CC BY
54
УДК 624.15.04
Ю. Л. ВИННИКОВ, М. О. ХАРЧЕНКО (Полтавський нацiональний техшчний унiверситет iM. Ю. Кондратюка )
ДОСЛ1ДЖЕННЯ МЕХАН1ЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЩ1ЛЬНЕНИХ МАТЕР1АЛ1В ГРУНТОВИХ ПОДУШОК ЯК ВИПАДКОВИХ ВЕЛИЧИН
Виконано статистичний анал1з випадкових величин мехашчних характеристик ущ1льнених грунпв i встановлено закономiрностi !х розподiлу. Зокрема, для модуля деформаци, питомого зчеплення i кута внут-рiшнього тертя отримано логарифмiчно нормальний закон розподiлу, для опору пенетрац! - експоненцiй-ний.
Выполнено статистический анализ случайных величин механических характеристик уплотненных грунтов и установлены закономерности их распределения. В итоге, для модуля деформации, удельного сцепления и угла внутреннего трения получен логарифмически нормальный закон распределения, для удельного сопротивления пенетрации - экспоненциальный.
The statistic analysis of variability values of mechanical characteristics of compacted soils is done. Also the laws of their distribution are determined. As a result, it is determined that for the deformation modulus, unit cohesion and internal friction angle the logarithmic normal law of distribution is more correct, while for penetration resistance -exponential law.
Вардавання значень мехашчних характеристик грунта як природних, так i ущшьнених масивiв значно бшьше за розкид аналопчних величин в шших матерiалах будiвельних конс-трукцш. Зокрема, зпдно з ДСТУ Б В.2.1-5-96 «Грунти. Методи статистично! обробки резуль-татiв випробувань» шженерно-геолопчний елемент вважаеться однорiдним, якщо величина коефщента варiацi! для його фiзичних вла-стивостей не перевищуе V = 15 %, а для механiчних - V = 30 %. Ц значення значно пе-ревищують, наприклад, призмову мiцнiсть бетону на стиск (V = 13,5 %) i на розтяг (V = = 11,2...15,5 %), модуль пружносп бетону (V = = 4,4. 9,2 %), мщнють арматурно! сталi на роз-тяг (V = 5.9,4 %), межу текучосп стал (V = = 4,6.7,3 %), мщнють скла (V = 6 %) i навиъ мiцнiсть фанери (V = 24,3 %) [1-4] тощо.
Деформаци та напруження основ, фундаме-нтiв i споруд доцiльно представляти у виглядi просторово-часових випадкових полiв, власти-востi яких залежать вщ неоднорiдностi грунтового масиву, а також вщ просторових i часових флуктацiй зовнiшнiх навантажень. Отже, ощ-нювання напружено-деформованого стану (НДС) як природних, так i штучних основ буд> вель i споруд е задачею ймовiрнiсно-статисти-чних дослщжень.
Випадковi величини (ВВ), до яких вщносять i властивостi грунта, повшстю характеризу-ються кривими розподшу (КР). Залежно вiд особливостей тих чи шших грунта КР !х ВВ можуть мати рiзний вигляд. За М. М. Срмолае-
вим [5], М. М. Масловим [6], В. I. Крутовим [7],
A. П. Пшешчкшим [8], V. Wijeyakulasuriya,
B. Look [9], Z. Mlynarec, J. Wierzbicki [10], КР значень, головним чином, фiзичних характеристик грунта вщповщають закону нормального розподшу Гаусса. М. Н. Гольдштейн [11] про-гнозував, що для мехашчних властивостей грунта найбшьш коректним мае бути логнормаль-ний (логарифмiчно нормальний) розподш. За дослiдженнями О. К. Бугрова та В. Г. Шилша
[12], стохастичш властивостi грунта найточш-ше описуються нормальним покращеним i Гра-ма-Шарлье ЗР ВВ.
Таким чином, дос експериментально недо-статньо обгрунтовано коректнiсть ЗР ВВ мехашчних характеристик ущшьнених грунта, оскшьки для штучних масивiв подiбнi досл> дження майже не виконувались. У цьому на-прямку вiдомi лише роботи Л. М. Тимофеево!
[13], I. Г. Чарушникова [14], Б. I. Баликова [15] й авторiв [16]. Зпдно з цими дослщженнями найбшьш вiрогiдними е нормальний, логариф-мiчно нормальний та експоненцiйний ЗР цих ВВ.
Коректно отримаш статистичнi закономiр-ностi ЗР ВВ дозволять розробити методику ро-зрахунку грунтових подушок iз урахуванням неоднорiдностi властивостей ущшьненого масиву [17, 18], зокрема, i при використаннi методу сюнченних елементiв (МСЕ) [19].
Тому за мету роботи прийнято - експериментально дослщити ЗР ВВ мехашчних характеристик ущшьнених грунта, зокрема, !х моду© Винников Ю. Л., Харченко М. О., 2010
ля деформаци, питомого зчеплення, кута внут-рiшнього тертя та питомого опору пенетраци.
Авторами протягом 2006.2010 рр. викону-валися польовi та лабораторш дослiдження ф> зико-механiчних характеристик ущшьнених rрунтiв штучних основ для кшькох будiвельних об'eктiв, зокрема, протитуберкульозного диспансеру по вул. Шилiвськiй у Полтавi (об'ект № 1), двох резервуарiв пiд нафтопродукти ем-шстю 3000 м3 у с. Качанове Гадяцького району Полтавсько! обл. (об'ект № 2), споруд електро-металургшного заводу потужнiстю 3 млн. т. слябiв на рiк поблизу м. Комсомольськ Полтавсько! обл. (об'ект № 3).
Технолопчш параметри грунтово! подушки на об'екп № 1 наступи: матерiал - мiсцевий лесовий суглинок легкий пилуватий iз волопс-тю на межi текучостi WL = 0,29 i розкочування WP = 0,21. Ущiльнення грунту дна котловану було поверхневе за допомогою важко! трамбiв-ки. Поверх дна зводилась штучна основа вщси-панням суглинку шарами по 50 см з укочуван-ням завантаженими самоскидами масою 20 т за 8...12 проходiв за одним слщом до проектного значення щшьносн скелета грунту р^ = = 1,65 г/см при коефщенн ущшьнення к. = 0,90. Потужнiсть подушки вiдповiдала !! проектному значенню к = 4,0.4,4 м.
На об'екп № 2 грунтова подушка пiд резер-вуари мала товщину близько 3 м i дiаметр 22 м. I! виконали з мюцевих лесових пилуватих сут-скiв i суглинкiв (число пластичносн \р = = 5,3. 15,8 %), як пошарово укочували 10. 12 проходами за одним слщом завантаженими самоскидами та 12.14 ударами за одним слщом трамбiвки у формi конусу з нижшм i верхнiм дiаметрами вiдповiдно 930 i 430 мм, висотою 800 мм i масою 2 т, яку скидали з висоти 5.6 м (рис. 1, а).
На об'екп № 3 штучний насип площею 190 га та потужшстю 4.5 м зводили на забо-лоченш мiсцевостi з використанням розкрив-них порiд Сристовського та Лавриковського родовищ залiзних кварцитiв. Для змщнення основи насипу заболочений масив прорiзали траншеями перерiзом 1х1,5 м iз кроком 3 м, якi заповнювали щебенем. Потiм розкривнi породи доставлялись на майданчик, розрiвнювались шарами потужшстю 0,3 м й ущшьнювались пневматичними та вiбрацiйними котками (рис. 1, б) до проектного значення щшьносн скелета грунту р^ = 1,711 г/см3 при коефщенп ущiльнення к. = 1,01 за тестом Проктора.
Фiзико-механiчнi характеристики ущшьне-них груннв на всiх дослiдних об'ектах визнача-ли у кожному шарi штучно! основи вщбором грунту в металевi кiльця площею поперечного
перерiзу 40 см2 та об'емом 140 см3 ^аметром i висотою вiдповiдно близько 70 i 35 мм), а поим транспортували та збершали зпдно з вимогами ДСТУ Б В.2.1-8-2001 «Грунти. Вiдбирання, упа-кування, транспортування i зберiгання зразюв» i ДБН А.2.-1-2008 «1нженерш вишукування для будiвництва». Визначення механiчних власти-востей груннв виконували згiдно з ДСТУ Б В.2.1-3-96 «Грунти. Лабораторнi випробування. Загальш положення», ДСТУ Б В.2.1- 4-96 «Грунти. Методи лабораторного визначення характеристик мщносп i деформативносп», ДСТУ Б В.2.1-5-96 «Грунти. Методи статистично! обро-бки результатiв випробувань».
Рис. 1. Технология зведення дослвдних грунтових подушок:
а - тд резервуар емтстю 3000 м3; б - тд споруди електрометалургшного заводу
Деформацшш показники визначалися шляхом ущшьнення зразюв грунту пiд тиском без можливосн бiчного розширення. Дослщження проводились на приладi для компресшних випробувань КПР-1 прикладанням тиску ступенями о = 0,025; 0,05; 0,10; 0,20; 0,30 МПа.
Пенетрацшш дослщження в лабораторi!' ви-конувались за такою методикою: шсля досяг-нення умовно! стабiлiзацi! деформацш грунту кiльце зi зразком виймали з ущшьнювача й здiйснювали пенетращю грунту з використанням лабораторного пенетрометру ЛП-1 наконечником iз кутом конiчностi 30° при чотирьох-п'яти ступенях навантаження й кшцевому за-нуреннi конусу к > 1 см. Навантаження на пер-шiй ступенi - 0,66.0,76 Н (вага конусу зi шта-
нгою), на наступних - залежно вщ виду i стану грунту. 1нтервал прикладання навантаження -0,5 хв. Глибину занурення конусу визначали за шкалою iндикатора годинникового типу з точ-нiстю 0,01 см. Пюля компреси та пенетраци зразки випробували у приладi одноплощинного зрушення ПСГ-2М.
Зокрема, за щею методикою на об'екп № 1 було вобрано 78 зразкiв грунту при горизонтально орiентацil кiлець i 28 - при вертикаль-нiй. При цьому отримано п = 55 комплекшв зна-чень (п - кшьюсть ВВ) модуля деформаци грунту Е при рiзних тисках у компресшному при-ладi й змшшсть характеристик мiцностi ущшь-неного грунту за глибиною подушки. Для об'екту № 2 - п = 108 ВВ опору пенетрац! грунту R. На об'екп № 3 отримано п = 374 комплек-шв ВВ модуля деформаци Е при рiзних ти-
сках у компресшному прилад^ п = 50 ВВ кута внутршнього тертя ф i питомого зчеплення грунту с.
Для аналiзу експериментальних даних за-стосовано наступний алгоритм методики [1]:
1. визначалась необхщна кшьюсть дослщ-них даних;
2. тсля отримання експериментальних даних у польових i лабораторних умовах у ви-глядi статистичного ряду вони аналiзувались з метою виключення грубих помилок;
3. для «очищеного» ряду розраховувались статистичнi параметри;
4. тдбирався оптимальний ЗР для дослщ-них ВВ i перевiрялась його адекватшсть.
У табл. 1 зведенi статистичш параметри ВВ механiчних характеристик ущшьнених грунтiв для дослiдних об'eктiв.
Таблиця 1
Статистичш параметри експериментальних ЗР ВВ мехашчних властивостей ущшьненого грунту
Статистичш параметри М1 М2 М3 М4 X X Ц3 Ц4 а v А Е
Об'ект № 1
Модуль деформаци Е, МПа, при тиску а = 0,05...0,1 МПа 1,15 4,75 19,58 109,2 5,18 3,78 7,27 62,88 1,95 0,38 0,99 1,39
Е, МПа, при тиску а = 0,1.0,2 МПа 1,68 6,28 33,04 214,8 10,6 37,7 390,1 8935 6,14 0,57 1,68 3,28
Е, МПа, при тиску а = 0,2.0,3 МПа 0,43 4,87 18,32 117,5 13,4 48,6 408,8 9840 6,97 0,52 1,21 1,16
Об'ект № 2
Питомий отр пенетраци R, кПа -4,3 23,2 -136,1 853,6 436 62706 88974 109 250 0,57 0,57 -0,2
Об'ект № 3
Е, МПа, при тиску а = 0.0,05 МПа -3,6 14,8 -62,2 275,6 8,55 21,7 187,9 3669 4,66 0,55 1,86 4,78
Е, МПа, при тиску а = 0,05.0,1 МПа 0,06 0,95 2,02 13,4 7,64 10,2 65,67 1514 3,19 0,41 2,01 11,5
Е, МПа, при тиску а = 0,1.0,2 МПа 0,14 1,43 3,61 20,23 12,6 19,8 158,4 3630 4,45 0,35 1,79 6,23
Е, МПа, при тиску а = 0,2.0,3 МПа 0,64 1,84 5,05 22,22 19,4 41,1 312,6 10975 6,42 0,33 1,18 3,47
Питоме зчеплення грунту с, кПа 0,9 2,3 7,05 27,2 16 16,2 82,58 1308 4,03 0,25 1,26 1,97
Кут внутршнього тертя грунту ф, ° -0,9 2,4 -7,10 26,1 31,3 10,9 -38,87 514 3,3 0,11 -1,1 1,31
Примтка: Mj .. ,М4 - моменти 1.4 порядюв; X - математичне очжування; X - дисперая; ц3 - центральний момент третього порядку; ц4 - центральний момент четвертого порядку; а - середне квадратичне вщхилення (стандарт); v - коефщент вар1аци; А - коефщент асиметри; Е - ексцес.
На рис. 2 представлеш найбшьш ranoBi екс-периментальнi гiстoграми й аналггичш ЗР ВВ Е для рiзних тискiв у кoмпресiйнoму приладi, а на рис. 3 - для R, ф та с.
f(x), %
V.
У
7к\
n =374
III!
Експериментальна пстограма —Нормальний розпсд1л -- Логарифмчно нормальний Експсненц1йний розподш
8,04
■-•..0.3..
-0,3
А
\
n =374
□ Експериментальна пстограмг
—Нормальний розподл — Гогарифм1чно нормальний - — ЕкспоненЦйний розподл
t \ —
\ \
0 \Х \ \ у \\
"с ~3~ 0, 0- -0, 0~. —0 ,0 3
а) 45
40 35 30 25 20 15 10 5 0
3,9 7,2 10,4 13,6 16,9 20,1 23,4 26,6 29,8 33,1 Модуль деформацп грунту Е, МПа, в штервалах тиску 0 - 0,05 МПа
б) 50. » % 45 40 35 30 25 20 15 10 5
0 05
4,1 7,4 10,7 14,0 Г73 20,6 23,9 27,2 30,5 33,8 Модуль деформацп грунту Е, МПа, в штервалах тиску 0,05.. .0,1 МПа
в) 45,fx)% 40 35 30 25 20 15 10
5
0
4,6 8,3 12,1 15,8 19,6 23,3 27,1 30,8 34,6 38,3 Модуль деформацп грунту Е, МПа, в штервалах тиску 0,1-0,2 МПа Модуль деформацп грунту Е, МПа, в штервалах тиску 0,1.0,2 МПа
г) 45 -«%
40 35 30 25 20 15
10 5 0
5,3 10,6 16,0 21,4 26,7 32,1 37,4 42,8 48,2 53,5 Модуль деформацп грунту Е, МПа, в штервалах тиску 0,2.0,3 МПа
Рис. 2. Типов1 експериментальш пстограми i закони
розпод1лу ВВ модуля деформацп ущ1льненого грунту при р1зних тисках у компресшному прилад1 (дослвдний об'ект № 3)
а) 40
35 30 ■ 25 ■ 20 15 10 -5 0
f(x), %
в)
□ ЕЕкспериментальна пстограма _ -Нормальний розподш 1 ГЬгарифмчно нормальний
20,4 23,1 25,8 28,5 31,2 33,9
36,6
Кут внутршнього тертя грунту ф, °
40,0,. 1 1 1 1 1 1 1
„
/ / t % ^—Нормальний розподш
/ 1 \ ' V
\ / 30,0 >
1 ч. \
1 1 !/ n = 40
1 1
У
5,0 2,5 V
S 2,5 2 5
-- ** ' •--
9,7 13,0 16,3 19,6 22,9 26,2 29,5
Питоме зчеплення грунту с, кПа
25, 0
10 2 10 ,2 15,7 = 1 08
11 ,1
3, 0, 2, 8
3,7
138 245 352 459 566 673 780 887 994 1101
Питомий отр пенетрацп грунту К, кПа
Рис. 3. Типов1 експериментальш пстограми 1 закони розподшу ВВ мехашчних характеристик ущшьненого грунту:
а - кута внутршнього тертя (об'ект № 3);
б - питомого зчеплення (об'ект № 3); в - питомого опору пенетрацп (об'ект № 2)
Анатзуючи експериментальш й анаттичш розподши ВВ модуля деформацп ущшьненого грунту (рис. 2), кута внутршнього тертя (рис. 3, а) { питомого зчеплення (рис. 3, б), мо-жна зробити узагальнення про те, що для них найбшьш коректним е логарифм1чно нормальний ЗР. Зокрема, критерш Ирсона х2осл для
аналггичних кривих ВВ модуля деформацп склав 3,3 (рис. 2, а), 2,53 (рис. 2, б), 8,03 (рис. 2, в), 3,95 (рис. 2, г); кута внутршнього тертя - 4,12 (рис. 3, а) { питомого зчеплення -16,92 (рис. 3, б). Отже, нашими дослщженнями фактично шдтверджена гшотеза М. Н. Гольд-штейна [8].
30
25
20
5
0
Розподш ВВ значень питомого опору пенет-раци ущiльненого грунту (рис. 3, в) найкраще апроксимуеться експоненцiйним ЗР, хоча у де-яких штервалах спостерiгаються достатньо значнi вiдхилення вщ анаттично! криво!, що пiдтверджуеться ^m^ieM Пiрсона
Х2осл = 34,4. Таким чином, розподш ВВ ще!
характеристики потрiбно ще додатково вивча-ти. Для цього доцшьно, крiм лабораторних пе-нетрацiйних випробовувань, виконувати i польовi.
Висновки
Механiчнi характеристики ущшьнених гру-нтiв найбiльш коректно описуються логариф-мiчно нормальним та експоненцшним ЗР. Зок-рема, для опору пенетраци R у багатьох випад-ках правомiрним е експоненцiйний ЗР, а для модуля деформаци Е, питомого зчеплення с i кута внутршнього тертя ф - логарифмiчно но-рмальний.
Данi дослiджень е певною базою для ймов> ршсних розрахункiв грунтових подушок. Зок-рема, вони вщкривають можливiсть аналiтично визначати розрахунковий отр ущiльнених гру-нпв й осiдання фундаментiв на них як випадко-вих функцiй, виконувати математичне моделю-вання геотехнiчних задач для штучних основ за допомогою МСЕ в iмовiрнiснiй постановцi, а в перспективi - оцiнювати рiвень надiйностi спо-руд як системи «грунтова подушка-фундамент-будiвля» тощо.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Лычев, А. С. Надежность строительных конструкций [Текст] : учебное пособие / А. С. Лы-чев. - М.: Изд-во АСВ, 2008. - 184 с.
2. Чирков, В. П. Прикладные методы теории надежности в расчетах строительных конструкцш [Текст] / В. П. Чирков. - М.: Маршрут, 2006. -620 с.
3. Надежность стальных конструкций производственных зданий [Текст] : монография / под ред. С. Ф. Пичугина. - Полтава: ООО «Асми», 2009. - 452 с.
4. Зощенко, М. Л. Використання «хвоспв» Полта-вського ГЗК при влаштуванш земляних споруд [Текст] / М. Л. Зоценко // Свгг геотехшки. -2005. - № 4. - С. 7-11.
5. Ермолаев, М. Н. Надежность оснований и фундаментов [Текст] / М. Н. Ермолаев, В. В. Михеев. - Л.: Стройиздат, 1976. - 152 с.
6. Маслов, Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов [Текст] / Н. Н. Маслов. - М.: Высш. шк., 1982. - 511 с.
7. Крутов, В. И. Физико-механические характеристики неоднородных уплотненных грунтов [Текст] / В. И. Крутов, Н. Т. Танатаров // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1993. - № 3. - С. 2-5.
8. Пшеничкин, А. П. Определение вероятностных оценок физических и деформационных характе-
ристик грунтовых полей [Текст] / А. П. Пшени-чкин // Тр. межд. конф. по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика». - СПб.: АСВ, 2005. - Т. 2. - С. 323-329.
9. Look, B. Statistical models for reliability assessment of rock strength [Текст] / B. Look, V. Wijeyakulasuriya // Proc. of the 17th Int'l Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. -Alexandria, Egypt, 2009. - Amsterdam, Berlin, Tokyo, Washington: JOS Press, 2009. - Р. 60-63.
10. Mlynarec, Z. Statistical criteria of determination of homogenous geotechnical layers [Текст] / Z. Mlynarec, W. Tschuschke, J. Wierzbicki // Proc. of the 16th Int'l Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. - Rotterdam Mill press Science Publishers, 2005. - P. 725-728.
11. Гольдштейн, М. Н. Механические свойства грунтов [Текст] / М. Н. Гольдштейн. - М.: Стройи-здат, 1971. ..1979. - Т. I. - 1971. - 368 с., Т. II. -1973. - 375 с., Т. III. - 1979. - 304 с.
12. Бугров, А. К. Определение вероятностных характеристик активного давления грунта методом Монте-Карло [Текст] / А. К. Бугров, В. Г. Ши-лин // Реконструкция городов и геотехническое строительство. - 2003. - № 5. - С. 92-94.
13. Тимофеева, Л. М. О статистическом подходе к оценке прочности уплотненных лессовых грунтов [Текст] / Л. М. Тимофеева // Основания и фундаменты: межвуз. сб. науч. тр. - Пермь: ППИ, 1978. - С. 78-83.
14. Чарушников, И. Г. Прочностные характеристики уплотненных просадочных грунтов Новосибирска [Текст] / И. Г. Чарушников, Я. Е Шаевич // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1966. - № 5. - С. 10-11.
15. Балыков, Б. И. Способ оценки представительности проб крупнообломочного грунта при инженерно-геологических изысканиях и геотехконт-роле качества уплотнения [Текст] / Б. И. Балыков // Инженерная геология. - 2007. - С. 21-25.
16. Винников, Ю. Л. К оценке неоднородности сложения грунтовых подушек [Текст] / Ю. Л. Винников, М. А. Харченко, А. В. Яковлев // Материалы V Межд. науч.-техн. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов». - Волгоград: ВолГАСУ, 2009. - С. 193-200.
17. Михеев, В. В. Расчет крупнопанельных зданий на статистически неоднородном основании [Текст] / В. В. Михеев, Г. Б. Рывкин, В. И. Шейнин // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1975. - № 2. - С. 21-23.
18. Гарагаш, Б. А. Надежность пространственных регулируемых систем «сооружение - основание» при неравномерных деформациях основания [Текст] / Б. А. Гарагаш. - Сочи: Кубаньки-но, 2004. - 908 с.
19. Гагин, В. И. Расчет балок на многослойном стохастическом основании [Текст] / В. И. Гагин, П. М. Иванилов // Строительная механика и расчет сооружений. - 2006. - № 3. - С. 61-64.
Надшшла до редколегп 10.03.2010.
Прийнята до друку 17.03.2010.
