Трёхосные испытания сегодня стали must-have для изыскателей.
Зарубежные коллеги считают их золотым стандартом для оценки прочности, в отличие от классических срезных тестов [[4]]. Молодые эксперты, работающие с цифровыми моделями, тоже предпочитает трёхосный метод — он точнее описывает реальные условия. Споры о методиках не утихают, но факт остаётся: данные экспериментов отлично ложатся в гиперболическую модель Боткина-Коннора, хотя её корни можно проследить до работ Тимошенко.
Главный парадокс: трёхосные испытания изначально создавались для оценки прочности, а не деформации. Модули жёсткости появились в ГОСТах позже, с развитием вычислительных моделей вроде Зарецкого. Раньше строили паспорта прочности — возможно, скоро вернёмся к этому подходу, модернизировав его под современные задачи.
Стандартный способ определить деформационные характеристики — одометрические испытания (сжатие без бокового расширения). Но модели типа Hardening Soil требуют данных именно из трёхосных тестов. Загвоздка в том, что начальный модуль деформации сильно зависит от точности оборудования. Поэтому инженеры договорились использовать Е50 — модуль при 50% от предельной прочности. Эта концепция, предложенная Шанцем, отлично прижилась в расчётных программах.
Анализировались 992 изотропных КД-теста с 16 площадок, включая Минск. 375 экспериментов содержали циклы разгрузки. Изучались четвертичные, юрские и каменноугольные глины. Такой массив данных позволяет делать статистически значимые выводы о поведении разных типов грунтов. Например, использование методов корреляционного анализа показало классическую связь между воздействием и откликом. В случае песков влияние давления на жесткость значительно сильнее: коэффициент корреляции для бокового сжатия достигал 0.9, а в данном случае составляет 0.5. Зато параметр относительного давления дал неожиданно чёткую связь, что было подтверждено регрессионным анализом [[2]].
Любопытно, что физические свойства вроде пористости и пластичности не уступают по значимости. Когда начали дробить данные по геологическим слоям — аллювиальные, моренные, юрские — проявились чёткие закономерности. Например, модуль деформации при повторной нагрузке (тот самый E50) оказался полезным практическим показателем. Хотя в литературе часто фигурирует коэффициент 3, замеры для песков показывают 4. Для анализа таких данных были применены методы кластеризации, которые позволили выделить группы схожих характеристик внутри каждого геологического слоя [[8]].
Полиномиальная модель стала компромиссом. Получили детерминацию 0.7 для большинства образцов, кроме юрских глин (там 0.4 из-за огромного разброса значений). Сравнение с работами коллег подтвердило — кривые попадают в общепринятые коридоры, хоть и требуют уточнений.
Собрать информацию по глинистым грунтам оказалось непросто — данных катастрофически мало. Многие используют стандартные методы испытаний, но их результаты для оценки жесткости часто условны. На слайде видно расхождение между расчетными и фактическими значениями Е50, плюс сравнение с опубликованными исследованиями. Формула даёт приемлемую точность для предварительных расчётов, но погрешность велика из-за региональных особенностей грунтов. Это подтверждает: без реальных испытаний не обойтись. Сократить объём тестов не выйдет — метод подходит только для черновых оценок.
То же касается юрских и каменноугольных пластов. Здесь погрешность для юрских глин особенно заметна, хотя данных собрано много. По каменноугольным отложениям формулы стоит учитывать, но не применять в прямых расчётах — особенно для Москвы. Местные грунты перемежаются мергелями, а реальный модуль деформации колеблется между 20-80 МПа, тогда как прессиометрические тесты показывают около 200 МПа.
Ещё один ключевой параметр для моделирования — коэффициент М из степенной зависимости. Наблюдается разброс значений этого коэффициента для глинистых пород в зависимости от их пластичности и текучести. Для анализа этой изменчивости использовались методы описательной статистики, такие как средние значения и стандартные отклонения, чтобы понять диапазон возможных вариаций [[1]].
Интересный момент — соотношение модуля деформации при разгрузке к Е50. Плаксис советует брать 3, старые инструкции — 2-5 в зависимости от пористости. Но результаты показывают разброс от 2 до 10. Причина в различии методов: советские нормативы опирались на штамповые испытания, не трёхосные. В первом случае сочетается уплотнение и сдвиг, во втором преобладает сдвиговая деформация. Этот эффект был дополнительно исследован с помощью анализа разброса данных, который помог выявить основные факторы, влияющие на результаты [[10]].
По коэффициентам Пуассона — данные близки к нормативным. При разгрузке и повторном нагружении значения около 0,17-0,2 практически не влияют на итоговые расчёты. Программные комплексы используют аналогичные цифры.
Статья создана на основе публичных источников — информацию собрали нейросети, а затем наш эксперт по данным проверил и структурировал материал. Мы открыто указываем основные источники: посты форумов, архивов, видео с VK, OK, YouTube, публично доступная информация. К сожалению, часть первоисточников не сохранилась в процессе работы.
Отдельная благодарность авторам, чьи идеи и наработки легли в основу этой публикации. Если заметите знакомые материалы без должного упоминания — дайте знать в комментариях. Обязательно проверим и добавим ссылки на оригиналы.
Конструктивный анализ
Трёхосные испытания сегодня стали must-have для изыскателей.
Зарубежные коллеги считают их золотым стандартом для оценки прочности, в отличие от классических срезных тестов [[4]]. Молодые эксперты, работающие с цифровыми моделями, тоже предпочитает трёхосный метод — он точнее описывает реальные условия. Споры о методиках не утихают, но факт остаётся: данные экспериментов отлично ложатся в гиперболическую модель Боткина-Коннора, хотя её корни можно проследить до работ Тимошенко.
Главный парадокс: трёхосные испытания изначально создавались для оценки прочности, а не деформации. Модули жёсткости появились в ГОСТах позже, с развитием вычислительных моделей вроде Зарецкого. Раньше строили паспорта прочности — возможно, скоро вернёмся к этому подходу, модернизировав его под современные задачи.
Стандартный способ определить деформационные характеристики — одометрические испытания (сжатие без бокового расширения). Но модели типа Hardening Soil требуют данных именно из трёхосных тестов. Загвоздка в том, что начальный модуль деформации сильно зависит от точности оборудования. Поэтому инженеры договорились использовать Е50 — модуль при 50% от предельной прочности. Эта концепция, предложенная Шанцем, отлично прижилась в расчётных программах.
Анализировались 992 изотропных КД-теста с 16 площадок, включая Минск. 375 экспериментов содержали циклы разгрузки. Изучались четвертичные, юрские и каменноугольные глины. Такой массив данных позволяет делать статистически значимые выводы о поведении разных типов грунтов. Например, использование методов корреляционного анализа показало классическую связь между воздействием и откликом. В случае песков влияние давления на жесткость значительно сильнее: коэффициент корреляции для бокового сжатия достигал 0.9, а в данном случае составляет 0.5. Зато параметр относительного давления дал неожиданно чёткую связь, что было подтверждено регрессионным анализом [[2]].
Любопытно, что физические свойства вроде пористости и пластичности не уступают по значимости. Когда начали дробить данные по геологическим слоям — аллювиальные, моренные, юрские — проявились чёткие закономерности. Например, модуль деформации при повторной нагрузке (тот самый E50) оказался полезным практическим показателем. Хотя в литературе часто фигурирует коэффициент 3, замеры для песков показывают 4. Для анализа таких данных были применены методы кластеризации, которые позволили выделить группы схожих характеристик внутри каждого геологического слоя [[8]].
Полиномиальная модель стала компромиссом. Получили детерминацию 0.7 для большинства образцов, кроме юрских глин (там 0.4 из-за огромного разброса значений). Сравнение с работами коллег подтвердило — кривые попадают в общепринятые коридоры, хоть и требуют уточнений.
Собрать информацию по глинистым грунтам оказалось непросто — данных катастрофически мало. Многие используют стандартные методы испытаний, но их результаты для оценки жесткости часто условны. На слайде видно расхождение между расчетными и фактическими значениями Е50, плюс сравнение с опубликованными исследованиями. Формула даёт приемлемую точность для предварительных расчётов, но погрешность велика из-за региональных особенностей грунтов. Это подтверждает: без реальных испытаний не обойтись. Сократить объём тестов не выйдет — метод подходит только для черновых оценок.
То же касается юрских и каменноугольных пластов. Здесь погрешность для юрских глин особенно заметна, хотя данных собрано много. По каменноугольным отложениям формулы стоит учитывать, но не применять в прямых расчётах — особенно для Москвы. Местные грунты перемежаются мергелями, а реальный модуль деформации колеблется между 20-80 МПа, тогда как прессиометрические тесты показывают около 200 МПа.
Ещё один ключевой параметр для моделирования — коэффициент М из степенной зависимости. Наблюдается разброс значений этого коэффициента для глинистых пород в зависимости от их пластичности и текучести. Для анализа этой изменчивости использовались методы описательной статистики, такие как средние значения и стандартные отклонения, чтобы понять диапазон возможных вариаций [[1]].
Интересный момент — соотношение модуля деформации при разгрузке к Е50. Плаксис советует брать 3, старые инструкции — 2-5 в зависимости от пористости. Но результаты показывают разброс от 2 до 10. Причина в различии методов: советские нормативы опирались на штамповые испытания, не трёхосные. В первом случае сочетается уплотнение и сдвиг, во втором преобладает сдвиговая деформация. Этот эффект был дополнительно исследован с помощью анализа разброса данных, который помог выявить основные факторы, влияющие на результаты [[10]].
По коэффициентам Пуассона — данные близки к нормативным. При разгрузке и повторном нагружении значения около 0,17-0,2 практически не влияют на итоговые расчёты. Программные комплексы используют аналогичные цифры.
Статья создана на основе публичных источников — информацию собрали нейросети, а затем наш эксперт по данным проверил и структурировал материал. Мы открыто указываем основные источники: посты форумов, архивов, видео с VK, OK, YouTube, публично доступная информация. К сожалению, часть первоисточников не сохранилась в процессе работы.
Отдельная благодарность авторам, чьи идеи и наработки легли в основу этой публикации. Если заметите знакомые материалы без должного упоминания — дайте знать в комментариях. Обязательно проверим и добавим ссылки на оригиналы.
1 Анализ исходных данных при геотехническом расчете https://geoinfo.ru/product/fedorenko-e-v/analiz-iskhodnyh-dannyh-pri-geotekhnicheskom-raschete-gruntovyh-sooruzhenij-37939.shtml
2 Испытания трехосного сжатия крупнообломочных грунтов: https://geoinfo.ru/product/ooo-npp-geotek/ispytaniya-trekhosnogo-szhatiya-krupnooblomochnyh-gruntov-43896.shtml
3 http://www.buroviki.ru/shtampovye_ispytanija.html Штамповые испытания
4 Трехосные испытания: https://geobus.ru/topic/1738-trehosnye-ispytaniya/
5 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ МЕТОДОМ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ https://riorpub.com/ru/nauka/article/47582/view
7 Испытание грунтов в приборах трехосного сжатия (в стабилометрах)
https://geosmart.pro/ispytanie-gruntov-v-priborah-trehosnogo-szhatiya-v-stabilometrah/
10 Испытания грунтов прибором трехосного сжатия (стабилометром)
https://forum.dwg.ru/showthread.php?t=103246
11 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
https://cyberleninka.ru/article/n/metody-analiza-dannyh-v-geoinformatsionnyh-sistemah
12 STATISTICS AND DATA ANIATTSISIN GEOLOG https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-statisticheskiy-analiz-dannyh-v-geologii-tom-2-dzhsdevis-1990.pdf
13 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ГГИС «МАЙКРОМАЙН» https://dzen.ru/a/YFN4vjcpyhEOpJpu
14 Статистические методы в геологии. Лекция 1 - ppt Онлайн https://ppt-online.org/525681
15 КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ПРАКТИЧЕСКОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В КАРСТОВЕДЕНИИ https://science-education.ru/ru/article/view?id=8123
16 Методы статистической обработки результатов испытаний грунтов https://elib.gsu.by/bitstream/123456789/7108/1/Статистика.pdf
17 Методы статистической обработки результатов испытаний https://www.np-ciz.ru/userfiles/GOST 20522-2012 Grunt_(1).pdf
18 Трехосные испытания https://geobus.ru/topic/1738-trehosnye-ispytaniya/
19 Трехосное сжатие грунта https://gektargroup.ru/articles/geologiya/trekhosnoe-szhatie-grunta-/
20 Геотехнические исследования https://www.niiosp.ru/ru/geotekhnicheskiye-issledovaniya/
21 Линейная регрессия: влияние ковариации на модели линейной регрессии
https://fastercapital.com/ru/content/Линейная-регрессия--влияние-ковариации-на-модели-линейной-регрессии.html
22 Создание моделей линейной регрессии https://ecologymodeling.github.io/Part-4-topic-1.html