Full Text

Введение Активно осваиваемое в настоящее время побережье Белого моря отличают весьма сложные инженерно-геологические условия. В Двинской губе, в частности в г. Северодвинске и северных районах г. Архангельска, в основании зданий и сооружений присутствуют многометровые толщи сильносжимаемых четвертичных отложений (рис. 1). Их формирование происходило при нескольких циклах трансгрессии моря, обусловленной изменениями климата. Здесь под поверхностными отложениями мелких и пылеватых песков мощностью до 6-8 м залегают илы различного состава, заиленные пылеватые пески, заторфованные грунты и др. (рис. 2). Морские суглинки или пески, которые используются в качестве несущего слоя для свайных фундаментов, встречаются на глубине 16-20 м и более. Их отличают значения модуля деформации не менее 18 МПа. Зеркало грунтовых вод располагается на глубине до 3 м. Подобные весьма сложные инженерно-геологические условия характерны для многих прибрежных территорий (см. [1-5]). Примером может служить г. Сантос в Бразилии, где у многоэтажных зданий, в основании которых до глубины 25 м залегают чередующиеся слои морских глин, илов и песков, из-за неравномерной осадки наблюдается отклонение от вертикали до 85 см [6; 7]. В 70-80-х гг. прошлого столетия в г. Северодвинске проводились исследования с целью обоснования возможности возведения зданий на так называемых «коротких» сваях (см. [8-10]). Их ствол полностью располагался в залегающем с поверхности слое песка, а острие не доходило до кровли илов на 1-2 м. Указанное решение оказалось приемлемым лишь для 2-3-этажных зданий, тогда как для зданий большей этажности недооценка сжимаемости илов вела к развитию недопустимых деформаций. По данным В.Я. Хотякова, фактические осадки фундаментов превышали прогнозируемые значения на 20-50 % [10]. Два года назад был получен практически аналогичный результат при строительстве 5-этажного жилого дома на фундаментной плите. Причиной послужила недооценка сжимаемости илов. Заметим, что наблюдения в г. Санкт-Петербурге показали двукратное превышение фактических деформаций ленточных глин над расчетными значениями за время эксплуатации 25-77 лет [11]. Рис. 1. Местоположение района исследований Fig. 1. Location of the research area Рис. 2. Типичный инженерно-геологический разрез одного из участков строительства Fig. 2. Typical engineering-geological section of one of the construction sites Характерные значения физических и деформационно-прочностных свойств илов в районе исследований приведены в табл. 1 и 2. Следует сказать, что из-за проблем с отбором образцов ненарушенной структуры и больших затрат на длительные компрессионные испытания изыскательские организации в последнее время редко проводят экспериментальное определение характеристик сжимаемости илов, назначая их по справочной литературе или архивным данным, хотя даже на одной строительной площадке свойства этих неоднородных грунтов варьируют как по глубине, так и в плане в весьма широком интервале. Таблица 1 Физические свойства илов Table 1 Physical properties of the soft clayey soils Разновидность ила ρs, г/см3 ρ, г/см3 е0 W WL WР Ip Супесчаный 2,69-2,75 1,63-1,94 0,74-1,23 0,24-0,36 0,20-0,34 0,21-0,25 0,05-0,06 Суглинистый 2,65-2,75 1,45-1,90 0,68-2,26 0,31-0,76 0,36-0,52 0,22-0,37 0,09-0,17 Глинистый 2,70-2,73 1,64-1,78 1,14-1,73 0,40-0,89 0,44-0,74 0,27-0,47 0,17-0,29 Таблица 2 Деформационно-прочностные свойства илов Table 2 Strength and deformation characteristics of the soft clayey soils Разновидность ила Удельное сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град Модуль деформации, МПа компрессионный одометрический Супесчаный 3-10 15-18 1,6-4,4 2,2-5,9 Суглинистый 6-13 6-16 0,7-2,9 1,2-4,7 Глинистый 8-18 7-13 0,9-3,3 1,5-5,3 В зарубежной практике геотехнического проектирования находят применение многочисленные эмпирические зависимости характеристик сжимаемости слабых глинистых грунтов от их физических свойств и классификационных показателей, например от природной влажности, начального коэффициента пористости, удельного веса грунта, показателей пластичности и текучести, а также различных их комбинаций (см. [12-18]). Указанные зависимости, конечно, являются региональными и применимы лишь для определенного района исследований, что обусловлено особенностями генезиса, состава грунтов, условиями их залегания и др. В качестве характеристики сжимаемости используется обычно индекс компрессии (см. [19-21]; СТО 36554501-067-2021): (1) где Δe - изменение коэффициента пористости; Δlgσ - изменение логарифма вертикальных сжимающих напряжений. Целью настоящих исследований было изучение зависимости индекса компрессии илов, залегающих на побережье Белого моря, от исходных значений влажности и коэффициента пористости. Выбор в качестве объекта исследований указанной характеристики сжимаемости вместо традиционно применяемого в отечественной практике модуля деформации обусловлен двумя причинами. Первой послужило широкое распространение в геотехническом проектировании зарубежных программ, использующих именно индекс компрессии. Второй стало обеспечение возможности сопоставления получаемых результатов с имеющимися многочисленными литературными данными. В конце статьи дан пример расчета одометрического модуля деформации с использованием полученных зависимостей. Методика исследований и исходные характеристики грунтов Исследования выполнялись на компрессионно-фильтрационных приборах. Всего было испытано 14 образцов илов, отобранных на глубине 12,3-18,8 м. Площадь поперечного сечения образцов составляла 60 см2, высота 3 см. Продолжительность испытаний достигала 13-14 недель. В общую выборку включены также данные испытаний 45 образцов трех типов илов - супесчаных, суглинистых и глинистых, проводившихся АрхТИСИзом с 1970-х гг. по настоящее время. Графики гранулометрического состава исследованных илов представлены на рис. 3. Содержание частиц размером d < 0,05 мм в илах трех типов составляет: супесчаных - 20-30 %, суглинистых - 30-40 %, глинистых - 50-60 %. Рис. 3. Гранулометрический состав илов: 1 - супесчаного; 2 - суглинистого; 3 - глинистого Fig. 3. Grain size distribution of soft clayey soils samples content of particles d < 0,05 mm: 1 - 20-30 %; 2 - 30-40 %; 3 - 50-60 % На рис. 4 приведена корреляционная зависимость между природной влажностью образцов W и начальным коэффициентом пористости e0. Как видим, значительно правее линии Wsat, соответствующей полному водонасыщению образцов, оказались две точки. Данные компрессионных испытаний этих образцов исключены из дальнейшего рассмотрения. Оставшиеся в выборке образцы имели степень водонасыщения Sr = 0,75-1,00. Рис. 4. Зависимость начального коэффициента пористости от влажности (сплошная линия). Пунктиром показано предельное значение влажности при полном насыщении Wsat Fig. 4. Relationship between the compression index and the natural water content (solid line). Limit natural water content at complete water saturation indicated by a dotted line Результаты компрессионных испытаний Результаты компрессионных испытаний представлялись в полулогарифмических координатах - зависимостями коэффициента пористости от логарифма напряжений e = f (lgσ). Для всех образцов искомые зависимости оказались линейными и статистически значимыми с весьма высокой теснотой связи (коэффициент детерминации R2 = 0,90-0,99). Несколько характерных графиков по результатам испытаний образцов с крайними и промежуточными значениями начального коэффициента пористости для трех разновидностей илов приведены на рис. 5. Индекс компрессии, равный тангенсу угла наклона графиков к оси абсцисс, варьирует для трех разновидностей илов в следующих интервалах: супесчаных 0,067-0,087, суглинистых 0,072-0,332, глинистых 0,109-0,439. В результате обработки сформированной базы данных были получены линейные зависимости индекса компрессии от исходных значений коэффициента пористости и влажности образцов грунта с весьма высокими коэффициентами детерминации (рис. 6): cc = 0,351e0 - 0,226, R2 = 0,75; (2) cc = 0,896W - 0,188, R2 = 0,73, (3) где e0 - начальный коэффициент пористости; W - природная влажность; R2 - коэффициент детерминации. Заметим, что полученные зависимости являются общими для всех трех разновидностей илов (рис. 6). Полученными зависимостями можно пользоваться для определения индекса компрессии. Конечно, большее практическое значение имеет зависимость (3), так как определение влажности возможно на образцах нарушенной структуры, отбираемых при проходке скважины, например шнеком, тогда как коэффициент пористости можно определить лишь на образцах ненарушенной структуры, отбираемых грунтоносом. Рис. 5. Характерные компрессионные зависимости трех типов илов: а - супесчаного; б - суглинистого; в - глинистого Fig. 5. Compression dependencies from oedometer tests for three types of soft soils samples content of particles d < 0,05 mm: а - 20-30 %; б - 30-40 %; в - 50-60 % Рис. 6. Зависимости индекса компрессии от исходных значений коэффициента пористости (а) и влажности (б) илов: 1 - супесчаных, 2 - суглинистых, 3 - глинистых Fig. 6. Relationship between the compression index and an initial void ratio (а), a natural water content (б), of soft clayey soils samples content of particles d < 0,05 mm: а - 20-30 %; б - 30-40 %; в - 50-60 % Анализ результатов исследований Как отмечалось выше, различными авторами были получены многочисленные эмпирические зависимости индекса компрессии подобных сильнодеформируемых глинистых грунтов от их физических свойств. Большинством авторов (табл. 3) предлагаются линейные зависимости, аналогичные тем, что получены в наших исследованиях: (4) (5) Значения параметров в приведенных зависимостях изменяются в довольно широких интервалах: k = 0,012-0,75 и b = - 0,375-0,260; m = 0,660-1,404 и d = - 0,318-0,118. Сопоставлять дифференцированно значения каждого из параметров приведенных линейных зависимостей не имеет большого смысла, так как они являются взаимозависимыми - при изменении, например коэффициента m изменяется и величина b. Воспользуемся методом, предложенным A. Al-Khafaji с соавторами [34]. Они сопоставляли данные своих и предшествующих исследований путем построения зависимости b = f (k). Таблица 3 Обзор эмпирических зависимостей индекса компрессии от начального коэффициента пористости и природной влажности Table 3 The review of empirical dependencies the compression index on an initial void ratio and a natural water content Коэффициенты эмпирических зависимостей (4) и (5) Авторы k b m d 0,540 - 0,189 1,404 - 0,189 Y.A. Nishida [1*] 0,290 - 0,078 1,020 - 0,093 B.K. Hough [2*] 0,350 - 0,175 - - B.K. Hough [3*] - - 1,150 0 P. Moran & Rutledge [2*] 0,430 - 0,105 - - V.M. Cozzolino [2*] 0,430 0,139 - - V.M. Cozzolino [3*] 0,750 - 0,375 - - G.B. Sowers [1*] - - 1,000 0 J.O. Osterberg [2*] 0,400 - 0,100 1,000 - 0,050 A.S. Azzouz et. al. [4*] 0,156 0,011 1,150 0 J.E. Bowles [3*] 0,208 0,008 - - J.E. Bowles [2*] 0,300 - 0,081 1,000 - 0,075 O.R. Herrero [4*] - - 1,000 0 S.D. Koppula [3*] - - 1,020 - 0,093 M. Serajuddin [1*] - - 0,660 0 F.M. Abdrabbo & M.A. Mahmoud [1*] 0,330 - 0,116 - - M. Amin et al. [1*] 0,198 0,035 - - S.S. Razouk & H.N. Isam [5*] 0,400 - 0,100 1,200 - 0,100 M.A. Lav & A.M. Ansal [6*] 0,540 - 0,200 1,300 - 0,050 G.L. Yoon & B.T. Kim [25; 27] 0,297 - 0,001 - - Y.M. Zhao et al. [7*] 0,012 0,003 - - J.H. Park & T. Koumoto [28] - - 1,340 - 0,048 E.Y.N. Oh & G.W.K. Chai [4] 0,365 - 0,042 0,910 0,052 C.H. Solanki & M.D. Desai [6*] 0,288 - 0,146 0,720 - 0,091 P.Vinod & J. Bindu [6*] 0,490 - 0,110 1,300 - 0,115 H.I. Park & S.R. Lee [4*] 0,124 0,260 - - A. Kifae et al. [28] - - 0,850 - 0,009 A. Drevininkas et al. [30] 0,361 0,071 0,740 - 0,007 F. Kalantary & K. Afshin [2*] 0,522 - 0,104 1,020 0,118 S.Widodo & I.Abdelazim [31] 0,679 - 0,193 1,360 0,016 P.T. Sari & Y.K. Firmansyah [16] 0,196 0,207 1,000 0,027 S.M.M. Dway & D.A.A. Thant [32] - - 1,400 - 0,318 A. Bryan et al. [2*] 0,348 0,087 1,000 0,082 Y.B. Gao et al. [7*] - - 1,100 - 0,083 G. Li et al. [14] 0,287 - 0,015 - - M. Farzi [4*] 0,377 - 0,042 1,200 - 0,060 N.M.K.N. Hassan [2] 0,295 - 0,062 - - В.А. Васенин [33] 0,493 - 0,323 - - C. Huang et al. [3] П р и м е ч а н и е: [1*] - принято по обзору [22]; [2*] - принято по обзору [23]; [3*] - принято по обзору [5]; [4*] - принято по обзору [24]; [5*] - принято по обзору [25]; [6*] - принято по обзору [26]; [7*] - принято по обзору [3]. На рис. 7 представлены точечные зависимости b = f (k) и m = f (d), построенные по данным, содержащимся в табл. 3. Треугольным маркером показаны точки с координатами (0,351; - 0,226) и (0,896; - 0,188), соответствующие зависимостям (2) и (3) для исследуемых илов. Как видим, полученные нами значения параметров являются характерными для аналогичных слабых глинистых грунтов, но находятся на нижней границе точечных графиков. Индекс компрессии исследованных илов в 1,5-2 раза меньше средних значений, найденных по литературным данным. Рис. 7. Коэффициенты линейных зависимостей индекса компрессии от начального коэффициента пористости (а) и природной влажности (б). Треугольным маркером показаны значения, полученные авторами Fig. 7. Coefficients of linear dependencies of the compression index on an initial void ratio (а) and a natural water content (б). The values obtained by the authors are shown with a triangular marker Согласно последней версии СП 22.13330.2016 в расчете осадки основания в качестве характеристики сжимаемости грунтов в различных случаях могут использоваться два одометрических модуля деформации - секущий (Eoed) и касательный Первый из них вычисляется в интервале напряжений от 100 до 200 кПа, второй определяется по наклону касательной к компрессионной кривой в точке, соответствующей величине вертикальных эффективных напряжений σzg. Указанные величины могут быть найдены через индекс компрессии [18]: (6) , (7) где er - коэффициент пористости грунта при так называемом опорном давлении 100 кПа в первой формуле и σzg - во второй. Из-за большой сжимаемости илов использование начального коэффициента пористости вместо er вносит погрешность в вычисления модулей деформации. Анализ компрессионных зависимостей показал, что для илов района исследований можно задавать: при 50 кПа er = e0 - 0,07, при 100 кПа er = e0 - 0,14. Для промежуточных значений напряжений er следует определять интерполяцией. Пример расчета. Образцы ила отобраны на глубине, где напряжения от собственного веса грунта с учетом взвешивающего действия воды составляют σzg = 100 кПа. Природная влажность грунта W = 0,55. Требуется вычислить секущий и касательный одометрический модули деформации. Последовательно находим: e0 = 2,793W + 0,0067 = 2,793·0,55 + 0,0067 = 1,543; er = 1,543 - 0,14 = 1,403; cc = 0,896W - 0,188 = 0,896·0,55 - 0,188 = 0,305; Полученные значения модулей деформации хорошо коррелируют с экспериментальными значениями, приведенными в табл. 2. Выводы 1. По результатам компрессионных испытаний илов, залегающих на побережье Белого моря на глубине 12-18 м, получены линейные зависимости индекса компрессии от исходных значений коэффициента пористости и влажности: cc = 0,351e0 - 0,226 (R2 = 0,75); cc = 0,896W - 0,188 (R2 = 0,73). 2. Анализ более 30 эмпирических зависимостей, полученных различными авторами, показал, что представленные в статье значения параметров являются характерными для слабых сильнодеформируемых глинистых грунтов морских побережий. 3. Полученные зависимости могут применяться в моделировании оснований с помощью получивших широкое распространение зарубежных программ или для вычисления модуля деформации илов для расчета осадки по традиционно применяемым методикам.

About the authors

J. M Glebova

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

A. L Nevzorov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

References

Statistics

Views

Abstract - 45

PDF (Russian) - 36

Refbacks

• There are currently no refbacks.