CC BY
6
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 624.138
ПРИМЕНЕНИЕ АРМОЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПЕРЕРАБОТАННОГО ДРОБЛЕНОГО БЕТОНА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ИЛИСТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
Аль-Екаби Хаки Хади Аббуд, А.Ю. Прокопов
Методами физического моделирования на лабораторных моделях исследована возможность улучшения состояния водонасыщенного илисто-глинистого грунта путем использования армоэлементов из переработанного дробленого бетона. Целью исследования является изучение влияния армоэлементов из переработанного дробленого бетона на осадку и несущую способность грунта, а также изменение модуля деформации грунта и параметров разрушения грунта основания, в котором часть илисто-глинистого грунта была заменена переработанным битым бетоном. Результаты показали, что основание из илисто-глинистого грунта в результате закрепления армо-элементами из переработанного дробленого бетона значительно повышает несущую способность. Используемый подход позволяет существенно изменить напряженно-деформированное состояние основания, сложенного илисто-глинистыми грунтами, уменьшить осадку и перераспределить нагрузку через армоэлементы, включая в работу более глубокие слои грунта. Исследование позволяет расширить область применения армоэлементов на основе вторичного бетона как для природных, так и для искусственных оснований. Изучение прочностных и деформационных свойств этого материала важно для его использования в дорожном строительстве, устройстве земляных насыпей и грунтовых оснований.
Ключевые слова: вторичный щебень, набухающий грунт, щебеночно-бетонные армоэлемерты, осадка грунта, дорожное строительство, основание фундаментов.
Введение
Глинистый грунт называют набухающим, если он обладает способностью сжиматься и расширяться в результате изменения влажности. Начальное содержание воды, начальная плотность, состав глинистых минералов, содержание глинистых частиц, структура грунта, мощность толщи, концентрация соли и т.д. являются основными факторами, влияющими на параметры набухания большинства грунтов [1].
Деформации глинистого грунта создают серьезный риск для сооружений, особенно легких по весу, таких как одноэтажные здания, покрытия аэродромов, автомобильные дороги и фундаменты мелкого заложения [2]. Несмотря на то, что к устройству вертикальных армирующих элементов предъявляются повышенные технико-экономические требования, инженеры-проектировщик часто используют его для замены части проблемного набухающего грунта грунтом с улучшенными строительными свойствами. Учеными разработано множество методов, материалов и технологий для улучшения свойств грунтов. Применение химических добавок, включая известь, цемент, золу уноса и асфальт, является одними из старейших и наиболее известных методов стабилизации набухающего грунта [3]. Известно несколько подходов (Хаттаб и др.) к снижению опасности набухания грунта путем перемешивания его с песком [4] и другими материалами [5]. Использование извести из промышленных отходов для уменьшения набухания и улучшения строительных свойств грунта является недавним примером использования отходов для управления характеристиками набухания. Бехития и др. [6] изучали поведение набухания и прочность цементированного бентонитового глинистого грунта, обработанного волокнами отработанной резины для шин. С другой стороны, результаты исследований Сигнес и др. показали, что при повышении содержания волокон шинной резины и количества цемента относительная деформация набухания и давление набухания неуклонно снижаются. Чтобы уменьшить деформацию и возможность расширения грунта, Сельвакумар и Саундара [7] использовали отходы в виде гранулы вспененного пенополистирола (EPS) для создания в грунте столбов из гранул геопены.
Каждый год разрушается и демонтируется большое количество зданий и сооружений, построенных из бетона. Дробленый бетон широко доступен и может быть применен в самых разных областях. В настоящем исследовании вместо части природного набухающего грунта использовался вторичный измельченный бетон для устранения набухания грунтового основания. Армоэлементы устраиваются в виде вертикальных колоннами из дробленого бетона. Это также улучшает состояние грунта, как при низких, так и высоких значениях влажности.
Корреляция между механическими характеристиками смеси и ее гранулометрическим (зерновым) составом находится одним из методов определения прочности крупнозернистого грунта на сдвиг. Такие исследования грунтов ранее выполнялись Болтоном [9, 10], Симони и Хоулсби [8], которые изучали различные комбинации глины и ила.
Болтон [2] собрал значительное количество данных по 17 глинам в экспериментах по осесимметричной и плоскостной деформации при различных относительных плотностях и ограничениях с целью изучения прочностных и дилатансионных свойств глин. Было установлено, что
максимальный угол расширения фтах является функцией критического состояния или постоянного угла объемного трения который сам по себе является функцией минералогии почвы, и что максимальный угол трения глинистой почвы является функцией критического состояния или постоянного угла объемного трения. Эти зависимости показаны в уравнении.
ф' + 0$¥=фтаХ. (1)
Чтобы связать уравнение (1) для условия плоской деформации с новым индексом (IR), Болтон [9] установил относительную плотность (ID) в процентах и эффективный уровень закрепления при разрушении (P) в кПа:
Ir=Id (10-lnP)-1, (2)
0,8 ^max=5 Ir . (3)
Целью статьи является изучения влияние армоэлементов из переработанного дробленого бетона на несущую способность водонасыщенно-го глинистым грунта.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) модернизирована геотехническая лаборатория современным оборудованием
2) Создана лабораторный экспериментальный стенд, состоящий из лотка с глинистым грунтом и армоэлементами, и измерительной системы;
3) Выполнены лабораторные эксперименты для изучения напряженно-деформированного состояния естественного грунта в сравнении с грунтом, закрепленным армоэлементами из переработанного вторичного бетона.
Результаты и обсуждение
Характеристика переработанного разрушенного бетона: в данном исследовании бетон был смешан в соотношении 1:2:4. Вещество было измельчено и пропущено через сито диаметром 9,51 мм, которое используется для улучшения характеристик почвы.
Характеристика грунтов: в данном исследовании была использованы грунты из города Аль-Кут в Ираке, которая представлены водонасы-щенными алеврито-глинистыми грунтами.
Для определения механических и физических свойств грунтов были проведены следующие типовые идентификационные испытания.
1. Определение удельного веса Gs в соответствии со стандартом ASTM D-854-00. Результаты испытаний представлены в табл. 1.
2. Определение гранулометрического (зернового) состава в соответствии с процедурой испытаний (ASTM) D 422 - 01 Standard Test Method for Sieve Analysis (ASTM 2001). Гранулометрический состав исследованных грунтов представлен в табл. 1.
3. Испытания на максимальную и минимальную индексную плотность в соответствии с ASTM D 4253-00 «Стандартный метод испытаний
на максимальную индексную плотность и удельный вес грунтов с использованием вибрационного стола» и ASTM D 4254-00 «Стандартный метод испытаний на минимальную индексную плотность и удельный вес грунтов и расчет относительной плотности».
Таблица 1
Физико-механические характеристики естественного грунта
Свойство Значение Стандарт испытаний
Гранулометрический состав грунта: ASTM D422-01
- песок 3,5 %
- ил 31,5 %
- глина 65 %
Эффективный размер
Dlo 0,14 мм
Dзo 0,24 мм
D60 0,27 мм
Коэффициент однородности С 1,98
Коэффициент кривизны ^ 1,60
Классификация (ШСБ)
Удельный вес Gs 2,68 ASTM D854-00
Удельный вес сухого грунта ASTM D4253-00
Максимальный удельный вес сухого грунта, jd (max) 17,3 кН/м3
Минимальный удельный вес сухого грунта, yd (min) 14,1 кН/м3
Коэффициент пористости:
Максимальный коэффициент пористости, emax 0,82
Минимальный коэффициент пористости, етт 0,55
Пределы Аттерберга: ASTM D4318-00
Предел текучести 46,4 %
Предел пластичности 32,8 %
Описание модели для лабораторных испытаний. Созданная для проведения исследований физическая модель состоит из следующих элементов.
1. Стальной контейнер. Все испытания модели проводились в стальном контейнере размерами: 300 х 300 х 400 мм (рис. 1). Он изготовлен из пяти стальных пластин, соединенных сваркой (основание и четыре стороны). Все компоненты контейнера изготовлены из стальной пластины толщиной 3 мм. По мере подготовки грунтового слоя и во время испытания контейнер укрепляют, чтобы предотвратить любое боковое смещение. Размеры резервуара были выбраны таким образом, чтобы обеспечить стабильное давление внутри грунтовой среды на протяжении всего испытания на нагрузку.
2. Система приложения осевой нагрузки (испытательное устройство UC) Для приложения осевой нагрузки используется стандарт-
ная процедура испытания прочности на сжатие связного грунта в неограниченном состоянии ASTM D2166
3. Динамометрическое кольцо. Применяемое динамометрическое кольцо рассчитано на усилие 50 кН и имеет точность измерения перемещений 0,001 мм.
Рис. 1. Стальной контейнер Рис. 2. Глинистый грунт,
отобранный для моделирования
Подготовка грунтового слоя. Грунт (рис. 2) был подготовлен путем отбора и укладки в контейнер с предварительным взвешиванием в цилиндре; всего использован грунт массой 43 кг, чтобы получить требуемое значение удельного веса. Затем в модель добавляли воду до полного водо-насыщения (со степенью водонасыщения Бг = 1).
До начала основных испытаний было проведено тестовое загруже-ние грунта, при этом модель тестировалась стандартным грузом, перемещающимся со скоростью 1 мм/с.
Процедуры тестирования. Предварительно производится взвешивание грунта и его уплотнение в контейнере. Затем рассчитывается содержание воды, которая добавляется в грунт без переработанного дробленого бетона. Наконец, использован тестовый армоэлемент в виде колонки, установленной в центре цилиндра с переработанным дробленым бетоном, прошедшим через сито диаметром 9,51 мм (рис. 3).
Далее представлены выводы лабораторных испытаний на стенде (рис. 4), проведенных для определения несущей способности грунтовых оснований с использованием армоэлементов в виде свай из переработанного дробленого бетона.
Выбор критерия разрушения. Для определения нагрузки разрушения фундамента и свай был выдвинут ряд критериев. Согласно Fellenius, 2009 [11] приведем некоторые из этих требований:
1. Согласно критериям Терцаги (1947) используемым в данном исследовании, отказ определяется как нагрузка, которая вызывает смещение на 10% от ширины моделируемого фундамента или диаметра сваи.
2. Идея Де Бира (1968) [12] (по сообщению Винтеркорна и Фанга, 1975) [13]. После построения графика зависимости между нагрузкой и осадкой на логарифмической шкале несущая способность измеряется на пересечении двух прямых с разными наклонами. Состояние разрушения представлено этой точкой разрыва.
Рис. 3. Цилиндр для формирования армоэлементов из вторичного бетона
Дннамометрнческое кольцо Стрелочный ннднкатор Стальной контейнер
Рис. 4. Испытательный стенд
3. Критерий определения разрушения по касательной, где отказ определяется как точка, в которой соединяются две касательные к кривым зависимости нагрузки от сечения. Первая касательная относится к верхней, более плоской части кривой, а вторая к нижней, более плоской части кривой.
4. Метод Чин-Конднера, который был предложен в 1970 году, предполагает, что кривая расчета под нагрузкой принимает гиперболическую форму по мере приближения к нагрузке разрушения. Каждое значение нагрузки делится на соответствующее ему значение осадки, и полученное значение выводится на график осадки. Поскольку построенные значения лежат на прямой линии, нагрузка разрушения по Чину определяется обратной величиной наклона этой линии.
5. Идея Дэвиссона (1972) [13]: движение, превышающее упругое сжатие сваи на величину 0,15 дюйма (4 мм) плюс коэффициент, равный диаметру сваи, деленный на 120, называется нагрузкой разрушения.
6. Методика Декурта (1999) [14]: связанная с каждой нагрузкой осадка делится на соответствующую нагрузку, и полученное число затем сравнивается с приложенной нагрузкой. Линия определяется с использованием линейной регрессии. Декурт определил предельную нагрузку как точку, в которой эта линия пересекает ось нагрузки.
Влияние армоэлементов в виде столбов из дробленого бетона на несущую способность: Сравнительные результаты, полученные на образцах естественного водонасыщенного грунта, и на образцах грунта, содержащих армоэлемент из вторичного дробленого бетона, показаны в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытаний естественного грунта и грунта с армоэлементом в виде вертикального армоэлемента_
Естественный водонасыщенный грунт Грунт с армоэлементом (сваей из вторичного дробленого бетона)
Время, Нагрузка, Осадка, Время, Нагрузка, Осадка,
мин Н мм мин Н мм
1 2 3 4 5 6
0 0 0 0 0 0
0,1 11 0,4 0,1 15 0,146
0,2 23 0,63 0,2 21 0,421
0,3 44 0,867 0,3 30 0,645
0,4 56 1,214 0,4 31 0,845
0,5 50 1,307 0,5 38 1,098
1 57 1,513 1 45 1,346
1,1 60 1,699 1,1 50 1,593
1,2 62 1,916 1,2 58 1,817
1,3 68 2,175 1,3 61 2,035
1,4 70 2,365 1,4 66 2,279
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6
1,5 70 2,602 1,5 64 2,437
2 76 2,846 2 70 2,699
2,1 79 3,094 2,1 80 2,995
2,2 80 3,311 2,2 80 3,142
2,3 80 3,533 2,3 90 3,409
2,4 86 3,814 2,4 91 3,661
2,5 89 4.046 2,5 94 3,929
3 90 4,241 3 100 4,123
3,1 90 4,481 3,1 100 4,298
3,2 90 4,759 3,2 109 4,555
3,3 92 4,959 3,3 111 4,871
3,4 91 5,218 3,4 113 5,016
3,5 90 5,437 3,5 116 5,252
4 89 5,696 4 116 5,469
4,1 92 5,947 4,1 123 5,707
4,2 92 6,161 4,2 130 5,952
4,3 94 6,352 4,3 133 6,175
4,4 95 6,441 4,4 134 6,356
4,5 95 6,578 4,5 140 6,54
5 110 6,818 5 145 6,904
5,1 111 7,019 5,1 150 7,197
5,2 110 7,259 5,2 141 7,197
5,3 110 7,495 5,3 150 7,541
5,4 110 7,802 5,4 160 7,819
5,5 118 8,012 5,5 160 7,976
6 118 8,245 6 161 8,209
6,1 118 8,378 6,1 164 8,484
6,2 120 8,695 6,2 170 8,673
6,3 120 8,974 6,3 172 8,919
6,4 130 9,168 6,4 169 9,111
6,5 120 9,38 6,5 172 9,373
7 120 9,826 7 181 9,643
7,1 130 9,904 7,1 182 9,846
7,2 130 10,012 7,2 183 10,063
Влияние колонн из измельченного бетона на несущую способность. В этом разделе рассматривается, как использование армоэлементов в виде свай из переработанного измельченного бетона влияет на максимальную несущую способность модели глинистого грунта (рис. 5).
Использование колонн из переработанного дробленого бетона повысило предельную несущую способность и уменьшило оседание глинистых грунтов, как показано на рис 5.
А Г
/
Г* -—
/
/ /
и
О 123456789 10 11
Осадка, мм
-Естественный грунт -грунте армоэлементом из дробленого бетона
Рис. 5. Зависимость осадки грунта от нагрузки
Вывод. В этом исследовании было показано, как добавление дробленого бетона в армоэлемент повлияло на ряд параметров водонасыщенно-го глинистого грунта. При сравнении таблиц и диаграмм, которые были получены на основе тестируемой модели грунта, наблюдалось заметное изменение несущей способности грунта, увеличение нагрузок, оказываемых на него, и гораздо меньшее значение осадки грунта.
Увеличение несущей способности армированного грунта по сравнению с естественным состоянием составило 38%. Благодаря уменьшению осадки армоэлементы из измельченного вторичного бетона работали лучше, чем естественный грунт. Когда увеличилось количество армоэлемен-тов из измельченного бетона, вертикальное набухание глинистого грунта постепенно уменьшалось.
Набухание грунта замедлялось при добавлении армоэлементов из дробленого бетона. Увеличение толщины армоэлементов из дробленого бетона замедляло набухание грунта с низким начальным содержанием воды. Использование армоэлементов из дробленого бетона более эффективно для уменьшения вертикального набухания, чем использование грунта с высоким начальным содержанием воды.
Вертикальное набухание продолжало увеличиваться с течением времени. Скорость набухания уменьшается по мере увеличения толщины дробленого бетона. Армоэлементы из дробленого бетона более эффектив-
ны для предотвращения вертикального набухания в грунте с высокой фильтрацией, чем в грунте с низкой фильтрацией.
Список литературы
1. Basma A.A., Al-Homoud A.S., Husein A. Laboratory assessment of swelling pressure of expansive soils // Applied Clay Science. 1995. №9(5). Р. 355-368.
2. Zhang, X. Consolidation theories for saturated-unsaturated soils and numerical simulation of residential buildings on expansive soils: Ph.D dissertation, 2005. Texas A&M University.
3. Aljobouri M. M. K. Study of the effect of combined stabilization by lime and cement of soil selected from Mosul area on its engineering properties especially hydraulic // M.Sc. Thesis in Civil Engineering. 2007. Mosul University. Iraq
4. Al-Timimie Y. K. H. Improvement properties of expansive soils using sand // M.Sc. Thesis, Civil Engineering, Al-Mustansiriya University, Iraq. 2002.
5. MA Al-Kiki I., AK Al-Juari K. and Khattab A.A., Strength, durability and hydraulic properties of clayey soil stabilized with lime and industrial waste lime // Al-Rafidain Engineering Journal (AREJ). 2008. №16(1). Р. 102-116.
6. Bekhiti M., Trouzine H., Rabehi M., Influence of waste tire rubber fibers on swelling behavior, unconfined compressive strength and ductility of cement stabilized bentonite clay soil // Construction and Building Materials. 2019. №208. Р. 304-313.
7. Selvakumar S., Soundara B. Swelling behaviour of expansive soils with recycled geofoam granules column inclusion // Geotextiles and Geomem-branes. 2019. №47(1). Р. 1-11.
8. Simoni A., Houlsby G.T. The direct shear strength and dilatancy of sandgravel mixtures // Geotech. and Geol. Engrg. 2006. №24(3). Р. 523-549.
9. Bolton M.D. The strength and dilatancy of sands // Géotechnique. 1986. №36(1). Р. 65-78.
10 Bolton M.D. The strength and dilatancy of sands. Discussion // Géotechnique. 1987. №37(1). Р. 219-226.
11. Fellenius H.B. Basics of Foundation Design. Electronic Edition (The Red Book), 2009.
12. DeBeer E.E. Proefondervindlijke bijdrage tot de studie van het grensdraag vermogen van zand onder funderingen op staal // Tijdshift der Open-bar Verken van Belgie. 1967. No. 4. 5. 6. 1968.
13. Davisson M.T., High capacity piles // Proceedings of Lecture Series on Innovations in Foundation Construction. American Society of Civil Engineers, ASCE, Illinois Section, Chicago, 1972. March 22. Р. 81 - 112.
14 Decourt L. Behavior of foundations under working load conditions // Proceedings of the 11th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Ge-
otechnical Engineering, Foz DoIguassu, Brazil, August 1999. Vol. 4. Р. 453 -488.
Аль-Екаби Хаки Хади Аббуд, аспирант, haqqi@uowasit. edu.iq, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
USING RECYCLED CRUSHED CONCRETE COLUMNS TO STABILIZE FULLY SATURATED SILTY CLAY SOIL
Al-Eqabi Haqi H.A., A.Yu. Prokopov
The improvement of fully saturated silty clay soil using columns of recycled crushed concrete is the subject of this paper's laboratory model studies. This study is being done to examine how recycled crushed concrete affects settlement control and bearing capacity. The research also examined the variation in subgrade modulus as well as the cause of a shallow circular footing's failure on soil where silt clay layer soil had been substituted with recycled broken concrete. The results demonstrated that combining both a partly replaced column of silty clay soil and a column of recycled crushed concrete significantly improves load bearing capability. The approach used may drastically alter the footing's stress displacement curve when it is resting on silty clay soil, reduce settlement, and make the replacement soil block within the container act as a deep foundation. Consequently, a foundation supported by silty clay may have its bearing capacity failure mechanism changed at the top of a column constructed of recycled crushed concrete, from exclusive settling to general bearing capacity failure. The use of fills with shattered concrete in them, whether natural or manmade, is growing. Hence, research into the bearing and deformation properties of this material is important for application areas such road construction, soil replenishment, and embankments.
Key words: circular footings, expansive saturated soil, crushed concrete columns, soil settlement.
Al-Eqabi Haqi Hadi Abbood, postgraduate, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Prokopov Albert Yurievich, Doctor of Engineering. sciences, prof., hea. Of chair, prokopov [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Basma A.A., Al-Khomud A.S., Hussein A. Laboratory assessment of swelling pressure of expansive soils // Applied science of clay, 1995. No.9(5). pp. 355-368.
2. Zhang, X. Compaction theories for saturated-unsaturated soils and numerical modeling of residential buildings on expansive soils: PhD dissertation, 2005. Texas A&M University.
3. Aljoburi M. M. K. Investigation of the effect of combined stabilization with lime and cement of the soil selected in the Mosul area on its engineering properties, especially hydraulic // M.Sc Thesis on civil engineering, 2007. Mosul University. Iraq
4. Al-Timimi Yu. K. Kh. Improving the properties of expansive soils using sand // M.Sc Thesis, Civil Engineering, Al-Mustansiriyah University, Iraq. 2002.
5. MA Al-Kiki I., AK Al-Khuari K. and Khattab A.A., Strength, durability and hydraulic properties of clay soil stabilized with lime and industrial waste // Al-Rafidain Engineering Magazine (AREJ), 2008. №16(1). P. 102-116.
6. Behiti M., Truzin H., Rabehi M., The effect of spent tire rubber fibers on swelling, unlimited compressive strength and plasticity of cement-stabilized bentonite-clay soil // Construction and Building materials, 2019. No. 208. pp. 304-313.
7. Selvakumar S., Soundara B. Behavior during swelling of extensive soils with the inclusion of secondary foam granules in the column // Geotextiles and Geomembranes, 2019. No. 47(1). pp. 1-11.
8. Simoni A., Holesby G.T. Strength for direct shear and extensibility of sand-gravel mixtures // Geotechnics. and Geol. Engrg., 2006. №24(3). P. 523-549.
9. Bolton M.D. Strength and extensibility of sands" Geotechnics, 1986. No. 36(1). pp. 65-78.
10 Bolton M.D. Strength and extensibility of sands. Discussion. Geotechnics., 1987. №37(1). P. 219-226.
11. Fellenius H.B. Fundamentals of foundation design. Electronic edition (Red Book), 2009.
12. Debeer E.E. A project aimed at achieving the goal of studying van het grens-draag, vermogen van sand, fonderingen op Staal // Shift in an open bar in Belgium, 1967. № 4. 5. 6. 1968.
13. Davisson M.T., Big Piles load capacity // Materials of a series of lectures on Innovations in Foundation Construction, American Society of Civil Engineers, ASCE, Illinois Section, Chicago, 1972. March 22. pp. 81 - 112.
14 Dekur L. Behavior of foundations under workload conditions // Proceedings of the 11th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Design, Foz Doiguazu, Brazil, August 1999. Volume 4. pp. 453 - 488.
