"Рекомендации по определению нормативных и расчетных значений характеристик прочности глинистых грунтов малой степени литификации по физическим характеристикам"

В настоящих Рекомендациях предлагается определять нормативные и расчетные значения характеристик прочности (сцепление C и угол внутреннего трения ) глинистых грунтов малой степени литификации различных генетических групп по таблицам в зависимости от физических характеристик грунтов: числа пластичности, показателя консистенции, коэффициента пористости.

Приведены основные принципы составления таблиц и обработки экспериментальных данных исследования грунтов путем установления корреляционных связей между сопротивлением срезу и физическими характеристиками.

Разработаны таблицы нормативных и расчетных значений характеристик прочности для морских, лиманных, аллювиальных, озерных и озерно-ледниковых отложений малой степени литификации. Таблицы составлены на основе обобщения результатов исследования прочности грунтов различных районов СССР с учетом генезиса и региональности. Для составления таблиц использованы данные одноплоскостного неконсолидированного среза, полученные в производственных лабораториях Теплоэлектропроекта, Союзморниипроекта, Ленморниипроекта, Черноморниипроекта, ЛенТИСИЗа, Гидропроекта, Гипрокоммунстроя и др.

При оценке представленных материалов учтены результаты проведенных в НИИОСП исследований прочности грунтов в условиях трехосного сжатия в зависимости от структурной связности и состава грунта. Рекомендации одобрены Ученым советом института и предназначены инженерно-техническим работникам проектно-изыскательских организаций.

Таблицы нормативных и расчетных значений характеристик прочности могут быть использованы для предварительных расчетов при проектировании сооружений всех классов и для окончательных расчетов оснований сооружений III и IV классов.

Рекомендации составлены в лаборатории методов исследования грунтов НИИОСП ст. научн. сотрудником Сорокиной Г.В. В подготовке и обработке методом корреляции материалов исследования для таблиц принимала участие ст. инженер Пчелина И.В.

Вычисления на ЭВМ "Мир-2" проведены ст. инженером Тупиковым М.В.

1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на определение нормативных и расчетных значений прочности глинистых грунтов малой степени литификации по таблицам в зависимости от их физических характеристик.

1.2. К грунтам малой степени литификации рекомендуется относить осадочные глинистые отложения субаквального происхождения в начальной стадии формирования (илы, сапропели, ленточные глины и суглинки, текучепластичные и мягкопластичные глинистые грунты), а также грунты, образовавшиеся в условиях переменного режима избыточного увлажнения (торф, заторфованный грунт).

1.3. Для определения нормативных и расчетных значений характеристик прочности грунтов малой степени литификации рекомендуется составлять таблицы, содержащие параметры прочности грунтов: угол внутреннего трения (в град), сцепление C (в кгс/см²), а также физические характеристики, определяющие величины параметров прочности этих грунтов.

Для составления таблиц нормативных и расчетных значений параметров прочности грунтов рекомендуется пользоваться "Руководством по проектированию оснований зданий и сооружений" (М., Стройиздат, 1977) и настоящими Рекомендациями.

1.4. При обработке материала для составления таблиц нормативных и расчетных характеристик прочности грунтов рекомендуется использовать метод корреляционного анализа для установления корреляционных связей и уравнений регрессии между прочностными характеристиками с одной стороны и физическими характеристиками грунтов с другой.

1.5. При установлении условий испытания грунта на прочность следует учитывать его физическое состояние в природном залегании, а также в строительный и эксплуатационный периоды.

1.6. Таблицы для определения характеристик прочности грунтов малой степени литификации должны составляться по данным исследования грунтов в нестабилизированном состоянии в соответствии с рекомендациями главы СНиП II-15-74. Для этого могут быть использованы данные, полученные в условиях трехосного сжатия при недренированных испытаниях или результаты быстрых испытаний неконсолидированных образцов в одноплоскостных приборах.

1.7. Для оценки прочности грунтов при возможности дренирования и уплотнения под нагрузкой от сооружения (конец строительного периода и период эксплуатации сооружения) при составлении таблиц рекомендуется обобщать данные консолидированно-дренированных испытаний.

2.1. Для определения прочностных характеристик (, C) глинистых грунтов малой степени литификации рекомендуется устанавливать корреляционные связи между сопротивлением срезу при каждом нормальном давлении и физическими характеристиками этих грунтов.

В общем случае корреляционное исследование предполагает:

отбор факторов-аргументов, оказывающих наиболее существенное влияние на зависимую переменную;

установление формы связи между исследуемыми факторами;

определение показателей тесноты связи.

2.2. При сборе материалов для проведения корреляционных исследований результаты комплексных определений свойств грунтов рекомендуется заносить в паспорт единой формы.

2.3. При формировании статистической совокупности грунтов, предназначенной для обработки, в нее следует включать грунты одного и того же происхождения (генезиса). Для грунтов малой степени литификации могут быть выделены следующие типы отложений: морские , лиманные и континентальные, к которым относятся аллювиальные пойменные , озерные пресноводные , озерно-ледниковые и др. При составлении нормативных таблиц прочности грунтов может быть учтена и их региональность.

2.4. В статистическую совокупность должны включаться данные, полученные единым методом, а приборы и оборудование, использованные при испытании грунтов, должны давать равноценные результаты.

2.5. Для исключения грубых ошибок перед установлением корреляционных связей опытные данные должны быть проанализированы.

Рекомендуется строить точечные графики зависимости между прочностной характеристикой и одной из физических характеристик, например показателем консистенции J_L или коэффициентом пористости e.

2.6. В качестве факторов-аргументов, оказывающих влияние на зависимую переменную , рекомендуется рассматривать следующие физические характеристики грунтов: влажность W; коэффициент пористости e; показатель консистенции J_L; влажность на границе текучести W_L и влажность на границе раскатывания W_p; число пластичности J_p; структурную связность, степень заторфованности или количество органического вещества.

2.7. Для установления связи между сопротивлением срезу и несколькими факторами-аргументами рекомендуется исследовать связи между различными физическими характеристиками, а также между начальным состоянием грунта (W_н; e_н; ) и его состоянием в момент среза (W_к; e_к; ).

Рекомендуется устанавливать связь между двумя характеристиками (парная связь) и между несколькими характеристиками (многофакторная связь).

2.8. Корреляционный анализ рекомендуется выполнять на ЭВМ. При машинном счете рекомендуется использовать прямой путь выбора наилучшей связи, т.е. пробовать всевозможные комбинации факторов-аргументов, увеличивая их число до двух, а затем выбирать из всех рассмотренных комбинаций оптимальную.

Параметры корреляционных зависимостей рекомендуется находить способом наименьших квадратов.

Исследование корреляционной связи для определенной совокупности характеристик машина начинает с формирования совокупности и вычисления коэффициентов при неизвестных в уравнениях системы. Эти коэффициенты представляют собой суммы произведений и показателей степеней экспериментальных значений характеристик, связь между которыми исследуется.

Затем рекомендуется находить корреляционное отношение , которое в случае линейной связи переходит в коэффициент корреляции r.

Результаты исследования каждого уравнения связи печатаются машиной на бумажной ленте и включают в себя корреляционное отношение , коэффициент корреляции r, среднее значение зависимой переменной M, среднеквадратичное отклонение , значения зависимой переменной от среднего и параметры уравнений связи.

3.1. При составлении таблиц нормативных характеристик прочности глинистых грунтов малой степени литификации за исходные данные (физические характеристики, в наибольшей степени влияющие на прочность) рекомендуется принимать число пластичности J_p, показатель консистенции J_L и коэффициент пористости e.

Показатель консистенции и коэффициент пористости следует принимать в соответствии с состоянием грунта в момент среза и с учетом того, что при одноплоскостном срезе состояние грунта меняется в процессе опыта (рис. 1).

3.2. Для каждого нормального давления по уравнениям связи рекомендуется строить графики зависимости сопротивления срезу от двух характеристик, например от числа пластичности J_p и показателя консистенции J_L или от показателя консистенции и коэффициента пористости e_к (рис. 2).

Для исключения действия большого числа факторов, влияющих на прочностные характеристики грунта, рекомендуется переходить к более дробным статистическим совокупностям, составляя их по номенклатурным видам (супесь, суглинок, глина).

3.3. Рекомендуется нормативные значения C и устанавливать для определенных заранее выбранных значений показателя консистенции (0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5; 2; 3) и коэффициента пористости e_к, определяя значения при разных нормальных давлениях по уравнениям взаимосвязи или по графикам (см. рис. 2).

3.4. Для определения прочностных характеристик C и допускается составление таблицы путем обработки опытных данных, сгруппированных по интервалам физических характеристик (отдельные клетки таблицы). При этом нормативные значения C и определяются как параметры уравнения , получаемые способом наименьших квадратов для всей совокупности в рассматриваемой клетке ( - сопротивление образца грунта срезу; - нормальное удельное давление, передаваемое на образец грунта).

3.5. Расчетные значения C и в случае использования уравнений регрессии следует устанавливать как нижнюю доверительную границу уравнения при различных значениях физических характеристик.

3.6. Расчетные значения прочностных характеристик грунтов C и в таблице устанавливают для двух предельных состояний (расчет оснований по несущей способности и по деформациям).

Доверительную вероятность расчетных значений принимают равной 0,85 для расчетов по деформациям и 0,95 для расчетов по несущей способности.

3.7. Для пользования таблицами должны быть получены физические характеристики путем непосредственных определений их в лаборатории.

3.8. Для пользования таблицами следует производить не менее шести частных определений физических характеристик грунта.

3.9. Нормативные значения A^н характеристики грунта по результатам непосредственных лабораторных определений вычисляются по формуле

где A_i - частное значение характеристики;

n - число определений характеристики.

3.10. Если значения физических характеристик, полученные в лаборатории, попадают в интервал между их значениями в таблице, следует применять линейную интерполяцию.

3.11. Таблицы расчетных значений характеристик прочности грунтов малой степени литификации могут быть использованы для предварительных расчетов при проектировании сооружений всех классов и для окончательных расчетов оснований сооружений III и IV классов.

Таблицы разработаны на основе настоящих Рекомендаций с учетом генетических и региональных особенностей грунтов, а также метода определения сопротивления срезу.

Входами во все таблицы являются: число пластичности J_p, показатель консистенции и коэффициент пористости e_к в момент среза.

При пользовании таблицами следует считать, что исходные (природные) показатели консистенции и коэффициента пористости равны таковым в момент среза.

Таблицы составлены для выделенных совокупностей следующих генетических разностей грунтов: морских глинистых отложений северных бассейнов и черноморского бассейна, лиманных отложений , континентальных отложений, в том числе аллювиальных пойменных , озерных пресноводных , озерно-ледниковых .

Во всех таблицах представлены грунты от мягкопластичной до текучей консистенции.

Значения удельного сцепления и углов внутреннего трения в таблицах приведены для интервалов физических характеристик, обеспеченных экспериментальными данными.

Таблицам нормативных значений характеристик прочности предшествуют краткие сведения о представленных генетических разностях грунтов.

1.1. Таблицы нормативных значений характеристик прочности морских грунтов малой степени литификации 

Совокупности морских глинистых отложений представлены в таблицах 1.1^а; 1.1^б; 1.1^в илами, а также текуче- и мягкопластичными глинами северных и черноморского бассейнов прибрежной зоны или мелкого моря. Образуются эти отложения при небольшой скорости движения воды, характеризуются отсутствием заметной слоистости, неоднородным гранулометрическим составом, повышенным содержанием органических веществ (до 10%), преобладанием среди глинистых минералов гидрослюды, присутствием каолинита и монтмориллонита. Начальной стадией формирования морских глинистых грунтов являются илы, которые под влиянием диагенеза переходят в пластичные глинистые грунты. При процессах диагенеза происходит гравитационное уплотнение, изменяется химико-минералогический состав (в связи с процессами адсорбции и десорбции, катионного обмена, восстановления и окисления, диффузии и т.д.), наблюдаются микроагрегация и старение коллоидов.

Физико-химические условия в свежеотложенном иле и наддонной воде различны. Высокая влажность и присутствие большого количества иммобилизованной свободной воды в иле способствуют диффузному выщелачиванию. Важное значение в формировании илов и образовании новых органо-минеральных соединений имеет большое количество микроорганизмов, находящихся в придонной части водоемов.

Органические вещества и присутствие Ca²⁺ в составе обменных оснований способствуют образованию механически прочных и водоустойчивых микроагрегатов. Поэтому степень микроагрегатности илов Черного моря, отличающихся повышенным количеством CaCO₃ и органических веществ выше, чем в северных бассейнах.

Образование тех или иных глинистых минералов связано с составом материнских пород. Присутствием монтмориллонита в лессах Украины объясняется заметное содержание монтмориллонита в илах северной части Черного моря, в отличие от илов северных морей, в которых преобладают гидрослюды. В целом илы относятся к полиминеральным грунтам.

По-видимому, различный минералогический состав и различная прочность структурных связей обусловливают наиболее высокие значения сцепления в илах и глинистых грунтах черноморского бассейна по сравнению с аналогичными грунтами северных морских бассейнов.

В целом эти грунты характеризуются коагуляционными структурами, тиксотропным (обратимым) характером структуры, консистенцией от скрытотекучей до мягкопластичной, содержанием гумуса от 1 до 10%. По составу преобладают глинистые и суглинистые разности, супесчаные практически отсутствуют, в глинистой фракции преобладают гидрослюды или монтмориллонит. При подсушивании илов возможно старение коллоидов. Глинистые грунты текучепластичной и мягкопластичной консистенции по сравнению с илами менее активны и менее тиксотропны.

Таблицы 1.1^а и 1.1^в составлены по совокупности неконсолидированных образцов по данным быстрых срезов в одноплоскостных отборах. Таблица 1.1^б составлена по совокупности образцов, консолидированных под давлением 0,25 - 0,75 кгс/см² по данным медленных срезов в одноплоскостных приборах.

1.2. Таблица нормативных значений характеристик прочности лиманных глинистых грунтов малой степени литификации 

Лиманные грунты отлагаются в условиях спокойного гидродинамического режима из полых вод с незначительным содержанием крупных частиц. Они характеризуются преобладанием тонкого глинистого материала, большим количеством органических остатков с различной степенью разложения. В табл. 1.2 представлены характеристики прочности глинистых грунтов Днестровского и Сухого лиманов с числом пластичности J_p до 72 и содержанием гумуса от 5 до 7%, коэффициентом пористости в скрытотекучем и мягкопластичном состояниях l_k = 2,2 - 4.

Характеристики прочности получены методом неконсолидированного быстрого испытания в трехосных приборах.

Прочность обусловлена сцеплением, трение практически отсутствует, что хорошо отражает природу грунтов в дестабилизированном состоянии.

Средние значения сцепления получены путем обработки результатов прочности для заданных интервалов показателей консистенции и коэффициента пористости.

1.3. Таблица нормативных значений характеристик прочности аллювиальных пойменных глинистых грунтов малой степени литификации 

Аллювиальные глинистые отложения образуются в виде руслового или пойменного аллювия. В русловом аллювии глинистые слои и прослойки встречаются редко и обогащены песчаными и пылеватыми частицами. Мощность этих слоев и их протяженность, а также химико-минералогический состав и свойства весьма разнообразны. Для пойменного аллювия типичные глинистые илы, глины и суглинки. Они плохо сортированы, характеризуются тонколистоватой структурой и микроагрегатностью. Отложения рыхлые, водонасыщенные и слабосвязные. При плохом дренировании поймы грунты обогащены органическими веществами и затронуты процессами оглеения. Благодаря структурной связности илы находятся в скрытотекучем состоянии и обладают существенной прочностью.

Таблица 1.3 составлена по совокупности неконсолидированных образцов (нестабилизированное состояние) по данным быстрых срезов в одноплоскостных приборах.

1.4. Таблица нормативных значений характеристик прочности глинистых грунтов малой степени литификации пресноводных озер 

Отложение озерных грунтов происходит при спокойных гидродинамических режимах. В озерно-болотных пресноводных водоемах гумидных областей в связи со стабилизирующим и пептизирующим действием органических веществ на минеральные частицы формируются тонкодисперсные отложения, характеризующиеся каолинито-гидрослюдистым составом глинистых минералов. Возможно формирование пластифицированно-коагуляционной структуры. При цементации карбонатных частиц возможно некоторое проявление кристаллизационных структурных связей, обусловливающих сравнительно высокие значения прочности за счет сцепления. Это характерно для совокупности пресноводных озерных отложений северо-западных районов СССР (табл. 1.4).

Озерные глинистые грунты часто тонкослоисты, что объясняется различиями в привносе и седиментации терригенного материала в различные сезоны года.

Таблица 1.4 составлена по совокупности неконсолидированных образцов по данным быстрых срезов в одноплоскостных приборах.

1.5. Таблица нормативных значений характеристик прочности ленточных глин и суглинков 

Ленточные отложения относятся к озерно-ледниковым. Сезонные изменения в составе и количестве выносимого из-под ледников талыми водами обломочного материала, а также условия осаждения взвешенных в воде частиц обусловливают закономерное чередование глинистых и песчаных слоев. В гранулометрическом составе ленточных глин преобладают пылеватые фракции в среднем до 60% и глинистые фракции в среднем до 32%.

Главным породообразующим минералом песчаных и пылеватых фракций озерно-ледниковых отложений является кварц, в значительных количествах присутствуют слюдистые и рудные минералы. Среди глинистых минералов в этих отложениях преобладают гидрослюдистые и слюдистые минералы. В виде примесей встречаются каолинит и галлуазит. Емкость поглощения ленточных глин изменяется от 5 до 16 мг-экв. на 100 г сухого грунта.

Ленточные отложения характеризуются ярко выраженной структурной связностью, которая обусловливается проявлением молекулярных водно-коллоидных связей между частицами без участия цементационных процессов. Структурная связность ленточных отложений имеет тиксотропный (обратимый) характер. Ленточные отложения анизотропны по отношению к характеристикам фильтрации и прочности.

Таблица 1.5 составлена по совокупности неконсолидированных образцов по данным быстрых срезов в одноплоскостных приборах.

Расчетные значения параметров прочности для грунтов различных генетических типов получены по их нормативным значениям.

Расчетные значения оцепления C^р и угла внутреннего трения вычислены по линейной зависимости и среднеквадратичным отклонениям (дисперсии) методом доверительных пределов в соответствии с рекомендациями "Руководства по проектированию оснований зданий и сооружений" к главе СНиП II-15-74.

Для вычисления расчетных значений параметров прочности принята доверительная вероятность .

Расчетные значения характеристик прочности для каждого заданного интервала консистенции и коэффициента пористости совокупности грунтов высчитаны для минимально допустимого количества образцов, испытанных при трех - пяти значениях нормальных давлений.