CC BY
42
Известия Тульского государственного университета Серия Естественные науки 2008. Выпуск 1. С. 228-232
= НАУКИ О ЗЕМЛЕ =
УДК 624.131
Ф.Г. Габибов
Азербайджанский научно-исследовательский институт строительства и архитектуры,
Баку
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИРОДНЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
Аннотация. В работе представлены экспериментальные исследования изотропных глинистых грунтов на усадку. Исследования проводились на приборе новой конструкции, в котором деформации цилиндрического образца измерялись по высоте одним индикатором, а по окружности тремя индикаторами. Процесс усадки описан теоретически на основе уравнения диффузии влаги в образце. Предполагая что деформация усадки грунта является линейной функцией средней потери влаги получено уравнение усадки призматического образца грунта во времени.
При проведении данных экспериментальных исследований главной задачей являлось изучение кинетики усадочных деформаций образцов глинистых грунтов, отобранных в естественных (природных) условиях.
Методика исследований была выбрана нестандартной [1]. Монолиты Ви-ляшчайскпх глин (монолиты отбирались из участка трассы канала по сбросу катастрофических паводков) были лишены изоляции и в течение месяца оставались в открытом помещении при комнатной температуре (~20°С). После этого из одного монолита было отобрано четыре образца ненарушенной структуры, которые замачивались водой и определялась величина их объёмного набухания. Затем образцы испытывались на усадку при комнатной температуре, т.е. изучалась объёмная усадка глин во времени. Эксперименты проводились на специально сконструированном приборе, в котором на специальной игле поддона фиксировался цилиндрический образец без кольца. Объёмное набухание и усадка определялись по показаниям изменения высоты образца, определяемой индикатором часового типа, и по изменению радиуса образца, определяемого тремя индикаторами часового
© Габибов Ф.Г., 2008
типа, установленными в горизонтальной плоскости через 120° по окружности сечения образца грунта. В таблице 1 приведены сравнительные данные по набуханию и усадке образцов Виляшчайских глинистых грунтов.
Таблица 1
Набухание и усадка образцов Виляшчайских глинистых грунтов
Свободное набухание образца 8н,% Свободная усадка образца после набухания 8У, %
1 25,3 20,8
2 21,5 21,4
3 20,1 21,8
4 20,7 15,3
Как видно, в двух образцах величины деформаций набухания и усадки практически совпадают, в двух других образцах величина объёмной усадки заметно меньше величины объёмного набухания. Как показали визуальные исследования образцов, на этих образцах проявились заметные усадочные трещины, которые и отразились на показаниях приборов. В целом можно утверждать, что при испытаниях по вышеизложенной методике структурноненарушенных глин результаты испытаний на объёмную усадку показывают величину уменьшения объёма образца практически равную величине объёма набухания образца.
На рисунке приведены графики объёмной усадки образцов Виляшчайских глин во времени при комнатной температуре. Как видно, стабилизация деформации усадки, в отличие от деформаций набухания происходит в более длительное время, т.е. за 10-12 суток [2].
При теоретическом исследовании объёмной усадки глинистых грунтов одновременно с измерением усадки следует определять потери влаги при высыхании образца в заданных условиях окружающей среды с последующим вычислением коэффициента диффузии влаги и коэффициента объёмной усадки.
При этом решение дифференциального уравнения диффузии должно отыскиваться при соответствующих граничных и начальных условиях. Предположим, что в пределах от 40 до 90% относительной влажности окружающего воздуха деформации усадки глинистого грунта пропорциональны его влагопотерям. В таком случае усадка глинистого грунта должна следовать за потерями влаги и быть им пропорциональной при некотором коэффициенте пропорциональности. В рассматриваемом случае диффузия влаги протекает при таких начальном и граничных условиях, что поверхностями
одинаковой влажности являются плоские поверхности, перпендикулярные направлению потока влаги.
Рис. Графики свободной усадки образцов Виляшчайской глины во времени
В таком случае содержание влаги в различных точках образца грунта зависит только от координаты х, отсчитываемой в направлении толщины образца грунта и времени £. Уравнение диффузии имеет вид [3]:
2те .л г..
0 д1 дх2 ’ 1 ;
где \¥в -влагосодержание в образце глины; а2 = 1/к постоянная диффузия: ¿-время.
Полное решение уравнения (1), соответствующее случаю, когда торцы рассматриваемого образца высотой хо поддерживаются при нулевой влажности, имеет вид:
00 9
Ц'в(х,Ь) = > Ап вт-------е а2 5 (2)
ГГ? ^о
где Л = птт/хо; Ап определяется из начального условия и в общем случае, когда начальное распределение влаги
УУв(х, 0) = <р(х), (3)
х0
л 2 С / ч • П7ГХ , /,ч
Ап = — вш-----ах. (4)
х0 .] х0
о
При равномерном начальном распределении влаги в образце глинистого грунта, т.е. при
Ф) = ™во, (5)
Ап = Шво (6)
п (2 п — 1)тг
решение уравнения имеет вид:
ч Шво ^ 1 _ 2(п — 1)тгх (2П^^ы
ЦГв(хЛ) = —^Т5Ш 26 'е “2 ' (7)
71 = 1
Для практического приложения необходимо располагать значениями коэффициента диффузии влаги из глинистого грунта. Теоретически коэффициент диффузии можно определить по способу, предложенному X.Бекером и Ц.Мацинисом [4]. Для образцов глинистых грунтов, высушиваемых с одной или двух граней, решение задачи о потере влаги в точке на любой глубине х с помощью (7) найдём в виде:
\¥в() — \¥в(х^) 4^^ 1 _ 2(п — 1)ттх (2п-1)2ж2ы
----—777---'-----“ = 1----> ~--------------81П—-—-- -в 4 . 8
\¥вп 7г ' 2п — 1 26
®° 71 = 1
Приближенно можно считать, что деформация усадки глинистого грунта 8У{€) является линейной функцией средней потери влаги образцом IVа (¿).
ёу(Ь) _ 1¥я(1)
8у пред. ^ « пред
где
2 6
(9)
УУвф = — ^ Шв(х^)йх. (10)
о
Интегрируя (7) по толщине образца глинистого грунта и деля полученный результат на её толщину, можно получить выражение для средней относительной потери влаги: а, принимая во внимание пропорциональную зависимость между потерей влаги и усадкой (9) будем иметь
Л = (11)
$у пред. Я" п—\ ( )
Деформацию усадки образца в виде прямоугольной призмы во времени можно определить по формуле:
°° 1 (2n-l)2Af
е 4а2 > X
X __ (2n — l)^7r^ki
(2n2 - I)2
е
4&2 г ■ Зу пред. (I2)
Надо отметить, что представленное теоретическое описание усадочных деформаций глинистых грунтов несколько идеализировано и не предусматривает трещинообразования в образце грунта.
Библиографический список
1. Габибов Ф.Г. Разработка устройства для исследования усадочных деформаций глинистых грунтов / Ф.Г. Габибов. // Сборник материалов Международной научнопрактической конференции Геотехника-99. -Пенза, 1999. -с.52-53.
2. Габибов Ф.Г. Экспериментальное исследование нелинейной усадки глинистых грунтов. В кн.: Нелинейная механика грунтов, Труды IV Российской конференции / Ф.Г. Габибов. -Санкт-Петербург, 1993. -Т. 2, -С. 42-47.
3. Десов А.Е. Некоторые вопросы теории усадки бетона. В кн.: Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций / А.Е. Десов, К.Г. Красильников, З.Н. Цилосани. -М.: Стройиздат, 1976. -С.211-255.
4. Becker Н. A theoretical method for predicting the shrinkage of concrete / H. Becker, C.A. Macinis. I I Journal ACI, Proc. -1970. -V. 70. -№ 9. -P. 33-41.
Поступило 29.12.2007
