Прогноз сжимаемости глинистых грунтов с дресвяно-щебнистыми включениями Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.131:539.5

ПРОГНОЗ СЖИМАЕМОСТИ линистых ГРУНТОВ С ДРЕСВЯНО-ЩЕБНИСТЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

В.А. Козионов, М.К. Кудерин, Л.А. Варламова, А.Е. Искужанов

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Компрессия жагдайында сазды топырацтыц сыгымдалуына усак; жене шагыл тастарды крсудыц ыцпалын зерттеу нэтижетрх кррастырылады. Сынацты жоспарлау теориясыныц эдктершен сазды топырац деформация модульдертщ толтырма мен Kipicmipydiy хуралы мен жагдайыныц параметрлершен байланысыньщ эмпиризмдж metjdeyi алынды. Eipiçamap радио хабарын тарататын мунаралардыц табиги Hezi3i реттде сынбалысазды топыршдпыц сыгьшдылыгын сынау нэтижелер1 xenmipùidi.

Рассматриваются результаты исследований влияния включений дресвы и щебня на сжимаемость глинистых грунтов в условиях компрессии. Методами теории планирования эксперимента получены эмпирические уравнения связи модулей деформации глинистых грунтов с параметрами состава и состояния заполнителя и включений. Приведены результаты испытаний сжимаемости обломочно-глинистых грунтов как естественных оснований ряда радиотрансляционных башен.

The research results of gruss and crushed rock impurities ' influence on me compressibility of clayey grounds in compression conditions are considered. Via the methods of experimental design theory empirical equations for the connection of clayey grounds deformation modulus with composition and condition parameters of the filler and impurities have been obtained. Compressibility test results for detritus-clayey grounds as natural beddings of a number of radio broadcasting towers are given.

Введение

Разнообразные обломочно-глинистые грунты, представляющие собой природные смеси обломков скальных грунтов различного генезиза и степени вы-ветрелости с пылевато-глинистым заполнителем, широко используются в качестве оснований зданий и сооружений. Характерной особенностью гранулометрического состава таких грунтов является наличие в них мелкообломочных частиц размером менее 2 мм (мелкообломочная составляющая - МОС) и

крупнообломочных частиц размером крупнее 2 мм (крупнообломочная составляющая - КОС). При анализе указанных природных смесей обычно выделяются элювиальные и делювиальные крупнообломочные грунты с пылева-тым и глинистым заполнителем и пылеватые и глинистые грунты с крупнообломочными включениями.

Деформируемость таких природных смесей существенно зависит от особенностей состава, строения и состояния компонент МОС и КОС.

К настоящему времени накоплен определенный экспериментальный материал по оценке деформационных свойств обломочно-глинистых грунтов [1 ], [2], [3] и др. Их обобщение указывает на следующие закономерности:

- основное влияние на деформируемость грунтов оказывают механические свойства МОС и КОС и их относительное содержание;

- относительное расположение и форма материала включений оказывают меньшее влияние на деформируемость грунтов;

- в отдельных исследованиях фиксируется влияние на сжимаемость грунтов шероховатости обломков.

Цель настоящих исследований состоит в построении экспериментальных зависимостей между параметрами компрессионной сжимаемости грунтов и количественными характеристиками их состава и состояния. Основное отличие проведенных исследований от данных [1]...[3] состоит в выборе совокупности параметров КОС и МОС, а также в методах подготовки и испытаний грунта.

Некоторые данные настоящей статьи опубликованы ранее в работе [5].

1 Результаты исследований сжимаемости модельных смесей

Методика лабораторных экспериментов. Экспериментальные исследования на первом этапе проводились на искусственной смеси суглинка и дресвы в компрессионном приборе ГГП-29. Физические характеристики суглинка: влажность на границе раскатывания =15,8%; влажность на границе текучести =29,6 %. Приложение нагрузки осуществлялось 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):

- () - процентное содержание включений (-1 - 0,2; +1 -0,4);

- () - крупность включений дресвы (-1 - 0,5; +1 - 1,0);

-()-влажность заполнителя (-1 - 0,205;+1 - 0,255).

Представление и обработка результатов испытаний. Анализ экспериментальных данных показал, что исследованная модельная смесь грунта облада-

ет существенными реологическими свойствами. Величина деформации, развившейся во времени составляла в отдельных опытах 260 % и более от ее условно-мгновенной величины. На основе принципа наложения воздействий выполнены преобразования исходных кривых ползучести. Характерные кривые ползучести и изохронные зависимости приведены на рисунйв 1.

S = f(cx,t)

Их анализ показывает, что кривые S = f(cr,t) имеют нелинейный характер. Поэтому для анализа закономерностей деформирования исследованного грунта во времени используются данные длительных испытаний грунта по ступеням приложения сжимающей нагрузки а = const ■

Для оценки влияния параметров КОС и МОС на деформируемость грунта во времени использовалась величина компрессионного модуля деформации

F - ам ~ ai о

Ьк---Р, (1)

где <У , <УМ - ступени приложения нагрузки;

Ei, 8М - относительные деформации грунта при ступенях сг(, стм ;

¡3 - коэффициент, учитывающий отсутствие бокового расширения.

Для учета ползучести при определении стабилизированного во времени модуля деформации, в случае необходимости, использовалась теория линейной наследственной ползучести с ядром, состоящим из суммы экспоненциальной и гиперболической функций. С ее учетом осадка грунта во времени в компрессионном приборе - Sk(f) при заданной постоянной ступени нагрузки представлялась в виде [5, с. 70]

^k(t) ~ $ко

1 + Еко.вк-(1-е^) + (^-Ек11-0к-\)

F w Т +t

(2)

Г = 0 час

<7, МПа

0,1 МП а

а = 0,05 МПа t час

0,4 0,2 б 20 40 60 80 100 Рисунок 1 - Кривые ползучести и изохронные зависимости

t = 40 час

г = 10

\5 МПа

0,25 МПа

18

12

106 су/и / л<

О 1

о = 9,69-10 ^тя/лг; ^ = 1,17;

5 —__,

= 1,085 -КГ6*;

Тк = - (1 + Екйвк)] = 8,28 суп,- 1,00 МПа

г, суш

1

X

X

X

X

7

Рисунок 3 - Определение параметров Ект и Тк

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты определения параметров деформирования во времени на ступени нагружения модельной смеси а = 0,00 - 0,05 МПа во всех опытах.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что при всех значениях параметров состава, строения и состояния исследованные смеси обладают ярко выраженной способностью к развитию деформаций во времени. Величина отношения модулей для условно-мгновенного состояния и стабилизированного во времени, т.е. Ек0 / Екх достигает 7,75 и более.

Таблица 1 - Параметры деформируемости грунта во времени на ступени нагружения <т = 0,00.. .0,05 МПа

-АоО + ^нА)

10 6сут/м

18

12

О 1

а = 9,69-10 сут/м; ^ = 1,17; -7-Г= 1,085 -Ю-6*;

Тк = - 50 (1 + Ек0вк)] = 8,28 сут; ^ = 1,00 МПа

/, су/и

Рисунок 3 - Определение параметров Еы и Г<

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты определения параметров деформирования во времени на ступени нагружения модельной смеси сг = 0,00 - 0,05 МПа во всех опытах.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что при всех значениях параметров состава, строения и состояния исследованные смеси обладают ярко выраженной способностью к развитию деформаций во времени. Величина отношения модулей для условно-мгновенного состояния и стабилизированного во времени, т.е. Ек0 / Еы достигает 7,75 и более.

Таблица 1 - Параметры деформируемости грунта во времени на ступени нагружения сг = 0,00.. .0,05 МПа

№ Значения факторов Параметры деформируемости модельных

опытов смесей во времени

Х{ = п Х2=й Хъ=м> в, тк ЕкО Е-ы

1/МПа суг"1 суг МПа МПа

1 0,4 1,0 0,255 0,230 1,11 4,91 5,43 1,04

2 0,2 1,0 0,255 0,389 1,71 2,57 2,92 0,98

3 0,4 0,5 0,255 0,395 - 4,59 4,19 0,91

4 0,2 0,5 0,255 0,362 1,55 4,98 4,49 0,85

5 0,4 1,0 0,205 0,214 0,86 2,84 6,33 1,29

6 0,2 1,0 0,205 0,306 1,36 - 6,74 -

7 0,4 0,5 0,205 0,083 1,50 8,28 7,75 1,00

8 0,2 0,5 0,205 0,139 1,89 32,7 4,49 0,29

9 - - 0,255 0,405 1,70 17,5 3,41 0,28

10 - - 0,205 0,284 1,78 3,66 2,21 0,51

Рассмотрим также результаты определения компрессионного модуля деформации для различных моментов времени. Данные определений этой величины для ступени нагрузки сг= 0,00...0,05 МПа приведены в таблице 2. Их анализ также показывает, что модуль деформации испытанных грунтов закономерно изменяется во времени.

Анализ приведенных результатов свидетельствует об определенном влиянии на деформируемость грунта во времени факторов п, с! и уу. Рассмотрим более подробно влияние указанных показателей.

Таблица 2 - Модуль деформации грунта на ступени а - 0,00.. .0,05 МПа

№ опытов Значения факторов Модуль деформации Ек, МПа для времени t, час

Xt=n X2 = d X, = w 0 10 20 30 40 50

1 0,4 1,0 0,255 5,4 2,2 2,0 1,8 1,75 1,7

2 0,2 1,0 0,255 2,9 1,4 1,4 1,3 1,2 1Д

3 0,4 0,5 0,255 4,2 1,6 .1,5 1,4 1,4 1,3

4 0,2 0,5 0,255 4,5 1,6 1,5 1,5 1,5 1,4

5 0,4 1,0 0,205 6,4 2,6 2,4 2,2 2,1 2,0

6 0,2 1,0 0,205 6,0 2,1 1,9 1,75 1,6 1,6

7 0,4 0,5 0,205 7,75 4,2 3,4 3,0 2,8 2,6

8 0,2 0,5 0,205 4,5 2,6 2,3 2,2 2,0 1,9

9 - - 0,255 2,3 1Д 1,1 1,0 1,0 1,0

10 - - 0,205 3,4 1,6 1,4 1,3 1,2 1,1

Влияние содержания включений. Рассчитанные по формуле (1) данные о влиянии содержания дресвы на зависимости Ек(1) = /(/) приведены на рисунке 4. Цифрами показаны номера опытов, приведенные в таблице 1.

О 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

а) - Зависимость Е = f(t) при w = 0,25 ; б) - Зависимость Е = f(t) при w = 0,20

Рисунок 4 - Влияние содержания включений на модуль деформации

Е МП а

а) - Зависимость Е = f(t): опыты 4 и 8 при п = 0,2, d = 5 мм;

б) - Зависимость Е = f(t) : опыты 3 и 7 при п = 0,4, d = 5 лш Рисунок 6 - Влияние влажности на модуль деформации грунта

Эмпирические соотношения для параметров деформируемости. Для получения эмпирических характеристик деформируемости грунта использована теория планирования многофакторного эксперимента. Обобщенные зависимости параметров деформируемости грунта: условно-мгновенный Ек0 и условно-ста-билизированный Ек модули компрессионного сжатия обозначаются как некоторые функции отклика У{. Тогда зависимость модулей деформации грунта (У;) от показателей компонент КОС и МОС, обозначаемых Х{, можно представить в виде следующего квазилинейного полинома [6]

¥1 = К + VI +^2*2 +-+М« +~ + Ьяхт, (3)

где х, ...хп - основные нормированные факторы ядра плана эксперимента; хп+1...хт - дополнительные факторы плана эксперимента, учитывающие взаимодействия основных факторов х1...хп;

Ьп, Ьп+1 ...Ът - коэффициенты при указанных факторах.

Коэффициенты Ьп уравнения (3) определяются из соотношения [6]

W=(ufwr,-Mr-{F}, (4)

ш 5 - условно-мгновенная деформация сжатия грунта; : „ - условно-мгновенный модуль компрессионного сжатия грунта; г . . Тк, Е^ -параметры компрессионной ползучести грунта, определяло результатам эксперимента. -£ . =: зные элементы методики [44, с. 74], использованной для определения ванных деформаций и компрессионного модуля сжатия, для одной ггней нагружения исследованных грунтов приведены на рисунках 2 и 3.

б) .

1п [5(0/Л^]

*19

15

■ 10-5 м ^и

|Д1

Г час

!_I__ —1— -1—

ОД

2 ?-10 суш

. - кривая ползучести; б) - определение параметров вк и Як • :-:ок 2 - Графики изменения деформации грунта во времени

0 результате обработки опытных данных на ПЭВМ по программе .-¿ОЬСЮ» [5, с. 72] получено Як = tqa = 29 суш'1 ■

час $0

Ъ Е

(0,23-0,14)10 0,14-Ю-6 -7,75

= 0,083 ММПа.

' '¿г:дика определения параметра Тк основана на представлении компрес-:1:е-ой кривой ползучести в координатах Здесь

: гзультагы определения параметров Тк и Екх приведены на рисунке 3. -1 "телеление численных значений параметров выполнено с использованием кн=ъ стерной программы «КНЕОЬСЮ» [5, с. 72].

где [х]г - транспонированная матрица варьируемых факторов.

В результате обработки опытных данных получены следующие выражения для эффективных характеристик деформируемости исследованного грунта в целом по параметрам состава и физического состояния составляющих его компонент КОС и мое

Екс = 1,7 + 0,2 * х, + (-0,1) * х2 + (-0,33) * х3 + 0,05 * * х2 + + (-0,075) * х, * х3 + 0,625 * х2 * х3 + 0,125 * х, * х2 * х3;

(5)

Еко = 1,7 + 0,73 *хг+ (-0,03) * х2 + (-0,96) * х3 + (-0,0063) * х, * х2 +

+ (-0,18) *х1*х3 +1,5 * х2 * х3 + 0,71 * X] *х2 * х3.

(6)

Переход от кодированных значений факторов к их натуральным величинам осуществляется по формуле

Х1=хгАХ! + Хоп, (7)

где х; - кодированное значение ¿-го фактора;

Х1 - натуральное значение фактора;

Х01 - нулевой уровень;

АХ; - интервал варьирования факторов.

2 Результаты испытаний деформируемости смесей обломочно-гли-нистых грунтов ненарушенного состояния

Наряду с исследованиями модельных смесей был проведен комплекс испытаний обломочно-глинистых грунтов естественных оснований башен в населенных пунктах Бозщеколь и Щидерты (Павлодарская область) Кенес, Приозерное, Рождественка (Акмолинская область) 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. На рисунке 7 приведены характерные компрессионные кривые исследованных грунтов.

а) - Щидерты (суглинок); б) - Бозщеколь (суглинок); в) - Рождественка (дресвяный грунт); г) - Кенес (супесь)

Рисунок 7 - Влияние влажности на деформируемость грунтов

Их анализ показывает, что в условиях природного состояния зависимости £ = /(<х) в естественном и водонасыщенном состоянии имеют практически линейный характер. Поэтому для определения характеристик компрессионной сжимаемости этих грунтов в интервале 0.. .0,3 МПа можно использовать аппарат теории линейно-деформируемой среды. По графикам на рисунке 3.5 видно, что увлажнение грунтов приводит к существенному повышению его сжимаемости. Из указанных графиков, а также таблиц 3.3 и 3.5 следует, что модуль деформации суглинка обоих башен может снизиться при его замачивании до двух раз.

Наряду с анализом влажности рассмотрим особенности деформируемости грунтов, связанные с различным содержанием крупнообломочных частиц. С этой целью после окончания испытаний фиксировалось на основе ситового анализа процентное содержание в грунте частиц крупнее 2 мм. Практические определения показали, что построение зависимостей компрессионного модуля деформации от содержания крупнообломочных частиц связано с большими трудностями. Это вызвано, главным образом, сложностью подготовки образцов ненарушенного грунта с включениями обломков, в особенности больших размеров. На рисунке 8 приведены результаты испытаний нескольких образцов супеси, где удалось обеспечить их сохранность и выявить определенную закономерность. Более полно эту закономерность можно установить с использованием расчетно-эксперимен-тального метода [3], что является предметом отдельного самостоятельного анализа и в настоящей работе не рассматривается.

Рисунок 8 - Зависимость Ек = f{ri) для супесей башни Кенес

Как видно из рисунка 8 с увеличением содержания крупнообломочных частиц величина модуля деформации возрастает, что в полной мере соответствует приведенным выше результатам и подтверждает армирующее влияние включений на механические свойства грунтов. В таблице 3 приведены обобщенные данные испытаний исследованных грунтов.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 п -1-1-1-1-*

4

- водонасьпценное состояние

- природное состояние

Ек, МПа

Таблица 3 - Физико-механические характеристики исследованных грунтов

Местоположение башен Наименование грунтов основания Природная влажность Удельный вес кНУм3 Коэффициент пористости - у а Э-у -х О _-= * 1! с. - г х гЧ з и Я Модуль деформации грунтов, МПа

Щидерты Суглинок твердый 0,20 20,9 0,56 До 20 5.6

Глина твердая 0,17 22,3 0,42 До 20 8,9

Бозщеколь Суглинок 0,29 18,5 0,88 До 20 5,8 3,8'

Кенес Супесь твердая 0,04 18,4 0,54 От 15 до 40 3,7*

Рождественка Супесь твердая 0,03 19,0 0,44 До 20 12,6

Дресвяный грунт с суглинком твердым до 30%. 0,10 20,6 0,36 До 70 6,4

Приозерное Супесь текучая 0,18 18,9 0,67 До 25 7,9-

* - водонасыщенное состояние

Заключение

На основе выполненного комплекса полевых и лабораторных исследований обоснована методика определения характеристик компрессионной сжимаемости обломочно-глинистых грунтов в условиях их естественного состояния.

Показано, что для определения характеристик деформируемости глинистого заполнителя необходимо учитывать возможность развития его деформаций при нагружении во времени Определение стабилизированной во времени деформации заполнителя можно осуществить с помощью известных уравнений компрессионной ползучести грунтов.

Получены уравнения связи между характеристиками компрессионного сжатия и параметрами состава, строения и состояния обломочно-глинистого грунта. Определение параметров указанных уравнений можно выполнить с использованием методики планирования многофакторного эксперимента.

Осуществленное внедрение разработанной методики на ряде объектов строительства башенных сооружений свидетельствует о возможности ее использования в практике геотехнических исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федоров В.И. Прогноз прочности и сжимаемости оснований из обломоч-но-гсшнистых грунтов. М.: Стройиздат, 1988. - 136 с.

2. Зиангиров P.C., Кальбергенов Р.Г. Оценка деформируемости крупнообломочных грунтов // Инженерная геология. - 1987. - № 3. - С. 107 -118.

3. Ухов С.Б., Конвиз A.B., Семенов В.В. Механические свойства крупнообломочных грунтов с заполнителем // Основания, фундаменты и механика грунтов.-1993.-№ \.-0,2-1.

4. Искужанов А.Е., Козионов В.А. Оценка влияния включений дресвы на компрессионную сжимаемость глинистых грунтов во времени // Материалы международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения». Том 20, 4.1. - Павлодар: НИЦ ПГУ им. С. Торайгырова, 2007.-С. 122-128.

5. Козионов В.А. Методы лабораторных испытаний грунтов. - Павлодар: НИЦ ПГУ им. С. Торайгырова, 2006. - 109 с.

6. Рассказов JI.H., Гольдин АЛ. Проектирование грунтовых плотин. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 384с.