CC BY
39
гидравлика. инженерная гидрология. гидротехническое строительство
УДК 624.131 Б01: 10.22227/1997-0935.2018.6.756-767
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ АРГИЛЛИТОПОДОБНЫХ ГЛИН
И ПЕСЧАНИКОВ
А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29
Предмет исследования: зависимость «нагрузка — деформация» и фазы напряженно-деформированного состояния аргиллитоподобных глин и песчаников.
Цели: выполнить штамповые и прессиометрические испытания, проанализировать результаты полевых испытаний и разработать рекомендации по проектированию и расчету фундаментов на аргиллитоподобных глинах и песчаниках. Материалы и методы: получены зависимости «нагрузка — осадка» и выделены фазы напряженного состояния для аргиллитоподобной глины и песчаника, определено расчетное сопротивление грунта для буровой сваи-стойки, заглубленной в аргиллитоподобные глины и песчаники более чем на 0,5 м. Результаты полевых испытаний обработаны методами математической статистики.
Результаты: в 58 % штамповых опытов наблюдалась потеря несущей способности основания, сложенного аргил-литоподобными глинами и песчаниками, только после достижения давлений 3,0 МПа. В 19 % штамповых опытов деформации резко возрастали уже при значении давлений 0,6...2,2 МПа, что характерно для менее прочных разновидностей аргиллитоподобных глин и песчаников. В 23 % опытов вертикальные деформации песчаников и аргилли-топобных глин имели линейный характер на всем протяжении графика «нагрузка — осадка» и фаза потери несущей способности грунта не была достигнута. Аналогичная картина наблюдалась при выполнении прессиометрических испытаний: для аргиллитоподобной глины при максимальном горизонтальном давлении 0,85 МПа и песчаника при максимальном горизонтальном давлении 1,0 МПа фаза потери несущей способности не была достигнута, а деформации грунта имели преимущественно линейный характер, что характерно для фазы уплотнения и фазы местных сдвигов. Выводы: аргиллитоподобная глина и песчаник могут являться надежными малосжимаемыми основаниями для зданий и сооружений с нагрузками от 0,2 до 0,3 МПа, а при проектировании фундаментов зданий и сооружений на аргиллитоподобных глинах и песчаниках можно применять расчеты с использованием теории линейно-деформируемой среды. Но аргиллитоподобная глина и песчаник имеют остаточные деформации, связанные с нарушением цементационных связей между частицами грунта. Рациональным является использование в расчетах фундаментов на аргиллитоподобных глинах и песчаниках значений прочностных параметров грунта, полученных при лабораторных или полевых испытаниях с замачиванием, учитывающим возможное ухудшение свойств данных грунтов.
КЛЮчЕВыЕ СЛОВА: аргиллитоподобная глина, песчаник, деформации, несущая способность, расчетное сопротивление, осадка
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Экспериментальные полевые исследования деформируемости аргиллитоподобных глин и песчаников // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. Вып. 6 (117). С. 756-767. DOI: 10.22227/1997-0935.2018.6.756-767
EXPERIMENTAL FIELD INVESTIGATIONS OF DEFORMABILITY OF CLAYSTONES AND SANDSTONES
A.B. Ponomarev, E.N. Sychkina
Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation
Subject: the "load"—"deformation" dependence and phases of the stress-strain state of claystones and sandstones. Research objectives: perform stamp and pressuremeter tests, analyze results of field tests and create recommendations for the design and calculation of foundations on claystones and sandstones.
Materials and methods: in this article the field methods of testing of claystones and sandstones are considered. Stamp and pressuremeter tests were performed, the "load — settlement" dependence was obtained and phases of the stress-state for claystone and sandstone were identified. The design strength of the soil for the drill pile buried in claystones and sandstones by more than 0.5 m was determined. Results of field tests are processed by mathematical statistics methods in accordance with GOST 20522-2012. The obtained results are analyzed and compared with the previous results of tests on foundations. Results: the scientific novelty of this work consists in revealing the regularities in the formation of the stress-strain state in claystones and sandstones under the action of the load in various directions. The deformation mode and development of phases of the stress-strain state in claystones and sandstones differ significantly from modern clays and sands. In 58 % of the stamp tests, the loss of the bearing capacity of the base, composed of claystones and sandstones, was observed only after reaching the load of 3.0 MPa. In 19 % of the stamp tests, the deformations sharply increased already at the load level
(O
о
M
to
PO
s о
н >
О
X S I h
О ф
756 © А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина
of 0.6...2.2 MPa, which is characteristic of less stable varieties of claystones and sandstones. In 23 % of the experiments, the vertical deformations of sandstones and claystones had a linear character for the entire "load"—"settlement" graph and the phase of soil bearing capacity loss was not achieved. A similar picture was observed when performing pressuremeter tests: the phase of bearing capacity loss was not achieved for claystones at a maximum horizontal pressure of 0.85 MPa and for sandstones — at a maximum horizontal pressure of 1.0 MPa, and the deformations of the soil were predominantly linear, which is typical for compaction phase and phase of local shears.
Conclusions: claystones and sandstones have high values of design strength and can be a reliable low-compressible base for buildings and constructions with loads from 0.2 to 0.3 MPa. Calculations can be made using the theory of a linearly deformed soil when designing the foundations of buildings and constructions on claystones and sandstones. However, it should be taken into account that this observation is valid for one-time loading, since claystones and sandstones have residual deformations associated with the destruction of cementation bonds between soil particles. It is rational to use in calculations of foundations on claystones and sandstones the values of the strength parameters of the soil obtained in laboratory or field tests with soaking, taking into account the possible deterioration of the properties of these soils.
KEY WORDS: claystone, sandstone, deformations, bearing capacity, design strength, settlement
FOR CITATION: Ponomarev A.B., Sychkina E.N. Eksperimental'nye polevye issledovaniya deformiruemosti argillitopodobnykh glin i peschanikov [Experimental field investigations of deformability of claystones and sandstones]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2018, vol. 13, issue 6 (117), pp. 756-767. DOI: 10.22227/1997-0935.2018.6.756-767
ВВЕДЕНИЕ
В современной практике возведения зданий и сооружений наблюдается тенденция к возрастанию нагрузок, воспринимаемых грунтовым основанием, и в качестве оснований свайных фундаментов все чаще используются грунты нечетвертичного возраста, представленные аргиллитоподобными глинами, аргиллитами, алевролитами, песчаниками. В данном исследовании рассмотрены результаты полевых испытаний красноцветных отложений раннепермского возраста, представленных аргиллитоподобными глинами и песчаниками, имеющими широкое распространение в Европейской части России и на юге страны, в странах Западной Европы и Центральной Азии. Пермские аргиллитоподобные глины и песчаники представляют собой выветрелые и трещиноватые полускальные грунты, состоящие из глинистых и песчаных частиц сцементированных глинистым, железистым и карбонатным веществом [1]. При контакте с атмосферным воздухом аргиллитоподобные глины и песчаники способны выветриваться, что приводит к снижению несущей способности и возрастанию деформируемости данных отложений [2-6]. Актуальность данной работы обусловлена тем, что характер деформирования и развития фаз напряженно-деформированного состояния аргиллитоподобных глин и песчаников не таков, как у современных глин и песков. Эти особенности напряженно-деформированного состояния необходимо учитывать при проектировании фундаментов на основаниях, сложенных аргиллитоподобными глинами и песчаниками.
Из теории механики грунтов известно, что для дисперсных грунтов свойственна нелинейная деформируемость, которая лишь на начальном интервале давлений имеет характер близкий к линейному, а пластические деформации значительно превышают упругие. Однако скальные и полускальные грун-
ты, например аргиллиты и аргиллитоподобные глины, песчаники, известняки и мергели, могут иметь линейную зависимость между давлением и осадкой и упругие деформации, превышающие или сопоставимые с пластическими деформациями [7, 8]. Имеющиеся данные о натурных испытаниях забивных свай, опирающихся на пермские аргиллитоподобные глины и песчаники [9, 10], свидетельствуют о том, что в выполненных экспериментах предельные нагрузки были ограничены не разрушением грунта основания сваи, а максимальными нагрузками на испытательный стенд. Таким образом, в ходе экспериментов не была достигнута фаза потери несущей способности грунта основания сваи, что не позволяет сделать выводы о развитии фаз напряженно-деформированного состояния в аргиллитоподобных глинах и песчаниках. По имеющимся данным [10], в рамках диапазона нагрузки до 1,0 МПа грунтовое основание, сложенное аргиллитоподобными глинами и песчаниками, испытывает малые деформации С линейного характера, а данные о предельных зна- н чениях несущей способности основания, сложенного аргиллитоподобными глинами и песчаниками, ^ практически отсутствуют. Данная работа призвана Щ решить вопрос о предельных значениях несущей С способности основания, сложенного аргиллитопо- б добными глинами, дополнить данные эксперимен- О тальных исследований деформируемости аргилли-топодобных глин и песчаников, выявить характер 1 развития фаз напряженно-деформированного со- б стояния аргиллитоподобных глин и песчаников при ы передаче нагрузки от фундаментов.
У
О
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ б
б
Исследованием работы свайных фундаментов 1 на глинистых грунтах в различные годы занимались 7 многие отечественные и зарубежные ученые [9-24]. '
Было доказано, что работа фундаментов на аргил-литоподобных глинах и песчаниках существенно отличается от работы свайных фундаментов на современных глинах и песках, не обладающих цементационными связями [11, 12, 23, 24]. Анализ осадки свайных фундаментов, опирающихся на современные твердые глины и аргиллитоподобные глины, выполненный в работе [11], показал, что для аргил-литоподобных глин свойственны упругие деформации, которые составляют 46...69 % от общих деформаций. Для современных тугопластичных глин характерны упругие деформации, которые составляют 97.99 % от общих деформаций. Такое различие связано с наличием в аргиллитоподобных глинах цементационных связей, которые разрушаются при действии значительных нагрузок от фундамента здания или сооружения и не способны восстанавливаться. Что касается характера деформирования аргиллитоподобных глин, то он изучен в диапазоне давлений от нуля до 1,0 МПа [9-11], ограниченных максимальными нагрузками на испытываемую натурную сваю. И в рамках этого диапазона давлений зависимость «нагрузка — деформация» имела практически линейный характер и фаза потери несущей способности не была достигнута.
Таким образом, существующие работы не описывают весь характер работы свайного фундамента на аргиллитоподобной глине и песчанике. И особый интерес представляет предельное значение несущей способности основания, сложенного аргиллитопо-добными глинами и песчаниками.
материалы и методы
Для оценки работы свайных фундаментов в ходе экспериментального исследования были выполнены полевые штамповые и прессиометрические испытания аргиллитооподобных глин и песчаников. Методика испытаний соответствовала методике ГОСТ 20276-20121. Штамповые испытания прово-
(0
о >
1 ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого опреде-
ления характеристик прочности и деформируемости
дились плоским штампом III типа с площадью подошвы 600 см2. Нагружение штампов производилось при помощи гидравлического домкрата. Осадка штампов измерялась с помощью прогибомеров с учетом температурных деформаций. Нагружение штампов осуществлялось ступенями. Ступени давления выдерживалась до условной стабилизации осадки грунта.
Прессиометрические испытания выполнялись при помощи радиального электровоздушного прессиометра ПЭВ-89МК. Для проведения испытаний производилось бурение скважин диаметром 178 мм с обсадкой до кровли аргиллитоподобных глин и песчаников, а непосредственно на отметке испытания скважина проходилась буровым стаканом диаметром 89 мм. Зонд прессиометра устанавливался на отметке испытания таким образом, чтобы середина камеры зонда была расположена на заданной отметке испытания. Прессиометрические испытания проводились по быстрой схеме. Нагружение осуществлялось ступенями с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации деформации грунта.
Испытания производились как для выветрелых аргиллитоподобных глин и песчаников в кровле толщи пермских отложений, так и для более прочных и слабовыветрелых разновидностей данных грунтов. Глубина штамповых и прессиометрических испытаний изменялась в пределах от 9,2 до 20,0 м. Ис-пытывалась аргиллитоподобная глина коричневого цвета, низкой и средней прочности, средней плотности, сильно пористая, выветрелая; и песчаник зеленовато-серый и серый, низкой и средней прочности, средней плотности и плотный, сильно пористый, выветрелый. На отметках испытаний грунты обводнены подземными водами. Всего в данной работе рассмотрено 14 штамповых испытаний аргил-литоподобной глины, семь штамповых испытаний песчаника, 18 испытаний прессиометром аргилли-топодобных глин и 11 испытаний прессиометром песчаников. Значения некоторых физических характеристик, определенных для испытываемых грунтов при природной влажности, представлены в табл. 1.
Л
10
«
S о
H >
о
X
s
I h
О ф
Табл. 1. Физические характеристики аргиллитоподобных глин и песчаников при природной влажности Table 1. Physical characteristics of claystones and sandstones at natural moisture content
Характеристика / Characteristic Аргиллитоподобная глина / Claystone Песчаник / Sandstone
Весовая влажность / Moisture by weight 0,16 0,16
Плотность, г/см3 / Density, g/cm3 2,09 2,10
Плотность сухого грунта, г/см3 / Density of dry soil, g/cm3 1,80 1,81
Плотность мин. части грунта, г/см3 / Density of mineral part of soil, g/cm3 2,65 2,68
Пористость, % / Porosity, % 31,95 32,30
Коэффициент пористости / Coefficient of porosity 0,49 0,48
Экспериментальные полевые исследования деформируемости аргиллитоподобных _ ___ ___
С.756-767
глин и песчаников
По результатам испытаний в соответствии с требованиями СП 24.13330.20112 было определено расчетное сопротивление аргиллитоподобной глины и песчаника для буровой сваи-стойки, заглубленной в скальный грунт более чем на 0,5 м.
результаты исследования
По результатам штамповых испытаний построены графики «давление — осадка» для аргиллитоподобных глин и песчаников (рис. 1 и рис. 2 соответственно).
2 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Изменением № 1).
Анализ рис. 1 и 2 показывает, что для графиков «давление — осадка» аргиллитоподобной глины и песчаника характерны протяженные участки линейной деформируемости. При этом фаза уплотнения и фаза местных сдвигов на графиках накладываются одна на другую и граница между ними практически не выражена. В пределах этих двух фаз деформации песчаников и аргиллитоподобных глин имели затухающий характер, а скорость деформирования стремилась к нулю. В 58 % штамповых опытов наблюдалось возрастание осадки штампа за ступень в два и более раз только после достижения давлений 3,0 МПа. В 19 % штамповых опытов деформации резко возрастали уже при значении давлений 0,6...2,2 МПа, что, вероятно, характерно для
0,5
Давление, МПа / Pressure, MPa 1,5 2 2,5 3 3,5
4,5
"сЗ о
'-Й
2
ft о
е
«
3
н
X
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ü 110 е
m
120
130
140
150
№ 1
№2
№3
№4
№5
№6
№7
№8
№9
№10
№11
№12
№13
№14
Л
Ф
0 т
1
s
*
о
У
Т
0 s
1
(л)
В
г
3 У
о *
Рис. 1. Зависимость осадки от давления для штампа на аргиллитоподобных глинах: № 1-14 — номера испытаний Figure 1. Dependence of settlement on pressure for the stamp on claystones: № 1-14 — test number
0
1
4
5
0
0,5
Давление, МПа / Pressure, MPa 1 1,5 2 2,5 3 3,5
4,5
t 2
10
20
30
40
ft о
ft 5T
m
50
60
70
80
90
■н Ч —
\ VI
я \ \
V >
ш
1 1
1
№ 1 № 2 № 3 №4 №5 №6 №7
Рис. 2. Зависимость осадки от давления для штампа на песчаниках: № 1-7 — номера испытаний Figure 2. Dependence of settlement on pressure for the stamp on sandstones: № 1-7 — test number
(O X
о >
с
tt
<0
S о
H >
О
X
s
I h О Ф 10
менее прочных разновидностей аргиллитоподобных глин и песчаников, подверженных выветриванию. В 23 % опытов вертикальные деформации песчаников и аргиллитопобных глин имели линейный характер на всем протяжении графика «нагрузка — осадка» и фаза потери несущей способности грунта в ходе данных опытов не была достигнута.
Значения горизонтальных деформаций (перемещений стенок скважин) для аргиллитоподобных глин и песчаников в зависимости от передаваемой нагрузки, полученные в ходе прессиометрических опытов, отражены на рис. 3 и 4 соответственно.
Из графиков, представленных на рис. 3 и 4, видно, что максимальные перемещения стенок скважин в ходе прессиометрических испытаний для песчаника составили 32 мм, для аргиллитоподоб-ной глины — 22 мм. В 90 % прессиометрических испытаний песчаников максимальные деформации не превышали 23 мм. Для аргиллитоподобной глины при максимальном горизонтальном давлении 0,85 МПа и песчаника при максимальном гори-
зонтальном давлении 1,0 МПа фаза потери несущей способности не была достигнута, а деформации грунта имели преимущественно линейный характер, что характерно для фазы уплотнения и фазы местных сдвигов.
Из теории механики грунтов известно, что деформации и несущая способность дисперсных глинистых и песчаных грунтов значительно отличаются и обусловлены размером грунтовых частиц и характером взаимодействия между ними. Однако данное исследование показало, что при давлении до 4,5 МПа в вертикальной плоскости и при давлении до 1,0 МПа в горизонтальной плоскости аргиллито-подобные глины и песчаники имеют схожий характер и деформации. По мнению авторов, это можно объяснить влиянием следующих факторов:
• наличием схожих цементационных связей между частицами грунта в песчаниках и аргиллитопо-добных глинах. При передаче нагрузки от штампа на грунтовое основание, сложенное песчаниками и аргиллитоподобными глинами, деформации будут
0
4
5
0
С.756-767
24
22
20
18
16
14
12
10
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Давление, МПа / Pressure, MPa
0,7
0,8
0,9
> № 1 • № 2 • № 3 > № 4 — — № 5 _ .№ 6
№9
—ф. • № 11
-*- № 12
- • № 17
Рис. 3. Зависимость горизонтальных деформаций от давления для испытаний прессиометром аргиллитоподобных глин: № 1-18 — номера испытаний
Figure 3. Dependence of horizontal deformations on pressure for the pressuremeter tests on claystones: № 1-18 — test number
8
6
4
2
0
0
2
ft
0
<u
«
3
1
x
a
<u
m
36 32 28 24 20 16 12 8 4 0
■№ 1 ■ № 2 ■№ 3 ■№ 4 -№ 5 ■№ 6 ■№ 7 № 8 •№ 9 №10 №11
0,05 0.,15 0,25
0,85 0,95
1,05
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75
Давление, МПа / Pressure, MPa
Рис. 4. Зависимость горизонтальных деформаций от давления для испытаний прессиометром песчаников: № 1-11 — номера испытаний
Figure 4. Dependence of horizontal deformations on pressure for the pressuremeter tests on sandstones: № 1-11 — test number
m
ф
0 т
1
s
*
о
У
Т
0 s
1
(л)
В
г
3 У
о *
обусловлены в первую очередь разрушением цементационных связей между частицами грунта и только потом уплотнением грунта за счет взаимного перемещения грунтовых частиц и сокращения числа пор в грунте;
• схожими условиями формирования и выветривания песчаников и аргиллитоподобных глин. Вся толща пермских отложений представлена частым переслаиванием аргиллитоподобных глин и песчаников, затронутых выветриванием в кровле. Это приводит к тому, что сильновыветрелые аргилли-топодобные глины и песчаники в кровле обладают большей деформируемостью и меньшей несущей способностью. С глубиной несущая способность аргиллитоподобных глин и песчаников возрастает.
Решение задачи уплотнения основания во времени тесно связано с вопросом устойчивости грунтового основания. В табл. 2 и 3 приведены данные о результатах определения расчетного сопротивления аргиллитоподобной глины и песчаника, соответственно.
Видно, что аргиллитоподобная глина и песчаник обладают высокими значениями расчетного сопротивления и могут являться надежным мало-сжимаемым основанием, а значит, при постоянной нагрузке от фундамента здания или сооружения это позволит сократить площадь подошвы фундамента и принять наиболее экономичное решение.
Вместе с тем, при проектировании следует обращать внимание на способность пермских аргилли-топодобных глин и песчаников выветриваться, что приводит к снижению их несущей способности, ухудшению значений физических и механических характеристик. Это в первую очередь относится к наиболее выветрелым, трещиноватым и обводненным подземными водами аргиллитоподобным глинам и песчаникам верхней части разреза пермских отложений.
При выполнении расчетов фундаментов зданий и сооружений на аргиллитоподобных глинах и песчаниках следует учитывать набухание и возможное изменение и ухудшение физико-механических свойств данных грунтов в результате выветривания. Это подтверждается штамповыми опытами, где деформации выветрелых аргиллитоподобных глин и песчаников резко возрастали уже при значении давления 0,6 МПа. С целью предотвращения набухания аргиллитоподобных глин необходимо не допускать для данных грунтов длительного нахождения в открытом котловане, контакта с атмосферным воздухом и водой, перепадов температуры. При выполнении указанных рекомендаций в пределах наиболее распространенных нагрузок от зданий и сооружений (0,2.0,3 МПа) несущая способность основания обеспечивается, и при проектировании фундаментов зданий и сооружений на аргиллито-
Табл. 2. Расчетное сопротивление аргиллитоподобной глины Table 2. Design strength of claystone
Номер штампового опыта / Stamp test number Коэффициент пористости / Coefficient of porosity Среднее значение осадки штампа, мм / Average value of stamp settlement, mm Максимальное значение давления под подошвой штампа, МПа / Maximum value of pressure under the base of the stamp, MPa Расчетное сопротивление буровой сваи, МПа / Design strength of drill pile, MPa
1 0,55 11,2 1,6 1,59
2 0,52 21,95 3,0 5,40
3 0,45 42,08 3,8 4,51
4 0,47 54,02 2,2 2,61
5 0,51 22,93 3,6 7,70
6 0,40 44,42 3,2 4,38
7 0,59 99,97 3,4 7,28
8 0,58 18,13 3,4 6,79
9 0,60 6,52 3,4 7,28
10 0,52 24,75 3,4 7,28
11 0,56 98,3 4,0 8,57
12 0,51 16,11 4,2 9,0
13 0,26 10,77 4,2 9,0
14 0,28 13,44 3,8 8,14
(О X
о >
с
ta
<о
s о
н >
о
X S I h
О ф
Табл. 3. Расчетное сопротивление песчаника Table 3. Design strength of sandstone
Номер штампового опыта / Stamp test number Коэффициент пористости / Coefficient of porosity Среднее значение осадки штампа, мм / Average value of stamp settlement, mm Максимальное значение давления под подошвой штампа, МПа / Maximum value of pressure under the base of the stamp, MPa Расчетное сопротивление буровой сваи, МПа / Design strength of drill pile, MPa
1 0,47 2,86 1,8 2,04
2 0,49 28,65 3,2 5,96
3 0,52 25,66 3,2 5,10
4 0,53 2,02 1,0 0,33
5 0,51 9,09 3,4 7,05
6 0,26 3,79 4,4 6,08
7 0,58 23,71 4,0 6,57
подобных глинах и песчаниках можно с уверенностью применять расчеты с использованием теории линейно-деформируемой среды. С учетом ранее полученных результатов [23] авторы считают рациональным использование в расчетах фундаментов на аргиллитоподобных глинах и песчаниках значений прочностных параметров грунта (угол внутреннего трения и удельное сцепление), полученных при лабораторных или полевых испытаниях с замачиванием, учитывая тем самым возможное ухудшение свойств данных грунтов.
Ранее в работе [26] авторами в программном комплексе Plaxis 2D были решены простые осесим-метричные задачи взаимодействия одиночной сваи и аргиллитоподобной глины, которые подтвердили возможность использования модели «Linear Elastic» для моделирования аргиллитоподобной глины. Верификация результатов была выполнена путем сравнения расчетной осадки одиночной сваи со значением осадки, полученным в результате натурных испытаний одиночной сваи. Результаты полевых штамповых и прессиометрических испытаний аргиллитоподобных глин и песчаников, а также ранее выполненных испытаний одиночных свай, опирающихся на данные отложения, подтверждают гипотезу о преобладающей линейной зависимости деформаций от напряжений для данных отложений в широком интервале давлений. Однако следует учитывать, что данное наблюдение справедливо для одноразового нагружения, поскольку аргиллитопо-добная глина и песчаник имеют остаточные деформации, достигающие 31.54 %, что было выявлено в работе [9]. Остаточные деформации связаны с нарушением структуры аргиллитоподобных глин и песчаников: цементационные связи между частицами грунта при нагрузке разрушаются и не способны восстанавливаться после снятия нагрузки.
Опираясь на полученные результаты, можно сформулировать следующие рекомендации по проектированию фундаментов на аргиллитоподобных глинах и песчаниках пермского возраста:
1. Зависимость деформаций от напряжений в вертикальном и горизонтальном направлениях для аргиллитоподобной глины и песчаника имеет характер, близкий к линейному. При этом фаза уплотнения и фаза местных сдвигов на графиках «нагрузка — деформация» накладываются одна на другую и граница между ними практически не выражена. В пределах этих двух фаз деформации песчаников и аргиллитоподобных глин имеют затухающий характер, а скорость деформирования стремится к нулю. Аргиллитоподобная глина и песчаник обладают высокими значениями расчетного сопротивления и могут являться надежным мало-сжимаемым основанием для зданий и сооружений
с нагрузками 0,2.0,3 МПа, а при проектировании С фундаментов зданий и сооружений на аргиллито- н подобных глинах и песчаниках можно применять расчеты с использованием теории линейно-дефор- ^ мируемой среды. Г
2. При проектировании фундаментов сле- q дует обращать внимание на способность перм- Я ских аргиллитоподобных глин и песчаников вы- О ветриваться, что приводит к снижению несущей способности, ухудшению значений физических i и механических характеристик, а также набуханию Я аргиллитоподобных глин. Авторы считают рацио- ы нальным использование в расчетах фундаментов на 3 аргиллитоподобных глинах и песчаниках значений С прочностных параметров грунта (угол внутренне- Я го трения и удельное сцепление), полученных при Я лабораторных или полевых испытаниях с замачива- i нием, что учитывает возможное ухудшение свойств 7 данных грунтов. С целью предотвращения набуха- w
ния аргиллитоподобных глин необходимо не допускать для данных грунтов длительного нахождения в открытом котловане, контакта с атмосферным воздухом и водой, перепадов температуры.
3. Результаты полевых штамповых и прессио-метрических испытаний аргиллитоподобных глин и песчаников хорошо соотносятся с результатами ранее выполненных испытаний одиночных забивных свай и подтверждают гипотезу о преобладающей линейной зависимости деформаций от напряжений для данных отложений в широком интервале давлений. Однако следует учитывать, что данное наблюдение справедливо для одноразового нагру-жения, поскольку аргиллитоподобная глина и песчаник имеют остаточные деформации, достигающие 31.54 %. Остаточные деформации связаны с нарушением структуры аргиллитоподобных глин и песчаников — цементационные связи между частицами грунта при нагрузке разрушаются и не способны восстанавливаться после снятия нагрузки.
ВЫВОДЫ
Анализ результатов штамповых испытаний показывает, что для графиков «давление — осадка» аргиллитоподобной глины и песчаника характерны протяженные участки линейной деформируемости. В 58 % штамповых опытов наблюдалось возрастание осадки штампа за ступень в два и более раз только после достижения давлений 3,0 МПа. В 19 % штамповых опытов деформации резко возрастали уже при значении давлений 0,6.2,2 МПа, что, вероятно, характерно для менее прочных разновидностей аргиллитоподобных глин и песчани-
ков, подверженных выветриванию. В 23 % опытов вертикальные деформации песчаников и аргилли-топобных глин имели линейный характер на всем протяжении графика «нагрузка — осадка», и фаза потери несущей способности грунта в ходе данных опытов не была достигнута. Аналогичная картина наблюдалась при выполнении прессиометрических испытаний: для аргиллитоподобной глины при максимальном горизонтальном давлении 0,85 МПа и песчаника при максимальном горизонтальном давлении 1,0 МПа фаза потери несущей способности не была достигнута, а деформации грунта имели преимущественно линейный характер, что характерно для фазы уплотнения и фазы местных сдвигов.
Пермские аргиллитоподобные глины и песчаники показали схожий характер и значения деформируемости в результате штамповых и прес-сиометрических опытов. При передаче нагрузки на грунтовое основание, сложенное песчаниками и аргиллитоподобными глинами, деформации были обусловлены в первую очередь разрушением цементационных связей между частицами грунта и только потом уплотнением грунта за счет перемещения грунтовых частиц.
Аргиллитоподобная глина и песчаник обладают высокими значениями расчетного сопротивления и могут являться надежным малосжимаемым основанием для зданий и сооружений с нагрузками от 0,2 до 0,3 МПа, а при проектировании фундаментов зданий и сооружений на аргиллитоподобных глинах и песчаниках можно применять расчеты с использованием теории линейно-деформируемой среды.
литература
N
1. Suxin Z., Yuanqiao P., Jianxin Y. et al. Charac-w teristics of claystones across the terrestrial Permian-<0 Triassic boundary: Evidence from the Chahe section, ¡^ western Guizhou, South China // Journal of Asian Earth
Sciences. 2006. Vol. 27. Issue 3. Pp. 358-370.
2. Ponomaryov A., Sychkina E. Analysis of strain 10 anisotropy and hydroscopic property of clay and PO claystone // Applied Clay Science. 2015. Vol. 114.
Pp. 61-169.
3. Manica M., Gens A., Vaunat J., Ruiz D.F. A time-H dependent anisotropic model for argillaceous rocks. ^ Application to an underground excavation in Callovo-l_ Oxfordian claystone // Computer and geotechnics. 2017. S Vol. 85. Pp. 341-350.
£ 4. Кузнецова С.В., Махова С.И. Инженерно-геологические условия строительства на майкопских jj глинах Волгограда // Вестник ПНИПУ Строитель-
Ф ство и архитектура. 2017. Т. 8. № 1. С. 134-147. 10
5. Тер-Мартиросян З.Г., Сидоров В.В., Нгу-ен Х.Х. Расчетное сопротивление грунтов оснований фундаментов в зависимости от степени их водонасы-щения // Инженерная геология. 2012. № 5. С. 48-53.
6. Armand G., Conil N., Talandier J., Seyedi D.M. Fundamental aspects of the hydromechanical behavior of Callovo-Oxfordian claystone: From experimental studies to model calibration and validation // Computer and geotechnics. 2017. Vol. 85. Pp. 277-286.
7. Zhang F., Xie S.Y., Hu D.W. et al. Effect of water content and structural anisotropy on mechanical property of claystone // Applied Clay Science. 2012. No. 69. Pp. 79-86.
8. Лушников В.В., Солдатов Б.А., Пивоваров Л.А. Основные предложения к проекту норматива по испытаниям скальных грунтов в полевых условиях // Вестник ПНИПУ Строительство и архитектура. 2015. № 4. С. 36-49.
С.756-767
9. Пономарев А.Б., Захаров А.В., Сурсанов Д.Н. К вопросу использования верхнепермских отложений в качестве грунтовых оснований // Вестник ПНИПУ Урбанистика. 2011. № 1. С. 74-80.
10. Сурсанов Д.Н., Байдак М.А. Определение расчетного сопротивления под нижним концом сваи при опирании на сильновыветрелые песчаники // Вестник гражданских инженеров. 2015. № 6 (53). С. 115-120.
11. Ponomaryov A.B., Sychkina E.N. Analysis of pile foundation behavior on modern and ancient clay bases // Challenges and Innovations in Geotechnics : Proceedings of the 8th Asian Young Geotechnical Engineers Conference. 2016. Pp. 111-114.
12. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. М. : Изд-во ГУП «НИАЦ» Москомархитектуры. М. : 1994. 384 с.
13. Ильичев В.А., Мариупольский Л.Г., Вахол-дин В.В. Рекомендации по расчету, проектированию и устройству свайных фундаментов нового типа в г. Москва. М. : Изд-во ГУП «НИАЦ» Москомархитектуры. 1997. № 1. 93 с.
14. Ter-Martirosyan Z.G. Forecasting foundation settlement // Hydrotechnical Construction. 2000. Vol. 34. No 11. Pp. 585-590.
15. Тер-Мартиросян А.З., Лузин И.Н., Тер-Мартиросян З.Г. Напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов глубокого заложения конечной ширины // Геотехника. 2016. № 6. С. 26-33.
16. Шулятьев О.А. фундаменты высотных зданий // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2014. № 4. С. 202-244.
17. Шулятьев О.А. Геотехнические особенности проектирования высотных зданий в Москве // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 17-25.
Поступила в редакцию 5 апреля 2017 г. Принята в доработанном виде 22 мая 2017 г. Одобрена для публикации 28 мая 2018 г.
18. Готман А.Л. Расчет комбинированных свайных фундаментов на действие горизонтальной нагрузки и изгибающего момента // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 4. С. 23-27.
19. Ладыженский И.Г., Сергиенко А.В. Опыт проектирования свайных и свайно-плитных фундаментов на участке ММДЦ «МОСКВА-СИТИ» // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 46-54.
20. Петрухин В.П., Шулятьев ОА., Ибраев Р.Р. Экспериментальные исследования осадок свайных фундаментов // Сб. науч. тр. НИИОСП им. Н.М. Гер-севанова. 2006. С. 126-134.
21. Травуш В.И., Шулятьев О.А. История развития высотного фундаментостроения в России // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 8-16.
22. Randolph M.F., Carter J.P., Wroth C.P. Driven piles in clay — the effects of installation and subsequent consolidation // Geotechnique. 1979. No. 29. Pp. 361-393.
23. Sheil B.B., McCabe B.A. An analytical approach for the prediction of single pile and pile group behaviour in clay // Computers and Geotechnics. 2016. No. 75. Pp. 145-158.
24. Zhang Q., Liu S., Zhang S. et al. Simplified non-linear approaches for response of a single pile and pile groups considering progressive deformation of pile-soil system // Soils and foundations. 2016. Vol. 56. Issue 3. Pp. 473-484.
24. Сычкина Е.Н., Тимшина А.А. К вопросу обеспечения устойчивости склонов, сложенных аргил-литоподобными глинами // Master's journal. 2016. № 1. С. 296-305.
25. Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н., Волгаре-ва Н.Л. К вопросу прогноза осадки сваи на аргил-литоподобной глине численными и аналитическими методами // Вестник МГСУ 2016. № 6. С. 34-45. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.6.34-45
m
ф
0 H
1
s
*
Об авторах: Пономарев Андрей Будимирович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного производства и геотехники, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, [email protected];
Сычкина Евгения Николаевна — кандидат технических наук, доцент кафедры строительного производства и геотехники, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, [email protected].
references
1. Suxin Z., Yuanqiao P., Jianxin Y. et al. Characteristics of claystones across the terrestrial Permian-Triassic boundary: Evidence from the Chahe section,
y
T
B
3
y
O
western Guizhou, South China. Journal of Asian Earth 1 Sciences. 2006, vol. 27, issue 3, pp. 358-370. 7
2. Ponomaryov A., Sychkina E. Analysis of strain anisotropy and hydroscopic property of clay and claystone. Applied Clay Science. 2015, vol. 114, pp. 61-169.
3. Manica M., Gens A., Vaunat J., Ruiz D.F. A time-dependent anisotropic model for argillaceous rocks. Application to an underground excavation in Callovo-Oxfordian claystone. Computer and Geotechnics. 2017, vol. 85, pp. 341-350.
4. Kuznetsova S.V., Makhova S.I. Inzhenerno-geologicheskie usloviya stroitel'stva na maykopskikh glinakh Volgograda [Engineering-geological conditions of construction on the Maikop clays of Volgograd]. Vest-nik PNIPU. Stroitel'stvo i arkhitektura [PNRPU Construction and Architecture Bulletin]. 2017, vol. 8, no. 1, pp. 134-147. (In Russian)
5. Ter-Martirosyan Z.G., Sidorov V.V., Nguen Kh.Kh. Raschetnoe soprotivlenie gruntov os-novaniy fundamentov v zavisimosti ot stepeni ikh vodonasyshcheniya [Estimated ground resistance of foundation foundations depending on the degree of their water saturation]. Inzhenernayageologiya [Engineering Geology]. 2012, no. 5, pp. 48-53. (In Russian)
6. Armand G., Conil N., Talandier J., Seyedi D.M. Fundamental aspects of the hydromechanical behavior of Callovo-Oxfordian claystone: From experimental studies to model calibration and validation. Computer and Geotechnics. 2017, vol. 85, pp. 277-286.
7. Zhang F., Xie S.Y., Hu D.W. et al. Effect of water content and structural anisotropy on mechanical property of claystone. Applied Clay Science. 2012, no. 69, pp. 79-86.
8. Lushnikov VV, Soldatov B.A., Pivovarov L.A. Osnovnye predlozheniya k proektu normativa po ispy-taniyam skal'nykh gruntov v polevykh usloviyakh [Basic suggestions to the project of norm on tests rocky soils in the field terms]. VestnikPNIPU. Stroitel'stvo i arkhitektura [PNRPU Construction and Architecture Bulletin]. 2015, no. 4, pp. 36-49. (In Russian)
P 9. Ponomarev A.B., Zakharov A.V., Sursanov D.N. т- K voprosu ispol'zovaniya verkhnepermskikh otlozheniy w v kachestve gruntovykh osnovaniy [Revising the use of Upper Permian sediments as soil bases]. Vestnik PNIPU. Urbanistika [PNRPU Bulletin. Urban Development]. 2011, no. 1, pp. 74-80. (In Russian)
10. Sursanov D.N., Baydak M.A. Opredelenie ra-GQ schetnogo soprotivleniya pod nizhnim kontsom svai pri PO opiranii na sil'novyvetrelye peschaniki [Determination
of the design resistance at the lower end of the pile with q support on strongly wind-weathered sandstones]. Vest-H nik grazhdanskikh inzhenerov [Bulletin of Civil Engi-S* neers]. 2015, no. 6 (53), pp. 115-120. (In Russian)
11. Ponomaryov A.B., Sychkina E.N. Analysis of S pile foundation behavior on modern and ancient clay £ bases. Challenges and Innovations in Geotechnics : Proceedings of the 8th Asian Young Geotechnical Engineers
¡J Conference. 2016, pp. 111-114. Ф
12. Bartolomey A.A., Omel'chak I.M., Yushkov B.S. Prognoz osadok svaynykh fundamentov [Forecast of sedimentation of pile foundations]. Moscow, Izd-vo GUP «NIATS» Moskomarkhitektury, 1994. 384 p. (In Russian)
13. Il'ichev V.A., Mariupol'skiy L.G., Vakhold-in V.V. Rekomendatsii po raschetu, proektirovaniyu i ustroystvu svaynykh fundamentov novogo tipa v g. Moskva [Recommendations for the calculation, design and installation of new pile foundations in Moscow]. Moscow, GUP «NIATS» Moskomarkhitektury. 1997, no. 1, 93 p. (In Russian)
14. Ter-Martirosyan Z.G. Forecasting foundation settlement. Hydrotechnical Construction. 2000, vol. 34, no. 11, pp. 585-590.
15. Ter-Martirosyan A.Z., Luzin I.N., Ter-Martirosyan Z.G. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie osnovaniy fundamentov glubokogo zalozheniya konech-noy shiriny [Stress-strain state of the foundations of deep foundations of finite width]. Geotekhnika [Geotechnics]. 2016, no. 6, pp. 26-33. (In Russian)
16. Shulyat'ev O.A. Fundamenty vysotnykh zdaniy [Foundations of high-rise buildings]. Vestnik PNIPU. Stroitel'stvo i arkhitektura [PNRPU Construction and Architecture Bulletin]. 2014, no. 4, pp. 202-244. (In Russian)
17. Shulyat'ev O.A. Geotekhnicheskie osobennosti proektirovaniya vysotnykh zdaniy v Moskve [Geotechnical features of designing high-rise buildings in Moscow]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel 'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2016, no. 10, pp. 17-25. (In Russian)
18. Gotman A.L. Raschet kombinirovannykh svaynykh fundamentov na deystvie gorizontal'noy nagruzki i izgibayushchego momenta [Analysis of combined pile foundations exposed to horizontal load and bending moment]. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov [Soil Mechanics and Foundation Engineering].
2015, no. 4, pp. 23-27. (In Russian)
19. Ladyzhenskiy I.G., Sergienko A.V. Opyt proektirovaniya svaynykh i svayno-plitnykh fundamentov na uchastke MMDTS «MOSKVA-SITI» [Experience in the design of pile and pile-plate foundations on the site of the MIBC "MOSCOW-CITY"]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel 'stvo [Industrial and Civil Engineering].
2016, no. 10, pp. 46-54. (In Russian)
20. Petrukhin V.P., Shulyat'ev OA., Ibraev R.R. Ehksperimental'nye issledovaniya osadok svaynykh fundamentov [Experimental studies of sediments of pile foundations]. Sb. nauch. tr. NIIOSP im. N.M. Gerseva-nova [Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures]. 2006, pp. 126-134. (In Russian)
21. Travush VI., Shulyat'ev O.A. Istoriya razvitiya vysotnogo fundamentostroeniya v Rossii [History of development of high-altitude foundation engineering in Russia]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel 'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2016, no. 10, pp. 8-16. (In Russian)
Экспериментальные полевые исследования деформируемости аргиллитоподобных _ ___ ___
С.756-767
глин и песчаников
22. Randolph M.F., Carter J.P., Wroth C.P. Driven piles in clay — the effects of installation and subsequent consolidation. Geotechnique. 1979, no. 29, pp. 361-393.
23. Sheil B.B., McCabe B.A. An analytical approach for the prediction of single pile and pile group behaviour in clay. Computers and Geotechnics. 2016, no. 75, 145-158.
24. Zhang Q., Liu S., Zhang S. et al. Simplified non-linear approaches for response of a single pile and pile groups considering progressive deformation of pile-soil system. Soils and foundations. 2016, vol. 56, issue 3, pp. 473-484.
25. Sychkina E.N., Timshina A.A. K voprosu obe-specheniya ustoychivosti sklonov, slozhennykh argil-litopodobnymi glinami [On the issue of ensuring the stability of slopes composed of argillite-like clays]. Master's journal. 2016, no. 1, pp. 296-305. (In Russian)
26. Ponomarev A.B., Sychkina E.N., Volgar-eva N.L. K voprosu prognoza osadki svai na argilli-topodobnoy gline chislennymi i analiticheskimi meto-dami [Forecasting pile settlement on claystone using numerical and analytical methods]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 6, pp. 34-45. (In Russian) DOI: 10.22227/1997-0935.2016.6.34-45
Received April 5, 2017.
Adopted in final form on May 22, 2017.
Approved for publication May 28, 2018.
About the authors: Ponomarev Andrey Budimirovicn — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Construction Technology and Geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolskiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, [email protected]; ResearcherlD 6603146403; ORCID 0000-0001-6521-9423;
Sychkina Evgeniya Nikolaevna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of the Construction Technology and Geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolskiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, [email protected], ResearcherlD 56320563700; ORCID 0000-0002-7556-6573.
m
ф
0 т
1
s
*
о
У
Т
0 2
1
(л)
В
г
У
о *
