ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Проведены лабора­торные исследования механических характеристик оттаивающих грунтов. Удельное сцепление и угол внутреннего трения по глубине слоя песчаного грунта определялись в со­ответствии с требованиями ГОСТ 12248-78 (1979).

Образцы грунта, отобранные в лотке, подвергались испытаниям на сдвиговых прибо­рах ПСГ - 2М и ВСВ - 25. На установке ПСГ-2М было проведено 25 испытаний, при этом переменными величинами являлись влажность грунта, степень предварительного уплотне­ния и гранулометрический состав.

При проведении испытаний за сопротивление грунта сдвигу принималось наимень­шее касательное напряжениеt, при котором происходил срез грунта, находящегося под нор­мальным давлением p . Так как испытаниям подвергался песок мелкий и пылеватый, кроме угла внутреннего тренияjдля него также определялось сцепление c . Зависимость между сопротивлением сдвигу и нормальным давлением имеет вид

t= pЧtgj+с. (1)

Для построения диаграммы сдвига в каждом опыте использовалось не менее трех об­разцов с одинаковыми характеристиками. Перед испытанием, с целью сокращения времени проведения эксперимента, пробы грунта помещались в прибор предварительного уплотне­ния УГПС, где грунт приобретал необходимую плотность. Условием достижения заданной плотности песчаного грунта, было приращение осадки не более чем 0.01 мм за 30 мин.

Отбор образцов для сдвиговых испытаний производился путем вдавливания в песок колец с рабочей площадью 40 см ². Величина вертикальных нагрузок назначалась таким об­разом, чтобы образец грунта в зоне сдвига дополнительно не уплотнялся, следовательно, производилось испытание нормально уплотненных образцов.

Коэффициент сдвигаyопределялся по формуле

. (2)

Угол внутреннего трения определялся из следующих зависимостей:

,j_i= arctgj_i. (3)

Сцепление

c _i =t_i- p _iЧtgj, (4)

Результаты сдвиговых испытаний грунта по глубине лотка приведены в табл. 1.

Таблица 1. Прочностных характеристик песчаного грунта в лотке

По результатам многочисленных сдвиговых испытаний выявлено изменение характери­стикjи с по глубине лотка (рис. 1). При этом отмечено, что вначале, с ростом влажности до некоторой величины, угол внутреннего трения возрастает, а при дальнейшем увеличении влажности угол внутреннего трения уменьшается. Величина сцепления, с изменением влаж­ности существенно не изменялась. Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что напря­женное состояние грунта по глубине погружения сваи также будет являться переменным в соответствии с зависимостью (1).

Испытания на сдвиг немерзлых, мерзлых и оттаявших грунтов проводились также на приборе плоского среза ВСВ-25. Отличительной особенностью этого прибора является воз­можность проведения быстрого сдвига, что позволило испытывать образцы мерзлого грунта, и то, что приложение нормальной нагрузки в данном приборе осуществляется с по­мощью динамометра. Вторая особенность данного прибора позволила оценить влияние ди­латантной составляющей на величину прочностных характеристик немерзлых и оттаявших грунтов. Так как при испытании на приборе ПСГ - 2М дилатансия или контракция проявля­ются вертикальным перемещением поршня, которое фиксируется только индикатором часо­вого типа.

Известно, что граница оттаивания не является наиболее сла­бым местом в оттаивающей толще. Сопротивление сдвигу на границе оттаивания зависит от характера ее поверхности, определяемого криотекстурой мерзлого грунта, и направлением поверхности оттаивания по отношению к ледяным прослойкам.

Наименьшим сопротивлением сдвигу обладает наиболее влажный слой оттаявшей части толщи, расположенный вблизи границы раздела талого и мерзлого грунта. Прочность оттаявшего грунта определяется ее влажностью, плотностью, структурно-текстурными осо­бенностями, в значительной степени зависящими от криотекстуры и влажности грунта в мерзлом состоянии. Наименьшая прочность оттаявшего грунта отмечалась в начальный пе­риод после оттаивания. По мере уплотнения оттаявшего грунта и усиления структурных свя­зей прочность грунта возрастала и в нескольких случаях превышала сопротивление этого же грунта до промерзания.

Учитывая изложенное, определялось сопротивление сдвигу оттаявшего грунта, в на­чальный момент после оттаивания и на различных стадиях его уплотнения в зависимости от влажности и плотности, все образцы, как песчаные, так и глинистые имели массивную криотекстуру.

Испытания оттаявших образцов проводились по следующей методике. Образец поме­щался в срезыватель прибора ВСВ-25, где к нему прикладывалась быстровозрастающая (в течение 10 - 30 с) касательная нагрузка до разрушения образца, при одновременном дейст­вии в плоскости сдвига нормальной нагрузки. При каждом значении нормальной нагрузки испытывались три образца.

Образцы глинистых грунтов испытывались в условиях закрытой системы, (торцы об­разца закрывались полиэтиленовой пленкой), песчаных грунтов - открытой системы (торцы образца закрывались фильтровальной бумагой). Образцы оттаявших грунтов испы­тывались при комнатной температуре. Гильза с образцом мерзлого грунта устанавливалась в срезыватель прибора, сверху на образец устанавливался штамп, и осуществлялось оттаивание без приложения нормальной нагрузки в течение 50 - 60 мин. Окончание оттаивания прове­рялось зондированием тонкой проволокой через верхний торец образца. Сразу же после от­таивания создавался зазор в плоскости сдвига, устанавливались динамометры и быстро при­кладывалось заданное нормальное давлениеs_n, отпускался арретирный винт и в течение 8 - 15 с прикладывалась сдвигающая нагрузка. Момент разрушения определялся по прекраще­нию приращения показаний индикатора динамометра сдвигающей нагрузки, (динамометр снабжался тормозным устройством). Дилатантная составляющая при испытании оттаявших грунтов не определялась, т.к. вследствие отсутствия предварительного уплотнения образцов в течение опыта необходимо поддерживать постоянное, нормальное давление путем воздей­ствия на верхний редуктор прибора.

По результатам серии опытов установлено, что прочностные характеристики оттаяв­ших грунтов примерно на 30 % ниже, чем тех же грунтов до промерзания (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительная характеристика песчаных грунтов, испытанных

до замораживания, и после оттаивания

Примечание: Для оттаявших грунтов характеристики w,jи с в данной таблице

принимались средними, по результатам трех испытаний.

Таким образом, данные табл. 2 свидетельствуют о том, что в первоначальный мо­мент после оттаивания прочностные характеристики маловлажных песков снижаются до 15 ё 20 % . При этом, как показали лабораторные исследования, они приобретают значитель­ную пористость, что увеличивает их деформируемость. Следовательно, вблизи ну­левой точки, расположенной у границы оттаивания, из-за наличия избыточной влаги и низ­ких прочностных характеристик оттаявшего слоя, не наблюдается значительного развития касательных напряжений на боковой поверхности фундамента. Однако, выше границы от­таивания, там, где уже произошло отжатие избыточной влаги, и уменьшилась пористость грунта (из-за его уплотнения под собственным весом), касательные силы на поверхности фундамента получают максимальное развитие в условиях осадки самоуплотняющегося отта­явшего грунта.

Для изучения дилатантной составляющей при сдвиге несвязных грунтов на приборе ВСВ - 25 проведена серия экспериментов. Во многих случаях явление дилатансии является одним из факторов, обуславливающих несоответствие результатов теоретической оценки несущей способности оснований и натурных данных.

Разрушение плотного песчаного грунта при контактном сдвиге выражается в разрыхле­нии его частиц, сопровождающимся их взаимным поворотом и заклиниванием. Зона разрыхления формируется в слое толщиной 1 ё 3 мм вдоль контактной поверхности. За пределами этого слоя грунт сохраняет свою первоначальную структуру. Если сдвиг проис­ходит вблизи поверхности грунта, параллельно ей, то дилатансия приводит к приподнятию поверхности нагружения (что при испытаниях на приборе ПСГ-2М выражалось в изменении показаний индикатора вертикальных перемещений непосредственно в момент сдвига) и не оказывает влияние на действующее в грунте нормальное напряжение. В случае, когда сдвиг происходит на значительной глубине, дилатансии противодействует упругий отпор грунта за пределами зоны разрыхления, что приводит к возникновению на поверхности сдвига допол­нительных нормальных напряженийs_d, которые начинают действовать совместно с природ­ным давлением грунтаs_о.

На рис. 2 представлена модель дилатирующего грунта вдоль поверхности сдвига в условиях упругого отпора окружающего грунта. Рис. 2а демонстрирует напряженное со­стояние до сдвига, когда присутствует только естественное давление грунта, а рис. 2б - состояние предельного равновесия, когда взаимный поворот и расклинивание частиц кон­тактного слоя приводит к появлению дополнительной реакции окружающего грунта про­порциональной ширине зоны распределения дилатантных напряжений.

Таким образом, закон Кулона, записанный с учетом дилатантной составляющей, будет иметь вид

t_сум =t_d +s_оЧtgj, 5)

Проведено две серии испытаний. В первой - испытывался песок мелкий (отбирался из лотка), гранулометрический состав которого приведен в табл. 3.

Таблица 3. Гранулометрический состав грунта в лотке

На основании данных, полученных при проведении этой серии испытаний, построен график зависимости угла внутреннего трения от влажности грунта (рис. 3).

Вторая серия сдвиговых испытаний на приборе ВСВ - 25 проводилась с песком сред­ней крупности, гранулометрический состав которого приведен в табл. 4. Данные табл. 5 свидетельствуют о том, что величина дилатантного распора зависит от величины исходного нормального давления и составляет от 5 до 23.6 % от него. При сравнении величиныdР _uдля песков мелкого и средней крупности, очевидно, что с увеличением содержания более крупных частиц песка, величина дилатантного распора может увеличиваться на 2 - 7.5 %.

Проведенные в песчаных грунтах исследования показали, что величина дилатантного распораs_dзависит от величины бытового давления грунта, поверхностной на­грузки, гранулометрического состава грунта, его влажности и плотности, других факторов.

Таблица 4. Гранулометрический состав песчаного грунта

Таблица 5. Результаты определения дилатантного распора для песков

различной крупно­сти

Сопротивление грунтов сдвигу с учетом дилатантной составляющей определялось следующим способом. Обра­зец песчаного грунта испытывался на приборе ВСВ - 25 по обычной методике. При этом на каждой ступени загружения фиксировалось с помощью динамометра приращение нормального давле­ния непосредственно в момент сдвига и нормальное давление, прикладываемое до начала сдвига. Полученное при данном испытании значениеtпринималось как основное, аt_dвозни­кающее вследствие дилатансии определялось по тарировочному графику динамометра для нормального на­пряжения равного разнице напряжения прикладываемого к образцу непосредственно перед сдвигом и напряжения зафиксированного тормозным устройством динамометра в момент сдвига.

Методика и результаты определения величины дилатантного распора имеют большое значение для повышения точности определения сил негативного трения, развивающихся на боковой поверхности свай, погруженных в оттаивающие грунты. От правильности определения сил негативного трения зависит достоверность оценки несущей способности свай и, соответственно, устойчивость и эксплуатационная надежность запроектированных зданий и сооружений.

Иллюстрация

Рис. 1. Изменение угла внутреннего трения и влажности грунта

по глубине лотка

		а

Рис. 2. Модель дилатансии оттаявшего дисперсного грунта на контакте с

твердым инородным телом

а - до сдвига; б - в состоянии предельного равновесия

Рис. 3. Зависимость угла внутреннего трения от влажности песчаного грунта