Изменение показателя консистенции Св пылевато-глинистых грунтов после высокочастотного динамического воздействия
Изменение показателя консистенции Св пылевато-глинистых грунтов после высокочастотного динамического воздействия
Аннотация
Грунт основания в процессе высокочастотного вибропогружения и извлечения шпунтовых свай претерпевает ряд изменений, в первую очередь они касаются изменения консистенции грунта. В некоторых случаях грунт после воздействия переходит в состояние близкое к тяжелой жидкости, при этом прочностные и деформационные характеристики грунтов критически снижаются, что приводит к дополнительным осадкам зданий, входящих в зону влияния.
Известно, что для анализа воздействия динамической нагрузки на грунт необходимо учитывать две группы факторов – первая, характеризующая состав и состояние грунта, вторая – параметры воздействия (частота, длительность, амплитуда и скорость).
В настоящих исследованиях частота (не более 50 Гц) и время (10 минут) – приняты за константы и сопоставимы с действием динамической нагрузки на грунты основания при погружении или извлечении одной шпунтовой сваи в условиях Санкт-Петербурга. Исследования основаны на изменении консистенции пылевато-глинистых грунтов после динамического воздействия в зависимости от типа и состояния грунта.
Целью данного исследования являлось изучение изменения показателя консистенции Св пылевато-глинистых грунтов после высокочастотного динамического воздействия. Данные изменения имеют прямую связь с параметрами физико-механических свойств, от последних в свою очередь зависит величина осадки зданий и сооружений.
В работе приведены результаты лабораторных исследований, выполненные авторами, по изменению Св суглинистых и супесчаных грунтов различной консистенции под воздействием динамической нагрузки, сопоставимой с динамическим воздействием от погружения-извлечения шпунтового ограждения котлована.
1. Введение
Процесс строительства в сложных геологических и гидрогеологических условиях Санкт-Петербурга сопряжен с целым спектром сложных вопросов, один из которых – это правильный выбор типа и метода погружения ограждающей конструкции котлована. Одним из самых распространённых решений в Санкт-Петербурге является металлический шпунт, погруженный методами статического вдавливания, высокочастотное погружения и динамической забивкой , . Как известно, каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Так, применение технологии высокочастотного погружения или извлечения шпунтовых свай в условиях водонасыщенных структурно-неустойчивых грунтов неизбежно приводит к изменению структуры грунта в околосвайном пространстве.
Реакция грунтов на динамическое воздействие зависит от типа и состояния грунта, для несвязных – уплотнение, для связных – частичное разупрочнение и полная потеря устойчивости, в результате развития таких процессов как, дилатансия и разжижение – плывунность и тиксотропия . Так, грунт, находящийся непосредственно в контакте со сваей, претерпевает максимальное динамическое воздействие, приводящие к расструктуриванию грунта и соответственно к снижению показателей свойств. По мере удаления от источника нагрузки сдвиговые деформации уменьшаются.
Особенно это актуально, когда в зону влияния нового строительства попадают здания исторической застройки, основанием для которых является 2-5-метровая толща водонасыщенных песчаных грунтов и подстилаемая большой толщей, порядка 5-15 метров, слабых водонасыщенных глинистых грунтов от мягко-пластичной до текучей консистенции озерного, озерно-ледникового и морского генезиса. Реакция связных грунтов на внешнее динамическое воздействие в независимости от того, частичное это разуплотнение или полная потеря устойчивости, ведет к изменению состояния и консистенции грунта, снижению прочностных и деформационных параметров и как следствие к дополнительным осадкам зданий окружающей застройки , . Зависимость изменения свойств грунта после воздействия динамической нагрузки и величиной осадки зданий окружающей застройки рассмотрена в работах , , , . В статье приведены результаты и показана тенденция к снижению параметров прочности грунтов после приложения динамической нагрузки и зависимость их изменения от времени воздействия, от типа и консистенции грунта. В работах , , , описаны полевые эксперименты по исследованию поведения околосвайного пространства при динамическом воздействии, возникающем в процессе вибропогружения и извлечения шпунтовых свай в условиях слабых грунтов. В ходе экспериментов были получены траектории колебаний частиц грунта околосвайного пространства, показывающие его поведение под внешней динамической нагрузкой, и установлено значительное снижение прочностных свойств водонасыщенных песков в околосвайном пространстве после погружения/извлечения шпунтовой сваи .
2. Основные результаты
Для предварительной оценки влияния динамической нагрузки на величину осадки можно оценить изменение консистенции грунта, которая дает понимание о механических свойствах (табл. А2, А3, А4, А6 СП 22.13330.2016).
Также в работе на основе результатов многолетних (2004-2014 гг.) лабораторных определений физико-механических свойств грунтов методом пенетрации, автором получены зависимости значений удельного сцепления и угла внутреннего трения от консистенции грунта естественного сложения и показателя текучести.
В работе описана зависимость величины технологической осадки от величины снижения параметров свойств суглинистых грунтов после высокочастотного воздействия.
Изменение консистенции и параметров свойств грунта после динамического воздействия могут быть получены методом пенетрации в лабораторных и полевых условиях, последние по способу оценки показателей – на прямые и косвенные. Методом лабораторной пенетрации можно определить достаточно широкий спектр характеристик, например удельное сопротивление пенетрации R. Зная R, можно определить величину сцепления грунта с, угол внутреннего трения φ, сопротивление недренированному сдвигу сu . Кроме того, пенетрационные испытания грунтов (конусом или крыльчатым зондом) дают возможность определения механических свойств текучих и текучепластичных глинистых грунтов без нарушения их исходного состояния
Исследованиями свойств грунтов методом пенетрации занимались Д.Ю. Здобин , , , , П.О. Бойченко , В.Ф. Разорёнов , Е.Н. Богданов , и др. Так например, вопросом определения физических свойств дисперсных несвязных грунтов (песков) методом лабораторной пенетрации занимались Е.А. Шергина, М.А. Лаздовская , а современные исследования Д.Ю. Здобина , определяют новый подход к взаимосвязи свойств грунта от его консистенции.
В современной практике консистенцию принято оценивать по показателю текучести IL, он характеризует грунты в нарушенном сложении и поэтому не дает правильного представления об их состоянии в условиях естественного залегания . К тому же метод подбора влажности по ГОСТ 5180 проводится вручную и требует хороших профессиональных навыков исполнителей, что также было отмечено в ряде работ . Для более правильного суждения о консистенции грунтов в условиях массива П.О. Бойченко ввел еще один показатель, характеризующий консистенцию грунта ненарушенного сложения – показатель консистенции Св. Он включает в себя совокупность понятий – плотность, влажность и текстурно-структурные особенности органоминеральных и глинистых грунтов в природном сложении, что в условиях изменяющегося НДС массива после динамического воздействия более реалистично описывает процессы.
Определяется данный показатель при помощи конуса Бойченко методом лабораторной пенетрации (рис. 1).
Рисунок 1 - Конус (пенетрометр) П.О. Бойченко. Общий вид
Примечание: 1 – основание, 2 – рабочий столик, 3 – стойка, 4 – фиксирующий винт, 5 – подвижный корпус, 6 – установочный винт, 7 – конус, 8 – кнопка-фиксатор, 9 – шкала с нониусом, 10 – подвижный стержень с площадкой для груза. Источник [24]
В качестве результата опыта принимают среднее арифметическое глубины погружения конуса. Значение показателя консистенции грунта ненарушенного сложения CB определяют согласно приложениям Б и В РИ 06-2016 (табл. 1).
Таблица 1 - Классификация грунтов по показателю консистенции
Глубина погружения конуса, h в мм | Св | Консистенция |
< 1,5 | < -0,25 | твердая |
1,5 – 4,0 | -0,25 – 0 | полутвердая |
4,0 – 7,4 | 0 – 0,25 | тугопластичная |
7,4 – 16,0 | 0,25 – 0,75 | мягкопластичная |
16,0 – 22,5 | 0,75 – 1,00 | текучепластичная |
> 22,5 | > 1,00 | текучая |
Примечание: источник [24]
Значения показателя текучести грунтов нарушенного сложения IL, как правило, отличаются от величин показателя их консистенции Св в ненарушенном сложении (табл. 2) .
Таблица 2 - Классификация состояния (консистенции) грунтов по показателям текучести IL и консистенции Cв
Показатель текучести IL | Показатель консистенции Св | Консистенция грунта |
< 0 | < -0,25 | Твердая |
0 – 0,25 | -0,25 – 0 | Полутвердая |
0,25 – 0,5 | 0 – 0,25 | Тугопластичная |
0,5 – 0,75 | 0,25 – 0,75 | Мягкопластичная |
0,75 – 1 | 0,75 – 1 | Текучепластичная |
> 1 | > 1 | текучая |
Авторами были выполнены лабораторные исследования изменения показателя консистенции Св суглинистого и супесчаного грунта после динамического воздействия. Оценивалась консистенция грунтов до и после вибрационного воздействия. Данные испытания позволяют оценить, как динамическая нагрузка влияет на изменение консистенции грунтов, а в последствии и на изменение параметров свойств, что имеет принципиальное значение в оценке величины технологической осадки зданий окружающей застройки.
В ходе лабораторных исследований были испытаны образцы ненарушенного сложения супеси пылеватой и суглинка. Образцы были отобраны с глубины до 20 метров с нескольких площадок Санкт-Петербурга. Основным критерием для отбора образцов стала различная влажность грунта естественного сложения. Всего было испытано 5 образцов – один образец супеси пылеватой и четыре образца суглинка. Влажность супеси составляла 22%, суглинков в диапазоне 24-35%. У каждого образца был определен показатель консистенции Св в зависимости от величины погружения конуса h без предварительного воздействия и после динамического воздействия на вибростолике в течение 10 минут при частоте около 50 Гц, данное воздействие соизмеримо с воздействием на грунт основания при вибропогружении /извлечении шпунтовой сваи в условиях Санкт-Петербурга (рис. 2).
В общей сложности у суглинков было проведено 120 измерения величины погружения конуса – 60 до воздействия и 60 после, у супеси – 32 измерения. Количество точек измерения соответствует п. 5.2.2.4 РИ 06-2016.
Рисунок 2 - Суглинистый грунт на вибростоле перед пенетрационным испытанием
Рисунок 3 - Диаграмма изменения Св суглинистого грунта 1 до (16 испытаний) и после динамического воздействия (16 испытаний)
Рисунок 4 - Диаграмма изменения Св суглинистого грунта 2 до (20 испытаний) и после динамического воздействия (20 испытаний)
Рисунок 5 - Диаграмма изменения Св суглинистого грунта 3 до (16 испытаний и после динамического воздействия (16 испытаний)
Рисунок 6 - Диаграмма изменения Св супесчаного грунта до (16 испытаний) и после динамического воздействия (16 испытаний)
3. Выводы
1. Исследования изменения показателя консистенции Св супесчаного грунта после 10-минутного воздействия динамической нагрузки показали изменение консистенции с мягкопластичной до тугопластичной, за счет переупаковки песчаных частиц;
2. Исследования по изменению показателя консистенции Св суглинка показали изменение в зависимости от консистенции грунта естественного сложения. Так, грунты с показателем консистенции равным 0,32 до воздействия вибрации – показали тенденцию к понижению показателя в среднем до 0,22 и переходу из мягкопластичной консистенции в тугопластичную. Суглинок с показателем консистенции Св 0,35-0,54, характеризующий породу как мягкопластичную, не показал каких-либо изменений Св после динамического воздействия. Грунты же с Св равным в среднем 0,53 до воздействия вибрации показали небольшое увеличение показателя консистенции до среднего значения 0,67, однако консистенция пород при этом не изменилась.
Вероятно, что у суглинистых грунтов с большим значением показателя консистенции Св до воздействия вибрации, появляется тенденция к переходу грунта из консистенции более твердой в менее после воздействия динамической нагрузки, и соответственно, тем больше вероятность появления таких процессов, как плывунность и тиксотропия.
4. Заключение
Пенетрационные исследования позволяют оценивать влияние динамической нагрузки на изменение консистенции грунта основания в полевых условиях непосредственно в момент погружения шпунтовых свай. По существу, это единственный объективный показатель природного состояния грунта при работе со слабыми водонасыщенными грунтами, т.е. с теми отложениями, которые могут менять (и меняют) свое исходное состояние при транспортировке образцов в стационарную грунтовую лабораторию .
Проанализировав полученные результаты, авторы пришли к выводу о необходимости проведения дополнительных исследований на суглинках с Св 0,6-0,7 и выше. Дальнейшие исследования более четко опишут влияние динамической нагрузки на грунт в зависимости от параметров воздействия (времени и частоты) и параметров самого грунта (тип, консистенция, влажность). Данная статья является вводной, основной целью которой являлось выявить тенденцию в изменении консистенции грунта в зависимости от его типа.
Для оценки влияния динамической нагрузки на величину осадки зданий окружающей застройки авторы планируют провести численное моделирование в ПК Plaxis 3D. Численный расчет будет проведен с учетом данных, полученных в ходе лабораторных исследований. Будет учтено изменение параметров прочностных и деформационных свойств грунтов при изменении консистенции в результате высокочастотного динамического воздействия.