О сопротивлении грунтов сжатию в естественном сложении

Изучение поведения грунта под нагрузкой дает определение основных деформационных характеристик, необходимых для расчета осадки зданий и сооружений. По различным подсчетам эти характеристики (модуль деформации, коэффициент сжимаемости и коэффициент Пуассона) используются в 90% случаях всех проектировочных решений.

Вместе с тем, рассматривая в исторической ретроспективе методы определения данных показателей (как полевых, так и лабораторных условиях), прослеживается очень интересная эволюция не только в методологическом подходе, но даже в понятийно-смысловом аспекте.

Один из основоположников отечественного научного грунтоведения профессор В.В. Охотин в первом университетском учебнике «Грунтоведение» (1940 г.) [7], в базовой главе «Физико-механические свойства грунтов» никогда не разделял «механические свойства» на «прочностные» и «деформационные». Используя вполне определённые выражения «трение и сцепление в грунтах», «сопротивление грунтов вдавливанию», «сопротивление грунтов сжатию», автор тем самым, во-первых, подчеркивал глубокую взаимосвязь между физико-химическими и механическими свойствами грунтов, во-вторых, рассматривал первичность трения и сцепления в грунте по отношению к его реакции на сжатие.

Эта вполне очевидная максима в неявном виде в среде изыскателей так или иначе присутствует, чему служат подтверждения в виде двух нормативных документов ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения прочности и деформируемости» и нового стандарта ГОСТ Р 56353-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов», в самом названии которого термин «механические свойства» отсутствует.

Ранее мы подробно рассмотрели важнейший показатель состояния глинистого грунта в естественном сложении – консистенцию [1, 4, 5], и показали, что это свойство грунта I порядка – интегральная величина гранулометрического и минерального составов, естественной влажности и плотности. Все вышеперечисленные показатели состава и свойств грунта напрямую зависят от его микростроения и типа структурных связей и в целом ложатся в физико-химическую теорию эффективных напряжений в грунтах [6].

Суммировав понятия «критических точек состояния глинистого грунта», теорию «естественной прочности грунта» [3] и «физико-химическую теорию эффективных напряжений в грунтах», были сформулированы принципы определения прочностных свойств глинистых грунтов с позиций теории естественной прочности контактных взаимодействий (ЕПКВ).

Из теории ЕПКВ следует, что «трение и сцепление» в природных дисперсных средах (к которым относится грунт) объективно существует, вне зависимости от нашего к нему отношения и методов его определения, в отличие от «сопротивление грунта сжатию», которая не что иное, как реакция грунта на приложенную вертикальную нагрузку.

Рассматривать вопрос о реакции грунта на сжатие при приложении вертикальной нагрузки в свете показателя консистенции грунта естественного сложения недопустимо в отрыве от контекста физико-химической теории контактных взаимодействий. Базовые принципы (тип микростроения, тип контакта, количество контактов на единицу площади грунтового элемента) определяющие прочность и деформируемость глинистых грунтов никто не отменял. Соответственно, ранжирование глинистого грунта в зависимости от показателя консистенции в ненарушенном (естественном) сложении к привязке к типу деформаций приобретает вид строгой таблицы с конкретным физико-химическим наполнением.

Табл. 1. Классификация категорий показателя консистенции грунта ненарушенного сложения СВ

Весь спектр состояния грунтов в естественном сложении (от твёрдых до текучих) можно разбить на 10 категорий от –V до V. Таким образом, вырисовывается достаточно стройная «зеркальная» позиция в ранжировании показателя консистенции грунтов ненарушенного сложения: от –V до V. Причём, на область пластических деформаций падает львиная доля категорий грунта – 8. Две крайние категории соответствуют в одном случае дальним коагуляционным контактам (текучая – +V) и цементационным контактам (хрупкие деформации – -V).

Подчеркнём, что предлагаемая градация грунтов в зависимости от его природного состояния увязывает, как нам кажется, в единое целое гранулометрический состав и физико-химические свойства грунтов первого порядка (естественная влажность, плотность и консистенцию) с их природными (естественными) механическими характеристиками.

Следовательно, сопротивление грунта сжатию – это та максимальная нагрузка, при которой он не теряет своих изначальных физико-химических и структурных параметров, т.е. при максимально допустимой вертикальной нагрузке σ1 естественная влажность We, показатель консистенции грунта природного сложения СВ, пористость n и микростроение не меняются.

Зная критические точки состояния грунта, можно построить графики зависимости модуля деформации Е от показателя консистенции грунта естественного сложения СВ (рис. 1), на которых область начала деформаций грунта под нагрузкой для каждой разновидности грунта находится справа от соответствующей кривой.

Рис.1. Зависимости «показатель консистенции грунта естественного сложения СВ — модуль деформации Е» для глинистых грунтов («паруса деформаций»)

Не артикулированное понимание этого вполне очевидного положения в среде специалистов по проектированию оснований и фундаментам (геотехников) приводят к целому ряду абсолютно резонных и справедливых вопросов. Например, можно ли говорить о «переуплотнении грунта» в аргиллитах верхнего протерозоя (вендские глины Санкт-Петербурга), если они обладают сформированными фазовыми кристаллизационно-цементационными контактами при ламинарном микростроении?

Видимо, в игнорировании типов контактов и микростроения грунта заключаются все те противоречия между теоретически рассчитанными значениями деформаций водонасыщенных глинистых грунтов и реальной инженерной практикой, что вылилось в проблему консолидации грунтов.

На наш взгляд разделение общей консолидации грунта на первичную (фильтрационную) и вторичную (структуры) весьма условна.

Консолидация, как и как коэффициент фильтрации – строительные характеристики грунта. В самом деле, весьма сложно (невозможно) представить деформацию структуры грунта даже при нагрузке в 6 кгc/см². В принятой методике проведения компрессионных испытаний существует некий начальный аппаратурный порог, фиксирующий регистрацию начала изменения (уменьшения) высоты исходного образца грунта в одометре под воздействием вертикально прилагаемой нагрузки.

Фиксируемые деформации (0,01 мм) более чем вписываются в пределы погрешности прибора (0,05%) и свидетельствуют ровно о том, что грунт неоднородный по текстурно-структурным особенностям и закону одномерного уплотнения не подвластен. Пористость (от макро до ультромикропор) в единице объёма грунта распространена неравномерно и хаотично, и именно это перераспределение пористости в образце грунта и фиксирует мессура при компрессионных испытаниях грунта. Это подтверждается данными изучения микростроения грунтов. Расчёт пористости, полученной при анализе РЭМ-изображений, никогда не соответствует данным прямого расчёта общей пористости. При достижении какой-то определённой величины нормального давления более крупные поры просто меняют свой размер и геометрию, разделяясь на более мелкие, тем самым показывая уменьшение вертикального размера испытуемого образца.

Важнейшим направлением дальнейших исследований станет всестороннее изучение поведение грунта под нагрузкой с использованием 3D-томографов, с помощью которых инструментально будет зафиксировано изменение всего порового пространства грунта в режиме реального времени.

Список литературы

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

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

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

4.Здобин Д.Ю. Естественная прочность и деформируемость глинистых грунтов. Часть I. Инженерная геология № 3, 2015, с. 12-22.

5.Здобин Д.Ю. Естественная прочность и деформируемость глинистых грунтов. Часть II. Инженерная геология № 4, 2015, с. 56-61.

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

7.Охотин В.В. Грунтоведение. СПб.: ЦГГ, 2008. 231 с.