Вопрос 2. Характеристики сжимаемости слабых грунтов

Характеристики сжимаемости слабых грунтов в лабораторных условиях определяют по результатам испытаний образцов с ненарушенной структурой в компрессионных приборах (т.е. в условиях одномерного сжатия).

Экспериментально определяется зависимость между приложенной нагрузкой Р_i и коэффициентом пористости грунта (e), а также относительной деформацией (λ), модулем осадки (e) или деформации (Е).

В расчетных методах, рекомендуемых настоящим Пособием, в качестве показателя сжимаемости используется модуль осадки (е_p) и модуль деформации (E_p).

Модуль общей деформации грунта связан с нагрузкой функциональной зависимостью

                                                           (2)

где р_i - сжимающая нагрузка;

λ_i - относительная деформация при этой нагрузке.

Относительная деформация, выраженная в промиллях, называется модулем осадки (е_p)

                                          (3)

где Dh_i - деформация образца;

h - начальная высота образца.

Особенностью слабых грунтов является нелинейность зависимости модуля деформации и осадки от нагрузки.

. Существенной особенностью характера сжимаемости грунтов природного сложения является наличие так называемой структурной прочности грунта на сжатие, природа которой предопределяется видом грунта, его исходным состоянием и структурой. В связи с этим для прогноза осадки слабых грунтов, кроме перечисленных выше деформационных характеристик, необходимо определять величину структурной прочности сжатия (p_стр). Эта величина определяется путём построения компрессионной кривой вида e_i = f(lg P_i). Точка явного перелома компрессионной кривой после начального прямолинейного участка соответствует структурной прочности грунта на сжатие.

В общем случае могут быть выявлены три вида начальных участков компрессионной кривой вида e_i = f(lg P_i):

1 - горизонтальный, 2 - слабо наклонный и 3 - резко наклонный к оси lg P_i

В первом случае Р_стр определяется по стандартной методике, изложенной в ГОСТ 12248-96. При наличии Р_стр > 0 в слабом основании может быть выделена активная зона, в которой будет иметь место уплотнение грунта, и пассивная, в которой грунт не будет уплотняться. В активной зоне нагрузка, действующая на грунт, превышает Р_стр, в пассивной зоне она меньше Р_стр.

В третьем случае структурная прочность на сжатие для данного грунта отсутствует.

Во втором случае величина Р_стр может быть также определена по точке перелома кривой вида e_i = f(lg P_i), хотя и не так явно выраженной. В связи с последним разделение слоя слабого грунта на активную и пассивную зону следует проводить в соответствии с указаниями, изложенными в пп. 3.20 - 3.24.

Основные положения методики расчёта конечной осадки слабых грунтов в основании насыпи с использованием перечисленных выше характеристик сжимаемости даны в пп. 3.40 - 3.45.

Вопрос 3. Характеристики уплотняемости и прочности

На характер осадки и скорость её прохождения влияют: исходное состояние грунта, его фильтрационные и деформационные свойства, а также величина уплотняющей нагрузки на грунт и режим её приложения. Поэтому при индивидуальном проектировании насыпей на слабом основании в каждом конкретном случае на расчётных поперечниках должны быть проанализированы условия статического уплотнения расчётных слоев слабой толщи и выделена активная зона. В активной зоне должны быть выделены части, в которых будут созданы условия для отжатия поровой воды (живая фильтрационная часть), и части, где они не будут иметь место (мёртвая фильтрационная часть). Методика испытаний грунтов на консолидацию и выбор метода прогноза осадки во времени зависят от того, в какой из указанных частей находится грунт (см. пп. 3.46 - 3.56).

В качестве критерия создания условий, при которых может начаться механическое отжатие поровой воды, для торфяных и полностью водонасыщенных глинистых грунтов может служить начальный градиент фильтрационной консолидации (i_н.ф.к). Этот комплексный параметр является функцией физических свойств грунта, структурной прочности на сжатие, начального градиента фильтрации и избыточного порового давления в воде.

Метод определения нагрузки (Р_ф), при которой обеспечивается возникновение i_н.ф.к, заключается в проведении консолидационных испытаний идентичных образцов с различными условиями дренирования под разными уплотняющими нагрузками. Нагрузка (Р_ф), начиная с которой кривые консолидации образцов вида λ = f(lg t) с разными путями фильтрации расходятся, и будет искомой. Методика её определения приведена в приложении 2 (Б).

Полученная нагрузка (Р_ф) сравнивается с действующей нагрузкой от насыпи (P_z) на расчётных горизонтах в основании. Если P_z > Р_стр, но Р_z <Р_ф, то осадка грунта будет происходить без отжатия воды, т.е. грунт будет уплотняться в условиях закрытой системы. Если Р_z > Р_стр и Р_z > Р_ф, то будет наблюдаться фильтрационная консолидация, т.е. осадка пойдёт в условиях открытой системы. При этом исключается необходимость определения начального градиента фильтрации, так как это свойство грунта учитывается автоматически в опыте на консолидацию.

Одномерная консолидация слабых грунтов изучается в условиях компрессионного опыта. Методика проведения консолидационных испытаний грунтов тестирована (ГОСТ 12248-96). Некоторые её дополнения, учитывающие специфику поведения слабых грунтов, изложены в приложении 2 (Б).

В результате обработки испытаний строится консолидационная кривая грунта в виде λ = f(t) или λ = f(lg t) и 

Удобнее всего для практических целей пользоваться кривой консолидации, построенной в полулогарифмическом масштабе.

В общем случае консолидационная кривая вида λ = f(lg t) может состоять из 4-х участков после условно-мгновенной осадки: первый участок отражает дофильтрационную консолидацию; второй участок (криволинейный) отражает первичную фильтрационную консолидацию; третий участок (криволинейный) отражает вторичную фильтрационную консолидацию; четвёртый участок (прямолинейный) отражает консолидацию объёмной ползучести.

На первом этапе консолидации скорость осадки слабого грунта не связана с возникновением избыточного давления в поровой воде и только при определённом соотношении свойств грунта и величины уплотняющей нагрузки создаются условия для механического отжатия свободной поровой воды, в которой возникает поровое давление.

На втором этапе консолидации на скорость осадки слабого грунта, главным образом, оказывает влияние скорость фильтрации отжимаемой свободной воды, движение которой подчиняется закону Дарси.

На третьем этапе консолидации на скорость осадки слабого грунта существенное влияние оказывает вязкопластическое выжимание связанной воды, движение которой к дренирующей поверхности не подчиняется закону Дарси.

На четвёртом этапе консолидации скорость осадки слабого грунта предопределяется вязкопластическим сдвигом частиц (или агрегатов), т.е. вязкой объёмной ползучестью. При этом может иметь место весьма незначительное местное выдавливание рыхлосвязанной воды на поверхности грунта, не представляющее собой такого процесса, который бы существенно влиял на интенсивность уплотнения и который необходимо учитывать при прогнозе осадки.

Указанные этапы консолидации выражаются на кривой консолидации соответствующими участками, которые выделяются по геометрическому признаку. Способы выделения последних описаны в приложении 2 (Б).

В зависимости от структуры грунта, его начальной влажности и плотности, физико-механических свойств, величины и режима приложения нагрузки, условий дренирования и градиента напора процесс консолидации его (грунта) может состоять из меньшего количества этапов (два или три) и в различном их сочетании.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, выше средней влажности характерна кривая консолидации вида λ = f(lg t), состоящая из двух участков, отражающих первичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для органических и органоминеральных грунтов, неволокнистых и маловолокнистых, сухих и маловлажных, полностью водонасыщенных характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию ползучести. При неполном водонасыщении грунта - из четырёх участков.

Для органических и органоминеральных грунтов, волокнистых при любой степени водонасыщения, характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих дофильтрационную консолидацию, фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для минеральных грунтов текучей и текучепластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из трёх участков, отражающих первичную и вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Для минеральных грунтов мягкопластичной консистенции характерна кривая консолидации, состоящая из двух участков, отражающих вторичную фильтрационную консолидацию и консолидацию объемной ползучести.

Характерные консолидационные кривые для различных видов слабых грунтов представлены в приложении 2 (Б).

На первом этапе консолидации консолидационным параметром является угловой коэффициент первого прямолинейного участка в логарифмическом цикле к оси времени (m_i). На втором этапе консолидации консолидационными параметрами являются коэффициент консолидации (C_2u) или консолидационный параметр (b_λ), определяющий условия перехода от данных лабораторных испытаний к натуре. На третьем этапе консолидации консолидационным параметром является коэффициент консолидации (С_3u) или показатель степени консолидации (n), также определяющий переход к натуре. На четвёртом этапе консолидации консолидационным параметром является угловой коэффициент последнего прямолинейного участка в логарифмическом цикле к оси времени (т₄).

Более детально перечисленные консолидационные характеристики рассмотрены в приложении 2 (Б).