Stamp Tests of Loess Soil Samples in a Tray

Для условий строительства, когда необходимо определить ожидаемую величину просадки сооружений небольшой ширины на лёссовых основаниях большой мощности, имеющих область замачивания больше площади подошвы их фундамента вследствие длительного увлажнения фильтрационным потоком, модель компрессионного сжатия для определения относительной просадки становится неприемлемой.

Кроме того, при определении относительной просадки по результатам компрессионных испытаний предполагается, что грунт лёссового основания при увлажнении деформируется только в вертикальном направлении, боковые деформации грунта от действия горизонтальных составляющих уплотняющих напряжений при этом не принимаются во внимание. Однако, как показывают результаты сравнения расчетов многих исследователей ожидаемой просадки с натурными данными, компрессионные испытания дают заниженные величины дополнительных деформаций сооружений, возникающих при увлажнении их лёссовых оснований.

I. INTRODUCTION

Вертикальная просадочная деформация по рекомендациям СП (свод правил) и ВСН (ведомственные и строительные нормы) подсчитывается по модели компрессионного сжатия (без возможности бокового расширения) небольшой мощности слоя грунта под подошвой фундамента сооружения. При этом предполагается, что замачивание происходит только под подошвой фундамента, а мощность лёссового основания невелика, так как в компрессионном приборе отношение высоты образца к его диаметру h/d=3,7/8,75=0,42cm. Для условий строительства, когда необходимо определить ожидаемую величину просадки сооружений небольшой ширины на лёссовых основаниях большой мощности, имеющих область замачивания больше площади подошвы их фундамента вследствие длительного увлажнения фильтрационным потоком, модель компрессионного сжатия для определения относительной просадки становится неприемлемой. Кроме того, при определении относительной просадки по результатам компрессионных испытаний предполагается, что грунт лёссового основания при увлажнении деформируется только в вертикальном направлении, боковые деформации грунта от действия горизонтальных составляющих уплотняющих напряжений при этом не принимаются во внимание. Однако, как показывают результаты сравнения расчетов многих исследователей ожидаемой просадки с натурными данными, компрессионные испытания дают заниженные величины дополнительных деформаций сооружений, возникающих при увлажнении их лёссовых оснований [2].

Результаты исследований просадочных деформаций многих ученых показали, что их характер зависит от ширины подошвы фундамента сооружения. Под распластанными сооружениями просадка происходит без бокового расширения и в этих условиях компрессионные испытания дают результаты, сопоставимые с натурой. Но под узкими фундаментами деформация просадки происходит с боковым выбором грунта. Как показали опыты, проведенные Н. Н. Фроловым [2], фактическая просадка сооружений (в г. Никополе) оказалась в 2-2,8 раза больше, чем расчетная с учетом данных компрессионных испытаний. Причину таких несовпадений автор объясняет наличием бокового выбора грунта, не учитываемым при расчете. Следует, однако, отметить, что сравнение величин вертикальных и горизонтальных перемещений, по данным С.Г.Юрченко [1], показывает, что боковые перемещения значительно меньше вертикальных и составляют около 15% от их величины. Расхождение между фактическими и расчетными величинами просадки автор объясняет тем, что просадка по своей природе носят явно пластический характер, а не является деформацией уплотнения, как принято в нормативных документах, и, следовательно, компрессионные приборы не способны моделировать работу грунта в фазе пластических деформаций [4].

Для приближения модели лабораторного исследования просадочных свойств лёссового грунта к реальным условиям их работы под неширокими гидротехническими сооружениями гидромелиоративных систем и для получения качественной картины деформированного состояния образцов лёссового грунта после их замачивания под нагрузкой нами были проделаны штамповые испытания такого грунта в лотке. Поскольку в реальном грунтовом основании под сооружением (в зависимости от соотношения сторон подошвы фундамента и сжимаемой толщи грунта), кроме компрессионного, может быть и другое деформационное состояние с возможностью бокового расширения грунта и областью замачивания за пределами контура фундамента, необходимо было размеры основания под штампом, имитирующим подошву фундамента строительных сооружений, принять в несколько раз больше размеров штампа как в ширину, так и в глубину для того, чтобы не было влияния стенок и дна лотка на возможное расширение грунта под действием нагрузки и увлажнения [2].

Так как в лотке для штампового испытания использовались образцы натурного грунта естественной структуры и напряжения ${\sigma }_z$, передаваемые штампом на основание, равны реальным, то и его относительная деформация ${\epsilon }_{sl}$ будет соответствовать реальной.

Нами были проделаны два вида испытания образцов лёссового грунта в лотке:

1. Имитация плоской модели сооружения.

2. Имитация осесимметричной модели сооружения.

Высота образцов лёссового суглинка была равна 35см, ниже лотки были заполнены плотным мелким песком. Размеры лотков (а, следовательно, и монолита грунта) назначены таковыми, чтобы они соответствовали возможным контурам замачивания грунта основания от имитируемого относительно неширокого гидросооружения.

Одна сторона лотков была выполнена из прозрачного оргстекла. В лоток помещался образец натурного грунта в виде монолита в естественном по ориентации состоянии. На лицевой стороне монолита, примыкающей к оргстеклу, прежде чем помещать его в лоток, наносилась несмываемой краской сетка размерами 2x2см. Во избежание застенной фильтрации передняя поверхность монолита тщательно выравнивалась для наиболее плотного прилегания к лицевой стороне ящика. Прозрачная стенка необходима для возможности визуального фиксирования изменения контура промачивания грунтового основания под штампом, а также изменение его деформативного состояния после приложения к нему через штамп постепенно увеличивающейся ступенями нагрузки. Лоток размещался на металлическом столе с нагрузочной системой, позволяющей передавать на образец грунта нагрузку так называемым «мертвым грузом» ступенями, начиная с p=0,0065МПа, через жесткий штамп толщиной t=1см. Штамп с нагрузочной системой соединялся жестко. Для замеров перемещения лёссового грунта от нагрузки и при замачивании применялись прогибомеры ЛИСИ. Общая картина - деформированный грунт - снималась на кальку и фотографировалась. На рисунках 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 и 2.6 показаны стенд и испытуемый грунт в нем до и после нагружения и замачивания [1].

После суток консолидации грунта под нагрузкой и снятия начального отсчета по индикатору вокруг штампа заливалось строго дозированное количество воды. Количество воды определялось с учетом изменения пористости образцов грунта после замачивания. Для этого взвешивали монолит грунта природной влажности, помещаемый в лоток, $m_{go}=22770$ и определяли массу частиц: $m_s={\rho }_s{v}_s=2,73\times 7804,5=21306,2$, г.

В таблице 1 показано количество воды, которое доливалось в лоток для плоской модели при замачивании образца до нужной влажности:

Таблица 1: количество воды долитой в лоток для плоской модели при замачивании образца

При этом производился отсчет по индикатору для определения величины просадки. С продвижением контура увлажнения под штампом вглубь монолита по координатной сетке определялась мощность замоченного слоя. Результаты эксперимента при разных значениях давления и влажности приведены в таблице 2.

Таблица 2: Результаты лабораторного испытания образца в лотке при разных давлениях и влажности

Кроме того, проводились определения величин относительной просадки при испытаниях образцов лёссового суглинка, замоченных до различных влажностей, при испытаниях их в плоской и в осесимметричной моделях. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.

Таблица 3: Величины относительной просадки, полученные при испытаниях лёссового суглинка на различных моделях

Как показала раскопка грунта в лотке после завершения эксперимента, влажность грунта сразу под подошвой штампа и чуть ниже от него была больше влажности ниже лежащих слоев грунта. Как видно из рисунки 1,2,3 области пластической деформации возникают прежде всего сразу под штампом и под краями его и далее по мере продвижения фронта увлажнения область деформированного грунта распространяется вниз на глубину, равную примерно 2,5в и на 1,5в в каждую сторону от штампа, где в- ширина штампа.

Как показал анализ результатов экспериментов, существует предельное значение влажности, после достижения которой величина деформации грунта резко возрастает и происходит пластическое течение грунта, хотя нагрузка при этом не увеличивалась и оставалась постоянной. По достижении этой влажности штамп резко опускается вниз и вокруг него образуются бугры выпирания. Причем такая же картина наблюдается как при испытании лёссового грунта в плоском лотке, так и при осесимметричном испытании (рисунка 3(б). При этом, как показали эксперименты, картина разрушения при достижении критической влажности w=19% в осесимметричном лотке наступает при нагрузке p=0,07МПа, а при испытании в плоском лотке значение критической влажности мало меняется (w=16%), а критическая нагрузка увеличивается до значения p=0,1МПа. Дальнейшее увеличение влажности вызывает непрерывное возрастание деформации пластического течения, т.е. в отличие от непросадочных грунтов, где потеря прочности наступает при достижении второй критической нагрузки, в лёссовых грунтах разрушение наступает не от увеличения нагрузки, а от достижения влажности грунта критического значения [1]. На наш взгляд, такое поведение грунта объясняется тем, что по достижении критической влажности грунт переходит в текучее состояние и его несущая способность резко уменьшается от существенного уменьшения прочностных характеристик грунта - угла внутреннего трения ф и удельного сцепления с. А разные значения критических нагрузок при различных схемах лотка можно объяснить тем, что при осесимметричной модели в лотке есть возможность образования бугров выпирания не только слева и справа от штампа, как в плоском лотке, но и спереди и сзади от него, что и убыстряет наступление момента разрушения.

{"image_source":{"path":"images/3d41a355f20b15d3f3f3023fab17cff70585f7f050e0334e410cdbcb9506c8de.jpg"},"content":"","chart_caption":[{"type":"text","content":"Рисунок 4: Деформация лёссового основания при нагрузке"},{"type":"text","content":"p=0,07МПа и "},{"type":"equation_inline","content":"w_{sl}=19\%"},{"type":"text","content":" в осесимметричной модели"}],"chart_footnote":[]}

Необходимо отметить, что как показали эксперименты, при увлажнении лёссового грунта существенно уменьшается величина удельного сцепления, падая практически до нуля, угол внутреннего трения при этом уменьшается незначительно, что объясняется природой лёссовых грунтов, где прочность в основном обеспечивается сцеплением между частицами грунта, а трение между ними играет незначительную роль в связи с их большой пористостью и малой природной плотностью [3].

II. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Юрченко С.Г. Методика расчета ожидаемой совместной просадочной деформации гидротехнических сооружений и их лёссовых оснований с учетом области замачивания//Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета // Томск, 2008, No2.

2. Фролов Н.Н. Повышение надежности расчетов гидросооружений на лёссовых основаниях по просадочным деформациям//Мелиорация и водное хозяйство // М., 2007, No2.