, определяемая по результатам недренированных лабораторных или полевых испытаний (трехосные испытания, вращательный срез и др.)» [7].

Тем не менее, безотносительно к наличию или отсутствию данного метода определения показателей свойств грунтов в современном корпусе нормативных документов, регламентирующих проведение лабораторных испытаний грунтов, удельное сопротивление пенетрации (R) – важнейшая объективная прочностная характеристика грунта. Зная R можно определить величину сцепления грунта – с, угол внутреннего трения – φ, сопротивление недренированному сдвигу – с_u.

В целом, удельное сопротивление пенетрации – это интегральная величина, характеризующая гранулометрический состав грунтов, их влажность, плотность, степень сложения, – все то, чем в современном теоретическом грунтоведении оперирует теория контактных взаимодействий в грунте («физико-химическая механика природных дисперсных сред») и «теория эффективных напряжений в грунтах».

Кроме того, пенетрационные испытания грунтов – один из двух (пенетрация конусом и крыльчатый зонд) способов определения механических свойств текучих и текучепластичных глинистых грунтов без нарушения их исходного состояния.

Важнейшим моментов в обсуждаемой проблематике является то, что консистенция грунтов в естественном сложении (Св – cone Boychenko) – частный случай (для текучих и пластичных разновидностей глинистого грунта) более общего, фундаментального понятия (свойства) – удельного сопротивления пенетрации (R). Если в первом случае определение Св происходит без приложения внешнего дополнительного усилия, то во втором, при возрастающей дополнительной (ступенчатой) нагрузке после наступления стабилизации осадки конуса после предыдущей.

История изучения свойства «сопротивление грунта вдавливанию»

Первые отечественные пенетрационные испытания грунтов относятся к 20–30-м гг. ХХ века, когда в практику лабораторных исследований грунтов было введено определение верхнего предела пластичности (границы текучести) с помощью балансировочного конуса Васильева (угол 30°, вес 76 г). Конус А.М. Васильева впервые появился в 1936 г. в так называемой «полевой сумке военного грунтоведа» [5]. Тогда же рассматриваемый метод вошёл в нормативные документы (ОСТ 90004-38 и У-24-41 Наркомстроя). Кстати, это еще один совершенно забытый эпизод отечественной истории инженерной геологии. Простой, продуманный, компактный и удобный набор инструментов для оперативного принятия решений непосредственно в экспедиционных условиях. «Сумка военного грунтоведа» со временем трансформировалась в полевую лабораторию Литвинова (ПЛ-2) – незаменимый инструмент изыскателей старшего поколения.

В основе метода лежит основная идея пенетрации, применяемая по настоящее время: проникновение конуса с определённым углом раскрытия в грунт до определённой глубины (в данном случае – 10 мм).

Отметим, что основоположник изучения физико-механических свойств грунтов как объектов геологической природы В.В. Охотин как своих в статьях, так и в первом в мире учебнике «Грунтоведение», совершенно четко различал понятия «сопротивление грунтов вдавливанию» и «сопротивление грунтов сжатию», подразумевая под первым именно пенетрационные испытания грунтов [22].

Большой вклад в теорию и практику пенетрационных испытаний грунтов внёс П.О. Бойченко [1, 2]. В 1964 г. в вышедшей посмертно монографии «Определение пределов пластичности и консистенции глинистых грунтов методом конуса» изложена теоретическая база пенетрационных испытаний грунтов конусом постоянного веса (300 г) и углом раскрытия 30°.

В последующее время существенный вклад в теорию лабораторной пенетрации грунтов внесли В.Ф. Разоренов [23], Е.Н. Богданов [2, 3], Н.П. Иваникова [11, 12] и другие исследователи. В результате выполненных ими работ выявлены основные зависимости глубины проникновения конуса в грунт от гранулометрического состава и основных физико-химических свойств (влажность, плотность, консистенция) грунтов различных видов и разновидностей. Данные зависимости получены для конуса различного веса и различных углов раскрытия 30°, 45°, 60°, 90°, а также шарикового штампа определённого диаметра.

Ступенчатая пенетрация грунтов

В настоящее время различают два вида проведения лабораторных пенетрационных испытаний:

1.Пенетрация «одним усилием – конусом постоянной массы», как правило, конусом Бойченко (m = 300 г и углом раскрытия 30°). Свободное внедрение конуса в образец грунта.

2.Ступенчатая пенетрация – после свободного внедрения конуса в образец грунта происходит дальнейшее вдавливание конуса в грунт путем приложения ступенчато возрастающей нагрузки. Ступени нагрузки на конус выбирают в зависимости от консистенции испытываемого грунта. Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации, составляющей не более 0,1 мм за 30 с. Каждое испытание включает 6-9 ступеней нагрузки. Общая глубина погружения конуса должна достигать 15-20 мм. Вес конуса и угол его раскрытия может быть различным.

Теория проникновения конуса в пластичную среду в общем виде подчиняется простой зависимости:

R = P/h² (1),

где: R – удельное сопротивление пенетрации,

Р – масса внедряемого конуса,

h – глубина проникновения конуса в грунт.

В 1976 г. Стройизыскания Госстроя РСФСР, выпустило ныне основательно забытый ВНМД 26–76 [6], где методу пенетрации посвящено буквально полстраницы (пп. 6.104-6.108), и приведена таблица «чувствительности грунта», определяемы соотношением (1)

Данная таблица присутствует в СНиП П-15-74 (табл. 8) и выглядит следующим образом (табл. 1).

Таблица 1. Чувствительность грунта по удельному сопротивлению пенетрации

Тут необходимо отметить, что эволюция и трансформация существующих методов определения свойств грунтов, внедрение новых и существенная корректировка используемых методик (а вместе с этим актуализация и пересмотр ГОСТ) в области исследования свойств грунтов – тема для совершенно отдельного исследования. Стандарты – это своеобразные временные индикаторы состояния теоретического и практического потенциала государства, его технологической и производственной базы в той или иной сфере промышленности. ГОСТ не просто инструкция, это своего рода юридически зафиксированная техническая культура общества.

Единственным нормативно-техническим документом, в котором достаточно подробно описана методика лабораторного определения указанного показателя, является РСН 51-84, где она приведена в приложении 9 [25]. Интересно отметить, что точно такая же таблица фигурирует и в этих рекомендациях, но уже под названием «Классификация пылевато-глинистых грунтов по удельному сопротивлению пенетрации».

Кольцо с образцом помещают на столик пенетрометра, подводят острие конуса к поверхности грунта, закрепляют подвижную часть пенетрометра, индикатор устанавливают на нулевую отметку. Убрав защелку пенетрометра, позволяют конусу свободно внедряться в образец в течение 30–60 с, отмечая его погружение по индикатору. Дальнейшее вдавливание конуса происходит путем приложения возрастающей ступеням и нагрузки. Ступени нагрузки на конус выбирают в зависимости от консистенции испытываемого грунта:

Таблица 2. Выбор ступеней нагрузки на конус в зависимости от показателя текучести грунта

Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации деформации, составляющей не более 0,1 мм за 30 с. При каждом испытании осуществляют 6–9 ступеней нагрузки. Общая глубина погружения конуса должна достигать 15–20 мм. Далее, по данным каждого опыта строят график зависимости квадрата глубины погружения конуса h² от вертикального усилия, передаваемого на конус Р, на котором точки должны располагаться на прямой, выходящей из начала координат.

Изложенная методика распространяется на все пылевато-глинистые грунты (исключая пылевато-глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения размером более 2 мм в количестве более 10% по массе) и устанавливает метод лабораторного определения удельного сопротивления пенетрации – Рn. По данному показателю пылевато-глинистые грунты классифицируются согласно таблице 3.

Таблица 3. Классификация пылевато-глинистых грунтов по удельному сопротивлению пенетрации

Из недостатков методики следует отметить следующее:

1.Не стандартизированы технические параметры конуса (вес варьируется от 150 до 300 г.)

2.Абсолютно нецелесообразно проводить ступенчатую пенетрацию для текучих и текучепластичных разностей, т.к. глубина проникновения конуса в эти грунты, как правило, сразу составляет величину более 10 мм.

3.Нормированная глубина проникновения конуса в грунт 15–20 мм кажется излишней (особенно для полутвердых и твердых грунтов). Представляется обоснованным проведение ступенчатой пенетрации для остальных градаций грунта по показателю текучести (от мягкопластичной до твёрдой) до постоянной величины глубины погружения конуса в грунт h = 10 мм.

4.Неудачное обозначение удельного сопротивления пенетрации – Рn. В других отечественных и зарубежных методиках по данному вопросу существует консенсус. Буквенное обозначение данного свойства – R.

Таким образом, нам представляется обоснованным и целесообразным выработать единый подход для всего комплекса лабораторных работ, связанных с пенетрацией, а именно: объединить в одном методе преимущества как пенетрацией одним усилием – конусом постоянной массы, так и ступенчатую пенетрацию грунтов. И в первом, и во втором случаях идет речь о разрушении природного микростроения грунта с присущим только ему конкретным типом контакта и определением естественной (природной) величины сцепления и угла внутреннего трения.

Итак, для текучих и текучепластичных пылевато-глинистых грунтов производить определение удельного сопротивления пенетрации только одним усилием – конусом постоянной массы. Для пылевато-глинистых грунтов (от мягкопластичных до твёрдых) определение удельного сопротивления пенетрации производить сначала только одним усилием – конусом постоянной массы, по достижении предельной глубины свободного проникновения конуса в грунт осуществлять ступенчатую пенетрацию грунтов.

И, без всякого сомнения, в качестве свойства грунта первого порядка, объективного показателя состояния грунта, ввести, наконец в практику лабораторных определений показатель консистенции грунта естественного (ненарушенного) сложения для всех состояний пылевато-глинистых грунтов.

Анализируя международные нормативно-технических документы соответствующей тематики (как полевых, так и лабораторных испытаний грунтов), необходимо отметить, что они достаточно широко внедрены в практику инженерных (геотехнических) изысканий, как в Европе [28, 31, 32], так и в Северной Америке [29, 30].

При анализе вышеупомянутых документов можно сделать следующие выводы:

1. Лабораторная пенетрация грунтов активно используется в зарубежной практике инженерных изысканий;
2. Лабораторная пенетрация грунтов находится в сфере нормирования;
3. Методики определения R, в целом, аналогичны отечественным разработкам в данной области;
4. Определяемые показатели аналогичны отечественным R и Св.

Проанализировав большое (более 10000 шт.) количество определений удельного сопротивления пенетрации для грунтов Санкт-Петербурга удалось обобщить полученные данные в виде зависимости удельного сопротивления пенетрации R от консистенции грунтов естественного сложения Св. Подчеркнём, что данные графики строились с безусловным учётом типа контактов в грунте [14].

Для глинистых грунтов с коагуляционными (текучие) и переходными контактами (от теукепластичных до твёрдых) R определялась по глубине проникновения конуса Бойченко в грунт (пенетрация одним усилием). График зависимости будет иметь вид (рис. 1)

Рис. 1. График зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов с коагуляционными и переходными контактами

Для глинистых грунтов с фазовыми и цементационными контактами (полускальные и скальные грунты) удельное сопротивление пенетрации определялось ступенчатой нагрузкой до полного разрушения образца. График зависимости представлен на рисунке 2.

Рис. 2. График зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов с переходными цементационными контактами

И наконец, совместив обе кривые, мы получим обобщённый график зависимости «удельного сопротивления пенетрации (R) от консистенции грунтов в естественном сложении (Св)» для минеральных глинистых грунтов (рис. 3).

Рис. 3. Обобщенный график зависимости «консистенция грунтов естественного сложения (Св) – удельное сопротивление пенетрации (R)» для минеральных глинистых грунтов

Необходимо отметить очень высокие доверительные вероятности всех трёх графиков (R² варьируется от 0,91 до 0,98), что говорит об устойчивой связи между этими величинами.

Важный момент, который необходимо отметь в контексте обсуждения данной методики заключается в том, что со всех точек зрения определение прочностных свойств грунтов с цементационными структурными связями (полускальных) уместнее проводить методом одноосного сжатия (Rсж). Причина очевидна: площадь испытуемого образца (минимальные грани параллелепипеда 40х80 мм) кратно больше разрушаемого единичного контакта между грунтовыми элементами, вследствие чего получаемая величина гораздо представительнее.

Результаты исследований можно свести в табличную форму (табл. 4), в которой сведены R, φ, c, для супесей, суглинков и глин.

Таблица 4. Сводная таблица показателей прочностных свойств глинистых грунтов с учетом их консистенции (Св) при естественном сложении от удельного сопротивления пенетрации (R).

Немаловажное (а порой единственно объективное) значение и неоспоримое преимущество метода пенетрации является объективный контроль полученного кернового материала. Определенные по единой методике исходные параметры грунта (в полевых условиях и в стационарной грунтовой лаборатории) позволят оценить, во-первых, структурные изменения (если таковые имеются) заключенные в самой природе грунта (тиксотропия, разуплотнение, линейная и объемная усадки и т.д.), а во-вторых, полностью снимут вопросы полемики вокруг транспортировки образцов в стационарную грунтовую лабораторию. Изменение значений глубины погружения конуса в грунт сразу после его отбора непосредственно и это же значение, полученное после вскрытия монолита в лаборатории, выведут дискуссию на совершенно другой уровень: либо эти изменения связаны с самой природой грунта, о чем сказано выше, либо это прямое нарушение правил отбора, упаковки и транспортировки образцов.

Выводы

Вследствие включения показателей консистенции грунта в естественном сложении (Св) и удельное сопротивление пенетрации (R) в правовое поле общефедеральных стандартов произойдут следующие важнейшие и крайне актуальные изменения:

1.Определение консистенции грунта в естественном сложении, как объективного показателя природного состояния грунта и смысловое разделение с расчетным показателем текучести грунта в нарушенном сложении;

2.Определение удельного сопротивления пенетрации с последующим расчетом величины сцепления грунта – с, угла внутреннего трения – φ, сопротивления недренированному сдвигу – с_u еще одним лабораторного определения прочностных и деформационных характеристик – лабораторной пенетрацией грунта, в том числе и для внутрилабораторного контроля определения этих показателей другими лабораторными методами, отраженными в нормативной базе [9];

3.Усиление контроля над отбором, транспортировкой и сохранностью образцов грунта, доставляемых в стационарную грунтовую испытательную лабораторию;

4. В перспективе – определение плотности сложения природных (естественных) песчаных грунтов, и расширение применения метода на строительство (качество трамбовки дна котлованов, экспресс-контроль за уплотнением полотна дорожной одежды и т.д.

В настоящее время «Охотинское общество грунтоведов» инициировало и разработало общефедеральный стандарт ГОСТ 34276-2017 «Грунты. Методы лабораторного определения удельного сопротивления пенетрации», вступившем в силу с 01.03.2018, где были законодательно закреплены основные принципы применения данного метода при испытаниях грунтов для целей строительства.

Список литературы

1.Бойченко П.О. Определение пределов пластичности, консистенции и коэффициента структурной прочности связных грунтов методом конуса, ЛГУ, 1950, с. 5-32.

2.Бойченко П.О. Определение пределов пластичности и консистенции глинистых грунтов методом конуса. Л.: Изд-во ЛГУ, 1964. 47 с.

3.Богданов Е.Н., Иванов И.П., Руднева И.Е. Применение пенетрации при сдвиговых испытаниях грунтов естественной прочности. – В сб. «Современные методы определения механических характеристик слабых грунтов». Л., ЛДНТП, 1979, с. 52-56.

4.Богданов Е.Н. О механических свойствах глинистых грунтов. Грунтоведение. 2012, № 1, с. 62-70.

5.Васильев А.М. Лабораторные исследования физических и водных свойств грунтов. М., Госгеолиздат, 1941, 89 с.

6.ВНМД 26-76 Руководство по лабораторным исследованиям физико-механических свойств грунтов при производстве инженерных изысканий для строительства. М., Госстрой РСФСР, Стройизыскания, 1976, 137 с.

7.ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: Стандартинформ, 2013. 38 с.

8.ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы определения физических характеристик. М., Издательство стандартов, 1985. 24 с.

9.ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ, 2013. 78 с.

10.Дерягин Б.В. Чураев Н.В. Муллер В.М. Поверхностные силы. М., Наука, 1987, 398 с.

11.Иваникова Н.П. Методы исследования механических свойств грунтов. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1996. 93 с.

12.Иваникова Н.П. Физико-химические свойства грунтов и методы их исследования. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1999. 67 с.

13.Здобин Д.Ю., Семенова Л.К. Показатель текучести и консистенция – основные физико-химические показатели состояния грунтов. Инженерные изыскания, 2013, № 5, с. 28-33.

14.Здобин Д.Ю. О консистенции грунтов естественного сложения. 17 Сергеевские чтения, М., 2015, с. 554-561.

15.Здобин Д.Ю. Естественная прочность и деформируемость глинистых грунтов. Часть 1. Исследования путём пенетрации одним усилием. Инженерные изыскания, 2015, № 7, с. 30-38.

16.Иваникова Н.П. Методы исследования механических свойств грунтов. СПб, СПбГУ, 1996, 93 с.

17.Иванов И.П. Определение показателей сопротивления сдвигу грунтов характеризующих их естественную прочность. Вестник ЛГУ, 1975, № 6, с. 73-79.

18.Кульчицкий Л.И. Габибов Ф.Г. Методы исследования свойств глинистых грунтов. Адильоглы, Баку, 2004, 185 с.

19.Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. М., ГЕОС, 2013, 576 с.

20.Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах. Грунтоведение. 2013, № 2, с. 3-35.

21.Осипов В.И., Карпенко Ф.С., Румянцева Н.А. Активная пористость и ее влияние на физико-механические свойства глинистых грунтов. Геоэкология, 2014, №3, с. 262-269.

22.Охотин В.В. Грунтоведение. СПб, ЦГГ, 2008, 231 с.

23.Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов. М., Стройиздат, 1968, 182 с.

24.Ребиндер П.А. Семененко Н.А. О методике погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств пластично-вязких тел. Доклады АН СССР, т. 64, 1949.

25.РСН 51-84. Инженерные изыскания для строительства. Производство лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов. М., ПНИИС, 1984, 38 с.

26.Соколов В.Н. Инженерно-геологическая классификация микроструктур глинистых пород. Инженерная геология, 1988, № 4, с. 25-41.

27.Соколов В.Н. Модели микроструктур глинистых грунтов. Инженерная геология. 1991. №6, с. 32-40.

28.CEN ISO/TS 17892-6 Geotechnical investigation and testing – Laboratory testing of soil – Part 6: Fall cone test.

29.ASTM D3441-98 Standard Test Method for Deep, Quasi-Static, Cone and Friction-Cone Penetration Tests

30.ASTM D5778-95 (2010) Standard Test Method for Performing Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils.

31.NF P94-052-1:1995 Sols: Reconnaissance et Essais – Determination des limites d’Atterberg – Partie 1: Limite de liquidite – Methode du cone de penetration.

32.SS 02 7125:1991 Geotechnical test methods. Undrained shear strength. Fall cone test cohesive soil.