Рекомендации Рекомендации по учету ползучести при назначении прочностных характеристик грунтов малой степени литификации при проектировании оснований
В Рекомендация х даны предл ожения по учету ползучести глинис тых грунтов м алой степени литифик ации при назначении характеристик прочности. Рекомендации составлены на основан ии проведенн ых экс перим ент ал ьных и сследований п ро чн ости при различных режимах и спытания глини сты х грунтов с ненарушенной струк турой и структур ой , искусственно сформированной в лаборатории. Уч тены полученные и приведенны е в литературе законом ерности уменьшения прочности грунтов со временем для грунтов, находящихся в определенном напряженн ом состоянии, т.е. при постоян ной плотности.
Рекомендации могут быть использованы инженерно - техническими работниками грунтовых лабораторий и п ро ектно- изыскатель ски х отделов.
Рекомендации составлены старшим научным сотрудником Г.В . С орокиной Института оснований и подземных сооружений имени Н.М. Герс еванова Госстроя СССР. В проведении экспериментальных исследований и подготовке рукописи к печати принимали участие старшие инженеры И.В . П челин а и Н.А. Смирнова.
1. ОБ ЩИЕ ПОЛОЖ ЕНИЯ
1.1 . Н аст оящи е ре ко мендац ии распростран яются н а и сследование прочн ости г рунтов малой сте пени литифик ации и оценк у пол зу чести при назначении п ро чн остны х характ еристик грунтов оснований.
1 .2 К грун там малой степ ен и литифик ации отн осятся осадочны е глини стые отложен ия субаквальн ого прои схождения в начальной стадии фо рмирования (илы, сапропели, ленточны е глины и сугли нки, текучепл асти чные и мягкопл асти чны е глины ) и грунты, об разовавшиеся в условия х перем енного реж има избыт очн ого увл ажнения (торф, зато рфованный г рунт).
1.3 . Проектировать основания на указанных грунтах рекомендуется на основе данных изысканий и исследований грунтов, выполненных в соответствии с требованиями СНиП II - 9 -78 «Инженерны е и зыскан ия дл я строительства. Ос новные пол ож ени я» и других но рмати вны х докуме нто в по инженерн ым и зысканиям и иссл едованиям грунтов, ут вержденных Госстроем СССР, и с уч етом н аст оящих « Реком енд аций».
1 .4 . Рек оме ндац ии основываются на положении о возможном ум еньш ении прочности грунтов малой степени литифик ации под наг рузк ой во времени благодаря ползучести. При эт ом предпол агается, что прочность уменьшается, в основн ом, за счёт ум еньшения сц епл ения. П рочность грунтов малой степени литифик ации в п риродном состо янии зависит от скорости при ложения касательных нап ряжений и ли скорост и деформирован ия грунта и практически не зависит от среднего нормального напряж ения σ, т.е. τ = c ; φ = 0 .
1 .5 . Рек оменду ется прочность (минимальное сцепление) с учетом ползучести или фактора времени назыв ать порогом прочности и обо значать τ пр .
1.6. П ри установлении метода определения прочности грунтов рекомендуется учитывать их физ ическое состоян ие в п ри родном залегани и, метод строительства и напряженн ое со стояни е, возн ик ающ ее в грунте - основании под нагрузкой. Также необх одимо учи ты вать возможност ь возникновени я в резу льтате действия нагрузки нестабили зи ро ванн ого состояния основан ия, сложенного грунтами малой степени лити фик ации , вследствие уменьшен ия касател ьного напряжения на площадке скольжения за счет образования избыточного давления в поров ой во де u .
где τ - касательное напряжен и е на площадке сколь жения;
σ - нормальное напряжение на площадке скольжения;
φ - расчетный у г ол внутреннего трения грунта;
c - расчетное значение удельного сцепления.
1.7 . Для объективного суждения об изменении прочности грунта под нагруз кой во времени рекомендуется определять порог прочности τ пр в трехосных приборах при сох ранении в течение опыта оп ределенного напряженно- деформированного состояния грунта, т.е. постоянной его плотности-влажности. Для этого следует определять прочность консолидированных образцов, находящихся в стабилизированном состоянии в течение опыта.
Перед определением прочности каждый образец грунта обжимается под заданным гидростатическим давлением, равным среднему нормальному напряжению при испытании.
Величина гидростатического давления определяется проектным заданием.
Определение порога прочности грунта природной плотности возможно на образцах, уплотненных давлением, равным σст р . (горизонтальный участок на компрессионной кривой), или в случае разуплотнения грунта при подъеме образца на поверхность давлением σ э.
Величина σэ устанавливается по ме т оду, изложенному в п рил . 1.
1 .8 . Для определения предельного состояния грунтов малой степени ли тификации рекомендуется использовать условие прочности Мора-К улона (п рил. 2).
2. НОМЕНКЛ АТУРА ГРУНТОВ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ЛИТИФИКАЦИИ
2.1 . Грунты малой степени литификации следует подразделять по генезису на морские, перехо дные (лагунные, лиманные, дельтовые) и континентальные (аллювиальные, озерные, болотные).
По л и тологи ческому составу эти грунты могут быть глинами, суглинками и супесями; глинистые грунты могут иметь тонкие прослойки песка.
Грунты малой степени литификации полностью водонас ыщ ены ( G > 0 ,85 ) и имеют ск ры тотеку чую , теку чепл астичную или мягкопластичную консистенцию, характеризуются тик сотропн о-коагу ляцио нными связями (по П.А. Р ебинд еру).
С труктурные связи грунтов обусловлены молекулярными силами Ван-Д ер- Вааль са.
По мин ерало гическо му составу глинистых фракций эти грунты м огут быть монтмориллонитовыми, к ао линит овыми или гид рослюди стыми.
Активные микро б иологич еские процессы, сопровож дающ ие формирование грунтов в начальной стад ии, обусло вливают в их составе наличие органических веществ,
2 .2 . К грунтам малой степени литифик ации , образовавшихся в болотных условиях, относятся торфы и зато рфо ванны е грунты. Торфы образуются в отличие от ил ов и сап ро пел ей при переменном режиме избыточного ув лажнения из остатков высших растений.
Д л я процесса торфо образовани я ха ракт ерно наличие окислительных процессов при з атрудненном по ступл ении кислорода, что ведет к образованию гу мус овых веществ. Схема классификац ии грунтов малой степени лити фик ации приведена в т абл. 1.
С хема классифик ации грунтов малой степени лити фик ации (П озд не- и послеледни ковы е современны е отложения)
Морск и е отложения
Лиманны е, л агунные, д ельтовые отложения
К онтинентальные отложени я
Ли тол оги ческий состав
супесчаные , с углинистые, глинистые илы и суп еси , суглин ки, глины
Орга н о-мин еральны е и органические грунты
затор фо ванны е грунты
Ск рыт отеку чи е
Т еку чепл асти чны е
Мягк опл асти чны е
Ск рыт отеку чи е
Т еку чепл асти чны е
Мягк опл асти чны е
Ск рыт отеку чи е
Т еку чепл асти чны е
Мягк опл асти чны е
Условия форм и рования
В условия х избыточного увлажнения. При активном участии микроорганизмов. Активность микробиологических процессов уменьшается
П ри переменном режиме избыточного увлажнения. П ри окислительных процесса х , при затрудненном поступ лении кислорода
Показатель консистенции JL
Полная в лаго емк ость W , %
Минералогический состав гл и нистой фракции
Мо нт мориллонитовый, коалинитовый, гидрослюдистый
Содержание органически х вещ еств , %
Х арактер струк турных связей Тик сот ропн о-ко агу ляци онны е
Г у бчатая структура почти неразложившей ся волокн и стой м ассы отмерш и х растений. При разложе нии переходи т в зернистую с коагу ляционными связями
Типичны е представители
Илы морских бассейнов:
Черноморског о , Балтийского , Каспийского , Тих ого океана
Мягк оп ластичные глины морских бассейнов
Илы Д н еп ро- Буг ского лимана, Днестровского лимана и д р.
Илы озера Иссык -Си ваш . Сап ро пел евы е отложени я
Озерные ленточные отложения
Зат орф ованны е грунты и торфы Западной Сибири
2 .3. Грун ты с содержанием органи ческих веществ сл еду ет под разделять на гу му си ро ванны е с сод ерж анием гумуса и заторфов анны е, содержащие кроме гумуса расти тельные остатки.
2.4 . Грун ты малой степени лити фик ации характериз уются высокими коэффициентами пористости и способностью непрерывно ме нять под нагрузкой характери стики деформ ируемости , фильтрации и прочности, а также медленн ым протеканием осадок во времени под постоянной нагрузкой (коэффициент консоли дации C V ≤ 1·10 7 см 2 /год ).
3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГА ПРОЧНОСТИ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ЛИТИФИКАЦИИ
3 .1 . Для определения прочности грунтов малой степени ли ти фикации с учетом фактора времени в условиях ползучести можно поль зоватьс я теорией течения твердого тела или теорией течения вязкопластических тел с начальным сцеплением (предельным напряжением сдвига), используя обобщенное уравнение Ш ведова-Бинг ама:
гд е τ - касательное напряжение;
τ пр - касательное напряжение, соответствующее предельному напряжению сдвига или порогу прочности ;
έ - градиент скорости деформации сдвига на стадии установившейся ползучести.
Можно обобщить представление о вязкопластическом теле Ш ведова-Бинг ам а, предположив, что величина порога ползучести определяется условием пластичности Ренкин а-П ранд тля (Кулона), т.е. начальное сопротивление сдвигу зависит от нормального напряжения.
3 .2 . Дл я определения скорости деформирования рекомендуется испол ьзовать кривые ползучести в координатах ε
t (деформация - время ), получаемые при трехосном сжатии или кручении под всесторонним гидростатическим давлением. Эти кривые, состоящие в общем случае из трех характерных участков: неустановившейся ползучести АБ, установившейся ползучести БВ, прогрессирую щего течения ВГ или затухающей ползучести (рис. 1 ), - позволяют по углу наклона участка установившейся ползучести, практически прямолинейного, устано вить скорость деформации сдвига.
3.3 . Для получения достоверных кривых ползучести необходимо соблюдение принципа однородности напряженно-деформированного состояния образца грунта в процессе всего опыта.
Д л я этого рекомендуется проводить испытание образц а в трехосном приборе или в приборе на кручение под гидростатическим давлением в полностью стабилизированном состоянии, при сохранении по стоянных сред него нормального напряжения и плотности-влажности по методам , и зложенны м в Ру ководстве.*
* ) Р уко водс тво по определению прочности ил ов и заторфо ванны х г рун тов. М., С тройи здат, 1977 .
3.4 . О бр азец грунта перед испытанием на ползучесть рекомендуется выдержив ать до ст абил изации объемных деформац ий под гидростатическим давлением, равн ым средн ем у нормально му напряжен ию.
Для устранения возникающего дополнительного давления в по рово й в оде при приложении осевой нагрузки в условиях трех осного сж атия всестороннее гидростатическое д ав ление надо у ме ньшать на 1 /3 э той нагрузки.
3.5 . Дл я сохранени я пост оянной величин ы осевого напряжения рекомендуется увеличи ть осевую нагруз ку в соответствии с поперечным расширением образца, которое может быть определено из условия несжимаемости материала по формуле:
где F 0 - начальная площадь поперечного сече ни я образца;
∆ h / h = ε - относительная осевая деформация сжатия образца.
Рис 1 . Кривые ползучести при различны х касательных напряжениях τ
В ходе опыта осевую нагрузку на образец можно увеличивать с помощью рычага специальной конструкции.
3.6 . Для построения кривых ползучести рекомендуется испытать серию образцов при заданном среднем нормальном напряжении при различных касательных напряжениях, составляющих 60 , 70 , 80 , 90 % от касательного напряжения при быстром разрушении грунта в тех же условиях. В результате получают семейство кривых ползучести с различным временем до разрушения. При использовании теории течения твердого тела на основе кривых ползучести может быть построена зависимость между касательными напряжениями, вызывающими разрушение грунта, и соответствующим временем разрушения (рис. 2 ). Эта кривая носит название кривой длительной прочности. Точка кривой на ординате соответствует мгновенному заг ру жению и называется мгновенной прочностью. За прочность в условиях ползучести принимается предел длительной прочности τ дл = τ пр . За предел длительной прочности принимают напряжения, при которых деформации затухают и разрушения не происходит.
При и спользовании теории течения вязкопл асти чески х тел с начальным сцеплением на участке установившейся ползучести для каждой кривой ползучести определяют скорость деформации (п. 3.2), вычисляют интенсивность деформации или градиент скорости и строят кривую зависимости ε от τ на пределе разрушения (рис. 3). Участок τ пр на оси касательных напряжений рекомендуется приним ать за порог прочности или прочность в условиях ползучести.
3 .7 . С целью повышения э кономической эффективности исследований за счет сокращения времени испытания и обеспечения возможности определения порога прочности неоднородных грунтов рекомендуется пользоваться методами: а) деформирования, который заключается в разрушении серии образцов грунта при различных постоянных скоростях деформирования в интервале от 4 до 0 ,01 мм/ мин (рис. 4). Точка А - критерий разрушения. Порог прочности определяют по теории течения вязкопл асти чески х тел в соответствии с п. 3.6; б) медленного, ступенчатого приложения нагрузки на образец с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации деформации. За усл овную стабилизацию принимае тся деформация, не превышающая 0,01 мм за 12 ч. Первая ступень нагрузки не должна составлять более 60 %, а ка ждая последующая ступень не должна увеличив аться более чем на 10 % от величины касательного напряжения при быстром разрушении (мгновенная прочность). За величину порога прочности τ пр рекомендуется принимать касательное напряжение, соответствующее ступени нагрузки, предшествующей разрушению (точка А на кривых рис. 5). Метод применим т олько при условии сохранения определенного напряженно-деформированного состояния в течение всего опыта.
Рис. 2 . Зависимость касательного напряжения ил ов на пределе разрушения от времени при σз = 0,025 МП а:
1 - JL = 1 ,03 , 2 - JL = 0,70
Рис . 3 . Зависимость интенсивности касательных напряжении на пределе разрушения от градиента скорости деформирования искусственно подготовленных образцов из глинистого ила.
Опыты проведены: 1 - под постоянной нагрузкой; 2 , 3 , 4 - с постоянной скоростью деформирова н ия
3 .8 . Опыты на ползучесть и определение прочности рекомендуется проводить в приборах трехосного сжатия или методом кручения под гидростатическим давлением. Рекомендуемые конструкции приборов приведены в работе института «Ру ководство по определению прочности ил ов и заторф ованны х грунтов».
4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ЛИТИФИКАЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ И РЕЖИМА ИСПЫТАНИЯ
4 .1 . При оценке прочности глинистых грунтов малой степени литификации рекомендуется учитывать реологические свойства, проявляющиеся в виде ползучести и падения прочности под нагрузкой во времени.
Характер ползучести (затухающая и незатухающая) зависит о т величины приложенной нагрузки (см. рис. 4).
В каждом семействе кривых п олзучести при заданном среднем нормальном напряжении продолжительность ползучести грунта зависит от величины напряжения сдвига. С увеличением напряжения сдвига уменьшается стадия течения с пос тоянной скоростью, увеличиваются вертикальные деформации стадии неустановившегося течения. Мини мальная разница в касательных напряжениях (0 ,001 МП а) резко увеличивает или уменьшает скорость течения грунта.
4 .2 . Паден ие прочности во времени может быть определено по кривой зависимости τ от времени t (см . р ис. 2), описываемой для грунтов малой степен и лити фик ации уравнениями вида τ = at -1 .
Справедливость применения указанной зависимости подтверждается выравниванием кривых τ
t при построении их в координата х ln τ
lnt (рис. 6, а и б и 7 , а и б).
4 .3 . Зависимости касательных напряжений на пределе разруше ния τmax грунтов малой степени литификации от градиента скоро с ти деформирования έ (рис. 8) следует описывать уравнени ями типа
где τ пр - порог прочности;
K 1 - коэффициент.
Величины τ пр , η и K 1 в уравнении зависят от влажности ( консистенции) и структурной связности грунта.
На определенном участке градиентов скоростей эта зависимость может быть прямолинейной (например, см . р ис. 3, прямые 1 ; 2 ), т .е. зак ономерности деформаций при сдвиге подчиняются закону Ш ведова-Бин гама.
Рис. 4 . Зависимость относительной деформации от дев иатора напряжений σ 1 - σ 3 для серии и ску сственно подготовленных образцов из ила при скорости деформирования в мм/мин:
1 - 2 ; 2 - 1 ; 3 - 0 ,5 ; 4 - 0 ,25 ; 5 - 0 ,10 ; 6 - 0 ,01 .
Рис . 5 . Зависимость относительной деформаци и ε ил ов Дн еп ро -Буг ск ого лимана от времени t при за г ружении ступенями с выдержкой до условной стабилизации 0 ,01 мм за 12 ч при σ = 0 ,01 МП а:
опыт 1 : а - τ = 0,0054 МП а; б - τ = 0 ,0063 МПа; в - τ = 0,0074 МП а; г - τ = 0,0085 МП а; д - τ = 0,0096 МП а;
опыт 2 : а - τ = 0,0049 МП а; б - τ = 0,0059 МП а; в - τ = 0,0070 МП а; г - τ = 0,0078 МП а; д - τ = 0 ,0090 МП а
4 .4 . При оценке прочности глинистых грунтов следует исходить из установленной зависимости уменьшения прочности грунтов малой степени литифик ации с увеличением времени испытания при любом режиме заг руж ени я (постоянная нагрузка, ступенчатое наг руж ение, монотонное непрерывное увеличение нагрузки с постоянной заданной скоростью деформирования). Прямолинейные зависимости ln τ
lnt на пределе разрушения грунтов получены при определении прочности с учетом ползучести во всех режимах загружения, т.е. как при выдерживании образцов под различными постоянными нагрузками (рис. 6 а и б), так и при разрушении образцов с различной скоростью деформирования (рис. 7, а и б).
Величины прочности грунтов малой степени литификации, полученные в условиях ползучести (длительная прочность) и при разл и чных режимах загружения образца (монотонное, ступенчатое), отличаются несущественно (см. т абл. 2).
Некоторое приуменьшение величин прочности, полученное при мон о тонном приложении нагрузки с постоянной скоростью деформирования, объясняется, по-видимому, тик сотропны м характером структуры этих грунтов.
Прочность и порог прочности τ пр , полученные любыми методами, закономерно увеличиваются с уменьшением коэффициента пористости e и консистенции JL (рис. 9 и 10).
Следовательно, в условиях дренирования скорость объемной ползучести будет уменьшаться с уплотнением грунта в процессе к он солидации, а п рочность увеличиваться.
4 .5 . Рекомендуется прочность в условиях по лзучести соп оставлят ь с мгно венной прочностью (быстрое разрушение грунта) и со стан дартной прочностью (медленное ступенчатое приложение н агрузки с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации деформации < 0 ,01 мм/мин и ли с прочностью, полученной при постоянно й скорост и деформирования 0 ,1 мм/ мин).
Р и с. 6 . Зависимости касательного напряжения на пределе разрешения от времени в логарифмических коорд инатах для ил ов и текуче пластичных глин при испы тан ии под постоян ной нагрузкой
а - 1 - JL = 1,03 ; 2 - JL = 0 ,70 ; б - JL = 0 ,88
Рис . 7 . Зависимости касательного напряжения на пределе разрушения от времени в логариф мических координатах для ил ов и теку чепл асти чны х глин при испытании с постоянной скоростью деформирования:
а - 1 - JL = 1 ,18 ; 2 - JL = 1 ,36 ; б - JL = 0 ,83 .
Рис. 8 . Зависимость касательных напряжений на пределе разрушения от градиента скорости деформирования образцов ила