Способ оценки модуля деформации грунта

Изобретение относится к области строительства и предназначено для оценки физико-механических характеристик грунтов оснований, обеспечивающих методы расчета оснований, фундаментов и подземных сооружений исходной информацией. Предлагается способ оценки модуля деформации грунта, при котором проводят волновой анализ грунтовой толщи зоны малых скоростей верхней части разреза, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей волн в грунтовом массиве, рассчитывают модуль деформации. Проводят волновой анализ методом многоканального анализа поверхностных волн, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей поверхностных волн. По профилю распределения скоростей поверхностных волн рассчитывают удельный вес слоев грунта γ и начальный модуль сдвига G₀ при малых деформациях по приведенным зависимостям. Определяют коэффициент корреляции k между модулем деформации и начальным модулем сдвига по приведенной зависимости. Затем осуществляют оценку модуля деформации Е по корреляционной зависимости. Технический результат состоит в обеспечении оценки модуля деформации грунта, соответствующего модулю деформации при испытаниях штампом, по данным о распределении скоростей поверхностных волн в грунтовом разрезе, полученным неразрушающим волновым методом многоканального анализа поверхностных волн, обеспечении оперативной оценки геотехнической ситуации площадок строительства/реконструкции. 2 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и предназначено для оценки физико-механических характеристик грунтов оснований, обеспечивающих методы расчета оснований, фундаментов и подземных сооружений исходной информацией.

Известен способ определения модуля деформации грунта по данным испытаний штампами [ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости»], включающий полевые испытания по нагружению грунта в массиве давлением на подошве штампа до конечного давления и выдерживанию при постоянном конечном давлении до стабилизации осадки штампа, расчет модуля деформации испытываемого грунта. Для вычисления модуля деформации строят график зависимости осадки от давления S=ƒ(р), откладывая по оси абсцисс значения р и по оси ординат - соответствующие им условно стабилизированные значения S, и проводят осредняющую прямую на прямолинейном участке графика. За прямолинейный участок принимается область от нулевой точки при принятом начальном давлении до четвертой точки графика. Модуль деформации грунта Е вычисляют для прямолинейного линейного участка графика по формуле:

где ν - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,27 для крупнообломочных грунтов; 0,30 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин;

K_p - коэффициент, зависящий от отношения глубины расположения штампа относительно поверхности грунта h и диаметра штампа D, принимаемый равным: 1 - при h/D=0; 0,9 - при h/D=1; 0,82 - при h/D=2; 0,77 - при h/D=3; 0,73 - при h/D=4; 0,7 - при h/D≥5;

K₁ - безразмерный коэффициент формы штампа, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;

Δр - приращение давления на штамп, МПа;

ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее Δр, см, определяемое по осредняющей прямой.

Недостатками известного способа являются его высокая трудоемкость при монтаже и демонтаже оборудования и сроки проведения испытаний.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения модуля деформации грунта неразрушающими волновыми испытаниями [СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть VI. Правила производства геофизических исследований»], включающий полевые испытания по наблюдению за распространением объемных волн, построение профилей распределения скоростей продольных или поперечных волн, расчет по эмпирическим корреляционным зависимостям модуля деформации грунта. Для расчета модуля деформации для всех типов грунта требуется определение скорости продольной волны, кроме песчано-глинистых грунтов, для которых необходима скорость поперечной волны. Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа - проводят волновой анализ грунтовой толщи зоны малых скоростей верхней части разреза; по результатам анализа строят профиль распределения скоростей волн в грунтовом массиве, рассчитывают модуль деформации.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является значительная трудоемкость при определении скоростей объемных (продольных и поперечных) волн методами, регистрирующими объемные волны, по сравнению с определением скоростей поверхностных волн методом, регистрирующим поверхностные волны.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание способа оценки модуля деформации грунтов по скорости поверхностной волны, получаемой неразрушающим методом волнового анализа поверхностных волн, для последующей оперативной оценки геотехнической ситуации площадок строительства/реконструкции.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе оценки модуля деформации грунта, при котором проводят волновой анализ грунтовой толщи зоны малых скоростей верхней части разреза, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей волн в грунтовом массиве, рассчитывают модуль деформации; согласно изобретению проводят волновой анализ методом многоканального анализа поверхностных волн, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей поверхностных волн, по профилю распределения скоростей поверхностных волн рассчитывают удельный вес слоев грунта γ и начальный модуль сдвига G₀ при малых деформациях по зависимостям:

где V_R - скорость поверхностной волны, м/с;

z - глубина подошвы слоя от поверхности, м;

где ρ - плотность грунта, кг/м³;

V_R - скорость поверхностной волны, м/с;

определяют коэффициент корреляции k между модулем деформации и начальным модулем сдвига по формуле;

где γ - удельный вес грунта, кН/м³,

затем осуществляют оценку модуля деформации Е по корреляционной зависимости:

где k - коэффициент корреляции между модулем деформации и начальным модулем сдвига;

G₀ - начальный модуль сдвига, МПа

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - проводят волновой анализ методом многоканального анализа поверхностных волн; по результатам анализа строят профиль распределения скоростей поверхностных волн; по профилю распределения скоростей поверхностных волн рассчитывают удельный вес слоев грунта γ по зависимости (1) и начальный модуль сдвига G₀ при малых деформациях по зависимости (2); определяют коэффициент корреляции k между модулем деформации и начальным модулем сдвига по формуле (3); осуществляют оценку модуля деформации Е по корреляционной зависимости (4).

Предлагаемый способ оценки модуля деформации грунтов по скорости поверхностной волны, получаемой неразрушающим методом волнового анализа поверхностных волн, позволяет оперативно и с минимальными затратами оценить геотехническую ситуацию площадок строительства/реконструкции.

В ходе экспериментов авторами впервые была получена корреляционная зависимость между модулем деформации, определенным по данным испытаний различных типов грунтов штампами, и начальным модулем сдвига, определенным по данным распределения скоростей поверхностных волн, полученным в результате применения неразрушающего метода многоканального анализа поверхностных волн. Многоканальный анализ поверхностных волн является сейсмоаккустическим (волновым) методом построения профиля скоростей поперечных волн верхней части разреза грунтовой толщи, основанным на регистрации и анализе распространения поверхностных волн. Метод отличается малой трудоемкостью, низкими затратами и малыми сроками выполнения полевых работ и компьютерной обработки результатов волновой съемки.

Поиск по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что зависимости оценки модуля деформации грунта по данным многоканального анализа поверхностных волн о распределении скоростей поверхностных волн в грунтовом разрезе не обнаружены.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором представлен график зависимости коэффициента корреляции между модулем деформации и начальным модулем сдвига от удельного веса грунта, уравнение регрессии для расчета коэффициента корреляции.

Способ оценки модуля деформации грунта включает следующие этапы:

1. Проведение полевых испытаний неразрушающим волновым методом регистрации поверхностных волн, ориентированным на построение профиля скоростей поверхностных волн методом многоканального анализа поверхностных волн, обработка экспериментальных данных и построение волновых разрезов распределения скоростей поверхностных волн в грунтовом массиве.

2. Оценка величины удельного веса грунта по профилю распределения скоростей поверхностных волн по предложенной зависимости (1).

3. Расчет начального модуля сдвига по скорости поверхностной волны по предложенной зависимости (2).

4. Расчет коэффициента корреляции между модулем деформации и начальным модулем сдвига по предложенному уравнению регрессии (3).

5. Оценка модуля деформации по предложенной корреляционной зависимости (4).

Корреляционная зависимость между модулем деформации и начальным модулем сдвига получена в результате полевых испытаний различных типов дисперсных и полускальных грунтов:

- песок мелкий однородный, плотный, маловлажный;

- аргиллитоподобная глина с линзами песчаника низкой и средней прочности, выветрелая, трещиноватая, обводнена;

- песчаник мелкозернистый, низкой и средней прочности, выветрелый, трещиноватый, обводненный;

- глина тугопластичная и полутвердая;

- супесь серо-коричневая, песчанистая, текучая, с прослойками и линзами мощностью до 3-5 см песка мелкого, серого, водонасыщенного и суглинка коричневого, текучепластичного;

- суглинок темно-серый, тяжелый пылеватый, текучепластичный с включениями до 15% хорошо разложившегося органического вещества черного цвета;

- песок мелкозернистый, бурового цвета.

По данным полевых испытаний определены скорости поверхностных волн и модуль деформации, рассчитана плотность грунта и начальный модуль сдвига (таблицы 1, 2). Корректность расчета плотности грунта по скорости поверхностных волн проверена сравнением с данными по определению плотности грунта стандартными методами в лаборатории на образцах, отобранных в ходе полевых исследований. В результате обработки полученных данных методами математической статистики получена формула коэффициента корреляции (фиг.) между модулем деформации, определенным по результатам полевых испытаний грунтов штампами, и начальным модулем сдвига, рассчитанным по данным распределения скоростей поверхностных волн в этих грунтах по результатам многоканального анализа поверхностных волн.

Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет оперативно и недорого оценить значение модуля деформации грунта и произвести оценку геотехнической ситуации площадки объекта нового строительства/реконструкции неразрущающим методом.

Способ оценки модуля деформации грунта, при котором проводят волновой анализ грунтовой толщи зоны малых скоростей верхней части разреза, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей волн в грунтовом массиве, рассчитывают модуль деформации, отличающийся тем, что проводят волновой анализ методом многоканального анализа поверхностных волн, по результатам анализа строят профиль распределения скоростей поверхностных волн, по профилю распределения скоростей поверхностных волн рассчитывают удельный вес слоев грунта γ и начальный модуль сдвига G₀ при малых деформациях по зависимостям:

где V_R - скорость поверхностной волны, м/с;

z - глубина подошвы слоя от поверхности, м;

где ρ - плотность грунта, кг/м³;

V_R - скорость поверхностной волны, м/с;

определяют коэффициент корреляции k между модулем деформации и начальным модулем сдвига по формуле:

k=-0,005286γ³+0,314254γ²-6,248539γ+41,723895,

где γ - удельный вес грунта, кН/м³,

затем осуществляют оценку модуля деформации Е по корреляционной зависимости:

Е=kG₀, МПа,

где k - коэффициент корреляции между модулем деформации и начальным модулем сдвига;

G₀ - начальный модуль сдвига, МПа.