ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Лабораторные исследования сил негативного трения, действующих на сваю в оттаивающем песчаном грунтепроводились в лотке размером 1.29ґ0.62ґ0.67 м (объем 0.54 м ³). Для того, чтобы оттаивание грунта в лотке происходило сверху вниз, стенки и днище лотка были теплоизолированы плитами из пенопласта, толщиной 100 мм(рис. 1).

Модель сваи, с помощью которой исследовались силы негативного трения, представляет собой стальной профиль коробчатого поперечного сечения 28ґ25 мм общей длиной с острием 985 мм. Внутрь модели сваи помещалась термогирлянда с девятью датчиками, расположенными с интервалом в 0.1 м (рис. 2).

Опыты проводились в два этапа. На первом этапе выполнялось формирование грунта со слоистой криогенной текстурой. На втором - осуществлялось оттаивание мерзлых грунтов в лотке и проводились исследования сил негативного трения.

После укладки песка и ледяных прослоев в лоток, установки приспо­соблений и приборов, производилось постепенное оттаивание грунта в лотке по направлению сверху вниз. В процессе оттаивания грунта фиксировалась его температура, проводились измерения перемещений грунтовых марок, осущест­влялось наблюдение за развитием сил негативного трения, действующих на модель сваи в процессе осадки оттаивающего грунта.

Отмечена обратно пропорциональная зависимость между величиной осадкиsгрунтовых марок и глубиной их заложения h .

В течение первых четырех дней проведения опыта (рис. 3) наблюдалась интенсивная осадка грунтовых марок, затем скорость осадки марок резко снизилась (рис. 4). Абсолютная осадка оттаиваю­щего грунтаsизменялась от 12.07 до 77.03 мм относительная осадкаd- от 0.031 до 0.078.

На рис. 5 представлен график зависимости удельных сил негативного трения от осадки грунтовой марки М 1, расположенной на отметке острия сваи. Кривая графиказависимостиf _n = f(s)состоит из трех участков. Первый участок представляет собой отрезок прямой круто взмывающей вверх, характеризующий развитие сил трения покоя. Осадка грунта, расположенного ниже острия сваи, весьма незначительна и составилаs _i= 0.2мм. Сила негативного трения, при минимальной осадке околосвайного грунта, достигла достаточно высокого уровняf _ni= 1.25кПа, что составляет 37 % от максимального значения, зарегистрированного в опыте.

Второй участок графика имеет вид пологой волнистой кривой. Участок характеризуется значительной осадкой околосвайного грунтаs _ii= 8.0мм, на фоне которой происходили лишь незначительные колебания сил негативного тренияf _nвпределах 0.2 кПа. В конце участка кривой силы негативного тренияf _nуменьшились на 0.15 кПа по сравнению сf _niи составилиf _nii= 1.1кПа.

Осадка грунтовой марки М 1 вызвана оттаиванием и последующим уплотнением (под собственным весом) песчаного грунта. Толщина слоя оттаявшего грунта ниже грунтовой марки составляла 39.0 см.

Третий участок графика зависимостиf _n = f(s)представляет собой плавную кривую линию, вторая половина которой имеет отрезок скачкообразного роста сил негативного трения, переходящего затем в продолжение плавной кривой.

В пределах третьего участка графика с боковой поверхностью сваи взаимодействовал оттаявший грунт, в определенной степени уже уплотнившийся, и за счет отжатия избыточного количества воды, менее насыщенный водой. Поэтому на этом этапе эксперимента в условиях продолжающейся осадки грунта сопротивление грунта сдвигу увеличивалось, а силы негативного тренияf _nвозросли с 1.1 кПа доf _niii= 3.37кПа. Осадка марки М 1 в конце опыта составилаs _iii= 12.0 мм.

График зависимости (рис. 6) удельных сил негативного тренияf _nот осадкиsгрунтовой марки М 8, расположенной неглубоко от поверхности грунта (на отметке 15.0 см) внешне походит на предыдущий (рис. 5), построенный для марки М 1. График зависимостиf _n = f(s)также состоитиз трех внешне подобных участков. Основное отличие заключается в том, что осадка грунта в пределах второго участка графика почти на порядок больше, чем на рис. 5. Связано это с тем, что толща песчаного грунта, осадку которой фиксировали с помощью марки М 8, имела в своем составе 6 ледяных прослоев общей толщиной 6.0 см. Грунт, залегающий под маркой М 1 не имел ни одного ледяного прослоя.

Второй участок графика связан с интенсивным оттаиванием и осадкой мерзлого песчаного грунта (мощность грунта 109.0 см), в толще которого находилось 6 ледяных прослоев общей толщиной 6.0 см. В процессе оттаивания грунтов происходило отжатие влаги, уплотнение грунта под собственным весом. На начальном этапе, после оттаивания грунта в околосвайном пространстве, происходило насыщение его водой, вследствие чего сопротивление грунта сдвигу по боковой поверхности сваи не увеличилось, а, наоборот, снизилось на 12 %.

На рис. 7 представлен совмещенный график изменения во времени Т осадкиsоколосвайного грунта (грунтовая марка М 7) и сил негативного тренияf _n.По времени график охватывает два этапа опыта. На первом этапе происходило включение в совместную работу сваи и окружающего ее мерзлого грунта. На втором этапе происходило интенсивное оттаивание сверху вниз мерзлого грунта.

График зависимостиs = f(t)состоит из трех участков. Первый участок криволинейный, характеризует постепенное увеличение скорости осадки грунта. Второй участок представляет собой прямую линию, характеризующую интенсивную осадку грунта с постоянной скоростью. Третий участок представляет собой кривую линию, свидетельствующую о постепенном затухании осадки грунта.

Третий участок является переходным от второго этапа экспериментактретьему, на котором оттаивание мерзлого грунта (с его одновременной осадкой) завершилось, и происходит постепенное доуплотнение грунта под действием собственного веса.

График зависимостиf _n = f(t)также состоит их трех участков. В начальный момент времени (участокi) происходит развитие сил трения покоя до величины 1.25 кПа. Затем мы наблюдаем волнообразное изменение сил негативного трения в пределах 0.1 кПа (участокii), в конце мы видим спад сил негативного трения на 18.5 % от максимального уровня на этом участке (f _nii,max=1.35 кПа).

На третьем участке происходит постепенный рост сил негативного трения, свидетельствующий о том, что процесс оттаивания и интенсивного уплотнения грунта завершился, вследствие чего сопротивление грунта сдвигу стало нарастать.

Совмещенный график изменения во времени Т осадкиsоколосвайного грунта (грунтовая марка М 7) и сил негативного тренияf _n,охватывающий все три этапа эксперимента приведен на рис. 8.Два первых этапа опыта уже рассмотрено (рис. 7).

Третий этап эксперимента продолжительностью около 183 суток характеризуется медленной осадкой, вызванной процессом доуплотнения оттаявшего околосвайного грунта. Суммарная осадка грунтаs(марка М 7) за достаточно продолжительный период времени изменилась незначительно (от 68.35 до 73.03 мм), всего на 6.85 %. В то время как силы негативного трения интенсивно возрастали с 1.37 до 3.37 кПа, т.е. увеличились на 146 %.

При этом плавный рост сил негативного трения в начале третьего этапа (в течение 42 суток) сменился их скачкообразным увеличением с последующим затуханием.Отмечено два коротких по времени цикла и один длинный (под циклом мы подразумеваем скачкообразное увеличение и последующее затухание роста сил негативного трения). Продолжительность короткого цикла - 10 суток, длинного - 44 сутки. В конце длинного цикла произошел небольшой спад сил негативного трения с 3.18 до 3.12 кПа. Затем силы негативного трения стали вновь увеличиваться и достигли 3.368 кПа.

Скачкообразный рост сил негативного трения и последующие затухания этого роста, а в одном случае и их некоторое уменьшение, связаны с разворотом частиц грунта в области контактного сдвига, сопровождаемым объемными деформациями грунта (дилатансией). При положительной дилатансии (увеличение объема грунта) нормальное давление грунта на боковую поверхность ствола сваи возрастает, что приводит к росту сил негативного трения. Отрицательная дилатансия (уменьшение объема грунта), наоборот, приводит к снижению обжатия ствола сваи, и, соответственно, к падению сил негативного трения.

В процессе сдвига грунта относительно ствола сваи, разворот частиц грунта происходит непрерывно. При этом расклинивание частиц грунта сменяется их более компактным расположением, снижающим нормальное давление на ствол сваи и силы негативного трения.

На рис. 9 представлены графики, иллюстрирующие взаимосвязь между силами негативного трения и осадкой грунтовых марок М 1 - М 8. Все графики обратной зависимостиs = f(f _n)состоят из трех участков. Первый участок у всех графиков сливается в одну линию, почти совпадающую с осью абсцисс. Это свидетельствует о том, что при очень малой осадке грунта, не превышающей 1.26 мм, силы негативного трения получили определенное развитие и достигли 1.239 кПа.

Протяженность второго участка графика у каждой кривойs = f(f _n)различна. Однако все они иллюстрируют одну и ту же тенденцию: при интенсивной осадке марок силы негативного трения практически не изменялись, а в конце второго участка кривой каждого графика отмечен некоторый спад сил негативного трения от величины 1.34 до 1.09 кПа (снижение на 18.7 %).

Форма и протяженность третьего участка кривой каждой графика практически идентичны. Графики отражают значительный рост сил негативного тренияf _n(df _n= 2.28 кПа или 209.8 %) при небольшом приросте осадки грунтаs(ds= 9.16 мм или 15.1 %).

Иллюстрация

Рис.1. Схема расположения в грунтовом лотке (в плане) модели

сваи, грунтовых марок и термометрических скважин

Рис.2. Схема установки для исследования сил негативного трения,

действующих на стальную модель сваи в оттаивающем

песчаном грунте

Рис.3. Изменение во времениtосадкиsгрунтовых марок

(на начальном этапе, в период оттаивания ледяных

прослоев в песчаном грунте)

Рис. 4. Изменение во времениtосадкиsгрунтовых марок

Рис. 5. Зависимость сил негативного тренияf _nотосадкиs

околосвайного грунта, расположенного ниже острия

сваи (марка М 1)

Рис. 6. Зависимость сил негативного тренияf _nотосадкиs

околосвайного грунта, расположенного в

приповерхностной зоне (марка М 8)

Рис. 7. Изменение во времениtосадкиsоколосвайногогрунта

и сил негативного тренияf _n(на начальном этапе, в период

оттаивания ледяных прослоев в песчаном грунте)

Рис. 8. Изменение во времениtосадкиs

околосвайного грунта и сил негативного тренияf _n

Рис. 9. Взаимосвязь между силами негативного тренияf _nи

осадкойsгрунтовых марок М 1 - М8