Сборник трудов конференции СПбГАСУ ч

Раздел 4. Лабораторные и полевые исследования грунтов и фундаментных конструкций…

различными видами упаковки частиц и принципиально разными НДС в элементарных объемах грунта.

На основании полученных зависимостей была разработана геотехническая классификация неоднородных грунтов в зависимости от процентного содержания частиц различной крупности. В соответствии с этой классификацией все грунты с неоднородным гранулометрическим составом могут быть разделены на следующие категории:

Грунт без включений. Грунты в этой категории ведут себя в соответствии с принятыми закономерностями механики грунтов, основанной на теории однородной изотропной среды. Масштабным эффектом в первом приближении можно пренебречь, так как размер частиц ничтожно мал по сравнению с рассматриваемыми объемами грунта в массиве.

Грунт-заполнитель с редкими включениями. Модель "булка

сизюмом". Вмещающей средой является мелкодисперсная среда, в которой

встречаются включения. Включения не соприкасаются друг с другом и в большей степени влияют на деформационные характеристики массива, повышая его жесткость.

Заполнитель с крупными/смешанными/редкими включения-

ми. Содержание включений увеличивается, сказывается их влияние на НДС элементарного объема грунта: при достаточно высоком содержании включений формируются несущие столбики, между которыми напряжения в заполнителе в несколько раз превышают средние. Заполнитель в этих зонах переходит в пластическое состояние, происходит выдавливание заполнителя из массива и уменьшение расстояния между включениями.

Зона структурного перехода. Расстояние между включениями продолжает уменьшаться до математического порога в 26 % заполнителя, когда все включения начинают касаться друг друга, образуя жесткий скелет, плотность упаковки максимальная, а все поры заполнены пылеватоглинистыми частицами. В этот момент происходит переход структуры неоднородного грунта в принципиально другое состояние, когда скелет образуют крупные частицы, а заполнитель находится в порах между ними, полностью их заполняя.

Крупный/средний/мелкий песок с заполнителем. Песок, в порах которого содержится глинистый заполнитель. Жесткость образца остается примерно такой же, как у песка без заполнителя, но возрастает устойчивость за счет сопротивления взаимному смещению частиц.

Крупный/средний/мелкий песок. Песок смешанного грануло-

метрического состава, поведение которого описывается принятыми закономерностями механики грунтов, а наличие заполнителя в порах не оказывает влияния на деформационные характеристики. При этом прочностные характеристики повышаются, так как между частицами возникает сцепление, а заполнитель препятствует смещению и проворачиванию частиц.

111

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Крупный/мелкий песок без заполнителя. Идеально сыпучий грунт.

Для наглядного отображения предлагаемой классификации грунтов была разработана графическая интерпретация, основанная на треугольнике Ферре. Треугольник Ферре позволяет нанести на схему точку, имеющую три координаты, сумма которых составляет 100 %. В предлагаемой классификации по координатам откладывается содержание в % крупных частиц (>2мм), мелких частиц (0,1–2 мм) и заполнителя (пылеватых и глинистых частиц).

На рис. 1 отдельные категории предложенной классификации представлены в виде областей на треугольнике Ферре. Границы между областями определены по результатам лабораторных испытаний. Нижняя граница зоны фазового перехода отсекает математический предел максимальной плотности упаковки шарообразных частиц, при котором объем пор между ними составляет 26 %.

Рис. 1. Классификация грунтов с неоднородным гранулометрическим составом в зависимости от процентного содержания частиц различного размера

Данная геотехническая классификация позволяет на основании данных о гранулометрическом составе грунта уже на ранних стадиях изысканий сделать предварительный вывод об особенностях поведения элементарного объема грунта и формирующемся в нем НДС. Эта информация позволяет смоделировать поведение неоднородного грунта в массиве и получить его

112

Раздел 4. Лабораторные и полевые исследования грунтов и фундаментных конструкций…

эквивалентные характеристики с использованием МКЭ и простейших стандартных испытаний массивов грунтов.

В качестве дальнейшего развития предложенной классификации на диаграмму были нанесены рекомендуемые значения механических характеристик – модуля деформации, сцепления и угла внутреннего трения для четвертичных отложений в соответствии с действующим нормативным документом [СП 22.13330.2011]. Значения представлены в виде диапазона, и в зависимости от плотности грунта величина модуля деформации будет изменяться. На рис. 2–4 представлены диаграммы распределения модулей деформации, угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от гранулометрического состава частиц, соответственно. Жирным шрифтом выделены значения из нормативной документации, курсивом выделены значения, полученные методом интерполяции значений СП в диапазоне плотности от 2,0 до

2,42 г/см3.

Из рис. 2 видно, что по мере уменьшения размера частиц модуль деформации снижается. Однако вблизи зоны структурного перехода наблюдается снижение модуля, которое можно объяснить нестабильным поведением скелета грунта и возможным лавинообразным разрушением цепочек частиц вследствие местной потери устойчивости в элементарном объеме.

Рис. 2. Модуль деформации Е, МПа для четвертичных отложений в зависимости от гранулометрического состава по данным СП 22.13330.2011

Угол внутреннего трения снижается вместе с уменьшением размера частиц (рис. 3), что вполне закономерно, так как мелкие и пылеватые частицы как правило имеют менее шероховатую поверхность, следовательно

113

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

внутреннее трение в элементарном объеме грунта ниже, чем для крупных частиц.

Рис. 3. Угол внутреннего трения φ,° для четвертичных отложений в зависимости от гранулометрического состава по данным СП 22.13330.2011

Рис. 4. Сцепление с, кПа для четвертичных отложений в зависимости от гранулометрического состава по данным СП 22.13330.2011

114

Раздел 4. Лабораторные и полевые исследования грунтов и фундаментных конструкций…

Величина сцепления, напротив, нелинейно возрастает с увеличением содержания пылеватых и мелких частиц (рисунок 4), что объясняется увеличением удельного числа контактов между частицами и образованием водноколлоидных связей.

Введение предлагаемой классификации, вероятно, позволит более точно прогнозировать свойства основания с учетом неравномерности гранулометрического состава. Кроме того, с помощью эквивалентных диаграмм предварительные значения механических характеристик грунта могут быть определены только по результатам определения гранулометрического состава, что позволяет сократить время, необходимое для начала проектирования. При этом определение гранулометрического состава обычно проводится с высокой точностью, в отличие от прочих классификационных показателей, таких как, например, число пластичности и влажность.

Литература

1.ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ. 2011.

2.СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М.: Минрегионразвития РФ, 2011.

3.Мирный А.Ю. Механические свойства неоднородных грунтов как оснований и материала земляных сооружений: диссертация кандидата технических наук. М.: МГСУ, 167с.

4.Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. М.: АСВ, 2009. 551с.

УДК 624.131: 539.5

В. А. Козионов (Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова)

ОСОБЕННОСТИ КОМПРЕССИОННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ С КРУПНООБЛОМОЧНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Введение

При геотехнических исследованиях для строительства зданий и сооружений на элювиальных грунтах, широко распространенных на территории Республики Казахстан, часто возникает необходимость определения механических характеристик грунтов, представляющих собой природные смеси включений из скальных обломков с пылевато-глинистым заполнителем, называемыми в практике обломочно-глинистыми грунтами [1]. Механические свойства таких грунтов, как показывают результаты исследований, существенно зависят от особенностей их состава, строения, состояния заполнителя и включений. Несмотря на значительный объем проведенных исследований,

115

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

закономерности их деформирования изучены еще не достаточно полно. Главным образом это относится к данным о реологических свойствах этих грунтов.

Целью настоящей работы является изучение особенностей влияния содержания, размера крупнообломочных включений и состояния заполнителя на параметры ползучести глинистых грунтов в условиях компрессионного уплотнения. Проведено две серии исследований: экспериментальные испытания грунтов и их численное моделирование методом конечных элементов

(МКЭ).

Результаты физических экспериментов

Экспериментальные исследования проводились в компрессионных приборах на искусственных смесях суглинка с влажностями на границе раскатывания wP 0,158, на границе текучести wL 0,296 и дресвы. Для состав-

ления программы испытаний была использована теория планирования многофакторного эксперимента. При построении матрицы планирования эксперимента число факторов принято равным трем. Численные значения факторов варьировалисьнадвухуровнях(+1 и-1):

– X1 ( n ) – процентное содержание включений (-1 – 0,2; +1 – 0, 4);

– X 2 ( d ) – крупность включений дресвы (-1 – d 0,5; +1 – d 1,0);

– X 3 ( w ) – влажность заполнителя (-1 – w 0,205; +1 – w 0,255).

Механические свойства дресвы оценивались современными приборами неразрушающего действия «Пульсар» и «Оникс». Подготовка образцов грунта из смеси дресвы и суглинка осуществлялась путем послойной их укладки с фиксацией формируемой структуры. В ходе опытов определялись деформации образцов грунта во времени f ( p,t) по ступеням приложения на-

грузок p .

Характерные результаты двух испытаний в виде кривых ползучести

t f (t) и зависимостей t f ( p,t) приведены на рис. 1. Полученные дан-

ные показывают, что исследованные грунты обладают ярко выраженными реологическими свойствами. Наличие крупнообломочных включений оказывает армирующее влияние на величину деформаций ползучести, а зависимости f ( p,t) имеют нелинейный характер для различных моментов

времени.

Для описания деформаций грунтов во времени в работе использована

116

Здесь первое слагаемое выражает условно-мгновенную нелинейную деформацию грунта, а второе – нелинейную деформацию грунта, развиваю-

результаты таких построений приведены на рис. 2.

117

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Определение параметров A, K,U , M проводилось методом наименьших

квадратов по программе на ПЭВМ. В табл. 1 приведены полученные в результате обработки данных параметры деформирования грунтов во времени.

Анализ табл. 1 указывает на существенную зависимость параметров ползучести глинистых грунтов от содержания крупнообломочных включений.

На рис. 3 приведены зависимости изменения стабилизированного во времени компрессионного модуля деформации ES для ступени p = 0,05 МПа

для ряда сочетаний параметров n , d , w . Их анализ указывает на существование весьма сложной зависимости вида ES f (n, d, w, p) . Вид этой зависи-

мости может быть получен методом факторного анализа. Так, например, в результате обработки данных для ES при p = 0,05 МПа получена зависи-

мость вида (2)

118

Раздел 4. Лабораторные и полевые исследования грунтов и фундаментных конструкций…

Рис. 3. Влияние содержания включений и влажности суглинка на модуль деформации: а – Зависимость ES f (t) при w 0,25 ; б – Зависимость ES f (t) при w 0,20

торов.

По аналогии получены зависимости ES f (n, d, w, p) для иных значений p .

Результаты математического моделирования

В соответствии со схемой испытаний нагрузка на образец грунта передавалась через штамп ступенями заданной величины (рис. 4, а). На боковых гранях образца ставилось граничное условие – отсутствие горизонтальных перемещений, а на нижней границе – отсутствие вертикальных перемещений. Для расчетов заполнитель и включения из дресвы разбивались на конечные элементы (фрагмент разбивки приведен на рис. 4, б). Задача решалась методом конечных элементов по программе SCAD с использованием данных физических опытов.

Рис. 4. Расчетная схема моделирования уплотнения грунта при компрессии

При выполнении расчетов МКЭ использовались две расчетные модели грунтов. Для включений – модель линейно-деформируемой среды, а закон деформирования заполнителя описывался компрессионной кривой, полученной по данным испытания реального образца грунта при n = 0 [3]. Принима-

119

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

лось, что напряженное состояние в образце не изменяется во времени, т. е. коэффициент Пуассона заполнителя постоянен, а ползучесть включений отсутствует.

На рис. 5 приведены в качестве примера данные об изохронных кривыхf ( p,t) для различных моментов времени полученные эксперименталь-

Из рис. 5 следует, что данные численного моделирования удовлетворительно согласуются с результатами физических экспериментов. Тогда по результатам численного моделирования можно построить аналогичные рисунку 2 зависимости и определить параметры грунта U , m , a, K . В табл. 2 приве-

дены, в качестве примера, результаты экспериментальных и расчетных определений секущего компрессионного модуля деформации ES ( d = 0,5 мм;

w =0,205).

Анализ результатов численного моделирования показал, что распределение напряжений в образце грунта при наличии в нем крупнообломочных включений является весьма неоднородным (рис. 6).

Распределение вертикальных перемещений в образце также неоднородно. Поэтому при анализе напряжений и деформаций в таких грунтах не-

120