Инженерно-геологические элементы. Нормативные и расчётные значения физических характеристик. Расчётные значения механических характери

ЛЕКЦИЯ 1. «Инженерно-геологические элементы. Нормативные и расчётные значения физических характеристик. Расчётные значения механических характеристик»

 

1. Инженерно-геологические элементы. Расчётный грунтовый элемент.

 

Грунтовая толща, как  правило, неоднородна и состоит из инженерно-геологических элементов (слоев грунта). Как правило, в пределах каждого элемента имеет место непостоянство характеристик грунта, то есть они изменяются как случайные величины. Поэтому для того, чтобы указанные выше физические характеристики в среднем отражали свойства грунта слоя, из него должно быть отобрано достаточное для статистической обработки результатов количество проб грунта. Существуют рекомендации по выделению инженерно-геологических элементов и способы статистической обработки результатов определения характеристик.

ГОСТ 20522-96 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний» устанавливает применяемые при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве методы статистической обработки результатов испытаний грунтов, составляющих различные грунтовые объекты (основания сооружений, склоны, массивы, вмещающие подземные сооружения, грунтовые сооружения и их элементы и т. д.).

Статистическую обработку результатов  испытаний проводят для оценки неоднородности грунтов, выделения инженерно-геологических элементов (ИГЭ) и вычисления нормативных и расчетных значений характеристик грунтов. Неоднородность грунта оценивается с помощью коэффициента вариации характеристик грунта. Для сравнения неоднородности по разным характеристикам может применяться сравнительный коэффициент вариации, определяемый по приложению А.

Статистическую обработку проводят для частных значений характеристик грунтов или фиксируемых в отдельных испытаниях величин, которые составляют случайную выборку.

При наличии закономерного изменения  характеристики в каком-либо направлении (чаще всего с глубиной) статистическая обработка проводится для определения параметров аналитической зависимости, аппроксимирующей опытные точки линейной или кусочно-линейной функцией.

Статистическую обработку результатов  испытаний выполняют для ИГЭ или РГЭ.

За ИГЭ  принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения и  вида при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно), либо наблюдающаяся закономерность такова, что ею можно пренебречь. ИГЭ наделяют постоянными нормативными и расчетными значениями характеристик. Комплекс ИГЭ образует инженерно-геологическую модель объекта.

За РГЭ  принимают некоторый объем грунта не обязательно одного и того же происхождения и вида, в пределах которого нормативные и расчетные значения характеристик при проектировании грунтового объекта по условиям применяемого расчетного или экспериментального метода могут быть постоянными или закономерно изменяющимися по направлению (чаще всего по глубине). РГЭ может включать часть одного или несколько ИГЭ. Комплекс РГЭ образует расчетную геомеханическую модель объекта.

Примечание - Объем, местоположение и конфигурацию ИГЭ и РГЭ устанавливают с учетом геологических данных и сведений об объекте строительства.

При наличии закономерного изменения  характеристик грунтов в каком-либо направлении (чаще всего с глубиной) следует решить вопрос о необходимости  разделения предварительно выделенного ИГЭ на два или несколько новых ИГЭ.

Дополнительное разделение ИГЭ  не проводят, если выполняется условие

,         (1.1)

где - коэффициент вариации; - допустимое значение , принимаемое равным для физических характеристик 0,15, а для механических - 0,30.

Если коэффициенты вариации превышают указанные значения, дальнейшее разделение ИГЭ проводят так, чтобы для вновь выделенных ИГЭ выполнялось условие (1.1).

Разделение ИГЭ может  быть проведено на основе сравнения средних значений характеристик грунта во вновь выделенных ИГЭ в соответствии с приложением Б (ГОСТ 20522-96 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний»).

Выделение РГЭ проводят на основе выделенных при инженерно-геологической схематизации ИГЭ применительно к конкретному методу расчета объекта (экспериментального метода) с наделением его конкретными характеристиками, необходимыми для возможности использования этого метода. При этом РГЭ в общем случае могут не совпадать с ИГЭ по одному или нескольким показателям (по форме, размерам, местоположению, характеристикам и их значениям).

В РГЭ могут быть также  объединены два соседних ИГЭ, представленных грунтами разного происхождения, но одного вида, если выполняются требования приложения Б.

При выделении РГЭ, в  пределах которых значения характеристик принимаются закономерно (не скачкообразно) изменявшимися по направлению (например, по глубине) оценку этой изменчивости производят с использованием положений 1 и 2 приложения Д, а критерием возможности выделения РГЭ является условие (1.1), в котором коэффициент вариации вычисляется по формуле (Д.3) приложения Д. Если условие (1.1) не выполняется, то проводят разделение РГЭ так, чтобы выполнялось условие (1.1).

 

2. Вычисление нормативных и расчетных значений характеристик грунтов, представленных одной величиной

 

Для всех характеристик  грунта вычисляют нормативные, а для характеристик, используемых в расчетах, и расчетные значения. Различают нормативные и расчетные значения физических характеристик грунта.

Нормативные значения характеристик  определяют как среднестатистические, получаемые осреднением их частных  значений, или отвечающие осредненным  по частным значениям аппроксимирующим зависимостям между измеряемыми в опытах величинами (или функционально с ними связанными величинами), или зависимостям каких-то из этих величин от координат по одному из направлений.

Расчетное значение получают делением нормативного значения на коэффициент  надежности по грунту.

Нормативное значение всех физических (влажности, плотности, пластичности и т. п.) и механических характеристик грунтов (модуля деформации, предела прочности на одноосное сжатие, относительных просадочности и набухания и т. п.) принимают равным среднеарифметическому значению и вычисляют по формуле

,        (1.2)

где — число определений характеристики (объем выборки); — частные значения определяемой характеристики.

Примечание - Для физических характеристик грунтов, вычисляемых по формулам (коэффициент пористости, число пластичности и др.) в зависимости от величин, определяемых опытным путем, и для компрессионного модуля деформации (приложение В, ГОСТ 20522-96) их нормативные значения могут быть установлены исходя из нормативных значений измеренных в опытах величин.

Далее выполняется проверка на наличие каких-либо данных с грубым отклонением от общей совокупности результатов среди частных определений . Исключению из общей выборки подлежат максимальные или минимальные значения , для которых выполняется условие:

,        (1.3)

где — статистический критерий, принимаемый по таблице 1.1,  — оценка среднего квадратичного отклонения:

       (1.4)

Если грубые отклонения отсутствуют, в качестве нормативной характеристики принимается среднее арифметическое значение:

         (1.5)  

Если же грубые отклонения от общей совокупности результатов имеются, то эти значения необходимо исключить из выборки. Далее повторно следует определить среднее арифметическое и выполнить проверку на наличие грубых отклонений. Число определений характеристики (объём выборки) должен быть .

Если какое-либо значение характеристики исключено, следует для оставшихся опытных данных заново вычислить по формуле (1.2) и по формуле (1.4).

Вычисляют коэффициент вариации характеристики и показатель точности ее среднего значения по формулам:

,          (1.6)

,         (1.7)

где - коэффициент, принимаемый по таблице 1.2 в зависимости от заданной односторонней доверительной вероятности и числа степеней свободы :

         (1.8)

Вычисляют коэффициент надёжности по грунту по формуле:

         (1.9)

Примечание - Знак перед величиной принимают таким, чтобы обеспечивалась большая надежность основания или сооружения.

Для всех физических характеристик, кроме плотности грунта, СНиП 2.02.01 — 83* допускает принимать . Коэффициент надежности по грунту при вычислении расчетного значения плотности грунта устанавливается в зависимости от изменчивости этой величины, числа определений и значений доверительной вероятности. Принятое нормативное значение характеристики из-за естественной неоднородности грунта и ограниченного количества определений всегда на какую-то неопределенную величину отклоняется от истинного искомого значения (математического ожидания). Следовательно, нормативное значение содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить ее влияние на проект сооружения, в расчетах используются не нормативные, а так называемые расчетные характеристики свойств грунтов. Вычисляют расчетное значение характеристики грунта по формуле:

         (1.10)

Примечание - В формулах (1.7-1.10) вместо , а также в качестве индекса для могут быть указаны значения доверительной вероятности.

Если коэффициент вариации характеристики (1.6) превышает 0,4, ее нормативное и расчетное значение может быть вычислено с использованием логарифмически нормального закона распределения (Приложение Г, ГОСТ 20522-96):

1. Для всех значений опытных данных находят по таблицам их десятичный логарифм . Если среди значений, преобразуемых логарифмированием, имеются значения между 0 и 1, то все данные рекомендуется умножить на 10 в соответствующей степени, чтобы все значения были больше 1 и не получалось отрицательных чисел. При этом полученное нормативное и расчетное значение характеристики (пункт 5) следует поделить на 10 в соответствующей степени.

2. Параметры и вычисляют по формулам:

,         (1.11)

.       (1.12)

3. Логарифм нормативного значения характеристики вычисляют по формуле

.        (1.13)

4. Вычисляют полудлину доверительного интервала D по формуле

,       (1.14)

где - значение, принимаемое по таблице 1.3 в зависимости от односторонней доверительной вероятности .

5. Логарифм расчетного значения характеристики вычисляют по формуле

.        (1.15)

Значения  и находят в результате операции антилогарифмирования.

Вышеизложенные правила определения нормативных характеристик физических свойств остаются справедливыми и для нахождения нормативных значений модулей деформации нескальных грунтов и предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов, расчётные значения которых определяются по формуле (1.10). В соответствии со СНиП 2.02.01 — 83* коэффициент надежности по грунту при вычислении расчетных значений прочностных характеристик (угла внутреннего трения , удельного сцепления нескальных грунтов и предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов ), как и плотность грунта устанавливается в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности. Для прочих характеристик грунта допускается принимать .

Действующий СНиП допускает принимать расчётное значение модуля деформации нескального грунта равным его нормативному значению. При этом определение модуля деформации грунта в лабораторных условиях должно проводиться не менее чем по шести образцам. В полевых условиях при испытаниях штампом можно ограничиваться тремя опытами (или даже двумя, если их результаты отличаются от среднего не более чем на 25%).

 

3. Вычисление нормативных и расчетных значений угла внутреннего трения и удельного сцепления грунтов

 

Нормативные и расчетные  значения угла внутреннего трения и удельного сцепления по результатам опытов на одноплоскостной срез вычисляют путем статистической обработки частных значений и или путем статистической обработки всех пар опытных значений сопротивления срезу и нормального напряжения как единой совокупности. Второй из указанных способов должен использоваться согласно соответствующим нормам проектирования для систем, включающих гидротехнические и (или) энергетические сооружения.

Примечания.

1. Число определений  частных значений и в первом способе и число определений пар и во втором способе должно быть не менее шести.

2. Методика  статистической обработки результатов  испытаний грунтов при трехосном сжатии приведена в приложении Е.