2. Методы определения деформации грунтов

Определение жесткости грунта или модулей деформации необходимо для решения одной из основных теоретических задач фундаментостроения, которой является прогноз осадки фундаментов. Методы расчета осадки приведены в СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений».

Модуль деформации рекомендуется определять с использованием лабораторных и полевых методов испытаний грунтов. Методика компрессионного и трехосного определения модулей деформации приведена в ГОСТ 12248-96. Методика полевого определения модуля деформации изложена в ГОСТ 20276-85 «Методы полевого определения характеристик деформируемости».

В приведенных ГОСТ рекомендуется определять модуль деформации, который учитывает как упругую, так и остаточную деформацию. Выделить из этих испытаний чисто упругий модуль деформации возможно только используя ветвь разгрузки зависимости «напряжение-деформация».

В то же время упругий модуль может быть измерен в лаборатории используя динамические трехосные испытания или резонантные испытания образцов в условиях одноосного сжатия. Однако это связано с отбором образцов и не всегда возможно или удобно при массовых и необходимом быстром их определении.

Деформации грунтов оснований зданий и сооружений определяются с использованием упругих параметров: модуля деформации Е; модуля сдвига G, модуля объемной деформации К и коэффициента Пуассона . В большинстве случаев основание является многослойным и модули упругости могут изменяться значительно от слоя к слою, возрастая, как правило, с глубиной.

Основными упругими параметрами являются модуль деформации и коэффициент Пуассона. Используя решения теории упругости остальные модули определяются с использованием выражений, которые приведены в таблице 1.⁴

Таблица 1 – Соотношение между модулями деформации

Модуль сдвига, G	Модуль упругости, E	Модуль M	Объемный модуль, К	Постоянная Ламе,	Коэффициент Пуассона,

Значения модуля деформации как функция глубины могут быть оценены из эмпирической корреляции результатов лабораторных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры и результатов полевых испытаний.

Лабораторные методы. Модуль деформации или как его называют в механике сплошной среды – модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности зависимости «деформация-напряжение», предложенной Гуком в виде

в котором каждому равному приращению одноосного напряжения соответствует пропорциональное возрастание деформации .

В таблице 2 приведены лабораторные методы определения модулей деформации.

 

Таблица 2 – Модули деформации

Тип испытаний	Описание	Диаграммы
Одноосное сжатие	Увеличение при постоянных . Траектория нагружения ОА. Определение модуля деформации, Е
Гидростатическое (всестороннее) сжатие	Увеличение , , равным образом. Траектория нагружения НСТ. Определение модуля объемной деформации, К
Простой сдвиг	После гидростатического нагружения остается постоянным, но два других напряжения изменяются , . Траектория нагружения SST. Определение модуля сдвига, G
Компрессионное сжатие	Увеличение при не-возможности бокового рас-ширения . Определение компрессионного модуля деформации, Ed
Стандартное трехосное сжатие	После гидростатического нагружения до , возрастает, а до разрушения. Траектория нагружения СТСТ. Определение касательного модуля деформации, Еt при сжатии
Стандартное трехосное расширение	После гидростатического нагружения до , возрастают, а . Траектория нагружения СТЕТ. Определение кассательного модуля деформации, Еt при расширении

Закон Гука был вначале разработан для описания однородных и изотропных материалов рассматривая упругое поведение металлов при растяжении. Грунты показывают линейно упругое поведение до относительно небольших нагрузок. Однако даже при этом при разгрузке в грунтах возникает остаточная деформация. Поэтому при нагружении до предела пропорциональности для грунтов также справедлива линейная зависимость Гука, однако при больших нагрузках деформации в грунтах нелинейно зависят от напряжений. Это особенно важно при проектировании высотных зданий, когда давление по подошве фундаментов может составлять 600-800 кПа.

Испытания образцов грунта в стабилометре позволяют определять касательный модуль деформации подобный модулю Юнга⁵. Подобие модуля деформации модулю Юнга позволяет использовать решения теории упругости при расчете осадки фундаментов.

Прессиометрические испытания. Используется несколько конструкций прессиометра. В ГОСТ 20276-85 приведены два метода испытаний радиальным и лопастным прессиометрами.

В радиальном прессиометре в ходе испытаний выполняется измерение расширения резиновой камеры при заданном давлении жидкости или воздуха, опущенную на заданную глубину в пробуренную скважину.

В лопастном прессиометре в грунт вдавливаются два жестких штампа прямоугольной формы, площадь которых зависит от глубины испытания и вида грунта.

Самозабуривающийся прессиометр включает режущую часть при помощи которой выполняется разбуривание грунта с одновременной промывкой водой и удалением грунта на поверхность. Считается, что самозабуривающийся прессиометр вносит меньшие изменения структуры грунта по сравнению с баллонным прессиометром. Результаты испытаний с использованием баллонного прессиометра, показываюи на то, что прессиометрический модуль деформации в начале возрастает с ростом радиального безразмерного отношения . Результаты испытаний самозабуривающимся прессиометром отличаются тем, что вначале высокие значения модуля деформации затем уменьшаются с ростом изменения объема без начального возрастания модуля. Прессиометрический модуль равен двойному значению модуля сдвига. Если грунт при разгрузке ведет себя упруго, то модуль деформации . По стандарту ASTM 4719 модуль деформации определяется с использованием выражения

где – коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,33; – изменение давления; – радиус скважины; – изменение радиуса от на средней точке прямолинейного участка прессиометрической кривой; – изменение в радиусе на выбранном прямолинейном участке прессиометрической кривой.