VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Оn the basis of static handling of attained results we composed table for determining СW и φw under intensity of earthquake action (dynamic) under J=7-8 points and degree of saturation Sr 0,8, under different means of soil stabilization.
collapsible soil, drained angle of internal friction, density, soil strength, cohesive properties of soil, structural strength, earthquake action
Прочностные свойства лёссовых просадочных грунтов характеризуются, как отмечалось рядом исследователей [1–5], двумя показателями: углом внутреннего трения «φ» 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 φ 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:
(1)
где – нормативные напряжения от веса грунта, лежащего выше рассматриваемого горизонта, и веса сооружения;
– объемный вес воды;
– динамический напор, отвечающий моменту времени t;
– угол внутреннего трения при влажности W;
– связность грунта, имеющая водно-коллоидную природу и отвечающая моменту времени t;
–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:
(2)
Анализ многочисленных опытов с лессовыми грунтами многих учёных, позволил установить характер изменения связанности грунта в начальные моменты приложения динамической нагрузки, близкой к зависимости
(3)
где ,
– соответственно начальное и конечное значения связанности грунта;
–динамический параметр, характеризующий свойства грунта и силу динамического воздействия; t – 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 Z связываются с постепенным увеличением количества воды, освобождающейся во времени из объема грунта, охваченного сейсмическим воздействием. Для прогноза возрастающей величины динамического напора предложена формула
(4)
где – коэффициент динамического уплотнения, свидетельствует о скорости уплотнения данного грунта при заданной динамической нагрузки;
– коэффициент фильтрации грунта; L – активная, переходящая в наружное состояние зона, определяемая по выражению:
(5)
где – объемный вес грунта; g – ускорение силы тяжести; T – период колебаний; V – скорость распространения сейсмических волн;
- максимальное сейсмическое ускорение;
– нагрузка от веса сооружения;
- общее сцепление (
=
).
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:
(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:
(7)
где – критическое ускорение, при котором 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 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 , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr ≥0,8 при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия, быстром сдвиге образцов грунта без предварительного обжатия и J=7-8 баллов при Wp от 0,15 до 0,21 и коэффициенте пористости
=0,5-0,7.
Таблица 1
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессов при Sr
0,8 (при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||
|
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||
|
0,13 |
CW φW |
0,014 24°50ꞌ |
0,011 24°25ꞌ |
0,008 24° |
0,007 23°10ꞌ |
0,06 22°35ꞌ |
0,05 22° |
0,04 21°20ꞌ |
|
0,15 |
CW φW |
0,027 23°40ꞌ |
0,021 23°25ꞌ |
0,016 22°50ꞌ |
0,013 22°25ꞌ |
0,012 21°50ꞌ |
0,01 21°20ꞌ |
0,008 21° |
|
0,17 |
CW φW |
0,036 22°45ꞌ |
0,033 22°15ꞌ |
0,029 21°45ꞌ |
0,024 21°20ꞌ |
0,02 20°45ꞌ |
0,017 20°20ꞌ |
0,015 19°40ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
|
0,037 22°10ꞌ |
0,034 21°35ꞌ |
0,031 20°15ꞌ |
0,028 19°45ꞌ |
0,024 19°20ꞌ |
0,02 18°50ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
|
|
0,036 19°15ꞌ |
0,032 18°40ꞌ |
0,03 18°30ꞌ |
0,027 18° |
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
|
|
0,034 17°40ꞌ |
0,031 17°25ꞌ |
Продолжение таблицы 1
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,95 |
1,0 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,007 20°25ꞌ |
0,006 19°55ꞌ |
0,005 19°30ꞌ |
0,004 19° |
0,003 18°40ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,014 19°20ꞌ |
0,013 18°55ꞌ |
0,011 18°33ꞌ |
0,01 18°05ꞌ |
0,009 17°40ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,018 18°25ꞌ |
0,016 18° |
0,015 17°40ꞌ |
0,014 17°20ꞌ |
0,013 17° |
|
0,21 |
CW φW |
0,024 17°40ꞌ |
0,020 17°20ꞌ |
0,019 17° |
0,017 16°20ꞌ |
0,016 15°45ꞌ |
|
0,23 |
CW φW |
0,029 17° |
0,026 16°10ꞌ |
0,024 15°40ꞌ |
0,02 15° |
0,019 14°20ꞌ |
Таблица 2
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr ≥0,8 (при быстром сдвиге без предварительного обжатия образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||||||
|
0,45 |
0,50 |
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||||||
|
0,13 |
CW φW |
0,016 23°40ꞌ |
0,013 23°20ꞌ |
0,01 23° |
0,009 22°40ꞌ |
0,007 22°10ꞌ |
0,006 21°50ꞌ |
0,005 21°30ꞌ |
||||
|
0,15 |
CW φW |
0,03 22°40ꞌ |
0,024 22°15ꞌ |
0,019 21°40ꞌ |
0,016 21°15ꞌ |
0,014 20°50ꞌ |
0,012 20°20ꞌ |
0,01 20°00ꞌ |
||||
|
0,17 |
CW φW |
0,041 21°15ꞌ |
0,037 20°45ꞌ |
0,033 20°15ꞌ |
0,028 20°00ꞌ |
0,024 19°25ꞌ |
0,021 19°00ꞌ |
0,018 18°30ꞌ |
||||
|
0,19 |
CW φW |
|
0,043 20°30ꞌ |
0,039 20°00ꞌ |
0,036 18°45ꞌ |
0,033 18°15ꞌ |
0,028 18°00ꞌ |
0,024 17°30ꞌ |
||||
|
0,21 |
CW φW |
|
|
|
0,042 17°40ꞌ |
0,037 17°25ꞌ |
0,035 17°15ꞌ |
0,032 17°00ꞌ |
||||
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
|
|
0,042 16°40ꞌ |
0,038 16°30ꞌ |
||||
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||||||||
|
0,8 |
0,85 |
0,9 |
0,95 |
1,0 |
||||||||
|
0,15 |
CW φW |
0,009 19°25ꞌ |
0,008 18°55ꞌ |
0,006 18°35ꞌ |
0,005 18°00ꞌ |
0,004 17°45ꞌ |
||||||
|
0,17 |
CW φW |
0,017 18°00ꞌ |
0,016 17°45ꞌ |
0,013 17°20ꞌ |
0,012 17°00ꞌ |
0,011 16°40ꞌ |
||||||
|
0,19 |
CW φW |
0,021 17°10ꞌ |
0,019 16°50ꞌ |
0,018 16°40ꞌ |
0,016 16°30ꞌ |
0,014 16°00ꞌ |
||||||
|
0,21 |
CW φW |
0,028 16°40ꞌ |
0,024 16°35ꞌ |
0,022 16°10ꞌ |
0,019 15°40ꞌ |
0,017 15°00ꞌ |
||||||
|
0,23 |
CW φW |
0,035 16°10ꞌ |
0,031 15°20ꞌ |
0,028 15°00ꞌ |
0,023 14°20ꞌ |
0,021 13°50ꞌ |
||||||
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:
=1,60 г/см3;
=0,939; Wp=0,17; WL=0,30 относительная просадочность при p =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: p = 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 p = 0,06 МПа, и затем производился их сдвиг при давлениях p = 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 p = 0,1; 0,2; 0,3 МПа. А также ряд образцов (серии 4) при тех же значениях влажности предварительно уплотнялись при давлении p = 0,3 МПа, и срезались при давлении p = 0,1; 0,2; 0,3 МПа (табл. 5).
Таблица 3
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr =0,8 и интенсивности сейсмического воздействия J=7-8 баллов
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,55 |
0,60 |
0,65 |
0,70 |
0,75 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,016 24°30ꞌ |
0,013 22°20ꞌ |
0,011 21°30ꞌ |
0,009 20°30ꞌ |
0,007 20°10ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,030 21°40ꞌ |
0,024 21°30ꞌ |
0,02 20°30ꞌ |
0,016 20°10ꞌ |
0,014 19°10ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,034 20°40ꞌ |
0,031 20°10ꞌ |
0,027 19°40ꞌ |
0,023 18°50ꞌ |
0,018 18°15ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
0,036 19°20ꞌ |
0,032 18°40ꞌ |
0,030 18°30ꞌ |
0,026 17°40ꞌ |
|
0,23 |
CW φW |
|
|
|
0,035 17°40ꞌ |
0,031 17°15ꞌ |
Таблица 4
Рекомендуемые значения удельного сцепления , МПа и угла внутреннего трения
, град. лессовых грунтов при Sr
0,8 J=7-8 баллов (при стабилизированном сдвиге с предварительным обжатием образцов)
|
Wp |
показатели |
Характеристики грунтов при коэффициенте пористости |
||||
|
0,50 |
0,55 |
0,6 |
0,65 |
0,70 |
||
|
0,15 |
CW φW |
0,02 22°50ꞌ |
0,015 22°00ꞌ |
0,012 21°25ꞌ |
0,01 20°50ꞌ |
0,008 20°10ꞌ |
|
0,17 |
CW φW |
0,031 21°20ꞌ |
0,027 20°35ꞌ |
0,02 20°10ꞌ |
0,016 19°10ꞌ |
0,012 18°30ꞌ |
|
0,19 |
CW φW |
0,035 21°30ꞌ |
0,03 21°00ꞌ |
0,027 19°20ꞌ |
0,023 18°20ꞌ |
0,018 17°45ꞌ |
|
0,21 |
CW φW |
|
|
0,031 18°20ꞌ |
0,027 17°20ꞌ |
0,023 17°00ꞌ |
Таблица 5
Обобщенные результаты сдвиговых испытаний лёссовидного суглинка
|
серия |
Начальное давление при |
При влажности грунта |
||||
|
Уплотнении, МПа |
Сдвиге, МПа |
естественного |
водонасыщенного |
|||
|
С, МПа |
φ, град |
С, МПа |
φ, 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 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 p = 0,06 и 0,3 МПа будет больше, чем при давлениях уплотнения p = 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 , позволяет более точно оценивать несущую способность основания в условиях высокой сейсмичности и динамического воздействия, более надежно проектировать основания и повысить экономическую эффективность.
1. Gil'man Ya.D., Smirnov I.I. O pokazatelyah prochnosti lessovyh gruntov v Rostovskoy oblasti. «Informacionnyy byulleten'» CTISIZa, vyp. (19). M., 1972.
2. Denisov N. Ya. Stroitel'nye svoystva lessa i lessovidnyh suglinkov. M.: Gosstroyizdat, 1953. 154 s.
3. Krutov V.I. Raschet fundamentov na prosadochnyh gruntah. M.: Stroyizdat, 1972. 176 s.
4. Krutov V.I. Osnovaniya i fundamenty na prosadochnyh gruntah. Kiev, «Budivel'nik», 1982. 220 s.
5. Kulikov G.V. Prochnostnye svoystva prosadochnyh gruntov Prikopetdagskoy ravniny. Sb. «Stroitel'stvo i stroitel'nye materialy Turkmenii». Izd-vo TGU, Ashhabad, 1976 g.
6. Chernysh A.S. K voprosu ocenki ustoychivosti otkosov slozhennyh prosadochnymi gruntami pri dinamicheskih vozdeystviyah i uvlazhnenii // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. №6. S. 27-29.
7. Maslov N.N. Osnovy inzhenernoy geologii i mehaniki gruntov. M.: Vyssh. shkola, 1982. 511 s.
8. Maslov N.N. Mehanika gruntov v praktike stroitel'stva. M.: Stroyizdat, 1977.
9. Rasulov H.Z. Seysmichnost' lessovyh osnovaniy zdaniy i sooruzheniy. Tashkent, izd-vo «Uzbekistan», 1977. 163 s.
10. Rasulov H.Z. Ocenka vozmozhnosti narusheniya ustoychivosti svyaznyh gruntov pri zemletryaseniyah. Materialy IV Vsesoyuznoy konferencii. Tashkent, izd-vo «Fan», 1977.
