Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние изученности вопроса улучшения слабых глинистых оснований. постановка целей и задач исследования . 11
1.1 Методы улучшения слабых водонасыщенных глинистых грунтов
1.2 Состояние вопроса улучшения свойств слабых глинистых оснований с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 21
1.3 Существующие методы расчета деформаций оснований, улучшенных грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов 27
1.4 Выводы по главе 1 и задачи исследования 35
ГЛАВА 2. Численное моделирование вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 38
2.1 Постановка целей и задач численного моделирования 38
2.2 Анализ напряженно деформированного состояния основания фундамента, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетического материала 39
2.3 Оптимизация геометрических параметров грунтовых элементов для улучшения слабых оснований фундаментов зданий и сооружений 52
2.4 Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 61
3.1 Постановка задач экспериментальных исследований
3.2 Трехосные лабораторные экспериментальные исследования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 62
3.3 Полунатурные экспериментальные исследования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 68
3.4 Модельные экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния слабого глинистого массива, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов 76
3.5 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. Разработка методики расчета вертикальных деформаций фундаментов на улучшенном основании 88
4.1 Разработка методики расчета осадок фундамента на основании, улучшенном грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов. 88
4.2 Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчетов по представленной методике 108
4.3 Сопоставление результатов расчета по представленной методике и численного моделирования тестовой задачи 112
4.4 Выводы по главе 4 119
Глава 5. Совершенствование технологии изготовления грунтовых элементов в оболочке из геосинтетического матреиала и технико-экономическое обоснование ее применения 120
5.1 Совершенствование технологии изготовления вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов 120
5.2 Рекомендуемый алгоритм проектирования улучшения основания фундаментов 123
5.3 Технико-экономическое обоснование технологии улучшения слабого глинистого основания вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов. 125
5.4 Выводы по главе 5 136
Заключение 137
Список литературы: 139
- Состояние вопроса улучшения свойств слабых глинистых оснований с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов
- Анализ напряженно деформированного состояния основания фундамента, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетического материала
- Трехосные лабораторные экспериментальные исследования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов
- Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчетов по представленной методике
Введение к работе
Актуальность темы обусловлена тем, что большая часть территории России представлена глинистыми грунтами различного происхождения. Это связано с большим распространением рек и озер, болот и других водоемов. Огромная часть данных территорий представлена грунтами, которые принято относить к слабым или сильносжимаемым.
В настоящее время при строительстве на слабых глинистых грунтах широкое распространение получило использование геосинтетических материалов, используемых с целью повышения несущей способности и снижения деформируемости основания. Вопросы, связанные с расчетом и устройством армирования грунтов геосинтетическими материалами, являются актуальными, так как в настоящее время в России не существует обширной нормативной базы и практики по проектированию подобных конструкций.
Использование метода внедрения вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов позволяет значительно снизить деформации основания, увеличить его несущую способность и может уменьшить стоимость строительства малонагруженных фундаментов зданий, для которых стоимость работ нулевого цикла в условиях слабых глинистых грунтов может составлять значительную часть стоимости всего строительства. Данная технология отлично зарекомендовала себя в странах западной Европы при строительстве земляных сооружений в условиях слабых водонасыщенных глинистых грунтов. При этом в настоящее время не существует апробированных рекомендаций и методик расчета вертикальных деформаций фундаментов зданий и сооружений на основании, улучшенном с использованием данной технологии.
Таким образом, исследование и разработка методов расчета осадок фундаментов зданий и сооружений на основании, улучшенном с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы.
В настоящее время значительно проработаны вопросы различных вариантов улучшения слабых грунтов в исследованиях таких ученых как М.Ю. Абелев, А.А. Бартоломей, И.И. Бройд, Н.М. Герсеванов, Б.И. Долматов, Т.П. Кашарина, В.И. Клевеко, П.А. Коновалов, В.И. Крутов, О.А. Маковецкий, А.Г. Малинин, Р.А. Мангушев, Н.Н. Маслова, И.Т. Мирсаяпов, А.Л. Невзоров, В.Г. Офрихтер, А.И. Полищук, А.Г. Шашкин, В.М. Улицкий.
В существующей литературе рассмотрены вопросы стабилизации оснований земляных сооружений за счет ускорения фильтрационной консолидации глинистых грунтов при устройстве элементов улучшения в работах М.Ю. Абелева, Р.А. Усманова, З.Г. Тер-Мартиросяна.
Вопросами расчета деформаций армированного вертикального грунтового элемента занимались А.Н. Краев, В.Ю. Новиков, А. Пауль, А.Б. Пономарев, D. Alexiew, M.S.S. Almeida, J. Castro, M. Ghazavi, J. Gniel, S. Murugesan, H.G. Kempfert, M. Raithel, U. Trunk и др.
В большинстве исследования рассматривается строительство земляных сооружений при опирании элементов улучшения на подстилающие несжимаемые грунты. Так же рассмотрен вопрос строительства ленточных фундаментов на песчаных армированных сваях. Вопросы улучшения оснований фундаментов зданий и сооружений вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов рассмотрены не достаточно, не представлено инженерной методики для расчета осадок фундаментов на улучшенном основании, позволяющей выполнить его проектирование по действующим нормам.
Цель работы – исследование слабых оснований, улучшенных вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов, и разработка на этой основе методов расчета осадок фундаментов зданий и сооружений.
Задачи исследования:
1. Изучить вопрос расчета осадок основания, улучшенного методом внедрения
вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов.
2. Экспериментально и теоретически исследовать особенности работы вертикальных
грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов при улучшении оснований
зданий и сооружений.
3. Предложить методику расчета осадки фундаментов на основании, улучшенном с
использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических
материалов.
4. Предложить рекомендации по проектированию и устройству улучшения оснований
фундаментов зданий и сооружений в виде вертикальных грунтовых элементов в оболочке из
геосинтетических материалов.
Научная новизна исследования:
-
Выполнены экспериментальные исследования фундаментов на улучшенном грунтовом основании с фиксацией напряженного состояния грунтового массива.
-
Предложена методика расчета осадок фундаментов мелкого заложения на основании, улучшенном устройством вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов.
3. Предложены рекомендации по применению вертикальных грунтовых элементов в
оболочке из геосинтетических материалов для использования в целях строительства
фундаментов зданий и сооружений.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке методики расчета осадок фундаментов зданий и сооружений на слабом основании, улучшенном вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов.
Практическая значимость работы состоит в экспериментально-теоретическом обосновании использования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов для снижения осадок фундаментов зданий и сооружений, устраиваемых в условиях слабых глинистых грунтов, и разработке рекомендаций по их дальнейшему применению в геотехническом строительстве.
Методология и методы исследования. Все задачи диссертационного исследования решены на основе применения и использования методов планирования экспериментов, методов математического и численного моделирования. При проведении экспериментальных исследований рассматривались масштабные модели фундаментов на улучшенном основании с использованием высокотехнологичных средств измерения и автоматического сбора и обработки информации. Для теоретических расчетов, теоретического и графического анализа результатов использовались пакеты стандартных программ. Проведение теоретических исследований выполнялось на основе традиционных методов и принципах механики грунтов.
Достоверность результатов, основных выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, базируется на использовании основных теоретических положений механики грунтов и подтверждена необходимым объемом модельных и полевых экспериментальных исследований, выполненных на поверенном оборудовании, а также использованием сертифицированных лицензионных программных комплексов при выполнении численного моделирования.
Результаты исследований использованы при написании книги «Справочник геотехника: основания, фундаменты и подземные сооружения» / под общей редакцией В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. – М.: АСВ, 2014. – С. 167–168 (параграф 5.1.3 – Сваи из инертных материалов (песчаные, каменные колонны).
Результаты научных исследований внедрены:
– в практику при расчетах осадок фундаментов АО «ПЗСП»;
– в учебный процесс в Пермском национальном исследовательском политехническом университете по направлениям подготовки магистров строительного факультета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях молодых ученых 2011–2016 гг. (ПНИПУ, г. Пермь); Всероссийской конференции научных работников, молодых ученых
и специалистов «Геотехника: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2015 г.); Российской учебно-практической молодежной конференции по геотехнике (г. Москва, МГСУ, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, АО «НИЦ «Строительство», 2015 г.); международной научно-практической конференции «Современные технологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (г. Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2014 г.); международной научно-практической конференции «23rd European Young geotechnical Engineers Conference» (г. Барселона, Universitat Politcnica de Catalunya, 2014 г.); 6-й Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные техно-логии в строительстве. Теория и практика» (г. Пермь, ПНИПУ, 2013 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований в области
применения вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических
материалов.
2. Методика расчета осадок фундаментов зданий и сооружений на основании,
улучшенном внедрением вертикальных грунтовых элементов в оболочке из
геосинтетических материалов.
3. Рекомендации по проектированию и устройству улучшения слабого глинистого
основания с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из
геосинтетических материалов.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в формулировании целей и задач, поиске их решения путем экспериментальных и теоретических исследований, анализе полученных результатов, разработке принципов расчета, формулировании основных выводов.
Публикации. По материалам исследований автором опубликовано 15 научных работ, в том числе 5 работ в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 73 наименований, в том числе 21 на иностранном языке и 5 приложений. Общий объем работы составляет 147 страниц, в том числе 145 станицы основного текста, включающего 62 рисунка, 5 таблиц и 2 страницы приложений.
Состояние вопроса улучшения свойств слабых глинистых оснований с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов
Согласно наиболее распространенной классификации Б.И. Долматова [6] методы улучшения основания делятся на конструктивные, механическое уплотнение и закрепление. К конструктивным методам улучшения принято относить песчаные или грунтовые подушки, использование армирования грунта и устройство шпунтового ограждения. Устройство песчаных подушек подразумевает полную или частичную замену слабого грунта основания и может использоваться в сочетаниях с армированием грунта для дополнительного увеличения несущей способности. Армирование грунтов чаще всего применяется для повышения устойчивости откосов и склонов, но так же может быть использовано для снижения деформируемости слабых глинистых оснований. В данном случае армирующие элементы выступают в роли распределителя нагрузки на слабое основание, тем самым достигается снижение напряжений в грунтовом основании и как следствие снижение осадок. Сильное распространение методы армирования получили связи с развитием видов и технологии изготовления геосинтетических материалов, улучшение их качества и прочностных характеристик [19, 21]. Вопросами армирования глинистых оснований занимались такие ученые как Т.П. Кашарина [8], В.И. Клевеко [36, 39, 40], В.Г. Офрихтер [19, 21, 36], А.Б. Пономарев [19, 36]. Вопросами армирования грунта в условиях сезонного промерзания посвящены работы А.Л. Невзорова [44]. Наиболее подробно вопросы армирования грунта вертикальными элементами представлены в работах А.О. Попова, написанных под руководством И.Т. Мирсояпова [23], так же ими представлена обширная классификация методов армирования грунтовых оснований, представлены варианты расчеты несущей способности и деформация улучшенного основания.
Устройство шпунтовых ограждений наименее распространенный метод, который предполагает ограничение возможности выпора грунта из-под подошвы фундамента, тем самым повышается несущая способность основания.
К механическому уплотнению относят следующие методы улучшения характеристик грунтов: поверхностное уплотнение, выполняемое укаткой, трамбованием, устройство фундаментов в выштамповоном ложе; глубинное уплотнение, которое выполняется гидробивроуплотнением, устройство песчаных и грунтовых элементов, пригрузкой с применением вертикальных дрен, понижение уровня грунтовых вод, уплотнение взрывами, замачиванием и т.д.
Поверхностное уплотнение укаткой и трамбованием выполняется при помощи трамбовок, катков, вибротрамбовок, виброплит и т.д. Производя удары трамбовкой по дну котлована, можно уплотнить грунты некоторых видов и тем самым существенно улучшить их качество. К таким грунтам относятся ненасыщенные водой пылеватоглинистые грунты и независимо от степени насыщения водой крупнообломочные и песчаные грунты. Данный тип улучшения не позволяет использовать его в условиях слабых водонасыщенных глинистых грунтов, так как в данных условиях сильно усложняется производство работ, а так же снижается его эффективность, так как влажность грунтов выше оптимальной для уплотнения. Если грунты находятся в полностью водонасыщенном состоянии, то вся ударная нагрузка может быть воспринята поровой водой, и при этом значительного уплотнения и улучшения характеристик грунта может не произойти. Так же условия выполнения работ почти полностью исключают возможность передвигаться тяжелой технике на строительной площадке.
Гидробивроуплотнение выполняется с поверхности грунта, в уплотняемое основание погружается труба, на конце которой размещен гидровибратор. В трубу подается необходимое количество воды, до достижения уплотняемым основанием оптимальной влажности. Труба вместе с гидровибратором подвешивается к стреле крана и под действием собственного веса погружается в уплотняемое основание. Данный метод применяется исключительно в песчаных грунтах [6, 27, 33].
Метод уплотнения песчаными и грунтовыми элементами заключается в образовании скважины в грунте какимлибо образом, которая в дальнейшем заполняется инертными материалами или уплотнённым местным грунтом, или известью. В результате достигается значительное увеличение несущей способности грунта основания, а так же снижение его деформативности. Грунтовые элементы могут быть использованы в качестве вертикальных дрен, значительно ускоряя скорость фильтрационной консолидации грунтов основания [51]. Данный тип улучшения рекомендуется для использования в условиях слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Опыт применения песчаных свай в СССР показал, что этот метод эффективен при возведении промышленных и гражданских сооружений на слабых глинистых грунтах, но отсутствие методов расчета основания при устройстве песчаных свай не позволяло установить пределов его применимости. Несколько объектов, построенных в Прибалтике на песчаных сваях, испытали большие осадки, что было связано с неудачной технология устройства песчаных свай, не позволяющей создать непрерывные по длине песчаные сваи и контролировать качество их изготовления [1]. В дальнейшем экспериментальными исследованиями в области применения песчаных и известковых сваи были выполнены М.Ю. Абелевым [1, 2].
З.Г. Тер-Мартиросян предложил аналитическую модель взаимодействия грунтового элемента и слабого грунта при их устройстве, учитывающую релаксацию, консолидацию глинистого грунта. Так же, на модифицированное уравнения Тимошенко, им были предложены решения для расчета улучшенного основания с учетом упруго-пластических свойств грунта, разработана теория взаимодействия сваи с окружающим грунтом и рсотверком с учетом продавливания элементом улучшения основания и предложена расчетная схема для определения приведенного модуля деформации оснвоания [24, 26, 28, 33].
Анализ напряженно деформированного состояния основания фундамента, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетического материала
Для определения области применения представленной технологии, получения данных о напряженно-деформированном состоянии улучшенного грунтового массива и рассмотрения эффективности снижения осадок фундаментов зданий и сооружений были проведены исследования различных тестовых задач с использованием программного комплекса, основанного на МКЭ.
При выполнении численного моделирования были поставлены следующие цели: анализ напряжённодеформированного состояния основания основания фундамента, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов; оптимизация геометрических параметров вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов для достижения наибольшей эффективности улучшения; определение граничных условий для выработки подходов расчету и проектированию оснований фундаментов, улучшенных вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов.
Для достижения целей исследовательской работы было выполнено численное моделирование фундаментов на основании, улучшенном вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетических материалов с использование программного комплекса PLAXIS в двухмерной и трехмерной постановке. 2.2 Анализ напряженно деформированного состояния основания фундамента, улучшенного вертикальными грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетического материала Для анализа напряженно деформированного состояния массива грунта было выполнено численное моделирование фундамента мелкого заложения на основании, улучшенном вертикальным грунтовыми элементами в оболочке из геосинтетического материала. В качестве напластования грунтов было выбрано типовое основание 4 надпойменной террасы р. Кама в г. Перми. Характеристики данного основания представлены в таблице 2.2.1.
Характеристики грунтов основания при проведении численного моделирования ИГЭ Наименование грунта Мощ--ность слоя, (м) Плотность, (г/см3) Удельное сцепление, (кПа) Угол внут-реннего рения, (град) Модуль деформации, (МПа) 1 Суглинок аллювиальный текучепластичной консистенции 10 1,9 10 10 4 2 Гравийный грунт спесчанымзаполнителем 2 2,0 1 32 35 3 Грунтыверхнепермского возраста: аргиллит трещиноватый с прослойками алевролита 2Д 100 20 50 Моделирование производилось в программных комплексах Plaxis 2D, Plaxis3D, с использованием модели грунта МораКулона, которая включает пять основных исходных параметров: модуль общей деформации, E; коэффициент Пуассона, v, угол внутреннего трения, , сцепление, с, угол дилатансии (угол увеличения объема грунта при сдвиге), . При решении задачи в двухмерной постановке использовалась осесимметричная модель. При осесимметричном расчете рассматривается сектор вращения в 1 радиан. При создании данной геометрической модели грунтовый массив разбивался на 15 узловые треугольные конечные элементы, с интерполяцией четвертого порядка для перемещений и интегрирование по двенадцати гауссовским точкам (точкам напряжений). При создании трехмерной геометрической модели грунтовый массив разбивался на квадратичные 15узловые клиновидные конечные элементы, геосинтетическая оболочка грунтового элемента моделировалась с использованием специальных конечных элементов, воспринимающих только растягивающие напряжения с упругими свойствами.
На первом этапе в осесимметричной постановке, моделировался фундамент мелкого заложения круглой формы, радиусом 0.8 м, глубиной заложения 2 м. В основании фундамента устроена одиночный армогрунтовый элемент, длиной 10 м – до верха гравийного грунта, геосинтетическая оболочка жесткостью 2000 кН/м.
Общий вид модели в осесимметричной постановке в программном комплексе Plaxis 2D представлен на рисунке 2.1.
По результатам численного моделирования были получены осадки фундамента на основании, улучшенном с использованием грунтового элемента в оболочке из геосинтетического материала, а так же данные о напряженно деформированном состоянии улучшенного грунтового массива. Рисунок 2.1 Общий вид численной модели в осесимметричной постановке в программном комплексе Plaxis 2D.
Поля распределения вертикальных деформаций улучшенного основания представлены на рисунке 2.2. Поля распределения вертикальных напряжений в улучшенном основании представлены на рисунке 2.3. Эпюры распределения растягивающих усилий и горизонтальных деформаций в оболочке из геосинтетического материала по глубине грунтового элемента представлены на рисунках 2.4 и 2.5. Эпюра распределения касательных усилий по боковой поверхности геосинтетической оболочки представлены на рисунке 2.6. Рисунок 2.2 Поля распределения вертикальных деформаций улучшенного основания Эпюра распределения растягивающих усилий в оболочке из геосинтетического материала по глубине грунтового элемента
Эпюра распределения горизонтальных деформаций в оболочке из геосинтетического материала по глубине грунтового элемента Проанализировав графики на рисунке 2.4 и рисунке 2.5, можно сделать вывод, что при передаче нагрузки на основание происходит радиальное расширение грунтового элемента, при этом в оболочке грунтового элемента возникают растягивающие напряжения. Эпюра распределения растягивающих усилий в геосинтетической оболочке имеет сложное очертание, при этом, поскольку материал оболочки моделируется упругим, характер распределения усилий и деформаций совпадает. Деформации оболочки локализованы в пределах верхней половины грунтового элемента, ниже их значение приближается к нулю, то есть геосинтетическая оболочка не работает (не воспринимает растягивающие напряжения), это связано со снижением вертикальных напряжений в грунтовом элементе. Снижение вертикальных напряжений в висячих сваях является хорошо известным и теоретически обоснованным явлением, связанным с действием касательных напряжений по боковой поверхности [26]. Эпюра распределения касательных напряжений по боковой поверхности грунтового элемента представлена на рисунке 2.6.
Эпюра касательных напряжений по поверхности геосинтетического материала Сопоставив распределение касательных напряжений и поля распределения вертикальных напряжений в окружающем массиве слабого грунта можно сделать вывод, что величина действующих касательных напряжений зависит от бокового обжатия грунтового элемента окружающим слабым грунтом. Под действием данных касательных напряжений происходит дополнительное вертикальное перемещение слабого грунта, окружающего армогрунтовый элемент. Изменение касательного напряжения по радиусу от армогрунтового элемента и быстро уменьшаются в данном случае носит нелинейный характер и может быть представлено выражением (2.1) [26]:
Трехосные лабораторные экспериментальные исследования вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов
На первом этапе проведения экспериментальных исследований были проведены трехосные испытания крупно-масштабных моделей вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов. Основной целью проведения испытаний было получение характерной картины напряженно-деформированного состояния элементарного объема (участка) грунтового элемента в оболочке из геосинтетического материала, выделенного из массива грунта. При выполнении экспериментальных исследований был выбран масштабный коэффициент 1:10, для которого выполнялось геометрическое подобие модели. Силовое подобие соблюдалось путем подбора жесткости материала армирования. В соответствии с законом Лапласа для тонких цилиндрических оболочек, растягивающие усилия в геосинтетическом армировании будут прямо пропорциональны радиусу грунтового элемента, таким образом, жесткость геосинтетического армирования должна быть снижена пропорционально масштабу модели. Для проведения испытаний был подобран материал – хлопковое волокно с упругими деформационными характеристиками, позволяющими соблюсти масштабные коэффициенты подобия. Среднее значение жесткости материала оболочки 70 кН/м. Характеристики материала обертывания были определены с использованием разрывной установки, в соответствии с действующими стандартами [35]. Общий вид установки для испытаний геосинтетических материалов на разрыв показан на рисунке 3.1.
В качестве материала заполнения грунтового элемента был выбран мелкий песок. Характеристики материала заполнения определялись стандартными методами лабораторных испытаний грунтов по методу одноплоскостного сдвига в лабораторных условиях. Размер масштабных образцов - 70х140 мм, что соответствует масштабному коэффициенту 1:10. Модели изготавливались с использованием склеивания. Были проведены испытания клеевого шва в разрывной машине для предотвращения изменения деформационных свойств материала при склеивании.
Испытания происходили с использованием стенда для трехосного испытания грунта НПО «ГЕОТЕК». Общий вид модели грунтового элемента представлен на рисунке 3.2. Рисунок 3.2 Общий вид модели грунтового элемента
Испытания образцов производились при величине бокового обжатия равного 100 кПа. Вертикальная нагрузка передавалась на образец ступенями в 10 кПа до достижения величины относительной вертикальной деформации образца в 15%. Каждая ступень выдерживалась до стабилизации деформаций в соответствии с методикой ГОСТ 122482010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» [49] для песчаных грунтов.
Испытания моделей армогрунтовых элементов проводились как с армированием в виде замкнутой оболочки по контуру, так и без нее при идентичных условиях проведения трехосных испытаний боковое давление 100 кПа и идентичная схема нагружения. График зависимости вертикальной деформации образца при проведении трехосных испытаний представлен на рисунке 3.4.
По данным испытаниям при увеличении девиаторной нагрузки выше 400 кПа происходит расхождение графиков. При этом, при данном давлении происходит разрушение образца песчаного грунта, а модель грунтового элемента продолжает деформироваться. График зависимости относительных деформаций модели грунтового элемента от давления на интервале от 400 до 850 кПа имеет линейный характер, что объясняется тем, что на данном участке деформации образца обусловлены радиальным расширением оболочки, обладающей упругими деформационными свойствами.
По результатам анализа данных трехосных испытаний были сделаны выводы, о том, что оболочка грунтового элемента вступает в работу после условного исчерпания несущей способности грунта заполнения, или преодоления бокового давления окружающего грунта (в эксперименте оно представлено давление в камере трехосного прибора). До данного момента графики испытаний песка заполнения и модели грунтового элемента практически идентичны. Далее деформации образца ограничиваются только армированием прямолинейный участок графика зависимости осадка давление. Данный участок имеет линейный характер, так как материал обертывания является упругим.
Так же следует отметить, что в соответствии с существующей методикой расчет подобных конструкций в нормативной литературе Германии [55], боковое давление внутри грунтового элемента зависит от коэффициента активного давления грунта, определяющегося по формуле (3.1): = 2 (45 -2), (3.1) где угол внутреннего трения материала заполнения армогрунтового элемента.
Для грунта, используемого при проведении трехосных испытаний, значение данного коэффициента составляет 0,307. По данным выполненных трехосных испытаний включение оболочки в работу происходит при вертикальном давлении 360 кПа, что с учетом коэффициента , соответствует горизонтальному давлению в теле грунтового элемента равному 110 кПа. При этом, учитывая схему проведения испытаний, давление «активации» оболочки грунтового элемента будет соответствовать действующему на оболочку давлению от окружающего грунта (100 кПа при проведении трехосных испытаний). То есть усилия внутри грунтового элемента могут быть вычислены с использованием представленного коэффициента активного давления . Однако, следует отметить, что при рассмотрении реальной конструкции будет появляться реакция отпора слабого окружающего грунта при его деформировании, которое не может быть смоделировано при данной схеме лабораторных испытаний. Так же представленная величина коэффициента активного давления соответствует предельному напряженному состоянию материала заполнения, следовательно, в расчетах деформации армогрунтовых элементов, при уровне давлений меньше предельного, может быть использован коэффициент Пуассона и коэффициент бокового давления (для упругой постановки задачи), значение которого в случае использования щебня близко к коэффициенту активного давления.
Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчетов по представленной методике
Использование данной технологии имеет рядом преимуществ с точки зрения обеспечения технического результата: улучшения деформационных свойств, увеличения несущей способности основания и снижения стоимости работ. Для подробного обоснования использования технологии на территории Пермского края необходимо подробнее рассмотреть инженерно геологические условия края, а так же сложившуюся строительную практику.
Данная технология эффективна именно в условиях слабых водонасыщенных грунтов, что создает значительную актуальность применения данной технологии на территории Пермского края и города Перми в частности. На территории города Перми широкое распространение имеют водонасыщенные глинистые грунты, которые можно отнести к слабым. Описание геологических условий сделано на примерах конкретных геологических изысканий, а так же архивных данных изыскательских организаций.
Геологические условия Перми разнообразны, что обусловлено различным генезисом, литологией, неоднородной степенью выветрелости горных пород и условиями залегания отложений. Коренные породы пермского возраста в основном представлены тремя литологическими разновидностями: аргиллитом, песчаниками и алевролитом. В напластовании данных пород не наблюдается какойлибо закономерности, они замещают друг друга, переслаиваются или образуют на определенных этапах участки с однородными слоями значительной мощности.
Коренные породы с поверхности перекрыты аллювиально делювиальными четвертичными отложениями, которые по ряду показателей можно подразделить на следующие литологические разновидности: техногенный слой, аллювиальноболотные отложения, аллювиальные суглинки, супеси, глины, аллювиальнопесчаные отложения, аллювиальные крупнообломочные слои, элювиальные грунты.
В геоморфологическом отношении на территории города четко выделяются пойма, четыре надпойменные террасы и высокая равнина. Глинистые грунты наиболее широко распространены на IV надпойменной террасе, на территории которой расположены Индустриальный, Свердловский, Мотовилихинский и Орджоникидзевский районы города Перми. Представление обобщенного геологического разреза территории IV надпойменной террасы города Перми выполнено в работах Калошиной С.В. [7] и представлено в таблице 5.1. В соответствии с этими данными основание характерное для IV надпойменной террасы представлено суглинком от полутвердой до мягкопластичной консистенции и гравийным грунтом с песчаным заполнителем. Осредненная толщина суглинка и песка принята равной 10м, толщина гравийного грунта 2 м. ниже гравийного грунта залегают коренные породы пермского возраста. Согласно ГОСТ 25100 95[25] перечисленные выше аллювиально делювиальные грунты относятся к классу природных дисперсных грунтов с водноколлоидынми и механическими структурными связями, а грунты пермских отложений – к классу скальных (подкласс полускальные) и следовательно их можно считать малосжимаемыми (модуль общей деформации Е 50Мпа). При этом многочисленные данные испытаний говорят о том, что часто модуль деформаций данных грунтов значительно ниже (около 20 Мпа) ввиду их значительной выветрелости и трещиноватости, а так же возможно нарушения структурных связей при замачивании [25].