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 [1], [2]. 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 [3]. 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 [4], [5]. Зависимость изменения свойств грунта после воздействия динамической нагрузки и величиной осадки зданий окружающей застройки рассмотрена в работах [4], [6], [7], [8]. В статье [5] 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 [9], [10], [11], [12] 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 [5].

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 [13] 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 [4] 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 [13]. 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 [13], [14], [15], [16], П.О. Бойченко [17], В.Ф. Разорёнов [18], Е.Н. Богданов [19], [20] и др. Так например, вопросом определения физических свойств дисперсных несвязных грунтов (песков) методом лабораторной пенетрации занимались Е.А. Шергина, М.А. Лаздовская [21], а современные исследования Д.Ю. Здобина [21], [22] 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 [22]. К тому же метод подбора влажности по ГОСТ 5180 проводится вручную и требует хороших профессиональных навыков исполнителей, что также было отмечено в ряде работ [23]. 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). 

Пенетрация относится к косвенным методам определения свойств грунтов по средствам внедрения в них наконечника на глубину, не превышающую высоту зонда. Методика испытаний прописана в рабочей инструкции РИ 06-2015 «Методы лабораторной пенетрации» [24], а также в ряде работ различных ученых [22].

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).

Значения показателя текучести грунтов нарушенного сложения IL, как правило, отличаются от величин показателя их консистенции  в ненарушенном сложении (табл. 2) [16].

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.

По результатам испытаний 3 образцов суглинка и 1 образца супеси были построены графики изменения консистенции грунта ненарушенного сложения Св до и после воздействия вибрации (рис. 3-6). Испытания 4-го образца суглинистого грунта с наибольшей влажностью показали постоянное плавное погружение конуса (более 5 секунд), в данном случае грунт считается структурно-неустойчивым и стандарт РИ 06-2016 на них не действует.

Значения показателя консистенции Св образца «суглинок 1» до и после вибрации снизились со среднего значения 0,32 до значения 0,22, что говорит о переходе грунта из мягкопластичной в тугопластичную консистенцию. Однако, стоит отметить, что значение изменилось не значительно и в целом находится около значения перехода от мягкопластичной к тугопластичной.Показатель консистенции Св образца «суглинок 2» до и после вибрации находится в диапазоне 0,35-0,54, что характеризует консистенцию породы как мягкопластичную. В ходе исследования изменение консистенции после вибрационного воздействия зафиксировано не было. Показатель консистенции Св образца «суглинок 3» после воздействия динамической нагрузкой показал повышение значения со среднего значения 0,53 до среднего значения 0,67.

Показатель консистенции Св супесчаного грунта после воздействия динамической нагрузкой показал существенное снижение своего значения, а консистенция грунта перешла из мягкопластичной в тугопластичную, по-видимому, за счет переупаковки частиц. Таким образом, чем больше в составе грунта песчаных частиц, тем больше они будут уплотняться в результате вибрационного воздействия, а следовательно, менять свою консистенцию. 

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 [16].

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.

The additional file for this article can be found as follows: