автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Развитие прессиометрического метода исследований нескальных грунтов

-ч-

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

На правах рукописи

лушников

Владимир Вениаминович

РАЗВИТИЕ ПРЕССИОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЙ НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

Специальность 05.23.02—Основания и фундаменты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЛЕНИНГРАД - 1991

Работа выполнена в научной части ордена «Знак Почета» проектного, научно-исследовательского и конструкторского института «Уральский промстройииипроект» (1990—1991 гг.), Южной морской инжсперно-геологической экспедиции НПО «Союзморинжгеология» (1987—1989 гг.) и Уральском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С. М. Кирова (1964—1987гг.).

Официальные оппоненты: доктор технических наук Гольдин А. Л.

доктор геолого-минералогических наук, профессор Дашко Р.Э., доктор технических наук, профессор Фадеев А. Б.

Ведущая организация — Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям для строительства -(ПНИИИС) Госстроя СССР.

Защита состоится 7 июня 1991 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 144.03.01 Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева по адресу: 195220, Ленинград, ул. Гжатская, 21, Актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан « ^ » . 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук

: .. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Современное строительство- характеризуется значительным увеличением нагрузок на фувдаменты, что является следствием повышения этажности и пролетов, усложнением подземного хозяйства зданий и сооружений. Широкое освоение районов Севера и Востока страны, имеющих специфические инженерно-геологические условия, а также недопустимость изъятия земель из сельскохозяйственного оборота приводят к необходимости вовлечения в сферу инженерной деятельности грунтов, которые ранее считали неудобными или даже непригодными для строительства. В этих условиях возрастает сложность и ответственность задач в области фундаментостроения, его удельный вес в общем объеме строительства.

В то же время фундаментестроение содержит в себе большие резервы для снижения стоимости и трудоемкости строительства. Если в процессе инженерно-геологических изысканий установлены характеристики свойств грунтов и их изменчивость на площадке, тогда из имеющегося арсенала возможных вариантов технических решений могут быть выбраны те, которые обеспечивают наиболее экономичное выполнение нулевого цикла при заданном уровне надежности.

Таким образом, исследование грунтов оснований представляет собой один из важнейших этапов обоснования проектирования и строительства, а проблема усовершенствования методов исследований, как позволяющая повысить экономичность и надежность технических решений в фувдаментостроении, становится весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является развитие одного из перспективных методов исследования грунтов в условиях естественного их залегания - метода прессиометрии, обоснование возможности получения по результатам испытаний нескальных грунтов характеристик деформационных и прочностных свойств, соответствующих принятым в СССР эталонам, а также расширение диапазона использования метода и внедрение его в практику инженерно-строительных изысканий.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- исследования особенностей деформационных и прочностных свойств грунтов, которые определяют условия и область рационального использования метода прессиометрии;

- разработки модели упрочняющейся разномодульной грунтовой среды, отражающей наиболее существенные особенности грунтов, проявляющиеся в сложной напряженной состоянии;

- решения ряда осесимметричных задач, соответствующих основным схемам испытаний грунтов, в прямой и обратной постановках, численное моделирование на их основе и оценка различных проявлений эксперимента;

- разрешения вопросов, обеспечивающих внедрение преосиометри-ческого метода в практику инженерных изысканий: разработка конструкций прессиометров; создание нормативно-методической базы для внедрения метода; организация выпуска приборов;

дальнейшего расширения области применения метода прессиометрии применительно к испытаниям слабых и структурно-неустойчивых грунтов.

Научную новизну представляют:

- модель упрочняющейся разномодульной грунтовой среды (УРС), отражающая наиболее существенные свойства грунтов в сложном напряженном состоянии;

- решения осесимметричных задач о "нагружении грунта прессио-метром и штампом в прямой и обратной постановках и разработка на этой основе методов определения деформационных и прочностных характеристик грунтов;

- конструкции прессиометрических устройств, обеспечивающих возможность испытания практически всех разновидностей нескальных грунтов, включая слабые и особые их разновидности; распространение прессиометрического принципа на другие испытательные устройства.

з

На защиту выносится:

- экспериментальное и теоретическое обоснование модели УРС для описания напряженно-деформированного состояния (ЦЦС) грунта в процессе прессиометрического нагружения;

- решения осесимметричных задач о нагружении грунта прессио-метром и штампом в рамках модели УРС;

- обоснование Способов решения обратной инженерной задачи с целью определения деформационных и прочностных характеристик грунтов;

-г исследованйя по разработке конструкции прессиометра, имеющего широкий диапазон использования и оптимальные метрологические качества;

- предложения по развитию метода прессиометрии применительно к испытаниям слабых и структурно-неустойчивых грунтов, использование элементов прессиометрии в конструкциях других испытательных установок.

Фактический материал работы составили результаты лабораторных и полевых исследований и производственных испытаний, грунтов, проведенных автором в период 1964...1990 гг. на площадках изысканий и строительства большого числа объектов на Урале, Украине, в Среднем Приобье, Средней Азии, Забайкалье.

С применением разработанной аппаратуры выполнено более 10 тыс. испытаний преимущественно по медленному режиму нагружения, из них свыше 300 - параллельно с испытанием тех же грунтов штампами, сдвиговыми установками, лабораторными испытаниями. Особый интерес представляют комплексные испытания морских грунтов на шельфе НРБ (19871988 гг.), где проведено 49 прессиометрических опытов на глубинах до 35 м от поверхности дна (при глубине моря более 30 м) в сочетании с другими современными методами испытаний.

К анализу привлечены известные автору данные прессиометрических испытаний, опубликованных в СССР и за рубежом.

Внедрение результатов исследования осуществлялось следующими путями:

- разработкой и изготовлением серии испытательных установок для передачи их изыскательским организациям (изготовлено и передано заказчикам свыше 100 установок);

- участием в разработке нормативно-методической документации, разрешающей практическое использование метода: двух стандартов (ГОСТ 20276-74 и ГОСТ 20276-85), регламентирующих непосредственно метод прессиометрии,и один (ГОСТ 21719-80) - метод кольцевого среза под давлением.

Экономический эффект от внедрения разработанной аппаратуры и методики в двадцати изыскательских организациях составил свыше 4 млн.руб., что подтвервдено соответствующими доку- ■ ментами. Эффект получен за счет уменьшения стоимости работ по сравнению с другими методами испытаний,:а также за счет более совершенных технических решений, обоснованных с применением метода.

Апробация работы. Отдельные результаты работы до-лолсены и представлены на трех международных, 14 всесоюзных и республиканских совещаниях и семинарах и 15 научно-технических конференциях вузов.

Публикации . Результаты исследований опубликованы в 80-ти печатных работах. На конструкции приборов получено 40 авторских свидетельств; приборы экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены восемью медалями.

Объем работы. Состоит из введения, 9 глав и общих выводов, включает 362 с. текста (в т.ч. 90 рис. и 42 табл.); список литературы включает 306 наим. источников.

В проведении отдельных лабораторных и полевых исследований принимали участие бывшие аспиранты и соискатели, ныне кандидаты технических наук В.Г.Елпанов, О.Н.Жидков, П.Д.Вулис, Б.М.Литвинов, Б.И.Суханов, Ю.И.Яровой, В.И.Ямов, И.А.Маренинов, В.Ф.Быстрых,

A.Н.Алехин, Ю.Р.Оржеховский, Р.Я.Оржеховская. Им, а также профессору В.Б.Швецу автор выражает свою благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

4

На первых этапах развития отрасли инженерно-строительных изысканий оценка свойств грунтов проводилась в основном лабораторными методами. Это объясняется относительной простотой аппаратуры и методики, которые с небольшими изменениями заимствованы из других областей науки и техники, а также стремлением получить в нульмерном эксперименте представления о свойствах грунтов, качественно отличающих их от свойств других материалов, и, следовательно, способствующих развитию самой механики грунтов. При этом возникла проблема оценки достоверности получаемой информации. Выяснилось, в частности, что лабораторные испытания дают сильно смещенную оценку прочности и особенно - сжимаемости. Если часть расхождений можно объяснить несовершенством приборов, нарушением структуры и др., то другая, большая часть, не имеет сколько-нибудь приемлемого объяснения с позиций традиционного подхода, основанного на линейном представлении поведения грунтов при внешнем силовом воздействии.

Другим направлением в оценке строительных свойств грунтов являются полевые методы испытаний в условиях естественного залегания. Важнейшее преимущество их состоит в сохранении природной структуры грунтов, а при испытании штампом - почти натуральное моделирование работы фундамента. Большой вклад в развитие полевых методов испытаний внесли Н.А.Цилюрик, И.Н.Круглов, К.И.Тыльчевский, Н.А.Цытович, К.Е.Егоров, Н.Н.Маслов, Е.Ф.Винокуров, Б.И.Далматов, С.С.Вялов, М.Н.ГолЬдштейн, Ю.Г.Трофименков, П.Д.Евдокимов, Д.Д.Сапегин,

B.И.Крутов, Л.С.Амарян, В.В.Михеев, В.Б.Швец, В.Д.Казарновский, Е.А.Сорочан, А.Н.Скачко и др.

Высокую достоверность характеристик грунтов по результатам по-

левых испытаний определяет то обстоятельство, что при их интерпретации используются те же линейные расчетные схемы, что и при расчете оснований. Это означает меньшую зависимость результатов испытаний от применяемых расчетных схем и моделей. Однако при таком подходе сама проблема оценки адекватности расчетных моделей уходит на второй план- «

Можно даже утвервдать, что надежность полевых испытаний является кажущейся. Например, формальное совпадение модуля деформации по результатам испытаний штампом и по данным натурных наблюдений за осадками сооружений еще не означает адекватного описания послойных перемещений по глубине, распределения контактных напряжений, условий на границах деформируемой зоны и др. Такое положение является следствием исторического процесса, при котором сами расчетные методы определения осадок фундаментов разрабатывались в условиях априорной достоверности "штампового" модуля деформации. Если бы в свое время приоритет отдавался компрессионным испытаниям, тогда достоверный прогноз осадок сооружений также был бы достигнут, но при других параметрах расчетной схемы.

Другим проявлением этой проблемы и является формальное несовпадение характеристик грунтов, полученных различными полевыми методами. Это обстоятельство снижает доверие к любым методам испытаний грунтов, отличным от штампового, заставляет каждый раз искать новые коэффициенты перехода и правдоподобное физическое их объяснение. Одновременно это сдерживает прогресс в развитии полевых методов.

Дело в том, что существующие полевые испытательные установки используют в основном принципы работы лабораторных установок. Они громоздки, трудоемки, не свободны от ряда метрологических и методических погрешностей, имеют ограниченный диапазон применения, особенно в слабых и структурно-неустойчивых грунтах, совершенно неприменимы в акватории и др.

Гораздо проще задача о нагружении массива грунта решается с помощью прессиометра. Здесь происходит самогашение реактивных усилий при нагружении грунта. Приборы легко помещаются на большую глубину даже в неустойчивых грунтах (например, самозабуриванием). Их можно оснастить дополнительными устройствами для замачивания, нагревания или охлаждения грунта, создания динамических воздействий на грунт и др.

Результирующий график статического испытания прессиометром имеет все особенности графика вдавливания в грунт штампа. Это говорит о реализации не только объемных, но и больших сдвиговых деформаций. Следовательно, здесь открывается возможность определения из опыта деформационных и прочностных характеристик.

В прессиометрическом приборе легко обеспечить условия плоско-деформирОванного состояния, что сильно упрощает решения задач не только в прямой, но и в обратной постановках. С другой стороны, относительная простота задачи позволяет вложить больше информации в решение задачи, достаточно просто учесть наиболее существенные свойства грунтов, которые в штамповой задаче доступны учету только с применением больших ЭВМ. Не случайно прессиомегрическая задача является объектом серьезного внимания всех последних международных конгрессов и специальных симпозиумов.

В диссертации рассматривается история прессиометрии. Отмечается приоритет советских ученых, в частности, А.Ктаторова, Н.А.Ци-люрика, Г.И.Покровского (за рубежом же приоритет отдают X.Прессу, Ф.Кёглеру, К.Терцаги, О.Фрелиху). Отмечается вклад в развитие прессиометрии ряда отечественных (Д.Д.Сапегин, К.В.Руппенейт, В.Б.Швец, В.Н.Денисов, Ю.Г.Трофименков, М.И.Бронштейн, Л.С.Амарян, В.В.Михеев, Л.Г.Мариупольский, А.Н.Скачко, В.Г.Федоровский, С.Л.Коренева, В.Г.&гпанов, А.М.Сонин, А.Н.Алехин и др.) и зарубежных (Гибсон и Андерсон, Палмер, Прево, Менард, Багелен, Джефферис и др.) ученых.

Особо отмечается вклад в развитие прессиометрии в 60-70-е го- •

ды французского инженера Л.Менарда и его последователей. С их деятельностью связано "второе рождение" прессиометрии, широкое внедрение его в мировую практику исследований грунтов в совершенно разнообразных условиях. При этом, однако, преобладал эмпирический подход, когда искомую информацию получали с использованием решения простейших задач, "исправленных" множеством эмпирических коэффициентов.

В настоящее время прогресс в прессиометрии связан, по мнению автора, с выходом на шельф. Уникальные возможности прессиометрии здесь привлекли внимание к нему крупных нефтяных фирм. К анализу прессиометрии как метода применяются самые последние достижения фундаментальной науки.

В настоящей работе обосновывается вклад автора в развитие метода прессиометрии за период работы в этом направлении с 1964 г. Описываются конструкторские, теоретические, методологические разработки, которые по большей части опережают разработки других отечественных и зарубежных ученых, а в целом следуют общему пути развития прессиометрии, в т.ч. с выходом на испытания морских грунтов.

I. ОБОСНОВАНИЕ ОБЩЕЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В начале главы рассматривается связь исследования с современными тенденциями'в механике грунтов.

Первая из них основана на применении к описанию поведения грунтов под нагрузками линейных моделей. Механика грунтов, основанная на линейных предпосылках, заложенных К.Терцаги, Н.М.Гер-севановым, В.А.Флориным и др., прошла более чем 80-летний период развития. Решен большой класс задач, имеющих практическое значение, причем задачи решаются отдельно в "упругой",либо отдельно в "пластической" постановках.

Сейчас уже очевидно, что такое представление не может описать все особенности поведения грунтов в сложном напряженном состоянии.

Соответствие такой теории и практики достигается обычно с привлечением дополнительных условий (условно-несжимаемый слой, упругое ядро и др.), либо разного рода корректирующих коэффициентов. Однако такие приемы, оправданные в одном случае, не могут быть механически перенесены на другой.

В таком виде линейная механика грунтов предстает как теоретическая база фундаментостроения; на ее решениях основаны Строительные нормы и правила. Соответственно, существующие стаадарты ориентируют изыскателей на определение параметров именно линейных моделей.

В последние-годы они получили название параметров стандартного тела, а саму механику грунтов можно более точно назвать практической механикой грунтов

Вторая, бурно развивающаяся ь последние десятилетия тенденция - получать решения практических задач фундаментостроения на основе нелинейной механики грунтов. Она стала возможной и реальной для практики в связи с появлением мощных ЭВМ и эффективных численных методов решений. Здесь заслуживает оценки вклад ряда зарубежных и отечественных ученых - М.И.Горбунова-Посадова, Н.А.Цы-товича, М.Н.Гольдштейна, Г.М.Ломизе, В.И.Соломина, П.Л.Иванова, Ю.К.Зарецкого, А.К.Бугрова, А.ИГ.Фадеева, З.Г.Тер-Мартиросяна, А.Л.Гольдина, В.Н.Николаевского, Б.И.Дидуха, В.Г.Федоровского, Е.Ф.Винокурова, Ю.Н.Мурзенко.

Первые решения представляют собой перенос классических методов теории сплошной среды на новые краевые задачи, используемые в фун-даментостроении, причем успех достигался не за счет нелинейности грунта, а в основном за счет учета одновременного протекания процессов сжатия и сдвига на самых ранних этапах нагружения. Даже в такой постановке становится возможным качественно правильно отразить основные проявления совместной работы системы "основание-фундамент". Кроме известных проявлений эксперимента, автор привлекает

внимание специалистов в области нелинейной механики грунтов к таким проблемам из области исследований грунтов, как соотношение характеристик деформируемости (и прочности) в различных (по расчетной схеме и масштабу) испытаниях. Количественные расхождения характеристик и их тецценции к изменению хорошо известны и могут быть предметом нелинейного анализа с сильным откликом.

В качестве примера в работе приводятся результаты исследования асп. А.Н.Алехина (1983 г.), выполнившего кандидатскую диссертацию под руководством В.И.Соломина и автора. На основе деформационной модели анализируются задачи о нагружении массива грунта штампами различных размеров и прессиометром (в плоской и двумерной постановках); к анализу привлекается задача о нагружении грунта в компрессионном приборе. Показано, что расчетные соотношения повторяют те же зависимости, которые ранее получали экспериментально (например, о расхождении штампового и компрессионного модулей деформации до нескольких раз, либо о тенденциях изменения прессиометрического модуля с глубиной и др.).

Отсюда следуют, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, о переоценке влияния структуры на свойства грунтов, нарушением которой ранее объясняли основную причину расхождения результатов испытаний. Во-вторых, о неинвариантности штампового модуля деформации,.зависимости его от большого числа факторов и, следовательно, о невозможности его непосредственного получения способом, отличным от способа нагружения стандартным штампом. Однако учитывая выявленную объективность расхождений, можно ставить вопрос о замене штампового метода другим, более экономичным, но при условии численного воспроизведения штампового нагружения и последующего его анализа общепринятым способом.

Более сложные решения, теперь уже по-настоящему нелинейной механики, основаны на учете факторов, качественно отличающих грунты от других известных сред. Прежде всего, это наличие необратимых

деформаций на любой стадии активного нагружения, влияние вида напряженного состояния на деформативность и особенно - на прочность, зависимость поведения грунта от траектории нагружения. Но, вероятно, главная особенность грунта - наличие объемных деформаций (дила-тансии) при действии касательных напряжений. Большинство разработчиков нелинейной механики ведут учет перечисленных факторов на основе классических моделей - деформационной или упруго-пластической, дополняя их той или иной экспериментально установленной зависимостью (чаще всего - дилатансионного типа). Следует сразу отметить, что при таком подходе теряется строгость решения, например, за счет имеющих место поворота осей или неподобия напряженного и деформированного состояний, т.е. решая задачу, исследователь выходит за пределы разрешающей способности эксперимента. Если же эти Факторы учитываются специальным экспериментом, тогда, во-первых, модели дополняются множеством новых и не связанных с другими параметров, что встречает возражения практики и требует специального анализа « границ применения решений. Во-вторых, аналитик задачи находится в пассивной позиции и фактически работает по сугубо эмпирическому принципу "увидел - учел", т.е. здесь отсутствует предсказание явления, что ограничивает обратную связь с экспериментатором.

И, наконец, в-третьих, существование множества параметров, характеризующих поведение грунта (до 15 и даже более), никак не связанных друг с другом, свидетельствует о том, что это явление (в данном случае - поведение грунта) по-существу не раскрыто. Совершенно очевидно, что между этими параметрами (точнее - описываемыми ими свойствами) существует более глубокая внутренняя связь, которую еще предстоит понять.

Одной из успешных попыток такого рода является разработка моделей грунтовой среды, основанных на концепции критического состояния (КС-моделей). Первая из них (модель Сат-С£ау К.Роско) содержит четыре параметра, а более поздние - еще 2-3 дополнительных, которые объясняют многие аспекты поведения грунта. Достоинства КС-моделей -

простота и естественный характер определяющих уравнений, внутренняя связь параметров, основанная на энергетических соотношениях.

Однако и в таком представлении КС-модели все-таки не учитывают некоторых существенных свойств грунта - зависимости прочности и деформируемости от вида напряженного состояния, влияния различных компонент тензора напряжения. Спорно и априорное положение о существовании критического состояния.

Автор ви,цит возможность разрешения описанных выше противоречий на основе предложенной (1969-1985 гг.) модели грунтовой среды (УРС), учитывающей раз но модул ьно ст ь (как проявление физической анизотропии) и упрочнение (как очевидно присущее дисперсным сжимаемым средам свойство). В основе ее лежат параметры стандартного тела, дополненные одним-двумя параметрами разномодульности и одним - упрочнения.

Разномодульное представление грунта означает по-существу реализацию и развитие применительно к грунтам подхода С.А.Амбарцумяна к анализу ЦЦС конструкций, разносопротивляющихся сжатию и растяжению. Оно требует решения конкретно^ краевой задачи с использованием анизотропной теории упругости, т.е. заранее исходит из представления о неподобии напряженного и деформированного состояний и о наличии объемных деформаций при' действии касательных напряжений.

Модель УРС рассматривается в диссертации в основном для анализа краевых задач, используемых при испытании грунтов. - о нагру-жении весомого массива штампом и прессиометром. Решается и обратная задача - относительно искомых параметров модели УРС и некоторых других моделей.

В главе рассмотрены (в историческом плане) проблемы интерпретации прессиометрических опытов. Описаны все известные на сегодня методы определения модуля деформации, недренированной прочности, параметров сдвига. В том же историческом плане описаны предложения автора, а также разноплановые проявления эксперимента, подлежащие

теоретическому анализу. Подробно рассмотрено представление о раз-номодульности, предложенное К.В.Руппенейтом и М.И.Бронштейном (1972 г.) как альтернативное.настоящему, и объясняются причины отказа К.В.Руппенейта в 1979 г. от целесообразности ее учета.

В заключении главы формулируются изложенные выше цели и задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

2.1. Геометрическая анизотропия

Геометрическая анизотропия - проявление различия деформируе-

\

мости и прочности грунтов в двух взаимно перпендикулярных направлениях - требует изучения как представляющая серьезное препятствие для прессиометрии в некоторых грунтах. Предстоит выявить класс грунтов, ограничивающих использование прессиометрии, либо разработать методы ее учета.

Наибольший интерес здесь представляет различие деформационных характеристик грунтов применительно к модели трансверсально-изо-тропного тела.

Эта проблема широко изучается в материаловедении при создании материалов с заданными (в т.ч. - анизотропными) свойствами. Здесь обычно рассматривается какой-либо базовый процесс деформационного упрочнения материала, обусловливающий векториальность его свойств (например, прокатка металла), на фоне которого происходят другие, локальные процессы, которые ускоряют базовый процесс, замедляют его, либо вызывают скачкообразное изменение материала, когда он "забывает" историю и "теряет" анизотропию.

Подобная же картина имеет место в грунтах. Базовыми процессами здесь являются упрочнение собственным весом и особенности осад-конакопления, вызывающие слоистость, трещиноватость пород, направленную ориентацию частиц и пор. Сопутствующие им процессы кристаллизации, переуплотнения, пластического течения, увлажнения и др.

приводят, как правило, к выравниванию свойств в различных направлениях, в результате чего анизотропия уменьшается до слабо различимого уровня.

Объектами непосредственного исследования анизотропии были преимущественно элювиальные грунты Урала, которые представлены широким спектром типов и разновидностей от полускальных (рухляков, сапролитов, жестких глин с явно выраженной слоистостью) до мягко- и текучепластичных пылевато-глинистых грунтов.

Отдельно рассмотрены выборки из 117 парных испытаний лессовых грунтов, часто с весьма заметной ориентацией пор преимущест_ венно в одном из направлений и 90 парных испытаний слабых морских грунтов.

Основной объем испытаний выполнен в компрессионных приборах; к' анализу привлечены 10 параллельных штамповых и 16 прессиометри-ческих опытов, выполненных в горизонтальном и вертикальном направлениях нагружения в одном инженерно-геологическом элементе.

Представление об анизотропии дает коэффициент отноше-

ния модулей деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях (при условно-постоянных других параметрах транверсально-изо-тропной модели), который изменяется в широких пределах (до 2-3) в обе стороны относительно изотропного случая. Большинство же грунтов, не имеющих сколько-нибудь заметной слоистости (даже по визуальным признакам), имеет КЕ в пределах 0,7...1,3, т.е. он не выходит за пределы естественной изменчивости грунтов, а соответствующая "погрешность прессиометрического модуля еще меньше, учитывая переходные коэффициенты с множителем, выраженным через квадратный корень от анизотропии. Они, в частности, вытекают из соответствующего решения задачи о вдавливании штампа в трансБерсально-изотроп-ную среду.

Для грунтов с явно выраженной слоистостью хорошее представление об анизотропии дает метод пенетрации, поскольку имеет место

почти функциональная связь коэффициентов КЕ , установленных как отношение модулей деформации (в компрессии) и удельных сопротивлений погружению конуса (в пенетрации). Вывод подтверждается опытами с моделированием анизотропных систем.

Отсутствие сколько-нибудь существенной анизотропии в большинстве нескальных грунтов подтверждают данные зарубежных исследований, где вопрос об анизотропии как препятствии прессиометрическому методу даже перестал обсуждаться. Соответственно не сформулировано и каких-либо ограничений на использование метода прессиометрии и в государственных стандартах СССР на испытания нескальных грунтов.

2.2. Физическая анизотропия

Физическая анизотропия как проявление различия деформационных и прочностных характеристик, наведенного напряженным состоянием и его последующим изменением, изучалась в условиях одноосного (84 образца) и трехосного сжатия-растяжения на искусственно приготовленных грунтовых смесях (60 образцов) и на образцах ненарушенной структуры (24 образца).

Наибольшей разрешающей способностью обладает трехосное испытание, когда после всестороннего шарового обжатия меняются (увеличиваются или уменьшаются) отдельные компоненты тензора (рис.1).

Соответствующие приращения осевых деформаций, обусловленные различным протеканием пластических и упругих деформаций, можно формально трактовать как различия соответствующих параметров линейно -деформируемого тела - модулей деформации и коэффициентов Пуассона при сжатии, растяжении и разгрузке, и представить в виде параметров трансверсально-изотропного тела, которое в данном случае является "организующим началом" эксперимента. Последующий анализ параметров проводился как с учетом упругой симметрии коэффициентов обобщенного закона Гука, так и при отсутствии упругой симметрии.

Зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения также оказываются связанными со способом достижения предельного состояния (увеличением или уменьшением осевых напряжений). Они в общем случае отвечают принципиальным положениям теории прочности Кулона-Хворслева (рис.2) и могут рассматриваться как проявление прочностной анизотропии, а в более общем понимании - как упрочнения.

Выводы, которые вытекают из комплексного исследования физической анизотропии, состоят в следующем.

1) Существование физической анизотропии устойчиво проявляется во всех проведенных опытах. Характеристиками ее являются коэффициенты физической анизотропии первого и второго типов.

Коэффициент первого типа определяется как отно-

шение модулей деформации (а в случае упругой симметрии - и коэффициентов Пуассона) при разгрузке (упругости) и сжатии. Реализуется при разных знаках дополнительных осевых напряжений.

Коэффициент второго типа Л = ^/ер - то же, при сжатии и растяжении, реализуется при разных знаках полных напряжений.

2) Возникновение физической анизотропии можно связать с особенностями деформирования грунтов как дисперсных систем и приближенно описать статистической зависимостью Покровского-Булычева с различными параметрами для ветвей сжатия и растяжения. Однако она дает не всегда правильный прогноз анизотропии, особенно в слабых грунтах.

3) Прочностную анизотропию = характеризует соотношение углов внутреннего трения на прямой и обратной ветви графика сдвига, различное для различных типов и разновидностей нескальных грунтов.

ч 4) Количественные характеристики физической анизотропии Лс , Л и Зё проявляют одинаковые тенденции к изменению с изменением плотности - влажности, степени гидрофильности и всестороннего

fy, к Па

200 © /Ь ®

/100 А

/fe щ Щ ®

-ч У © -2 J 400 о 2 « ¿у

б'

---

Ле г

£ г

А \

П / 1 ' J 1

6* £

РисЛ. Графики испытания в стабилометре суглинка на сжатие (кружки) и растяжение-сжатие (точки) при начальном всестороннем давлении 50 кПа (а) и его аппроксимирующие диаграммы (б); 1-10 - точки, соответствующие изменению закона деформирования

400 %к Па

Рис.2. Совмещенные графики испытания в стабилометре суглинка при различных всесторонних напряжениях: 50; 100 и 150 кПа (а) и их аппроксимирующие диаграммы по условию прочности Кулона-Хворслева (б)

давления при их формировании, что согласуется с общими представлениями о грунтах как дисперсйых системах, имеющих жесткие и водно-коллоидные связи, и допускают продолжение поисков факторов, обусловливающих их взаимную зависимость на основе фундаментальных энергетических соотношений механики (подобно модели Сат-Сбоу).

5) Учитывая нереальность экспериментального определения всех параметров анизотропии при решении конкретной задачи, одной из целей исследования является выражение их через один независимый параметр (например, Л0 , который легко оцределяется в любом опыте по нагружению грунта статическими нагрузками). В частности, могут быть приняты гипотезы о наличии или отсутствии упругой симметрии, о, равенстве или взаимном соотношении коэффициентов Я и ЭС, о равенстве коэффициента Пуассона при сжатии, разгрузке и растяжении, о постоянстве угла внутреннего трения при разгрузке и др. Очевидно, что корректность того или иного допущения должна оцениваться по результату решения обсуждаемой краевой задачи, т.е. по графику зависимости перемещений от давления, его изменчивости из-за объективной(неоднородности'грунта)и субъективной (приборной) составляющей дисперсии воспроизводимости.

3. МОДЕЛЬ УПРОЧНЯЩЕЙСЯ РАЗНОМОДУЛЬНОЙ СРЕДЫ

Модель УРС исходит из представления о существовании упругих [в ), допредельных пластических {р ) и предельных пластических деформаций (£) по каждому из к = 1,2,3 главных направлений. Упругое деформирование происходит, если напряжения по каждому из направлений не превосходят когда-либо ранее действовавших напряжений Од. или деформаций С^ ; они в данном случае играют роль "памяти". Деформации при <5^ <э* ( ¿к <- ) упругие {6е) и связаны с напряжениями ^ по закону Гука с постоянными ^ , Ео .

При превышении хотя бы в одном из к направлений напряжения или деформации "памяти" имеет место акт пластического допредельного

деформирования. Деформации здесь упругие ( е) и пластические (Р), а различная в общем случае ситуация на гранях образца требует анализа ВДС на основе разномодульной теории упругости. Молено показать, что эта фактически упруго-пластическая задача при определенном (линейном) законе упрочнения тождественна разномодульно-упру-гой задаче, если в качестве интегральной характеристики упругости и допредельной пластичности принять постоянные Е , V , соответствующие случаю сжатия,-а в случае возникновения полных отрицательных (растягивающих) напряжений - постоянные Ер , , соответствующие растяжений.

Следовательно, Допредельная пластичность учитывается принятием обобщенного закона Гуна в форме дифференциальных зависимостей

к Ек j*k 4/

где с/б*, - приращения главных напряжений в основном ( к)

К «/

и двух других (/ ) направлениях;

V - постоянный коэффициент поперечной деформации, т.е. запись в форме (I) дана для случая отсутствия упругой симметрии;

Ек , Ej ~ модули деформации в главных направлениях, которые зависят от знаков полного б^, б', и дополнительного • с!^, оК? напряжений по правилу (для ^-направления): при > 0 и 0 Ек а Е ;

при <эК О и с/б^к 0 £к = Е0 ; при б'к -с 0 и с/б~К<0 при Ои г/^0 Ек= Еср.

Это правило дополняется правилом изменения пределов упругости , ё* в зависимости от ситуации на этой и других главных площадках.

Второй важнейшей характеристикой модели является упрочнение, которое понимается как изменение прочностных характеристик грунта

С и (f таким образом, что каждому достигнутому напряженному состоянию при сжатии (L ) соответствует новая пара значений С^, if-, характеризующая новую, более высокую прочность. Случаю возникновения растягивающих напряжений соответствует уменьшение прочности при сжатии (и наоборот), чем достигается учет эффекта Баушингера.

Условие прочности грунта (Кулона-Мора-Хворслева) имеет вид -C^+^scr?^-2CCCS(f(-О, (2) где , (з3 - соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения;

Ci , - параметры прочности для упрочнившегося грунта, которые могут быть связаны со стандартными С и jf параметрами путем выбора параметра упрочнения одним из двух способов (в дальнейшем принимается ^ в качестве постоянного параметра прочности Р0 ):

- через максимальное когда-либо достигнутое среднее напря-кение & ; при этом

СС = С + модификация УРС ( ;

- через накопленную пластическую деформацию £р\ при этом СL = с+\ ~ модификация УРС (£ ), где 7!с = dC/^gP

(в простейшем случае Яс = Const ).

Предельные пластические деформации определяются в соответствии с ассоциированным законом течения

лг*. . <»

где F - потенциал пластичности в форме условия прочности (2); df- параметр, определяемый в зависимости от конкретных условий достигнутого ВДС.

В целом предложенной модели соответствует кусочно-гладкая поверхность нагружспия, состоящая из трех частей - шестигранной пирамиды и поверхностей параллелепипедов, замыкающих пирамиду

слева и справа. Эта поверхность при принятых параметрах упрочнения является единым целым с точки зрения ее трансформации в процессе нагружения. Так развитие ее допредельной части (грани параллелепипеда) означает возникновение осевых пластических деформаций объема и связанную с ним трансформацию предельной (пирамидальной) части поверхности как в области сжатия, так и растяжения.

На основе модели УРС дается интерпретация известных проявлений эксперимента в сложном напряженном состоянии. Для этого какая-либо задача (например, о раздавливании или чисто девиаторном на-гружении) решается на основе УРС и одновременно представляется в обобщенных параметрах ВДС, как это принято большинством исследователей.

В настоящей главе рассматривается:

- влияние траектории нагружения на формирование поверхности нагружения (рис.3);

- влияние вида напряженного состояния на объемные и сдвиговые деформации (рис.4);

- влияние на прочность вида напряженного состояния и поворота осей (рис.5), причем последнее - с привлечением опытов

М.Н.Гольдштейна.

Каждый из названных факторов проявляется через разномодуль-ное представление грунта, либо через его упрочнение, либо через совместное действие разномодульности и упрочнения.

Наибольшую сложность представляет учет влияния поворота осей при нагружении, который имеет место в пространственных краевых задачах. Для каждого нового положения главных осей требуется предварительный анализ положения поверхности нагружения (как следа от предвдущего положения осей) в сочетании с новыми значениями главных напряжений. В этом новом положении происходит либо доупрочне-ние грунта, либо упруго-пластическое (допредельное и/или предельное) деформирование с соответствующим изменением жесткостных характеристик по каждому из направлений. Для двумерного осесиммет-

d£e-p

Рис.3. Формирование предельной поверхности при нагружении по траекториям всестороннего сжатия ( ^) и девиаторной ( ^) в координатах главных (а) и обобщенных (б) напряжений

а

+1

о

/

/

Рис.4, деформации сдвига (а; и дилатансия (б) при чисто девиатор-ном нагружении (цифры - значения параметра ; пунктир -тасЬики для ассоциированного яакона течения при íí = <Р )

а

>

42

'fyjJ^+D 38 34

J6 38 40 * п>*

Рис.5. Влияние на прочность вида напряженного состояния (а) и поворота осей (б). Фрагменты сечений предельной поверхности, соответствующие условиям прочности Мизеса-Шлейхера (I), Треска (2), Кулона-Мора (3), УРС (4). Зависимости параметра (У) от пористости (/7): 5 - без поворота (стабилометр), 6 - с поворотом (срезной прибор) главных осей при разрушении

ричного случая эта задача решена асп.Р.Я.Оржеховской в работе, выполненной под руководством автора (1989 г.).

Таким образом, в модели УРС преодолеваются недостатки большинства известных моделей, которые оперируют инвариантами напряжений и деформаций и, обезличивая конкретные оси, скрывают информацию о действительном направлении действия главных напряжений и деформаций.

Модель УРС характеризует в общем случае семь независимых параметров. Два.из них ( Яр и<Э?) легко определяются в обычных опытах с' нагружением и разгрузкой (в т.ч. - непосредственно во время полевого опыта) и могут быть табулированы для предварительной оценки грунта. Что касается параметра , характеризующего растяжение грунта, то, во-первых, в большинстве задач (например, о на-гружении штампа) он практически не влияет на результат, либо даже не участвует в решении. Во-вторых, для некоторых грунтов (песков, трещиноватых глин) он не имеет физического смысла и должен рассматриваться как некоторое эквивалентное представление невозможности восприятия ими растягивающих напряжений при сохранении расчетного аппарата механики сплошной среды.

4. РЕШЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЗАДАЧ

В рамках модели УРС решаются осесимметричные задачи, имеющие непосредственное значение при интерпретации полевых испытаний - о нагружении массива грунта прессиометром и круглым штампом. Прессио-метрическая задача решается в плоской и двумерной постановках.

Относительная простота плоской задачи обусловлена неподвижностью главных осей, отсутствием концевых эффектов и др. Это позволяет учесть в решении много дополнительных факторов (в частности, разномодульность двух типов, которая проявляется в зависимости от начального НДС от собственного веса, а также упрочнение, течение по ассоциированному закону и др.). Она решается известным методом

колец, постепенно меняющих свои размеры при нагружении. Границы колец определяет закон изменения деформационных характеристик в уравнении (I), а также появление пластической зоны при наличии (или отсутствии) растягивающих напряжений. На границах колец принято условие "склейки". Задача решается для саыозабуривающегося прессиометра или его аналога, применяемого в СССР для сохранения природного ВДС. В специальном случае (слабые грунты) исследуется влияние ВДС, вызванное образованием скважины.

Двумерные задачи (о нагружении массива круглым штампом и коротким прессиоыетром) решаются численным (конечно-разностным) методом в перемещениях. При построении конечно-разностных уравнений была использована модификация интегро-интерполяционного метода.

Граничные условия задач приняты соответственно схемам стандартных испытаний.

Основную сложность при численном анализе представляет зависимость деформационных характеристик от знака приращений главных напряжений. Р.Я.Оржеховской разработан специальный алгоритм решения, который позволяет за 4-5 попыток "угадать" эти приращения, т.е. привести в соответствия знаки приращений и жесткостные параметры НДС. Ею также разработан метод линеаризации физических уравнений на каждой шаге нагружения на основе зависимости разрешающих уравнений от угла поворота главных осей тензора приращения деформаций, который применим как в допредельном, так и предельном состоянии.

Вначале решение находили на разреженной сетке (по 10-15 узлов по каждой координате). Соответствующую систему уравнений решали точным методом (компактная система Гаусса). Затем сетку сгущали в 2-3 раза с интерполяцией между редкими узлами и последующим доведением решения до конца (получения заданной точности смежных груш итераций) тем же методом.

Размер шага нагружения (давления или перемещения) принимали таким, чтобы в пределах этого шага состояние контрольного (наиболее

близкого к переходу в следующую стадию НДС) узла не менялось. Если какой-либо из параметров менялся, шаг нагружения уменьшали (или увеличивали) пропорционально специальному параметру характеристики контрольного узла.

Особенность численных задач состоит в том, что они позволяют анализировать как нагружение (увеличение давления или перемещения), так и разгрузку, что, в частности, позволяет оценить влияние НДС при образовании шурфа-скважины.

Все численные задачи проверялись на тестовых задачах в изотропной и анизотропной (плоская прессиометрическая) постановках

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕШЕНИЙ ОСЕСШМЕТРИЧНЫХ ЗАДАЧ

Полученные решения обсуждаются на основе численного моделирования в широком диапазоне изменения параметров модели и внешних условий испытаний, а также на основе эксперимента.

При численном моделировании в качестве исходных принимали характеристики, соответствующие реальным и средним по критериям прочности и деформируемости грунтам. Исключение составляют случаи, когда влияние какого-либо фактора (анизотропии, упрочнения, утла внутреннего трения и др.) прослеживается во всем диапазоне возможных значений, но при фиксированных значениях других параметров.

В этой главе применительно к штамповой и прессиометрической задачам последовательно обсуждается следующее.

5.1. Влияние разномодульности

В общем случае в основании возникает несколько сменяющих друг друга зон, в которых разгрузка (а затем при определенных условиях - и растяжение) происходит в одном или двух направлениях. Области разгрузки, являясь концентраторами напряжений, быстрее (по параметру нагружения) входят в область предельного состояния, часто минуя область растяжения. Решающую роль здесь играет соот-

ношение прочности грунта и ЦЦС от собственного веса. Интегрально влияние разномодульности в весомой среде выражается в торможении перемещений, а при появлении областей растяжения - слабом искривлении соответствующих зависимостей "давление - перемещение".

5.2. Влияние упрочнения

Проявляется как фактор, существенно увеличивающий линейные или слабо искривленные участки указанных зависимостей, что создает впечатление о возможности использования теории линейно-деформируемой среды в большем, чем это следует из обычной теории прочности, диапазоне давлений на грунты. Подробно рассмотрена задача об устойчивости незакрепленной скважины. Показано, что учет разномодульности и упрочнения примерно в 1,5 раза увеличивает ее критическую глубину самообрушения.

5.3. Влияние размеров загруженного участка

Рассматривается влияние размеров (радиуса штампа, радиуса и длины прессиометра) на осадку жесткого штампа и радиальное перемещение оболочки прессиометра, в т.ч. - при изменении глубины испытания. Влияние размеров' штампа прослежено в широком диапазоне - от 0,1 до 14 м, а соответствующие зависимости осадки от размеров свидетельствуют о возрастающем торможении как следствии увеличения объема вовлекаемого в работу весомого грунта и удельного вклада тех областей, где преобладает разгрузка.

Для прессиометра зависимости прослежены для двух способов измерения радиальных перемещений - в центре загруженного участка и по всему объему прессиометрического зонда. Показано, что при втором способе измерений двумерная и плоская задачи различаются больше, что обусловлено влиянием концевых участков, вовлекаемых в измерение.

5.4. Влияние технологии испытаний

Для прессиометра сравнивается два способа установки в скважину - забуриванием (с сохранением природного ЦЦС) и свободным погружением (когда прессиометрическоцу нагружению предшествует формирование НДС за счет образования скважины). Численным моделированием установлено, что различие между интегральными характеристиками двух опытов (наклонами соответствующих зависимостей "давление -перемещение") практически неощутимо при малой глубине и достигает I0-30& на глубине, равной критической.

Для штампового испытания показано различие соответствующих интегральных зависимостей для трех случаев установки - в шурфе (I), в скважине (2) и в массиве путем завинчивания лопасти (3).

5.5. Соотношение модулей деформации по результатам испытаний штампами и прессиометрами

Сравнение интегральных характеристик парных опытов - штампового и прессиометрического, каждый из которых имеет стандартные размеры, показывает, что отношение модулей деформации на квазилинейных участках (переходный коэффициент) зависит практически от всех об-сувдаемых выше факторов. В отдельных частных случаях может преобладать какой-то фактор. Например, упрочнение или высокий угол внутреннего трения дают более длинные квазилинейные участки и соответственно меньшие расхождения. Однако в общем случае задача об отыскании переходного коэффициента должна решаться конкретно, т.е. для полного набора известных параметров грунта и условий опыта. Отсюда вытекает необходимость отыскания параметров грунта в относительно простом опыте (в данном случае - прессиометрическом), затем вычисление по ним интегральной характеристики эталонного опыта (в данном случае - штампового) и последующее определение переходного коэффициента. В этом разделе значения переходных коэффициентов табулированы для некоторых осредненных условий испытаний пылевато-глинистых и песчаных грунтов.

5.6. Экспериментальные проверки решений в условиях, моделирующих одномерную задачу

В полевых условиях (5 опытов) исследовалось распределение радиальных перемещений в пределах длинного (900 им) зонда с целью выбора участка для размещения измерительных приборов и оценки влияния концевых участков. В полевых же условиях (16 опытов) изучалось распределение радиальных послойных перемещений грунтов на, различных удалениях от скважины с целью оценки адекватности описания ВДС полученными решениями.

Более детально, с измерением радиальных перемещений, радиальных, кольцевых и вертикальных напряжений ВДС изучено в крупномасштабных (диаметром 1000 мм) лотках (21 испытание) с параллельным определением параметров грунтовых сред (суглинков и глин).

Оценку адекватности решений проводили различными способами -путем оценки распределения напряжений и/или перемещений при заранее известных или неизвестных (подлежащих определению путем простого перебора) коэффициентах физической анизотропии и значениях модуля деформации.

Все описанные эксперименты свидетельствуют об устойчивом проявлении анизотропии как сильного фактора, определяющего ВДС массива. Выявлено, в частности, наличие зон знакопеременной дилатан-сии в отдельных кольцевых зонах массива, что также подтверждает анизотропное представление грунта.

6. ПРОГРАММА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

В программе реализован алгоритм решения обратной инженерной задачи методом направленного координатного спуска с относительным шагом оптимизации - в общем случае по шести независимым (С , у , •Я . , & , ОСИ ) и одному зависимому (Е) параметрам ( ОСИ - коэффициент переуплотнения). Программа имеет шифр УРС-1 (обратная) и

предназначена для микроЭВМ типа Персональный компьютер.

В соответствии с алгоритмом для заданной прессиометрической кривой ^¿(Р^ при некотором наборе параметров модели вычисляется расчетная кривая /?•) , несовпадение которой с экспериментальной кривой оценивается остаточной дисперсией (рис.б). Расчетная кривая преобразуется таким образом, чтобы общий наклон ее совпадал с начальным наклоном экспериментальной (это и определяет зависимость параметра Е ), а при вычислении дисперсии включается только число точек (п) нелинейного участка.

Далее, изменяя параметры модели, осуществляют приближение к заданной кривой до получения минимальной дисперсии Втм • В зависимости от того, как соотносится остаточная дисперсия с предельной В^ (обусловленной погрешностью измерений), искомые параметры принимаются на нижней (наиболее опасной) границе оола-стей Игпт (если ) штл .

Для реализации всех возможностей программы требуется большое число экспериментальных точек (10-12 и, кроме того, 3-4 - для разгрузочной части кривой). Если точек меньше, часть параметров, либо их взаимная зависимость, должны быть заранее заданы.

В практических расчетах на искомые параметры накладывают ограничения. В частности, для прочности их принимают по таблицам СНиП.

Начальное приближение параметров - как правило, в середине таблиц, шаг изменения - в начале 0,1 от интервала с последующим дроблением до уровня допустимых погрешностей. Общее число итераций колеблется от 30 до 100, время счета - до I ч.

При анализе используется решение в плоской постановке, но учет пространственного эффекта достигается введением коэффициентов релаксации, зависящих от длины прессиометра и способа измерения радиальных перемещений. Учет геометрической нелинейности осуществляется отнесением к текущему значению радиуса на данной ступени.

а

У

%

с

Рис.6. Пояснение алгоритма программы УРС-1 при .определении параметров прочности С и ^ по результатам прессиометрического опыта:

а - прессиометрические кривые: I - экспериментальная, в т.ч. с ветвью разгрузки 2 и областью предельной дисперсии (заштрихована); 3 - расчетная на У-ой итерации; 4,5 - расчетные соответственно на верхней и нижней границах области возможных значений параметров;

б - последовательность поиска (стрелка) и область возможных значений параметров(б); цифры на горизонталях соответствуют значениям функции дисперсии И (мм^); заштрихована область предельной дисперсии , обусловленной суммарной погрешностью измерений; точка А(С0,Ц>о) соответствует начальным, а В (Сп , искомым значениям параметров прочности для

случая Итш <П,

'1,

Важно отметить, что полученный (прессиометрический) модуль деформации на основании аппроксимации ранее полученных соотношений программно переводится в штамповый, чем обеспечивается устранение основных погрешностей и его достоверность с точностью до коэффициента геометрической.анизотропии.

Одновременно программа вычисляет прочностные характеристики, полученные всеми известными в СССР и за рубежом методами, и модуль деформации согласно ГОСТ 20276-85.

В специальных модификациях программы предусмотрена возможность вычисления параметров некоторых нелинейных моделей, в частности, деформационной, упруго-пластической и Cam-Ctay .

В главе показано соотношение прочностных характеристик стандартной модели в эксперименте на обычных грунтах (глинах и суглинках) и уникальном эксперименте на шельфе НРБ, где оценивалась достоверность параметров стандартной модели и модели Сат-ССау по данным лабораторных и прессиометрических опытов.

7. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И , ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

Глава, насыщенная результатами анализа экспериментального материала, содержит обоснование положений двух разработанных с участием автора государственных стандартов (ГОСТ 20276-74,-85 и ГОСТ 21719-80).

7.1. Конструкции прессиометрических устройств

Рассматриваются отечественные и зарубежные конструкции приборов, предназначенные для испытаний преимущественно в устойчивых скважинах, и предложения автора, защищенные тридцатью авторскими свидетельствами. Наибольшее распространение получили воздушно-электрические приборы, а в последнее время - пневматические (на основе предложенного Н.Г.Теряевым воздушного принципа измерений).

Схемы приборов показаны на рис.7 а,б. Сформулированы основные требования к приборам для их стандартизации.

7.2. Определение деформационных характеристик

На основе анализа прессиометрических графиков, выполненных по медленному режиму, установлены:

- значения пределов пропорциональности как функции физических, характеристик и соответственно - значения ступеней давления при нагружении;

- критерии стабилизации деформаций, обеспечивающие степень консолидации, эквивалентную достигаемой в стандартном штамповом испытании;

- ограничения на применение некоторых видов бурения скважин (ударно го, шнеко во го);

- переходные коэффициенты, обеспечивающие определение модуля деформации, эквивалентного получаемому в стандартном штамповом испытании; в отличие от полученных теоретическим путем на эти коэффициенты, представленные в виде таблиц, накладывается дисперсия, обусловленная геометрической анизотропией реальных грунтов.

7.3. Определение прочностных характеристик грунтов методом кольцевого среза под давлением

Здесь содержится обоснование нового способа испытаний на сдвиг, включающего элементы прессиометрии (обжатие скважины) и вращательный или поступательный (рис.7 в) срез под заданным давлением. Способ и конструкции устройств защищены десятью авторскими свидетельствами.

Содержится обоснование размеров рабочих органов - срезывате-лей, режимов нагружения (размер ступеней давления, критерии стабилизации и др.), способов обработки результатов, которые обеспечили возможность стандартизации метода. Показана возможность использования метода повторных сдвигов, когда испытание проводится без

а

13

Рис.7. Конструкции прессиометрических устройств:

а - воздушно-электрический прессиометр; б - пневматический прессиометр; в - установка поступательного кольцевого среза; г - зонд-прессиометр; д - поворотный тензомегрический зоцц;

I - оболочка; 2 - корпус; 3 - датчик линейных перемещений; 4 - магистраль высокого давления; 5 - манометр; б - измеритель перемещений/напряжений; 7 - обсадная труба; 8 - емкость известного объема (баллон); 9 - редукционный клапан; 10 - динамометрическое устройство; II - лопасти; 12 - гибкие элементы; 13 - тензорезистор

перестановки прибора в скважине. Метод применяется при испытании обычных (дисс. О.Н.Жидкова), мерзлых при оттаивании (дисс. Б.И.Суханова) и просадочных при замачивании (дисс. Ю.И.Ярового) грунтов.

8. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ОСОБЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ ГРУНТОВ

Расширение диапазона использования метода прессиометрии иллюстрируется с привлечением материалов, содержащихся в кандидатских диссертациях Ю.И.Ярового, В.Ф.Быстрых, В.И.Ямогва, И.А.Маре-нинова, Б.И.Суханова и Ю.Р.Оржеховского, выполненных под руководством профессора В.Б.Швеца и автора.

8.1. Испытания слабых водонасыщенных грунтов

Особенность ситуации - возможность обрушения стенок скважин, незавершенность процессов уплотнения (даже при нагружении по медленному режиму), которые предопределяют сложность оценки получаемой информации. Предлагается несколько конструктивно-технологических приемов, обеспечивающих возможность испытаний слабых грунтов, часть которых имеет зарубежные аналоги (самозабуривающийся прессиометр):

- применение разрезных обсадных труб; размещение на обсадных трубах нагрузочной части прессиометра; в ГОСТ 20276-85 включено предложение автора об установке прессиометра в обсадной трубе, создании начального давления и подъеме обсадной трубы, при котором на незакрепленный участок скважины сразу передается бытовое давление (этот способ может быть представлен как альтернатива самозабуривающемуся прессиометру);

- применение прессиометров, вдавливаемых в грунт (рис.7 г,д) при этом в решении соответствующих задач требуется учет искажения начального ЦЦС, вызванного внедрением нагрузочного органа.

8.2. Испытания мерзлых грунтов при оттаивании

Сущность способа заключается в образовании локальной оттаявшей зоны вокруг зонда прессиометра и измерении перемещений стенки скважины при оттаивании и последующем увеличении давления. Способ, предложенный М.В.Малышевым и И.Е.Гурьяновым, существенно развит и доведен до практического использования в инженерной практике.

Обоснована возможность аналитического определения размеров зоны оттаивания (калориметрическим методом), характеристик оттаивания и сжимаемости оттаивающего грунта под давлением. В некоторых случаях возможно определение угла внутреннего трения, а при использовании установок кольцевого среза под давлением - обоих параметров сдвига.

Основой анализа являются данные 17 параллельных термоштампо-вых и термопрессиометрических опытов и несколько десятков опытов на сдвиг.

8.3. Испытание просадочных грунтов при замачивании

Сущность предложенного способа заключается в проведении прес-сиометрических опытов в естественном и предварительно замоченном состояниях (метод "двух кривых").

На основании 70 параллельных испытаний штампами и прессиомет-раыи показана возможность достоверного прогноза относительной просадочности и начального просадочного давления при условии, если по данным прессиоме-трических испытаний "воспроизвести" соответствующие штамповые кривые "давление - осадка" (например, по методу несущего столба М.Н.Гольдштейна и С.Г.Кушнера или по программе "Гипоштамп" А.Н.Алехина).

Применение предложенных способов существенно расширяет диапазон использования метода прессиометрии, причем исследования, касающиеся мерзлых и просадочных грунтов, не имеют зарубежных аналогов.

9. СЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОБЪЕМОВ ВНЕДРЕНИЯ МЕТОДА

Место метода в ряду других методов испытаний показано с использованием критериев максимума эффективности КМЭ (М.В.Рац), учитывающих стоимость единичного испытания и дисперсии искомых характеристик.

По КМЭ метод прессиометрии имеет значительные преимущества по сравнению со штамповым при определении модуля.деформации нескальных и относительной просадочных лессовых грунтов. Соответственно по классификации М.В.Раца он характеризуется как точный. Такую же иценку имеет метод кольцевого среза под давлением.

Метод относится к числу грубых при определении прочностных характеристик нескальных грунтов по* прессиометрической кривой и характеристик сжимаемости и оттаивания мерзлых грунтов. Здесь метод становится точным при использовании ряда параметров, полученных в других опытах, т.е. речь вдет о сочетании нескольких методов испытаний.

В то же время метод прессиометрии является практически единственно возможным методом непосредственного опробования грунтов на больших глубинах, при больших толщах слабых грунтов, особенно грунтов акваторий.

На основании опроса организаций, внедряющих метод прессиометрии, показаны объемы ежегодного внедрения метода (около 10 тысяч опытов), экономический эффект (около 2,5 млн.руб.) и доля автора в этом эффекте (около 800 тыс.руб.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. Метод прессиометрии, основы которого заложены трудами отечественных и зарубежных ученых, представляет собой перспективное направление в практике исследований грунтов. Преимущества его вы-

текают из основного принципа - обжатия участка скважины равномерным давлением, что исключает анкерные устройства. Одновременно упрощается задача анализа ЦЦС (сведением к одномерному случаю), что позволяет ввести в решение большое число факторов, характеризующих существенные свойства грунтов, и соответственно - обеспечить возможность их определения из обратной задачи.

2. При решении поставленной задачи об определении по результатам испытаний характеристик стандартного тела необходимо учитывать условность искомых характеристик - как результат применения к грунтам задач в линейной постановке. Следствием этого является несоответствие рада стандартных параметров (в частности, - модуля деформации) изначально придаваемому им физическому смыслу и невозможность непосредственного их получения в опытах, отличных от . стандартных. В то же время ориентация существующих методов расчетов в фундаментестроении именно на стандартные параметры заставляет искать пути их определения в других опытах; одним из них является численное воспроизведение стандартного испытания.

3. Исследование геометрической анизотропии как фактора, ограничивающего применение метода прессиометрии, свидетельствует, во-первых, об отсутствии существенного (на фоне естественной неоднородности грунта) различия характеристик деформируемости во взаимно перпендикулярных направлениях по всех текстурно однородных грунтах; во-вторых, о наличии анизотропии в пределах 1,5-2 в слоистых грунтах и лессах; в-третьих, о возможности корректировки результатов испытаний неоднородных грунтов методом пенетрации.

4. Основу теоретического анализа составляет предложенная автором разномодульная упрочняющаяся модель грунта УРС. Математической формулировке ее предшествовало комплексное изучение физической анизотропии - различия характеристик деформируемости грунтов при знакопеременных напряжениях. Установлены количественные характеристики анизотропии первого и второго типов, их связь с

характеристиками вида и состояния грунтов, а также условия их реализации в зависимости от знаков полных и/или дополнительных напряжений. Важнейшей характеристикой модели является упрочнение, реализация которого.вызывает скачкообразное изменение проч-10стных параметров по М.Хвореслеву. Модель УРС предполагает различие деформаций - упругих (реализуемых в расчетах через модуль упругости), пластических допредельных (реализуемых через модуль деформации) и пластических предельных (реализуемых через ассоциированный закон течения).

Модель предполагает использование расчетного аппарата разно-модульной теории упругости С.А.Амбарцумяна и в общем случае свободна от постулирования подобия тензоров напряженного и деформированного состояния.

Эта модель правильно прогнозирует все известные особенности поведения грунтов в сложном напряженном состоянии - дилатансию доуплотнения в доцредельном состоянии, дилатансию разрыхления -в предельном, зависимость параметров прочности и деформируемости от вида напряженного состояния и траектории нагружения (или догружения) , поворот осей.

5. Практическая реализация модели УРС требует нового решения осесимметричных задач, используемых при испытании грунтов - одномерной (о нагружении бесконечно длинной скважины) и двумерной (о нагружении штампа и короткого прессиометра).

Особенность задач состоит в том, что матрица жесткости - податливости на каждом шаге нагружения заранее неизвестна, поскольку определяется знаками полных - дополнительных напряжений, а в двумерных задачах - еще и поворотом осей. Решение одно- и двумерных (согласно алгоритму асп. Р.Я.Оркеховской) задач в новой (раз-номодульно-упрочняющейся) постановке позволило оценить такие факторы, как глубина, размеры загруженной площади, технологию испытания и др.

6. Предлагается метод (реализованный в виде программы УРС-1) определения деформационных и прочностных характеристик грунтов по результатам прессиометрического испытания, суть которого в поиске методами оптимизации такой комбинации искомых параметров, которые обеспечивают наилучшее приближение к экспериментальной прессио-метрической кривой.

Показана возможность достоверной оценки прочностных и деформационных характеристик, а также параметров некоторых нелинейных моделей грунта.

7. Для практического использования в практике инженерно-строительных изысканий предлагается серия прессиометрических устройств; наиболее перспективными из них, по мнению автора, являются:

- прессиометры воздушно-электрического и пневматического типов, имеющие достаточно высокую точность измерения радиальных перемещений, и дополнительные устройства для испытаний слабых и структурно-неустойчивых грунтов;

- установки, основанные на прессиометрическом принципе, предназначенные для определения прочностных характеристик широкого класса нескальных грунтов методом кольцевого среза под давлением.

8. Следует признать успешными исследования, направленные на применение прессиометрического метода при испытании особых разновидностей грунтов - слабых (неустойчивых в стенках скважины), просадочных (при замачивании), мерзлых (при оттаивании). Большая часть исследований оригинальна - главные характеристики способов и устройств защищены авторскими свидетельствами и не имеют зарубежных аналогов. Показана возможность достоверной оценки свойств особых разновидностей грунтов в сравнении со стандартными методами испытаний.

9. Использование прессиометра позволяет получить экономический эффект от 25 до 50 тыс.руб. при значительном сокращении трудозатрат. Резко возрастает эффект при испытании слабых и структурно-неустойчивых грунтов. В ряде случаев (большие глубины, морские изыскания) прессиометрия - ед-чственный задатчик информации о поведении грунтов при прямом силовом воздействии. Дополнительный, причем весьма существенный эффект заключается в повышении качества цроектных решений в фундаментестроении за счет повышения качества исходной информации о свойствах грунтов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

I. Душников В.В. Прессиометр П-89 и исследование сжимаемости элювиальных грунтов. - В кн.: Новые конструктивные и технологические решения по основаниям и фундаментам. - Сб.науч.тр. f.13 173/ УПИ им.С.М.Кирова. - Свердловск, 1968, с.155-166.

, 2. Лушников В.В. К обработке результатов прессиометрических исследований сжимаемости грунтов. - В кн.: Полевые методы исследования грунтов (материалы к всесоюзн.совещ. в г.Рязани, 1969 г.)-М.: 1969, с.113-118.

3. Лушников В.В., Елпанов В.Г. Прессиометры УПИ для испытаний грунтов в скважинах. - Там же, с.119-123.,

4. Лушников В.В., Пшеничников К.Г. Прессиометр П-89 для определения сжимаемости грунтов в скважинах//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1979, № I, с.35-36.

5. Лушников В.В., Елпанов В.Г. Исследование сжимаемости слабых грунтов (материалы к всесоюзн.совещ. в г.Риге). - Рига, 1970, с.69-73.

6. Швец В.Б., Лушников В.В., Елпанов В.Г. Исследование условий применения прессиометрического метода для определения сжимаемости грунтов. - В кн.: Прессиометрические методы исследований грунтов. Тез.докл.конф., Свердловск, 1971, с.15-25.

7. Лушников B.B., Вулис П.Д. Некоторые результаты исследования анизотропии методами компрессии и пенетрации//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1972, № 3, с.26.

8. Бронштейн М.П., Лушников В.В., Михеев В.В., Руппенейт К.В., Швец В.Б. Прессиометрический метод исследования свойств грунтов и его теоретическое обоснование: Труды к УШ Международному конгрессу по механике грунтов и фувдаментостроению. - М.: Стройиздат, 1973, с.5-12.

9. То же, на англ.яз. - М., 1973, T.I, с.79-83.

10. Швец В.Б., Лушников В.В., Маренинов И.А., Суханов Б.И. Прессиометрические исследования деформационных и прочностных свойств грунтов при оттаивании: П Международная конференция по мерзлотоведению: Вып.4. - Якутск: Якутское кн.изд-во, 1973,

с.104-107.

11. То же, на англ.яз.: Тез.докл.Межд.конф., Якутск, 1973, с.125-126.

12. Лушников В.В., Вулис П.Д., Литвинов Б.М. О соотношении модулей деформации при сжатии и растяжении грунтов//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1973, № 6, с.18-19.

13. Елпанов В.Г., Лушников В.В. Прессиометрические испытания сжимаемости водонасыщенных глинистых грунтов//Нефтепромысловое строительство, 1974, № I, с.8-11.

14. Яровой Ю.И., Лушников В.В. Теоретические предпосылки к ооработке прессиометрияеских испытаний слабых грунтов: Вопросы проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений: Межвузовский тематич.сб.тр. - Куйбышев, 1974, с.15-22.

15. Швец В.Б., Лушников В.В., Литвинов Б.М. Исследование физической анизотропии грунтов в стабилометрах//Известия вузов. Строительство и архитектура, 1975, № 7, с.148-151.

16. Лушников В.В. Опыт применения прессиометрического метода для испытаний механических свойств грунта: Рациональные методы исследований грунтов и конструкций фундаментов для районов Среднего Приобья. - М.: Изд-во ВНШОЭНГ, 1975, с.28-48.

17. Лушников В.В. Обработка прессиометрических испытаний оттаивающих грунтов: Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Тез.докл.всесоюзн.совещ., т.П, М., 1975,

с.94-96.

18. Лушников В.В. Учет собственного веса при обработке прессиометрических испытаний грунтов: Основания и фундаменты. Межвуз. сб.тр., вып.Ю. - Киев: Буд1вельник, 1977, с.63-69.

19. Швец В.В., Лушников В.В., Яровой Ю.И. Исследование проса-дочных свойств грунтов прессиометрическим методом. - Там же,

с.100-105.

20. Лушников В.В. Оценка достоверности прочностных характеристик грунтов по данным прессиометрических испытаний: Основания и фундаменты. Межвуз.сб.науч.тр. - Пермь: Изд.Пермского ун-та, 1978, с.60-65.

21. Лушников В.В. Напряженно-деформированное состояние грунтов вокруг погруженных зондов: Основания, фундаменты и механика грунтов. Межвуз.тематич.сб.тр. - Л.: ЛИСИ, 1978, с.109-118.

22. Лушников В.В. Развитие прессиометрического метода иссле- . дований нескальных грунтов в СССР (на нем.яз.): Труды к 60-летию развития геомеханики. - Лейпциг, 1979, с.157-162.

23. Лушников В.В., Быстрых В.й. Прессиометрическая установка для испытания слабых грунтов//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1979, № 5, с.15-17.

24. Лушников В.В., Тарасов Б.Л., Швец В.Б. Полевые установки для испытаний слабых грунтов: У1 Дунайско-Европейская конференция по механике грунтов и фундаментостроению. - Варна, 1980, с.205-214.

25. Лушников В.В., Алехин А.Н., Копейкин B.C. К учету нели-

нейных зависимостей при решении прессиометрических задач: Экспериментально-теоретические методы исследования процессов упруго-пластического деформирования оснований и фундаментов. - Новочеркасск: Изд-во ИЛИ, 1980, с.59-63.

26. Швец В.Б., Лушников В.В., Швец Н.С. Определение строительных свойств грунтов: Справочное пособие. - Киев: Буд1вель-ник, 1981. - 103 с.

27. Лушников В.В., Оржеховская Р.Я., Оржеховский Ю.Р. Модель упрочняющейся разномодульной грунтовой среды: Основания и фундаменты в региональных условиях Урала. - Пермь, 1987, с.72-78.

28. Лушников В.В. Определение прочностных характеристик грунтов по результатам прессиометрических испытаний на основе модели упрочняющейся разномодульной среды. - Там же, с.85-91.

29. Пыпаев Е.Л., Лушников В.В., Зюзин А.И. Пневматический прессиометр для полевых изысканий в электросетевом строительст-ве//Энергетическое строительство, 1988, № 6, с.74-76.

30. Лушников В.В. Решение прессиометрической задачи на основе модели упрочняющейся разномодульной грунтовой среды: Экспериментально-теоретическое исследование ВДС грунтовых оснований. Межвуз.сб.тр. - Казань, 1987, с.78-84.'

31. Лушников В.В., Оржеховская Р.Я., Оржеховский Ю.Р., Алехин А.Н. Характеристика модели упрочняющейся разномодульной среды. - Деп. во ВНШИС, 1987, № 7736.

32. Лушников В.В., Оржеховская Р.Я., Оржеховский Ю.Р., Алехин А.Н. К построению модели грунта с анизотропным упрочнением: Современные проблемы нелинейной механики грунтов. Тез.докл.все-союзн.конф. - Челябинск, 1985.