СПОСОБ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ПЕРЕУПЛОТНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В ПРИРОДНОМ ЗАЛЕГАНИИ
METHOD FOR EVALUATION OF EXTENT OF CLAY SOILS REPACKING IN NATURAL DEPOSIT

Изобретение относится к области проектирования и строительства гражданских, промышленных, гидротехнических объектов, в том числе нефтегазодобывающих платформ, и используется для характеристики физического и напряженно-деформированного состояния глинистых пород, оценки поведения под нагрузкой плотных связных грунтов с естественной структурой, при устройстве котлованов и выборе мероприятий по обеспечению устойчивости откосов и дна котлована, для создания начального напряженного состояния при испытаниях образцов грунта в условиях трехосного сжатия, определении прочностных характеристик.
Для оценки новизны и изобретательского уровня заявляемого решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
Известен способ определения показателя уплотненности глинистой породы [1] по относительному выражению пористости
d
где K - показатель уплотненности, д.е.;
f
ε - приведенная пористость, соответствующая переходу водонасыщенного осадка из текучего в пластичное состояние;
p
ε - приведенная пористость при переходе осадка из пластичного в твердое состояние.
f
p
Значения ε и ε определяются из следующих соотношений:
f
p
f
p
где W и W - весовые влажности, соответствующие значениям ε и ε;
γ - удельный вес породы.
d
По полученным значениям K различают следующее состояние породы: недоуплотненное, начальная степень уплотнения, пластичное, переход в полутвердое, переуплотненное полутвердое.
Основным недостатком способа-аналога является условный характер, позволяющий грубо приближенно характеризовать состояние и свойства породы, т.к. определение естественной пористости молодых осадков в лабораторных условиях может дать большое отклонение от начальной пористости того же осадка, отлагавшегося на дне водоема в естественных условиях. Условной является и величина, характеризующая переход уплотняющегося водонасыщенного осадка из текучего в пластическое и пластического в полутвердое состояние.
Известны способы определения степени переуплотнения глинистых пород по разности коэффициентов пористости в их естественном состоянии и приготовленных из них паст при давлении, равном природному [2], и соотношению коэффициентов пористости пасты (при начальной влажности, равной влажности на границе текучести, и давлению, равном природному) и в естественном состоянии [3].
Недостатком способов-аналогов является необходимость трудоемкой подготовки образцов и проведение длительных опытов по компрессионному сжатию глинистого грунта при различных ступенях нагрузок. Способы-аналоги не предусматривают определение давления предуплотнения, под действием которого сформировалась глинистая порода.
Известны методы определения фактора переуплотнения глинистых грунтов по величине отношения разности между величиной ранее действовавшего давления (давления предуплотнения) и природного (бытового давления) к природному давлению [4 и 5]
ny
где F - фактор переуплотнения;
y
P - ранее действовавшее давление (давление предуплотнения);
np
P - природное давление.
Определение величины ранее действовавшего давления производится по результатам компрессионных испытаний глинистых грунтов естественной структуры.
Недостатком способа-аналога является оценка переуплотнения по форме кривой компрессии, отличающейся от обычно наблюдающихся для нормально уплотненных образований. Грунт может быть нормально консолидированным несмотря на то, что характер его компрессионной кривой может отличаться от обычного. По этой причине предсказание характера компрессионной кривой, исходя из геологической истории, может быть иногда очень ошибочным.
Наиболее близким к заявленному по совокупности существенных признаков является принятый нами за прототип способ Казагранде [6, 7], включающий отбор образца грунта ненарушенной структуры, определение плотности и влажности в естественном состоянии, плотности частиц грунта, бытового давления на глубине отбора образца, уплотнение в компрессионном приборе с разгрузкой и повторной нагрузкой, определения давления предуплотнения и коэффициента переуплотнения.
Способ-прототип заключается в следующем. Для отобранного образца грунта определяют плотность, влажность в естественном состоянии, плотность частиц грунта. Образец грунта помещают в компрессионный прибор и ступенчато нагружают до некоторого давления, а затем разгружают и повторно нагружают (рекомпрессия) до давлений, превышающих давление предуплотнения, фиксируя величину осадки для каждой ступени давления. По полученным результатам строится компрессионная кривая в полулогарифмическом масштабе e=f·lnσ. На графике определяется точка, соответствующая наибольшей кривизне на кривой повторного загружения, проводится горизонтальная линия через эту точку и касательная к ней, затем проводится биссектриса угла между ними. Определяется точка пересечения биссектрисы с продолжением прямолинейного участка компрессионной кривой, проекция которой на ось давлений p и даст величину давления предуплотнения. Коэффициент переуплотнения определяется по формуле
где OCR - коэффициент переуплотнения, д.е.;
- давление предуплотнения, МПа;
- бытовое давление, МПа.
Бытовое давление рассчитывается по формуле
3
где ρ - плотность грунта, г/см;
h - глубина отбора образца грунта, м.
Этот способ включен в действующие Британские (BS) и Американские (ASTM) стандарты.
Недостатками способа-прототипа помимо больших трудозатрат и низкой производительности является низкая точность определения давления предуплотнения, т.к. оно находится в некоторой области, окружающей точку перегиба лабораторной кривой компрессии. Способ применим для умеренно переуплотненных грунтов, т.к. возможности лабораторного оборудования в ряде случаев не позволяют создавать большие вертикальные давления (более 10 МПа).
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении производительности, точности, снижении трудоемкости и длительности определения равновесного давления, расширении интервала значений давлений и характеристик предуплотнения.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем отбор образца грунта, определение плотности и влажности в естественном состоянии, плотности частиц грунта, бытового давления на глубине отбора образца, давления предуплотнения, дополнительно определяют влажность на границе текучести, гранулометрический состав, содержание и плотность частиц мелкой, размером менее 2 мм, и крупной, размером более 2 мм, фракций, равновесную плотность образца и определяют:
- равновесное давление для бытовой плотности отобранного образца грунта
где  - равновесное давление, МПа;
do
3
ρ - плотность сухого грунта отобранного образца, г/см;
L
W - влажность на границе текучести, д.с.,
и определяют коэффициент переуплотнения по соотношению плотностей отобранного образца и равновесной для бытового давления
dc
3
где ρ - равновесная плотность для бытового давления, г/см, и коэффициент напряжения по соотношению давлений равновесного и бытового
где  - бытовое давление, МПа,
и затем по полученным значениям этих коэффициентов определяют степень переуплотнения образца.
Кроме этого предлагаемое изобретение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:
- при разработке котлованов, при определении равновесной плотности бытовое давление уменьшают на величину давления от вынутого слоя грунта, а коэффициенты переуплотнения и напряжения определяют с учетом полученных значений равновесной плотности и бытового давления;
- при возведении сооружения, например здания или насыпей, при определении равновесной плотности учитывают дополнительно к бытовому, передаваемое на основание давление от веса сооружения, и определяют коэффициенты переуплотнения и напряжений.
Отличительными признаками предложенного способа являются определение влажности на границе текучести, гранулометрического состава, содержания и плотности частиц мелкой и крупной фракций, равновесной плотности образца, равновесного давления для бытовой плотности отобранного образца грунта, коэффициента переуплотнения по соотношению плотностей отобранного образца и равновесной для бытового давления.
Это позволяет экономить рабочее время за счет отсутствия необходимости уплотнения образца в компрессионном приборе, расширить интервал давлений предуплотнения по сравнению с возможностями лабораторного оборудования, а также точность определения оценки степени предуплотнения глинистых грунтов повышается за счет определения равновесного давления, сформировавшего естественную (бытовую) плотность грунта в природном залегании и равновесной плотности для существующего бытового (природного) давления.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, фиг.1-4.
На фиг.1 показана зависимость коэффициента пористости от вертикального давления образца кембрийской глины, отобранного из скважины с глубины 21,0-21,1 м.
На фиг.2 - зависимость коэффициента пористости от вертикального давления образца глины вендского горизонта, отобранного из скважины с глубины 74,9-75,15 м.
На фиг.3 - изменение коэффициента переуплотнения по глубине кембрийских и вендских глин из оснований энергетического объекта и высотного здания.
На фиг.4 - изменение коэффициента напряжения по глубине кембрийских и вендских глин из оснований энергетического объекта и высотного здания.
Способ осуществляется следующим образом.
do
L
sm
sk
dc
Отбирают образец глинистого грунта ненарушенной структуры, определяют его влажность и плотность сухого грунта ρ. Определяют влажность грунта на границе текучести W, гранулометрический состав и по его результатам содержание мелкой (размером менее 2 мм) и крупной (размером более 2 мм) фракций, плотность частиц ρ мелкой и крупной ρ фракций, равновесную плотность ρ для бытового давления. Величину действующего бытового давления  на глубине отбора образца грунта рассчитывают по формуле
,
3
где ρ - плотность отобранного образца грунта, г/см;
h - глубина отбора образца грунта, м.
Значение равновесной плотности мелкозема (d<2 мм),  для действующего бытового давления определяют в соответствии с [8], принимая
3
где  - равновесная плотность мелкой фракции (d<2 мм), г/см;
L
W - влажность грунта на границе текучести, д.е.;
- давление, равное действующему бытовому давлению, МПа.
Влияние содержания крупной фракции на величину  учитывают известными способами [9, 10]
,
3
где  - равновесная плотность для действующего бытового давления с учетом содержания крупной фракции, г/см;
sk
3
ρ - плотность частиц крупной фракции (d>2 мм), г/см;
- плотность сухого грунта мелкозема (d<2 мм), определенная по формуле (4);
m
P - содержание мелкозема (d<2 мм) в образце по массе, д.е.;
k
P - содержание крупной фракции (d>2 мм) в образце по массе, д.е.
ρ
σ
О степени переуплотнения судят по значениям коэффициентов переуплотнения k и напряжения k, определяемым по формулам (2) и (3).
В зависимости от величины полученных коэффициентов различают следующие состояния глинистых грунтов:
- по коэффициенту переуплотнения - степень переуплотнения
ρ
k=1 - нормально уплотненное,
ρ
k<1 - недоуплотненное,
ρ
k>1 - переуплотенное;
σ
- по коэффициенту k - степень напряженного состояния
σ
k=1 - нормально напряженное или стабилизированное состояние, характеризуется отсутствием осадок и избыточного порового давления,
σ
k>1 - перенапряженное, нестабилизированное, при контакте с водой возможны деформации набухания, наличие отрицательного порового давления,
σ
k<1 - недонапряженное, нестабилизированное для водонасыщенных грунтов, сопровождается осадками, наличием избыточного порового давления.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата для всех случаев, на которые распространяется предлагаемое изобретение.
dc
При разработке глубоких котлованов часто наблюдаются случаи повышения отметки дна котлована в результате декомпрессии и разбухания. Осадки сооружений на таких грунтах часто очень значительные. В результате выемки грунта при устройстве котлована уменьшается величина действующего бытового давления  и по [8] определяют равновесную плотность ρ для бытовой нагрузки, уменьшенной на величину давления от вынутого слоя грунта, и с учетом полученных значений равновесной плотности и бытового давления по формулам (2) и (3) определяют коэффициенты переуплотнения и напряжения. На основании полученных коэффициентов уточняют деформационные и прочностные характеристики грунта, определяющие величину осадки и устойчивости сооружений.
dc
При возведении сооружений (зданий, насыпей) на переуплотненном глинистом грунте на основание дополнительно передается давление от веса сооружения, увеличивающее бытовое давление. Определяют по [8] равновесную плотность ρ для бытового давления, увеличенного с учетом давления от возводимого сооружения и по полученным значениям равновесной плотности и бытового давления по формулам (2) и (3) определяют коэффициенты переуплотнения и напряжения. На основании полученных коэффициентов уточняют деформационные и прочностные характеристики грунтов основания, определяющие величину осадки и устойчивости сооружений.
Примеры оценки степени переуплотнения кембрийских глин из основания энергетического объекта в Ленинградской области и глин вендского горизонта из основания высотного здания в г.Санкт-Петербурге.
Пример 1.
Задание - определить равновесное давление для бытовой плотности и степень переуплотнения кембрийских глин в основании энергетического объекта в Ленинградской области.
d
L
о
s
3
Расчет выполнен для двух скважин, пробуренных на строительной площадке на глубину от 16,5 до 41,9 м с отбором образцов грунта ненарушенной структуры. Для отобранных образцов определяют плотность влажного ρ и сухого грунта ρ, влажность в естественном состоянии W и на границе текучести W, бытовое (природное) давление σ, гранулометрический состав, по результатам которого устанавливают, что все образцы не содержат крупных фракций (размером более 2 мм) см.табл.1, плотность частиц грунта, в среднем составляющая ρ=2,74 г/см. Равновесное давление для бытовой плотности определяют по формуле (1).
Например, для образца, отобранного из скважины с глубины 21,7-21,9 м, равновесное давление равняется
Равновесную плотность для бытового давления, равного  определяют по формуле [8],
Коэффициент переуплотнения определяется по формуле (2):
Коэффициент напряжения определяется по формуле (3):
Таким образом, образец грунта на глубине 21,7-21,9 м находится в переуплотненном состоянии под давлением, меньшим, чем то, под действием которого сформировалась природная плотность. На фиг.1 видно, что в исследованном интервале давлений 0,01-5,50 МПа не удалось получить наибольшую кривизну графика, т.е. выйти на прямую линию, характеризующую фильтрационную консолидацию образца. В связи с этим нет возможности определить величину давления предуплотнения и коэффициент переуплотнения OCR по способу, изложенному в прототипе.
Значение равновесного давления для бытовой плотности по предлагаемому способу получено , т.е больше давления, которое можно создать в приборе.
Пример 2.
Задание - определить равновесное давление для бытовой плотности, равновесную плотность и степень переуплотнения для глин вендского горизонта из основания высотного здания г.Санкт-Петербурга.
Расчет выполнен для 13 образцов глин из скважин с разных глубин от 47,0 до 100,3 м.
Физические характеристики кембрийских и вендских глин и рассчитанных давлений бытового и равновесного, а также коэффициентов переуплотнения и напряжений приведены в табл.2.
На графике (фиг.2) не наблюдается резкого перелома кривой для образца, отобранного с глубины 74,9-75,15 м в исследованном интервале давлений от 0 до 4,6 МПа, что не даст возможности определить давление предуплотнения и коэффициент предуплотнения OCR по способу-прототипу.
ρ
σ
По предлагаемому способу соответствующие значения получены следующие: равновесное давление для бытовой плотности  т.е. больше давлений, при которых испытывался образец, коэффициент переуплотнения k=1,08, коэффициент напряжения k=9,27.
ρ
σ
ρ
σ
По результатам расчетов, выполненных по предлагаемому способу и приведенным в табл.2, строят графики изменения по глубине коэффициентов переуплотнения k и напряжения k кембрийских и вендских глин, приведенные на фиг.3 и 4. Из приведенных графиков следует, что все исследованные грунты являются переуплотненными. Коэффициент переуплотнения kкембрийских глин из основания энергетического объекта при увеличении глубины от 16,5 до 41,9 м уменьшается от 1,21 до 1,13, коэффициент напряжений k уменьшается от 40,80 до 14,60. Грунт в исследованном слое находится в переуплотненном состоянии, поэтому при устройстве котлована возможен подъем дна, что потребует разработки мероприятий по его устранению или укреплению основания.
σ
Для вендских глин в основании высотного здания при увеличении глубины от 47,0 до 100,30 м коэффициент переуплотнения изменяется в пределах от 1,04 до 1,12, коэффициент напряжений k - от 3,20 до 14,75. Все исследованные образцы находятся в переуплотненном состоянии. При устройстве глубокого котлована под высотное здание в результате выемки значительного слоя грунта уменьшается величина бытового давления, в результате чего увеличится коэффициент переуплотнения грунтов, что может вызвать значительный подъем дна котлована и потребуется разработка мероприятий по укреплению основания.
Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить стоимость, трудоемкость и длительность оценки степени предуплотнения глинистых грунтов, расширить определяемый интервал давлений предуплотнения и повысить точность за счет того, что по влажности на границе текучести и равновесной плотности оценивают степень предуплотнения глинистых грунтов, определяя равновесное давление для бытовой плотности и коэффициенты переуплотнения и напряжения.
Таблица 1
№ п/п
Глубина отбора, м
Размер частиц, мм
Гранулометрический состав грунта, %
2-1,0
1-0,5
0,5-0,25
0,25-0,1
0,1-0,05
0,05-0,01
0,01-0,005
Менее 0,005
1
21,0-21,1
-
3,4
4,3
4,3
3,3
21,9
19,1
43,7
2
21,7-21,9
-
1,0
0,8
2,3
10,0
15,7
15,9
54,3
3
74,9-75,15
-
0,1
0,3
0,2
6,5
30,3
12,8
49,8
Список использованной литературы
1. Приклонский В.А. Грунтоведение. - М.: Госгеолиздат, 1949, с.314-316.
2. Денисов Н.Я. О природе деформаций глинистых пород. - М.: Минречфлот СССР, 1951, с.25-29.
3. Месчян С.Р. Длительное сопротивление переуплотненных глин сдвигу. // Известия АН АрмССР. Механика, 1966, т.19, №5, с.48-52.
4. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. - М.: 1968, т.11, с.239-240.
5. Леонарде Д.А. Основания и фундаменты. - М.: Стройиздат, 1968, с.93-94.
6. Casagrande A. The Determination of the Preconsolidation Load and Its Practical Influence. Pro, Ist International Conf. on Soil Mech. and Found. Eng., Boston, Discussion D-34, Vol. 3, 1936, p.60.
7. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. - М.: Стройиздат, 1979, с.161, 162, рис.IV.30.
8. Ермолаева А.Н. Возведение противофильтрационных устройств из глинистых грунтов с учетом технологических характеристик. - СПб., Известия ВНИИГ, 1996, т.231, с.371-381.
9. Борткевич С. В., Вуцель В.И., Чернилов А.Г., Ройко Н.Ф. Контроль качества уплотнения грунтовых материалов при строительстве высоких плотин.// Гидротехническое строительство, 1981, №5, с.9-12.
10. Рекомендации по лабораторному определению максимальной плотности связных грунтов применительно к уплотнению катками: П 50-90/ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. - Л.1991.