+ 7 (499) 170 69 53

+ 7 (499) 170 70 13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНСОЛИДАЦИИ ГРУНТА МЕТОДОМ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

DETERMINATION OF SOIL CONSOLIDATION PARAMETERS BY THE STRESS RELAXATION METHOD

Аннотация: в статье представлен новый способ определения параметров консолидации грунтов в режиме релаксации напряжений (МРН).
В отличие от компрессионных испытаний по методу МРН ступени нагружения в данном случае выдерживаются до гарантированного выхода на вторичную консолидацию. Затем путем графических построений получают зависимость относительной деформации от времени для выбранной величины нагрузки с последующим определением коэффициентов консолидации стандартными методами. Предложенный способ позволяет сократить продолжительность консолидационных испытаний до 20 раз.

ТРУФАНОВ А.Н. Заведующий лабораторией методов исследований грунтов НИИОСП
им. Н.М. Герсеванова, к.т.н., г. Москва, trufanov54@gmail.com TRUFANOV A.N.
Head of the «Methods of soil exploration»
laboratory of the Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures (NIIOSP), PhD (candidate of science in Technics), Moscow, trufanov54@gmail.com
Ключевые слова: компрессионные испытания грунтов; консолидационные испытания грунтов, метод релаксации напряжений (МРН); коэффициент фильтрационной (первичной) консолидации; коэффициент вторичной консолидации.
Key words: compression soil tests; consolidation soil tests; stress relaxation method; seepage (primary) consolidation coefficient; secondary consolidation coefficient.
Abstract: the article presents a new method of determination of soil consolidation parameters in the conditions of stress relaxation. Unlike compression testing by the stress relaxation method, in this case the loading steps are kept until guaranteed derivation of secondary consolidation. Then the dependence of the relative deformation on time for a chosen load value is obtained by graphical constructions with following determination of consolidation coefficients by standard methods. The proposed method makes it possible to reduce the consolidation test duration up to 20 times.

Одним из наиболее важных и вместе с тем наиболее распространенных видов лабораторных испытаний грунтов являются компрессионные испытания. Классическая схема приложения вертикального давления, соответствующая ГОСТ 12248-2010 [1], предусматривает статическое приложение нагрузки ступенями. Причем продолжительность выдержки образца на каждой ступени определяет ся из условия достижения им условной стабилизации.
Для снижения продолжительности компрессионных испытаний был предложен и запатентован метод релаксации напряжений (МРН) [5]. Суть его заключается в принудительном ступенчатом деформировании образца грунта на заданную величину в условиях двухсторонней фильтрации с последующим отслеживанием изменений напряжения и деформации, что подробно описано в работе [4]. В настоящее время данный метод получает все большее распространение среди изыскательских организаций России.
Значительное сокращение продолжительности компрессионных испытаний послужило основанием для поиска новых возможностей для применения МРН в практике инженерных изысканий. В настоящей статье рассматривается вопрос использования режима релаксации напряжений при определении консолидационных характеристик грунтов [6].
Консолидационные испытания являются одними из самых длительных видов лабораторных испытаний грунтов. При ограниченных, как правило, сроках проведения изысканий данный вид испытаний редко включают в состав работ. Между тем развитие осадок во времени в по следующий за строительством период жизни сооружения может привести к возникновению различного рода аварийных ситуаций. Учет процессов консолидации особенно важен при наличии в активной зоне под сооружением мощной толщи слабо фильтрующих глинистых грунтов. Таким образом, сокращение продолжительности консолидационных испытаний сегодня довольно актуально.
График зависимости относительной деформации ε от полных напряжений σ при компрессионных испытаниях в режиме релаксации напряжений (МРН)Рис. 1. График зависимости относительной деформации ε от полных напряжений σ при компрессионных испытаниях в режиме релаксации напряжений (МРН)

Суть предлагаемого метода консолидационных испытаний заключается в следующем. Эксперименты проводятся так же, как и при компрессионных испытаниях с использованием МРН в соответствии со стандартом СТО 60284311-003-2012 [3] (рис. 1). Однако ступени нагружения выдерживаются дольше, чем при компрессионных испытаниях, — до гарантированного выхода на вторичную консолидацию.

График изменений скорости деформации V (в логарифмическом масштабе) от относительной деформации ε на ветви релаксацииРис. 2. График изменений скорости деформации V (в логарифмическом масштабе) от относительной деформации ε на ветви релаксации

Контролируется этот процесс по графику изменений скорости деформации Vε от относительной деформации ε (рис. 2).

Форма графика имеет билинейный вид, причем первый прямолинейный участок соответствует процессу фильтрационной консолидации, второй — процессу вторичной консолидации. Завершается ступень релаксации при выходе графика на второй прямолинейный участок. На графиках, построенных для каждой ступени, выделяются точки с выбранными скоро стями деформации (см. рис. 2). Соответствующие данным точкам значения деформаций отмечаются на ветвях релаксации напряжений основного графика (рис. 3).

3Рис. 3. Выделение точек равных скоростей деформации на графике

Через полученные точки проводятся компрессионные кривые, соответствующие выбранным скоростям деформации (рис. 4). Для давления, соответствующего нагрузке от сооружения, проводится секущая линия АВ (рис. 5). Здесь важно отметить, что преимуществом данного метода является возможность определения параметров консолидации для любого выбранного значения давления.
По точкам пере сечения секущей линии с построенными компрессионными кривыми определяются значения соответствующих деформаций. Следует отметить, что для упрощения построений в полулогарифмических координатах «деформация — логарифм давления» компрессионные кривые могут быть преобразованы в пучок прямых линий. В этом случае бывает достаточно использовать только две ступени нагружения — до и после заданного вертикального давления, что еще больше сокращает продолжительность испытаний.

Построение компрессионных кривых равных скоростейРис. 4. Построение компрессионных кривых равных скоростей
Проведение секущей линии АВ для выбранного давленияРис. 5. Проведение секущей линии АВ для выбранного давления

По полученным результатам определяется время, необходимое для достижения соответствующих деформаций уже для статического режима нагружения выбранной нагрузкой.
График обработки кривой консолидации методом «корень квадратный из времени»В соответствии с ГОСТ 12248-2010 [1] проводится определение параметров фильтрационной консолидации по методу Тэйлора (методу квадратного корня) (рис. 6) или в полулогарифмических координатах по методу Терцаги (рис. 7).

Рис. 6. График обработки кривой консолидации методом «корень квадратный из времени»
В соответствии с ГОСТ 12248 [1] по двум из приведенных методов определяются значения коэффициента фильтрационной (первичной) консолидации. Коэффициенты вторичной консолидации определяются по «логарифмическому» методу Терцаги (см. рис. 7).
Определение параметров консолидации с использованием метода релаксации напряжений позволяет сократить сроки проведения консолидационных испытаний в десятки раз.

График обработки кривой консолидацииРис. 7. График обработки кривой консолидации
Уже несколько лет данный метод успешно применяется в лаборатории методов исследований грунтов НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Он был использован на таких уникальных объектах, как высотные здания общественно-делового комплекса «Лахта-центр» в г. Санкт-Петербурге и международного делового центра «Москва-Сити» в г. Москве [5], олимпийские объекты в г. Сочи, взлетно-посадочная полоса на мостовых опорах в аэропорту «Внуково» и др. В настоящее время он используется при инженерных изысканиях под строительство многофункционального высотного комплекса «Ахмат Тауэр» в г. Грозном [7].
Показателен опыт применения рассматриваемого метода при исследованиях грунтов Имеретинской низменности в районе г. Сочи для строительства олимпийских объектов. Проводились испытания глинистых грунтов мягкопластичной и текучей консистенции. Среднее время испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 12248-2010 составило 30 дней (в производственной лаборатории НИИОСП), а в режиме релаксации напряжений — всего 1,5 рабочих дня (в лаборатории методов исследований грунтов). Результаты при этом практически совпали. Так, при стандартных испытаниях коэффициент фильтрационной консолидации составил 0,0032 см2/мин., а по методу МРН — 0,0030 см2/мин. Следует отметить, что по методу релаксации напряжений в течение 1,5 дней кроме коэффициента фильтрационной консолидации было определено также значение коэффициента вторичной консолидации Сα = 0,02, в то время как при стан-
дартном испытании выйти на режим установившейся вторичной консолидации в течение 30 дней так и не удалось.
Интересен опыт применения консолидационных испытаний в режиме релаксации напряжений в насыпных неводонасыщенных глинистых грунтах на площадке строительства горнолыжного склона в московском Новопеределкино [2]. Поскольку фильтрационная консолидация в неводонасыщенных грунтах отсутствует, для них определялся только коэффициент вторичной консолидации, связанный с процессами ползучести скелета грунта. Результаты определений по методу релаксации напряжений сопоставлялись с данными лабораторных испытаний по ГОСТ и результатами натурных наблюдений. По данным МРН коэффициент вторичной консолидации составил 0,0018, по результатам стандартных лабораторных испытаний — 0,0014, по данным полевых наблюдений осадок по глубинным маркам — 0,0015. Различия в результатах незначительны, в особенности если учитывать обычный разброс данных при определении коэффициента вто-
ричной консолидации. При этом продолжительность испытаний по МРН также составила 1,5 дня, по ГОСТ —30 дней.
На о снове изложенного в статье можно сделать следующее общее заключение. Применение консолидационных испытаний в режиме релаксации напряжений позволяет:
• получить надежные значения коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации;
• в десятки раз сократить продолжительность проведения консолидационных испытаний;
• получить по данным одного испытания коэффициенты консолидации грунта для различных вертикальных нагрузок.

Права на использование рассмотренного в статье метода защищены в России действующим патентом № 2475591 «Способ лабораторного определения реологических характеристик грунтов (варианты)».

Список литературы
1. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: МНТКС, 2010.
2. Попсуенко И.К., Миронов Д.Б. Развитие методов исследований и прогнозирования поведения насыпных грунтов на примере насыпного холма горнолыжного склона в Новопеределкино, г. Москва // Сборник научных трудов НИИОСП. 2011. Вып. 100. С. 301–308.
3. СТО 60284311-003-2012. Грунты. Метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений. Краснодар: НП «КубаньСтройИзыскания», 2012.
4. Труфанов А.Н. Метод релаксации напряжений // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 5. С. 7–11.
5. Труфанов А.Н. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов: патент РФ на изобретение № 2272101.2006. Бюллетень № 8. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2272101.
6. Труфанов А.Н. Способ лабораторного определения реологических характеристик грунтов (варианты): патент РФ на изобретение № 2475591. 2013. Бюллетень № 5. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2475591.
7. Труфанов А.Н., Мажиев Х.Н., Батаев Д.К-С., Абуханов А.З., Мажиев А.Х. (Аслан), Мажиев А.Х. (Адам). Рациональный способ определения деформационных характеристик грунтов основания зданий и сооружений со сложными инженерно-геологическими условиями // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные строительные материалы, технологии и конструкции». Грозный, 2015. С. 69–76.