Прочностные свойства лёссовых просадочных грунтов при статических и динамических нагрузках Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ВыскребенцевВ.С., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЁССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

[email protected]

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: [email protected].