CC BY
50
УДК624.131: 539.415
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ глинистых ГРУНТОВ С ВКЛЮЧЕНИЯМИ ДРЕСВЫ и ЩЕБНЯ
В.А. Козионов, М.К. Кудерин, Л.А. Варламова, Р.К. Кульжигитов
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Eip жазьщтык, жылжу ке-мнде усах, жэне шагыл тастардыц крсылысыныц сазды топырак/пыц бертттне ыцпалы 3epmme.idi. Сынак/пы щ§ жоспарлау тесриясын пайдаланумен ium уйкел!С бурышы мен сазды топырак/пыц жабысуыньщ толтырма мен xipicmipy к%[хшы мен жагдайыньщ параметраpiMen байланысыньщ эмпиризмдЫ тецдеуч алынды. Щцгект1 . ' гимараттардыц табиги ne?i3depi ретшде пайдаланылатын 6ipK,amap сынбалы-сазды топырак/пыц берЫтшгш анык/пау нэтижехр! келгтриген.
Исследовано влияние включений дресвы и щебня на прочность глинистых грунтов при одноплоскостном сдвиге. С использованием теории цианирования эксперимента получены эмпирические уравнения связи угла внутреннего трения и сцепления глинистых грунтов с параметрами состава и состояния заполнителя и включений. Представлены результаты определений прочности ряда обломочно-глинистых грунтов, используемых в качестве естественных оснований башенных сооружений.
Influence of gruss and crushed rock impurities on the strength of clayey grounds under one-layer shift. With the use of experimental design theory empirical equations for the connection of internal friction and cohesion of clayey grounds with composition and condition parameters of the filler and impurities have been obtained. Strength estimation results for a number of detritus-clayey grounds as natural beddings for pole-mounted constructions are presented.
Введение
При использовании элювиальных грунтов в качестве оснований зданий и сооружений возникает необходимость оценки строительных свойств грунтовых массивов, являющихся природными смесями обломков скальных пород (различного петрографического состава и степени выветрелости) с пылеватыми и глинистыми грунтами (пылеватый и глинистый заполнитель). При анализе указанных природных смесей обычно выделяются элювиальные и делювиальные
крупнообломочные грунты с пылеватым и глинистым заполнителем и пылева-тые и глинистые грунты с крупнообломочными включениями. Такая совокупность грунтов в современных исследованиях [1, с. 4] определяется как обло-мочно-пылевато-глинистые грунты. К обломочно-пылевато-глинистым грунтам (сокращенно обломочно-глинистые грунты) относятся также аллювиальные отложения, содержащие обломки различной степени окатанности и пылевато-глинистый заполнитель. При гранулометрическом анализе таких грунтов устанавливается наличие в них мелкообломочных частиц размером менее 2 мм (мелкообломочная составляющая - МОС) и крупнообломочных частиц размером крупнее 2 мм (крупнообломочная составляющая - КОС).
К настоящему времени накоплен определенный экспериментальный материал по оценке прочностных свойств обломочно-глинистых грунтов различными методами [1], [2], [3] и др. Обобщенные экспериментальные данные указывают на следующие закономерности:
- основное влияние на прочность грунтов оказывают механические свойства МОС и КОС и их относительное содержание;
- относительное расположение и форма материала включений оказывают меньшее влияние на прочность грунтов;
- для угла внутреннего трения грунта определяющим фактором является процентное содержание в грунте обломков (КОС);
- при увеличении влажности заполнителя (МОС) сцепление снижается значительно, а угол внутреннего трения грунта - незначительно;
- влияние крупности обломков на прочность грунтов исследовано недостаточно, в большинстве случаев отмечается влияние крупности включений на угол внутреннего трения в пределах 2... 3°. ;
Цель настоящих исследований состоит в построении экспериментальных зависимостей между параметрами прочности и компрессионной сжимаемости грунтов с количественными характеристиками их состава и состояния. Основное отличие проведенных исследований от известных данных [1]... [3] состоит в выборе параметров крупнообломочной и мелкообломочной составляющих, а также в методиках подготовки и испытаний грунтов. Некоторые данные настоящей статьи опубликованы в работе [4].
1 Результаты исследований прочности модельных смесей
Методика экспериментов. Рассмотрим, первоначально, данные опытных исследований на искусственных смесях из суглинка и дресвы на сдвиговом приборе ГГТТ - 30. Физические характеристики суглинка: влажность на границе раскатывания м>р = 15,8 %; влажность на границе текучести = 29,6 %. Ве-
личина ступеней нагрузки и продолжительность их выдерживания принималась по ГОСТ 12248 - 96.
Для составления программы испытаний была использована теория планирования многофакторного эксперимента. При построении матрицы планирования эксперимента число факторов было принято равным трем. Факторы и их численные значения "варьировались на двух уровнях (+1 и -1): ^
- Хх (п) - процентное содержание включений (-1 - п =0,2; +1 - п =0,4);
- Х2(с1)- крупность включений (-1 - (I — 0,5; +1 - ¿/ = 1,0);
- Хг(м>)~ влажность заполнителя (-1 - м> = 0,205; +1 - м> = 0,255).
В обобщенном виде программа экспериментов состояла из опытов при следующих условиях:
В опытах № 9 и № 10 испытания на сдвиг заполнителя проводились без включений, соответственно при значениях влажностей w = 0,255 и w = 0,205. Испытания на срез проводились при трех значениях нормальных давлений сг =0,1,0,2 и 0,3 МПа.
Обобщенный анализ приведенных данных свидетельствует об определенном влиянии на сцепление и.угол внутреннего трения грунта факторов п, d и w . Рассмотрим более подробно указанные зависимости. Влияние содержания включений. Обобщенные данные о влиянии содержания включений приведены на рисунке 1. Цифрами указаны номера опытов, условия которых приведены выше. Анализ экспериментов свидетельствуют, что при значениях влажности грунта w = 20,5... 25,5 % с увеличением содержания КОС от 20 до 40 % четко фиксируется рост его угла внутреннего трения на 13,5°... 13,9°, отмечается также незначительное изменение сцепления грунта на величину 0,008 МПа.
1 - w = 0,255, d = 1,0, п = 0,4 ;2 - w = 0,255, d - 1,0 и = 0,2; 3 - w = 0,255, d = 0,5, п = 0,4; 4 - w = 0,255, d - 0,5, п = 0,2; 5- w = 0,205, d = 1,0, n = 0,4; 6- w = 0,205, d = 1,0, n- 0,2; 7- w = 0,205, d = 0,5, n = 0,4; 8- w = 0,205, d = 0,5, n = 0,2;
a) iz,MTIa
б) |т,М77а
0 0,1 0Д 0,3
0 0,1 0,2 03
а) при и* =0,255; 6) при и< 4)^05 Рисунок 1 - Влияние содержания включений на прочность грунта
Влияние крупности включений. Данные о влиянии крупности заполнителя на прочность грунта при сдвиге приведены на рисунке 2.
а) при и* =0,255; б) при м> =0,205 Рисунок 2 - Влияние крупности включений на прочность грунта
Анализ полученных данных показывает, что диаметр включений не оказывает существенного влияния на параметры прочности грунта. Так прирост угла внутреннего трения грунта с увеличением диаметра дресвы от 5 до 10 мм составляет 0... 3,3°, а величина сцепления фунта, наоборот, несколько снижается с ростом с1 на величину' 0,008... 0,012 МПа.
Влияние влажности заполнителя. Результаты испытаний по оценке влияния влажности заполнителя на прочность грунта при сдвиге приведены на рисунке 3.
а) - при диаметре обломков ^=10 мм; б) - при диаметре обломков й =5 мм.
Рисунок 3 - Влияние влажности заполнителя на прочность грунтов
Анализ приведенных результатов свидетельствует, что с увеличением влажности заполнителя в общем случае уменьшается как сцепление грунта, так и его угол внутреннего трения. Изменения угла внутреннего трения достигают 14,1°, а сцепления - 0,08 МПа. Отмечаются, в ряде опытов, незначительные
отклонения от указанной закономерности. Так, для сцепления эти изменения составляют 0,004... 0,008 МПа.
Эмпирические соотношения для параметров прочности. Для получения эмпирических характеристик прочности грунта использована теория планирования многофакторного эксперимента. Обобщенные зависимости параметров прочности грунта: угол внутреннего трения (р и сцепление С обозначаются как некоторые функции отклика У1. Тогда зависимость параметров прочности грунта ( ) от показателей состава и состояния его компонент КОС и МОС, обозначаемых X., можно представить в виде следующего квазилинейного полинома [6]
у, =К+Ь1Х1 +Ь2х2+...+Ьпхп +
+ ... + &А, (1)
где Х[.. ,хп - основные нормированные факторы ядра плана эксперимента;
х„+1...хт -дополнительные факторы плана эксперимента, учитывающие взаимодействия основных факторов х, ...хп;
Ъп, Ьп+] ...Ьт - коэффициенты при указанных факторах.
Коэффициенты Ъп уравнения (2) определяются из соотношения [6]
{Ь}=([х]Т[х]Г-[хГ ■{¥}, (2)
где [х]т -транспонированная матрица варьируемых факторов.
С использованием (1) получены характеристики прочности исследованного грунта в целом по параметрам составляющих его компонент КОС и МОС.
Дтя параметра прочности У] получено следующее выражение
Т1 = = 0,3828+ 0,1484 *х, + 0,0078 *х2 - 0,086 *х3 - 0,0078* х, *х2 + + 0,0234*х, *х3 - 0,0547 *х2 *х3 -0,0391*х, *х2 *х3. ^
Для параметра прочности У2 = С получена следующая зависимость
У2 =С = 0,0317 + 0,0036 * х, - 0,0047 * х2 - 0,0079 * х3 + 0,0005 * х, * х2 -
- 0,011 * х, * х3 + 0,0099 * х2 * х3 + 0,011 * х, * х2 * х3.
В формулах (3) и (4) приняты следующие обозначения
х,=(Х,-Х0)/АХп (5)
где хг - кодированное значение ¿-го фактора;
X1 - натуральное значение фактора;
Х0 - нулевой уровень;
- интервал варьирования факторов.
Сопоставление результатов расчета параметров по формулам (3) и (4) с данными экспериментов показало удовлетворительное соответствие их рассмотренным выше качественным закономерностям изменения прочности грунтов от факторов /?, (1 и м>. Лучшие результаты получены для значений параметра Хъ (IV) = 0,205 . Уточненные количественные критерии такого соответствия можно получить путем проведения многократных повторов испытаний с использованием статистических оценок [6].
2 Результаты испытаний смесей обломочно-глинистых грунтов ненарушенного состояния
Наряду с исследованиями модельных смесей был проведен комплекс испытаний обломочно-глинистых грунтов на сдвиг ненарушенного состояния для обоснования строительства ряда радиотрансляционных башен высотой 75... 85 м. на территориях Павлодарской и Акмолинской областей.
Испытывались грунты естественных оснований башен Бозщеколь, Щидерты (Павлодарская область), Кенес, Рождественка, Приозерное, Максимовка (Акмолинская область) глины, суглинки и супеси, с включениями дресвы и щебня от 20 % до 40 %. Максимальный размер обломочных включений не превышал, в основном, 10... 15 мм. Испытаниям подвергались грунты естественной влажности и в состоянии полной водонасыщенности. Характерные результаты исследований влияния содержания (КОС) на прочность грунтов приведены на рисунке 4.
а) С, КПа
■
б) \ <р, град
30
40
20
20
10
2
п,%'
п,%
0 20-40 60
0 20 40 60
1 - Кенес (супесь твердая); 2 - Рождественка (дресвяный грунт с заполнителем из водонасыщенного суглинка)
Рисунок 4 - Зависимости сцепления (а) и угла внутреннего трения (б) от содержания крупнообломочных частиц
Основные результаты исследований влияния влажности на прочность грунтов с различным содержанием КОС приведены на рисунке 5.
а)
0,3 0,2 0.1
т,МПа
5)
0,3 0,2 0.1
сг, МПа
т, МПа
0 ОД 0,2 0,3
а, МПа
I '
0 0,1 0,2 0,3
а, МПа
и. МПа
0 0,1 0,2 0,3 0 0,1 0,2 0,3 — - природное состояние;-----водонасыщенное состояние
а) - Щидерты; б) - Рождественка (супесь); в) - Рождественка (дресвяный грунт с заполнением суглинка): г) - Бозщеколь; д) - Кенес; е) - Приозерное
Рисунок 5 - Зависимости т^ = /(а) для различных значений влажности грунтов
В таблице 1 приведены результаты вычислений параметров прочности исследованных грунтов с использованием ПЭВМ [5].
Таблица 1 - Параметры физико-механических свойств грунтов
Местоположение башен Наименование грунта Природная влажность Удельный вес у, кН/м3 Содержание дресвы и щебня п Сцепление грунта С, КПа Угол внутреннего трения ф, град
Щидерты Суглинок твердый 0,20 20,9 До 0,2 57 19* 31 29^
Глина твердая 0,17 22,3 До 0,2 167 21
Бозщеколь | Суглинок 0,29 18,5 До 0,2 50 45* 34 26*
; Кенес Супесь твердая 0,04 18,4 От 0,15 до 0,40 65,5 59* 35 37*
Рождественка Супесь твердая 0,03 19,0 До 0,2 12,1* 28*
Дресвяный грунт с заполнителем из суглинка твердого до 30%. 0,10 20,6 До 0,7 113 25,4* 35 19*
Приозерное Супесь текучая 0,18 18,9 До 0,25 0 27*
* - водонасыщенное состояние
Проведенный анализ опытных данных показал, что закономерности деформирования и прочности грунтов природного состояния качественно соответству ют рассмотренным выше данным испытаний искусственных смесей. Так, для твердых супесей основания башни Кенес получены следующие зависимости прочностных характеристик от содержания крупнообломочных включений для интервала л = 0,2...0,4
С = 55,7 + 35,3п, КПа, ср = 31,4 +14,0и, град. (6)
Водонасыщение грунтов приводит к снижению сцепления в 1,1... 4,4 раза (для дресвяного грунта с заполнителем из суглинка) и изменению угла внутреннего
трения от 7 до 80 %, в зависимости от показателей физико-механических характеристик крупнообломочной и мелкообломочной составляющей грунта.
Заключение
Таким образом, результаты проведенных испытаний подтверждают армирующее влияние включений на прочностные свойства грунтов, Использование уравнений вида (3), (4) и (6) позволяет установить связь между параметрами прочности, структуры и физического состояния грунтов, более полно исследовать характеристики их прочности в основаниях сооружений, а также повысить эффективность инженерно-геологических изысканий площадок строительства на структурно-неоднородных грунтах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоров В.И. Прогноз прочности и сжимаемости оснований из обломоч-но-глинистыхгрунтов.-М.: Стройиздат, 1988. - 136 с.
2. Зиангиров P.C., Кальбергенов Р.Г., Черняк Э.Р. Методика определения прочностных свойств крупнообломочных грунтов // Инженерная геология. - 1988. -№3.~ С. 73-90.
3 Ухов С Б., Конвиз A.B., Семенов В.В. Механические свойства крупнообломочных грунтов с заполнителем // Основания, фундаменты и механика грунтов.-1993.-№ 1.-С.2-7.
4. Кульжигигов Р.К., Козионов В.А. Влияние включений дресвы на прочность глинистых грунтов при сдноплоскостном сдвиге // Материалы международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения». Том 20, ч. 1. - Павлодар: НИЦ ПТУ им. С. Торайгырова, 2007. - С. 153-157.
5. Козионов В.А. Методы лабораторных испытаний грунтов. - Павлодар: НИЦ ПТУ им. С. Торайгырова, 2006. - 109 с.
6. Гринин A.C., Орехов H.A., Новиков В.Н. Математическое моделирование в экологии.-М.. ЮНТИ-ДАНА, 2003. - 269 с.
