CC BY
18ВыскребенцевВ.С., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЁССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
vovagjan@mail.ru
На основании статической обработки полученных результатов составлены таблицы для определения Cw и (pw при интенсивности сейсмодействия (динамического) при J=7-8 баллов и
коэффициенте водонасыщения Sr = 0,8, при различных методах уплотнения грунтов.
Ключевые слова: просадочный грунт, угол внутреннего трения, плотность, прочность грунта, связность грунта, структурное сцепление, сейсмическое воздействие._
Прочностные свойства лёссовых просадочных грунтов характеризуются, как отмечалось рядом исследователей [1-5], двумя показателями: углом внутреннего трения «ф» и сцепления «С». С повышением влажности просадочного грунта до полного водонасыщения с учётом динамических нагрузок сцепление снижается в 3-10 раз, а угол внутреннего трения в 1,1-1,4 раза. С повышением степени плотности сцепление и угол внутреннего трения возрастают.
Учитывая сложные гидрогеологические условия: сейсмичность района, постоянное динамическое воздействие на транспортные сооружения, а также возможность постоянной инфильтрации (по всей площади и локально), и практически ликвидации зоны аэрации под дорогами. При проектировании следует принимать в расчетах ф и С для грунтов при прогнозируемой фактической влажности, с учётом приложения динамических нагрузок [8,
9].
Установлено, что ослабление внутренних связей прогрессирует за счет
гидродинамического противодавления,
обусловленного динамическим напором (избыточным давлением), возникающим в толще грунта в процессе уплотнения нарушенных структур частиц. Все это позволяет оценивать величину сопротивляемости лёссовых грунтов при интенсивных динамических воздействиях следующим выражением:
^ = Р -Ав-^)• tgvw + +Сс (1)
где Р - нормативные напряжения от веса грунта, лежащего выше рассматриваемого горизонта, и веса сооружения; Дв - объемный вес воды; И( - динамический напор, отвечающий моменту времени 1; (рк - угол внутреннего трения при влажности -
связность грунта, имеющая водно-коллоидную
природу и отвечающая моменту времени t; Cc -
структурное сцепление, обязанное проявлению в грунтах цементации, спеканию и кристаллизации.
Как известно, сопротивляемость грунтов охарактеризована проф. Н.Н. Масловым [6, 7]. При t=0 соответственно ht=0 и = , тогда
данное выражение приобретает общеизвестный вид:
Spw = PntgVw + +Сс
(2)
Анализ многочисленных опытов с лессовыми грунтами многих учёных, позволил установить характер изменения связанности грунта в начальные моменты приложения динамической нагрузки, близкой к зависимости
^w,t ^w, У
(3)
- соответственно начальное и
конечное значения связанности грунта; ^ -динамический параметр, характеризующий свойства грунта и силу динамического воздействия; 1 - длительность сотрясения. Формула (3) вполне сопоставляется с экспериментальными данными.
Исследования показывают, что в процессе нарушения структуры лёсса в любом горизонте водонасыщенной толщи динамический напор прогрессивно возрастает во времени, до своей максимально возможной величины,
соответствующей заданному динамическому режиму при данной плотности и степени разрушения связанности, а затем относительно медленно падает.
Очевидно, возрастание динамического напора во времени на горизонте Ъ связываются с постепенным увеличением количества воды, освобождающейся во времени из объема грунта, охваченного сейсмическим воздействием. Для прогноза возрастающей величины
динамического напора предложена формула
Н
к
К =
V Lt
2кф
где Уп - коэффициент уплотнения, свидетельствует уплотнения данного грунта динамической нагрузки;
(4) где акр - критическое ускорение, при котором
кф -
динамического о скорости при заданной коэффициент
фильтрации грунта; Ь - активная, переходящая в наружное состояние зона, определяемая по выражению:
_Г„ЫТУас -(Р^ + О,) гЛч>*
L =■
(5)
где yw - объемный вес грунта; g - ускорение
силы тяжести; T - период колебаний; V -скорость распространения сейсмических волн; ac - максимальное сейсмическое ускорение;
P0 - нагрузка от веса сооружения; Cw - общее
сЦепление ( Cw = Zw +Сс )•
В связи с ослаблением во времени прочности грунта, при сотрясении величина активной зоны, определяемой по формуле (5), будет иметь другое значение, и определяться с учетом изменения прочностных характеристик грунта:
rJgTVac -[(P0 -АСК)tg(w + Cwj J
L =■
Ywtg(w
(6)
При решении задач, связанной с оценкой динамической (сейсмической) устойчивости грунтов наиболее важно установление критерия перехода их в динамически нарушенное состояние. Для этой цели предложена формула:
начинается нарушение структуры грунта, согласно предложения Х.З. Расулова [9].
Учитывая вышесказанное, основная задача заключалась в определении характера изменения связности грунта при изменении степени влажности и динамическом воздействии, точнее интенсивности и длительности ожидаемого сотрясения.
Изучались лёссовые просадочные грунты с пористостью от 36 до 50 %. Образцы отбирались в шурфах глубиной до 20 м (эти же образцы использовались для изучения просадочности).
При проведении экспериментов
использовалась теория проф. Н.Н. Маслова -теория «плотности-влажности».
На основании статической обработки полученных результатов составлены (таблицы 1-4) для определения Cw и ( при
интенсивности сейсмодействия (динамического) при J=7-8 баллов и коэффициенте водонасыщения Sr = 0,8.
Учитывая, что на Юге Украины и Северного Кавказа и других регионов широкое распространение имеют среднепросадочные грунты с пористостью n=43-48 %, обладающие низкими прочностными характеристиками и высокой деформационной способностью, возникает необходимость применения различных методов уплотнения грунтов.
Так же получены значения удельного сцепления C , МПа и угла внутреннего трения
akp =
(7)
^, град. лессовых грунтов при 8Г >0,8 при
стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия и 1=7-8 баллов при Wp от 0,15 до 0,21 и коэффициенте пористости е =0,5-0,7.
Таблица 1
Рекомендуемые значения удельного сцепления СК , МПа и угла внутреннего трения ^, град. лессов при 8Г = 0,8 (при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов)
g(Pntg(w + Cw )
YwTV
W показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
0,13 CW 9W 0,014 24°50' 0,011 24°25' 0,008 24° 0,007 23°10' 0,06 22°35' 0,05 22° 0,04 21°20'
0,15 CW 9W 0,027 23°40' 0,021 23°25' 0,016 22°50' 0,013 22°25' 0,012 21°50' 0,01 21°20' 0,008 21°
0,17 CW 9W 0,036 22°45' 0,033 22°15' 0,029 21°45' 0,024 21°20' 0,02 20°45' 0,017 20°20' 0,015 19°40'
0,19 CW 9W 0,037 22°10' 0,034 21°35' 0,031 20°15' 0,028 19°45' 0,024 19°20' 0,02 18°50'
0,21 CW 9W 0,036 19°15' 0,032 18°40' 0,03 18°30' 0,027 18°
0,23 CW 9w 0,034 17°40' 0,031 17°25'
Продолжение таблицы 1
Wp показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,8 0,85 0,9 0,95 1,0
0,15 фw 0,007 20°25' 0,006 19°55' 0,005 19°30' 0,004 19° 0,003 18°40'
0,17 фw 0,014 19°20' 0,013 18°55' 0,011 18°33' 0,01 18°05' 0,009 17°40'
0,19 сw фw 0,018 18°25' 0,016 18° 0,015 17°40' 0,014 17°20' 0,013 17°
0,21 CW фw 0,024 17°40' 0,020 17°20' 0,019 17° 0,017 16°20' 0,016 15°45'
0,23 сw фw 0,029 17° 0,026 16°10' 0,024 15°40' 0,02 15° 0,019 14°20'
Таблица 2
Рекомендуемые значения удельного сцепления Ск , МПа и угла внутреннего трения (рк, град. лессовых грунтов при 8Г >0,8 (при быстром сдвиге без предварительного обжатия образцов)
Wp показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
0,13 сw фw 0,016 23°40' 0,013 23°20' 0,01 23° 0,009 22°40' 0,007 22°10' 0,006 21°50' 0,005 21°30'
0,15 CW фw 0,03 22°40' 0,024 22°15' 0,019 21°40' 0,016 21°15' 0,014 20°50' 0,012 20°20' 0,01 20°00'
0,17 CW фw 0,041 21°15' 0,037 20°45' 0,033 20°15' 0,028 20°00' 0,024 19°25' 0,021 19°00' 0,018 18°30'
0,19 сw фw 0,043 20°30' 0,039 20°00' 0,036 18°45' 0,033 18°15' 0,028 18°00' 0,024 17°30'
0,21 CW фw 0,042 17°40' 0,037 17°25' 0,035 17°15' 0,032 17°00'
0,23 сw фw 0,042 16°40' 0,038 16°30'
W "р показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,8 0,85 0,9 0,95 1,0
0,15 сw фw 0,009 19°25' 0,008 18°55' 0,006 18°35' 0,005 18°00' 0,004 17°45'
0,17 сw фw 0,017 18°00' 0,016 17°45' 0,013 17°20' 0,012 17°00' 0,011 16°40'
0,19 CW фw 0,021 17°10' 0,019 16°50' 0,018 16°40' 0,016 16°30' 0,014 16°00'
0,21 сw фw 0,028 16°40' 0,024 16°35' 0,022 16°10' 0,019 15°40' 0,017 15°00'
0,23 сw фw 0,035 16°10' 0,031 15°20' 0,028 15°00' 0,023 14°20' 0,021 13°50'
Для лёссовых грунтов, обладающих при замачивании просадочными свойствами, определенный интерес представляет величина обжимающего вертикального давления, увязанная с начальным давлением или порогом просадочности.
Для определения С и ^в начале давались уплотняющие нагрузки меньше, чем начальное давление просадочности, для серии образцов отобранных с глубины 2,0 м. Характеристики грунта были следующие: ра=1,60 г/см3; е =0,939; ^^ОДТ; ^^=0,30 относительная просадочность при р =0,12 и 0,3 МПа составила
соответственно 0,014; 0,037 и 0,052. Часть водонасыщенных образцов грунта (серия 1) предварительно уплотнилась при давлениях: р = 0,02; 0,04; 0,06 МПа и испытания на срез проводились при этих же давлениях.
Для части водонасыщенных образцов грунта (серия 2) образцы предварительно уплотнялись при давлении р = 0,06 МПа, и затем производился их сдвиг при давлениях р = 0,02; 0,04; 0,06 МПа. А третья группа образцов (серии 3) грунта естественной влажности и в водонасыщенном состоянии, уплотнялись и срезались при давлениях р = 0,1; 0,2; 0,3 МПа. А
также ряд образцов (серии 4) при тех же срезались при давлении р = 0,1; 0,2; 0,3 МПа значениях влажности предварительно (табл. 5). уплотнялись при давлении р = 0,3 МПа, и
Таблица 3
Рекомендуемые значения удельного сцепления Ск , МПа и угла внутреннего трения , град. лессовых грунтов при 8Г =0,8 и интенсивности сейсмического воздействия ^7-8 баллов
Wp показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
0,15 0,016 0,013 0,011 0,009 0,007
фw 24°30' 22°20' 21°30' 20°30' 20°10'
0,17 0,030 0,024 0,02 0,016 0,014
фw 21°40' 21°30' 20°30' 20°10' 19°10'
0,19 сw 0,034 0,031 0,027 0,023 0,018
фw 20°40' 20°10' 19°40' 18°50' 18°15'
0,21 сw 0,036 0,032 0,030 0,026
фw 19°20' 18°40' 18°30' 17°40'
0,23 CW 0,035 0,031
фw 17°40' 17°15'
Таблица 4
Рекомендуемые значения удельного сцепления Ск , МПа и угла внутреннего трения , град.
лессовых грунтов при 8Г = 0,8 ^7-8 баллов (при стабилизированном сдвиге с предварительным
обжатием образцов)
w ир показатели Характеристики грунтов при коэффициенте пористости е
0,50 0,55 0,6 0,65 0,70
0,15 сw фw 0,02 22°50' 0,015 22°00' 0,012 21°25' 0,01 20°50' 0,008 20°10'
0,17 CW фw 0,031 21°20' 0,027 20°35' 0,02 20°10' 0,016 19°10' 0,012 18°30'
0,19 CW фw 0,035 21°30' 0,03 21°00' 0,027 19°20' 0,023 18°20' 0,018 17°45'
0,21 CW фw 0,031 18°20' 0,027 17°20' 0,023 17°00'
Таблица 5
Обобщенные результаты сдвиговых испытаний лёссовидного суглинка
Начальное давление при При влажности грунта
серия Уплотнении, Сдвиге, МПа естественного водонасыщенного
МПа С, МПа ф, град С, МПа ф, град
1 0,02;0,04;0,06 0,02;0,04;0,06 - - 0,005 16
2 0,06 0,06;0,04;0,02 - - 0,007 16
3 0,1;0,2;0,3 0,1;0,2;0,3 0,03 21 0,011 20
4 0,3 0,3;0,2;0,1 0,05 20 0,013 19
Из таблицы видно: образцы грунтов серии 1 и 3 имеют более низкие значения удельного сцепления С и несколько более высокие р по сравнению с результатами, полученными при испытании по методике с предварительным уплотнением грунта (серий 2 и4). В известной мере это объясняется тем, что плотность переуплотненных образцов при конечных вертикальных давлениях р = 0,06 и 0,3 МПа будет больше, чем при давлениях уплотнения р = 0,02; 0,04; 0,1 и 0,2 МПа, при которых осуществляется срез в опытах серии 1и 3. При
оценке прочности лессовых грунтов в зависимости от продолжительности
замачивания наблюдается различное
сопротивление их сдвигу.
В процессе проявления просадочной деформации прочность грунта резко падает, так как вначале замачивания наиболее интенсивно происходит размягчение цементационных связей. После проявления просадочной деформации, сопровождающейся уплотнением грунта, проявлением дополнительны контактов
между частицами и формированием новой структуры прочность её несколько возрастает.
Вывод: лёссовые грунты, в отличие от обычных глинистых непросадочных грунтов требуют особого подхода при оценке их прочности. На значение параметров прочности лёссовых грунтов сказываются методы подготовки образцов грунта к испытаниям, продолжительность из замачивания, скорость сдвига и другие факторы. Поэтому предлагается оценку прочности грунтов необходимо производить по той методике, которая в наибольшей мере соответствует реальным условиям работы грунтового основания сооружения. Это общая задача и инженера-геолога и инженера-проектировщика.
Использование предложенных
рекомендаций по предлагаемым значениям Cw и <р , позволяет более точно оценивать несущую
способность основания в условиях высокой сейсмичности и динамического воздействия, более надежно проектировать основания и повысить экономическую эффективность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гильман Я.Д., Смирнов И.И. О показателях прочности лёссовых грунтов в Ростовской области. «Информационный бюллетень» ЦТИСИЗа, вып. (19). М., 1972.
2. Денисов Н. Я. Строительные свойства лёсса и лёссовидных суглинков. М.: Госстройиздат, 1953. 154 с.
3. Крутов В.И. Расчет фундаментов на просадочных грунтах. М.: Стройиздат, 1972. 176 с.
4. Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах. Киев, «Буд1вельник», 1982. 220 с.
5. Куликов Г.В. Прочностные свойства просадочных грунтов Прикопетдагской равнины. Сб. «Строительство и строительные материалы Туркмении». Изд-во ТГУ, Ашхабад, 1976 г.
5. Черныш А.С. К вопросу оценки устойчивости откосов сложенных просадочными грунтами при динамических воздействиях и увлажнении // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. №6. С. 27-29.
6. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.: Высш. школа, 1982. 511 с.
7. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства. М.: Стройиздат, 1977.
8. Расулов Х.З. Сейсмичность лёссовых оснований зданий и сооружений. Ташкент, изд-во «Узбекистан», 1977. 163 с.
9. Расулов Х.З. Оценка возможности нарушения устойчивости связных грунтов при землетрясениях. Материалы IV Всесоюзной конференции. Ташкент, изд-во «Фан», 1977.
Vyskrebentsev V.S.
STRUCTURAL BEHAVIOUR OF LOESS SUBSIDING SOILS UNDER PERMANENT AND DYNAMIC LOAD
On the basis of static handling of attained results we composed table for determining CW u under intensity of earthquake action (dynamic) under J=7-8 points and degree of saturation Sr = 0,8, under different means of soil stabilization.
Key words: collapsible soil, drained angle of internal friction, density, soil strength, cohesive properties of soil, structural strength, earthquake action.
Выскребенцев Владимир Сергеевич, аспирант кафедры городского кадастра и инженерных изысканий. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: vovagjan@mail.ru.
