In the construction of high-risk facilities, especially dangerous facilities, the study of deformation characteristics is of particular importance. A comparative analysis of the results of determining the deformation characteristics of soils by various field and laboratory methods during the production of engineering and geological surveys within the construction site of the reservoir has been carried out. The test results are interpreted, and correction coefficients are given between the deformation characteristics obtained in the laboratory and the parameters measured during field tests of soils by static probing and stamping tests. The results of processing the hardening soil model are presented.

Keywords: soil, modulus of deformation, static sensing, stamp tests, compression tests, triaxial tests, hardening soil.

Значимость работы заключается в том, что деформационные характеристики грунтов, полученные разными методами, отличаются. Согласно СП 22.13330.2016 (п. 5.3.7) [3] значения модуля деформации глинистых грунтов оснований допускается определять при помощи компрессионных испытаний в природном состоянии с последующей их корректировкой с результатами штамповых испытаний, которые рассматриваются как эталонные и наиболее достоверные.

Цель работы — проверить применимость рекомендуемых нормативных значений по СП на изучаемой площадке и степень отклонения от расчетных коэффициентов, выведенных по результатам сопоставления различных методик, применяемых в пределах изучаемого участка работ.

Методы исследования Инженерно-геологические изыскания выполнялись силами геологического отдела проектного института «УфаГеоПроект». Полевые работы проведены c апреля по июнь 2025 года. На участке были выполнены следующие виды работ:

1. Рекогносцировочное обследование проводилось с целью визуальной оценки характера рельефа, выявления поверхностных проявлений опасных физико-геологических процессов, способных отрицательно повлиять на строительство проектируемых сооружений, определения мест бурения инженерно-геологических скважин. Рекогносцировка заключалась в маршрутном обследовании участка и прилегающих к нему территорий. Общая протяженность маршрутов составила 0,8 км.
2. Бурение 25 скважин глубиной от 4,5 м. до 44,0 м. общим объемом 400,0 п. м. Бурение осуществлялось колонковым способом всухую (диаметр бурения — 132мм), рейс проходки — 0,5 м, буровой установкой УРБ-2А2 на базе Камаз. В процессе бурения отбирались образцы нарушенного сложения и монолиты в количестве, достаточном для проведения статистической обработки выделенных инженерно-геологических элементов. Для сравнительного анализа полученных лабораторных данных параллельно были проведены полевые опытные испытания грунтов.
3. Статическое зондирование проведено оборудованием ТЕСТ-К4 производства ЗАО «Геотест» в 21-ой точке с целью расчленения инженерно-геологического разреза и назначения характеристик физико-механических свойств грунтов согласно СП 11–105–97 п.8.16 [4], часть 1 и п.5.3.3 и СП 22.13330.2016 [3].
4. Штамповые испытания грунтов проведено комплектом ШВ-60 производства ЗАО «Геотест» согласно п.7.13 и п.8.16 СП 11–105–97 ч.1 [4], 6.3.15, 6.3.17 СП 47.133330.2016 [5], с учетом п.5.3.3 СП.22.13330.2016 [3] и СП 446.1325800.2019 с Изм.1 [6] как наиболее достоверный метод определения деформационных характеристик дисперсных грунтов в скважинах или в массиве с помощью плоского штампа или винтовой лопасти-штампа площадью 600 см2. в количестве 9 испытаний.
5. Геофизические исследования в соответствии с СП 11–105–97(ч.1–6) [4], РСН 64–87 [7], ГОСТ 9.602–2016 [8], электроразведочные работы методом (ВЭЗ) -25 ф.т., определение наличия БТ — 2 изм., определение УЭС грунтов -6 ф.т., георадиолокационное профилирование -300 п.м.

Камеральную обработку и интерпретацию полевых и лабораторных данных произвел отдел камеральных работ проектного института «УфаГеоПроект» в августе 2025 года. Были изучены инженерно-геологические условия на площадке. Автор статьи принимал участие в полевых работах и обработке полевых материалов. Результаты проведенных работ рассмотрены и проанализированы в данной статье.

Характеристика инженерно-геологических условий

Исследуемая площадка расположена по следующему адресу: Республика Башкортостан, Уфимский район.

Согласно физико-географическому районированию И. П. Кадильникова, территория относится к Чермасано-Уршакскому району Левобережного Прибельского округа лесостепной зоны Русской Равнины.

Левобережный Прибельский округ характеризуется развитием обширных низменных террасовых и пологоувалистых денудационных равнин, широколиственных лесов и луговых степей (ныне распаханных), и различных лесостепных почв.

Основными крупными элементами рельефа округа являются долина р. Белой и водораздельная левобережная равнина.

Климат отличается умеренной континентальностью и средней увлажненностью. Зима характеризуется устойчивой морозной погодой, снегопадами и редкими оттепелями.

Участок изысканий находится на водораздельном пространстве р. Шемяк и притоков р. Нурлинка. Рельеф площадки относительно ровный, с небольшим уклоном на северо-восток. Отметки поверхности участка изысканий изменяются от 149 до 159 мБС.

В геологическом строении участка работ, до изученной глубины 44,0 м, по данным бурения принимают участие современные грунты в виде почвенно-растительного слоя (pdQIV) и делювиальные глинистые отложения четвертичной системы (dQII-III).

Рельеф изучаемой площадки естественный, частично спланированный. Площадка характеризуется наличием большого количества действующих подземных и наземных коммуникаций.

Для эксперимента были взяты геологические выработки № 1–9 (центральная, по центральной окружности и периметральные) под проектируемый резервуар РВСП-50000. (Рис.1)

Рис. 1. Схема геологических выработок (составлено автором)

Исходя из геолого-литологического строения и физико-механических свойств (ФМС) грунтов, на участке до глубины 44,0 м, выделено три инженерно-геологических элемента (ИГЭ):

– ИГЭ-1 — Глина тугопластичная (dQII-III);

– ИГЭ-2 — Глина мягкопластичная (dQII-III);

– ИГЭ-3 — Глина полутвердая (dQII-III).

Рис. 2. Инженерно-геологический разрез (составлено автором)

Всего на изучаемом участке построено восемнадцать инженерно-геологических разрезов, один из разрезов под проектируемый резервуар приведен на рис. 2.

На момент изысканий (апрель-июнь 2025 года) подземные воды вскрыты всеми скважинами на глубине 1,4–5,9 м. Водовмещающими грунтами являются глина тугопластичная, с линзами и прослоями песка мелкого водонасыщенного до 0,2 м (ИГЭ-1), глина мягкопластичная, с прослоями песка мелкого водонасыщенного до 0,05 м (ИГЭ-2). Водоупорными грунтами являются глины от твердой до полутвердой консистенции (ИГЭ-3), залегающие ниже по разрезу, вскрытые до изученной глубины 44,0 м. Мощность обводненной толщи колеблется от 3,5 до 43,5 м.

По условиям залегания подземные воды относятся к грунтовым водам. Подземные воды являются слабонапорными, безнапорными. Питание подземных вод смешанного типа: подземное, атмосферно-паводковое, техногенное (за счет утечек техногенных вод из водонесущих подземных коммуникаций). Разгрузка происходит в местную эрозионную сеть, в долину р.Нурлинка, с которым имеется гидравлическая связь.

Деформационные характеристики грунтов определялись разными методами, лабораторными и полевыми: статическим зондированием, штамповыми испытаниями.

Статическое зондирование выполнено в 10 точках установкой УРБ-2А2 на базе буровой КамАЗ оснащенной комплектом регистрирующей аппаратуры ТЕСТ-К4. Статическое зондирование грунтов проводится согласно СП 11–105–97 Часть I, п. 7,13 [4] установкой «Тест –К4» с инклинометром для уточнения литологических границ, выделения инженерно-геологических границ грунтов, оценки пространственной изменчивости состава и свойств грунтов, оценки возможности забивки свай и определения глубины их погружения. Статическое зондирование проводится путем вдавливания в грунт зонда с одновременным измерением значений сопротивления грунта. Скорость погружения зонда в грунт варьировалась от 0,9 до 1,2м/мин. Результаты статического зондирования обработаны в программе «Geoexplorer v.3.0.14.511 согласно ГОСТ 19912–2012 с изм. 1 [9] и СП 11–105–97, ч. I [4]. Пример обработки паспорта грунта в скв. 1 (опыт 18) под проектируемый резервуар приведен на рис. 3

Рис. 3. Паспорт обработки статического зондирования (составлено автором)

Штамповые испытания выполнены в 9-ти точках установкой УРБ-2А2 на базе буровой КамАЗ оснащенной комплектом штамповых испытаний ШВ-60, согласно п.7.13 и п.8.16 СП 11–105–97 ч.1 [4]., 6.3.15, 6.3.17 СП 47.133330.2016 [5]., с учетом п.5.3.3 СП.22.13330.2016 [3]. и п.5.3.5, п.5.3.6 СП 22.13330.2016 [3]. как наиболее достоверный метод определения деформационных характеристик дисперсных грунтов в скважинах или в массиве с помощью плоского штампа или винтовой лопасти-штампа площадью 600 см2. Результаты штамповых испытаний обработаны в программе «Shwpw» v.1.0.0.124. Пример обработки паспорта грунта в скв. 1 (проектируемый резервуар) приведен на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Паспорт штампового опыта (составлено автором)

Рис. 5. Паспорт штампового опыта (составлено автором)

Лабораторные исследования проведены в собственной аккредитованной лабораторией проектного института «УфаГеоПроект».

Для определения физических характеристик глинистых грунтов использовались: конус Васильева, весы лабораторные. Предварительное уплотнение грунтов было произведено на приборе для уплотнения грунтов перед сдвигом УГПС. Физические характеристики глинистых грунтов определены в лабораторных условиях по ГОСТ 5180–2015 [10]. Влажность природная и плотность грунта природная определены по ГОСТ 5180–2015 [10].

Компрессионные и сдвиговые испытания проводились на приборах: «Прибор компрессионный КПр-1М», «Устройство осевого нагружения ГТ2.0.7 (АСИС)» согласно п. п.5.3, 5.4 ГОСТ 12248.4–2020 [11], ГОСТ 12248.1–2020 [12].

Деформационные характеристики глинистых грунтов определены методом компрессионного сжатия в системе измерительной модернизированной «АСИС» и компрессионных приборах КПр-1М согласно п. п.5.3, 5.4 ГОСТ 12248.4–2020 [11] и методом трехосного сжатия в системе измерительной «АСИС» согласно ГОСТ 12248.3–2020 [13]. Согласно п.5.3.6 СП 22.13330.2016 с Изм.4 [3] модуль деформации рассчитан в интервале давлений 0,10–0,20 Мпа.

Прочностные характеристики глинистых грунтов при природной влажности определены путем срезных испытаний в приборах «Устройство осевого нагружения ГТ2.0.7 (АСИС)» согласно п. 5.1.4 ГОСТ 12248.1–2020 [12]. Вертикальные нагрузки при испытании грунтов в компрессионных приборах назначены с учетом давления, передаваемого на основание сооружением, и глубины отбора образцов грунта для лабораторных испытаний.

Определение коэффициента фильтрации грунтов в лаборатории произведено на приборе ПКФ-01, согласно ГОСТ 25584–2023 [14].

Степень пучинистости грунта по значению относительной деформации морозного пучения Ɛfn определена по ГОСТ 28622–2012 с изм.1 [15] в системе измерительной модернизированной «АСИС».

Химический состав и коррозионная агрессивность грунтовых вод определялась методом титрования. Определение химического анализа воды выполнено в соответствии ПНД Ф14.1:2.114–97 [16] — определение сухого остатка, ПНД Ф14.2.99–97 [17] — определение карбонатов и гидрокарбонатов, ПНД Ф14.1:2.96–97 [18] — определение хлоридов, ПНД Ф14.1:2.240–07 [19] — определение сульфатов, ПНД Ф14.1.2.98–97 [20] — определение жесткости, ПНД Ф14.1:2:3.121–97 [21] — определение рН.

В таблицах ниже (составлены автором) приведены лабораторные, нормативные и расчетные значения показателей механических свойств грунта.

ИГЭ — 1 — Глина тугопластичная

Корректирующий коэффициент m _oed , получен по результатам сопоставления значений модуля деформации полученных по результатам компрессионных испытаний в природном состоянии с результатами значений модуля деформации полученных по результатам штамповых испытаний в природном состоянии (согласно СП 22.13330.2016. п.5.3.7 [3]) составил m _oed =1,57.

Таблица 1

Нормативные и расчетные значения показателей механических свойств грунта (составлено автором)

ИГЭ — 2 — Глина мягкопластичная

Корректирующий коэффициент m _oed , получен по результатам сопоставления значений модуля деформации полученных по результатам компрессионных испытаний в природном состоянии с результатами значений модуля деформации полученных по результатам штамповых испытаний в природном состоянии (согласно СП 22.13330.2016. п.5.3.7 [3]) составил m _oed =1,27.

Таблица 2

Нормативные и расчетные значения показателей механических свойств грунта (составлено автором)

ИГЭ — 3 — Глина полутвердая

Корректирующий коэффициент m _oed , получен по результатам сопоставления значений модуля деформации полученных по результатам компрессионных испытаний в природном состоянии с результатами значений модуля деформации полученных по результатам трехосных испытаний в природном состоянии (согласно СП 22.13330.2016. п.5.3.7 [3]) составил m _oed =2,40.

Таблица 3

Нормативные и расчетные значения показателей механических свойств грунта (составлено автором)

Сравнительные значения механических характеристик, выделенных ИГЭ, по лабораторным исследованиям, полевым испытаниям и СП 22.13330.2016 с изм.4 [3] приведены в таблице 4.

Таблица 4

Сравнительные значения модуля деформации, выделенных ИГЭ по лабораторным исследованиям, полевым испытаниям и СП 22.13330.2016 с изм.4 [3] (составлено автором)

1. Повышающие коэффициенты, приведенные в нормативной литературе (СП 22.13330.2016, табл. 5.1) [3], являются обобщёнными для разных видов грунтов, не учитывающими состояние грунта, его генезис, уровень подземных вод в грунтовой толще. Данные коэффициенты не отражают реальные деформационные характеристики грунта, поэтому применимы только для зданий и сооружений нормального и пониженного уровней ответственности.
2. Повышающие коэффициенты правомерно использовать при отсутствии достаточных данных по слоям либо корректировке данных, полученных только по лабораторным данным. Справедливо считать, что актуальность поднятой проблемы состоит в том, что данные, повышающие коэффициенты, должны иметь территориальную принадлежность, учитывать генетические, геолого-геоморфологические, физические особенности грунтов. Таблица 5.1 СП 22.13330.2016 [3] нуждается в дальнейшей доработке и расширении.
3. Штамповые испытания, которые рассматриваются как эталонные и наиболее достоверные имеет ограниченное использование из-за технических возможностей оборудования (до 10,0 м).

Было принято решение использовать метод анализа грунтов-Hardening Soil. Модель Hardening Soil (HS) используется в инженерных расчетах оснований сооружений, запланированных к строительству на дисперсных грунтах нелинейного поведения (модель с двойным упрочнением). Вычисления по данному методу отличаются от других моделей расчетов более точным соответствием результатов математического моделирования и опытных данных. Метод широко используется для анализа грунтов основания.

В геологический отдел поступило ТЗ на дополнительные исследования грунтов. При выполнении 2 этапа ИГИ было пробурено дополнительно 4 скважины общим объемом 90,0 метров. С обязательным отбором не менее 18 образцов ненарушенной структуры на ИГЭ.

Исполнителем лабораторных работ выступил ООО «Центр геокриологии МГУ»

Состав испытаний (определяемые показатели) и нормативные документы на метод определения:

Модель для глинистого грунта Hardeninig Soil (HS)

– Определение угла дилатансии (ψ) — не менее 6-ти определений на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение OCR-коэффициента переуплотнения методом компрессионного сжатия по ГОСТ Р 58326–2018 [13], доведение давления в камере компрессионного сжатия до значения не менее 8 МПа — не менее 6-ти определений на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение коэффициента бокового давления (K0) в состоянии покоя методом трехосного сжатия по ГОСТ 12248.3–2020 [13] — не менее 6-ти определений на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение касательного модуля жесткости (E _oed ) при первичном нагружении в компрессиометре по ГОСТ 12248.4–2020 [13] — не менее 6-ти определений на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение модуля жесткости при 50 % прочности (E50) при стандартном дренированном испытании грунта в приборе трехосного сжатия по ГОСТ 12248.3–2020 [13] — не менее 6-ти определений на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение модуля жесткости при разгрузке и повторном нагружении (Eur) и коэффициента Пуассона (νur) при стандартном дренированном испытании грунта в приборе трехосного сжатия по ГОСТ 12248.3–2020 [13] не менее 6-ти определений по каждому показателю на каждый ИГЭ, с интерпретацией результатов.

– Определение полного комплекса физических свойств не менее 10 на ИГЭ.

Недренированная прочность грунта

– Определение недренированной прочности грунта (cu) по результатам НН-испытаний по ГОСТ 12248.3–2020 [13] или «быстрый» сдвиг.

Обработка материалов

По результатам испытаний провелась обработка материалов испытаний и выпущен Отчет об испытании, включающий: паспорта испытаний, сводные таблицы физико-механических свойств; классификация грунтов по ГОСТ 25100–2020 [22]. Материалы по фотофиксации испытаний.

Эта математическая модель подходит для моделирования многих разновидностей грунтов оснований. Она определяет нелинейную зависимость деформаций. В отличие от других материалов, жесткость породы не может определяться только модулем Юнга. Сдвиг, разгрузка, сжатие вызывают в структуре материала разные реакции и по-разному влияют на его прочность.

В методе Hardening Soil учитывают изменение жесткости грунта при разнонаправленных напряжениях, то есть воспроизводится относительное упрочнение пород при сдвиге и компрессионном сжатии.

Вычисление параметров модели позволяет инженерам уточнить геотехнические расчеты. Это снижает риск ошибок, повышает надежность объекта в процессе эксплуатации и уменьшает стоимость проектных решений для нового строительства.

Литература:

1. Геологическая карта Башкирской АССР масштаба 1:600000. Институт геологии Башкирского филиала АН СССР
2. Инженерно-геологическая карта Башкирской АССР масштаба 1:1000000. Башкирское территориальное геологическое управление, 1970 г.
3. СП 22.13330.2016 с изм.4 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01–83
4. СП 11–105–97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть I. Общие правила производства работ;
5. СП 47.13330.2016 с изм.1 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11–02–96;
6. СП 446.1325800.2019 с Изм.1 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ;
7. РСН 64–87 Инженерные изыскания для строительства. Технические требования к производству геофизических работ. Электроразведка;
8. ГОСТ 9.602–2016 Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии;
9. ГОСТ 19912–2012 с изм. 1 Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием.
10. ГОСТ 5180–2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик;
11. ГОСТ 12248.4–2020 Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия;
12. ГОСТ 12248.1–2020 Грунты. Определение характеристик прочности методом одноплоскостного среза;
13. ГОСТ 12248.3–2020 Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия.
14. ГОСТ 25584–2023 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации;
15. ГОСТ 28622–2012 с изм.1 грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости;
16. ПНД Ф14.1:2.114–97 Методика выполнения измерений массовой концентрации сухого остатка в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом;
17. ПНД Ф14.2.99–97 Методика выполнения измерений массовой концентрации гидрокарбонатов в пробах природных вод титриметрическим методом;
18. ПНД Ф14.1:2.96–97 Методика выполнения измерений массовой концентрации хлоридов в пробах природных и очищенных сточных вод аргентометрическим методом;
19. ПНД Ф14.1:2.240–07 Методика выполнения измерений массовой концентрации сульфат-ионов в природных и сточных водах гравиметрическим методом;
20. ПНД Ф14.1.2.98–97 Методика выполнения измерений жесткости в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом;
21. ПНД Ф14.1:2:3.121–97 Методика выполнения измерений рн в водах потенциометрическим методом;
22. ГОСТ 25100–2020 Грунты. Классификация;
23. ГОСТ 30672–2019 Грунты. Полевые испытания. Общие положения;
24. ГОСТ 20522–2012 с изм.1 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний;
25. ГОСТ 20276.1–2020 Грунты. Методы испытания штампом
26. СП 20.13330.2016 с изм.3 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*;
27. А.З Тер-Мартиросян, Г. О. Анжело, Л. Ю. Ермошина «Методика определения параметров модели упрочняющегося грунта Hardening Soil. Учебно-методическое пособие»
28. Тер-Мартиросян А. З., Мирный А. Ю., 2017. Преимущества применения современных численных моделей на примере объектов Москвы и Санкт-Петербурга. Материалы докладов XIII Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», с. 513–520.