Модуль деформации грунтаgeostamp.ru/assets/modul-deformacii-grunta2.pdf ·...

Модуль деформации грунта. ООО ГеоШтамп. GeoStamp. http://geostamp.ru

При копировании информации из данной статьи обязательна ссылка на http://geostamp.ru/

Модуль деформации грунта

Одной из главных задач при проектировании фундаментов является

прогнозирование и расчет осадок фундамента. Для определения осадки в

соответствии с СП 22.13330-2016 «Основания зданий и сооружений»

необходимо знать модуль общей деформации и упругий модуль

деформации:

, где Eo,i - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви первичного

нагружения;

Ee,i - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви вторичного нагружения.

Определение модуля деформации возможно несколькими методами в

лабораторных (компрессионное сжатие и трехосное сжатие) и полевых

условиях (штамповые испытания, прессиометрические испытания,

зондирование).

В СП 22.13330-2011 сказано, что окончательное значение модуля деформации

должно быть получено на основании нескольких видов испытаний:

«…Достоверными методами определения деформационных характеристик

дисперсных грунтов являются полевые испытания статическими нагрузками в

шурфах, дудках или котлованах с помощью плоских горизонтальных штампов

площадью 2500-5000 см2, а также в скважинах или в массиве с помощью

винтовой лопасти-штампа площадью 600 см2….».

Далее в п. 5.3.4 говорится о том, что для сооружений I уровня ответственности

значения модуля деформации по данным прессиометрических испытаний

должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно

проводимых испытаний того же грунта штампами. Для сооружений I и II

уровней ответственности результаты испытаний зондированием также

должны корректироваться с результатами штамповых испытаний (п. 5.3.5).

Точно такие же требования предъявляются и к результатам определения

модуля деформации из компрессионных и трехосных испытаний (п. 5.3.6).

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



В стабилометре модуль общей деформации оказывается больше компрессионного модуля общей деформации в несколько раз. Это объясняется различным видом напряженно-деформированного состояния, возникающего в образцах грунта при их нагружении, что видно из следующего рисунка.

Рис. Графики «напряжение–деформация» из испытаний в одометре и стабилометре

Рис. Схема испытаний образцов грунта в компрессионном приборе (а) и приборе трехосного сжатия (б)

Найденные значения модулей деформации должны быть уточнены с

результатами испытаний того же грунта штампами.

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Модуль деформации или как его называют в механике сплошной среды –

модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности зависимости

«деформация-напряжение», предложенной Гуком в виде:

𝜀𝑍 =𝜎𝑧

𝐸

в котором каждому равному приращению одноосного напряжения σ

соответствует пропорциональное возрастание деформации ε .

Грунты показывают линейно упругое поведение до относительно небольших

нагрузок. Однако даже при этом при разгрузке в грунтах возникает остаточная

деформация. Поэтому полагают, что при нагружении до предела

пропорциональности для грунтов также справедлива линейная зависимость

Гука, однако при больших нагрузках деформации в грунтах нелинейно зависят

от напряжений. Это особенно важно при проектировании высотных зданий,

когда давление по подошве фундаментов может составлять более 1000 кПа.

Испытания образцов грунта в стабилометре позволяют определять

касательный модуль деформации подобный модулю Юнга. Подобие модуля

деформации модулю Юнга позволяет использовать решения теории

упругости при расчете осадки фундаментов.

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Чем отличается модуль упругости от модуля общей деформации? Модуль упругости всегда больше модуля общей деформации. Модуль упругости определяется из испытаний образцов грунта при их упругом поведении, которое имеет место при разгрузке (ветвь аb), а модуль общей деформации, характеризующий поведение грунта при наличии как упругих, так и остаточных деформаций, и находят из испытаний по ветви нагружения Oа.

Рис. Упругое и неупругое поведение грунтов

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Что такое касательный и секущий модули деформации?

Из закона Гука следует постоянство модуля деформации (модуль упругости). В то же время из следующего рисунка видно, что этот закон справедлив только до точки a зависимости напряжение – деформация.

Рис. Схема к определению модулей деформации

Если участок Oa прямолинейный, то, проведя через него линию и определив угол ее наклона получим касательный модуль деформации

𝐸𝑠 =∆σ

∆ε

В то же время через точки О и а можно провести секущую, совпадающую с касательной к начальному участку кривой деформирования грунта. Угол наклона этой секущей также будет равен углу наклона касательной. Поэтому на начальном участке кривой деформирования касательный модуль Et совпадает с секущим модулем деформации Es. При

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



небольшом уровне деформации (менее 0,01–0,05 %) значения касательного Et и секущего модулей Es деформации равны и характеризуют упругое

поведение грунта, т.е. Es = Et = E.

Если провести прямую из начала координат в точку c, то она будет секущей к кривой деформирования, и ее наклон будет определять значение секущего

модуля деформации Es при уровне напряжений σc , соответствующем точке c. Значение этого модуля используется при проектировании фундаментов мелкого заложения с учетом допускаmразвития некоторой степени остаточных деформаций, ограниченных величиной расчетного сопротивления грунта основания. Если провести прямую, касательную к точке с, то по углу ее наклона можно вычислить касательный модуль деформации Et . Этот модуль можно использовать для определения приращения осадки фундамента, соответствующего приращению внешней нагрузки, например, от следующего надстраиваемого этажа здания. Если теперь провести прямую через точки с и b, то угол ее наклона позволит вычислить значение упругого модуля при разгрузке грунта. Этот модуль Ee используется для расчета величины подъема дна котлована при его разработке. Прямая, проведенная через точки b и е, используется для определения модуля Er, характеризующего повторное нагружение грунта, после его разгрузки. Например, нагружение основания глубокого котлована (более 5 м) весом этажей, равным весу вынутого грунта. При циклическом нагружении грунта, после определенного количества циклов «нагрузка – разгрузка» грунт начинает вести себя упруго, без остаточной деформации. В этом случае его упругая осадка определяется с помощью упругого модуля Ec, который находится из наклона прямой gf. Этот модуль используется, например, при проектировании железнодорожного балласта или жесткого покрытия автомобильного полотна.

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Определение модуля деформации грунта

Одним из наиболее точных методов определения модуля деформации грунтов является метод испытания грунтов статической нагрузкой с применением плоских или винтовых штампов. Этот метод можно применять для любых промышленных и гражданских зданий и сооружений I и II уровней ответственности:

• промышленные здания

• склады и логистические комплексы

• жилые многоэтажные здания

• офисные здания

• торгово-развлекательные центры

• резервуары, газгольдеры, газопроводы Модуль деформации зависит от уровня деформаций (напряжений) в массиве грунта, возникающих под нагрузкой от фундаментов. Поэтому модуль деформации следует определять при том уровне деформации, который имеет место на рассматриваемой глубине под подошвой фундамента. В основании большинства зданий и сооружений вертикальная деформация находится в диапазоне от 0,01 % до 0,1 %. А значит, из всех полевых методов следует применять для определения модулей деформации (упругий при разгрузке и общий) испытания штампом и прессиометром. Эти методы являются прямыми, так как при определении модулей деформации используются результаты измерений и решения теории упругости. Остальные методы полевых испытаний реализуют уровень деформаций не соответствующий реальным задачам проектирования и являются косвенными, так как используют различные корреляционные зависимости для определения модулей деформации, а не решения теории упругости.

Испытания прессиометром Наиболее часто используется балонный прессиометр, предложенный Менардом. Значительно реже применяются самозабуривающийся и конусный прессиометры. Испытания прессиометром можно выполнить в дисперсных и скальных грунтах, прочность которых на одноосное сжатие не превышает 10 МПа. В опытах измеряется давление, изменение объема или радиуса рабочей камеры. После обработки результатов измерений можно

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



найти предельное давление pl и прессиометрический модуль деформации Ep , последний определяется с использованием решения теории упругости или смешанной задачи теории упругости и теории пластичности о расширении цилиндрической полости. Интерпретация результатов испытаний зависит от типа прессиометра. Данному виду испытаний присущ существенный недостаток обусловленный тем, что для проведения испытаний необходимо предварительно пробурить скважину диаметром несколько большим диаметра прессиометра. Кроме того при проходке скважины структура грунта вблизи стенок разрушается. Эти два фактора оказывают влияние на характер зависимости «изменение объема рабочей камеры – давление» в виде образования нелинейной зависимости на участке ob кривой деформирования.

Рис. Прессиометрическая кривая (схема к определению измеряемых

параметров)

При определении характеристик грунтов модуля деформации используют прямолинейный участок ab. Значение модуля деформации находится из выражения:

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



где – коэффициент Пуассона; Vo – начальный объем измерительной камеры; Vm – скорректированный объем для участка прессиометрической

кривой, на котором определяется V ; p – приращение давления; V – приращение объема.

Рис. Прессиометрическая кривая (результаты испытаний) с нагружением и разгрузкой на разных глубинах

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Штамповые испытания грунтов. Методика

Вкратце суть статических испытаний грунтов оснований штампами можно описать так: Круглый плоский или винтовой штамп нагружается поэтапно (ступенями) посредством домкрата или c помощью грузовой платформы, нагружаемой грузом (ФБС блоки, плиты, тяжелая техника). Нагрузка при проведении штамповых испытаний увеличивается ступенями. На каждом этапе с помощью прогибомеров или датчиков перемещений замеряются деформации основания, соответствующие давлению на данном этапе. Данные обрабатываются, заносятся в журнал и строится график зависимости осадки штампа от давления S = f(P). Для определения модуля деформации следует построить график зависимости осадки штампа от давления под его подошвой и в пределах линейного участка

этой зависимости найти значения p и s. В связи с тем, что модуль определяется углом наклона прямой линии, проведенная через две точки кривой деформирования, то этот модуль правильнее называть секущим модулем деформации.

По полученным данным определяют модуль деформации, МПа грунта:

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



Следует иметь в виду, что за начало линейного участка принимается давление

на грунт, равное бытовому давление на глубине испытаний zg,0 , а за окончание этого же линейного участка, давление равное дополнительным

напряжениям от внешней нагрузки zp. Дополнительные напряжения от внешней нагрузки на глубине испытаний можно определить используя

следующее выражение: zp = p , где – коэффициент, принимаемый по табл. СП 22.13330, а p – среднее давление под проектируемым фундаментом. В связи с тем, что на стадии инженерных изысканий это давление, как правило, неизвестно, то в ГОСТ 20276 введено допущение, что общее число ступеней давления после достижения давления, соответствующего вертикальному

нормальному напряжению от собственного веса грунта zg,0 на отметке испытания, должно быть не менее четырех. На следующем графике показаны зависимости осредненных относительных осадок от давления плоским и винтовым штампами. На которых видно, что винтовой штамп показывает большее значение модуля деформации, по сравнению с плоским штампом.

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



По мнению В.И. Каширского это объясняется тем, что плоские штампы устанавливались на разуплотненный грунт, тогда как винтовой штамп погружался ниже забоя скважины.

Оборудование штамповых испытаний

В состав установки для испытания грунта штампом должны входить:

- штамп; - устройство для создания и измерения нагрузки на штамп; - анкерное устройство (для установок без грузовой платформы); - устройство для измерения осадок штампа (прогибомеры, датчики перемещений); - устройство для замачивания и контроля влажности грунта (при испытании просадочных грунтов).

Рис. Полевые испытания штампом Конструкция установки должна обеспечивать:

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



- возможность нагружения штампа ступенями давления по 0,01-0,1 МПа;

- центрированную передачу нагрузки на штамп;

- постоянство давления на каждой ступени нагружения.

Испытание грунта штампом. Преимущества

Испытания грунтов статическими нагрузками - штампами в полевых условиях

позволяют получить более достоверные результаты в отличие от

лабораторных исследований. Связано это с тем, что при проведении

испытаний в полевых условиях сохраняется природная структура грунтов и

сохраняется природный уровень вертикальных и горизонтальных напряжений

от собственного веса грунта, а также в условиях естественного дренирования,

что приходится моделировать при проведении лабораторных испытаний

методом компрессионного сжатия.

Испытания грунтов штампами и прессиометром дают более достоверные

значения деформационных характеристик по сравнению с методами

статического и динамического зондирования, так как в первом случае

используются решения теории упругости и пластичности, а во втором

корреляционные зависимости.

Применяя методы статического или динамического зондирования, следует

иметь в виду, что вид модуля деформации, определяемый этими методами,

зависит от вида корреляционной связи между данными измерений лобового

сопротивления, сил трения, порового давления и данными лабораторных

испытаний. Корреляции с данными компрессионных испытаний дают

значения одометрического модуля деформации, в то же время если

выполнить корреляцию с данными трехосных испытаний, то можно найти

трехосный модуль деформации.

Для проектирования оснований по СП 22.13330, СП 24.13330 модуль

деформации должен быть найден методом статического или динамического

зондирования с корреляцией данных испытаний штампом или

прессимометром.

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/



При интерпретации данных полевых испытаний следует учитывать различия в

упругом модуле деформации и модуле деформации. Первый должен

находиться при малом уровне деформации грунта, а второй при заданной

уровне напряжения или деформации. Для определения этих модулей следует

использовать испытания грунтов прессиометром или штампами.

Упругий модуль деформации может быть найден на цикле «разгрузка-

повторное нагружение» из данных испытаний прессиометром, плоским или

винтовым штампами.

При проектировании оснований на сейсмические или динамические

воздействия упругий модуль деформации следует определять путем

статического зондирования с измерением скорости прохождения поперечных

волн.

Штамповые испытания ГОСТ

Нормативные документы по штамповым испытаниям: СП, ГОСТ, DIN, ISO,

Eurocode.

• ГОСТ 20276-2012 «Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости» «Soils. Field methods for determining the strength and strain characteristics»

• СТП 7.3.3-82-2009. «Определение модуля деформации грунтов методом нагружения» штампа. М.: ГУП «Мосгоргеотрест», 2009.

• ГОСТ 30672-2012 «Грунты. Полевые испытания. Общие положения»

• ОДМ 218.2.-024-2012 Методические рекомендации по оценке прочности нежестких дорожных одежд

• DIN 18134 «Soil - Testing procedures and testing equipmentPlate load test” English translation of DIN 18134:2012-O4

• СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений»

• Eurocode 7 EUROPEAN STANDARD «Geotechnical design»

http://geostamp.ru/

http://geostamp.ru/

Модуль деформации грунтаgeostamp.ru/assets/modul-deformacii-grunta2.pdf ·...

Documents