В протоколе трёхосных испытаний иногда встречается сокращение «CD» рядом со значениями угла внутреннего трения и удельного сцепления. CD, это консолидированно-дренированная схема испытания, один из трёх основных вариантов трёхосного сжатия по ГОСТ 12248. Разберём, что означают буквы в названии, чем эта схема отличается от недренированной и почему для одних объектов подходит именно она.
Что означает «консолидированно» и что «дренированно»
Название схемы описывает два независимых этапа испытания. Оба слова здесь термины, а не общие фразы для солидности.
Консолидация: этап, на котором образец грунта под боковым давлением камеры стабилометра выдерживают до тех пор, пока поровая вода полностью не отожмётся и образец не уплотнится под этим давлением. Только после того, как консолидация завершена, начинают собственно нагружение.
Дренирование относится уже к этапу нагружения. Дренированным называют режим, при котором дренажные каналы прибора остаются открытыми на протяжении всего опыта, и поровая вода свободно выходит из образца по мере роста нагрузки. Поровое давление при этом не растёт, вся приложенная нагрузка передаётся на скелет грунта.
Соединив оба условия, получаем консолидированно-дренированное испытание: образец сначала уплотняют под боковым давлением, затем нагружают медленно, с открытым дренажем, так что вода успевает отжиматься синхронно с ростом нагрузки.
Чем CD-испытание отличается от недренированных схем
В той же лабораторной практике встречаются ещё две схемы: неконсолидированно-недренированная (UU) и консолидированно-недренированная (CU). Разница между ними и CD не в приборе, а именно в этих двух условиях, консолидации и дренажа.
В UU-испытании образец не дают уплотниться под боковым давлением и не открывают дренаж при нагружении. Это самый быстрый вариант, он показывает прочность грунта в его текущем, природном состоянии, без учёта того, как грунт изменится под будущей нагрузкой сооружения.
В CU-испытании образец сначала консолидируют, как и в CD, но при последующем нагружении дренаж закрывают. Вода не выходит, поровое давление растёт вместе с нагрузкой. Если параллельно измеряют это давление, в протокол попадают уже эффективные напряжения, а не только полные.
CD-схема идёт дальше: дренаж открыт весь опыт целиком, и на этапе консолидации, и всё время нагружения. Поровое давление весь опыт держится у нуля, а полученные прочностные характеристики, это и есть эффективные значения, без пересчёта.
Почему нагружение при CD идёт медленно
Вода уходит из плотного водонасыщенного грунта не мгновенно, особенно из глин с их низкой водопроницаемостью. Если наращивать нагрузку быстрее, чем вода успевает отжаться, в порах всё равно возникнет избыточное давление, и опыт фактически перестанет быть дренированным, хотя каналы формально открыты.
Поэтому скорость нагружения в CD-испытании подбирают под конкретный грунт: для песков и супесей она может быть относительно высокой, для плотных глин процесс растягивается на многие часы, иногда на несколько суток на один образец. Лаборатория контролирует это по объёму воды, вышедшей из образца, и по деформации: если оба параметра стабилизировались, ступень нагружения можно завершать.
Отсюда и главный практический момент: CD-испытание не самое быстрое из трёх схем, а самое медленное. За скорость платят временем, но взамен получают характеристики, которые не нужно потом дополнительно интерпретировать.
Что получают на выходе: угол трения и сцепление при длительной нагрузке
У серии CD-испытаний два основных результата: эффективный угол внутреннего трения и эффективное удельное сцепление грунта. Их получают, испытав несколько одинаковых образцов при разном боковом давлении и построив по точкам разрушения прямую (или огибающую) прочности по Кулону-Мору.
Слово «эффективный» здесь не для солидности. Оно означает, что оба показателя относятся именно к скелету грунта, к контактам между частицами, без искажения от порового давления воды. Для глинистых водонасыщенных грунтов это принципиально: их полные и эффективные характеристики прочности могут заметно различаться, и проектный расчёт устойчивости на длительную перспективу должен опираться именно на эффективные значения.
В протокол также попадают кривые «напряжение-деформация» для каждого образца, объём воды, отжатой на этапе консолидации, и, если испытание не сдвиговое, а с измерением объёмных деформаций, данные об изменении объёма образца при нагружении. По этим кривым отдельно оценивают, ведёт себя грунт как плотный, с ростом объёма перед разрушением, или как рыхлый, с уплотнением вплоть до разрушения.
Когда именно назначают консолидированно-дренированную схему
CD-испытания нужны там, где важно, как грунт поведёт себя не в момент строительства, а спустя месяцы и годы, когда вся вода, которая должна была отжаться под нагрузкой сооружения, уже отжалась. Это в первую очередь расчёты на долгосрочную устойчивость.
Устойчивость откосов и склонов. Для насыпей, выемок и естественных склонов, которые проектируют на десятилетия эксплуатации, важна именно долговременная прочность грунта, после того как всё поровое давление, вызванное строительством, рассеется. Здесь эффективные характеристики из CD-испытания прямо ложатся в расчётную схему.
Насыпи и дамбы медленного возведения. Если насыпь отсыпают постепенно, растянуто во времени, вода в основании успевает отжиматься параллельно с ростом нагрузки, то есть реальный процесс в грунте ближе к дренированному, чем к недренированному. Расчёт такой насыпи логично вести по данным CD, а не CU.
Длительно нагруженные фундаменты на глинистых водонасыщенных грунтах. Если сооружение стоит десятилетия, а нагрузка от него не меняется резко, поровое давление, возникшее в момент строительства, постепенно рассеивается. Через какое-то время грунт под фундаментом работает уже в дренированных условиях. Долгосрочный расчёт осадки и устойчивости такого основания опирается на эффективные характеристики.
Для быстрых процессов, наоборот, схема не подходит. Устойчивость откоса сразу после отсыпки, поведение основания в первые недели после приложения нагрузки, любые ситуации, где вода физически не успевает выйти, описывают недренированной прочностью, то есть данными UU или CU, а не CD.
Какие грунты испытывают по этой схеме
Формально CD-схему можно применить к любому грунту, но практический смысл она имеет прежде всего для глинистых водонасыщенных грунтов: суглинков и глин разной консистенции. Именно у них полные и эффективные характеристики расходятся заметнее всего, и именно у них процесс отжатия воды растянут во времени настолько, что разница между «сразу после нагрузки» и «через годы» существенна для проекта.
Для песков и крупнообломочных грунтов дренирование при обычных темпах строительства происходит практически мгновенно из-за их высокой водопроницаемости. Разница между дренированной и недренированной прочностью у таких грунтов невелика, поэтому для них CD-испытание назначают реже, обычно когда нужна максимальная точность характеристик для ответственного объекта, а не потому, что без него результат окажется принципиально другим.
Как проходит испытание в лаборатории
Из монолита, поднятого при бурении, вырезают образец ненарушенной структуры цилиндрической формы. Как и для других трёхосных испытаний, ненарушенное сложение частиц здесь обязательно: перемешанный образец не покажет реальное поведение грунта на площадке.
Образец оборачивают резиновой оболочкой, устанавливают в камеру стабилометра, подключают дренажные каналы и поднимают боковое давление до значения, соответствующего глубине залегания на объекте. Дальше следует этап консолидации: давление держат постоянным, пока не прекратится отжатие воды и деформация образца не стабилизируется.
После консолидации начинают вертикальное нагружение с открытым дренажем, малыми ступенями, с выдержкой на каждой ступени до стабилизации деформации и объёма отжатой воды. Опыт ведут до разрушения образца или до заданной предельной деформации, фиксируя весь путь нагружения.
Серию повторяют для нескольких образцов того же грунта при разном боковом давлении: как правило, три-четыре образца на одну точку опробования. Одно испытание даёт одну пару значений прочности при конкретном давлении, а угол трения и сцепление получают только по серии точек.
Как читать результат в протоколе
В протоколе CD-испытания результат обычно подписан как φ' и c', угол внутреннего трения и удельное сцепление со штрихом. Штрих здесь не опечатка, а обозначение: он показывает, что значения эффективные, полученные при дренированном режиме, а не полные, как в протоколах UU или CU без измерения порового давления.
Если рядом стоят значения без штриха, это, скорее всего, результат другой схемы испытания, приведённый для сравнения, или пересчитанные полные характеристики. Путать φ' и c' с обычным углом трения и сцеплением из недренированного опыта нельзя: подставить их не в тот расчёт значит получить неверный запас устойчивости.
Стоит также смотреть на боковые давления, при которых испытывали образцы: они должны примерно соответствовать диапазону напряжений, реально ожидаемых на площадке под проектируемым сооружением. Экстраполяция прямой Кулона-Мора далеко за пределы испытанного диапазона давлений снижает надёжность результата.
Как заказывают CD-испытания
Заказ начинается не с лаборатории, а с технического задания от проектировщика: там указывают расчётную ситуацию, для которой нужны данные, устойчивость откоса, расчёт насыпи или долговременная осадка фундамента. Именно эта ситуация определяет, нужна ли схема CD, CU или UU, а не наоборот.
При бурении с нужных глубин отбирают монолиты ненарушенной структуры в количестве, достаточном для серии из трёх-четырёх образцов на каждую расчётную точку. Меньшее число образцов удешевляет работу, но снижает точность итоговой прямой прочности, а в спорных случаях экспертиза может это отметить.
Из-за длительности CD-испытаний, особенно на глинах, время на них закладывают в общий график изысканий заранее, а не рассчитывают получить результат за те же сроки, что и для более быстрых схем. Лаборатория обычно называет ориентировочный срок сразу после того, как увидит грунт и глубину отбора образцов.
Нормативная база
Методику лабораторного определения прочностных характеристик грунтов методом трёхосного сжатия, включая консолидированно-дренированную схему, устанавливает актуальная редакция ГОСТ 12248. Состав и объём инженерно-геологических изысканий, в том числе случаи, когда требуются данные о длительной прочности грунта, определяет СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения».
Конкретное решение о том, нужна ли для объекта именно CD-схема или достаточно недренированных испытаний, принимает проектировщик исходя из расчётной ситуации и указывает это в техническом задании на изыскания. Программу испытаний под это задание составляет лаборатория.
Частые ошибки при заказе и трактовке результатов
Заказывают трёхосное сжатие без указания конкретной схемы, оставляя выбор между UU, CU и CD на усмотрение лаборатории. Без расчётной ситуации от проектировщика лаборатория не знает, какой режим нужен, а схемы дают разные, иногда сильно различающиеся числа для одного и того же грунта.
Используют характеристики из недренированного испытания там, где расчёт требует эффективных значений, и наоборот. Полная и эффективная прочность грунта: не два способа выразить одно и то же число, а два разных числа для разных расчётных ситуаций.
Экономят время и заказывают ускоренное нагружение при CD-схеме. Если скорость подобрана без учёта водопроницаемости конкретного грунта, часть испытания фактически проходит в недренированном режиме, а результат при этом маркируют как эффективные характеристики, что неверно.
Ограничиваются двумя образцами вместо трёх-четырёх в серии. По двум точкам прямую Кулона-Мора можно провести формально, но точность угла трения и сцепления при этом заметно ниже, чем при полноценной серии.
FAQ
Чем эффективные характеристики прочности отличаются от полных? Полные характеристики учитывают всё напряжение в грунте, включая давление поровой воды. Эффективные относятся только к скелету грунта, к контактам между частицами, и получают их именно из дренированных испытаний, где поровое давление в момент разрушения близко к нулю.
Сколько времени занимает консолидированно-дренированное испытание? Зависит от водопроницаемости грунта. Для песков это часы, для плотных водонасыщенных глин, вместе с этапом консолидации, счёт может идти на несколько суток на один образец.
Можно ли для расчёта устойчивости откоса взять характеристики из недренированного испытания? Для расчёта устойчивости сразу после отсыпки или нагружения, да, там нужны как раз недренированные данные. Для долгосрочной устойчивости, когда поровое давление уже рассеялось, нужны эффективные характеристики именно из CD-испытания.
Нужна ли CD-схема для песчаных грунтов? Обычно нет: пески дренируют практически мгновенно, и разница между дренированной и недренированной прочностью у них невелика. Схему для песков назначают реже, в основном для ответственных объектов, где нужна максимальная точность.
Что означают буквы φ' и c' в протоколе? Это угол внутреннего трения и удельное сцепление со штрихом, то есть эффективные характеристики, полученные при дренированном режиме нагружения. Значения без штриха относятся к другим схемам испытания и для расчётов на долгосрочную устойчивость не подходят.
Нужны эффективные прочностные характеристики грунта для расчёта устойчивости откоса, насыпи или длительно нагруженного фундамента? Специалисты Приоритет проведут консолидированно-дренированные испытания на трёхосном сжатии с полным протоколом и графиками по каждому образцу.