Для изучения изменяемости порового давления в грунтах природной структуры в лаборатории МИСИ были проведены компрессионные испытания сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих структурной прочностью сжатия: лёсса из района Грозного (№ 14, табл. I.10) и ила органо-минерального из Риги. С помощью компрессионных приборов в опытах исследовалось изменение порового давления в процессе консолидации.

В качестве приемника порового давления в образце грунта использовались две большие медицинские иглы, пропущенные через отверстия верхнего штампа компрессионного прибора. Чтобы уменьшить трение между штампом и иглой, последнюю смазывали тавотом. Специальное устройство обеспечивало независимость передвижения верхнего штампа относительно иглы. Медицинская игла присоединялась к капиллярной трубке с пузырьком защемленного воздуха, один из концов которой был запаян. Величину порового давления определяли по изменению объема воздушного пузырька (по закону Бойля-Мариотта).

Другая игла тонкой медной трубкой диаметром 1,5 мм была соединена с прибором (порового давления) системы Ничипоровича - Мигина. В некоторых опытах поровое давление измеряли тензометрическими датчиками.

Компрессионные испытания проводились по следующей схеме. Уплотняющую нагрузку к образцам прикладывали ступенями по 0,05 кгс/см². На каждой ступени измеряли деформацию образца и определяли поровое давление.

Проведенные на пяти образцах исследования показали, что до нарушения структуры, т. е. до тех пор, пока вертикальное давление меньше структурной прочности сжатия, поровое давление равно нулю. Максимальная величина порового давления (которое возникало после резкого нарушения структуры грунта) составляла всего 0,2-0,3 величины приложенной нагрузки, что не согласуется с теорией фильтрационной консолидации. Следует отметить, что для лёссовых грунтов, обладающих большим коэффициентом фильтрации, чем илы, величина порового давления была несколько выше.

Причины расхождения наблюдаемого порового давления с его величиной, определенной по теории фильтрационной консолидации, могут быть объяснены тем, что образцы имели небольшую высоту (2 см) и консолидация происходила уже в процессе уплотнения в очень короткие сроки. Кроме того, согласно работам Я. Л. Когана, используемые для измерения медицинские иглы являются плохими приемниками порового давления. Это объясняется тем, что игла соприкасается с очень малой поверхностью грунта и давление не всегда передается в капиллярную трубку. При этом, по наружной поверхности иглы возможна фильтрация воды из области определения порового давления, что неизбежно снижает величину измеренного прибором порового давления.

Лабораторные исследования структурной прочности сжатия грунтов позволяют сделать следующие выводы.

1. Большинство сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов характеризуется структурной прочностью сжатия.

2. Структурная прочность сжатия грунтов является определенной устойчивой величиной, не зависящей от ступени приложенной статической нагрузки.

3. Динамические нагрузки резко снижают величину структурной прочности сжатия сильносжимаемых грунтов. В ряде случаев структурная прочность сжатия полностью исчезает.

4. При уплотнении сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов давлением, по величине меньшим структурной прочности сжатая этих грунтов, поровое давление равно нулю, и вся нагрузка воспринимается скелетом грунта. При давлениях, больших структурной прочности сжатия, поровое давление принимает значения меньшие, чем по теории фильтрационной консолидации. Разница между теоретическими и наблюдаемыми значениями порового давления равна величине структурной прочности грунтов или немного больше ее.
Опыты также показали, что при статическом приложении нагрузки к грунту до тех пор, пока давление не превысит структурной прочности сжатия грунта, последний практически не деформируется, поровое давление равно нулю (или начальному природному поровому давлению), и все давление, переданное на грунт, воспринимается его скелетом (эффективное напряжение). После «нарушения» структуры грунтов, т. е. когда давление превысит величину структурной прочности сжатия, возникает определенное поровое давление. Возникшее во всех опытах поровое давление в образцах водонасыщенных глинистых грунтов с ненарушенной структурой было меньшим, чем величина приложенного к грунту внешнего нормального давления. Разница между измеренным поровым давлением и величиной приложенного внешнего давления была равна или меньше величины структурной прочности сжатия грунта.

При расчетах уплотнения сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих структурной прочностью сжатия, по теории фильтрационной консолидации принимаем, что в начальный момент времени (=0) часть внешней нагрузки сразу же воспринимается скелетом грунта (эффективные напряжения). Поровое давление в начальный момент уплотнения (=0) при воздействии нагрузки q будет равно

где - поровое давление в начальный момент консолидации в кгс/см²;
- структурная прочность сжатия данного грунта в кгс/см².

При высоких значениях величины структурной прочности сжатия и небольших внешних нагрузках эта поправка иногда составляет 30-60% принятых по теории фильтрационной консолидации значений порового давления и значительно лучше согласуется е данными натурных наблюдений.

Приведенные выше результаты исследований убедительно показывают, что структурные свойства существенно определяют прочностные и деформативные характеристики сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, в силу чего их необходимо учитывать при расчетах консолидации грунтов основания.

Однако в механике грунтов этому вопросу уделялось мало внимания. Исключение составляют работы В. А. Флорина, в которых впервые не только была рассмотрена качественная сторона этого явления, но и сделана попытка учесть структурность грунтов при расчете консолидации.

В. А. Флорин предложил метод расчета уплотнения глинистых грунтов с учетом структурной прочности, основываясь на следующих допущениях: 1) структура грунта резко (мгновенно) разрушается, когда сжимающие напряжения достигают определенной величины; 2) в момент разрушения структуры происходит мгновенное изменение коэффициентов уплотнения и фильтрации; 3) до разрушения структуры грунта он имеет определенный коэффициент уплотнения, больший нуля.

В случае приложения нагрузки, большей минимальной нагрузки, при которой происходит потеря структурной прочности, в грунте постепенно, по слоям (в зависимости от их удаления от дренажной поверхности) происходит резкое разрушение структуры. Таким образом, когда в процессе консолидации в нижних слоях эффективные напряжения превысят структурную прочность, закончится разрушение структуры во всех слоях грунтов.

Следует отметить, что предложенный учет структурной прочности грунтов очень условен. Наиболее удовлетворительные результаты получаются при применении предложенного расчета для слоя водонасыщенных лёссовидных макропористых грунтов толщиной до 6-7 м.

Компрессионные испытания сильносжимаемых грунтов многих видов (см. табл. I.11) убедительно показывают, что для большинства из них до момента нарушения структуры коэффициент сжимаемости практически равен нулю, и применять метод расчета, предложенный В. А. Флориным, для всех слабых грунтов нельзя.

Для решения задач консолидации слабоструктурных (по Н. А. Цытовичу) водонасыщенных глинистых грунтов с учетом их структурных свойств требуется разработка новой методики расчета.