Київський національний університет

будівництва і архітектури

Липовий Юрій Анатолійович

УДК 624.131.35; 624.131.439

Визначення міцнісних характеристик ґрунтів

за даними випробування палею-зондом

05.23.02 – Підвалини та фундаменти

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ і фундаментів Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, професор

Корнієнко Микола Васильович,

Київський національний університет будівництва і архітектури,

професор кафедри основ і фундаментів

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор Самедов Ахмед Меджидович, Національний технічний університет України “КПІ”, професор кафедри геобудівництва та інженерних технологій

– кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Романов Станіслав Васильович, Науково-дослідний інститут будівельного виробництва, заступник директора з наукової роботи

Провідна установа – Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, м. Київ

Захист відбудеться ” 11 ” лютого 2004 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 „Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий ” 9 ” січня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Блажіс Г. Р.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Надійне проектування основ та фундаментів залежить, перш за все, від достовірності визначення фізико-механічних характеристик ґрунтів. Найбільш достовірні результати при дослідженні міцнісних характеристик ґрунтів можна отримати при проведенні випробувань на зріз ціликів ґрунту в умовах природного залягання. Достатньо надійні результати з визначення кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення дають також лабораторні методи випробувань на зріз непорушених зразків ґрунту.

Але в умовах реконструкції, міської забудови, при складних інженерно-геологічних умовах (багато шарів ґрунту, неузгоджене залягання, наявність високого рівня ґрунтових вод тощо) не завжди існує можливість прямих визначень міцнісних характеристик всіх літологічних різниць в основі. З одного боку, це обмежено кількістю технічних свердловин та шурфів, з іншого – неможливістю відбору зразків ґрунту без порушення їх структури на значних глибинах або нижче рівня ґрунтових вод. До того ж, проведення повного комплексу інженерно-геологічних вишукувань, особливо для невеликих об’єктів (індивідуального, сільського будівництва тощо), є економічно невигідним. Саме за таких умов доцільним є використання непрямих методів визначення міцнісних характеристик ґрунтів.

Загальні та регіональні таблиці нормативних значень міцнісних характеристик, за допомогою яких можна визначати кут внутрішнього тертя й питоме зчеплення ґрунту в залежності від показників фізичного стану, не вирішують дану проблему, оскільки потребують дослідження зразків непорушеної структури та не враховують особливості їх структури й текстури. Крім того, отриманий результат переважно залежить від достовірності вихідних даних. Тому використання цього методу може буди рекомендовано лише для попередньої оцінки ґрунтових умов будівельного майданчика.

Єдиною альтернативою залишається статичне зондування, за результатами якого нормами на вишукування дозволяється визначати міцнісні характеристики четвертинних суглинків, глин та піщаних ґрунтів. Відомо, що основним недоліком стандартних зондів є їх малий діаметр, що часто приводить до значних похибок при випробуваннях. Зокрема, при випробуванні водонасичених супісків чи суглинків спостерігаються занижені характеристики ґрунтів (дається взнаки ефект проколювання). У слабо та середньорозкладених заторфованих ґрунтах, навпаки, – статичне зондування значно завищує опір ґрунту, так що помилково його можна прийняти за суглинок чи супісок. Це пояснюється тим, що результати статичного зондування 36-мм зондом дуже залежать від гранулометричного складу та стану ґрунту за вологістю й щільністю. Крім того, нормами на вишукування передбачена єдина залежність для визначення міцнісних характеристик як суглинків, так і глин. Як результат, погрішності визначення с і j іноді перевищують 100% у порівнянні зі значеннями, отриманими стандартними лабораторними методами. Методика ж визначення міцнісних характеристик супісків у нормах взагалі відсутня.

У даній ситуації актуальною є розробка альтернативної методики, яка б дозволяла визначати міцнісні характеристики ґрунтів без необхідності відбору зразків непорушеної структури, не вимагала значних матеріальних затрат і, у той же час, показувала достатньо високу достовірність результатів.

Як показали практичні дослідження, значного підвищення достовірності визначення показників ґрунту можна досягти, використовуючи великорозмірні зонди, як, наприклад, палю-зонд ІВП-127. Розробкою та дослідженням методу випробування ґрунтів палею-зондом уже більше тридцяти років займаються наукові співробітники КНУБА. Він позитивно зарекомендував себе на практиці як при визначенні несучої здатності паль у звичайних та просідаючих ґрунтах, так і при визначенні модуля деформації ґрунтів.

Паля-зонд за способом визначення опору ґрунту основи відповідає зонду ІІ-го типу, дозволяючи фіксувати опір ґрунту як під нижнім кінцем, так і на ділянці бічної поверхні. Дослідженнями Керізеля Ж., Бойка І. П., Потапенка І. Ф., Маріупольського Л. Г. та ін. доведено, що при діаметрі зонда більше 100 мм опір ґрунту під конусом практично відповідає опору під кінцем натурних паль. Завдяки цьому (діаметр ІВП-127 – 127 мм) паля-зонд позбавлена тих недоліків, що притаманні 36 мм зондам. Даний метод дослідження і був прийнятий за основу при розробці методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до держбюджетної теми Міністерства освіти і науки України 6ДБ-2000 „Теорія моделювання процесів деформування пружно-пластичних пористих середовищ в умовах природної та техногенної екскавації ґрунтів при реконструкції історичних частин міст з розробкою нових методів визначення стану ґрунтових масивів” (наказ КНУБА №18 від 9.02.2000 р., номер державної реєстрації 0100U002799). Здобувач виконував обов’язки відповідального виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою даних досліджень є розробка методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробування палею-зондом, яка дозволила б на стадії інженерних вишукувань отримувати достовірні значення питомого зчеплення й кута внутрішнього тертя ґрунтів за умов неможливого або недоцільного використання прямих методів визначення с і j.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- на основі літературних джерел проаналізувати теоретичні передумови зв’язку параметрів зондування з фізико-механічними характеристиками ґрунтів;

- зібрати матеріал (результати паралельних визначень фізико-механічних характеристик ґрунтів і їх випробування палею-зондом), необхідний для статистичного аналізу зв’язку параметрів зондування й міцнісних характеристик ґрунтів;

- розробити методику багатофакторного пошуку для визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування їх палею-зондом;

- встановити залежності міцнісних характеристик ґрунтів від показників зондування на основі множинної кореляції;

- на основі аналізу існуючих рішень теорії граничної рівноваги визначити рішення, результати яких достатньо узгоджуються з показниками випробування ґрунтів палею-зондом;

- дослідити залежності між показниками зондування палею-зондом і міцнісними характеристиками ґрунтів на основі теоретичних рішень напружено-деформаційного стану в основі;

- розробити методику й рекомендації для визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом;

- впровадити результати досліджень у практику при проектуванні й будівництві реальних об’єктів.

Об’єктом дослідження є визначення міцності ґрунтової основи.

Предметом дослідження є визначення міцнісних показників ґрунтів за допомогою палі-зонда.

Методи дослідження:

- збір фактичного матеріалу за даними зондування палею-зондом і паралельних визначень характеристик ґрунтів у лабораторії;

- проведення польових та лабораторних експериментів із встановлення залежностей між показниками зондування та характеристиками ґрунтів;

- статистична обробка результатів випробувань з оцінкою достовірності отриманих залежностей;

- теоретичний аналіз взаємодії палі-зонда з оточуючим ґрунтовим середовищем з метою встановлення впливу міцнісних характеристик на опір зондуванню;

- проведення комплексних досліджень з метою підтвердження чи коригування отриманих залежностей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість отримання надійних значень кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення ґрунтів за результатами випробування палею-зондом;

- встановлено, що найбільший вплив на достовірність отримання міцнісних характеристик за результатами випробування палею-зондом мають розрахунковий опір під наконечником палі-зонда та глибина зондування;

- отримано залежності для визначення міцнісних характеристик ґрунтів різних за гранулометричним складом та генезисом за результатами випробування палею-зондом;

- теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що рішення теорії граничної рівноваги для заглиблених зондів узгоджуються з показниками випробування ґрунтів палею-зондом.

Практичне значення одержаних результатів:

- складено таблиці для визначення кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення в залежності від параметрів зондування ІВП-127 та глибини залягання окремо для різних видів ґрунтів;

- складено таблиці для визначення с та j лесових суглинків у водонасиченому стані в залежності від результатів їх випробування палею-зондом при звичайній вологості;

- розроблено рекомендації з практичного використання методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробування палею-зондом;

- отримана методика впроваджена в практику при проведенні інженерно-геологічних вишукувань на будівельних об’єктах Київської області, зокрема, при підсиленні будівлі спортзалу в Бориспільському районі та будівництві виробничого комплексу й шихтозапасника в м. Білій Церкві, що підтвердило її практичну цінність та економічну ефективність.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні результатів роботи у виробництво.

Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

1.Корнієнко М. В., Липовий Ю. А. Використання даних випробування ґрунтів палею-зондом (ІВП-127) для оцінки якості основи в умовах підсилення фундаментів // Будівельні конструкції. – К.: НДІБК, 2001. – Вип.54. – С.346-351.

Проведено експериментальну перевірку методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробування палею-зондом в умовах підсилення фундаментів при проведенні реконструкції існуючої будівлі.

2. Корнієнко М. В., Липовий Ю. А. Залежність параметрів міцності ґрунту від критичних навантажень на основу // Будівельні конструкції. – К.: НДІБК, 2001. – Вип.53 – С.130-133.

Досліджено можливість використання існуючих рішень теорії граничної рівноваги для знаходження характеристик міцності ґрунтів за даними випробування ІВП-127.

3. Корнієнко М. В., Липовий Ю. А. Оцінка фізико-механічних властивостей ґрунтів на основі випробування ІВП-127 // Основи і фундаменти. – К.: КНУБА, 2002. – Вип.27. – С.50-54.

Впроваджено метод оцінки фізико-механічних властивостей ґрунтів за даними випробування палею-зондом ІВП-127 при дослідженні основ на реальному об’єкті.

4. Липовий А. У., Липовий Ю. А. Оцінка міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування їх палею-зондом // Основи і фундаменти. – К.: КНУБА, 1999. – Вип.25. – С.95-98.

Проведено оцінку методів визначення міцнісних характеристик ґрунтів, показано можливість визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробувань їх палею-зондом.

5. Липовий Ю. А., Корнієнко М. В. Про використання випробувань ґрунтів палею-зондом для визначення міцнісних характеристик // Будівельні конструкції. – К.: НДІБК, 2003. – Вип.58 – С.148-151.

Окремо для різних видів ґрунтів отримано достовірні кореляційні залежності для визначення характеристик міцності за даними випробувань палею-зондом.

Апробація результатів дисертації. Поточні результати при проведенні досліджень були висвітлені:

- на 61-й, 62-й, 63-й та 64-й науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури, Київ, 2000-2003 рр.

- на 4-й Українській науково-технічній конференції „Механіка ґрунтів і фундаментобудування”, Київ, 2000 р.

- на Всеукраїнській науково-практичній конференції „Реконструкція будівель і споруд. Досвід та проблеми”, Київ, 2001 р.

Публікації. Окремі практичні результати дисертації опубліковані в 6-ти друкованих роботах, в тому числі 3 – у наукових спеціалізованих виданнях, 2 – у матеріалах і тезах вітчизняних конференцій, 1 – у науковому збірнику.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 138 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п’яти розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 234 сторінки і включає 104 таблиці, 95 ілюстрацій, список використаних джерел (138 найменувань) та 4 додатки.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичну значимість та основні задачі, що розв’язані в роботі.

У першому розділі наведено огляд і критичний аналіз існуючих методів визначення міцнісних характеристик ґрунтів.

Труднощі при відборі зразків ґрунту непорушеної структури на значних глибинах та в умовах водонасичення для визначення міцнісних характеристик лабораторними методами, а також значна вартість проведення польових випробувань на зсування ціликів ґрунту спонукають до пошуку інших методів визначення характеристик міцності. Одним з таких методів є статичне зондування. На даний час розвиток статичного зондування, як методу визначення міцнісних характеристик ґрунтів, відбувається шляхом регіонального вивчення ґрунтових умов та уточнення кореляційних залежностей.

Проте випробування стандартним зондом діаметром 36 мм має ряд недоліків, основною причиною яких є малий діаметр зонда, що приводить до значних похибок. До того ж, нормами рекомендується використовувати єдину залежність для визначення міцнісних характеристик суглинків і глин, що значно знижує достовірність отриманих результатів. Щодо визначення за результатами статичного зондування міцнісних характеристик супісків, то на даний час через недостатність вихідних даних така методика взагалі відсутня.

Як показали практичні дослідження Бойка І. П., Грутмана М. С., Потапенка І. Ф., Олійника А. О., значного підвищення достовірності визначення показників ґрунту можна досягти, використовуючи великорозмірні зонди, як, наприклад, палю-зонд ІВП-127. Зберігаючи переваги статичного зондування стандартним зондом, випробування палею-зондом ІВП-127 дає можливість набагато точніше визначати характеристики опору ґрунту по конусу та бічній поверхні. Причиною цього є те, що при випробуванні ІВП-127 рухомий наконечник діаметром 127 мм включає значно більший об’єм ґрунту в роботу, ніж при випробуванні ґрунтів стандартним зондом діаметром 36 мм, завдяки чому зменшується ефект „проколювання”. Для подолання опору ґрунту лише під наконечником доводиться прикладати зусилля 120–150 кН, що відповідно виключає погрішності від включень у ґрунтах, притаманні методу зондування стандартним зондом.

Відомо, що надійність та економічність проектних рішень фундаментів тісно пов’язані з якістю визначення розрахункових характеристик основ. Проведення вишукувань у повному обсязі, як це робиться на великих будівельних майданчиках промислового будівництва, недоцільно для будівництва невеликих цивільних об’єктів та при сільському будівництві, значна частина об’єктів якого (до 80%) ІІІ-го класу. Часто інженерно-геологічні вишукування обмежуються аналізом зразків, отриманих із пробурених свердловин, рідше з шурфів. Тому можна вважати, що встановлення залежностей між міцнісними характеристиками ґрунтів та показниками зондування палею-зондом дозволить знизити обсяг інженерно-геологічних вишукувань та підвищити достовірність прийнятих рішень.

У другому розділі наведено характеристику ґрунтових умов місцевості, де було отримано дослідні дані та методику збору експериментального матеріалу.

Комплексні інженерно-геологічні вишукування, результати яких були використані в даній роботі, проводилися на дослідних майданчиках м. Києва та Київської області. Територія Київської області достатньо вивчена у плані інженерно-геологічної будови. Даному питанню присвячені роботи Дранникова А. М., Краєва В. Ф., Єськова Б. Г., Барщевського Н. Е., Лисенка М. П., Слюсаренка С. О., Корнієнка М. В., Пяткова О. В. тощо. В інженерно-геологічному плані територія Київської області характеризується значною різноманітністю, що обумовлено її розташуванням у двох різних зонах: північна частина області розташована в зоні Полісся, південна – в зоні Лісостепу. Тому при накопиченні експериментального матеріалу вдалося отримати дані практично для всіх основних різновидів ґрунтів.

Розробку методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом було вирішено проводити для наступних видів ґрунтів:

- кварцових і кварцовополевошпатових піщаних ґрунтів четвертинного віку;

- четвертинних глинистих ґрунтів із вмістом органічних речовин менше 10 %;

Дані для особливих ґрунтів (набухаючих, засолених, органогенних) не були використані через значну відмінність у їх поведінці при випробуванні палею-зондом у порівнянні зі звичайними ґрунтами. У дослідження були включені лише еолово-делювіальні лесові суглинки.

Збір експериментального матеріалу проводився в проектно-вишукувальних організаціях (інституті УкрНДІПЦивільсільбуд та його Білоцерківському філіалі, інституті УкрДіпропромсільбуд, НТП „Ефект” та ІБФ „Фундамент”), які виконували комплексні інженерно-геологічні вишукування на території Київської області. Окрім цього були використані матеріали, що накопичені в лабораторіях кафедри основ і фундаментів Київського національного університету будівництва і архітектури. Усього було зібрано більше 500 результатів комплексних випробувань ґрунтів Київської області. Глибина залягання ґрунтів, результати досліджень яких були зібрані, як правило, не перевищувала 10-15 м. Це пояснюється заляганням на більших глибинах досить щільних ґрунтів, проходження яких за допомогою палі-зонда не завжди можливе, та відсутністю необхідності, у більшості випадках, у таких дослідженнях для цілей фундаментобудування.

Ґрунти, що ввійшли до експериментального матеріалу, це переважно алювіальні глинисті та піщані відклади. Крім цього, значну частину дослідних даних складають результати досліджень лесових ґрунтів. Основною умовою при збиранні дослідних даних була наявність результатів випробувань ґрунтів палею-зондом ІВП-127 та паралельних визначень основних фізико-механічних характеристик.

Значна увага приділялася методиці отримання міцнісних характеристик ґрунтів. У якості еталонних були прийняті лабораторні випробування на одноплощинний зріз непорушених зразків ґрунту за стандартною методикою. Пояснюється це, по-перше, простотою й широким використанням даного методу визначення міцнісних характеристик ґрунтів на практиці і, як наслідок, великою кількістю існуючих результатів випробувань; по-друге, узгодженістю отриманих даних із нормативними методами розрахунку основ та фундаментів, у яких і планується використовувати результати визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом. Для лесових ґрунтів були взяті міцнісні характеристики, отримані для зразків у водонасиченому стані методом консолідованого зрізу, для інших – методом консолідованого зрізу зразків природної вологості. При цьому слід зазначити, що дані випробувань палею-зондом лесових ґрунтів отримано в умовах природної вологості.

Щоб доповнити зібрані експериментальні дані, було проведено інженерно-геологічні вишукування на дослідних майданчиках м. Білої Церкви Київської області.

Методика випробувань базувалася на паралельному визначенні фізико-механічних характеристик ґрунтів непорушеної структури в лабораторії і випробувань палею-зондом. Тому значна увага приділялася відбору зразків ґрунту.

На кожному з дослідних майданчиків проводилося буріння технічних свердловин діаметром 180 мм буровою установкою УРБ-2А-2 і проходка механічним способом шурфу, з яких через кожен метр глибини відбиралися проби ґрунту порушеної структури й монолітів 20х20х20 см непорушеної структури.

У безпосередній близькості (на відстані до 4 м) проводилося випробування ґрунтів основи палею-зондом ІВП-127. У якості пристрою для заглиблення ІВП-127 використовувалася гідросистема бурової установки УРБ-2А-2. Анкерування бурової установки проводилося двома гвинтовими палями Ж350 мм. Для випробування щільних ґрунтів проводилося лідерне буріння на 1,0 м вище глибини випробування палею-зондом. Визначення основних фізичних характеристик досліджуваних ґрунтів проводилося в геотехнічній лабораторії науково-технічного підприємства „Ефект” згідно з вимогами діючих стандартів.

З метою підготовки накопиченого матеріалу для подальшої обробки методами математичної статистики проводилася первинна обробка експериментальних даних. По-перше, усі дослідні дані були розділені на групи в залежності від різновиду ґрунту. Усього було виділено п’ять груп: піски, глини, супіски, суглинки, лесові суглинки. Такий розподіл продиктований специфікою фізико-механічних характеристик для кожної виділеної групи. По-друге, для кожної з груп був проведений візуальний аналіз, у результаті якого були виключені дані, що вочевидь виділялись із загального масиву. Таким чином, дослідний матеріал був позбавлений випадкових хибних результатів визначення фізико-механічних характеристик ґрунтів та параметрів зондування ІВП-127. Відсутність систематичних похибок, які значно складніше виявити з великого масиву даних, було забезпечено тим, що експериментальний матеріал був отриманий різними організаціями. У результаті проведеного аналізу фактичного матеріалу нам вдалося підготувати статистичну сукупність, призначену для математичної обробки. Усі дані, що входять до неї, отримано єдиними методами при стандартних умовах проведення експериментів. Таким чином, було створено умови для проведення досліджень кореляційних зв’язків між міцнісними характеристиками ґрунтів і результатами їх випробування палею-зондом.

Загальна кількість зібраних експериментальних даних складає 643 комплексні визначення фізико-механічних характеристик ґрунтів та паралельні випробування палею-зондом. Із них 60 належать до піщаних ґрунтів, 61 – до глин, 43 – до супісків, 150 – до суглинків, 329 – до лесових суглинків. 27 комплексних результатів було отримано безпосередньо автором при проведенні експериментів на дослідних майданчиках. Діапазон зміни, отриманих міцнісних характеристик ґрунтів і результатів їх випробувань палею-зондом, досить великий ( – 11ч35, с – 5,5?52 кПа, Rps – 450ч10750 ?Па, fps – 7ч138 ?Па). Таким чином, є підстави для отримання достовірних кореляційних залежностей.

Третій розділ присвячено встановленню кореляційних залежностей між показниками випробування палею-зондом та фізико-механічними характеристиками ґрунтів.

Для встановлення кореляційних зв’язків між показниками зондування палею-зондом і міцнісними характеристиками ґрунтів використовувався множинний кореляційний аналіз. У якості незалежних змінних використано наступні показники: розрахунковий опір під наконечником палі-зонда Rps (кПа), розрахунковий опір на бічній поверхні палі-зонда fps (кПа), глибина зондування Н (м). Крім того, беручи до уваги існуючий досвід встановлення подібних залежностей для стандартного зондування, у якості допоміжних незалежних змінних використано показники Rps/fps і Rps/Н. У якості залежних змінних використано показники міцнісних властивостей ґрунтів (питоме зчеплення с (кПа), кут внутрішнього тертя j (град.)), що визначені в лабораторії за стандартною методикою.

Оскільки значення питомого зчеплення для пісків с»0, то при встановленні залежностей для даного виду ґрунтів у якості залежних показників використовувався лише показник j (град.). Для побудови прогнозуючих рівнянь були використані лінійні залежності типу Y = b0 + b1X1 + b2X2 + …+ bpXp.

Відомо, що важливими характеристиками зв’язку є часткові коефіцієнти кореляції, які характеризують для двох показників ступінь їх залежності, позбавленої впливу інших показників. Тому визначення значимих залежних змінних, для кожної незалежної змінної, базувалося на аналізі вищезазначених коефіцієнтів.

Методика встановлення кореляційних залежностей між міцнісними характеристиками ґрунтів і результатами випробування палею-зондом полягала в наступному:

- для кожного різновиду ґрунту будувалася матриця парних коефіцієнтів кореляції, до якої були включені всі залежні й незалежні змінні зазначені вище;

- у кожній матриці визначалися парні коефіцієнти кореляції, що мають рівень довірчої вірогідності більше 90%;

- для кожної шуканої функції Y (кут внутрішнього тертя й питоме зчеплення) за результатами аналізу матриць парних коефіцієнтів кореляції вибиралися незалежні показники Xi, яким відповідають максимальні коефіцієнти кореляції за умови, що рівень довірчої вірогідності >90%;

- будувалися кореляційні графіки між шуканими функціями й вибраними незалежними показниками;

- використовуючи вибрані незалежні показники, для кожної шуканої функції створювалося декілька варіантів прогнозуючих рівнянь, на основі аналізу яких і визначався кінцевий варіант.

У результаті множинного кореляційного аналізу було отримано достовірні залежності для визначення міцнісних характеристик за результатами випробування палею-зондом окремо для різних видів ґрунтів:

- для глин:

= 7,3 + 0,0017Rps+ 0,0155(Rps/H) (1)

с = 21,0 + 0,0058Rps+ 0,0335(Rps/H) (2)

- для суглинків:

= 17,9 – 0,45H + 0,0019Rps (3)

с = 13,0 – 0,44H + 0,0042Rps (4)

- для супісків:

= 12,25 – 0,57H + 0,164fps+ 0,0954(Rps/fps) (5)

с = 3,4 – 0,3H + 0,116fps+ 0,0608(Rps/fps) (6)

- для пісків:

= 25,0 – 0,36Н + 0,0009Rps (7)

Крім того, було отримано залежності для визначення міцнісних характеристик лесових суглинків у водонасиченому стані за результатами їх випробування при звичайній вологості:

sat = 15,8 – 0,36H + 0,0026Rps (8)

сsat = 11,8 – 0,46H + 0,0032Rps (9)

Показники, що входять у формули (1)-(9), мають наступні розмірності: j – град., с – кПа, Rps – кПа, fps – кПа, Н – м.

У результаті аналізу показників випробування палею-зондом різних видів ґрунтів установлено можливість поділу досліджуваних ґрунтів на піщані та глинисті в залежності від показника розрахункового опору під наконечником палі-зонда. Для попередньої оцінки виду ґрунту, що підлягає випробуванню палею-зондом рекомендується використовувати наступні умови:

- при Rps > 7000 кПа – піщаний ґрунт;

- при Rps < 7000 кПа – глинистий.

Спроби встановити зв’язок показників випробування палею-зондом із фізичними характеристиками, такими як щільність пісків та показник текучості глинистих ґрунтів, не принесли позитивного результату, про що свідчать низькі коефіцієнти кореляції отриманих залежностей.

Четвертий розділ присвячено дослідженню залежностей між показниками випробування палею-зондом та міцнісними характеристиками ґрунтів на основі рішень теорії граничної рівноваги.

Залежності, побудовані на основі рівнянь лінійної кореляції, досить популярні як у механіці ґрунтів, так і в інших дисциплінах. Така популярність пояснюється простотою їх отримання й достатнім рівнем достовірності. Однак, даному методу притаманні й деякі недоліки. Зокрема, лінійна форма залежностей не завжди відображає реальну картину процесів, що відбуваються в ґрунтовій основі. Межі використання отриманих залежностей обмежуються діапазоном даних, які були використані при кореляційному аналізі. При їх використанні за межами вказаного діапазону достовірність залежностей різко знижується.

Залежності, засновані на теоретичних рішеннях, позбавлені вищеописаних недоліків. Вони мають більш складну форму залежностей, але це універсальні формули, що не залежать від діапазону вихідних даних, так як ґрунтуються на рішеннях, що відображають природу реальних процесів. Уперше спроба встановити залежності між показниками зондування палею-зондом ІВП-127 та міцнісними характеристиками ґрунтів, використовуючи теоретичні рішення, була здійснена І. Ф. Потапенком. За основу були взяті закон Кулона та умова міцності Мора. У даному розділі досліджена можливість визначення міцнісних характеристик ґрунтів за показниками випробування палею-зондом на основі рішень теорії граничної рівноваги.

Вважається, що при вдавлюванні циліндричного зонда з конічним наконечником відбувається симетричне зсування ґрунту і вдавлювання його по криволінійних поверхнях ковзання в прилягаючий до зонда масив. Тобто, задача з визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними зондування палею-зондом на основі рішень теорії граничної рівноваги зводиться до визначення другого критичного навантаження. Існує досить багато теоретичних рішень даної задачі, які відрізняються граничними умовами й формою ліній ковзання.

Серед рішень, рекомендованих до використання в умовах глибокого закладання фундаментів, слід виділити рішення Д. Хансена й А. Весіча. У нашому випадку також викликає інтерес метод, розроблений Ю. Г. Трофіменковим спеціально для зондів малого діаметра, на основі рішення диференційного рівняння граничної рівноваги для осесиметричної задачі, отриманого В. Г. Березанцевим.

У результаті порівняння розрахункового опору під наконечником палі-зонда із другим критичним навантаженням, отриманим згідно з приведеними вище теоретичними рішеннями, було визначено, що результати випробування палею-зондом найбільш узгоджуються з рішенням Д. Хансена. На основі даного теоретичного рішення була отримана залежність (10), що пов’язує міцнісні характеристики з результатами випробування палею-зондом.

Використовуючи залежність (10), окремо для кожного різновиду ґрунту, було розроблено таблиці для визначення кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення в залежності від показника розрахункового опору під наконечником палі-зонда та глибини зондування. У подальшому дані таблиці були використані при розробці практичних рекомендацій із застосування методики визначення характеристик міцності ґрунтів за результатами випробування палею-зондом.

(10)

де Rps – розрахунковий опір під наконечником палі-зонда, кПа;

k – коефіцієнт, що залежить від різновиду ґрунту (для глин - k=1,30H-0,1, супісків - k=2,45H-0,4, суглинків - k=1,73H-0,25, лесових суглинків - k=2,00H-0,35, пісків - k=5,95H-0,7);

Н – глибина зондування, м;

j - кут внутрішнього тертя, град.;

с – питоме зчеплення, кПа.

У п’ятому розділі наведено порівняння отриманої методики з іншими методами визначення міцнісних характеристик ґрунтів, результати її впровадження у практику будівництва, а також розроблено практичні рекомендації з використання методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом.

Використання методу визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом є доцільним за умов, коли неможливо чи економічно невигідно застосовувати прямі методи визначення c та j. Зокрема, при реконструкції, в умовах щільної міської забудови, при складних інженерно-геологічних умовах, а також при дослідженні ґрунтових умов на невеликих об’єктах (індивідуального, сільського будівництва тощо).

З метою перевірки результатів досліджень, а також порівняння міцнісних характеристик, отриманих за результатами випробування ґрунтів палею-зондом, зондом діаметром 36 мм та визначених за таблицями діючих норм, були використані експериментальні дані, що не входили в загальний масив при встановленні залежностей та включали, крім фізико-механічних характеристик і показників випробування ґрунтів палею-зондом, також і результати статичного зондування стандартним зондом.

У результаті порівняння міцнісних характеристик, отриманих за результатами випробування ґрунтів палею-зондом, зондом діаметром 36 мм та визначених за табл.1-2 додатку 1 СНиП 2.02.01-83, були зроблені наступні висновки:–

спосіб визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними їх фізичних показників за таблицями норм, не дозволяє визначати характеристики глинистих ґрунтів у твердому, текучопластичному й текучому стані, пухких пісків та всіх видів лесових ґрунтів. Крім того, для отримання результатів даним способом необхідно знати коефіцієнт пористості досліджуваного ґрунту, визначення якого потребує відбору зразків непорушеної структури;–

спосіб визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами статичного зондування 36-мм зондом дає значні похибки при дослідженні суглинків і глин. Це пояснюється тим, що для визначення міцнісних характеристик суглинків і глин використовується єдина залежність. Методика визначення кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення супісків та лесових ґрунтів даним способом взагалі не розроблена;–

спосіб визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробування палею-зондом має переваги перед іншими непрямими методами, так як охоплює всі основні різновиди ґрунтів, незалежно від їх стану, а також лесові суглинки. (Очевидно, така можливість існує і для лесових супісків, але недостатня кількість даних не дозволяє це виявити з достатньою достовірністю.) Причому, така універсальність не позначилася на достовірності результатів, оскільки для різних видів ґрунтів використовуються різні залежності.

Рекомендації з використання методики визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом розроблено для того, щоб уникнути помилкового трактування результатів проведених досліджень та зазначити область доцільного використання рекомендованої методики. Використання методу визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом поза межами даних рекомендацій може привести до значних похибок при проектуванні. Дані рекомендації стосуються випробувань палею-зондом кварцових і кварцово-полевошпатових піщаних ґрунтів четвертинного віку й четвертинних глинистих ґрунтів із вмістом органічних речовин менше 10%, які розповсюджені в межах Київської області. Їх дія не розповсюджується на випробування палею-зондом особливих дисперсних (набухаючих, засолених, насипних, органогенних, мерзлих) і скельових ґрунтів. Крім того, використовуючи розроблені рекомендації можна визначати міцнісні характеристики лесових суглинків у водонасиченому стані за результатами випробування палею-зондом цих ґрунтів у природному стані.

Нижче приведені таблиці для визначення міцнісних характеристик основних різновидів ґрунтів, що ввійшли до рекомендацій.

Методика визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробування палею-зондом протягом 2002 року використовувалася науково-технічним підприємством „Ефект” при інженерно-геологічних вишукуваннях на будівельних об’єктах Київської області. Найбільш ефективним було впровадження результатів досліджень при підсиленні будівлі спортзалу середньої школи в Бориспільському районі та при будівництві виробничого комплексу й шихтозапасника ВАТ „Будматеріали” в м. Білій Церкві.

У першому випадку використання розробленої методики дало змогу дослідити властивості ґрунтової основи існуючих фундаментів в умовах реконструкції та при високому рівні ґрунтових вод.

У другому – визначення міцнісних характеристик ґрунтів за даними випробування палею-зондом за умов щільної забудови дозволило вибрати раціональний тип фундаментів та значно зменшити вартість будівництва (Економічний ефект – 280375 грн.).

Рекомендації з визначення міцнісних характеристик ґрунтів за результатами випробувань палею-зондом схвалено технічною радою КП інституту „Білоцерківцивільпроект” (протокол №12 від 10 червня 2003 р.)

Таблиця 5.1

Кут внутрішнього тертя j, град. та питоме зчеплення c, кПа глин у залежності від глибини зондування H, м та опору ґрунту під наконечником палі-зонда Rps, кПа

H, м | j, град. | с, кПа | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | Rps, кПа | 467 | 555 | 646 | 738 | 829 | 920 | 1009 | 1098 | 8 | 25 | 602 | 718 | 838 | 958 | 1078 | 1196 | 1314 | 1431 | 10 | 29 | 780 | 931 | 1087 | 1243 | 1399 | 1553 | 1706 | 1858 | 12 | 33 | 1014 | 1209 | 1411 | 1614 | 1815 | 2015 | 2213 | 2409 | 14 | 39 | 1325 | 1575 | 1836 | 2097 | 2356 | 2614 | 2870 | 3123 | 16 | 46 | 1740 | 2061 | 2395 | 2731 | 3065 | 3397 | 3726 | 4052 | 18 | 53 | 2301 | 2711 | 3139 | 3570 | 3998 | 4425 | 4847 | 5267 | 20 | 63 | 3066 | 3588 | 4136 | 4688 | 5238 | 5785 | 6328 | 6868 | 22 | 74 |

Таблиця 5.2

Кут внутрішнього тертя j, град. та питоме зчеплення c, кПа суглинків у залежності від глибини зондування H, м та опору ґрунту під наконечником палі-зонда Rps, кПа

H, м | j, град. | с, кПа | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16

Rps, кПа | 422 | 571 | 711 | 844 | 970 | 1091 | 1208 | 1322 | 12 | 10 | 559 | 750 | 931 | 1102 | 1265 | 1421 | 1572 | 1719 | 14 | 12 | 743 | 986 | 1218 | 1437 | 1647 | 1849 | 2043 | 2232 | 16 | 14 | 991 | 1299 | 1595 | 1877 | 2146 | 2404 | 2655 | 2897 | 18 | 18 | 1331 | 1720 | 2096 | 2456 | 2800 | 3131 | 3452 | 3764 | 20 | 22 | 1802 | 2288 | 2767 | 3225 | 3665 | 4089 | 4500 | 4899 | 22 | 27 | 2462 | 3068 | 3673 | 4257 | 4819 | 5362 | 5888 | 6400 | 24 | 33

3402 | 4151 | 4916 | 5658 | 6376 | - | - | - | 26 | 41 |

Таблиця 5.3

Кут внутрішнього тертя j, град. та питоме зчеплення c, кПа супісків у залежності від глибини зондування H, м та опору ґрунту під наконечником палі-зонда Rps, кПа

H, м | j, град. | с, кПа | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | Rps, кПа | 925 | 1235 | 1505 | 1748 | 1970 | 2177 | 2372 | 2557 | 18 | 9 | 1191 | 1590 | 1938 | 2250 | 2537 | 2803 | 3054 | 3292 | 20 | 10 | 1539 | 2051 | 2499 | 2901 | 3270 | 3613 | 3936 | 4242 | 22 | 12 | 1998 | 2655 | 3231 | 3748 | 4223 | 4664 | 5080 | 5475 | 24 | 13 | 2607 | 3450 | 4191 | 4858 | 5469 | 6039 | 6576 | 7085 | 26 | 15 | 3425 | 4507 | 5462 | 6323 | 7113 | - | - | - | 28 | 18 | 4537 | 5925 | 7160 | - | - | - | - | - | 30 | 21 |

Таблиця 5.4

Кут внутрішнього тертя j, град. пісків у залежності від глибини зондування H, м та опору ґрунту під наконечником палі-зонда Rps, кПа

H, м | j, град. | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16

Rps, кПа | - | - | 5012 | 5557 | 6002 | 6383 | 6718 | 7018 | 26 | - | 5559 | 6495 | 7202 | 7779 | 8273 | 8706 | 9095 | 28 | 5307 | 7234 | 8452 | 9372 | 10124 | 10766 | 11330 | 11837 | 30 | 6942 | 9464 | 11057 | 12261 | 13244 | 14085 | 14823 | 15486 | 32 | 9139 | 12460 | 14559 | 16144 | 17439 | 18545 | 19518 | 20390 | 34 | 12125 | 16532 | 19317 | 21420 | 23138 | 24606 | 25897 | 27054 | 36 | 16235 | 22135 | 25864 | 28680 | - | -- | -38 |

Таблиця 5.5

Кут внутрішнього тертя jsat, град. та питоме зчеплення csat, кПа лесових суглинків у залежності від глибини зондування H, м та опору ґрунту під наконечником палі-зонда Rps, кПа

H, м | jsat, град. | сsat, кПа | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | Rps, кПа | 441 | 582 | 710 | 828 | 937 | 1040 | 1138 | 1232 | 13 | 8 | 600 | 783 | 950 | 1105 | 1249 | 1385 | 1514 | 1638 | 15 | 10 | 770 | 994 | 1201 | 1393 | 1572 | 1741 | 1901 | 2055 | 17 | 12 | 951 | 1215 | 1461 | 1689 | 1903 | 2105 | 2298 | 2482 | 18 | 14 | 1141 | 1443 |