CC BY
18УДК 624.138.232
И.Х. ИДРИСОВ, инженер (idrisov @geoteck.ru), Н.И. МАКРИДИН, д-р техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Комплексный подход к испытаниям материалов
Часть 1
Очень часто исследования свойств создаваемых материалов выполняются в отрыве от реального их применения в конструкциях. В большинстве случаев создается новый материал, а затем в зависимости от полученных свойств решается, где его применять. Однако ситуацию можно кардинально изменить, если создавать материалы с заранее заданными свойствами, что позволит получить более эффективные конструкции с необходимой прочностью и деформативностью.
Рассмотрим на практическом примере использование подобного подхода при проектировании оснований зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. К такой категории грунтов относятся илы, торф и глинистые грунты мягкопластичной и теку-чепластичной консистенции. Модуль упругости подобного типа грунтов, как правило, менее 5 МПа, поэтому они обладают сильной сжимаемостью. Осадка зданий или сооружений на данных грунтах в естественном состоянии получается большой и поэтому их не рекомендуют использовать в качестве оснований. Как правило, эти грунты замещаются более прочными или модифицируются каким-либо методом.
Физико-механические свойства природного слабого грунта могут быть определены с использованием известных методов, например ГОСТ 12248—96, после чего можно выполнить расчет осадки здания или сооружения, используя выражение из СП 50-101—2004:
^' I р^ ', (1)
где в — безразмерный коэффициент, равный 0,8; Ei — модуль деформации г-го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа; Ee 1 — модуль деформации г-го слоя грунта по ветви вторичного нагружения, кПа; о— среднее значение вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки в г-м слое грунта; h¡ — толщина г-го слоя грунта; о^^ — среднее значение вертикального напряжения в г-м слое грунта от собственного веса грунта, выбранного при откопке котлована.
В том случае, если глубина котлована менее 5 м, второй член выражения (1) при расчете осадки не используется.
Согласно выражению (1) осадку можно уменьшить, если увеличить модуль деформации природного грунта, т. е. уменьшить его сжимаемость. Степень увеличения жесткости заранее известна, так как величина осадки нормируется СП 50-101—2004 и в зависимости от вида здания или сооружения изменяется в интервале 12—
40 см. Например, при давлении на грунт в 200 кПа (здание до 10 этажей) нормируемая осадка не должна быть более 18 см, отсюда модуль деформации грунтов основания должен быть не менее 30 МПа. В нашем случае природный грунт имеет модуль деформации, равный 5 МПа. Поэтому надо увеличить жесткость данного природного грунта не менее чем в шесть раз.
Упрочнить естественный грунт можно введением цемента, смешивая его с естественным грунтом [1, 2]. В результате получают новый композитный материал, жесткость которого значительно выше природного грунта. Применение подобной технологии может быть облегчено, если определен физический механизм поведения композитного материала. Механические свойства композитного материала могут быть определены при его испытании, как при простых, так и сложных траекториях нагружения, что необходимо, если используются более сложные методы расчета по сравнению с выражением (1).
В подавляющем большинстве выполненных экспериментальных исследований как в России, так и за рубежом в качестве вяжущего применяется цемент и значительно реже шлаки. В то же время, исследования, выполненные отечественными учеными [3, 4], выявили существенные преимущества использования шлака в качестве вяжущего вместо цемента.
В большинстве ранее выполненных исследований упрочненных цементом грунтов эффекты влияния количества цемента, времени выдержки и технологии смешивания на механические свойства изучались главным образом в условиях одноосного сжатия [5, 6]. Однако известно, что напряженно-деформированное поведение упрочненного цементом грунта зависит не только от количества цемента, бокового обжатия, но и от вида силового нагружения [3, 6, 7]. В связи с этим испытания следует проводить в устройствах, которые способны ре-ализовывать различные виды напряженного состояния.
Поскольку прочность цементогрунта или шлако-грунта является промежуточной между прочностью грунта и прочностью обычных бетонов, для определения их прочностных и деформационных свойств вполне можно использовать стандартные методы испытаний как бетонов, так и грунтов.
Стандартные испытания могут быть применены для определения прочности при сжатии и при растяжении. Известно много работ, в которых приводятся результаты испытаний бетона в условиях одноосного сжатия при статическом и циклическом нагружениях. Дополни-
Таблица 1
Вид расчета Плотность, р, г/см3 Модуль деформации, Е0, МПа Модуль упругости, Е, МПа Коэффициент Пуассона, V Модуль объемного сжатия, К, МПа Модуль сдвига, G, МПа Угол внутреннего трения, град. Силы сцепления, кПа
Несущая способность + + +
Деформативность + + + + + +
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
55
тельные данные могут быть получены из опытов при многоосном нагружении образцов. Результаты этих экспериментальных исследований определяют полный набор данных, которые могут быть использованы при разработке моделей бетона и их проверке.
В механике грунтов используют методы, позволяющие проводить испытания образцов в условиях сложного напряженного состояния, в частности трехосного осесимметричного сжатия. В настоящей работе использованы методы, применяемые при испытании и бетонов и грунтов.
Рассматриваемая задача закрепления слабого грунтового основания глиношлаковым материалом с инженерной точки зрения может быть решена следующим образом.
На основании технологии глубинного смешивания (мокрый способ) и разрабатываемого композитного материала (шлакогрунт) необходимо усилить слабое грунтовое основание, так чтобы искусственное основание было способно обеспечить нормативную прочность и деформируемость от нагрузок проектируемого здания или сооружения.
Для оценки достаточности проектной прочности и деформируемости искусственного основания в соответствии с требованиями СП 50-101—2004 данное искусственное основание необходимо рассчитать по деформациям и несущей способности. Расчет несущей способности и деформации искусственного основания необходимо выполнить с использованием методов СП 50-101—2004 при линейно-упругом законе деформирования основания или с использованием числен-
ных методов при нелинейном законе деформирования основания [8].
Для выбранных методов расчета необходимо провести испытания композитного материала с целью определения прочности и деформирования при упругом и неупругом поведении материала.
На основании принятого метода расчета и найденных характеристик композита определить несущую способность или деформации искусственного основания. В случае, если расчетной прочности и жесткости искусственного основания недостаточно, необходимо изменить свойства композитного материала.
Расчет грунтовых естественных, а также искусственно улучшенных оснований выполняется с использованием различных теорий деформирования. Каждая из теорий использует параметры, определяемые экспериментально для материалов. В рассматриваемом случае это грунты естественного сложения и глиношлаковый материал.
В таблице приведены характеристики, необходимые для расчета несущей способности и деформации оснований, если используются аналитические решения СП 50-101—2004. Эти решения позволяют выполнить расчеты в предположении линейно-упругого поведения грунтов основания при условии ограничения степени развития пластических деформаций глубиной 1/4 ширины фундамента. Наблюдения за зданиями и опыт строительства показывают, что естественные грунты, а тем более стабилизированные каким-либо вяжущим могут выдержать большие нагрузки с большой степенью развития пластических деформаций. Однако в этом слу-
Игги
Рис. 1. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса АСИС: 1 - компрессионные приборы; 2 - приборы одноплоскостного сдвига; 3 - приборы трехосного сжатия; 4 - приборы одноосного сжатия; 5 - прибор для испытания материалов на растяжение
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
56 июнь 2011 Ы ®
чае методы СП 50-101—2004 неприменимы и приходится использовать нелинейную механику и численные методы расчета, в частности метод конечных элементов. В случае применения нелинейных методов расчета прочности и деформируемости грунтов необходимо определить ряд дополнительных механических характеристик, не включенных в таблицу. Вид и количество этих характеристик определяются принятыми моделями материалов и условиями прочности. Наиболее широко на практике применяются условия прочности Мора—Кулона, Друкера—Прагера, Cam-Clay, Cap.
Наиболее простой моделью, которая описывает прочность материалов, является условие прочности Мора-Кулона, которое включает только два параметра — угол внутреннего трения ф и силы удельного сцепления с:
/(ст) = 2c•cosф — (ctj + ст3^тф — (CTJ + ст3) = 0. (2)
Условие прочности Мора—Кулона допускает работу материала в области растягивающих напряжений.
Таким образом, при проектировании искусственных оснований необходимо вначале выбрать теорию деформирования/модель материала, а затем определить из опытов необходимые параметры, используемые в этих моделях. Часть этих параметров приведена в таблице, вид других и их количество зависят от принятой модели деформирования.
Как было отмечено, грунты практически не воспринимают растягивающих напряжений. В то же время закрепленные вяжущим грунты обладают определенной прочностью при растяжении. Учитывая это обстоятельство, поведение указанных материалов необходимо исследовать в области действия не только сжимающих, но и растягивающих напряжений.
В таблицу не включен ряд параметров, которые определяются при испытании бетона по методам ГОСТ 10180—90. Это прочность при одноосном сжатии; прочность при осевом растяжении; прочность при растяжении при раскалывании; прочность при растяжении при изгибе и призменная прочность. Несколько параметров группы используются на практике при расчете прочности сечения бетонных конструкций фундаментов, балок, колонн и т. п.
Для проведения комплекса испытаний по определению параметров моделей различных материалов был разработан измерительно-вычислительный комплекс ИВК АСИС, который включен в государственный реестр РФ и является средством измерения. Структурная схема ИВК АСИС показана на рис. 1. В состав ИВК может входить произвольное число приборов для испытания материалов. Количество и тип приборов зависят от вида модели материала, так как для определения параметров моделей материалов приходится применять различные виды приборов и методы испытаний. Испытания проводятся в автоматическом режиме по заданной программе с последующей обработкой результатов испытаний. Для этой цели написаны программы для управления испытаниями, хранения данных и их последующей обработки.
В программную подсистему ИВК АСИС входят системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК АСИС. Системное программное обеспечение представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера (операционная система WINDOWS или любая другая), используемого в ИВК АСИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Программное
обеспечение представляет собой взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента, управления процессом нагружения образцов в различных испытательных устройствах; архивирования данных измерений; метрологических функций ИВК АСИС (аттестация, поверка и т. п.).
Используя ИВК АСИС, были выполнены испытания смеси глины со шлаком при добавке активатора №ОН и различном соотношении введенного шлака. В качестве вяжущего использовали гранулированный доменный шлак Липецкого металлургического комбината, который соответствует требованиям ГОСТ 3476—74. Шлак применяли в виде молотого порошка с удельной поверхностью S=300—350 м2/кг. Испытания проводили с образцами, содержащими молотого шлака 10, 20 и 30% с добавкой №ОН в количестве 2% общей массы. В части опытов твердение образцов осуществлялось под давлением 100, 200 и 300 кПа.
Опыты были выполнены с целью исследования влияния количества добавляемого вяжущего на деформационные и прочностные свойства шлакогрунта, которые определяли различными методами: одноосного сжатия, трехосного сжатия, прямого сдвига. Дополнительно
0,01 0,02 0,03
Относительная вертикальная деформация е,
0,04
Рис. 2. Зависимость осевой деформации от нормального давления для глиношлаковой смеси 20% шлака, 2% №ОН
Е=
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
Относительная вертикальная деформация е,
Рис. 3. Зависимость осевой деформации от вертикального давления для глиношлаковой смеси: 1 - 10% шлака, 2% NaOH; 2 - 20% шлака, 2% №ОН; 3 - 30% шлака, 2% №ОН
^JVCJMT^Jly.r.l.Li.1::; научно-технический и производственный журнал
ШГ&ЬШЫ® ~ июнь 2011 57"
были выполнены опыты с образцами в виде сплошных призм прямоугольного сечения размером 40x40x160 мм для определения предела прочности при сжатии и растяжении. В отдельную серию испытаний вошло определение коэффициентов интенсивности напряжений.
Испытания естественного глинистого грунта и шла-когрунтовой смеси были выполнены с использованием рассмотренного ИВК АСИС, в конфигурацию которого были включены приборы одноосного сжатия, одноосного сжатия при невозможности боковых расширений; трехосного сжатия; прямого сдвига; испытание призматических образцов на изгиб; испытание призматических образцов с надрезом на изгиб.
Использование нескольких приборов позволяет не только сократить сроки испытаний образцов материалов, так как они проводятся одновременно, но и провести комплекс испытаний при различном виде напряженного состояния и траекториях напряжений.
Испытания образцов глиношлаковой смеси были выполнены на приборе одноосного сжатия с измерением осевой и радиальной деформаций. Метод испытания применительно к грунтам приведен в ГОСТ 12248—96, а для бетонов в ГОСТ 24452—80. На рис. 2 показаны результаты серии испытаний глиношлаковой смеси после 28 сут твердения в условиях одноосного сжатия.
Испытания образцов глиношлаковой смеси были выполнены на приборе трехосного сжатия с измерением осевой и радиальной деформаций. Метод испытания применительно к грунтам приведен в ГОСТ 12248—96, для бетонов отсутствует.
На рис. 3 приведены результаты испытаний при боковом давлении, равном 100 кПа, глиношлаковой смеси при различном содержании вяжущего. Из рис. 3 видно, что прочность материала возрастает с ростом количества вяжущего, точно так же как модуль упругости.
Ключевые слова: измерительно-вычислительный комплекс, испытания шлакогрунта, одноосное сжатие, трехосное сжатие, прямой сдвиг.
Список литературы
1. Saxena K., Reddy K.R. Effects of cementation on stressstrain and strength characteristics of sands // Soils and Foundations. 1993. Vol. 33. № 4. Pp. 121-134.
2. Anberg H. Strength of Stabilised Soils — A laboratory study on clays and organic soils stabilized with different types of bimder. Swedish Geotechnical Institute. Report 72. 2006.
3. Тимофеева О.В. Шлакогрунтовые композиты для укрепления дорожных оснований. Дисс... канд. техн. наук. Пенза, 2002. 124 с.
4. Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Комохов П.Г., Соломатов В.И., Марусенцев В.Я., Тростянский В.М. Глиношлаковые строительные материалы. Пенза: ПГАСА, 2000. 207 с.
5. Terashi M., Tanaka H., Mitsumoto T., Shindome Y., Honma S. Fundamental Properties of Lime and Cement Treated Soils // Report of the Port and Harbour Research Institute. 1980. Vol. 19. № 1.
6. Yajima J., Nagaoka T., Tanizaki S. Mechanical properties and failure criterion of normally and overconsolidated cement-treated soil // JSCE. 1997. № 561/III-38. Pp. 205—214.
7. Leroueil S., Vaughan P.R. The general and congruent effects of structure in natural soil and weak rocks // Geotechnique. 1990. Vol. 40. № 3. Pp. 467—488.
8. Chen W.F., Saleb A.F. Constitutive equations for engineering materials. Elasticity and Modelling. Vol. 1. 1982. Plasticity and Modelling. Vol. 2. 1984.
Активатор
измельчение актива|Ш синтез
AKTMBaTOp-2SL
100 ВО
а 60 -
i 40
¡г
20 О
. ■ »
5 мин^ ^ ^
* •• у ' 1 мин,
1 10 100 диаметр частиц мкм
Для пробоподготовки материалов
Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.
Активатор-4М
100
во
, 60 В
S 40
^
20
2 мин. ■
■ • у. * ^ 1 мин,
1 10 100 диаметр частиц, мкм
Для наработки небольших партий материалов
Активатор-25
Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах
www.activator.ru »
Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (383) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail; belyaev@activator.ru
Реклама
58
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
iA ®
