Сборник трудов конференции СПбГАСУ ч

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

прибор, так и стандартное холодильное оборудование совместимое с этим прибором.

Первое направление обусловлено принятой системой подачи воды к нижней торцовой грани образца. Эта система обычно состоит из резервуара для воды расположенного за пределами установки для испытаний, из которого она по шлангу подается к образцу. Уровень воды, принимаемый в резервуаре, не обеспечивает соответствие напорного режима в натурных условиях, например, для водонасыщенного грунта. Так, если для этого грунта в натурных условиях горизонт воды совпадает с границей промерзания, то при лабораторных испытаниях это положение не выполняется.

Второе направление связано с неудобствами для пользователей связанными с доукомлектовкой используемого при испытаниях холодильного оборудования устройством системы для подачи воды и т. п. Конструктивные решения по реализации этих направлений рассматриваются ниже.

Комплект разработанной установки для испытания грунта на морозное пучение включает:

устройство для испытаний образцов грунта;

холодильное оборудование, обеспечивающее необходимый температурный режим при испытаниях.

Принципиальная схема устройства, с установленными в нем образцами для проведения испытаний, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема прибора: 1 – резервуар, 2 – теплоизоляция, 3 – корпус, 4 – форма для образца, 5 – индикатор, 6 – заглушка, 7 – внутренний резервуар, 8 – крышкапластина, 9 – решетка, 10 – вода

К основным элементам устройства относятся резервуар 1 и крышка – пластина 8, прикреплённая к защитному корпусу 3, теплоизоляция 2 исключает возможность замерзания залитой в резервуар 1 воды в течении всего периода проведения испытаний.

Вкрышкепластине имеются полости, в которые вставляются образцы

вформах 4. Одна из полостей остается свободной и при заполнении водой служит внутренним резервуаром 7, защищаемым от промораживания заглушкой 6. Изоляция крышки-пластины устраивается толщиной, исключающей возможность промораживания образцов по боковой поверхности при испытании.

131

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Вконструкции принятого устройства используется принцип сообщающихся сосудов. Это обеспечивает в процессе испытаний совмещение горизонта воды с понижающейся границей промерзания грунта в образцах. Подобный характер промерзания в натурных условиях имеют водонасыщенные грунты. Новизна конструктивного решения устройства для испытания образцов грунта на морозное пучение подтверждена патентами на изобретение

[3,4,5].

Вкачестве холодильного оборудования рассматривались варианты:

использование стационарной холодильной камеры;

использование автономного холодильного шкафа серии «Премьер».

к вентилятору от компрессора, расположенного в соседнем помещении. Понижение температуры в камере обеспечивалось до температуры –10 С.

Автономный холодильный шкаф серии «Премьер» относится к оборудованию освоенного отечественной промышленностью. Эти шкафы выпускаются с одной или двумя секциями. Шкаф с одной секцией имеет внешние размеры: длина – 800 мм, ширина – 760 мм, высота – 1940 мм; шкаф с двумя секциями отличается длиной, которая составляет 1640 мм. Температурный режим в рабочей камере регулируется с электронного блока управления. Шкафы данной серии с минимальной температурой –6 С выпускаются с глухими металлическими дверьми. В случае необходимости завод изготовитель допускает поставлять шкафы на эту температуру и с застекленными дверями. Это переоборудование включало так же усиление теплоизоляции рабочей камеры.

Предложенные конструктивные решения реализовывались при изготовлении опытных образцов устройств для испытаний. При этом использовались конструктивные материалы с малой теплопроводностью. Так, заменителем металла при изготовлении таких элементов устройства как форма для образца, резервуар для воды служил стеклопластик. При их устройстве использовались специальные шаблоны.

Первоначально опытные образцы устройств для испытаний предназначались для использования в стационарной холодильной камере. Общее количество опытных устройств позволяло одновременно проводить испытания 24 образцов. Фотография расположенных в камере 4 устройств приведена на рис. 2.

132

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

Рис. 2 . Установки с использованием стационарной холодильной камеры

Эти устройства с использованием стационарной холодильной камеры оставались основным оборудованием для испытаний грунта на морозное пучение до начала 2000 года.

К его недостаткам следует отнести:

неравномерность температурного режима по площади камеры;

нарушение температурного режима в период визуального снятия показаний с индикаторов деформаций;

неудобство при частом контроле за процессом проведения испыта-

ний.

В дальнейшем появилась возможность устранения этих недостатков

всвязи с появлением новых типов автономного холодильного оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью. Для этих целей был выбран

холодильный шкаф серии «Премьер» с застекленными дверями допускающий понижение температуры до – 60С. Завод изготовитель обеспечил изготовление таких шкафов и их поставку. Для изготовления опытных установок было приобретено 2 односекционных и 1 двухсекционные холодильные шкафы.

Для размещения в рабочей камере односекционного шкафа устройства для испытаний его внешние габариты принимались – ширина и длина 650 мм, высота 395 мм. Для изготовления опытных образцов изготавливали два варианта устройств для испытаний. Первый вариант предназначался для испытаний трех образцов, второй – пяти образцов.

Фотография опытного образца автономной установки для испытания на морозное пучение трех образцов с обозначение основных ее элементов приведена на рис. 3.

133

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Для оценки отдельных параметров работы изготовленных опытных установок проводились дополнительные исследования. Их результаты рассмотрены в работе [6].

Сначала 2000 годов эти установки являлись основным оборудованием

влаборатории ВоГТУ для испытания грунта на морозное пучение. Фотография этих установок приведена на рис. 4. Эти установки позволяют одновременно испытывать 16 образцов грунта.

Рис. 3. Общий вид установки: 1 –устройство для испытания образ-

цов; 2 – испытуемые образцы; 3 – заРис. 4. Опытные образцы приборов с испольглушка; 4 – холодильный шкаф зованием автономных холодильных камер

Данная лаборатория функционирует до настоящего времени. За этот период она использовалась при выполнении работ по направлениям: участие в инженерно – геологических изысканиях, проведение научных исследований (улучшение пучинистых свойств грунтов с использованием ионных стабилизаторов и гранулированного шлака), использование в учебном процессе и т. п. Опыт создания и эксплуатации этой лаборатории может быть использован при разработке стандартного оборудования для проведения лабораторных испытаний грунта на морозное пучение.

134

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

Литература

1.ВСН 46-83. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа.-М.: Транспорт, 1985.-157с.

2.ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения пучинистости.- Введ.1990-09-01.-М.: Издательство стандартов, 1990.-8с.

3.Патент RU 2313788 С1 МПК G01N33/38. Автономное устройство для испытания грунта на морозное пучение / Шорин В.А., Каган Г.Л., Вельсовский А.Ю. // Опубли-

ковано: 27.12.2007 Бюл. 36.

4.Патент RU 2319145 С1 МПК G01N33/38. Автономное устройство для испытания грунта на морозное пучение / Шорин В.А., Каган Г.Л., Вельсовский А.Ю. // Опубли-

ковано: 10.03.2008 Бюл. 7.

5.Патент RU 2021600 С1 МПК G01№33/38. Устройство для испытания материалов на морозоустойчивость / Малышев П.В., Каган Г.Л., Шорин В.А. // Опубликовано: 15.10.1994 Бюл.19

6.Шорин В.А. Исследование параметров работы новой установки для испытания грунта на морозное пучение / В.А. Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский // Труды первого Всероссийского дорожного конгресса. – М., 2009. – С. 284-291.

УДК624.154.

И.Т. Мирсаяпов, И.В. Королева, О.Ю. Чернобровкина

(ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»)

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ РЕЖИМНОМ ДЛИТЕЛЬНОМ ТРЕХОСНОМ НАГРУЖЕНИИ

В реальных условиях строительства и эксплуатации нагрузки на грунтовое основание прикладываются поэтапно по мере возведения здания или сооружения. При этом этапы активного нагружения чередуются с этапами длительной выдержки образца под нагрузкой.

Основываясь на том, что в основаниях, сложенных глинистыми грунтами, напряженно-деформированное состояние зависит от истории предшествующего нагружения, учет особенностей деформирования глинистых грунтов при режимном длительном нагружении дает возможность более точно изучить реальные свойства грунтов, и таком образом приблизить теоретические прогнозы к реальному поведению грунтов оснований. В связи с этим экспериментальное изучение напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов в условиях режимного длительного трехосного сжатия является актуальной задачей.

Были проведены испытания глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия. Для проведения серии экспериментов использован прибор, в котором давление на грунт передается при помощи механических рычагов. Стенки камеры прибора являются жесткими и подвижными. Нагрузка передается че-

135

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

рез рычаг, что обеспечивает поддержание постоянства давления. Внешний вид прибора приведен на рис. 1.

Испытывались образцы глинистого грунта нарушенной структуры со

следующими характеристиками:

W= 23%;

WP=22 ,8%;

WL=40 ,1%; ρ=1,94 г/см 3;

I P=17 ,3%

После изготовления образца были отобраны пробы грунта и определены его прочностные характеристики:

20,6 , с 67,47кПа . Отклонение по плотности и влажности в пределах

высоты образца составили менее 1 % от заданных величин, что позволило считать образец однородным.

Испытания проводились в приборе трехосного сжатия в условиях трехосного режимного длительного статического нагружения, особенностью которого было чередование этапов ступенчатого приложения девиаторного нагружения и длительной выдержки образца под нагрузкой: на первом этапе образец подвергался всестороннему обжатию при m 80кПа , затем образец

при постоянном значении бокового давления подвергался ступенчатому режимному девиаторному нагружению. Испытания проводились при различных боковых давлениях 2 3 80 кПа , 2 3 160 кПа . Величина ступени

составляла от 90 кПа.

Рис. 2. Схема режима нагружения

136

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

По результатам испытаний были постоены графики зависимости интенсивности касательных напряжений τi, объемных деформаций εv, интенсивности деформаций сдвига γi во времени, паспорт грунта и паспорт ползучести грунта.

Анализируя полученные результаты можно сказать, что при увеличении средних напряжений и времени действия нагрузки происходит развитие деформаций изменения объема и деформации изменения формы при уплотнении грунта в пределах испытанного объема.

На рис. 3 приведены режимы трехосного нагружения и показаны изменения объемной деформации во времени, по которым можно проследить изменение деформаций в образце на протяжении всего испытания. Следует отметить, что наиболее интенсивный прирост деформаций на каждой ступени активного девиаторного нагружения наблюдается в момент приложения нагрузки и составляет до 3 % от максимальных значений объемных деформаций, достигнутых при разрушении образца. На этапе выдержки образца под нагрузкой на этапе активного девиаторного нагружения существенный прирост деформаций установлен в первые 5–10 минут наблюдения, который составляет от 5 % до 8 % от прироста объемных деформаций за весь блок нагружения, затем скорость деформирования уменьшается. В тех случаях, когда выдержка ступени нагружения продолжалась более 1 суток, прирост объемных деформаций составляет от 2 % на первых этапах длительного режимного нагружения до 40 % на последнем этапе выдержки перед разрушением. Следует отметить, что скорость деформирования образца на этапе длительной выдержки снижается до 10 раз.

а)

б)

Рис. 3. а) режимы нагружения; б) изменение объемных деформаций во времени, соответствующие режимам нагружения

137

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

По результатам испытаний построены графики зависимости между средними напряжениями σm и объемными деформациями εV (рис. 5), между интенсивностью касательных напряжений τi и интенсивностью деформаций сдвига γi (диаграмма деформирования образца) (рис. 6) и между средними напряжениями σm и интенсивностью деформаций сдвига γi (рис. 7), паспорт ползучести грунта (рис. 8 и 9). Совместный анализ приведенных графиков показывает, что при увеличении средних напряжений и времени действия нагрузки происходит развитие деформаций изменения объема и деформации изменения формы (положительная дилатансия) при уплотнении грунта в пределах испытанного объема.

Рис. 4. Режим нагружения

Рис. 5. График зависимости между средними напряжениями σm и объемными деформациями εV

Исходя из результатов экспериментальных исследований объемную деформацию V грунта можно представить в виде:

138

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

где V0 – объемная деформация, при всестороннем обжатии; VD – объемная

деформация, вызванная воздействием девиатора напряжений. Величина V0 является функцией не только от m , но и от сдвигающих напряжений , воз-

никающих вследствие различия сопротивления грунта растяжению и сжатию, а также анизотропии физико-механических свойств в вертикальном

и горизонтальном направлениях ( V0 f1* ( m , ,t) ).

Рис. 6. График зависимости между интенсивностью касательных напряжений τi и интенсивностью деформаций сдвига γi

Рис. 7. График зависимости между средними напряжениями σm и интенсивностью деформаций сдвига γi

Впроведенных исследованиях при величине всестороннего обжатия

m =160 кПа интенсивность деформаций сдвига составила 0,035, что состав-

ляет 18 % от деформаций объема.

Как видно из рисунка 6 в процессе девиаторного нагружения график развития интенсивности деформаций сдвига меняет кривизну, при3 2 160кПа эти изменения ярко выражены. В стадии длительного де-

139

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

виаторного нагружения происходит увеличение интенсивности деформаций сдвига. При этом необходимо отметить, что изменение деформаций сдвига при длительном нагружении (за 100 суток) увеличивается до 5 раз.

Рис. 8. Паспорт ползучести

Рис. 9. Паспорт грунта

Как видно из диаграммы объемного деформирования грунта (см. рис. 5), наблюдается увеличение объемных деформаций на всем протяжении испытания. В данном эксперименте в процессе всестороннего обжатия величина объемных деформаций составляет 0,039, при девиаторном нагружении прирост составляет 0,03, а полная деформация за весь срок испытания составляет 0,19. При 3 2 160кПа на 1 этапе объемные деформации составили

0,04, на 2 этапе – 0,06, а на 3 этапе достигает величины 0,9, на 4 этапе 0,12, на этапе предшествующему разрушению составила в момент приложения нагрузки 0,17 и увеличилась до 0,19.

График зависимости между средними напряжениями σm и интенсивностью деформаций сдвига γi (см. рис. 7) показывает, что на этапе всестороннего обжатия при m =160 кПа интенсивность деформации сдвига составила

140