Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

EVALUATION OF DEFORMATION MODULUS IN SANDY SOILS

Sysolyatin S.G. 1 Khrulev A.S. 1
1 Perm State National Research University
Модуль общей деформации является одной из основных характеристик грунтов. Определение жесткости грунта или модулей деформации необходимо для решения одной из основных теоретических задач фундаментостроения, которой является прогноз осадки фундаментов, устойчивости сооружений на подрабатываемых территориях и др. Широко распространенный метод компрессионного сжатия дает заниженные значения модуля деформации. Модуль деформации грунта, найденный с использованием компрессионных кривых, отличается от действительного, т.к. при отборе образцов грунта всё же происходит какое-то нарушение его природной структуры, поэтому в практике широко используются полевые методы определения модуля деформации. Однако, они трудоемки и дорогостоящи. В том случае, когда на объекте необходимо провести большой объем штамповых испытаний или когда необходима информация в труднодоступных районах, необходимо разработать методику сокращения объема полевых работ, обеспечивающую получение надежной и достоверной информации. Объект исследований: территория дожимной компрессорной станции нефтяного месторождения. Идея, положенная в основу данной работы заключается в том, что первоначально изучается геологическое строение участка исследований, после чего проводится районирование и выделяются таксоны (ключевые участки). Для каждого таксона проводят определение модуля деформации компрессионным и штамповым методом. Затем рассчитывается корректировочный коэффициент для каждого таксона. По данным компрессионного сжатия прогнозируют модуль деформации для территорий со сходными инженерно-геологическими условиями. Это позволяет прогнозировать модуль деформации для соответствующих ИГЭ без проведения полевых работ и позволяет уменьшить количество полевых испытаний в несколько раз, что в свою очередь существенно сокращает сроки проведения работ и снижает стоимость изысканий.
Module of structural strains is one of the main characteristics of the soil. Determination of soil stiffness or modulus of deformation is necessary to address one of the fundamental theoretical problems of foundation engineering, which is calculating of foundation settlement stability of structures on developed territories, etc. The widespread compression method gives decreased ration of the modulus of deformation. Modulus of deformation of the soil determined with the use of compression curve is different from the actual one because when sampling the soil there is certain violation of its natural structure, so on practice field methods for determining the deformation modulus are widely used. However, they are time-consuming and costly. In the case when it’s required to hold a large amount of die tests or when information is needed in remote areas, there is need to develop a method of reducing the amount of field works, but providing reliable and accurate information. The object of research: the territory of a boosting compressor station of the oilfield. The idea forming the basis of this work lies in the fact that the geological structure of the site investigations is studied first, followed by zoning and stand taxa (key areas). For each taxon, determination of the deformation module by the compression and stamping methods is carried out. Then, the correction coefficient for each taxon is calculated. Using the compression data compression modulus of deformation is calculated for areas with similar geotechnical conditions. This allows to predict the deformation modulus for the corresponding IGE without conducting fieldwork and can reduce the number of the field tests several times, which in turn significantly reduces the time of work and reduces the cost of research.
soil
deformation modulus
geotechnical element
stamp
sand

Актуальность. Модуль общей деформации является одной из основных характеристик грунтов. Он используется в расчетах осадок фундаментов, устойчивости сооружений на подрабатываемых территориях и др. Широко распространенный метод компрессионного сжатия дает заниженные значения модуля деформации, поэтому в практике широко используются полевые методы определения модуля деформации. Однако, они являются трудоемкими и дорогостоящими. В том случае, когда на объекте необходимо провести большой объем штамповых испытаний или когда необходима информация в труднодоступных районах, необходимо разработать методику сокращения объема полевых работ, обеспечивающую получение надежной и достоверной информации.

Объект исследований: территория дожимной компрессорной станции нефтяного месторождения.

Идея, положенная в основу данной работы заключается в том, что первоначально изучается  геологическое строение участка исследований, после чего проводится районирование, выделяются таксоны (ключевые участки). Для каждого таксона  проводят определение модуля деформации компрессионным и штамповым методом. Затем рассчитывается корректировочный коэффициент для каждого таксона, и по данным компрессионного сжатия прогнозируется модуль деформации для территорий со сходными инженерно-геологическими условиями.

Оценка инженерно-геологических условий. В геологическом строении площадки проектируемого строительства принимают участие четвертичные аллювиальные отложения, перекрытые с поверхности техногенными грунтами. Коренные породы выработками до глубины 15,0 м не вскрыты.

Геолого-литологический разрез представлен (сверху вниз): насыпной грунт (ИГЭ 1) представлен песком мелким коричневым, средней плотности, малой степени водонасыщения, с включениями гравия и гальки до 3-12%, реже дресвы доломита до 5%, участками с частыми прослоями суглинка полутвердого. Грунт слежавшийся, отсыпан сухим способом, давность отсыпки - менее 5 лет. Слой встречается на площадке с поверхности повсеместно. Мощность 1,4-1,7 м. В период изысканий грунт до глубины 0,4 м сезонномерзлый. Показатели физико-механические свойств ИГЭ 1 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатели физико-механических свойств насыпного грунта: песка мелкого малой степени водонасыщения (tQ) ИГЭ 1

Характеристика грунта

Кол-во определений

Интервал
значений

Норма­тивное значение

Средне­квадратичное отклонение

Коэффициент вариации

Расчетные
значения

0,85

0,95

Природная влажность, д.ед.

10

0,090-0,139

0,113

0,016

0,142

 

 

Плотность, г/см3

10

1,68-1,76

1,71

0,025

0,015

1,70

1,70

Плотность частиц грунта, г/см3

10

2,65-2,66

2,65

0,005

0,002

 

 

Плотность сухого грунта, г/см3

10

1,51-1,60

1,54

0,025

0,016

 

 

Пористость, %

10

39,46-42,86

42,15

0,992

0,024

 

 

Коэффициент пористости

10

0,652-0,750

0,729

0,029

0,040

 

 

Коэффициент водонасыщения, д.ед.

10

0,330-0,499

0,409

0,052

0,127

 

 

Угол естественного откоса, град

сухого

6

32-34

33

 

 

 

 

водонасыщенного

6

30-32

31

 

 

 

 

Гранулометрический
состав по фракциям
в мм, %

20-10

10

0,00-10,20

1,38

 

 

 

 

10,0-5,0

10

0,00-1,13

0,19

 

 

 

 

5,0-2,0

10

0,00-0,76

0,12

 

 

 

 

2,0-1,0

10

0,00-0,25

0,07

 

 

 

 

1,0-0,50

10

0,45-1,85

0,97

 

 

 

 

0,50-0,25

10

29,56-47,60

37,75

 

 

 

 

0,25-0,10

10

40,40-55,40

50,70

 

 

 

 

< 0,10

10

5,08-11,40

8,83

 

 

 

 

Коэффициент сжимаемости, 1/МПа

6

0,055-0,063

0,059

0,004

0,068

 

 

Компрессионный модуль деформации, МПа

6

21,9-24,9

23,0

1,499

0,065

 

 

Коэффициент внутреннего трения, д.ед.

6

0,58-0,62

0,60

0,015

0,025

0,59

0,59

Угол внутреннего трения, градус

6

30-32

31

0,816

0,026

31

30

Удельное сцепление, кПа

6

0

0

 

 

 

 

Песок мелкий (ИГЭ 2) рыжевато-коричневый, коричневый, средней плотности, малой степени водонасыщения, с единичными включениями гравия, участками с редкими прослоями (до 1 см) суглинка. Слой встречается повсеместно под насыпным грунтом на глубине 1,4-1,7 м, мощностью 3,3-5,2 м. Показатели физико-механические свойств ИГЭ 2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели физико-механических свойств песка мелкого малой степени водонасыщения (aQ) ИГЭ 2

Характеристика грунта

Кол-во определений

Интервал
значений

Норма­тивное значение

Средне­квадра­тичное от­клонение

Коэф­фици­ент ва­риации

Расчетные
значения

0,85

0,95

Природная влажность, д.ед.

16

0,046-0,067

0,057

0,006

0,105

 

 

Плотность, г/см3

16

1,62-1,78

1,68

0,046

0,027

1,67

1,66

Плотность частиц грунта, г/см3

16

2,65-2,67

2,66

0,006

0,002

 

 

Плотность сухого грунта, г/см3

16

1,53-1,70

1,59

0,044

0,028

 

 

Пористость, %

16

36,03-42,60

40,21

1,670

0,042

 

 

Коэффициент пористости

16

0,563-0,742

0,674

0,046

0,068

 

 

Коэффициент водонасыщения, д.ед.

16

0,193-0,277

0,226

0,026

0,115

 

 

Коэффициент фильтрации, м/сут.

3

1,09-2,87

2,10

 

 

 

 

Угол естественного откоса, град

сухого

6

32-34

33

 

 

 

 

водонасыщенного

6

29-32

31

 

 

 

 

Гранулометрический
состав по фракциям
в мм, %

1,0-0,50

16

0,10-1,85

1,17

 

 

 

 

0,50-0,25

16

31,10-48,35

41,88

 

 

 

 

0,25-0,10

16

40,55-62,65

48,79

 

 

 

 

0,10‑0,05

16

3,20-9,99

6,81

 

 

 

 

0,05-0,01

16

0,0-8,81

1,26

 

 

 

 

0,01-0,005

16

0,00

0,00

 

 

 

 

< 0,005

16

0,00-0,80

0,09

 

 

 

 

Коэффициент сжимаемости, 1/МПа

9

0,050-0,069

0,057

0,007

0,123

 

 

Компрессионный модуль деформации, МПа

9

19,8-24,8

23,2

2,082

0,090

 

 

Коэффициент внутреннего трения, д.ед.

7

0,56-0,64

0,63

0,030

0,048

0,62

0,61

Угол внутреннего трения, градус

7

29-33

32

1,512

0,047

32

31

Удельное сцепление, кПа

7

1

1

0,000

0,000

1

1

Песок средней крупности (ИГЭ 3) коричневый, серовато-коричневый, серый, средней плотности, участками плотный, водонасыщенный, с редкими прослоями (до 1-2 см) суглинка мягкопластичного. Слой встречается повсеместно под песком мелким на глубине 4,8-6,7 м, вскрытой мощностью 3,3-10,2 м. Показатели физико-механические свойств ИГЭ 3 приведены в таблице 3.

Таблица 3

Показатели физико-механических свойств песка средней крупности водонасыщенного (aQ) ИГЭ 3

Характеристика грунта

Кол-во определений

Интервал
значений

Норма­тивное значение

Средне­квадра­тичное от­клонение

Коэф­фици­ент ва­риации

Расчетные
значения

0,85

0,95

Природная влажность, д.ед.

17

0,158-0,196

0,173

0,008

0,046

 

 

Плотность, г/см3

17

1,96-2,10

2,01

0,043

0,021

2,00

1,99

Плотность частиц грунта, г/см3

17

2,65-2,67

2,65

0,006

0,002

 

 

Плотность сухого грунта, г/см3

17

1,66-1,79

1,71

0,037

0,022

 

 

Пористость, %

17

32,38-37,32

35,43

1,436

0,041

 

 

Коэффициент пористости

17

0,479-0,595

0,549

0,034

0,062

 

 

Коэффициент водонасыщения, д.ед.

17

0,801-1,000

0,837

0,061

0,073

 

 

Коэффициент фильтрации, м/сут.

4

0,91-2,92

2,01

 

 

 

 

Угол естественного откоса, град

сухого

6

33-36

35

 

 

 

 

водонасыщенного

6

31-33

32

 

 

 

 

Гранулометрический
состав по фракциям
в мм, %

1,0-0,50

17

0,60-1,95

1,31

 

 

 

 

0,50-0,25

17

49,00-55,75

51,86

 

 

 

 

0,25-0,10

17

34,10-44,35

40,92

 

 

 

 

0,10‑0,05

17

2,50-9,20

5,51

 

 

 

 

0,05-0,01

17

0,00-2,00

0,39

 

 

 

 

Коэффициент сжимаемости, 1/МПа

6

0,032-0,044

0,038

0,004

0,105

 

 

Компрессионный модуль деформации, МПа

6

28,1-39,1

32,7

3,980

0,122

 

 

Коэффициент внутреннего трения, д.ед.

6

0,66-0,74

0,71

0,030

0,042

0,70

9

Угол внутреннего трения, градус

6

33-36

35

1,169

0,033

35

34

Удельное сцепление, кПа

6

1-2

2

0,548

0,274

2

2

Проведено районирование территории, выделено 2 таксона. Исследование модуля деформации проводилось на территории таксона 2 (ключевой участок 2).

Методика испытания штампами. Согласно требованиям п.п. 5.8, 7.13, 8.16 СП 11-105-97, часть I для сооружений повышенного уровня ответственности (площадка насосов) проведены испытания грунтов статическими нагрузками винтовым штампом площадью 600 см2 (Рис 1.). Тип и площадь штампа определены в зависимости от испытываемого грунта согласно таблице 5.1 (ГОСТ 20276-2012). Подготовка к испытанию грунта штампом и проведение опыта выполнено в соответствии с ГОСТ 20276-2012. По данным испытаний построены графики зависимости осадки штампа от давления согласно п.п. 5.5.1 ГОСТ 20276-2012. Модуль деформации грунта Е, МПа, рассчитан соответственно п. 5.5.2 ГОСТ 20276-2012.

Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты определения деформационных характеристик грунтов на ключевом участке №2

№ штампа

Отметка поверхности земли, м

Отметка основания штампа, м

Глубина проведения испытания, м

Компрессионный модуль деформации в интервале 0,1-0,2 МПа

Модуль деформации по штамповым испытаниям

Корректировочный коэффициент, mк

Частные значения

Среднее значение

Насыпной грунт: песок мелкий малой степени водонасыщения (tQ), ИГЭ 1

1

134,37

133,37

1,0

22,1

23,8

1,1

1,1

4

134,30

133,30

1,0

22,0

24,4

1,1

Песок мелкий малой степени водонасыщения (aQ), ИГЭ 2

2

134,37

130,37

3,0

24,8

29,52

1,2

1,2

5

134,28

130,28

4,0

24,6

29,76

1,2

Песок средней крупности водонасыщенный(aQ), ИГЭ 3

3

134,41

123,59

9,0

39,1

41,63

1,1

1,3

6

134,26

120,48

9,0

28,8

42,39

1,5

Из таблицы видно, что для каждого выделенного инженерно-геологического элемента на ключевом участке №2 рассчитаны корректирующие коэффициенты. Так, для ИГЭ 1 корректирующий коэффициент составляет mк = 1,1; для ИГЭ 2 он равен mк = 1,2; для ИГЭ 3 - mк = 1,3. Установлено, что с увеличением крупности песков корректирующий коэффициент возрастает: в песках мелких mк = 1,2; а в песках средней крупности mк = 1,3.

Заключение. Дана оценка инженерно-геологических условий территории исследований. Установлено, что по данным компрессионных испытаний в лабораторных условиях на участках №№ 1, 3, 4 и с использованием значения корректирующих коэффициентов, полученных на ключевом участке №2, можно прогнозировать модуль деформации для соответствующих ИГЭ без проведения полевых работ.

Это позволит уменьшить количество полевых испытаний с 18 до 6, что существенно сократит сроки проведения работ и снизит стоимость изысканий.

Рецензенты:

Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., зав. кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;

Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.